自控数字电路实验讲义

数字电路与逻辑设计实验

(b) 状态图

图4-7-3 74HC194构成的扭环形计数器 2.555定时器

555集成定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路，它是供仪器、仪表、自动化装置、各种民用电器定时器、时间延迟器等电子控制电路用的时间功能电路，也可做自激多谐振荡器、脉冲调制电路、脉冲相位调谐电路、脉冲丢失指示器、报警以及单稳态、双稳态等各种电路，应用范围十分广泛。尽管产品型号繁多，但几乎所有的产品型号最后的三位数都是555，而且它们的逻辑功能与外部引线排列完全相同。555集成定时器的结构框图如图4-7-4所示，其外引线排列见附录。

图4-7-4 555集成定时器的结构框图

555集成定时器由两个电压比较器C1和C2、一个基本RS触发器、一个放电三极管和三个5KΩ电阻串联成的分压器构成。若电压控制端5号端（CO）不加任何电压，则比较器C1的参考电压为2/3UCC，加在同相输入端上（若在此端外加直流电压，可改变分压器各点电位值。在没有其它外部连线时，应在该端与地之间接如0.01μF的电容，以防止干扰引入比较器C1的同相端），比较器C2的参考电压为1/3UCC，加在反相输入端上。输入信号分别从2号端（TR：低电平触发端）和6号端（TH：高电平触发端）加入。4号端为复位端，在此端接负脉冲（低于0.7V的“0”电平）可使触发器直接置“0”，正常工作时，应将它接“1”。7号端为放电端，当Q=1时放电管导通。根据其结构，可列出其功能如表4-7-2所示。 表4-7-2 555集成定时器功能表 输入 输出 TH TR RD U0 T X X 0 0 导通 ＜2/3 UCC ＜1/3 UCC 1 1 截止 ＞2/3 UCC ＞1/3 UCC 1 0 导通 ＜2/3 UCC ＞1/3 UCC 1 保持 保持

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１. 由555集成定时器组成施密特触发器

将555定时器的vI1和vI2两个输入端连在一起作为信号输入端，即构成施密特触发器， 如图4-7-5（a）所示。

由于比较器C1和C2的参考电压不同，因而基本RS触发器的置0信号（vc1=0）和置1信号（vc2=0）必然发生在输入信号的不同电平。因此，输出电压vO由高电平变为低电平和由低电平变为高电平所对应的vI值也不同，这样就形成了施密特触发器，其电压传输特性如图4-7-5(b)所示。

（a） 用555构成施密特触发器 (b)电路的电压传输特性

图4-7-5

为提高比较器参考电压VR1和VR2稳定性，通常在VCO端接有0.01μF左右的滤波电容。 根据555定时器的结构和功能可知：

当输入电压vI=0时，vO=1；vI由0逐渐升高到2/3VCC时，v0由1变为0。 当输入电压vI从高于2/3VCC开始下降直到1/3VCC时，v0由0变为1。 由此得到555构成的施密特触发器的正向阈值电压VT+=2/3VCC，负向阈值电压VT-=1/3VCC，回差电压∠VT= VT+- VT-=1/3VCC。

如果参考电压由外接的电压VCO供给，则不难看出这时VT+=VCO VT-=1/2VCO，∠VT=1/2VCO。通过改变VCO值可以调节回差电压的大小。

２. 用555集成定时器组成多谐振荡器

先将555定时器接成施密特触发器，然后在施密特触发器的基础上该接成多谐振荡器，其电路及工作波形如图4-7-6所示。

利用555构成多谐振荡器的工作原理如下：

当555定时器输出为高电平时，三极管TD截止，电源VCC经过R1、R2对电容C充电。随着充电的进行，电容电压vc按指数规律上升。

当电容电压vc上升到2/3VCC时，555定时器输出变为低电平，三极管TD导通，此时，电容C开始经过R2、TD放电。随着放电的进行，电容电压vc按指数规律下降。

当电容电压vc下降到1/3VCC时，555定时器的输出又变为高电平，三极管TD截止，电 容C又开始充电。如此循环下去，就可输出幅度一定、周期一定的矩形脉冲波。

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图4-7-6 555构成的多谐振荡器电路及其工作波形

VI

输出信号的时间参数是： 正脉冲宽度（充电时间） T1?（R1?R2）.C.lnvc(?）-vc(0)vc(?）-vc(T1)

vcc-.C.ln ?(R1?R2）vcc-1323vcc? （R1?R2）.C.ln vcc ?0.695(R1?R2)C

负脉冲宽度（放电时间）

vc(?）-vc(0) T2?R2.C.ln

vc(?）-vc(T2)0-2313vcc?R2.C.ln2?0.695Rvcc2 ?R2.C.ln0-C

振荡周期

T?T1?T2?(R1?2R2)C.ln2?0.695(R1?2R2)C ⑴

占空比

T1R1?R2??50% ⑵ Q=TR1?2R2由公式（1）和（2）可看出，改变R1、R2和C可以调整振荡周期，并且改变R1、R2还可以调整占空比，

而改变C可调整周期，但不影响占空比。

如果参考电压由外接的电压VC0供给，则

1vcc-vco2 T1? （R1?R2）.C.lnvcc-vco

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T2?R2.C.ln0-vco0-12vco?R2C.ln2

由此可鉴，当555定时器的5管脚外接电源电压VC0时，改变VC0也可改变振荡周期和占空比。 为确保图3-10-3所示电路正常工作，在选取元件时应注意以下几点：

①选R2的最小值以不损坏放电管TD为限。当TD导通时，流过的电流灌入TD，为不损坏TD管应将此电流限制在5mA以下。R2的最大值取决于阈值输入端所需要的阈值电流，其值一般为1μA左右。

②电容C的最小值应大于分布电容，一般不宜小于100PF，从而可忽略分布电容；电容C的最大值受电容器漏电流的限制。

③负载的拉电流和灌电流都不应超过200mA。

④控制电压输入端VC0在外加控制电压调节比较器的触发电平时，控制电压的值至少应比电源电压VCC低两倍结电压值。

以上几点说明同样也适用于555的其它应用。 ３. 用555定时器构成单稳态触发器

若输入的触发信号VI由低触发端输入，并且触发信号为负脉冲，则555定时器构成的 单稳态触发器电路和工作波形如图4-7-7所示。

图4-7-7 555构成的单稳态触发器电路及工作波形

当VI没有触发信号时处于高电平，那么稳态时电路一定处于VO=0的状态，此时TD导通，RS触发器停在Q=0状态。

当触发负脉冲到来时，VI＜1/3 VCC，使比较器C2的输出vc2=0，RS触发器被置1，输出跳变为高电平VO=1，电路进入暂态。与此同时TD截止，VCC经R开始向电容充电。

当电容充电至2/3 VCC时，比较器C1的输出变为vc1=0。如果此时输入端的触发脉冲已消失，回到了到电平，则RS触发器被置0，于是输出跳变为低电平VO=0，同时TD又变为导通状态，电容C经TD迅速放电，直至vc≈0，电路恢复到稳态。

单稳态触发器的周期与它的触发信号周期相等，输出脉冲宽度TW取决于外接电阻R和C的大小。由图3-10-4可知，TW等于电容电压在充电过程中从0上升到2/3 VCC所需要的时间，因此得到

vc(?）-vc(0)vcc-0?RC.ln3?1.1RC ?RC.lnTW?RC.ln2vc(?）-vc(Tw)vcc-3vcc

注意：①触发脉宽应小于输出脉宽，否则电路不正常。

②通常R的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间，电容的取值范围为几百皮法到几百微法，TW的范围

为几微秒到几分钟。但必须注意，随着TW的宽度增加它的精度和稳定度也将下降。

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三、实验仪器及器件

⑴数字电子技术实验仪 ⑵万用表 ⑶示波器 ⑷74HC194、、74HC04、NE555、电阻电容若干

四、预习报告要求

⑴熟悉74HC194的管脚排列及其工作原理；

⑵按实验内容要求设计电路，并画逻辑电路图。

五、实验内容

⑴用74HC194及门电路构成扭环形计数器，其有效状态转换见图17-4所示。并用实验证明设计的正确性。

图4-7-8 扭环形计数器状态转换图 ⑵⑴验证74194的逻辑功能。用74HC194构成8位双向移位寄存器。绘出逻辑电路图并用实验验证其正确性。 ⑶设计一个数字显示系统，要求如下：

①用555定时器构成多谐振荡器产生T=1秒的方波信号。 ②用两片74160构成模60计数器。

③用两个七段数码管显示计数器的输出。

六、实验报告要求

⑴写出设计的全过程，画出电路逻辑图，记录实验验证的结果； ⑵把在实验中出现的异常现象作分析和研究。

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