第9章 脉冲信号的产生和定时电路

第九章脉冲信号的产生和定时电路概述9.1555定时器9.2施密特触发器9.3单稳态触发器9.4多谐振荡器第九章脉冲信号的产生和定时电路概述一、脉冲信号脉冲：脉动和短促，凡是具有不连续波形的信号均可称为脉冲信号。广义讲，各种非正弦信号都是脉冲信号。(a)矩形波(b)方波(c)尖脉冲(d)锯齿波第九章脉冲信号的产生和定时电路在数字系统中常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡峭边沿的矩形脉冲信号，如触发器的时钟脉冲（CP）。获取这些脉冲信号的方法通常有两种：①脉冲产生电路直接产生；②利用已有的周期信号整形、变换得到。脉冲整形、变换电路——单稳态触发器施密特触发器；脉冲产生电路——多谐振荡器；多用途的定时电路——555定时器。第九章脉冲信号的产生和定时电路二、脉冲信号的参数trtftWT0.9Um0.5Um0.1UmUm矩形脉冲信号的主要参数脉冲幅度脉冲周期脉冲宽度上升时间下降时间占空比D－－脉冲宽度与脉冲周期的比值，D＝tW/T。第九章脉冲信号的产生和定时电路三、脉冲产生电路的暂态分析脉冲波形产生与整形电路多是由RC充放电电路构成的。①开关闭合的一瞬间，电容器上电压不能突变，满足开关定理UC(0+)=UC(0-)。②充电暂态过程结束后，流过电容器的电流iC(∞)为0，即电容器相当于开路。tMU(t)UTtU(∞)0U(0+)CCCUC(t)SUCR第九章脉冲信号的产生和定时电路/)]()([)()(tCCCCeU0UUtu④令uC(tW)=UT，则从暂态过程的起始值UC(0+)变到UT所经历的时间tW（脉冲宽度）可用下式计算：TCCCWUU0UUn1RCt)()()(③电路的时间常数τ=RC，τ决定了暂态时间的长短。根据三要素公式，可以得到电压随时间变化的方程为tWU(t)UTtU(∞)0U(0+)CCC第九章脉冲信号的产生和定时电路9.1555定时器为数字—模拟混合集成电路，应用十分广泛。可产生精确的时间延迟和振荡，内部有3个5KΩ的电阻分压器，故称555。只需外接几个阻容元件,就可以构成不同用途的脉冲电路,如多谐振荡器、单稳态触发器、施密555定时电路有TTL集成定时电路和CMOS集成定时电路,双极型产品型号最后数码为555，CMOS型产品型号最后数码为7555。其功能和外部引脚排列完全相同。第九章脉冲信号的产生和定时电路输出缓冲反相器电阻分压器●电压比较器集电极开路的放电管5G55512348765DTHVCCVCOGNDTRVORd一、555定时器的电路结构图9.1555定时器的结构框图基本RS触发器1&C1C15k5k5k&&G4G3G2G1QQuC1uC2RSUR1UR2VTRd(4)UCC(8)GND(1)VO(3)D(7)TR(2)TH(6)UCO(5)第九章脉冲信号的产生和定时电路1.电阻分压器电压控制端①5脚悬空时，，；CC1RU32UCC2RU31UCO2RCO1RU21UUU,②5脚外接控制电压UCO时，。注：当5脚不加控制电压时，通常经过一个0.01µF的电容接地，以抑制干扰。电阻分压器TR＋－C1UR15k5k＋－C25kUR2&&&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uu第九章脉冲信号的产生和定时电路2.电压比较器高触发输入端低触发输入端3.基本RS触发器RSQn+100不定01010111Qn异步清零端电压比较器基本RS触发器TR＋－C1UR15k5k＋－C25kUR2&&&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uuC1和C2，U＋＞U－时，UC输出高电平，反之则输出低电平。正常工作时，必须使其处于高电平。第九章脉冲信号的产生和定时电路输出缓冲反相器：为了提高电路的带负载能力，在输出端设置输出缓冲反相器G4。三极管VT是受基本RS触发器控制的放电开关：触发器置1时，VT截止；触发器置0时，VT导通.4.放电三极管uO＝0时，VT导通；uO＝1时，VT截止。输出缓冲反相器集电极开路的放电管TR＋－C1UR15k5k＋－C25kUR2&&&14G1RQQG2SG3G43VT8UCCUCOu6(TH)5()6217oRD2放电端uuTHTR010VTvoC1C2+--+(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)RS&5k5k5k&&1RDVCC(8)GCC32VCC31V如果悬空CC32VCC31V01010CC32VCC31V101101CC32VCC31V11保持保持CO二、555定时器的工作原理图9.2555定时器的工作原理图定时器的主要功能取决于两个比较器输出对RS触发器和放电管VT状态的控制。5脚悬空三、555定时器的逻辑功能表表9.1555定时器的功能表输入输出THu6VOVT×UccUccUcc×UccUccUcc011100保持1导通导通保持截止TRDR3132323131u232第九章脉冲信号的产生和定时电路9.2施密特触发器工作特性：①两个稳态；②电平触发，缓慢变化的信号也可以作为输入信号，当输入信号达到某一特定值时，输出电平就发生突变；③输入信号从低电平上升时，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降时对应的输入转换电平不同。uo0UT－UT+uI电压传输特性①输入信号上升时对应的转换电平UT+，称为正向阈值电压；②输入信号下降时对应的转换电平UT－，称为负向阈值电压；③差值ΔU＝UT+－UT-，称为回差电压。第九章脉冲信号的产生和定时电路一、555定时器构成的施密特触发器1.电路结构和逻辑符号846210.01µF3UCCuIuo5555第九章脉冲信号的产生和定时电路施密特触发器的特性和符号。UT+：正向阈值电压UT-：负向阈值电压回差电压:UH=UT+-UT-施密特触发器(a)反相输出的传输特性(b)反相输出的符号图(C)同相输出的传输特性.第九章脉冲信号的产生和定时电路综之：①当5脚不接控制电压时，②当5脚接控制电压UCO时，比较电压变为UCO和（1/2）UCO，CCCCCCU31UUUU31UU32U，，Uco21UUco21UUcoU，，uot00uI13UCC23UCCtU-U+uOHuOL2.工作原理(1)上升过程：①时，uO＝1；②时，uO保持不变；③时，输出翻转uO＝0。CCIU31uCCIUu32CCICCU32uU31(2)下降过程：①时，uO＝0；②时，uO保持不变；③时，输出翻转uO＝1。CCIU32uCCIUu31CCICCU32uU315脚经过0.01µF电容接地，则，。CC1RU32UCC2RU31U第九章脉冲信号的产生和定时电路二、施密特触发器的应用1.波形变换将边沿变化缓慢的周期性信号变换成边沿陡峭的矩形脉冲信号。tUT＋UT－uiotuoo第九章脉冲信号的产生和定时电路第九章脉冲信号的产生和定时电路2.波形整形施密特触发器可以将不规则的波形整形为矩形波。tUT＋UT－uiotuoo第九章脉冲信号的产生和定时电路uot0uot0uIt0U+U－U－'(a)(b)(c)若适当增大回差电压，可提高电路的抗干扰能力。第九章脉冲信号的产生和定时电路利用施密特触发器，从一串幅度不等的脉冲中，将幅度较大的信号鉴别出来，称为幅度鉴别．当输入脉冲幅度大于UT+时，有信号输出，小于UT-时，无信号输出．3.幅度鉴别第九章脉冲信号的产生和定时电路从一系列幅度不同的脉冲信号中选出幅度大于正向阈值电压UT+的输入脉冲，即对幅度进行鉴别。uIUT+UT-t0uo0t第九章脉冲信号的产生和定时电路输入输出UT+UT－幅度鉴别的输入、输出波形第九章脉冲信号的产生和定时电路4.构成多谐振荡器工作原理：电容上初始电压为零，即uI＝0，则uO＝1，并经R向C充电，当充至uI＝U+时，输出翻转uO＝0。电容C又经R进行放电，当放电至uI＝U-时，输出翻转uO＝1。第九章脉冲信号的产生和定时电路9.3单稳态触发器只有一个稳定状态的电路,它的另一个状态是暂稳态。在外加触发脉冲作用下,电路能够从稳定状态翻转到暂稳状态,经过一段时间后,靠电路自身的作用,将自动返回到稳定状态,并在输出端获得一个脉冲宽度为tw的矩形波。第九章脉冲信号的产生和定时电路由外界触发自动返回稳定状态稳定状态暂稳态恢复期工作特性：①有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；②在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，电路能自动返回稳态；③暂稳态不能长久保持，维持时间的长短取决于电路自身参数，与外界触发脉冲无关。第九章脉冲信号的产生和定时电路一、555定时器构成的单稳态触发器48762315uCCuouIRUCC0.01μF5555脚经过0.01µF电容接地，，。CC1RU32UCC2RU31U第九章脉冲信号的产生和定时电路③恢复期：VT导通，电容C迅速放电，直到使uC≈0，电路又恢复到稳态。②暂稳态：，电路进入暂稳态，uO＝1。VT截止，对电容充电，当时，uO＝0，暂稳态结束。CCIU31uCCCU32u1.工作原理①稳态：静态时，触发信号uI为高电平。电容先充电后放电，当uC＝0时，电路进入稳态：uO＝0。第九章脉冲信号的产生和定时电路TuI13UCC0uo0tWTWuC023UCCtttUCC48762315uCCuouIRUCC0.01μF555波形图电路对输入触发脉冲的宽度有一定要求，它必须小于tW。若输入触发脉冲宽度大于tW时，应在u2输入端加入微分电路。第九章脉冲信号的产生和定时电路,,)(,)(,)(RCU32tuUUU00UCCWCTCCCC因此可得RC113n1RCUU0UUn1RCtTCCCW.)()()(2.输出脉冲宽度tW输出脉冲宽度tW是暂稳态的停留时间，即电容C的电压从0充电到所需的时间。根据电容C的充电过程可知：CCU32上式说明：单稳态触发器输出脉冲宽度tW仅决定于定时元件R、C的取值，且成正比关系，而与输入触发信号和电源电压无关，因此调节R、C的大小，即可方便地改变tW。矩形脉冲的周期与输入的触发信号周期相同。第九章脉冲信号的产生和定时电路二、单稳态触发器的应用1.脉冲整形IutWOu把输入不规则脉冲信号uI，整形为具有一定幅度和一定宽度的标准矩形脉冲uO。uO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度tW决定于定时元件R和C。单稳态触发器的整形波形第九章脉冲信号的产生和定时电路uIuuO→tW2←←tW1→←tW1→延迟tW12.脉冲延时一般要用两个单稳态触发器完成。延时时间为tW1，它决定于第一级单稳态触发器的定时元件R和C。11uIu0（tW1）（tW2）u单稳态触发器的延时波形第九章脉冲信号的产生和定时电路uiR＋UDD76215348uo0.01F(a)C1111QQS1JC11KR利用单稳态电路的输出uo作为其它电路的触发信号。利用uo下降沿去触发JK触发器,实现单稳态电路的延时作用2.脉冲延时第九章脉冲信号的产生和定时电路(b)tuiotwtuootoQ可见,uo的下降沿比输入触发信号ui的下降沿延迟了tw。因此，利用uo下降沿去触发其它电路比用ui下降沿触发时延迟了tw时间第九章脉冲信号的产生和定时电路3.定时由于单稳触发器可产生宽度为tW的矩形脉冲，利用这个矩形脉冲去控制某电路使它在tW的时间内动作或不动作，这就是单稳态触发器的定时作用。定时时间为tW，可通过调节定时元件R和C来调节定时时间。1&uIOuuO单稳与门uFtWuIuOuFOu单稳态触发器的定时波形第九章脉冲信号的产生和定时电路9.4多谐振荡器常用于时钟信号工作特性：①无稳态，两个暂稳态不断地交替；②自激振荡器－－接通电源后，不需外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲；③矩形波中除基波外，还含有丰富的高次谐波－－称为多谐振荡器。自动触发自动返回暂稳态0暂稳态1暂稳态0第九章脉冲信号的产生和定时电路一、555