数字逻辑电路 第五部分：脉冲信号的产生与整形 实验十五单稳态触发器与施密特触发器 一、实验目的 1.掌握门电路组成单稳态触发器的方法。 2.熟悉数字单稳态触发器的逻辑功能及其使用方法。 3.熟悉数字集成施密特触发器的性能及其功能。 二、实验原理 1.单稳态触发器具有以下特点： ①电路只有一个稳态、一个暂稳态。 ②在外来触发信号的作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。 ③暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中RC延时环节的作用， 经过一段时间后，电路会自动返回到原态。暂稳态的持续时间取决于RC电路 的参数值。 由于单稳态触发器具有以上这些特点，它被广泛的应用于脉冲波形的变换 与延时中。单稳态电路有微分型与积分型两大类，这两类触发器对触发脉冲的 极性与宽度有不同的要求。 (1)微分型单稳态触发器 它的两个逻辑门是由RC耦合的，而RC电路为微分电路的形式，故称为 微分型单稳态触发器。它可由与非门或或非门电路构成，这里我们只看由与非 门组成的情况，电路图如下所示： 1 ,04u 300pf RP 47K 3302 图15-1微分型单稳态触发器 -75-
数字逻辑电路 - 75 - 第五部分: 脉冲信号的产生与整形 实验十五 单稳态触发器与施密特触发器 一、实验目的 1. 掌握门电路组成单稳态触发器的方法。 2. 熟悉数字单稳态触发器的逻辑功能及其使用方法。 3. 熟悉数字集成施密特触发器的性能及其功能。 二、实验原理 1. 单稳态触发器具有以下特点： ①电路只有一个稳态、一个暂稳态。 ②在外来触发信号的作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。 ③暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中 RC 延时环节的作用， 经过一段时间后，电路会自动返回到原态。暂稳态的持续时间取决于 RC 电路 的参数值。 由于单稳态触发器具有以上这些特点，它被广泛的应用于脉冲波形的变换 与延时中。单稳态电路有微分型与积分型两大类，这两类触发器对触发脉冲的 极性与宽度有不同的要求。 （1）微分型单稳态触发器 它的两个逻辑门是由 RC 耦合的，而 RC 电路为微分电路的形式，故称为 微分型单稳态触发器。它可由与非门或或非门电路构成，这里我们只看由与非 门组成的情况，电路图如下所示： 图 15-1 微分型单稳态触发器
数字逻辑电路 该电路是负脉冲触发，其中，R即、Cp构成输入端微分直流电路。R、C构 成微分型定时电路，定时元件R、C的取值不同，输出脉宽tw也不同，tw≈ (0.7~1.3)RC。与非门，G3起整形、倒相的作用。 下面图15-2为微分型单稳态触发器各点的波形图，一般说来，单稳态触 发器有以下几种状态： ①没有触发信号(t<1)时，电路处于初始稳态。 ②外加触发信号(t1时刻)，电路由稳态翻转到暂稳态。 ↓→个+叶+w↓ ③持续暂稳态一段时间，t1<t<t2。 ④当=2时，电路由暂稳态自动翻转。 c流电→↑一→ ⑤恢复过程(2<)，自动翻转时电路不是立即回到初始稳态值，而是要 有一段恢复时间的。 当D后，如果Vi再出现负跳变，则电路将重复上述过程 如果脉冲宽度较小时，则输入端可省去Rp、Cp微分电路了。 4 -VT -VT w 图15-2微分型单稳态触发器各点波形图 -76
数字逻辑电路 - 76 - 该电路是负脉冲触发，其中，Rp、Cp 构成输入端微分直流电路。R、C 构 成微分型定时电路，定时元件 R、C 的取值不同，输出脉宽 tw 也不同，tw≈ （0.7~1.3）RC。与非门，G3 起整形、倒相的作用。 下面图 15-2 为微分型单稳态触发器各点的波形图，一般说来，单稳态触 发器有以下几种状态： ①没有触发信号（tt3 后，如果 Vi 再出现负跳变，则电路将重复上述过程。 如果脉冲宽度较小时，则输入端可省去 Rp、Cp 微分电路了。 图 15-2 微分型单稳态触发器各点波形图
数字逻辑电路 (2)积分型单稳态触发器 如下图所示： G2 16 P片 R470g 5100pf 图15-3积分型单稳态触发器 电路采用正脉冲触发，触发脉冲宽度大于输出脉冲宽度的情况，其工作波 形如图174所示。电路的稳定条件是R≤1KQ,输出脉冲宽度为tw≈1.1RC。 0 n 6 图15-4积分型单稳态触发器各点波形图 2.施密特触发器 施密特触发器具有以下特点： ①施密特触发器属于电平触发，对于缓慢变化的信号仍然适用，当输入信 号达到某一定的电压值时，输出电压会发生突变。 ②输入信号增加和减少时，电路会有不同的阀值电压，它具有图175的 传输特性。 -77-
数字逻辑电路 - 77 - (2) 积分型单稳态触发器 如下图所示： 图 15-3 积分型单稳态触发器 电路采用正脉冲触发，触发脉冲宽度大于输出脉冲宽度的情况，其工作波 形如图 17-4 所示。电路的稳定条件是 R≤1KΩ，输出脉冲宽度为 tw≈1.1RC。 图 15-4 积分型单稳态触发器各点波形图 2. 施密特触发器 施密特触发器具有以下特点： ①施密特触发器属于电平触发，对于缓慢变化的信号仍然适用，当输入信 号达到某一定的电压值时，输出电压会发生突变。 ②输入信号增加和减少时，电路会有不同的阀值电压，它具有图 17-5 的 传输特性
数字逻辑电路 VoL 0V.V+ 图15-5施密特触发器的传输特性 有两种典型的施密特触发器电路，如下所示： +5V G3 Vi IN4148 S& G2 图15-6(a) 由二极管产生回差的电路 5600 2000 G2 图15-6(b)由电阻产生回差的电路 这里我们分析一下图17-6(a)所示由二极管产生回差的电路，门G1、G2 是基本RS触发器，门G3是反相器，二极管起电压平移作用，以产生回差， 其基本工作情况为： 设Vi=0,G3截止，R=1,S=0,Q=1,电路处于原态。Vi由0V上升到电 路的接通电位Vr时，G3导通，R=0,S=1,触发器翻转为Q-0。此后，Vi继 续上升，而后下降至VT时，电路状态不变。当Vi继续下降到小于Vr时，G3 由导通变为截止，而=，+'。为高电平，因而R=1,S=1,触发器状态仍保 持。只有Vi继续下降到使V=,时，电路才翻回到Q=1的原态。电路的回差 为△V='。(V为二极管导通电压)。 -78
数字逻辑电路 - 78 - 图 15-5 施密特触发器的传输特性 有两种典型的施密特触发器电路，如下所示： 图 15-6（a） 由二极管产生回差的电路 图 15-6（b） 由电阻产生回差的电路 这里我们分析一下图 17-6（a）所示由二极管产生回差的电路，门 G1、G2 是基本 RS 触发器，门 G3 是反相器，二极管起电压平移作用，以产生回差， 其基本工作情况为： 设 Vi=0，G3 截止，R=1，S=0，Q=1，电路处于原态。Vi 由 0V 上升到电 路的接通电位 VT 时，G3 导通，R=0，S=1，触发器翻转为 Q=0。此后，Vi 继 续上升，而后下降至 VT 时，电路状态不变。当 Vi 继续下降到小于 VT 时，G3 由导通变为截止，而 V V V S T D = + 为高电平，因而 R=1，S=1，触发器状态仍保 持。只有 Vi 继续下降到使 V V S T = 时，电路才翻回到 Q=1 的原态。电路的回差 为 = V VD （VD 为二极管导通电压）
数字逻辑电路 3.集成双单稳态触发器CC14528(CC4098) (1)CC14528的逻辑符号与功能表为： 1 Outputs Not Triggered Not Triggered Not triggered Not Triggered + Not er 图15-7CC14528的逻辑符号与功能表 该单稳态触发器的时间周期约为Tx=R,Cx。 所有的输出级都有缓冲级，以提供较大的驱动电流。 (2)应用实例 a.实现脉冲延时，如下图所示 Cx2 Rx2 26Q B211514102输出 Vs- 122 13 输入脉冲 T=RnCn 输出脉冲 图15-8脉冲延时 .79
数字逻辑电路 - 79 - 3. 集成双单稳态触发器 CC14528(CC4098) (1) CC14528 的逻辑符号与功能表为： 图 15-7 CC14528 的逻辑符号与功能表 该单稳态触发器的时间周期约为 T R C X X X = 。 所有的输出级都有缓冲级，以提供较大的驱动电流。 （2）应用实例 a. 实现脉冲延时，如下图所示： 图 15-8 脉冲延时
数字逻辑电路 b.实现多谐振荡，如下图所示： 214 s122 10 输出 ☒=RaCa 输出脉冲一 T=RxC +E3 图159多谐振荡 4.集成施密特触发器CC40106 其引脚功能为： 山￥ 目回回目闾回回 回回回回 图15-10CC40106的引脚功能图 它可用于波形的整形，也可用作反向器或构成单稳态触发器和多谐振荡 器。 a.将正弦波转换为方波，如下图所示： -80
数字逻辑电路 - 80 - b. 实现多谐振荡，如下图所示： 图 15-9 多谐振荡 4. 集成施密特触发器 CC40106 其引脚功能为： 图 15-10 CC40106 的引脚功能图 它可用于波形的整形，也可用作反向器或构成单稳态触发器和多谐振荡 器。 a. 将正弦波转换为方波，如下图所示：
数字逻辑电路 R14.7K0 2K0 cC40106p-0 0.1uf R2 0-1 图15-11正弦波转换为方波的波形图与示意图 b.构成多谐振荡器，如下图所示： 47K0 R CC40106 4-Vo 0.1uf c 图15-12多谐振荡器 c.构成单稳态触发器，如下图所示： a 040106b-V6 47K0 0.1uf R 470 CC40106 b-Vo 0.1uf 图15-13单稳态触发器 其中，(a)为下降沿触发：(b)为上升沿触发。 三、实验设备与器材 1、数字逻辑电路实验箱。 2、数字逻辑电路实验形扩展板。 -81-
数字逻辑电路 - 81 - 图 15-11 正弦波转换为方波的波形图与示意图 b. 构成多谐振荡器，如下图所示： 图 15-12 多谐振荡器 c. 构成单稳态触发器，如下图所示： 图 15-13 单稳态触发器 其中，(a)为下降沿触发；(b)为上升沿触发。 三、实验设备与器材 1、数字逻辑电路实验箱。 2、数字逻辑电路实验形扩展板
数字逻辑电路 3、数字万用表，双踪示波器，脉冲源。 4、芯片CC4011、CC45128、CC40106、二极管IN4148。 5、电阻，电容，电位器若干。 四、实验内容及实验步骤（使用实验箱中的硬件资源在扩展板上搭建电路实现 如下内容) 1.按图15-1连线，输入1KHz的连续脉冲，用双踪示波器观测Vi、Vp、 VA、VB、VD及Vo的波形，记录之。 2.改变C或R的值，重复实验1的内容。 3.按图15-3连线，重复实验1的内容。 4.按图15-6(a)连线，令Vi由0V到5V变化，测量V1、V2的值。 5.按图15-8连线，输入1KHz的连续脉冲，用双踪示波器观测输入、输 出波形，测定T1与T2。 6.按图15-9连线，用示波器观测输出波形，测定振荡频率。 7.按图15-12连线，用示波器观测输出波形，测定振荡频率。 8.按图15-11连线，构成整形电路，被整形信号可由音频信号源提供（可 以由实验箱信号源部分的正弦波来模拟)，图中串联的2K电阻起限流 保护作用。将正弦信号频率置1KHz,调节信号电压由低到高观测输出 波形的变化。记录输入信号为0V、0.25V、0.5V、1.0V、1.5V、2.0V 时的输出波形，并记录之。 9.分别按图15-13(a)、(b)连线，进行实验，观察实验现象 五、实验预习要求 1.复习有关单稳态触发器与施密特触发器的内容。 2.画出实验用的详细线路图。 3.拟定各实验的方法与步骤。 4.拟好实验用的数据、表格等。 六、实验报告要求 1.绘出实验线路图，记录波形。 2.分析各实验结果的波形，验证有关的结论。 3.总结单稳态触发器及施密特触发器的特点及应用。 -82
数字逻辑电路 - 82 - 3、数字万用表，双踪示波器，脉冲源。 4、芯片 CC4011、CC45128、CC40106、二极管 IN4148。 5、电阻，电容，电位器若干。 四、实验内容及实验步骤（使用实验箱中的硬件资源在扩展板上搭建电路实现 如下内容） 1. 按图 15-1 连线，输入 1KHz 的连续脉冲，用双踪示波器观测 Vi、VP、 VA、VB、VD 及 Vo 的波形，记录之。 2. 改变 C 或 R 的值，重复实验 1 的内容。 3. 按图 15-3 连线，重复实验 1 的内容。 4. 按图 15-6（a）连线，令 Vi 由 0V 到 5V 变化，测量 V1、V2 的值。 5. 按图 15-8 连线，输入 1KHz 的连续脉冲，用双踪示波器观测输入、输 出波形，测定 T1 与 T2。 6. 按图 15-9 连线，用示波器观测输出波形，测定振荡频率。 7. 按图 15-12 连线，用示波器观测输出波形，测定振荡频率。 8. 按图 15-11 连线，构成整形电路，被整形信号可由音频信号源提供（可 以由实验箱信号源部分的正弦波来模拟），图中串联的 2K 电阻起限流 保护作用。将正弦信号频率置 1KHz，调节信号电压由低到高观测输出 波形的变化。记录输入信号为 0V、0.25V、0.5V、1.0V、1.5V、2.0V 时的输出波形，并记录之。 9. 分别按图 15-13 (a)、(b) 连线，进行实验，观察实验现象。 五、实验预习要求 1. 复习有关单稳态触发器与施密特触发器的内容。 2. 画出实验用的详细线路图。 3. 拟定各实验的方法与步骤。 4. 拟好实验用的数据、表格等。 六、实验报告要求 1. 绘出实验线路图，记录波形。 2. 分析各实验结果的波形，验证有关的结论。 3. 总结单稳态触发器及施密特触发器的特点及应用
数字逻辑电路 实验十六多谐振荡器 一、实验目的 1.掌握使用门电路构成脉冲信号产生电路的基本方法。 2.掌握影响输出脉冲波形参数的定时元件数值的计算方法。 3.了解石英晶体稳频的原理和使用石英晶体构成振荡器的方法。 二、实验原理 多谐振荡器是一种自激振荡电路，该电路在接通电源后无需外接触发信号 就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波。由于多谐振荡器在工作过程中不 存在稳定状态，故又称为无稳态电路。与非门作为一个开关倒相器件，可用以 构成各种脉冲波形的产生电路。电路的基本工作原理是利用电容的充放电，当 输入电压达到与非门的阀值电压VT时，门的输出状态即发生变化。因此，电 路输出的脉冲波形参数直接取决于电路中阻容元件的数值。 1.非对称型多谐振荡器 如图16-1所示，非门G3用于输出波形整形。 非对称型多谐振荡器的输出波形是不对称的，当用TTL与非门组成时， 输出脉冲宽度为： RC 2=1.2R T=2.2RC 调节R与C的值，可改变输出信号的振荡频率，通常用改变C实现输出 频率的粗调，改变电位器R实现输出频率的细调。 G 6-g 图16-1非对称型多谐振荡器 图16-2对称型多谐振荡器 2.对称型多谐振荡器 如上图16-2所示，设刚开始=0时接通电源，电容尚未充电，此时电路的 状态为第一暂稳态。随着时间的增长，电容不断充电，V不断增大，直到阀 -83
数字逻辑电路 - 83 - 实验十六 多谐振荡器 一、实验目的 1. 掌握使用门电路构成脉冲信号产生电路的基本方法。 2. 掌握影响输出脉冲波形参数的定时元件数值的计算方法。 3. 了解石英晶体稳频的原理和使用石英晶体构成振荡器的方法。 二、实验原理 多谐振荡器是一种自激振荡电路，该电路在接通电源后无需外接触发信号 就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波。由于多谐振荡器在工作过程中不 存在稳定状态，故又称为无稳态电路。与非门作为一个开关倒相器件，可用以 构成各种脉冲波形的产生电路。电路的基本工作原理是利用电容的充放电，当 输入电压达到与非门的阀值电压 VT 时，门的输出状态即发生变化。因此，电 路输出的脉冲波形参数直接取决于电路中阻容元件的数值。 1. 非对称型多谐振荡器 如图 16-1 所示，非门 G3 用于输出波形整形。 非对称型多谐振荡器的输出波形是不对称的，当用 TTL 与非门组成时， 输出脉冲宽度为： W1 t RC = 2 1.2 W t RC = T RC = 2.2 调节 R 与 C 的值，可改变输出信号的振荡频率，通常用改变 C 实现输出 频率的粗调，改变电位器 R 实现输出频率的细调。 图 16-1 非对称型多谐振荡器 图 16-2 对称型多谐振荡器 2. 对称型多谐振荡器 如上图 16-2 所示，设刚开始 t=0 时接通电源，电容尚未充电，此时电路的 状态为第一暂稳态。随着时间的增长，电容不断充电，VA 不断增大，直到阀
数字逻辑电路 值电压Vt时，电路发生下述正反馈过程： 而后，电容充满电后开始放电，电路又发生下述正反馈过程： 其中，当G1截止G2导通的瞬间，电路为第二暂稳态。如此，电路将不 停地在两个暂稳态之间往复振荡。 由于电路完全对称，电容器的充放电时间常数相同，故输出为对称的方波。 改变R和C的值，可改变输出信号的振荡频率。如输出端加一非门，可实现 输出波形整形。 一般取R≤1KQ,当R=1KQ,C=100pf100uf时，f=nHz-nMHz,脉冲宽 度tw1=tw2=0.7RC,T=1.4RC。 3.带RC电路的环形振荡器 图163带RC电路的环形振荡器 电路如图16-3所示。其中G4用于整形，以改善输出波形，R为限流电阻 一般取1002，电位器Rw要求不大于1KQ。电路利用电容C充放电过程，控 制D点电压VD,从而控制与非门的自动启闭，形成多谐振荡，电容C的充电 时间tw1、放电时间tw2和总的振荡周期T分别为： tw1≈0.94RC,tw2≈1.26RC,T≈2.2RC 调节R和C的值，可改变输出信号的振荡频率。 以上这些电路的状态转换都发生在与非门输入电平达到门的阀值电平V 的时刻。在VT附近电容器的充放电速度已经很缓慢，而且VT本身也不够稳定， 84
数字逻辑电路 - 84 - 值电压 VT 时，电路发生下述正反馈过程： 而后，电容充满电后开始放电，电路又发生下述正反馈过程： 其中，当 G1 截止 G2 导通的瞬间，电路为第二暂稳态。如此，电路将不 停地在两个暂稳态之间往复振荡。 由于电路完全对称，电容器的充放电时间常数相同，故输出为对称的方波。 改变 R 和 C 的值，可改变输出信号的振荡频率。如输出端加一非门，可实现 输出波形整形。 一般取 R≤1KΩ，当 R=1KΩ，C=100pf~100uf 时，f=nHz~nMHz，脉冲宽 度 tw1= tw2=0.7RC，T=1.4RC。 3. 带 RC 电路的环形振荡器 图 16-3 带 RC 电路的环形振荡器 电路如图 16-3 所示。其中 G4 用于整形，以改善输出波形，R 为限流电阻， 一般取 100Ω，电位器 Rw 要求不大于 1KΩ。电路利用电容 C 充放电过程，控 制 D 点电压 VD，从而控制与非门的自动启闭，形成多谐振荡，电容 C 的充电 时间 tw1、放电时间 tw2 和总的振荡周期 T 分别为： tw1≈0.94RC, tw2≈1.26RC ， T≈2.2RC 调节 R 和 C 的值，可改变输出信号的振荡频率。 以上这些电路的状态转换都发生在与非门输入电平达到门的阀值电平 VT 的时刻。在 VT 附近电容器的充放电速度已经很缓慢，而且 VT 本身也不够稳定