數(shù)字電子技術(shù)第7章 脈沖波形的產(chǎn)生與變換

1、數(shù) 字 電 子 技 術(shù)第7章 脈沖波形的產(chǎn)生與變換范立南范立南 田丹田丹 李雪飛李雪飛 張明張明 編著編著清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社第第7 7章章 脈沖波形的產(chǎn)生與變換脈沖波形的產(chǎn)生與變換l7.1 7.1 概述概述l7.2 7.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器l7.3 7.3 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器 l7.4 7.4 多諧振蕩器多諧振蕩器l7.5 5557.5 555定時(shí)器及其應(yīng)用定時(shí)器及其應(yīng)用l7.6 7.6 實(shí)例電路分析實(shí)例電路分析 7.1 概述 在數(shù)字系統(tǒng)中，不僅需要研究各單元電路之間的邏輯關(guān)系，還需要產(chǎn)生脈沖信號(hào)源作為系統(tǒng)的時(shí)鐘。矩形脈沖常常用作數(shù)字系統(tǒng)的命令信號(hào)或同步時(shí)鐘信號(hào)，作用于

2、系統(tǒng)的各個(gè)部分，因此波形的好壞將關(guān)系到電路能否正常工作。 理想的脈沖波形一般只要用3個(gè)參數(shù)便可以描述清楚，這3個(gè)參數(shù)是：脈沖幅度Um，脈沖周期T和脈沖寬度tw，理想脈沖波形如下圖所示。 而實(shí)際的脈沖波形的電壓上升與下降都要經(jīng)歷一段時(shí)間，也就是說(shuō)波形存在上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf 。實(shí)際的脈沖波形如下圖所示。圖中所示各參數(shù)定義如下：(1) 脈沖幅度Um：脈沖電壓的最大變化幅度。(2) 上升時(shí)間tr：脈沖上升沿從0.1Um上升到0.9Um所需的時(shí)間。(3) 下降時(shí)間tf：脈沖下降沿從0.9Um下降到0.1Um所需的時(shí)間。(4) 脈沖寬度tw：從脈沖上升沿到達(dá)0.5Um起，到脈沖下降沿到達(dá)0.5Um

3、為止的一段時(shí)間。 (5) 脈沖周期T：在周期性脈沖信號(hào)中，兩個(gè)相鄰脈沖的前沿之間或后沿之間的時(shí)間間隔稱(chēng)為脈沖周期，用T表示。(6) 脈沖頻率f：在單位時(shí)間內(nèi)（1秒）脈沖信號(hào)重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)，用f表示，f1T。(7) 占空比q：脈沖的寬度tw與脈沖周期T的比值，即q = tw /T。 獲取矩形脈沖波形的途徑主要有兩種：一種是利用各種形式的多諧振蕩器電路直接產(chǎn)生所需要的矩形脈沖；另一種則是通過(guò)各種整形電路把已有的周期性變化的波形變換為符合要求的矩形脈沖，如施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形變換電路。當(dāng)然，在采用變換的方法獲取矩形脈沖時(shí)，是以能夠找到頻率和幅度都符合要求的一種已有的電壓信號(hào)為前提的。7.2

4、 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有如下特點(diǎn)： (1) 它有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)和一個(gè)暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)(簡(jiǎn)稱(chēng)暫穩(wěn)態(tài))； (2) 在外來(lái)觸發(fā)脈沖的作用下，能夠由穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時(shí)間以后，再自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)； (3) 暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長(zhǎng)短，僅取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無(wú)關(guān)。 正是因?yàn)榫哂猩鲜鎏攸c(diǎn)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被廣泛地應(yīng)用于脈沖變換、延時(shí)(產(chǎn)生滯后于觸發(fā)脈沖的輸出脈沖)以及定時(shí)(產(chǎn)生固定時(shí)間寬度的脈沖信號(hào))的脈沖電路。7.2.1 用門(mén)電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)通常都是靠RC電路的充、放電過(guò)程來(lái)維持的。RC電路的接法不同，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程也不一樣。把R

5、C電路接成積分電路形式的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器稱(chēng)為積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，把RC電路接成微分電路形式的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器稱(chēng)為微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。1積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(1) 電路結(jié)構(gòu)(2) 工作原理 穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，由于 =0，所以 ， 。IvOHOVvOHO1CV vv外加觸發(fā)信號(hào)使電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)輸入正脈沖以后， 跳變?yōu)榈碗娖健５怯捎陔娙軨上的電壓不能躍變，所以在一段時(shí)間內(nèi) 仍然在 以上。因此，在這段時(shí)間內(nèi) 的兩個(gè)輸入端電壓同時(shí)高于 ，使 ，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。同時(shí)電容C開(kāi)始放電， 開(kāi)始下降。O1vCvTHV2GTHVOLOVvCv暫穩(wěn)態(tài)維持一段時(shí)間后自行回到穩(wěn)態(tài)。當(dāng) 下降到略低于 后(此時(shí) 仍然為高電平

6、)， 又回到高電平。待 返回低電平以后， 又重新變?yōu)楦唠娖?，并向電容C充電， 開(kāi)始上升，直至 ，電路恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。 CvTHVIvOvIvO1vOHVCvOHO1CV vv 根據(jù)以上分析，電路中各點(diǎn)電壓的波形如圖所示。(3) 主要參數(shù)計(jì)算輸出脈沖的寬度： OLTHOLOHOWVVVVln)(CRRt 式中 為反相器 輸出為低電平時(shí)的輸出電阻。OR1G輸出脈沖的幅度：OLOHmVVV 積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力較強(qiáng)。它的缺點(diǎn)是輸出波形的邊沿比較差。此外，積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器必須在觸發(fā)脈沖的寬度大于輸出脈沖的寬度時(shí)才能正常工作。2.微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(1) 電路結(jié)構(gòu)(2) 工作原理 對(duì)于C

7、MOS門(mén)電路，可以認(rèn)為 ， ，而且通常 。該電路采用正脈沖觸發(fā)。DDOHVV0VOLDDTHV21V穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)下 、 ，故 、 ，電容C上的電壓為0。0IvDDI2Vv0OvDDO1Vv| _ OI2O1dvvvv外加觸發(fā)信號(hào)使電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)觸發(fā)脈沖加到輸入端時(shí)，在 和 組成的微分電路輸出端得到很窄的正、負(fù)脈沖 。當(dāng) 上升到 以后，將引發(fā)如下的正反饋過(guò)程dRdCdvTHVdv使 迅速跳變?yōu)榈碗娖健Ｓ捎陔娙萆系碾妷翰荒苘S變，所以 也同時(shí)跳變到低電平，并使 跳變?yōu)楦唠娖剑娐愤M(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。這時(shí)即使 回到低電平， 的高電平仍將維持。與此同時(shí)，電容C開(kāi)始充電。O1vI2vOvdvOv暫穩(wěn)態(tài)

8、維持一段時(shí)間后自行回到穩(wěn)態(tài)。隨著充電過(guò)程的進(jìn)行， 逐漸上升，當(dāng)上升到略高于 時(shí)，又引發(fā)另外一個(gè)正反饋過(guò)程I2vTHV|_O1OI2vvv如果這時(shí) 已經(jīng)回到低電平，則 、 迅速跳變?yōu)楦唠娖?，并使輸?返回到低電平。同時(shí)電容C通過(guò)電阻R和門(mén) 的輸入保護(hù)電路向 放電，直至電容上的電壓為0，電路恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。 IvO1vI2vOv2GDDV根據(jù)以上分析，電路中各點(diǎn)電壓波形如圖所示。(3) 主要參數(shù)計(jì)算輸出脈沖的寬度： RCRCRCt69. 02lnVV0VlnTHDDDDW輸出脈沖的幅度：DDOLOHmVVVV 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以用窄脈沖觸發(fā)。在 的脈沖寬度大于輸出脈沖寬度的情況下，電路仍能正常

9、工作，但是輸出脈沖的下降沿較差。Iv7.2.2 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有不可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器兩種。 1不可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121 不可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，是指觸發(fā)器在觸發(fā)信號(hào)作用下進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)后，再加入觸發(fā)脈沖不會(huì)影響電路的工作過(guò)程，必須在暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束以后，它才能接受下一個(gè)觸發(fā)脈沖而轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)。(1) 電路結(jié)構(gòu)邏輯符號(hào) (2) 電路功能不可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的功能表 74121在觸發(fā)脈沖作用下的波形圖: 輸出脈沖寬度的計(jì)算公式為 extextextextW69. 02lnCRCRt通常 的取值在2K30 K之間， 的取值在10p

10、F10F之間，得到的 的范圍可達(dá)20ns200ms。extRextCWt2帶清除端的可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74123 可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是指觸發(fā)器在觸發(fā)信號(hào)作用下進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)后，如果再次加入觸發(fā)脈沖，電路將重新被觸發(fā)，使輸出脈沖再繼續(xù)維持一個(gè) 寬度。 Wt74123為帶有清除端的雙可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其邏輯符號(hào)如圖 其中A1、A2為下降沿觸發(fā)端，B1、B2為上升沿觸發(fā)端，Q1、Q2為正脈沖輸出端， 、 為負(fù)脈沖輸出端， 、 為直接清除端，低電平有效， 、 為外接電容端， 、 外接電阻端。 1Q2QD1RD2Rext1C2extC1extR2extR帶有清除端的雙可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)

11、器74123的功能表 不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器與可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形對(duì)照：不可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形 可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形 7.2.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用1脈沖變換展寬脈沖 縮短脈沖 阻塞不符合要求的脈沖 2定時(shí) 若 為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端，當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其輸出 ，將輸入信號(hào) 封鎖。當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有觸發(fā)信號(hào)作用時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，其輸出為 ，與門(mén)被打開(kāi)，允許輸入信號(hào) 通過(guò)。若與門(mén)輸出端接一個(gè)計(jì)數(shù)器，則可以知道在 時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖個(gè)數(shù)(即可求得脈沖的頻率)。O1v0O1vFv1O1vFvWt3延時(shí) 第1個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖的寬度為 ，第2

12、個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖的寬度為 。當(dāng)?shù)?個(gè)74121接收觸發(fā)信號(hào) 后，其 端輸出 寬度的脈沖，2ms后第2個(gè)74121接收其觸發(fā)信號(hào) ，其 端輸出 寬度的脈沖。這里第1個(gè)74121就起到延時(shí)的作用，而第2個(gè)74121可以用作定時(shí)信號(hào)。 ms269. 0extextW1CRtms169. 0extextW2CRtIvO1vO1vOvms1ms2利用74121連接的延時(shí)電路 工作波形圖 【例題7.1】圖7-16(a)是用兩個(gè)集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121組成的脈沖變換電路，外接電阻和電容的參數(shù)如圖中所示。試計(jì)算在圖中所示的輸入觸發(fā)信號(hào) 的作用下 、 輸出脈沖的寬度，并畫(huà)出與圖7-16(b)中 波形

13、相對(duì)應(yīng)的 、 的電壓波形。IvO1vO2vIvO1vO2v(a) 邏輯圖 (b) 電壓波形圖圖7-16 例題7.1的圖 解：由式 可得 和 輸出脈沖的寬度 、 分別為extextextextW69. 02lnCRCRtO1vO2v1Wt2Wt)ms(21013. 0102269. 069. 02ln63extextextextW1CRCRt)ms( 11013. 0101169. 069. 02ln63extextextextW2CRCRt由邏輯圖可知，當(dāng)?shù)?個(gè)74LS121接收觸發(fā)信號(hào) 后，其 端輸出 寬度的脈沖，2ms后第2個(gè)74LS121接收其觸發(fā)信號(hào) ，其 端輸出1ms寬度的脈沖。Iv

14、O1vms2O1vOv7.3 施密特觸發(fā)器 施密特觸發(fā)器是一種經(jīng)常使用的脈沖波形變換電路，它有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的一個(gè)特例。它具有如下特點(diǎn)： (1) 施密特觸發(fā)器是一種電平觸發(fā)器，它能將變化緩慢的信號(hào)(如正弦被、三角波及各種周期性變化的不規(guī)則波形)變換為邊沿陡峭的矩形波。 (2) 施密特觸發(fā)器具有兩個(gè)門(mén)限電壓。輸入電壓信號(hào)從低電平上升的過(guò)程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)電壓值，與輸入信號(hào)從高電平下降的過(guò)程中對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)電壓值是不同的，即電路具有回差特性。7.3.1 用門(mén)電路組成的施密特觸發(fā)器1電路結(jié)構(gòu) (a)電路結(jié)構(gòu) (b)邏輯符號(hào)2.電路的工作原理 假設(shè)反相器G1和G2是CMO

15、S電路，它們的閾值電壓為 ，且R1R2。DDTHV21V(1) 從0開(kāi)始上升的過(guò)程Iv 當(dāng) 時(shí)， 。這時(shí)G1的輸入 。0Iv0VOLOv0Iv當(dāng) 從0開(kāi)始逐漸升高并到達(dá) 以后， 再增加將引發(fā)如下的正反饋過(guò)程 THIVvIvIv|_OO1Ivvv于是電路的狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為 。DDOHOVVv 由此可知，輸入信號(hào) 上升的過(guò)程中電路的狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換是在 時(shí)，把此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電壓值稱(chēng)為上限閾值電壓，用 表示。 IvTHIVvTV因?yàn)榇藭r(shí)有 T212THIVVRRRv所以TH21TH221TV1VVRRRRR(2) 從 開(kāi)始下降的過(guò)程 IvDDV當(dāng) 從高電平 逐漸下降并到達(dá) 以后， 再下降將會(huì)引發(fā)如下的正反

16、饋過(guò)程IvDDVTHIVvIv|_OO1Ivvv使電路的狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為 。 0VOLOv 由此可知，輸入信號(hào) 下降的過(guò)程中電路的狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換也是在 時(shí)，把此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電壓值稱(chēng)為下限閾值電壓，用 表示。IvTHIVvTV由于此時(shí)有212-TDDDDTHI)VV(VVRRRv所以DD21TH221-TVVVRRRRR將 代入上式后得到THDDV2VTH21-TV1VRR將 與 的差定義為回差電壓 ，即TVTVTV-TTTVVV (a)同相輸出 (b)反相輸出上述施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性如下圖所示。因?yàn)?和 的高低電平是同相的，所以把這種形式的電壓傳輸特性叫做同相輸出的施密特觸發(fā)特性。如果以 作輸

17、出端， 與 的高低電平是反相的，所以把這種形式的電壓傳輸特性叫做反相輸出的施密特觸發(fā)特性。 OvIvOvOvIv7.3.2 施密特觸發(fā)器的應(yīng)用1脈沖整形 波形的上升沿、下降沿明顯變壞 波形的上升沿和下降沿產(chǎn)生振蕩 信號(hào)有附加噪聲2波形變換3脈沖鑒幅7.4 多諧振蕩器 多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源后，不需要外加觸發(fā)信號(hào)就可以自動(dòng)地產(chǎn)生矩形波。由于矩形波含有豐富的高次諧波成分，所以矩形波振蕩器又稱(chēng)為多諧振蕩器。多諧振蕩器沒(méi)有穩(wěn)定的狀態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，所以又稱(chēng)為無(wú)穩(wěn)態(tài)電路。因?yàn)槎嘀C振蕩器產(chǎn)生矩形波的幅度和寬度都是一定的，所以它常用來(lái)作為脈沖信號(hào)源。7.4.1 用門(mén)電路組成的多諧振蕩器1電

18、路結(jié)構(gòu)2電路的工作原理(1) 第一暫穩(wěn)態(tài) 假定在t0時(shí)刻接通電源，電容C還未充電，初始狀態(tài)為 ， ，此時(shí)稱(chēng)為電路的第一暫穩(wěn)態(tài)。 1O1v0O2I1 vv(2) 由第一暫穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到第二暫穩(wěn)態(tài) 的高電平通過(guò)電阻R對(duì)電容C進(jìn)行充電， 的電位逐漸升高，在t1時(shí)刻， 達(dá)到閾值電壓 時(shí)，必然引起下列的正反饋過(guò)程O(píng)1vI1vI1vTHV|_ O2O1I1vvv最后使得 ， ，電路進(jìn)入到第二暫穩(wěn)態(tài)。0O1v1O2v(3) 電路由第二暫穩(wěn)態(tài)再返回到第一暫穩(wěn)態(tài) 在第二暫穩(wěn)態(tài) 時(shí)，由于電容電壓不能躍變，所以 也隨著正跳變到高電平，上升到 。然后電容C又經(jīng)電阻R放電，使 逐漸下降。在t2時(shí)刻， 下降到閾值電壓 時(shí)又產(chǎn)

19、生下列正反饋過(guò)程1O2vI1vTHDDVVI1vI1vTHV|_ O2O1I1vvv最后使 由1變?yōu)?，由于電容電壓不能躍變，故 跟隨 發(fā)生負(fù)跳變，下降到 ，于是 由0變?yōu)?。即 ， ，電路又回到第一暫穩(wěn)態(tài)。 O2vI1vO2vDDTHVVO1v1O1v0O2v 此后開(kāi)始重復(fù)前面的過(guò)程，周而復(fù)始，在 端出現(xiàn)一系列的脈沖波形。O2v電路中各點(diǎn)的波形如下圖所示。3主要參數(shù)的計(jì)算 (1)T1的計(jì)算 3lnVVVlnTHTHDD1RCRCT(2)T2 的計(jì)算3lnVVVV2lnTHDDTHDD2RCRCT(3)T的計(jì)算 RCRCTTT2 . 23ln2217.4.2 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路

20、中各點(diǎn)波形如下圖所示。 7.4.3 石英晶體振蕩器 1石英晶體的頻率特性 (a) 符號(hào) (b)電抗的頻率特性2石英晶體振蕩器的電路結(jié)構(gòu)石英晶體多諧振蕩器 3電路的工作原理 設(shè)電路接通電源時(shí)，門(mén)電路G1的輸出為高電平，門(mén)電路G2的輸出為低電平，在不考慮石英晶體作用的情況下，G1的高電平輸出通過(guò)電阻R1對(duì)電容C2充電，使門(mén)電路G1輸入端的電壓增大為高電平，輸出跳變成低電平，與此同時(shí)，電容C1在門(mén)電路G2輸入端的高電平，通過(guò)電阻R2放電，使門(mén)電路G2輸入端的電壓減少為低電平，輸出跳變成高電平，實(shí)現(xiàn)門(mén)電路Gl的輸出從高電平跳變成低電平，門(mén)電路G2的輸出從低電平跳變成高電平的一次翻轉(zhuǎn)，電路周而復(fù)始地翻轉(zhuǎn)

21、產(chǎn)生方波信號(hào)輸出。 晶振在電路中的作用是選頻網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)電路的振蕩頻率等于晶振的固有振蕩頻率 時(shí)，頻率 的信號(hào)最容易通過(guò)晶振和C2所在的支路形成正反饋，促進(jìn)電路產(chǎn)生振蕩，輸出方波信號(hào)。0f0f7.5 555定時(shí)器及其應(yīng)用 555定時(shí)器最早是由美國(guó)的Signetics公司在1972年開(kāi)發(fā)出來(lái)的，又被稱(chēng)作“555時(shí)基集成電路”。555定時(shí)器能在很寬的電壓范圍內(nèi)工作，并可承受較大的負(fù)載電流。雙極型555定時(shí)器的電源電壓范圍為516V，最大的負(fù)載電流可達(dá)到200mA，CMOS型7555定時(shí)器的電源電壓范圍為318V，但最大負(fù)載電流在4mA以下。另外，555定時(shí)器還能提供與TTL、MOS電路相兼容的邏輯電平

22、。 正因?yàn)槿绱耍瑖?guó)際上各主要的電子器件公司相繼生產(chǎn)了各自的555定時(shí)器產(chǎn)品。盡管產(chǎn)品型號(hào)繁多，但所有雙極型產(chǎn)品型號(hào)最后的3位數(shù)碼都是555，所有CMOS產(chǎn)品型號(hào)最后的4位數(shù)碼都是7555。而且，它們的功能和外部引腳的排列完全相同。為了提高集成度，隨后又生產(chǎn)了雙定時(shí)器產(chǎn)品556(雙極型)和7556(CMOS型)。 555定時(shí)器是一種多用途的模擬數(shù)字混合的中規(guī)模集成電路，利用它能極方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。由于使用靈活、方便，所以555定時(shí)器廣泛地應(yīng)用在波形產(chǎn)生與變換、工業(yè)自動(dòng)控制、定時(shí)、仿聲、電子樂(lè)器和防盜報(bào)警等方面。 7.5.1 555定時(shí)器 1電路結(jié)構(gòu) (a) 電路結(jié)

23、構(gòu) (b) 邏輯符號(hào)2電路的工作原理 當(dāng) 、 時(shí)，比較器A1的輸出 =0、比較器A2的輸出 =1，基本RS觸發(fā)器被置成0態(tài)，TD導(dǎo)通，同時(shí) 為低電平。 I1vR1V2IvR2VA1vA2vOv 當(dāng) 、 時(shí)， =1、 =1，基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變，因而TD和輸出的狀態(tài)也維持不變。I1vR1V2IvR2VA1vA2v 當(dāng) 、 時(shí)， =1、 =0，基本RS觸發(fā)器被置成1態(tài)，由于正常工作時(shí) =1，所 以 為高電平，同時(shí)TD截止。I1vR1V2IvR2VA1vA2vDROv 當(dāng) 、 時(shí)， = 0、 =0，基本RS觸發(fā)器處于Q= =1的狀態(tài)，處于高電平，同時(shí)TD截止。I1vR1V2IvR2VA1vA

24、2vQOvCB555的功能表 7.5.2 用555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1電路結(jié)構(gòu)2工作原理 (1) 如果沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)時(shí) 處于高電平，那么穩(wěn)態(tài)時(shí)電路一定處于 。 Iv0Ov (2) 在負(fù)脈沖的作用下，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。 當(dāng)外加觸發(fā)脈沖 的下降沿到達(dá)時(shí)，使 跳變到 以下時(shí)，使 （此時(shí) 仍然為1），觸發(fā)器被置成1態(tài)，輸出 也跳變?yōu)楦唠娖剑娐愤M(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。與此同時(shí)，三極管TD截止，電源 便經(jīng)電阻R開(kāi)始向電容C充電。IvI2vCC31V0A2vA1vOvCCV (3) 暫穩(wěn)態(tài)維持一段時(shí)間后自行恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。 當(dāng)電容充電使 略大于 時(shí)， 變?yōu)?。如果此時(shí)輸入端的觸發(fā)脈沖已經(jīng)消失，即 回到了高電平，則觸發(fā)器

25、被置0，于是輸出返回 的狀態(tài)。同時(shí)三極管TD又變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，電容C經(jīng)TD迅速放電，直至 =0，電路恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。CvCC32VA1vIv0OvCv以上的分析過(guò)程可以用下圖所示工作波形圖表示。3輸出脈沖的寬度 的計(jì)算 WtRCRCVVVRCt1 . 13ln320lnCCCCCCW【例題7.2】將555定時(shí)器連接成如下圖所示的電路，試問(wèn)它是何種電路？圖中 為+5V，若輸入端外加一個(gè)電壓值足夠低的尖脈沖信號(hào)，計(jì)算在尖脈沖電壓信號(hào)作用下，輸出電壓維持高電平的時(shí)間。CCV解：該電路為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。輸出電壓維持高電平的時(shí)間為： ms78. 010047. 010151 . 11 . 13ln63WRCRCt

26、7.5.3 用555定時(shí)器組成的施密特觸發(fā)器1電路結(jié)構(gòu)2工作原理 (1) 上升過(guò)程Iv 當(dāng) 時(shí)，即 、 時(shí)，由555定時(shí)器的功能表知， 。 隨著 上升，當(dāng) 時(shí)，即 、 時(shí)， 保持不變。 繼續(xù)上升，當(dāng) 時(shí)，即 、 時(shí)， 。 因此，在 上升過(guò)程中，電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電壓(上限閾值電壓) 為 IvR2VI1vR1V2IvR2VOHOVvIvR2VIvR1VI1vR1V2IvR2VOHOVvIvIvR1VI1vR1VR1VR2VOLOVvIvTVTVR1V= (2) 下降過(guò)程 Iv 當(dāng) 時(shí)，即 、 時(shí)， 。 隨著 的下降，當(dāng) 時(shí)，即 、 時(shí)， 保持不變。 繼續(xù)下降，當(dāng) 時(shí)，即 、 時(shí)， 。

27、因此， 下降過(guò)程中電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電壓(下限閾值電壓) 為 = IvR1VI1vR1V2IvR2VOLOVvIvR2VIvR1VI1vR1V2IvR2VOLOVvIvIvR2VI1vR1V2IvR2VOHOVvIvTVTVR2V由此得到電路的回差電壓為R2R1TTTVVVVV 若 懸空，則 ；若 外接固定電壓，則 ，通過(guò)調(diào)整 的值可以調(diào)節(jié)回差電壓的大小。COVCCT31VV COVCOT21VV COV由以上分析可以看出，它是一個(gè)典型的反相輸出的施密特觸發(fā)器。 【例題7.3】將555定時(shí)器接成如下圖所示的電路時(shí)，它屬于何種觸發(fā)器？試求出當(dāng) 電壓值分別為9V、12V、6V三種情況下，

28、該觸發(fā)器的閾值電壓？CCV解：電路為施密特觸發(fā)器。 因?yàn)殡娐窙](méi)有外加控制電壓，所以上限閾值電壓為 ，下限閾值電壓為 。 CCTV32VCCTV31V 當(dāng)電壓值分別為9V、12V、6V時(shí)，該施密特觸發(fā)器的上限閾值電壓分別為6V、8V、4V，下限閾值電壓分別為3V、4V、2V。【例題7.4】電路如下圖所示，若輸入電壓為正弦波，正弦波的幅值為8V。試畫(huà)出電源電壓分別為6V和12V兩種情況時(shí)，輸出電壓的波形。 解：因?yàn)樵撾娐窞槭┟芴赜|發(fā)器，且沒(méi)有外加控制電壓，當(dāng)電源電壓為6V時(shí)， ， 。當(dāng)電源電壓為12V時(shí)， ， 。當(dāng)輸入幅值為8V的正弦波時(shí)，輸出波形如下圖所示。V4V32CCTVV2V31CCTVV

29、8V32CCTVV4V31CCTV (a)電源電壓為6V時(shí)的輸出波形 (b)電源電壓為12V時(shí)的輸出波形7.5.4 用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器1電路結(jié)構(gòu)2工作原理(1) 第一暫穩(wěn)態(tài)。 當(dāng)電源接通后，電容C來(lái)不及充電，所以 為低電平，輸出 為高電平，三極管TD截止，這樣電源 經(jīng)電阻R1和R2對(duì)電容C充電。CvOvCCV(2) 由第一暫穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到第二暫穩(wěn)態(tài)。 隨著充電的進(jìn)行， 電位升高，當(dāng)升高到略大于 時(shí)，輸出 變?yōu)榈碗娖?，使TD導(dǎo)通，此時(shí)電容C經(jīng)電阻R2、三極管TD放電。CvCC32VOv(3) 由第二暫穩(wěn)態(tài)又回到第一暫穩(wěn)態(tài)。 隨著放電的進(jìn)行， 電位降低，當(dāng)下降到略小于 時(shí)，輸出 又變?yōu)楦唠?/p>

30、平，三極管TD截止，這樣電源 經(jīng)電阻R1和R2對(duì)電容C充電。CvCC31VOvCCV 如此循環(huán)往復(fù)下去，在輸出端就得到了一系列的矩形波。 CvOv 和 的波形如下圖所示。 由上圖中 的波形求得電容C的充電時(shí)間T1和放電時(shí)間T2分別為Cv2lnln)(21TCCTCC211CRRVVVVCRRT）（2ln00ln2TT22RVVCRT故電路的振蕩周期為2ln)2(2121CRRTTT振蕩頻率為2ln)2(1121CRRTf占空比為212112RRRRTTq占空比可調(diào)的多諧振蕩器 電容的充電時(shí)間為 2ln11CRT 放電時(shí)間為 2ln22CRT 輸出脈沖的占空比為211RRRq【例題7.5】用55

31、5定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如下圖所示。當(dāng)電位器 滑動(dòng)臂移至上、下兩端時(shí)，分別計(jì)算振蕩頻率和相應(yīng)的占空比。WR解： 當(dāng)電位器 滑動(dòng)臂移至上端時(shí)，輸出 的頻率 為WROv1fkHz26. 62ln2212W11CRRRf占空比為%2 .52222W12W12111RRRRRRTTTq 當(dāng)電位器 滑動(dòng)臂移至下端時(shí)，輸出 的頻率 為WROv2fkHz08.112ln212W12CRRRf占空比為%3 .9222W12W12112RRRRRRTTTq 7.6實(shí)例電路分析7.6.1光控路燈開(kāi)關(guān)下圖所示電路就是把555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器用作光控路燈開(kāi)關(guān)。 圖中555定時(shí)器用作施密特觸發(fā)器。該施密特觸發(fā)器的上限閾值電壓為 ，下限閾值電壓為 。V8V32CCTVV4V31CCTV電路的工作原理: 在白天光照比較強(qiáng)時(shí)光敏電阻 的阻值遠(yuǎn)小于電阻 的阻值(2M)，使得施密特觸發(fā)器輸入端電平較高，大于上限閾值電壓 時(shí)，輸出 為低電平，線(xiàn)圈中沒(méi)有電流流過(guò)，繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)不吸合，路燈L不亮。隨著夜幕的降臨，天色逐漸變暗，光敏電阻 的阻值逐漸增大，施密特觸發(fā)器輸入端的電平也將隨之降低