第12章脉冲波形

第12章脉冲波形的产生与整形本章介绍中规模集成电路555定时器以及用它构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的方法和应用。12.1555定时电路及其功能555定时电路是一种多用途的双极型数字-模拟集成电路，只要在外部配上几个适当的电阻电容元件，就可以方便地接成施密特触发器、单稳态触发器以及多谐振荡器等脉冲的产生与变换电路。该器件的电源电压为4.5~18V，驱动电流也较大(IOL=100~200mA)，并能提供与TTL、MOS电路相兼容的逻辑电平,常用型号为NE555或5G555。最后4位数字是7555的是CMOS型。12.1.1电路的组成图12.1为555集成电路内部结构框图。其中由三个5KΩ的电阻R1、R2和R3组成分压器，为两个比较器C1和C2提供参考电压，当控制端VM悬空时（为避免干扰VM端与地之间接一0.01μF左右的电容），VA=2VCC/3，VB=VCC/3，当控制端加电压时VA=VM，VB=VM/2。放电管TD的输出端Q'为集电极开路输出，其集电极最大电流可达50mA，因此具有较大的带灌电流负载的能力。555集成电路的输出级为推拉式结构。DR是置零输入端，若复位端DR加低电平或接地，不管其他输入状态如何，均可使它的输出VO为“０”电平。正常工作时必须使DR处于高电平。TDC2Q¯QC187654321图12.1555定时器结构框图+5KΩ+--5KΩ5KΩVC1VC2VOGNDQ'VMTHVCCRD─TR─&&1VAVB阈值触发复位控制放电输出12.1.2功能555定时器的功能主要是由两个比较器C1和C2的工作状况决定的。由图12.1可知，当V6VA、V2VB时，比较器C1的输出VC1=0、比较器C2的输出VC2=1，基本RS触发器被置0，TD导通，同时VO为低电平。当V6VA、V2VB时，VC1=1、VC2=1，触发器的状态保持不变，因而TD和输出的状态也维持不变。当V6VA、V2VB时，VC1=1、VC2=0，故触发器被置1，VO为高电平，同时TD截止。这样我们就得到了表12-1555定时器的功能表。12.2施密特触发器施密特触发器是一种脉冲信号的整形电路，它在性能上有一个重要的特点是：具有如图12.2(a)所示的滞后电压传输特性，此特性又称回差特性。施密特触发器的定性符号如图12.2(b)所示。放电管状态TD表12-1555定时器的功能表输入VA阈值输入V6输出触发输入V2输出VO复位DR×不变截止导通0001111×VAVAVBVBVB不变导通(a)VT+VT-OVOHVOLVOVI(b)图12.2施密特触发器的符号(a)滞后电压传输特性(b)定性符号12.2.1用555定时电路构成的施密特触发器1．电路组成将555定时器阈值输入端TH（６脚）和触发输入端TR（２脚）连接在一起作为信号输入端VI，可构成施密特触发器如图12.3所示。放电输出端Q'(７脚)加上拉电阻R和电源VDD相连接也可作为输出端，用于配合不同负载的需要。2．工作原理设在输入端VI输入如图12.4所示的三角波信号，此电路的工作原理如下：VI由0V逐渐上升，只要VI1/3VCC，C1比较器的输出VC1=1，C2比较器的输出VC2=0电平，因此基本触发器置“１”，输出VO为高电平VI继续上升，当1/3VCCVI2/3VCC时，比较器C2输出和比较器C1的输出都为“1”电平，因此基本触发器的状态不变，输出VO仍为高电平。VI继续上升，一旦VI≥2/3VCC以后，比较器C1的输出VC1为“0”，此时比较器C2的输出VC2仍为“1”电平，触发器产生跳变，输出VO由高电平跳变为低电平，因此，VI由0V开始逐渐上升过程中的转换电平为：VT+=2/3VCC。VI再增加，基本触发器保持“０”状态不变。输出VO保持抵电平不变。TDC2Q¯QC187654321图12.3用555构成的施密特触发器+5KΩ+--5KΩ5KΩVC1VC2VOVCCRD─&&1VAVBVI0.01μFVIttVCCVO2/3VCC1/3VCC图12.4工作波形OOVCCVOLVI若由VCC开始负增长，只要未降到2/3VCC以下，仍使VC1=0，VC2=1，基本触发器保持仍保持低电平不变，即输出VO仍保持抵电平。VI继续下降，当VI下降到2/3VCC以下但仍大于1/3VCC，两个比较器C1和C2输出都为“1”，ＳR触发器保持原状态不变，输出VO也保持低电平不变。VI继续下降，当VI≤1/3VCC时，比较器C1输出VC1=1，比较器C2输出VC2=0，此时SR触发器产生由“0”到“１”的跳变，输出VO也由低电平跳变至高电平，所以，VI由VCC开始负增长的过程中，转换电平为：VT-=1/3VCC。如果VI再继续下降，SR触发器保持“1”状态，输出VO保持高电平不变。输入VI三角波所对应的输出VO波形如图12.4所示。3．滞后特性（回差特性）由上述分析可知，图12.4具有滞后电压传输特性。通常把上升时的阈值电压VT+称为正向阈值电压或称为接通电平，而把下降时的阈值电压VT-称为负向阈值电压，或称作断开电平，它们之间的差值ΔV=VT+-VT-，称作滞后电压，或称作回差。由此可知图12.3电路,如未外接VM，上升、下降时的阈值电压，VT+=2/3VCC，VT-=1/3VCC，回差为：ΔV=VT+-VT-=1/3VCC。若在控制端VM(5脚)外加电压VM，上升时的阈值电压VT+=VM，下降时的阈值电压VT-=1/2VM，回差为：ΔV=1/2VM，也就是说回差ΔV随控制端VM的输入电压变化而变化。12.2.2施密特触发器的应用1．波形的变换与整形利用施密特触发器可将正弦波或三角波变换成矩形波。如图12.5为将变换缓慢的波形VI转换为矩形波形的过程。有些测量装置输出信号经放大后，可能是不规则的波形，如图VI图12.5波形变换VOttOOVT+VT-图12.6波形整形tttOOOVIVT+V1T-V2T-V2OV1O12.6VI所示，将它接在施密特电路的输入端，如果电路的回差较小，为如图中所示电路的回差为ΔV=VT+-V1T-时，输出波形如图12.6V1O所示。若输入波形顶部的脉动是由干扰造成的，则会产生不良的后果，输出信号就变成了三个脉冲。若适当的增加电路的回差，即ΔV=VT+-V2T-，输出波形为图12.6V2O所示，实现了整形作用，因此在这种情况下，适当的增加回差，可以提高电路的抗干扰能力。2．幅度鉴别有一串幅度不相等的脉冲信号，如果需要剔除其中幅度不够大的脉冲，可利用施密特触发器构成脉冲鉴别器进行处理。若将如图12.7所示一系列幅度各异的串脉冲信号VI加到施密特触发器输入端时，只有那些幅度大于VT+的脉冲会产生输出信号。这样我们使用施密特触发器能将幅度大于VT+的脉冲选出，因此施密特触发器具有脉冲鉴幅的能力。且由图12.7可以看出利用施密特触发器可达到脉冲幅度鉴别的目的。此外，用施密特触发器还可以构成单稳态触发器和多谐振荡器。12.3单稳态触发器单稳态触发器是数字系统中又一种常用的脉冲整形电路。它的特点是：只有一个稳态，另外还有一个暂稳态。在单稳态触发器中，没有外加触发信号作用时，电路始终处于稳态；在外加触发信号的作用下，电路能从稳态转换到暂稳态，经过一段时间后，又能自动回到稳态。电路处于暂稳态的时间长短通常取决于电路中电容的充电和放电时间，这个时间是单稳态触发器的输出脉冲宽度tPO。单稳态触发器种类很多，但特点均如上所述，下面介绍555定时器构成的单稳态触发器。12.3.1用555定时电路构成的单稳态触发器1．电路的组成图12.8为一个由555定时电路构成的单稳态触发器电路中Ri和Ci为输入回路的微分环节，确保V2的负脉冲宽度tP2tPO，tPO为单稳态输出脉冲宽度，一般要求PIt5RiCi。电路中R、C为单稳态触发器的定时元件，其连接点的信号vc加到阈值输入TH（6脚）和放电管TD的集电极Q'（7脚）。复位输入端DR（4脚）接高电平，即不允许其复位；控制端VM通过电容0.01μF接地，图12.7用施密特触发器鉴别脉冲幅度ttVOOOVIVT+VT-以保证555定时器上下比较器的参考电压为2/3VCC、1/3VCC不变。输出端可引出此单稳的输出信号VO。2．工作原理电源接通后，若未加负脉冲，V1输入保持高电平，在稳定的状态下Ri、Ci微分环节的充放电已完成，Ci相当处于开路状态，因此触发端输入电压V2也为高电平。若基本RＳ触发器的初态为“０”，Q'=1，放电管TD饱和导通，定时电容C上即使原先有电荷，也会经放电管TD流失，因此VC为0V，此时比较器C2输出VC2=1，比较器C1输出VC1=1，因此555定时器内部RS触发器可维持“０”状态不变；若电源刚接通时，RS触发器为“１”，Q'=０，放电管TD处于截止状态，电源VCC经电阻R向电容C充电，VC电压因充电而上升，当VC上升到2/3VCC时，比较器C1输出VC1=0，由于此时V2=VCC。因此比较器C2的输出VC2=1，555定时器内部的触发器就会产生由“1”到“0”的跳变，其输出也由“1”变“0”，使放电管TD饱和导通，电容C上的电荷会通过TD释放，VC电压逐渐降低最后变成0V，于是电路进入稳定状态，输出VO为低电平。由上述分析可知，按图12.8连接的555定时器只要一接通电源，不管电路原来处于什么状态，经过一段时间，在没有外界触发信号作用的情况下，它总能处于稳态，使输出VO为低电平。下面对图12.8555定时器构成的单稳态触发器，作具体的分析：在V1输入为高电平，未加触发脉冲的情况下，V2为高电平，RS触发器处于“０”状态，电容器C上电荷已放完。VC及VO均输出低电平。在V1输入端加负脉冲，触发输入端TR就得到了输入V1负脉冲的微分信号如图12.9所示。在V1负脉冲的下跳沿，由于电容Ci两端电压不会突变；V2也产生同样幅度的下跳，其值低于1/3VCC，因此比较器C2的输出VC2=０，此时VC仍为0V，VC1=1，因此基本RS触发器由“0”翻转为“1”，输出VO由低电平变高电平。同时放电管TD截止，电路时入暂稳态，定时开始。在这段时间内RS触发器为1状态，输出VO为高电平。因TD管截止电容C开始充电，电容充电的回路为VCC→R→C→地，充电时间常数τ＝RC，VC按指数规律上升，趋向VCC值。图12.8555定时电路构成的单稳态触发器RiQ'CiVCCV1VOR56780.01μFC4213555V2tPItPO当电容C充电电压VC上升到2/3VCC时，比较器C1输出VC1=0，而此时Ri、Ci微分环节输出信号V2的窄负脉冲已消失，V2为高电平，使比较器C2输出VC2=1，所以555内部RS触发器就会置“0”，输出VO由高电平变为低电平，放电管TD饱和导通，定时阶段结束，即暂稳态结束。由上述分析可看出，若输入V1负脉冲宽度tPI小于暂稳态时间（即输出正脉冲宽度tPO），那么不加微分环节Ri、Ci电路出可以正常工作。最后是恢复阶段，在此阶段开始时，电容C上电压VC约为2/3VCC，由于放电管TD饱和导通定时电容C经TD管放电，经过3~52（2=RCESC），VC迅速减小接近0V，在这阶段过程结束后电路返回稳态。在此阶段内输出VO始终为低电平。恢复阶段结束后，当第二个触发信号到来时，又重复上述过程，电路中V1、V2、VO和VC的波形详见图12.9。需要注意：①在这个阶段内，V2虽因V1正跳变而微分产生正有尖脉冲，但因其电平值比VCC还高，下比较器C2的输出VC2状态不会因其变化而变化，仍维持在“0”状态，因此不会影响电路和恢复过程，也就是说2V的正尖脉冲不会触发此单稳电路。②由于TD放电管的饱和电阻RCES很小，因此放电时间常数2很小。由555定时器构成的单稳态触发器的输出脉冲宽度tPO也就是电路的暂稳态时间，它也是用RC瞬态过程的计算方法来计算的，但在实际应用中常常用估算法公式先进行估算，然后构成电路进行调试和修正。经验估算公式为：tPO=RCln3≈1.1RC这种电路产生的脉冲宽