《数字电子技术 》课件第7章.ppt

1、图7.1 晶体管简易测试仪在图7.1所示电路中，555定时器和外接的电阻、电容构成振荡器，产生一定频率的振荡信号。当接入被测的NPN型三极管时，被测管放大输入的振荡信号，并将其输出送给扬声器，根据扬声器的发声可对被测管性能进行简易的定性测试。若扬声器无声，则说明管子已损坏；若扬声器声音小，则说明管子的放大倍数较小；若扬声器声音大，则说明管子的放大倍数较大。7.2 555定时器定时器7.2.1 555定时器分类定时器分类常见的555定时器型号有5G555(属于单时基双极型定时器，其管脚排列如图7.2所示)、CC7555(属于单时基CMOS型定时器)、5G556(属于双时基双极型定时器)和CC75

2、56(属于双时基CMOS型定时器)。图7.2 单时基双极型555定时器5G555管脚排列图7.2.2 555定时器的电路组成定时器的电路组成5G555定时器内部电路如图7.3所示,一般由分压器、比较器、触发器和开关及输出等四部分组成。图7.3 5G555定时器内部电路1.分压器分压器由三个等值的电阻串联而成，将电源电压UDD分为三等分，作用是为比较器提供两个参考电压UR1、UR2，若控制端S悬空或通过电容接地，则:若控制端S外加控制电压US，则:2.比较器比较器是由两个结构相同的集成运放A1、A2构成的。A1用来比较参考电压UR1和高电平触发端电压UTH:当UTHUR1时，集成运放A1输出Uo

3、1=0;当UTHUR1时，集成运放A1输出Uo1=1。A2用来比较参考电压UR2和低电平触发端电压UTR:当UTRUR2时，集成运放A2输出Uo2=1;当UTRUR2时，集成运放A2输出Uo2=0。3.基本RS触发器当RS=01时，Q=0，Q=1；当RS=10时，Q=1，Q=0。4.开关及输出 放电开关由一个晶体三极管组成，其基极受基本RS触发器输出端Q控制。当Q=1时，三极管导通，放电端D通过导通的三极管为外电路提供放电的通路；当Q=0时，三极管截止，放电通路被截断。7.2.3 555定时器的功能定时器的功能以单时基双极型国产5G555定时器为例，其功能如表7.1所示。7.2.4 555定时

4、器的主要参数定时器的主要参数双极型定时器与单极型定时器相比，虽然两者在内部组成结构上存在较大差别，但是其外部引脚和外部功能完全相同，可以互换使用，但需注意其技术参数的异同。5G555（单时基双极型定时器）和CC7555（单时基CMOS型定时器）的主要参数对比如表7.2所示。7.3 555定时器的基本应用电路定时器的基本应用电路7.3.1 施密特触发器施密特触发器1.电路结构 由555定时器构成的施密特触发器如图7.4所示,定时器外接直流电源和地;高电平触发端TH和低电平触发端TR直接连接，作为信号输入端；外部复位端R接直流电源UDD（即R接高电平），控制端S通过滤波电容接地。图7.4 施密特触

5、发器2.工作原理设输入信号ui为最常见的正弦波，正弦波幅度大于555定时器的参考电压UR1=(2/3)UDD(控制端S通过滤波电容接地)，电路输入/输出波形如图7.5所示。输入信号Ui从零时刻起，信号幅度开始从零逐渐增加并呈正弦形变化。图7.5 施密特触发器输入/输出波形从图7.5输入输出波形分析中，可以发现置位电平和复位电平二者是不等的，二者之间的电压差称为回差电压，用UT表示，即UT=UR1UR2。若控制端S悬空或通过电容接地,则若控制端S外接控制电压US，UR1=US而图7.6所示为S端悬空或通过电容接地的施密特触发器电压传输特性，同时也反映了回差电压的存在，而这种现象称为电路传输滞后特

6、性。回差电压越大，施密特触发器的抗干扰性越强，但施密特触发器的灵敏度也会相应降低。图7.6 施密特触发器电压传输特性3.典型应用(1)波形变换。将任何符合特定条件的输入信号变为对应的矩形波输出信号。(2)幅度鉴别。因为施密特触发器存在复位电平UR1，只有输入信号的幅度大于555定时器的参考电压UR1时，输出端才一定会出现OUT 为“0”的状态，可以由输出状态是否出现OUT为“0”的状态判断输入信号幅度是否超过一定值，如图7.7所示。图7.7 利用施密特触发器进行幅度鉴别(3)脉冲整形。脉冲信号在传输过程中，如果受到干扰，其波形会产生变形，这时可利用施密特触发器进行整形，将变形的矩形波变为规则的

7、矩形波，如图 7.8 所示。图7.8 利用施密特触发器进行脉冲整形7.3.2 单稳态触发器单稳态触发器1.电路结构单稳态触发器如图7.9（a）所示。电路由一个555定时器和若干电阻、电容构成。定时器外接直流电源和地，高电平触发端TH和放电端D直接连接，低电平触发端TR作为触发信号输入端接输入电压ui，外部复位端R接直流电源UDD（即R接高电平），控制端S通过滤波电容C0接地。图7.9 单稳态触发器（a）电路；（b）输入输出波形7.3.2 单稳态触发器单稳态触发器2.工作原理 当单稳态触发器无触发脉冲信号时,输入端Ui=“1”,当直流电源+UDD接通以后,电路经过一段过渡时间后,OUT 端最后稳

8、定输出“0”，放电端D 通过导通的三极管接地,电容C 两端电压为零。因高电平触发端 TH 和放电端D 直接连接,所以高电平触发端 TH接地,即UTH=0(1/3)UDD,根据555定时器功能可知,此时电路保持原态“0”不变,这种状态即是单稳态触发器的稳定状态,如图7.9(b)所示。当单稳态触发器有触发脉冲信号(即Ui=“0”(1/3)UDD)时,由于UTR=Ui=“0”(1/3)UDD,并且UTH=0(1/3)UDD,由于电容两端电压UC(2/3)UDD,而UTH=UC13UDD,那么输出就由暂稳状态“1”自动返回稳定状态“0”。3.暂稳状态时间（输出脉冲宽度）暂稳状态持续的时间又称输出脉冲宽

9、度，用tW表示。它由电路中电容两端的电压来决定，可以用三要素法求得tW1.1RC。当一个触发脉冲使单稳态触发器进入暂稳定状态以后，在随后tW时间内的其他触发脉冲对触发器就不起作用了；只有当触发器处于稳定状态时，输入的触发脉冲才起作用。4.典型应用1）定时单稳态触发器可以构成定时电路；与继电器或驱动放大电路配合，可实现自动控制、定时开关的功能，一个典型定时电路如图7.10所示。图7.10 定时电路当电路接通+6 V电源后，经过一段时间进入稳定状态，定时器输出OUT为低电平，常开继电器KA（当继电器无电流通过时，常开接点处于断路状态）无通过电流，故形不成导电回路，灯泡HL不亮。当按下按钮SB时，低

10、电平触发端TR（外部信号输入端Ui）由接+6 V电源变为接地，相当于输入一个负脉冲，使电路由稳定状态转入暂稳状态，输出OUT为高电平，继电器KA通过电流，使常开接点闭合，形成导电回路，灯泡HL发亮，灯泡HL保持发亮一定时间后会自动熄灭；暂稳定状态的出现时刻灯开始亮是由按钮SB何时按下决定的，它的持续时间tW（也是灯亮时间）则是由电路参数决定的，若改变电路中的电阻RW R2 与RP 之和或C，均可改变tW。典型延时电路如图7.11所示，与定时电路相比，其区别主要是电阻和电容连接的位置不同。电路中的继电器KA为常断继电器，二极管VD的作用是限幅保护。图7.11 延时电路2)分频当一个触发脉冲使单稳

11、态触发器进入暂稳状态时，在此脉冲以后时间tW内，如果再输入其他触发脉冲，则对触发器的状态不再起作用；只有当触发器处于稳定状态时，输入的触发脉冲才起作用，分频电路正是利用这个特性将高频率信号变换为低频率信号，电路如图7.12所示。图7.12 分频电路 7.3.3 多谐振荡器多谐振荡器1.由555定时器构成的多谐振荡器1)电路结构如图7.13(a)所示，高电平触发端TH和低电平触发端TR直接连接，无外部信号输入端，放电端D也接在两个电阻之间。图7.13 多谐振荡器(a)电路;(b)输入输出波形 2)工作原理 如图7.13(b)所示,假定零时刻电容初始电压为零,零时刻接通电源后,因电容两端电压不能突

12、变,则有UTH=UT R=UC=0(1/3)UDD,OUT=“1”,放电端 D 与地断路,直流电源通过电阻 R1、R2 向电容充电,电容电压开始上升；当电容两端电压 UC (2/3)UDD时,UTH=UTR=UC23UDD,那么输出就由一种暂稳状态(OUT=“1”而放电端 D 与地断路)自动返回另一种暂稳状态(OUT=“0”而放电端 D 接地),由于充电电流从放电端 D 入地,电容不再充电,反而通过电阻 R2 和放电端 D 向地放电,电容电压开始下降；当电容两端电压UC(1/3)UDD时,UTH=UTR=UC(1/3)UDD,那么输出就由OUT=“0”变为OUT=“1”,同时放电端 D 由接地

13、变为与地断路;电源通过R1、R2 重新向 C 充电，重复上述过程。通过分析可知,电容充电时,OUT=“1”,而电容放电时,OUT=“0”，电容不断地充放电,输出相应的矩形波。多谐振荡器无外部信号输入,却能输出矩形波,其实质是一种能量形式变换器将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。3)振荡周期 振荡周期 。t1 代表充电时间(电容两端电压从(1/3)UDD上升到(2/3)UDD所需时间)，t2 代表放电时间(电容两端电压从(2/3)UDD下降到(1/3)UDD所需时间)，t20.7 R2C。因而有 对于矩形波,除了用幅度、周期来衡量以外,还存在一个占空比参数q，且0 q1，tP指输出一个周期内高

14、电平所占时间。故图7.13(a)所示电路输出矩形波的 4)改进电路图7.13（a）所示电路只能产生占空比大于0.5的矩形波，而图7.14所示电路可以产生占空比处于0和1之间的矩形波。输出矩形波的占空比q为BAARRRq图7.14 可调占空比的多谐振荡器2.石英晶体振荡器石英晶体J电路符号如图7.15(a)所示，它是将切成薄片的石英晶体置于两平板之间构成的，在电路中相当于一个高Q(品质因数)选频网络，其电抗频率特性如图7.15(b)所示。图7.15 石英晶体振荡器(a)石英晶体的电路符号；(b)石英晶体的电抗频率特性；(c)石英晶体典型振荡电路1；(d)石英晶体典型振荡电路2；(e)石英晶体典型

15、振荡电路3;(f)频率可以微调的石英晶体振荡电路从图7.15(b)中可知：当外加电压信号的频率和石英晶体固有的谐振频率f0一致时，石英晶体的阻抗值最小，频率为f0的电压信号最容易通过它，所以一般将石英晶体接入振荡电路的反馈电路中，构成正反馈，以形成自激震荡。因为石英晶体只允许频率与其谐振频率f0相同的电压信号顺利通过自身，而ff0的其他信号则被大大衰减，因而该电路的振荡频率主要取决于石英晶体本身的谐振频率f0，而与外接的电阻、电容无关，从而使振荡电路产生的振荡信号具有很高的频率稳定性(f0/f0)，一般可达到106108；如果采用高质量的石英晶体，并将晶体置于恒温状态，频率稳定性(f0/f0)

16、甚至能达到1011。图7.15(c)、(d)、(e)、(f)所示的是一些常见的典型石英晶体振荡电路：图7.15(c)中的R主要起到偏置作用，用来使非门(又称反相器)工作在线性放大区，其阻值对于TTL非门通常取在0.7 k到2 k之间，而对于CMOS非门则常取在10 M到100 M之间。石英晶体等效于一个电感器，与电容C1和C2一起构成电容三点式振荡电路，其输出信号的频率稳定，但信号波形并不理想，需要将图中的Uo再通过一个非门，才能得到理想的矩形波信号。在图7.15(d)中，偏置电阻R与非门并联，作用是使对应的非门工作在线性放大区；电容C1用于两个非门之间的耦合，C1取值应使其在通过频率为f0信

17、号时的容抗可忽略不计；而C2的作用则是抑制高次谐波，以保证稳定的频率输出，C2取值应满足条件2RC2f01。图7.15(e)所示的石英晶体振荡电路类似于RC振荡器。图7.15(f)所示的晶振电路的输出信号频率可以进行微调。石英晶体与电容C1和C2一起构成型单元电路，当改变C1的容值大小时，会使石英晶体的电抗频率特性在X轴方向出现平移，从而达到微调f0的目的。不论石英晶体振荡电路采用哪种具体电路形式，其电路输出信号频率通常选择为32768 Hz，这是因为32768=215，将此频率的输出信号经过15次二分频器后，即可得到1 Hz的时钟脉冲信号，作为计时或测量的基准信号。7.3.4 555定时器的

18、具体应用电路定时器的具体应用电路1.压控振荡器 压控振荡器的功能是将控制电压转换为对应频率的矩形波。压控振荡器的电路如图7.16所示。图7.16 压控振荡器将图7.16所示的压控振荡器电路与图7.13(a)所示多谐振荡器电路相对比，二者基本相似，主要区别在于555定时器的外部控制端S的接法不同。在图7.16所示电路中，通过RP分压经S端输入的电压US就是要进行转换的控制电压，工作原理与多谐振荡器相同，但是电路中的电容充放电是在电压US和US/2之间进行的，输入输出波形如图7.17所示。图7.17 压控振荡器的输入输出波形 2.波形产生电路 555定时器如果加上适当的外部电路，还可以产生锯齿波、

19、三角波、脉冲等信号。自举式锯齿波产生器电路如图7.18所示。图7.18 自举式锯齿波产生器 此电路将555定时器接成多谐振荡器形式，在电容C1上得到锯齿波电压波形，需要指出的是电容C2的正反馈作用，即在射随器V输出锯齿波的同时，输出通过电容C2正反馈至电阻R2上端，所以在电容C1充电时，R2上电压保持不变，使C1充电电流不变，保证了锯齿波的线形度。3.时控电路图7.19所示为一个抗干扰定时电路。电路中的V3和稳压管VDW1组成降压稳压电路，对24 V工业电压源进行滤波稳压；V1和VDW2等组成高阈值反相器，可以提高触发脉冲的幅值至24 V，从而抑制幅度较小的干扰脉冲；VD2和连接的阻容元件，可以滤除较窄的触发脉冲；VD1、VD2和V4组成继电器驱动电路，避免负载（继电器）对定时器的影响。图7.19 抗干扰的定时电路