1、第13章 脈沖產(chǎn)生電路和定時電路,13.1 概述 13.2 555集成定時器電路 13.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 13.4 多諧振蕩器 13.5 施密特觸發(fā)器 ,13.1 概述,13.1.1常見的幾種脈沖信號波形 “脈沖”是指脈動和短促的意思。我們所討論的脈沖信號是指在短暫時間間隔內(nèi)作用于電路的電壓或電流。從廣義來說,各種非正弦信號統(tǒng)稱為脈沖信號。脈沖信號的波形多種多樣,圖13.1給出了幾種常見的脈沖信號波形。,圖13.1 幾種常見的脈沖信號波形 (a)矩形波；(b)方波；(c)尖脈沖；(d)鋸齒波；(e)三角波；(f)階梯波,13.1.2 脈沖波形參數(shù) 為了表征脈沖波形的特性,以便對它進(jìn)行分析,我們

2、僅以矩形脈沖波形為例,介紹脈沖波形的參數(shù)。如圖13.2所示的矩形脈沖波形,可用以下幾個主要參數(shù)表示: (1)脈沖幅度Um脈沖電壓的最大變化幅度； (2)脈沖寬度tw從脈沖前沿0.5Um至脈沖后沿0.5Um的時間間隔； (3)上升時間tr脈沖前沿從0.1Um上升到0.9Um所需要的時間； (4)下降時間tf脈沖后沿從0.9Um下降到0.1Um所需要的時間；,圖13.2 矩形脈沖波形的參數(shù),(5)脈沖周期T周期性重復(fù)的脈沖中,兩個相鄰脈沖上相對應(yīng)點之間的時間間隔。 有時也用脈沖重復(fù)頻率f=1/T表示，f表示單位時間內(nèi)脈沖重復(fù)變化的次數(shù)。,13.2 555集成定時器電路,555定時器電路是一種中規(guī)模

3、集成定時器，目前應(yīng)用十分廣泛。通常只需外接幾個阻容元件,就可以構(gòu)成各種不同用途的脈沖電路,如多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及施密特觸發(fā)器等。 555定時電路有TTL集成定時電路和CMOS集成定時電路,它們的邏輯功能與外引線排列都完全相同。我們以CMOS集成定時器CC7555為例進(jìn)行介紹。,13.2.1電路組成 圖13.3所示為CC7555的電路和外引線排列圖。由圖13.3(a)可以看出,電路由電阻分壓器、電壓比較器、基本觸發(fā)器、MOS管構(gòu)成的放電開關(guān)和輸出驅(qū)動電路等幾部分組成。,1.電阻分壓器 電阻分壓器由3個阻值相同的電阻串聯(lián)構(gòu)成。它為兩個比較器C1和C2提供基準(zhǔn)電平。如引腳5懸空,則比較器C1

4、的基準(zhǔn)電平為（2/3）UDD,比較器C2的基準(zhǔn)電平為（1/3）UDD。如果在引腳5外接電壓,則可改變兩個比較器C1和C2的基準(zhǔn)電平。當(dāng)引腳5不外接電壓時,通常接0.01F的電容，再接地,以抑制干擾,起穩(wěn)定電阻上的分壓比的作用。,2.比較器 比較器C1和C2是兩個結(jié)構(gòu)完全相同的高精度電壓比較器。C1的引腳6稱為高觸發(fā)輸入端(也稱閾值輸入端)TH,C2的引腳2稱為低觸發(fā)輸入端TR。當(dāng) U6（2/3）UDD時,C1輸出高電平,否則,C1輸出低電平；當(dāng)U2（1/3）UDD時,C2輸出低電平,否則輸出高電平。比較器C1和C2的輸出直接控制基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)。,圖13.3 CC7555集成定時電路 (a

5、)電路；(b)外引線排列圖,圖13.3 CC7555集成定時電路 (a)電路； (b)外引線排列圖,3.基本RS觸發(fā)器 基本RS觸發(fā)器由兩個或非門組成，它的狀態(tài)由兩個比較器的輸出控制。根據(jù)基本RS觸發(fā)器的工作原理，就可以決定觸發(fā)器輸出端的狀態(tài)。 端（引腳4）是專門設(shè)置的可由外電路置“0”的復(fù)位端。當(dāng) =0時，Q=0。平時 =1,即 端可接+UDD端。,4.放電開關(guān)管和輸出緩沖級 放電開關(guān)管是N溝道增強型MOS管，其柵極受基本RS觸發(fā)器 端狀態(tài)的控制。若Q=0， =1時，放電管V導(dǎo)通；若Q=1， =0，放電管V截止。 兩級反相器構(gòu)成輸出緩沖級。采用反相器是為了提高電流驅(qū)動能力，同時隔離負(fù)載對定時

6、器的影響。 根據(jù)上面介紹，現(xiàn)將555定時器引出端的功能列于表13.1。,表13.1 555定時器引出端功能說明,13.2.2工作原理及特點 綜上所述，可以列出CC7555集成定時器的功能表，如表13.2所示。CC7555定時器是一種功能強、電路簡單、使用十分靈活、便于調(diào)節(jié)的電路，具有功耗低、電源電壓范圍寬、輸入阻抗極高、定時元件的選擇范圍大等特點，但輸出電流比雙極型(如5G555)小。,表13.2 CC7555定時器功能表,13.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是一種只有一個穩(wěn)定狀態(tài)的電路,它的另一個狀態(tài)是暫穩(wěn)態(tài)。在外加觸發(fā)脈沖作用下,電路能夠從穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)狀態(tài),經(jīng)過一段時間后,靠電路自身

7、的作用,將自動返回到穩(wěn)定狀態(tài),并在輸出端獲得一個脈沖寬度為tw的矩形波。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中,輸出的脈沖寬度tw就是暫穩(wěn)態(tài)的維持時間,其長短取決于電路自身的參數(shù),而與觸發(fā)脈沖無關(guān)。,13.3.1電路組成 圖13.4(a)是用CC7555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。圖中，R、C為外接定時元件,輸入觸發(fā)信號ui接在低觸發(fā) 端。,圖13.4 CC7555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 (a)電路； (b)工作波形圖,圖13.4 CC7555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 (a)電路； (b)工作波形圖,13.3.2工作原理 1.電路的穩(wěn)態(tài) 靜態(tài)時,觸發(fā)器信號ui為高電平,因電容未充電,故TH端為低電平。根據(jù)555定時電路工作原理可知,

8、基本RS觸發(fā)器處于保持狀態(tài)。接通電源時,可能Q=0,也可能Q=1。如果Q=0， =1,放電管V導(dǎo)通,電容C被旁路而無法充電。因此電路就穩(wěn)定在Q=0, =1的狀態(tài),輸出uo為低電平；如果Q=1, =0,那么放電管V截止,因此接通電源后,電路有一個逐漸穩(wěn)定的過程：即電源+UDD經(jīng)電阻R對電容C充電，電容兩端電壓uC上升。,2.在外加觸發(fā)信號作用下，電路從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài) 在觸發(fā)脈沖ui（1/3）UDD作用下，由于電容未被充電，uC=0，故基本RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為1態(tài)，即Q=1，Q=0，輸出uo為高電平，放電管V截止，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，定時開始。 在暫穩(wěn)態(tài)期間，電源+UDDRC地，對電容充電，充電時間常數(shù)

9、=RC，uC按指數(shù)規(guī)律上升，趨向+UDD值。,3. 自動返回過程 當(dāng)電容兩端電壓uC上升到(2/3)UDD后，TH端為高電平，（此時觸發(fā)脈沖已消失,TR端為高電平）,則基本RS觸發(fā)器又被置0（Q=0、 =1），輸出uo變?yōu)榈碗娖?，放電管V導(dǎo)通，定時電容C充電結(jié)束，即暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。,4.恢復(fù)過程 由于放電管V導(dǎo)通，電容C經(jīng)放電管放電，uC迅速下降到0。這時，TH端為低電平， 端為高電平，基本RS觸發(fā)器狀態(tài)不變，保持Q=0, =1，輸出uo為低電平。電路恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)時的uC=0，uo為低電平的狀態(tài)。當(dāng)?shù)诙€觸發(fā)脈沖到來時，又重復(fù)上述過程。工作波形圖如圖13.4（b）所示。,13.3.3 輸出脈沖寬度t

10、w 輸出脈沖寬度按下式計算：,式中，RC。,代入上式求得,輸出脈沖寬度tw與定時元件R、C大小有關(guān),而與電源電壓、輸入脈沖寬度無關(guān),改變定時元件R和C可改變輸出脈寬tw。如果利用外接電路改變CO端(5號端)的電位，則可以改變單穩(wěn)態(tài)電路的翻轉(zhuǎn)電平，使暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間tw改變。 注意,為了使電路正常工作,要求外加觸發(fā)脈沖ui的寬度應(yīng)小于輸出脈寬tw，且負(fù)脈沖ui的數(shù)值一定要低于（1/3）UDD。,13.3.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是常見的脈沖基本單元電路之一,它被廣泛的用作脈沖的定時和延時。 1.脈沖的定時 由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能產(chǎn)生一定寬度tw的矩形輸出脈沖,利用這個矩形脈沖去控制某電路，使

11、它在tw時間內(nèi)動作(或不動作),這就是脈沖的定時。如圖13.5(a)所示是利用輸出寬度為tw的矩形脈沖作為與門輸入信號之一,只有在tw時間內(nèi),與門才開門,信號A才能通過與門，如圖1.5(b)所示。,圖13.5 單穩(wěn)態(tài)電路的定時作用 (a)邏輯圖；(b)波形圖,圖13.5 單穩(wěn)態(tài)電路的定時作用 (a)邏輯圖；(b)波形圖,2.脈沖的延時 圖13.6(a)所示電路利用單穩(wěn)態(tài)電路的輸出uo作為其它電路的觸發(fā)信號。由圖13.6(b)可見,uo的下降沿比輸入觸發(fā)信號ui的下降沿延遲了tw。因此，利用uo下降沿去觸發(fā)其它電路(例如JK觸發(fā)器),比用ui下降沿觸發(fā)時延遲了tw時間,這就是單穩(wěn)態(tài)電路的延時作用

12、。,圖13.6 單穩(wěn)態(tài)電路的延時作用 (a)邏輯圖 ；(b)波形圖,圖13.6 單穩(wěn)態(tài)電路的延時作用 (a)邏輯圖 ；(b)波形圖,13.4 多諧振蕩器,在數(shù)字電路中,常常需要一種不需外加觸發(fā)脈沖就能夠產(chǎn)生具有一定頻率和幅度的矩形波的電路。由于矩形波中除基波外,還含有豐富的高次諧波成分,因此我們稱這種電路為多諧振蕩器。它常常用作脈沖信號源。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài),只具有兩個暫穩(wěn)態(tài),在自身因素的作用下,電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換。,13.4.1 電路組成 圖13.7(a)所示為由CC7555集成定時器構(gòu)成的多諧振蕩器。電路中將高電平觸發(fā)端TH和低電平觸發(fā)端 短接，并在放電回路中串入電阻R2。這里

13、的R1、R2和C為外接電阻和電容,它們均是定時元件。圖13.7(b)為工作波形。,圖13.7 CC7555構(gòu)成的多諧振蕩器 (a)電路；(b)工作波形圖,圖13.7 CC7555構(gòu)成的多諧振蕩器 (a)電路；(b)工作波形圖,13.4.2 工作原理 由于接通電源后,電容器兩端電壓uC=0,故TH端與 端均為低電平,RS觸發(fā)器置1(Q=1， =0),輸出uo為高電平,放電管V截止。當(dāng)電源剛接通時,電源經(jīng)R1、R2對電容C充電,使其電壓uC按指數(shù)規(guī)律上升,當(dāng)uC上升到(2/3)UDD時,則RS觸發(fā)器置0(Q=0, =1),輸出uo為低電平,放電管V導(dǎo)通,我們把uC從(1/3)UDD上升到(2/3)

14、UDD這段時間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài),其維持時間t1的長短與電容的充電時間有關(guān)。充電時間常數(shù)充=(R1+R2)C。,由于放電管V導(dǎo)通,電容C通過電阻R2和放電管放電,電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)。放電時間常數(shù)放=R2C。隨著C的放電,uC下降,當(dāng)uC下降到（1/3）UDD時,RS觸發(fā)器置1(Q=1， =0),輸出uo高電平,放電管V截止,電容C放電結(jié)束,UDD再次對電容C充電,電路又翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)。如此反復(fù),則輸出可得矩形波形。,由以上分析可知：電路靠電容C充電來維持第一暫穩(wěn)態(tài),其持續(xù)時間即為t1。電路靠電容C放電來維持第二暫穩(wěn)態(tài),其持續(xù)時間為t2。電路一旦起振后,uC電壓總是在(1/32/3)U

15、DD之間變化。,13.4.3 電路振蕩周期T 電路振蕩周期T按下式計算：,t1由電容C充電過程來決定。其中:,則,t2由電容C放電過程來決定。其中:,則,電路振蕩頻率,顯然，改變R1、R2和C的值,就可以改變振蕩器的頻率。如果利用外接電路改變CO端(5號端)的電位，則可以改變多諧振蕩器高觸發(fā)端的電平，從而改變振蕩周期T。 圖13.7所示的多諧振蕩器電路,由于電容充、放電途徑不同,因而C的充電和放電時間常數(shù)不同,使輸出脈沖的寬度t1和t2也不同。在實際應(yīng)用中,常常需要調(diào)節(jié)t1和t2。在此，引進(jìn)占空比的概念。輸出脈沖的占空比為,將圖13.7所示電路稍加改動,就可得到占空比可調(diào)的多諧振蕩器,如圖13

16、.8所示。在圖13.8中加了位器Rw,并利用二極管V1和V2將電容C的充電回路分開,充電回路為R1、V1和C,放電回路為C、V2和R2。該電路的振蕩周期為,調(diào)節(jié)電位器w,即可改變R1和R2的值,并使占空比D 得到調(diào)節(jié),當(dāng)R1=R2時,D=1/2(此時,t1=t2),電路輸出方波。,圖13.8 占空比可調(diào)的振蕩器,13.5 施密特觸發(fā)器,施密特觸發(fā)器是數(shù)字系統(tǒng)中常用的電路之一,它可以把變化緩慢的脈沖波形變換成為數(shù)字電路所需要的矩形脈沖。 施密特電路的特點在于它也有兩個穩(wěn)定狀態(tài),但與一般觸發(fā)器的區(qū)別在于這兩個穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要外加觸發(fā)信號,而且穩(wěn)定狀態(tài)的維持也要依賴于外加觸發(fā)信號,因此它的觸發(fā)方式

17、是電平觸發(fā)。,13.5.1電路組成 圖13.9(a)是用CC7555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器。它將高觸發(fā)端TH和低觸發(fā)端 連接在一起作為電路輸入端。,13.5.2工作原理 當(dāng)輸入信號ui（1/3）UDD時,基本RS觸發(fā)器置1,即 =0,Q=1，輸出uo為高電平;若ui增加,使得(1/3)UDDui(2/3)UDD時,電路維持原態(tài)不變,輸出uo仍為高電平;如果輸入信號增加到ui(2/3)UDD時,RS觸發(fā)器置0,即Q=0, =1,輸出uo為低電平;ui再增加,只要滿足 ui(2/3)UDD,電路維持該狀態(tài)不變。若ui下降，只要滿足（1/3）UDDui(2/3)UDD,電路狀態(tài)仍然維持不變;只有當(dāng)ui=

18、(1/3)UDD時,觸發(fā)器再次置1,電路又翻轉(zhuǎn)回輸出為高電平的狀態(tài),工作波形如圖13.9(b)所示。,圖13.9 CC7555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器 (a)電路；(b)工作波形；(c)電壓傳輸特性曲線,圖13.9 CC7555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器 (a)電路；(b)工作波形；(c)電壓傳輸特性曲線,圖13.9 CC7555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器 (a)電路；(b)工作波形；(c)電壓傳輸特性曲線,顯然,555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器,ui上升時引起電路狀態(tài)改變,由輸出高電平翻轉(zhuǎn)為輸出低電平的輸入電壓稱為上限觸發(fā)門坎電平UT+=（2/3）UDD;下降時引起電路由輸出低電平翻轉(zhuǎn)為輸出高電平的輸入電壓稱為下限觸發(fā)電平UT-=（1/3）UDD。兩者之差稱為回差電壓，即,施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性稱為回差特性，如圖13.9(c)所示?；夭钐匦允鞘┟芴赜|發(fā)器的固有特性。在實際應(yīng)用中,可根據(jù)實際需要增大或減小回差電壓UT。在圖13.9所示電路中,如在控制電壓端(引腳5)外加一電壓，則可達(dá)到改變回差電壓的目的。,13