1、第13章脉冲产生电路和定时电路 13 1概述13 2555集成定时器电路13 3单稳态触发器 13 4多谐振荡器13 5施密特触发器 13 1概述 13 1 1常见的几种脉冲信号波形 脉冲 是指脉动和短促的意思 我们所讨论的脉冲信号是指在短暂时间间隔内作用于电路的电压或电流 从广义来说 各种非正弦信号统称为脉冲信号 脉冲信号的波形多种多样 图13 1给出了几种常见的脉冲信号波形 图13 1几种常见的脉冲信号波形 a 矩形波 b 方波 c 尖脉冲 d 锯齿波 e 三角波 f 阶梯波 13 1 2脉冲波形参数 为了表征脉冲波形的特性 以便对它进行分析 我们仅以矩形脉冲波形为例 介绍脉冲波形的参数
2、如图13 2所示的矩形脉冲波形 可用以下几个主要参数表示 1 脉冲幅度Um 脉冲电压的最大变化幅度 2 脉冲宽度tw 从脉冲前沿0 5Um至脉冲后沿0 5Um的时间间隔 3 上升时间tr 脉冲前沿从0 1Um上升到0 9Um所需要的时间 4 下降时间tf 脉冲后沿从0 9Um下降到0 1Um所需要的时间 图13 2矩形脉冲波形的参数 5 脉冲周期T 周期性重复的脉冲中 两个相邻脉冲上相对应点之间的时间间隔 有时也用脉冲重复频率f 1 T表示 f表示单位时间内脉冲重复变化的次数 13 2555集成定时器电路 555定时器电路是一种中规模集成定时器 目前应用十分广泛 通常只需外接几个阻容元件 就可
3、以构成各种不同用途的脉冲电路 如多谐振荡器 单稳态触发器以及施密特触发器等 555定时电路有TTL集成定时电路和CMOS集成定时电路 它们的逻辑功能与外引线排列都完全相同 我们以CMOS集成定时器CC7555为例进行介绍 13 2 1电路组成 图13 3所示为CC7555的电路和外引线排列图 由图13 3 a 可以看出 电路由电阻分压器 电压比较器 基本触发器 MOS管构成的放电开关和输出驱动电路等几部分组成 1 电阻分压器 电阻分压器由3个阻值相同的电阻串联构成 它为两个比较器C1和C2提供基准电平 如引脚5悬空 则比较器C1的基准电平为 2 3 UDD 比较器C2的基准电平为 1 3 UD
4、D 如果在引脚5外接电压 则可改变两个比较器C1和C2的基准电平 当引脚5不外接电压时 通常接0 01 F的电容 再接地 以抑制干扰 起稳定电阻上的分压比的作用 2 比较器 比较器C1和C2是两个结构完全相同的高精度电压比较器 C1的引脚6称为高触发输入端 也称阈值输入端 TH C2的引脚2称为低触发输入端TR 当U6 2 3 UDD时 C1输出高电平 否则 C1输出低电平 当U2 1 3 UDD时 C2输出低电平 否则输出高电平 比较器C1和C2的输出直接控制基本RS触发器的状态 图13 3CC7555集成定时电路 a 电路 b 外引线排列图 图13 3CC7555集成定时电路 a 电路 b
5、 外引线排列图 3 基本RS触发器 基本RS触发器由两个或非门组成 它的状态由两个比较器的输出控制 根据基本RS触发器的工作原理 就可以决定触发器输出端的状态 端 引脚4 是专门设置的可由外电路置 0 的复位端 当 0时 Q 0 平时 1 即端可接 UDD端 4 放电开关管和输出缓冲级 放电开关管是N沟道增强型MOS管 其栅极受基本RS触发器端状态的控制 若Q 0 1时 放电管V导通 若Q 1 0 放电管V截止 两级反相器构成输出缓冲级 采用反相器是为了提高电流驱动能力 同时隔离负载对定时器的影响 根据上面介绍 现将555定时器引出端的功能列于表13 1 表13 1555定时器引出端功能说明
6、13 2 2工作原理及特点 综上所述 可以列出CC7555集成定时器的功能表 如表13 2所示 CC7555定时器是一种功能强 电路简单 使用十分灵活 便于调节的电路 具有功耗低 电源电压范围宽 输入阻抗极高 定时元件的选择范围大等特点 但输出电流比双极型 如5G555 小 表13 2CC7555定时器功能表 13 3单稳态触发器 单稳态触发器是一种只有一个稳定状态的电路 它的另一个状态是暂稳态 在外加触发脉冲作用下 电路能够从稳定状态翻转到暂稳状态 经过一段时间后 靠电路自身的作用 将自动返回到稳定状态 并在输出端获得一个脉冲宽度为tw的矩形波 在单稳态触发器中 输出的脉冲宽度tw就是暂稳态
7、的维持时间 其长短取决于电路自身的参数 而与触发脉冲无关 13 3 1电路组成 图13 4 a 是用CC7555构成的单稳态触发器 图中 R C为外接定时元件 输入触发信号ui接在低触发端 图13 4CC7555构成的单稳态触发器 a 电路 b 工作波形图 图13 4CC7555构成的单稳态触发器 a 电路 b 工作波形图 13 3 2工作原理 1 电路的稳态 静态时 触发器信号ui为高电平 因电容未充电 故TH端为低电平 根据555定时电路工作原理可知 基本RS触发器处于保持状态 接通电源时 可能Q 0 也可能Q 1 如果Q 0 1 放电管V导通 电容C被旁路而无法充电 因此电路就稳定在Q
8、0 1的状态 输出uo为低电平 如果Q 1 0 那么放电管V截止 因此接通电源后 电路有一个逐渐稳定的过程 即电源 UDD经电阻R对电容C充电 电容两端电压uC上升 2 在外加触发信号作用下 电路从稳态翻转到暂稳态 在触发脉冲ui 1 3 UDD作用下 由于电容未被充电 uC 0 故基本RS触发器翻转为1态 即Q 1 Q 0 输出uo为高电平 放电管V截止 电路进入暂稳态 定时开始 在暂稳态期间 电源 UDD R C 地 对电容充电 充电时间常数 RC uC按指数规律上升 趋向 UDD值 3 自动返回过程 当电容两端电压uC上升到 2 3 UDD后 TH端为高电平 此时触发脉冲已消失 TR端为
9、高电平 则基本RS触发器又被置0 Q 0 1 输出uo变为低电平 放电管V导通 定时电容C充电结束 即暂稳态结束 4 恢复过程 由于放电管V导通 电容C经放电管放电 uC迅速下降到0 这时 TH端为低电平 端为高电平 基本RS触发器状态不变 保持Q 0 1 输出uo为低电平 电路恢复到稳态时的uC 0 uo为低电平的状态 当第二个触发脉冲到来时 又重复上述过程 工作波形图如图13 4 b 所示 13 3 3输出脉冲宽度tw 输出脉冲宽度按下式计算 式中 RC 代入上式求得 输出脉冲宽度tw与定时元件R C大小有关 而与电源电压 输入脉冲宽度无关 改变定时元件R和C可改变输出脉宽tw 如果利用外
10、接电路改变CO端 5号端 的电位 则可以改变单稳态电路的翻转电平 使暂稳态持续时间tw改变 注意 为了使电路正常工作 要求外加触发脉冲ui的宽度应小于输出脉宽tw 且负脉冲ui的数值一定要低于 1 3 UDD 13 3 4单稳态触发器的应用 单稳态触发器是常见的脉冲基本单元电路之一 它被广泛的用作脉冲的定时和延时 1 脉冲的定时 由于单稳态触发器能产生一定宽度tw的矩形输出脉冲 利用这个矩形脉冲去控制某电路 使它在tw时间内动作 或不动作 这就是脉冲的定时 如图13 5 a 所示是利用输出宽度为tw的矩形脉冲作为与门输入信号之一 只有在tw时间内 与门才开门 信号A才能通过与门 如图1 5 b
11、 所示 图13 5单稳态电路的定时作用 a 逻辑图 b 波形图 图13 5单稳态电路的定时作用 a 逻辑图 b 波形图 2 脉冲的延时 图13 6 a 所示电路利用单稳态电路的输出uo作为其它电路的触发信号 由图13 6 b 可见 uo的下降沿比输入触发信号ui的下降沿延迟了tw 因此 利用uo下降沿去触发其它电路 例如JK触发器 比用ui下降沿触发时延迟了tw时间 这就是单稳态电路的延时作用 图13 6单稳态电路的延时作用 a 逻辑图 b 波形图 图13 6单稳态电路的延时作用 a 逻辑图 b 波形图 13 4多谐振荡器 在数字电路中 常常需要一种不需外加触发脉冲就能够产生具有一定频率和幅度
12、的矩形波的电路 由于矩形波中除基波外 还含有丰富的高次谐波成分 因此我们称这种电路为多谐振荡器 它常常用作脉冲信号源 多谐振荡器没有稳态 只具有两个暂稳态 在自身因素的作用下 电路就在两个暂稳态之间来回转换 13 4 1电路组成 图13 7 a 所示为由CC7555集成定时器构成的多谐振荡器 电路中将高电平触发端TH和低电平触发端短接 并在放电回路中串入电阻R2 这里的R1 R2和C为外接电阻和电容 它们均是定时元件 图13 7 b 为工作波形 图13 7CC7555构成的多谐振荡器 a 电路 b 工作波形图 图13 7CC7555构成的多谐振荡器 a 电路 b 工作波形图 13 4 2工作原
13、理 由于接通电源后 电容器两端电压uC 0 故TH端与端均为低电平 RS触发器置1 Q 1 0 输出uo为高电平 放电管V截止 当电源刚接通时 电源经R1 R2对电容C充电 使其电压uC按指数规律上升 当uC上升到 2 3 UDD时 则RS触发器置0 Q 0 1 输出uo为低电平 放电管V导通 我们把uC从 1 3 UDD上升到 2 3 UDD这段时间内电路的状态称为第一暂稳态 其维持时间t1的长短与电容的充电时间有关 充电时间常数 充 R1 R2 C 由于放电管V导通 电容C通过电阻R2和放电管放电 电路进入第二暂稳态 放电时间常数 放 R2C 随着C的放电 uC下降 当uC下降到 1 3
14、UDD时 RS触发器置1 Q 1 0 输出uo高电平 放电管V截止 电容C放电结束 UDD再次对电容C充电 电路又翻转到第一暂稳态 如此反复 则输出可得矩形波形 由以上分析可知 电路靠电容C充电来维持第一暂稳态 其持续时间即为t1 电路靠电容C放电来维持第二暂稳态 其持续时间为t2 电路一旦起振后 uC电压总是在 1 3 2 3 UDD之间变化 13 4 3电路振荡周期T 电路振荡周期T按下式计算 t1由电容C充电过程来决定 其中 则 t2由电容C放电过程来决定 其中 则 电路振荡频率 显然 改变R1 R2和C的值 就可以改变振荡器的频率 如果利用外接电路改变CO端 5号端 的电位 则可以改变
15、多谐振荡器高触发端的电平 从而改变振荡周期T 图13 7所示的多谐振荡器电路 由于电容充 放电途径不同 因而C的充电和放电时间常数不同 使输出脉冲的宽度t1和t2也不同 在实际应用中 常常需要调节t1和t2 在此 引进占空比的概念 输出脉冲的占空比为 将图13 7所示电路稍加改动 就可得到占空比可调的多谐振荡器 如图13 8所示 在图13 8中加了位器Rw 并利用二极管V1和V2将电容C的充电回路分开 充电回路为R1 V1和C 放电回路为C V2和R2 该电路的振荡周期为 调节电位器 w 即可改变R1和R2的值 并使占空比D得到调节 当R1 R2时 D 1 2 此时 t1 t2 电路输出方波
16、图13 8占空比可调的振荡器 13 5施密特触发器 施密特触发器是数字系统中常用的电路之一 它可以把变化缓慢的脉冲波形变换成为数字电路所需要的矩形脉冲 施密特电路的特点在于它也有两个稳定状态 但与一般触发器的区别在于这两个稳定状态的转换需要外加触发信号 而且稳定状态的维持也要依赖于外加触发信号 因此它的触发方式是电平触发 13 5 1电路组成 图13 9 a 是用CC7555构成的施密特触发器 它将高触发端TH和低触发端连接在一起作为电路输入端 13 5 2工作原理 当输入信号ui 1 3 UDD时 基本RS触发器置1 即 0 Q 1 输出uo为高电平 若ui增加 使得 1 3 UDD ui
17、2 3 UDD时 电路维持原态不变 输出uo仍为高电平 如果输入信号增加到ui 2 3 UDD时 RS触发器置0 即Q 0 1 输出uo为低电平 ui再增加 只要满足ui 2 3 UDD 电路维持该状态不变 若ui下降 只要满足 1 3 UDD ui 2 3 UDD 电路状态仍然维持不变 只有当ui 1 3 UDD时 触发器再次置1 电路又翻转回输出为高电平的状态 工作波形如图13 9 b 所示 图13 9CC7555构成的施密特触发器 a 电路 b 工作波形 c 电压传输特性曲线 图13 9CC7555构成的施密特触发器 a 电路 b 工作波形 c 电压传输特性曲线 图13 9CC7555构
18、成的施密特触发器 a 电路 b 工作波形 c 电压传输特性曲线 显然 555定时器构成的施密特触发器 ui上升时引起电路状态改变 由输出高电平翻转为输出低电平的输入电压称为上限触发门坎电平UT 2 3 UDD 下降时引起电路由输出低电平翻转为输出高电平的输入电压称为下限触发电平UT 1 3 UDD 两者之差称为回差电压 即 施密特触发器的电压传输特性称为回差特性 如图13 9 c 所示 回差特性是施密特触发器的固有特性 在实际应用中 可根据实际需要增大或减小回差电压 UT 在图13 9所示电路中 如在控制电压端 引脚5 外加一电压 则可达到改变回差电压的目的 13 5 3施密特触发器的应用 施密特触发器的用途十分广泛 它主要用于波形变化 脉冲波形的整形及脉冲幅度鉴别等 1 波形变换 将变化缓慢的非矩形波变换为矩形波 如图13 10所示 图13 10波形变换图13 11波形的整形 2 脉冲整形 将一个不规则的或者在信号传送过程中受到干扰而变坏的波形经过施密特电路 可以得到良好的波形 这就是施密特电路的整形功能 如图13 11所示 图13 11波形的整形 3 脉冲幅度鉴别 利用施密特电路 可以从输入幅度不等的一串脉冲中 去掉幅度较小的脉冲 保留幅度超过UT 的脉冲 这就是幅度鉴别 如图13 12所示 图13 12脉冲幅度鉴别
