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1、第6章 脉冲的产生和变换电路,6.1 概述 6.2 555定时器电路 6.3 单稳态触发器 6.4 施密特触发器 6.5 多谐振荡器,6.1 概述,集成555定时器是一种电路结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能中规模集成电路。只需在外部配接适当的阻容元件，便可组成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等多种应用电路，555定时器的电源电压范围较宽，双极型的为4. 5 16 V， CMOS的为3 18 V，还能提供与TTL及CMOS数字电路兼容的接口电平。555定时器可输出一定的功率，用以驭动微电机、指示灯和扬声器等。它在脉冲波形的产生与变换、仪器仪表、测量与控制、家用电器与电子玩具等领域都
2、有广泛应用。,下一页,返回,6.1 概述,TTL集成单定时器型号的最后3位数字为555，双定时器的为556； CMOS集成单定时器的最后4位数为7555，双定时器为7556。它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。 本章主要介绍555定时器的工作原理及由555定时器构成的施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的工作原理及应用。,上一页,返回,6.2 555定时器电路,1. 555定时器的电路组成 555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的器件，其内部电路结构如图6-1所示，芯片引脚编号及功能名称已标于图中。 555定时器电路由3部分组成: (1)电阻分压器和电压比较器由3个等值的电阻R和两个集
3、成运放比较器C1、C2构成。电源电压UCC经分压取得U-2和U+1作为比较器的输入参考电压，在无外加控制电压UM时， ；外加控制电压UM可改变参考电压值。,下一页,返回,6.2 555定时器电路,注意，不接外加控制时，控制端(第5脚)不可悬空，须通过电容(约0. 01 uF)接地，以旁路高频干扰。比较器分别对阈值输入Ui1与U+1、触发输入Ui2与U-2进行比较，它们的结果决定比较器输出UC1和UC2的电位高低。 (2)基本RS触发器由比较器输出电位UC1和UC2控制其状态。 (第4脚)为触发器复位端，当 =0时，触发器反相输出端 =1，使定时器输出Uo=0，同时使VT导通。 (3)输出缓冲器
4、和开关管，由反相放大器和集电极开路的三极管VT构成。,上一页,下一页,返回,6.2 555定时器电路,反相放大器用以提高负载能力，并起到隔离作用。VT的集电极电流可达500 mA，能驱动较大的灌电流负载。 555定时器可在较宽的电源电压范围(4. 518 V)内正常工作，但各输入端的信号电压不可超过电源电压值。 2.工作原理 表6-1为555定时器的功能表，它全面、清晰地表示出555的基本功能，表中“x”表示任意。,上一页,下一页,返回,6.2 555定时器电路,(1)当 =0，Q=0时，输出OUT =0，VT饱和导通。 (2)当 =1、 时，C1输出低电平，C2输出高电平， =1,Q=0，输
5、出OUT =0，VT饱和导通。 (3)当 =1、 时，C1和C2的输出为高电平，基本RS触发器保持原来的状态不变，因此OUT和VT也保持原来的状态不变。 (4)当 =1、 时，C1输出高电平，C2输出低电平， =0，Q=1，OUT = 1，VT截止。,上一页,下一页,返回,6.2 555定时器电路,5G555定时器的电源电压范围较大，双极型电路UCC为4.516 V，输出高电平不低于电源的90%，带拉电流和灌电流负载能力可达20 mA； CMOS电路UCC为318 V，输出高电压不低于电源电压的95%，带拉电流负载的能力为1 mA ，灌电流负载能力为3. 2 mA 。,上一页,返回,6.3 单
6、稳态触发器,单稳态触发器与双稳态触发器及施密特触发器的不同之处在于它只有一个稳定状态。在外加脉冲的作用下，单稳态触发器翻转到一个暂态，该暂态维持一段时间后又回到原来的稳态。单稳态触发器的这一特性也可用做脉冲整形。,下一页,返回,6.3 单稳态触发器,6.3.1由555定时器构成的单稳态触发器 1.电路组成 由555定时器构成的单稳态触发器电路的组成如图6-2所示。图中R和C为单稳态触发器的定时元件，它们的连接点UC与定时器的阈值输入端(6脚)及集电极开路输出端VT (7脚)相连。单稳态触发器输出脉冲宽度由R和C确定，即Tpo 1. 1RC，若R的单位为 、 C的单位为F，则Tpo的单位为s。,
7、上一页,下一页,返回,6.3 单稳态触发器,Ri、Ci构成输入回路的微分环节，用以使输入信号Ui的负脉冲宽度Tpi限制在允许的范围内，即经微分电路后变为尖脉冲信号Ui。通常应满足Tpi 5RiCi，使Ui的尖脉冲宽度小于单稳态触发器的输出脉冲宽度Tpo。若输入信号的负脉冲宽度Tpi本来就小于Tpo，则微分环节可以省略不用。定时器复位输入端 (4脚)接高电位，控制输入端UM通过0.01 uF电容接地，使它们都不起作用。定时器输出端Uo(3脚)作为单稳态触发器信号输出端。,上一页,下一页,返回,6.3 单稳态触发器,2.工作原理 电路接通电源后，在未加入负脉冲时，输入Ui保持高电位，在稳定信号下，
8、C相当于断开状态。输入2脚的Ui由于Ri的存在为高电位(UCC)，其值大于定时器的负向阈值 。此时，若定时器原始状态为”0”，则集电极开路输出端(7脚)导通接地，使电容C放电、UC使6脚的信号其值小于定时器的正向阈值 ，由此定时器维持“0”状态不变，单稳态触发器输出Uo为低电位；若定时器原始状念为”1”，大于定时器的正向阈值 时，定时器翻转为”0”状态。至此集电极开路输出端(7脚)对地断开，UCC经R向C充电，使UC电位升高，待UC值大于定时器的正向阈值 时，定时器翻转为”0”状态。,上一页,下一页,返回,6.3 单稳态触发器,至此，单稳态触发器状态又回到初始稳态的情况。以上分析看似繁琐，实际
9、上只说明这样一个结论:单稳态触发器正常工作时，若未加输入负脉冲，即输入Ui保持高电位，则单稳态触发器的输出Uo一定为低电位。 单稳态触发器的工作过程可分为下列3个阶段来分析，图6-3所示为其工作波形。 1)触发翻转阶段 输入负脉冲Ui到来时，下降沿经RiC微分环节在Ui端产生下跳负向脉冲，其值低于负向阈值 。由于稳态时UC低于正向阈值 ，故定时器翻转为”1”，输出Uo为高电位，同时集电极开路输出端对地断开。此时单稳态触发器进入暂稳状态。,上一页,下一页,返回,6.3 单稳态触发器,2)暂态维持阶段 由于集电极开路输出端7脚对地断开，UCC通过R向C充电，UC按指数规律上汁。从暂稳态开始到UC值
10、到达正向阈值 之前这段时间就是暂态维持时间Tpo。 3)返回恢复阶段 当C充电使UC值高于正向阈值 时，由于Ui端负向尖脉冲已消失，Ui高于负向阈值 ，定时器翻转为“o“，输出UC为低电位，同时集电极开路输出端(7脚)对地导通，暂态阶段结束。此后，C通过7脚放电，致使UC低于正向阈值 ，使单稳态触发器恢复稳态。,上一页,下一页,返回,6.3 单稳态触发器,6.3.2 单稳态触发器应用举例 单稳态触发器的特性可以用于实现脉冲整形和脉冲定时功能。 1.脉冲整形 利用单稳态触发器能产生一定宽度的脉冲这一特性，可以将过窄或过宽的输入脉冲整形成固定的宽度输出。 图6-4所示的不规则输入波形经单稳态触发器
11、整形后，便可得到固定的宽度和固定幅度，且上升、下降沿陡峭的规整矩形波输出。,上一页,下一页,返回,6.3 单稳态触发器,2.脉冲定时 同样，利用单稳态触发器能产生一个固定的脉冲的特性，可以实现定时功能。若将单稳态触发器的输出Ui。接至与门的一个输入脚，与门的另一个输入脚输入高电平脉冲序列Uf，单稳态触发器在输入负脉冲到来时开始翻转，与门开启，允许高电平脉冲序列通过与门从其输出端UAND输出。经过Tpo定时时间后，单稳态触发器恢复稳态，与门关闭，禁止高频脉冲序列输出，由此实现了高频脉冲序列的定时器选通功能，其工作波形如图6 -5所示。,上一页,返回,6.4 施密特触发器,施密特触发器也有两个稳定
12、状态，但与常规触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持。另外，对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阈值电位。即当输入信号Ui减小至低位负向阈值 时，输出电位Uo翻转为高电位UOH；而当输入信号Ui增大至高于正向阈值 时，输出电位UO才翻转为低电位UOL。这种滞后的电压传输特性如图6-6所示，也称回差特性， 称为回差电压。,下一页,返回,6.4 施密特触发器,6.4.1 用555定时器构成的施密特触发器 1.电路组成 将555定时器的阈值输入端(6脚)和触发输入端(2脚)相连作为输入端Ui，由UO(3脚)或UO(7脚)挂接上拉电阻R
13、D及电源Upp作为输出端，就构成了如图6-7所示的施密特触发器电路。,上一页,下一页,返回,6.4 施密特触发器,2.工作原理 以图6-8所示的输入信号Ui的波形为例，来讨论施密特触发器的工作过程及其输出信号Uo的波形(这里先假设未外接控制输入UM)。当Ui为0 V时，因Ui由Ui1与Ui2相连而成，所以 。由555定时器的工作原理可知，此时施密特触发器输出UO为高电位(“1“)，此后，Ui逐渐上升，但只要不高于阈值电位 ，施密特触发器输出UO维持高电位“1“不变。这一过程可以分为两个阶段来进一步分析:前一阶段，只要Ui不高于触发电位( )，上述定时器输入状态维持不变，即触发器仍为“1“状态;
14、后一阶段，只要Ui不高于阈值电位( )，则 。由555定时器的工作原理可知，此时定时器维持原状态不变，即施密特触发器输出Uo仍然为高电位“1“。,上一页,下一页,返回,6.4 施密特触发器,当Ui继续上升至高于阈值电位( )时，则 的条件满足，定时器状态翻转为“0”，即施密特触发器输出UO为低压位“0”。此后，Ui继续变化(先上升，后下降)，但只要不低于触发电位( )，施密特触发器输出UO维持低电位“0”不变。这一过程同样可以分两个阶段来分析:前一阶段，只输出Ui不低于阈值电位( )，上述定时器输入状态维持不变，即触发器仍为“0”状态;后一阶段，只要Ui不低于触发电位( )，则 的条件满足，定
15、时器维持原状态不变，即施密特触发器输出UO仍然为低电位(“0“)。,上一页,下一页,返回,6.4 施密特触发器,当Ui继续变化，一旦低于触发电位( )后，又满足条件 ，定时器翻转为“1“，施密特触发器输出为高电位(“1“)。 以上结论是在未考虑外接控制输入UM影响的情况下得出的，即此时施密特触发器的正、负向阈值电位分别为 和 。若考虑UM的影响，则定时器的分压状态将发生改变，即施密特触发器的正、负向阈值电位将分别为 ，回差电压则为 。 由此可见，通过调节外加控制电压UM可改变施密特触发器的回差特性，从而达到改变输出信号脉冲宽度的目的。因此，利用施密特触发器的回差特性可以实现将不规则的输入波形反相转换成矩形脉冲输出的功能。,上一页,下一页,返回,6.4 施密特触发器,6.4.2 施密特触发器应用举例 上面介绍施密特触发器具有反相信号转换功能，若实际使用中需要同相转换，只需在上述施密特触发器输出端再加一个反相器即可。下面介绍的应用实例用的都是同相转换。 1.波形转换 施密特触发器可用以将模拟信号波形转成矩形波形。图6-9就是一个将不规则的模拟信号波形反相
