脈沖產(chǎn)生電路和定時(shí)電路

脈沖產(chǎn)生電路和定時(shí)電路第一頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日13.1.1常見(jiàn)的幾種脈沖信號(hào)波形

“脈沖”是指脈動(dòng)和短促的意思。我們所討論的脈沖信號(hào)是指在短暫時(shí)間間隔內(nèi)作用于電路的電壓或電流。從廣義來(lái)說(shuō),各種非正弦信號(hào)統(tǒng)稱為脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)的波形多種多樣,圖13.1給出了幾種常見(jiàn)的脈沖信號(hào)波形。13.1概述第二頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D13.1幾種常見(jiàn)的脈沖信號(hào)波形(a)矩形波；(b)方波；(c)尖脈沖；(d)鋸齒波；(e)三角波；(f)階梯波第三頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日

13.1.2脈沖波形參數(shù)為了表征脈沖波形的特性,以便對(duì)它進(jìn)行分析,我們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(gè)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(shí)間間隔；(3)上升時(shí)間tr——脈沖前沿從0.1Um上升到0.9Um所需要的時(shí)間；(4)下降時(shí)間tf——脈沖后沿從0.9Um下降到0.1Um所需要的時(shí)間；第四頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D13.2矩形脈沖波形的參數(shù)第五頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日(5)脈沖周期T——周期性重復(fù)的脈沖中,兩個(gè)相鄰脈沖上相對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。有時(shí)也用脈沖重復(fù)頻率f=1/T表示，f表示單位時(shí)間內(nèi)脈沖重復(fù)變化的次數(shù)。第六頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日13.2555集成定時(shí)器電路555定時(shí)器電路是一種中規(guī)模集成定時(shí)器，目前應(yīng)用十分廣泛。通常只需外接幾個(gè)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(shí)電路有TTL集成定時(shí)電路和CMOS集成定時(shí)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(shí)器CC7555為例進(jìn)行介紹。第七頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日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(kāi)關(guān)和輸出驅(qū)動(dòng)電路等幾部分組成。第八頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日1.電阻分壓器電阻分壓器由3個(gè)阻值相同的電阻串聯(lián)構(gòu)成。它為兩個(gè)比較器C1和C2提供基準(zhǔn)電平。如引腳5懸空,則比較器C1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(gè)比較器C1和C2的基準(zhǔn)電平。當(dāng)引腳5不外接電壓時(shí),通常接0.01μF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。第九頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日2.比較器比較器C1和C2是兩個(gè)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(shí),C1輸出高電平,否則,C1輸出低電平；當(dāng)U2>（1/3）UDD時(shí),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)。第十頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D13.3CC7555集成定時(shí)電路(a)電路；(b)外引線排列圖第十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日

3.基本RS觸發(fā)器基本RS觸發(fā)器由兩個(gè)或非門(mén)組成，它的狀態(tài)由兩個(gè)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(mén)設(shè)置的可由外電路置“0”的復(fù)位端。當(dāng)=0時(shí)，Q=0。平時(shí)=1,即端可接+UDD端。第十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日

4.放電開(kāi)關(guān)管和輸出緩沖級(jí)放電開(kāi)關(guān)管是N溝道增強(qiáng)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(shí)，放電管V導(dǎo)通；若Q=1，=0，放電管V截止。兩級(jí)反相器構(gòu)成輸出緩沖級(jí)。采用反相器是為了提高電流驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)隔離負(fù)載對(duì)定時(shí)器的影響。根據(jù)上面介紹，現(xiàn)將555定時(shí)器引出端的功能列于表13.1。第十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日符號(hào)功能符號(hào)功能TH高觸發(fā)斷OUT輸出底觸發(fā)斷復(fù)位D放電端CO控制電壓表13.1555定時(shí)器引出端功能說(shuō)明第十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日表13.2CC7555定時(shí)器功能表第十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日13.3.1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(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的電路,它的另一個(gè)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(guò)一段時(shí)間后,靠電路自身的作用,將自動(dòng)返回到穩(wěn)定狀態(tài),并在輸出端獲得一個(gè)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(shí)間,其長(zhǎng)短取決于電路自身的參數(shù),而與觸發(fā)脈沖無(wú)關(guān)。13.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日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(shí)元件,輸入觸發(fā)信號(hào)ui接在低觸發(fā)TR端。

第十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D13.4CC7555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(a)電路；(b)工作波形圖第十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日

2.工作原理

1)電路的穩(wěn)態(tài)靜態(tài)時(shí),觸發(fā)器信號(hào)ui為高電平,因電容未充電,故TH端為低電平。根據(jù)555定時(shí)電路工作原理可知,基本RS觸發(fā)器處于保持狀態(tài)。接通電源時(shí),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(wú)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(gè)逐漸穩(wěn)定的過(guò)程：即電源+UDD經(jīng)電阻R對(duì)電容C充電，電容兩端電壓uC上升。第十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日2)在外加觸發(fā)信號(hào)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(shí)開(kāi)始。在暫穩(wěn)態(tài)期間，電源+UDD→R→C→地，對(duì)電容充電，充電時(shí)間常數(shù)τ=RC，uC按指數(shù)規(guī)律上升，趨向+UDD值。第二十頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日

3)自動(dòng)返回過(guò)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(shí)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(shí)電容C充電結(jié)束，即暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。第二十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日

4)恢復(fù)過(guò)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(shí)，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(shí)的uC=0，uo為低電平的狀態(tài)。當(dāng)?shù)诙€(gè)觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，又重復(fù)上述過(guò)程。工作波形圖如圖13.4（b）所示。第二十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日式中，τ>RC。代入上式求得3.輸出脈沖寬度tW

輸出脈沖寬度按下式計(jì)算：第二十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日輸出脈沖寬度tw與定時(shí)元件R、C大小有關(guān),而與電源電壓、輸入脈沖寬度無(wú)關(guān),改變定時(shí)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(hào)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(shí)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。第二十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日4.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用

1)脈沖的定時(shí)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(gè)矩形脈沖去控制某電路，使它在tw時(shí)間內(nèi)動(dòng)作(或不動(dòng)作),這就是脈沖的定時(shí)。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(mén)輸入信號(hào)之一,只有在tw時(shí)間內(nèi),與門(mén)才開(kāi)門(mén),信號(hào)A才能通過(guò)與門(mén)，如圖13.5(b)所示。第二十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D13.5單穩(wěn)態(tài)電路的定時(shí)作用(a)邏輯圖；(b)波形圖第二十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日2)脈沖的延時(shí)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(hào)。由圖13.6(b)可見(jiàn),uo的下降沿比輸入觸發(fā)信號(hào)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(shí)延遲了tw時(shí)間,這就是單穩(wěn)態(tài)電路的延時(shí)作用。第二十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D13.6單穩(wěn)態(tài)電路的延時(shí)作用(a)邏輯圖；(b)波形圖第二十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日13.3.2多諧振蕩器

1.電路組成圖13.7(a)所示為由CC7555集成定時(shí)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。這里的R1、R2和C為外接電阻和電容,它們均是定時(shí)元件。圖13.7(b)為工作波形。第二十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D13.7CC7555構(gòu)成的多諧振蕩器(a)電路；(b)工作波形圖第三十頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日

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(shí),電源經(jīng)R1、R2對(duì)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(shí),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)UDD這段時(shí)間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài),其維持時(shí)間t1的長(zhǎng)短與電容的充電時(shí)間有關(guān)。充電時(shí)間常數(shù)τ充=(R1+R2)C。第三十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日由于放電管V導(dǎo)通,電容C通過(guò)電阻R2和放電管放電,電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)。放電時(shí)間常數(shù)τ放=R2C。隨著C的放電,uC下降,當(dāng)uC下降到（1/3）UDD時(shí),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(duì)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。第三十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日由以上分析可知：電路靠電容C充電來(lái)維持第一暫穩(wěn)態(tài),其持續(xù)時(shí)間即為t1。電路靠電容C放電來(lái)維持第二暫穩(wěn)態(tài),其持續(xù)時(shí)間為t2。電路一旦起振后,uC電壓總是在(1/3~2/3)UDD之間變化。第三十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日3.電路振蕩周期T

電路振蕩周期T按下式計(jì)算：t1由電容C充電過(guò)程來(lái)決定。其中:第三十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日則t2由電容C放電過(guò)程來(lái)決定。其中:第三十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日則電路振蕩頻率第三十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日顯然，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(hào)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(shí)間常數(shù)不同,使輸出脈沖的寬度t1和t2也不同。在實(shí)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第三十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日將圖13.7所示電路稍加改動(dòng),就可得到占空比可調(diào)的多諧振蕩器,如圖13.8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(kāi),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Ｒw,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(shí),D=1/2(此時(shí),t1=t2),電路輸出方波。第三十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日

圖13.8占空比可調(diào)的振蕩器

第三十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日13.3.3施密特觸發(fā)器

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第四十頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D13.9CC7555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

第四十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日2.工作原理當(dāng)輸入信號(hào)ui<（1/3）UDD時(shí),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)UDD＜ui＜(2/3)UDD時(shí),電路維持原態(tài)不變,輸出uo仍為高電平;如果輸入信號(hào)增加到ui≥(2/3)UDD時(shí),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）UDD＜ui＜(2/3)UDD,電路狀態(tài)仍然維持不變;只有當(dāng)ui=(1/3)UDD時(shí),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。第四十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日顯然,555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器,ui上升時(shí)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(mén)坎電平UT+=（2/3）UDD;下降時(shí)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(shí)際應(yīng)用中,可根據(jù)實(shí)際需要增大或減小回差電壓ΔUT。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。

第四十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日3.施密特觸發(fā)器的應(yīng)用施密特觸發(fā)器的用途十分廣泛,它主要用于波形變化、脈沖波形的整形及脈沖幅度鑒別等。

1.波形變換將變化緩慢的非矩形波變換為矩形波，如圖13.10所示。第四十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D13.10波形變換圖13.11波形的整形

第四十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日

2.脈沖整形將一個(gè)不規(guī)則的或者在信號(hào)傳送過(guò)程中受到干擾而變壞的波形經(jīng)過(guò)施密特電路，可以得到良好的波形,這就是施密特電路的整形功能，如圖13.11所示。第四十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D13.11波形的整形第四十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日3.脈沖幅度鑒別利用施密特電路,可以從輸入幅度不等的一串脈沖中,去掉幅度較小的脈沖,保留幅度超過(guò)UT+的脈沖,這就是幅度鑒別，如圖13.12所示。第四十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D13.12脈沖幅度鑒別第四十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日習(xí)題十三

13.1電路如題13.1圖所示，已知UDD=10V,R=11kΩ，要求單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度為1s。試計(jì)算定時(shí)電容C的數(shù)值,并對(duì)應(yīng)畫(huà)出ui、uC、uo的波形。題13.1圖

第五十頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日13.2由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路如題13.2圖(a)所示,試回答下列問(wèn)題:(1)該電路的暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間tw=?(2)根據(jù)tw的值，確定題圖13.2(b)中哪個(gè)