《電子技術基礎》課件1課題十三

第13章脈沖產(chǎn)生電路和定時電路13.1基本概念

13.2555集成定時器電路

13.3定時器的應用

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。13.1概述

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——周期性重復的脈沖中,兩個相鄰脈沖上相對應點之間的時間間隔。有時也用脈沖重復頻率f=1/T表示，f表示單位時間內(nèi)脈沖重復變化的次數(shù)。13.2555集成定時器電路

555定時器電路是一種中規(guī)模集成定時器，目前應用十分廣泛。通常只需外接幾個阻容元件,就可以構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管構成的放電開關和輸出驅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)構成。它為兩個比較器A1和A2提供基準電平。如引腳5懸空,則比較器A1的基準電平為（2/3）UDD,比較器A2的基準電平為（1/3）UDD。如果在引腳5外接電壓,則可改變兩個比較器A1和A2的基準電平。當引腳5不外接電壓時,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。

2.比較器比較器A1和A2是兩個結構完全相同的高精度電壓比較器。A1的引腳6稱為高觸發(fā)輸入端(也稱閾值輸入端)TH,A2的引腳2稱為低觸發(fā)輸入端TR。當時,A1輸出高電平,否則,A1輸出低電平；當時,A2輸出低電平,否則輸出高電平。比較器A1和A2的輸出直接控制基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)。圖13.3CC7555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）是專門設置的可由外電路置“0”的復位端。當=0時，Q=0。平時=1,即端可接+UDD端。

4.放電開關管和輸出緩沖級

放電開關管是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導通；若Q=1，=0，放電管V截止。兩級反相器構成輸出緩沖級。采用反相器是為了提高電流驅動能力，同時隔離負載對定時器的影響。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。符號功能符號功能TH高觸發(fā)斷OUT輸出底觸發(fā)斷復位D放電端CO控制電壓表13.1555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定時器(如5G555)小。表13.2CC7555定時器功能表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)翻轉到暫穩(wěn)狀態(tài),經(jīng)過一段時間后,靠電路自身的作用,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。13.3定時器的應用

1.電路組成圖13.4(a)是用CC7555構成的單穩(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)TR端。

圖13.4CC7555構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

(a)電路；(b)工作波形圖

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,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，電路進入暫穩(wěn)態(tài)，定時開始。在暫穩(wěn)態(tài)期間，電源+UDD→R→C→地，對電容充電，充電時間常數(shù)τ=RC，uC按指數(shù)規(guī)律上升，趨向+UDD值。

3)自動返回過程當電容兩端電壓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導通，定時電容C充電結束，即暫穩(wěn)態(tài)結束。

4)恢復過程由于放電管V導通，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。電路恢復到穩(wěn)態(tài)時的uC=0，uo為低電平的狀態(tài)。當?shù)诙€觸發(fā)脈沖到來時，又重復上述過程。工作波形圖如圖13.4（b）所示。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算：

輸出脈沖寬度tw與定時元件R、C大小有關,而與電源電壓、輸入脈沖寬度無關,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的寬度應小于輸出脈寬tw，且負脈沖ui的數(shù)值一定要低于（1/3）UDD。4.

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應用

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13.5(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

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。圖13.6單穩(wěn)態(tài)電路的延時作用(a)邏輯圖；(b)波形圖13.3.2多諧振蕩器

1.電路組成圖13.7(a)所示為由CC7555集成定時器構成的多諧振蕩器。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,它們均是定時元件。圖13.7(b)為工作波形。圖13.7CC7555構成的多諧振蕩器

(a)電路；(b)工作波形圖

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導通,我們把uC從(1/3)UDD上升到(2/3)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。充電時間常數(shù)τ充=(R1+R2)C。

由于放電管V導通,電容C通過電阻R2和放電管放電,電路進入第二暫穩(wěn)態(tài)。放電時間常數(shù)τ放=R2C。隨著C的放電,uC下降,當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放電結束,UDD再次對電容C充電,電路又翻轉到第一暫穩(wěn)態(tài)。如此反復,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(1/3~2/3)UDD之間變化。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。在實際應用中,常常需要調(diào)節(jié)t1和t2。在此，引進占空比的概念。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13.8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Ｒw,即可改變R1和R2的值,并使占空比D得到調(diào)節(jié),當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

13.3.3施密特觸發(fā)器

1.電路組成

圖13.9(a)是用CC7555構成的施密特觸發(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圖13.9CC7555構成的施密特觸發(fā)器(a)電路；

(b)工作波形；(c)

電壓傳輸特性曲線

2.工作原理

當輸入信號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)UDD＜ui＜(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）UDD＜ui＜(2/3)UDD,電路狀態(tài)仍然維持不變;只有當ui=(1/3)UDD時,觸發(fā)器再次置1,電路又翻轉回輸