用定时器组成的脉冲电路

第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院7.1矩形脉冲时序电路中的时钟信号即为矩形脉冲波。时钟脉冲的特性直接关系着系统能否正常工作。实际的矩形脉冲波形如图9.1.1所示，其特性可用以下指脉冲周期T——周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲间的时间间隔。脉冲频率f=1/T,表示单位时间内脉冲重复的次数。脉冲幅度Um——脉冲电压的最大变化幅度。脉冲宽度TW——从脉冲前沿上升到0.5Um开始，到脉冲后沿下降到0.5Um为止的一段时间。第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院上升时间tr——脉冲前沿从0.1Um上升到0.9Um所需要的时间。下降时间tf——脉冲后沿从0.9Um下降到0.1Um所需要的时间。第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院图7.1.1实际的矩形脉冲波形TTW0.1Um0.5Um0.9UmtrtfUm第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院7.2555定时器555定时器是目前在工业自动控制、仿声、电子乐器、防盗报警等方面获得了广泛应用的一种时基电路，用它可以构成多谐振荡器、施密特触发器和单稳态触发器等脉冲产生和波形变换电路。目前的集成定时器产品中，CMOS型的有CC7555、CC7556等，器件的电源电压为4.5～18V，能提供与TTL、CMOS电路相兼容的逻辑电平;双极型的有5G555（NE555）。下面以CC7555为例，介绍555定时器的功能。CC7555为双列直插式封装，共有8个引脚。图9.2.1（a）为CC7555的电路结构图，图9.2.1（b）是它的外引脚排列图。第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院图7.2.1集成定时器CC7555（a）电路结构;（b）外引脚排列RQSR1OUTDV3327VDD8RTHCO65RR12TRUR1UR2ABRS(a)55512348765VDDDTHCOVSSOUTTRR(b)4＋－＋－1第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院1．CC7555的组成（1）分压器：由3个5kΩ的电阻R构成电阻分压器（故得名555定时器），它向比较器A和B提供参考电压：。电压控制端CO也可外加控制电压改变参考电压值。CO端不用时，可外接0.01μF的去耦电容，以消除干扰，保证参考电压不变。（2）比较器：集成运算放大器A、B组成两个电压比较器，每个比较器的两个输入端标有+号和-号。当U+＞U-时，比较器输出高电平;当U+U-时，比较器输出低电平。,32DD1RVUDDR231VU第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院（3）基本RS触发器：R、S的值取决于比较器A、B的输出。R端为RS触发器的复位端，该端为低电平时，Q=0，OUT端为低电平。（4）放电管V（也称开关管）和输出缓冲器门2和门3：V为N沟道增强型MOS管，当OUT为低电平时，V的栅极电位为高电平，V导通;当OUT为高电平时，V的栅极电位为低电平，V截止。门2和门3为输出缓冲器，用来提高定时器的带负载能力，同时也隔离负载对定时器的影响。第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院2．CC7555表7.2.1是CC7555的功能表。CC7555的静态电流约80μA，输入电流约0.1μA，输入阻抗很高。表7.2.1CC7555的功能表第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院3.555定时器应用举例【例7.2.1】图9.2.2为CC7555接成的逻辑电平分析仪，待测信号为ui，调节CC7555的CO端电压uA＝3V，试问：（1）当ui3V时，哪个发光二极管亮？（2）当ui小于多少伏时，该逻辑电平仪表示低电平输入？这时哪一个发光二极管亮？第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院图7.2.2例7.2.1电路图5G55584762315ui5.1kR11kR3100kRP270R2LED1(红色)270R4LED2(绿色)＋VCC＝＋6VA第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院解由图9.2.2和表9.2.1可知，由于电压控制端CO外加控制电压uA=3V，改变了CC7555的比较器A、B的参考电压值，使之分别变为3V（高触发端TH比较电压）和1.5V（低触发端TR比较电压）。由于图9.2.2电路中的高触发端TH（6脚）和低触发端TR（2脚）接在一起,因此：（1）当ui3V时，输出OUT为L，LED1亮;（2）当ui1.5V时，输出OUT为H，LED2亮。第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院7.3多谐振荡器多谐振荡器是产生矩形脉冲波的自激振荡器，由于矩形脉冲波中除基波外，还有丰富的谐波成分，故得名多谐振荡器。产生矩形脉冲的电路很多，例如用TTL与非门构成的基本多谐振荡器和RC环形振荡器;用CMOS或非门组成的多谐振荡器。本节主要介绍用集成定时器构成的多谐振荡器和频率稳定性高的石英晶体振荡器。多谐振荡器的符号如图9.3.1所示。第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院图7.3.1多谐振荡器符号G第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院7.3.1由555定时器构成的多谐振荡器1．工作原理图7.3.2（a）所示为由CC7555构成的多谐振荡器电路，R1、R2和C是外接定时元件。电路的工作波形如图7.3.2（b）所示。第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院图7.3.2由CC7555（a）电路;（b）工作波形CC7555VDD4837625R1R2(a)COOUTDTHCuoC10.01F1(b)TtW1tW2VDDuoVDD00TRDD32VDD31VR第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院电路的工作原理如下：由图7.2.1和表7.2.1可知，接通电源瞬间，TH和TR端的电位uC=0，基本RS触发器的R=0，S=1，触发器置1，输出OUT（uo）为高电平，MOS管截止，电源经R1、R2对C充电，uC逐渐升高。当uC＞时，比较器A输出，即RS触发器的R端跳变为高电平，比较器B输出,即RSS端跳变为低电平，使RS触发器置0，输出OUT（uo）跳变为低电平，MOS管导通，电容C通过R2及MOS管放电，uC下降。当uC＜，比较器B的输出使RS触发器的S跳变为高电平，比较器A的输出使RS触发器的R跳变为低电平，输出OUT（uo）再次跳变到高电平，MOS管截止，C再次充电，……如此周而复始，输出端就得到了矩形脉冲序列。DD32VDD31V第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院多谐振荡器有两个暂稳态，电路的特性参数计算如下：）)(（)(7.02ln3231ln)()()0()(ln211211DDDDDDDD11WCCCC1W1CRRCRRVVVVtuuuut式中)（7.02ln310320ln)()()0()(ln2222DDDD2W2CCCC2W2CRCRVVtuuuut式中第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院振荡周期CRRttT)2(7.021W2W1振荡频率CRRTf)2(43.1121脉冲宽度与周期之比称为占空比q，q的计算如下：212121212W1W1W2)2(7.0)(7.0RRRRCRRCRRtttq第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院实际中有时需要矩形波的脉冲宽度可变，图9.3.3就是一个占空比可调的多谐振荡器电路。图中，二极管V1和V2使电容C的充电和放电路径不同，当V管截止时，电源VDD经过R1、V1对电容C充电;V管导通时，电容C通过V2、R2和V管放电，充、放电时间常数可通过调节电位器RW来改变。因此有CRtCRt22W11W7.07.0占空比为211211W2W1W17.07.07.0RRRCRCRCRtttq因此，调节电位器RW，即改变R1和R2，就可以调节脉冲波形的占空比。第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院555VDD4837625R1R2COOUTDTHCuo1RWV1V2TRRC图7.3.3占空比可调的多谐振荡器第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院2．1）间歇音响电路如图7.3.4（a）所示用两个555多谐振荡器可以构成间歇音响电路，设计RA1、RB1、C1和RA2、RB2、C2的值使振荡器Ⅰ的频率为1Hz，振荡器Ⅱ的频率为1kHz。由于振荡器Ⅰ的输出接到振荡器Ⅱ的复位端R（4脚），因此在uo1输出高电平时，振荡器Ⅱ才能振荡，uo1为低电平时，Ⅱ被复位，振荡停止。这样，扬声器便发出间歇(频率为1Hz)的1kHz音响，其工作波形如图7.3.4（b）所示。第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院图7.3.4间歇音响电路（a）电路;（b）工作波形5554837625155548376251ⅠⅡ(a)VCCRA1RB1C1RA2RB2C2uo1uo2C8Ω0.01F(b)uo2uo10.01F第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院2）压控振荡器在图7.3.2（a）所示的电路中，若控制端CO不接电容C1，而是加一个可调电压um，该多谐振荡器就可以构成一个压控振荡器。此时，A的参考电压为um，B的参考电压为um/2。而um的大小会改变电容C的充、放电时间，也就改变了输出脉冲的周期。um越大，输出脉冲周期越长，输出频率越低;反之，um越小，输出频率越高。第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院7.3.2石英晶体振荡器石英晶体振荡器的符号和等效阻抗频率特性如图9.3.5（a）所示。由图可知，石英晶体的选频特性很好，只有频率为f0的信号才能通过晶体，其他频率信号都会被晶体衰减。，为了得到稳定度很高的脉冲信号，目前普遍采用石英晶体多谐振荡器电路，图7.3.5（b）所示为一种典型的石英晶体多谐振荡器电路。第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院图7.3.5(a)石英晶体的符号和阻抗频率特性;（b）石英晶体多谐振荡器电路0(a)C1R1R2G1C2(b)f0电感性电容性uox11G2f第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院图中，门G1、G2及R1、R2、C1、C2构成基本多谐振荡器，它只有两个暂稳态：一个非门导通，另一个非门截止。假设G1导通，G2截止，则C1充电，C2放电。当C1充电到使G2输入端电平达到阈值电压UT时，G2转到导通，同时C2的放电也使G1转为截止，电路进入另一暂稳态：G1截止，G2导通，C1放电，C2充电。当C2充电到使G1输入端电平达到阈值电压UT时，G1又转为导通，同时C1放电使G2又转为截止……如此周而复始，输出uo即为连续的矩形波。第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院由于电路中接入了石英晶体，这个振荡器只能谐振在频率f0上。对于TTL门，R1、R2通常取0.7～2kΩ，而对于CMOS门取10～100MΩ。电容C1、C2作为非门间的耦合，其容抗对石英晶体的谐振频率f0应可忽略不计。在振荡器输出端再加一级反相器，可以提高带负载能力，改善输出波形。图7.3.6（a）是在输出端加一级分频后再输出的可以产生两相时钟信号的电路，7.3.6（b）是其工作波形。第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院图7.3.6（a）电路;（b）工作波形1C1R1R2G1C21JC11K1CP1CP2QCP(b)CPQCP1CP2(a)1G21Q&&第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院7.4施密特触发器7.4.1施密特触发器的功能与特性施密特触发器是一种应用很广的电路，常用作波形的变换、整形和鉴幅。它的电压传输特性和图形符号如图7.4.1所示。图7.4.1（a）电压传输特性;（b）图形符号uoUOHUOLOuiUT－UT＋(a)(b)第7章脉冲波形的产生与变换江西农业工程职业学院由图7.4.1（a）可知，施密特触发器有两个稳定的工作状态，对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平UT+和UT-。要使施密特触发器的输出状态发生转换，ui必须大于UT+或小于UT-。当输入信号ui由低向