[优秀毕业论文]基于CMOS集成电路来实现电容测试仪的设计.doc

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1、本科毕业设计（论文） 摘 要 本课题的设计电路主要采用 CMOS 集成电路来实现电容测试仪的设计。 电容测试仪主要由时钟振荡电路，控制电路，闸门电路，计数电路，译码 驱动电路和显示电路六部分组成。它的核心思想就是利用单稳态触发器的 暂态的时间来控制多谐振荡器的输出的脉冲的个数 ,然后通过七段数码管 译码驱动显示。 本课题主要研究的是电容测试仪的精度和可靠性。电容测试仪可以测量 三位数字显示，量程可达到 1 到 999，测量时间小于等于 2 秒，精度可达 到10。测量电容值的精度高，成本较低，而且维修方便，应用也比较广 泛。 关键词 测试仪；单稳态触发器；多谐振荡器； 译码驱动显示电路 本科毕业

2、设计（论文） I Abstract Now,electronics technique of development very quick, Gao Xins technique change with each passing day.Especially appropriation integrated circuit design technique of gradually progress with perfect, currently numeral electronics technique already broadly application at the calculato

3、r, auto control, electronics measure each realms such as appearance and correspondence etc.The history current continuously flow out to move,electronics science technique of continuously development,more and more of electronics product application in our daily lifes,The electronics product has alrea

4、dy become the need of our consumer,but the topic of this topic is a simple electric capacity test instrument. Also measure instrument with many electronics in the teaching,this topic be main research of is an electric capacity test instrument of accuracy and credibility.The design of this topic work

5、 credibility, measure electric capacity value of accuracy Gao, the cost be lower, and maintain convenience.This topic is main adoption CMOS integrated circuit to come to realization electric capacity test instrument of design, electric capacity test instrument main is flap by the clock to concuss el

6、ectric circuit, control electric circuit, gateway electric circuit, count electric circuit, translate code to drive electric circuit and manifestation electric circuit six part constitute.Can keep a display of view to be measured permit of electric capacity a value.Numeral measure appearance not onl

7、y ratio imitate diagraph appearance accuracy Gao,the function be strong, and easy realization measure instrument of the intelligence turn.Particularly is medium,large-scale with super large scale integration of development, numeral electronics Key words test instrument Logic electric circuit Count e

8、lectric circuit Translate the code drive manifestation electric 本科毕业设计（论文） II circui 目 录 摘 要.I ABSTRACTII 第 1 章 绪论 1 1.1 课题背景1 1.2 技术指标1 1.3 立题的目的和意义1 第 2 章 课题方案的选择 2 2.1 方案一2 2.2 方案二3 第 3 章 系统电路设计 5 3.1 系统电路工作原理图5 3.2 系统电路的工作原理.5 第 4 章 单元电路设计 7 4.1 时钟脉冲振荡电路7 4.1.1 555 集成定时器的组成 8 4.1.2 555 时基电路的基本功能

9、 8 4.1.3 555 构成时钟脉冲振荡电路 9 4.1.4 时钟脉冲振荡电路的参数计算 .12 4.2 控制电路13 4.2.1 单稳态触发器的特点 .15 4.2.2 单稳态控制电路工作原理 .15 4.2.3 RC 微分电路 16 4.2.4 CC4069 六反相器 18 4.2.5 主要参数的估算 .19 4.2.6 控制电路元器件参数计算 .21 本科毕业设计（论文） III 4.3 闸门电路22 4.3.1 闸门电路的工作原理 .22 4.3.2 CC4081 四 2 输入与门 22 4.4 计数译码驱动显示电路24 4.4.1 计数电路 .24 4.4.2 译码驱动电路 .28

10、 4.4.3 数码显示电路 .31 第 5 章 整机电路的安装与调试 37 5.1 整机电路的安装37 5.2 注意事项37 5.3 整机电路的布线与接地问题38 5.3.1 布线的原则 .38 5.3.2 关于接地问题 .38 5.4 整机电路的调试39 5.5 COMS 的使用注意事项.39 结 论 42 致 谢 43 参考文献 44 附录 1 译 文 .45 附录 2 英文参考文献 .47 附录 3 系统电路原理图 .51 附录 4 元器件表 .52 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 （ （ 论论 文文 ） ） 0 第 1 章 绪论 1.1 课题背景 21 世纪数字电路的发展速度十分迅

11、速。尤其是 IC 电路的发展更是如此。 IC 芯片功能的发展是越来越完善，电路越来越简单化。这也证明了我国在不 断的发展为数字化的国家，但技术却比以前大有提高，芯片的成本理所当然 要比以前低。而我们用数字芯片构成的电路要比分立元件构成的电路大大的 降低成本。且相对来说更是要比分立元件构成的电路好调试、容易实现多种 功能。 本课题是简易电容测试仪 ，主要考虑到它的成本便宜，可靠性高，实 用性强等特点。由于我对数字电路较为感性趣，同时电容测试仪也是教育事 业的教学必备工具。电容测试仪测试容量准确，极易使用，可对电解电容的 质量进行筛选。从而我们在做课程设计、对讲机的组装、收音机的组装还有 本次的毕

12、业设计都会用到电容测试仪，而本课题正是因为为了提高教学的质 量和为那些爱好电子制作的朋友们而设计的。在电子行业中这是经常使用的 测量仪器，尤其是我们在电子制作中更是如此。本课题主要是应用数字 IC 芯 片搭接，它的主要功能是测量电解电容的容量，用数字电路搭接可达到生动 直观的效果。 1.2 技术指标 1.要求能有三位数字显示，量程为 1999uF。 2.测量时间2S。 3.电解电容测量值的精度为10。 1.3 立题的目的和意义 21 世纪数字电路的发展十分迅速,高新技术日新月异,本课题的目的和意 义主要是为了教育事业提供教学方便,而本电路主要采用集成芯片来制作的, 可直观的显示电容的容量. 本

13、科毕业设计（论文） 1 第 2 章 课题方案的选择 在确定电路的 3 项技术指标后,我查询了许多的相关电子资料 ,并且从 中借鉴出了两种设计方案。其中这两种方案都是在以往的学习过程中所学 到的并能熟练掌握的专业知识。 2.1 方案一 鉴于许多的电子书籍杂志当中的介绍 ,并且与实际电路进行比较，我寻 找到一套设计方案，以下是方案一的详细介绍。 方案一主要采用的是数字电路部分。电路中采用了以一个单稳态振荡电 路和多谐振荡电路为核心 ,加上计数器电路、译码驱动器电路、微分电路、 LED 数码显示电路，就构成了题目所要求的各项功能。电路的调试时间相对 要长一些,主要是能够将电解电容的容量调试出来，这样

14、电路才能够顺利的 实现各项指标。图 2-1 就是方案一的原理框图 : 图 2-1 方案一框图 Cx 信信信信 信信信信 信 信 信信信信 信信信信 信信信信 信信信信 信信信信 T 信信信信 w 信信信信 本科毕业设计（论文） 2 由于方案一,需要将电路按照其工作条件和布局分配逐级连接好 ,在通 过长时间的调试就可以成功。在时间的需求上面也比单片机多 ,同时此方 案所用到的知识都是数电、模电理论基础，这会让我们对数电、模电理论 基础知识的掌握有了更深一步的加深。在电路的整个设计过程中 ,我决定 采用此方案。因为 ,我想既然是毕业设计 ,要对自己所学的知识和实践动手 能力在此次设计中得到更深一步

15、的提高，也是对知识重温的过程，此方案 最大的难点就是电路的设计和调试，但我相信通过我不懈的努力一定会顺 利完成此次方案，所以我选择了对自己知识体系有所完善的方案，并在整 个电路的设计过程中 ,都是以此方案为核心设计和调试的，并最终成功的实 现了电路设计初期的各项指标，完成了此次毕业设计的要求。 2.2 方案二 图 2-2 方案二框图 但是利用方案二这个电路虽然也能够实现电路所设计的功能 ,但是在 电路的制作上面所需要花费的时间和精力需要很多，而且使用不方便，测 得电容的容量不够直观，虽然框图简单，但是在时间上的付出也需要很多， 而且电测得容量的精度不高，虽然都是由单稳态电路和多谐振荡电路为核

16、心，其测量电容的范围很小，不能满足教学的使用以及电子制作者的需求， Cx 信信信信 信信信信 信信信信 信信信信 信信信信 信信信信 信信信信 本科毕业设计（论文） 3 这样电路就不会体现出电路的优点。为此，我选择方案一来作为本次的毕 业设计，同时这也是对我三年来专业知识的一个总结。 本章小结 本章主要介绍的是课题方案选择，并详细的比较了两个方案的优点和缺 点。以便在实际当中得到广泛的应用，为本次的设计选择最佳的方案。 第 3 章 系统电路设计 本科毕业设计（论文） 4 3.1 系统电路工作原理图 系统电路原理图见附录 3。 3.2 系统电路的工作原理 系统电路的工作原理如：图 3-1 是简易

17、电容测试仪的原理框图，它是由 时钟脉冲振荡电路控制电路闸门电路计数电路译码驱动电路数码 显示电路六部分组成。而时钟脉冲振荡电路实质就是多谐振荡器，控制电路 主要是由微分电路和单稳太触发器构成。 当接通 10V 直流电源时，时钟脉冲振荡电路产生 2ms 的矩形脉冲，在微 动开关 S 没有按下时，控制电路的输出信号为低电平（即稳定状态） ，经过 G2 非门变为高电平，对计数电路进行清零工作，同时译码驱动电路的锁存功能 无效，此时显示电路显示为 0 字型。单稳态触发器只有一个稳定状态和一个 暂稳态，而暂稳态的时间主要由 R1 和被测电容即 T=R1（时间常数） X C X C 决定的，如果将其中的电

18、阻 R1 固定不变，则输出的暂稳态时间与被测电容 成正比。当瞬间按下微动开关 S 时，这时使微分电路瞬间产生一个正的尖 X C 峰脉冲，然后经过 G1 非门变为负的尖峰脉冲，为单稳态触发器的脚提供一 个负的触发脉冲，这时单稳态电路的脚输出高电平，而此时的信号就称为 控制信号，就将其 G3 的闸门打开，使时钟振荡电路产生周期为 2ms 的矩形脉 冲通过闸门电路，作为 CC4518（IC6）的脉冲信号，同时单稳态电路的脚输 出的高电平经过 G2 非门变为低电平，此时的 CC4511（IC1）CC4511（IC2） CC4511（IC3）芯片的清零端 R 均无效，而 CC4518（IC4）CC451

19、8（IC5） CC4518（IC6）的锁存端 LE 也均无效。 CC4518 是双十进制同步计数器，是由二个独立的计数器单元构成，有二 个时钟输入端 CP 和 EN，如果采用时钟上升沿触发，则信号由 CP 端输入， 并使 EN 端为高电平；如果采用时钟下降沿触发，则由 EN 端作为信号输入端， 并使 CP 端为低电平。当 CC4518（IC6）CP 脉冲计到第十个脉冲的上升沿时， 此时 QD1 为低电平，作为 CC4518（IC5）EN 端的时钟脉冲信号来进行计数， 当 CC4518（IC5）的 EN 端计到第十个脉冲的下降沿时，QD2 为低电平，这 时作为 CC4518（IC4）芯片 EN

20、端的脉冲信号进行计数，然后分别从 CC4518（IC4）CC4518（IC5）CC4518（IC6）的 QDQCQBQA 端 本科毕业设计（论文） 5 输出信号，并送入对应的 CC4511（IC1）CC4511（IC2）CC4511（IC3） 的输入端 DCBA 端。经过译码驱动电路后在经过 300 的电阻送入到 数码显示电路，从而显示出电容的容值。这时单稳态输出的暂稳态自动翻转 为稳定状态（即低电平） ，将闸门电路 G3 关闭，停止由时钟脉冲振荡电路产 生周期为 2ms 的矩形脉冲通过，同时对计数电路进行清零和对译码驱动电路 锁存。当测下一个电容的容量时，其工作过程重复同上阐述。简易电容测试

21、 仪整机电路的原理图见附录 3。 本章小结 本章主要介绍了系统电路的原理图以及工作原理，同时也是此次设计的 核心内容。它将各单元电路的作用及工作原理进行了详细的描述，使之对整 个设计的工作过程有了更清晰的认识与了解。 第 4 章 单元电路设计 本科毕业设计（论文） 6 4.1 时钟脉冲振荡电路 时钟脉冲振荡电路的实质就是多谐振荡器构成的，其主要作用产生时钟 脉冲信号，然而产生时钟脉冲的方法也很多。由于本题目要求的精度很高， 这里选用 555 定时器组成多谐振荡器来实现时钟脉冲的产生。因为本电路采 用 555 定时器构成多谐振荡电路，不但成本比较低，而且实现起来比较方便。 它的功能灵活，使用方便

22、，带负载能力强。利用它能方便地构成单稳态触发 器、多谐振荡器、施密特触发器等，这些触发器应用与数字系统中，在实现 脉冲的产生、整形、变换、检测和控制等方面都得到广泛的应用。下面详细 介绍 555 定时器的电路的组成及基本功能，其内部结构如图 4-1 所示。 555 实基电路是一种中规模集成电路，只要在外部配上适当的阻容元件， 就可以方便的构成脉冲产生的整形电路，在工业控制定时电子乐器及防盗报 警等方面应用很广。 图 4-1 555 集成定时器的内部结构图 4.1.1 555 集成定时器的组成 1.基本 RS 触发器 本科毕业设计（论文） 7 由两个与非门组成，是专门设置的可从外部进行置 0 的

23、复位端。当R =0 时，使=0,=1。RQQ 2.比较器 A1、A2 是两个电压比较器。比较器有两输入端，分别有+号和-号，如果 用和表示相应输入端上所加的电压，则当时其输出为高电平， UUUU 时输出为低电平，两个输入端基本上不向外电路索取电流，即输入 UU 电阻趋近于无穷大。 3.分压器 三个阻值均为 5的电阻串联起来构成分压器（555 也因此而得名） ，K 为比较器 A1 和 A2 提供参考电压，A1 之+端=2VCC/3A2 之- 端 U =1VCC/3。如果在电压控制端 CO 另加控制电压，则可改变 A1A2 的参考 U 电压。工作中不使用 CO 端时，一般都通过一个 0.01uF

24、的电容接地，以旁路 高频干扰。 4.晶体管开关和输出缓冲器 晶体管构成开关，其状态受端控制。当端为 0 时截止为 1 TD QQ TD 时导通。输出缓冲器就是接在输出端的反相器 G3，其作用是提高定时器的 TD 带负载能力和隔离负载对定时器的影响。 综上所述可知，555 定时器不仅提供了一个复位电平为 2VCC/3置位电 平为 VCC/3且可通过端直接从外部进行置 0 的基本 RS 触发器，而且还给R 出了一个状态受该触发器端控制的晶体管开关，因此使用起来极为灵活。Q 4.1.2 555 时基电路的基本功能 表 4-1 所示是 555 定时器的功能表，它全面地表示了 555 的基本功能。 表

25、4-1 555 顶时期的功能表 当=0 时，=1，输出电压为低电平，饱和导通。RQ Uu OLOTD 当=12VCC/3VCC /3 时，A1 输出低电平、A2 输出高电R UTHUTR 平,=1=0，饱和导通。QQ Uu OLOTD 当=1VCC/3 时，A1A2 输出均为高电平，基本R UTHUTR 本科毕业设计（论文） 8 RS 触发器保持原来状态不变，因此也保持原来状态不变。 uOTD 当=12VCC/3VCC/3 时，A1 输出高电平，A2 输出低电平，R UTHUTR =0=1，截止。QQ Uu OLOTD 555 定时器的电源电压范围较大，双极型电路 VCC=4.516V，输出高

26、电 平不低于电源电压的 90%，带拉电流和灌电流负载的能力可达 200mA；CMOS 电 路 VDD=318V，输出高电平不低于电源电压的 95%，带拉电流负载的能力为 1mA，带灌电流负载的能力为 3.2mA。 4.1.3 555 构成时钟脉冲振荡电路 本课题主要用到多谐振荡器。电路原理图如图 4-2 所示。该电路的工作 过程如下： 图 4-2 时钟脉冲发生电路 如图 4-2 所示是用 555 定时器构成的多谐振荡器。Rp、R4、C2 是外接定 时元件，定时器脚、脚连接起来接，内部晶体三极管集电极脚接到uC Rp、R4 的连接点。 Rp 5.6K 12 3 4 5 6 78 NE555 R4

27、 12K VDD C3 0.01uF C2 0.1uF 信信信信 2VDD/3 VDD/3 t T t 1 2 本科毕业设计（论文） 9 图 4-3 时钟脉冲发生电路的工作波形 1.工作原理：接通电源前电容 C2 上无电荷，所以接通电源瞬间，C2 来不 及充电，故=0 比较器 A1 输出为 1、A2 输出为 0，基本 RS 触发器 uC =1、=0、截止。QQ Uu OHOTD （1）暂稳态 =1、=0、截止，是电路的一种暂稳态，因为在这种状QQ Uu OHOTD 态下，有一个电容 C2 充电、缓慢升高的渐变过程在进行着，充电回路是 uC 地，时间常数是=（R4+Rp）C2。24CRRpVCC

28、1 （2）自动翻转 I 当电容 C2 充电，上升到 2VD/3 时，比较器 A1 输出跳变为 0，基本 RS uC 触发器立即翻转到 0 零状态，=0、=1、饱和导通。QQ Uu OLOTD （3）暂稳态 =0、=1、饱和导通，是电路的另一种暂稳态，因为在QQ Uu OLOTD 这种状态下，同样有一个电容 C2 放电、缓慢下降的渐变过程在进行着，放 uC 电回路是地，时间常数是=R4C2（忽略饱和导通电 D TRC422 TD 阻 RCES） 。 （4）自动翻转 当电容 C2 放电，下降到 1VCC/3 时，比较器 A2 输出跳变为 0，基本 RS uC 触发器立即翻转到 1 状态，=1、=0

29、、截止即暂稳态。QQ Uu OHOTD 在暂稳态，电容 C2 又充电、再上升，不难理解，接通电源之后， uC 本科毕业设计（论文） 10 电路就在两个暂稳态之间来回翻转振荡，于是在输出端就产生了矩形脉 冲。 2.振荡频率的估算： 由工作原理分析知道，电路稳定工作之后，电容 C2 充电和放电的过渡过 程总是周而复始重复进行的。 （1）电容 C2 充电时间，即暂稳态维持时间的估算t1 电容充电时，时间常数=（Rp+R4）C2，起始值(0+)=VCC/3,终了值 1 uC （）=VCC、转换值（）=2VDD/3，代入过渡过程计算公式进 uCuC 1W t2CR 行计算： )()( )0()( ln

30、1 11 tuu uu t CC CC W 2ln 3 2 3 1 ln 11 VDDVDD VDDVDD (4-1)2)4(7 . 0CRpR （2）电容 C2 放电时间即暂稳态维持时间的估算,电容放电时，时间 t2 常数，起始值（0+）=2VDD/3，终了值（）=0，转换值（24 2 CR uCuCuC ）=VDD/3，代入 RC 过渡过程公式进行计算： t2 )()( )0()( ln 2 22 tUu uu t CC CC VDD VDD 3 1 0 3 2 0 ln 2 (4-2)247 . 02ln 2 CR 本科毕业设计（论文） 11 （3）电路振荡频率 f 振荡周期：T 247

31、 . 02)4(7 . 0 21 CRCRRp tt T (4-3)2)42(7 . 0CRRp 振荡频率： f (4-4) 2)42( 43 . 1 2)42(7 . 0 11 CRRpCRRpT f 4.1.4 时钟脉冲振荡电路的参数计算 因为时钟脉冲周期 T=0.693（Rp+2R4）C2，是在忽略了 555 定时器 脚的输入电流条件下得到的，而实际上脚约有 10uA 的电流流入。因此，为 了减小该电流的影响，应使流过 R4，Rp 的电流最小值大于 10uA。 又知要求 Cx=999uF 时，Tw=2S，所以需要时钟脉冲在 2S 内产生 999 个 脉冲，即时钟脉冲周期为2ms。从图 4

32、-3 可知：T (4-5)mA tt T2 21 如果选定脉冲占空比为 0.6，可得：q (4-6)q6 . 0 21 1 tt t (4-7)msms t 2 . 126 . 0 1 (4-8)ms t T t 8 . 02 . 12 12 从图 4-3 可以看出，当 C2 上电压达到 2VDD/3 时，流过 R4，Rp 的电流最 小，所以 4 3 2 min RRp VDDVDD IR 本科毕业设计（论文） 12 (4-9) )4(3RRp VDD 取,则mA IR . 2 . 0 min (4-10) KRpR 7 . 16 2 . 03 10 4 (4-11)uF RRp t C 1

33、. 0 )4(693 . 0 1 2 又因为 24693 . 0 2 CR t K C t R544.11 101 . 0693 . 0 108 . 0 2693 . 0 4 6 3 2 (4-12) 故 KRp156 . 5 544.11 7 . 16 取标称值 。,1 . 5KRpKR124 为了调整电路方便,可选用 5.6K 的电位器。Rp 4.2 控制电路 控制电路的主要功能是根据被测电容的容量大小与其成正比的控制脉 X C 冲宽度。实现的方法有多种，如用多谐振荡器，利用作为振荡电容从而影 X C 响振荡周期，产生出对应的控制脉冲；在如采用单稳态电路，由影响暂稳 X C 态的时间，从而

34、形成对应宽度的控制脉冲。这里着重介绍由单稳态组成的控 制电路。图 4-4 所示单稳态控制电路的原理图。该电路工作原理如下： 当被测电容接到电路中之后，只要按一下微动开关 S，电源电压 VDD X C 经微分电路 C1R2 和反相器送给 555 定时器的触发端一个负脉冲信号，使 单稳态电路由稳态变为暂稳态，其输出端由低电平变为高电平。该高电平 控制闸门电路使时钟脉冲信号通过，送入计数器计数。暂稳态的时间 ，然后单稳态电路又回到暂稳态，其输出端变为低电平，从 XW CRT11 . 1 而封锁闸门、停止计数。可见，控制脉冲宽度与成正比，如果 R1 固 W T X CR1 本科毕业设计（论文） 13

35、定不变，则计数时钟脉冲的个数将与的容量值成正比。因此，可以达到测 X C 电容量的要求。单稳态控制电路的工作波形如图 4-5 所示，其中反相器采用 的是 CC4069 芯片来实现的，详细内容见 4.2.4。 图 4-4 单稳态控制电路原理图 图 4-5 单稳态控制电路的工作波形 4.2.1 单稳态触发器的特点 第一，它有一个稳定状态和一个暂稳状态；第二，在外来触发脉冲的作 用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态；第三，暂稳状态维持一段时间后， 将自动返回到稳定状态，而暂稳状态时间的长短，与触发脉冲无关，仅决定 R1 18K R2 10K R3 1K C1 1uF C0 0.01uF 1 CX S

36、VDD VDD 1 3 2 4 5 6 8 7 NE555 G1 CC4069 信信信信 本科毕业设计（论文） 14 与电路本身的参数。这种电路在数字系统和装置中，一般用于定时（产生一 定宽度的方波） 、整形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的脉冲）以 及延时（将输入信号延时一定时间之后输出）等。如图 4-4 所示是用 555 定 时器构成的单稳态触发器。R1、CX 是定时元件；是输入触发信号，下降沿 I u 有效，加在 555 的端（脚） ；是输出信号（脚） 。TR O u 4.2.2 单稳态控制电路工作原理 1.没有出发信号时电路工作在稳态： 无触发信号即为高点平时，电路工作在稳定状态

37、=0，=1， I uQQ 为低电平，饱和导通。若接通电源后，555 定时器基本 RS 触 O u D T IHI Uu 发器是处于 0 状态，即=0，=1、饱和导通，则这种状态将QQ OHO Uu D T 保持不变。 若接通电源后，555 定时器基本 RS 触发器是处于 1 状态，即 IHI Uu =1，=0、截止，则这种状态是不稳定的，经过一段时间之QQ OHO Uu D T 后，电路会自动地返回到稳定状态。因为截止，电源 VDD 会通过 R1 对 D T 进行充电，将渐渐升高，到上升到 2VDD/3 时，比较器 A1 输出 X C C u Uu THC 0，将基本 RS 出发器复位到 0

38、状态，=0、=1、饱和导通，QQ OLO Uu D T 电容通过迅速放电，使,即电路返回到稳定。 X C D T0 C u 2.下降沿触发 uI 当下降沿到来时,电路被触发,立即由稳态翻转到暂稳态=1、=0、 uI QQ 、截止。因为由高点平跳变到低点平时，比较器 A2 的输 Uu OHO D T Uu TRI 出跳变为 0，基本 RS 触发器立即被置成 1 状态，即暂稳态。 3.暂稳态的维持时间 在暂稳态期间，电路中有一个定时电容充电的渐变过程，充电回路 X C 地，时间常数为。电容上电压上升到 XCC CRV1 X CR1 1 Uu THC 2VDD/3 以前，显然电路将保持暂稳态不变。

39、4.自动返回（暂稳态结束）时间 本科毕业设计（论文） 15 随着充电过程的进行，逐渐升高，当上升到 2VDD/3 X C THC uu THC uu 时，比较器 A1 输出 0，立即将基本 RS 触发器复位到 0 状态，即=0、=1、QQ 、饱和道通，暂稳态结束。 OLO Uu D T 5.恢复过程 当暂稳态结束后，定时电容将通过饱和导通的晶体三极管放电，时 X C D T 间常数为,(是的饱和导通电阻，很小)，经 35t2后， XCESC Rt 2CES R D T 放电完毕，恢复过程结束。结束后，电路返回到稳定状态， X C0 THC uu 单稳态触发器又可接收新的输入触发信号。 4.2.

40、3 RC 微分电路 微分电路是脉冲电路中常用的一种波形变换电路，它能把矩形脉冲波变 换成宽度很窄的一对正负尖峰脉冲波。而在本电路中只需要正尖峰脉冲。 1. 电路组成 RC 微分电路的组成，如图 4-6(a)所示。电路应具有如下条件： （1）输出信号取 R2、C1 电路的电阻 R2 的两端。即 uu RO （2）电路的时间常数应远小于输入的矩形波脉冲宽度。即 tW tW 通常，当1/5 时，可认为满足上述条件。 tW 2. 工作原理 图 4-6(b)(d)是微分电路的工作波形图。 其工作原理如下： 设输入信号为矩形波，幅度为，脉宽为。 I u m V P t （1）当 时，,。t 1 t0 I

41、u0 O u （2）是的瞬间，由 0 突变为,立即有充电电流通过 C1 和 R2。 1 tt I u m V 从图 4-6（a）可知，,由于电容电压不能突变，此时仍为 CIO uuu C u C u 0，故有，即输出电压由 0 跳变为。 mIO Vuu O u m V 本科毕业设计（论文） 16 （3）在 t1t2 期间，输入电压 保持不变，由于电路时间常数 I u m V 很小（） ，所以,电容 C1 被迅 P t 速充电，上升很快。而输出电压 C u 则迅速下降。在之前， CIO uuu 2 tt 很快达到,而也迅速下降为 C u m V O u 0，形成一个负的尖峰脉冲波。 （4）在时刻

42、，从跳变 2 tt I u m V 到 0，由于电容两端电压不能突变， 仍为。所以， C u m V 。 mCIo Vuuu （5）在时刻以后，同样因为电 2 t 路时间常数很小，电容迅速放电， 很快由上到 0，形成一个负的 O u m V 尖峰脉冲波。 以后当第二个矩形脉冲输入时，将 重复上述过程。每输入一个矩形脉冲， 在输出端就得到一对正负相间的尖峰 波。 3. 电路的特点 RC 微分电路的输出脉冲反映了输 入脉冲的变化部分，即反映在和 I u 1 t 时刻的跳变，此时输出电压幅度最大；而在期间，输入电压保持不变， 2 t 1 t 2 t 输出电压基本为 0。概括地说，微分电路对输入脉冲起

43、到“突出变化量，压低 恒定量”的作用。 4.2.4 CC4069 六反相器 CC4069 内部是由六个独立的通道输入、输出反相器单元电路构成的。其 逻辑关系的特点是：当输入端为低电平时，输出端为高电平；当输入端为高 电平时，输出端为低电平。 R2 10K C11uF + - + +- u uu IO C (a) 图 4-6 微分电路的工作原理与工作波形 本科毕业设计（论文） 17 1. CC4069 的外引脚图及逻辑符号 图 4-7 CC4069 的芯片引脚排列 2. 工作条件（见表 4-2） 表 4-2 CC4069 的工作条件 3. 最大决定额定值（见表 4-3） 1 Y 6 3 3 5

44、5 6 2 YA Y 3 4 1 2 3 4 5 6 78 14 13 12 11 10 9 V SS DD VA A Y Y Y A A A CC4069 1 4 本科毕业设计（论文） 18 表 4-3 CC4069 的最大绝对额定值 注:所有电压值均以 VSS 管脚为基准。 4. 简要说明 （1）VDD=10V、传输延迟时间为 30ns。 （2）标准对称输出特性。 （3）在全温度范围内，VDD=18V 时，最大输入电流为 1uA。 （4）VDD=20V 时，对静态电流 100%测试。 （5）电路参数分别在 VDD=5V、10V、15V 时测试。 （6）所有输入、输出、电源端均有保护网络。

45、（7）在全温度范围内噪声容限：VDD=5V 时，1V； VDD=10V 时，2V； VDD=15V 时，2.5V。 4.2.5 主要参数的估算 1.输出脉冲宽度 W t 由工作原理分析知道，输出脉冲宽度是等于暂稳态时间的，也就是定时电 本科毕业设计（论文） 19 容的充电时间。由图 4-5 所示工作波形不难看出：, X C00 C u ,代入 RC 电路过度过程计算公式。可得： VDDuC VDDtu WC 3 2 WCC CC W tuu uu t 0 ln 1 VDDVDD VDD CR X 3 2 0 ln1 (4-13) XX CRCR11 . 13ln1 式 4-13 告诉我们，单稳

46、态触发器输出脉冲宽度仅决定与定时元件 W t R1、的取值，与输入触发信号和电源电压无关，调节、即可改变。 X C1R X C W t 2.恢复时间 恢复时间，就是暂稳态结束后，定时电容经饱和导通的晶体三极管 re t X C 放电的时间，一般取5，即认为经过 35 倍时间常数电容就放 D T3 re t 2 电完毕。由于，而很小，所以极短。 XCESC R 2 CES R re t 3.最高工作频率 max f 若输入触发信号是周期为的连续脉冲时，为了保证单稳态触发器能 I uT 够正常工作，不难理解，应满足下列条件： （4-14） reW ttT 即周期的最小值应为，即 I u min T

47、 reW tt （4-15） reW ttT min 因此，单稳态触发器的最高工作频率应为 （4-16） reW ttT f 11 min max 本科毕业设计（论文） 20 一个应该注意的问题: 在图 4-4 所示电路中，输入触发信号的脉冲宽度（的时间） ， I u ILI Uu 必须小于电路输出的脉冲宽度（的时间） ，否则电路将不能正常 O u OHO Uu 工作。因为当单稳态触发器被触发翻转到暂稳态后，如果即端为 ILI Uu TR 低点平且一直保持不变，那么比较器 A2 的输出总是 0，由与非门的逻辑特性 知道，基本 RS 触发器端显然会一直为高电平，不难理解，电路将无法按规Q 定时间

48、返回到稳定状态。而且定时电容会来回充电、放电，比较器 A1 的 X C 输出一会为 1，一会为 0，基本 RS 触发器的端会不停地在低电平、高电平Q 之间来回变化，因此在单稳态触发器的输出端将出现高频振荡波形。 解决这一问题的一个简单办法，就是在电路的输入端加一个 RC 微分电路， 即当为宽脉冲时，让经 RC 微分电路之后再接到端。不过微分电路的 I u I uTR 电阻应该接到 VDD，以保证在下降沿未到来时，为高电平。 I u uTR 4.2.6 控制电路元器件参数计算 题目要求的变化范围是 1999uF，又由，而且要求测 X C XW CRT11 . 1 量的时间小于 2S(即)，也就是最大时（999）不超过 2S，STW2 X CuF W T 可求得 (4-17) 1820 109991 . 1 2 1 . 1 1 6 X W C T R 取KR8 . 11 微分电路可取经验数值，取 R2=10KR3=1K,C1=1uf。uF 555 定时器第 5 脚外接电容一般取。uFCO01 . 0 4.