555定时器及其应用

9脉冲波形的产生与变换9.1多谢振荡器引言9.2单稳态触发器9.3斯密特触发器9.4555定时器及其应用在数字电路中，常常需要各种脉冲波形，例如时钟脉冲、控制过程中的定时信号等。这些脉冲波形获取，通常采用两种方法：返回②对已有的信号进行变换，使之满足系统的要求本章主要讨论几种脉冲信号产生器以及脉冲变换的基本单元电路，如多谐振荡器、施密特触发器、单稳态触发器等。并对它们的功能、特点及其主要应用作简要的介绍。①利用脉冲信号产生器直接产生9.1多谐振荡器门电路组成的多谐振荡器特点：①电路中含有开关器件，如门电路、电压比较器、BJT开关等。②具有反馈网络，将输出电压恰当地反馈给开关器件使之改变输出状态。③还有延迟环节，利用RC电路的充、放电特特性可实现延时，以获得所需要的振荡频率。⒈电路的组成一种由CMOS门电路组成的多谐振荡器如图(1)所示：G11G21vIRCvO1vO2图(1)下一页返回由CMOS门电路组成的多谐振荡器的原理图为：工作波形图为：(a)多谐振荡原理图(b)多谐振荡器的波形上一页下一页返回1.第一暂稳态及电路自动翻转过程vIvO1vO2假定在t=0时接通电源，电容C尚未充电，电路初始状态为vO1=vOH,v1=vO2=vOL状态，即第一暂稳态。此时，电源VDD经G1的TP管、R和G2的TN管给电容C充电，如图(1)所示。随着充电时间的增加，v1值不数断上升，当v1达到vth时，电路发生下述反馈过程：上一页下一页返回2.第二暂稳态及电路自动翻转过程电路进入第二暂稳瞬间,Vo2由0V上跳至VDD,由于电容两端电压不能突变,则vI也将上跳VDD+Vth,但由于保护二极管的钳作用,vI仅上跳至VDD+V+.。随后，电容C通过G2的TP、电阻R和G1的TN管放电，使vI降至Vth后，电路又产生如下正反馈过程：vIvO1vO2从而使G1迅速截止，G2迅速导通，电路又回到第一暂稳态，Vo1=vOH,vO2=vOL。此后，电路重复上述过程，周南而复始地从一个暂稳态翻转到另一个暂稳态，在G2的输出端得到方波。上一页下一页返回二、振荡周期的计算1.T1的计算对应于第一暂稳态，将图中t1作为时间起点，T1=t2-t1，v1(0+)=-V-≈0V，v1(∞)=VDD，τ=RC。根据RC电路瞬态的分析，有:T1=RClnVDD/(VDD-Vth)2.T2的计算对应于图中，在第二暂稳态，将t2作为时间的起点，则有:v1(0+)=VDD+V+≈VDD，v1(∞)=0，τ=RC上一页下一页返回由此可求出:T2=RClnVDD/Vth所以T=T1+T2=RCln[V2DD/(VDD-Vth)Vth]将Vth=VDD/2代入上式变为：T=RCln4≈1.4RC如图所示是一种最简型多谐振荡器，式T=RCln4≈1.4RC仅适用RRON(P)+RON(N)[RON(P)、RON(P)分别为CMOS门中NMOS、PMOS管的导通电阻]、C远大于电路分布电容情况。当电源电压波支时，会使振荡频率不稳定，在Vth≠VDD/2时，影响尤为严重。一般可在图中增加一个补偿电阻Rs,如图所示。Rs可减小电源电压变化对振荡频率的影响。当Vth=VDD/2时，取RsR(一般Rs=10R)。11vIRCvORs加补尝电阻的CMOS多谐振荡器上一页下一页返回石英晶体振荡器石英晶体的电路符号及阻抗频率特性如下图所示：电路符号XOƒƒs电容性电容性电感性上一页下一页返回石英晶体振荡器电路图如图所示：11G1G2C1C2RRVO图中，并联在两个反相器输入、输出间的电阻R的作用是使反相器工作在线性放大区。R的阻值，对于TTL门电路通常在0.7~2KΩ之间；对于CMOS门则常在10~100MΩ之间。电路中,电容C1用于两个反相器间的耦合，而C2的选择应20RC1≈1,从而使RC2并联网络在fs处产生极点，以减少谐振信号损失。C1的选择应使C1在频率为fs时的容抗可以忽略不计。上图中所示电路的振荡频率仅取决于石英晶体的串联谐振频率fs，而与电路中的R、C的数值无关。这是因为电路对fs频率所形成正反馈最强而易于维持振荡。9.1.5石英晶体振荡器上一页下一页返回为了改善输出波形，增强带负载能力，通常在振荡器的输出端再加一级反相器。作为一个应用实例，两相时钟产生电路及其波形如图所示：111&&1JC11KA211QQ(a)逻辑图(b)波形图图9.1.6双时钟发生器上一页下一页返回9.2单稳态触发器单稳态触发器的特点：①电路有一个稳态、一个暂稳态。②在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。③暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中RC延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间取决于RC电路的参数值。门电路组成的微分型单稳态触发器1.电路的组成（如图(a)、(b)所示分别为由与非门和或非门构成的单稳态触发器。)vO1vO2&&v1RvDDC图(a)下一页返回图(b)≥1≥1v1RvDDCvO1vO2G1G2-vc+2.电路的工作原理(1)没有触发信号时，电路处于一种稳态没有触发信号时，vI为低电平。由于门G2的输入端经电阻R接至VDD，因此vO2为低电平；G1的两个输入均为高电平，电容两端的电压接近0V，这是电路的“稳态”。在触发信号到来之前，电路一直处于这个状态:vO1=VOH，vO2=VOL。上一页下一页返回(2)外加触发信号，电路由稳态翻转到暂稳态当vI正跳变时，G1的输出vO1由高变低，经电容耠合，使vR为低电平，于是G2的输出vO2变为高电平。vO2的高电平接至G1门的输入端，从而在此瞬间导致如下反馈过程：vIvO1vRvO2这样G1导通，G2截止在瞬间完成。此时，即使触发信号v1撤除(vI变为低电平),由于vO2的作用，vO1仍维持低电平。然而，电路这种状态是不能长久保持的，故称之为暂稳态。暂稳态时，vO1=VOL，vO2=VOH。上一页下一页返回(3)电容充电,电路由暂稳态自动返回至稳态在暂稳态期间,电源经电阻R和门G1的导通工作对电容C充电，随着充电时间的增加,vc增加,使vR升高,当vR达到阈值电压Vth时,电路发生下述反馈过程（设此时触发器脉冲已消失):C充电vRvO2vO1于是,G1门迅速截止,G2门很快导通,最后使电路由暂稳态返回至稳态，vO1=VOH，vO2=VOL。暂稳态结束后,电容将通过电阻R放电,使C的电压恢复到稳定状态时的初始值。在整个过程中，电路各点工作波形如图所示：上一页下一页返回ttpivI0ttt000vOIvDDvRVDD+VthvDDvO2t1t2twvth上一页下一页返回主要参数的计算(1)输出脉冲宽度tw输出脉冲宽度tw，也就是暂稳态的维持时间,可以根据vR的波形进行计算。为了计算方便对于图9.2.2的vR的波形，将触发脉冲作用的起始时刻t1作为时间起点，于是有vR(0+)=0vR(∞)=VDDτ=RC根据RC电路瞬态过程的分析，可得到vR=VR(∞)+[vR(0+)-VR(∞)]e-t/τ上一页下一页返回当t=tw时，VR(tw)=Vth，代入上式可求得vR(tw)=Vth=VDD(1-e-tw/RC)tw=RClnthDDDDVVV当Vth=VDD/2，则tw≈0.7RC(2)恢复时间tre暂稳态结束后，还暂稳态结束后，还需要一段恢复时间，以便电容C在暂稳态期间所充的电荷释放完，使电路恢复到初始状态。一般要经过3τd（τd为放电时间常数)的时间，放电才基本结束，故tre约为3τd。上一页下一页返回(3)设触发信号vI的时间间隔为T，为了使单稳态电路能正常工作，应满足Ttw+tre的条件，即最小时间间隔Tmin=tw+tre。因此，单稳态触发器的最高工作频率为：3.讨论（1）如下页图所示，在暂稳态结束(t=t2)瞬间，门G2的输入电压vR达到VDD+Vth，这么高的输入电压可能损坏CMOS门。为了避免这种现象发生，在CMOS器件内部设有保护二极管D，如下页图中的虚线所示。在电容C充电期间，二极管D开路。而当t=t2时，二极管D导通，于是vR被钳制在VDD+0.6V的电位上（见下页图中的虚线）。同时，在恢复期间，电容C放电的时间常数τd=(R||Rf)C(Rf为二极管D的正向电阻)，由于Rf《R，因此电容放电的时间很短。fmax=1/Tmin1/(tw+tre)上一页下一页返回ttpivI0ttt000vOIvDDvRVDD+VthvDDvO2t1t2twvth上一页下一页返回(2)当输入VI的脉冲宽度TPITW时，则在VO2变为高后，G1没有响应，不能形成前述的正反馈过程，使VO2的输出边沿变缓。因此，当输入脉冲宽度TPI很宽时，可在单稳态触发器的输入端加入RD、CD组成的微分电路。同时为了改善输出波形，可在图中G2的输出端再加上一级反相器G3，如图所示。(3)若采用TTL与非门构成如图所示的单稳电路时，由于TTL门存在输入电流，因此，为了保证稳态时G2的输入为低电平，电阻R要小于0.7HH。如果输入端采用RD，CD微分电路时，RD的数值应大于2KK，使得稳态时VD大于门G1的开门电平(VON)，而CMOS门由于不存在输入电流，故不受此限制。≥11≥1vIvO1vOG1CdvDRdCG2G3vO2RVDD上一页下一页返回集成单稳态触发器集成单稳态触发器根据电路及工作状态不同分为可重复触发器和不可重复触器两种，如图为两种触发器的工作波形。(b)可重复触发单稳态触发器工作波形vIvOttwtw(a)不可重复触发单稳态触发器工作波形vIvOtwtw上一页下一页返回1.不可重复触发的集成单稳态触发器TTL集成器件74121是一种不可重复触发集成单稳态触发器，其逻辑图和引脚分别如图所示：A1A2BQQG1&G2&G3&G4&G91G81G71G61∏G5&≥1aRintCextRextRext/CextRint触发信号控制电路微分型单稳态触发器输出缓冲电路上一页下一页返回TTL器件引脚图：TTL集成器件74121引脚图1234567141312111098QNCA1A2BQGNDVCCNCNCRext/CextCextRintNC上一页下一页返回电路由触发控制电路、微分型单稳态触发器及输出缓冲电路组成。将具有迟带特性的非门G6与G5门合起来看成一个或非门，它与G7门及外接电阻Rext（或Rint）、电容Cext即组成微分型单稳态触发器。其电路工作原理与9.2.1节介绍的微分型单稳态触发器基本相同。电路只有一个稳态Q=0，Q=1。当图中a点正脉冲触发时，电路进入暂稳态Q=1，Q=0，为低电平后使触发信号控制电路中RS触发器的G2门输出低电平，将G4门封锁，这样即使有触发信号输入，在a点也不会产生微分型单稳态触发器的触发信号，只有等电路返回稳态后，电路才会在输入触发信号作用下被再次触发，根据上述分析，电路属于不可重复触发单稳态触发器。(1)电路的组成及工作原理：上一页下一页返回①触发方式74121集成单稳态触发器有3个触发输入端，由触发信号控制电路分析可知，在下述情况下，电路可由稳态翻转到暂稳态：若A1、A2两个输入中有一个或两个为低电平，B发生由0到1的正跳变。若B和A1、A2中的一个为高电平,输入中有一个或两个产生由1到0的负跳变。74121的功能如表所示。(2)触发方式与定时输入输出A1A2BQQL××HHL××L×HH×LHHL×HHHLLLLHHHH上一页下一页返回采用外接定时电阻（阻值在1.4~40K之间），此时9脚应悬空，电阻接在11、14脚之间。74121的输出脉冲宽度tw=0.7RC通常R的数值取在2~30KKK之间，C的数值取在10PF~10UF之间，得到的tw的取值范围可达到20ns~200ms。式（9.2.5）中的R可以是外接电阻Rext，也可以是芯片内部电阻Rint(约2KΩ)，如希望得到较宽的输出脉冲，一般使用外接电阻。②定时单稳电路的定时取决于定时电阻和定时电容的数值。74121的定时电容连接在芯片的10、11引脚之间。若输出脉冲宽度较宽，而采用电解电容