555定时器,脉冲的产生与整形电路

上页下页返回6脉冲的产生与整形电路6.5555定时器及其应用6.1概述6.2施密特触发器6.3单稳态触发器6.4多谐振荡器上页下页返回6.1概述数字电路中，为了控制和协调整个系统的工作，常常需要时钟脉冲信号。获得时钟脉冲的方法有：1.利用多谐振荡器直接产生。2.通过整形电路变换而成。整形电路又分为两类：施密特触发器和单稳态触发器。整形电路可以使脉冲的边沿变陡峭，或形成规定的矩形脉冲。上页下页返回Um0.9Um0.5Um0.1UmTwTtrtf表述矩形脉冲性能指标的主要参数：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频率f=1/T，代表单位时间内脉冲重复的次数。上页下页返回下降时间tf——脉冲从0.9Um下降到0.1Um所需的时间Um0.9Um0.5Um0.1UmTwTtrtf脉冲幅度Um——脉冲电压最大变化的幅值脉冲宽度Tw——从脉冲前沿0.5Um始，到脉冲后沿0.5Um止的一段时间上升时间tr——脉冲从0.1Um上升到0.9Um所需的时间上页下页返回6.2施密特触发器UT=UT+-UT-称为回差电压施密特触发器是一种重要的脉冲整形电路，施密特触发器能把变化缓慢的波形变换成矩形脉冲。输入电压上升的翻转电平为上限阈值电平UT+输入电压下降的翻转电平为下限阈值电平UT-1.基本概念上页下页返回输入和输出为同相关系的称为同相施密特触发器输入和输出为反相关系的称为反相施密特触发器2.施密特触发器的传输特性上页下页返回6.2.1门电路构成的施密特触发器设UT≈VDD/2，且R1R211G1G2R2R1uIuO'Ou'Iu'Ou1.CMOS非门电路构成的施密特触发器上页下页返回2.施密特触发器的工作原理uO11G1G2R2R1uIuO'Ou'Iu'OuUT+UT–tuI的波形图uIO(1)当uI=0时，有VDD，uO0当uI增加到使=UT时，产生如下正反馈过程:随着uI上升，也上升，且有uIR2/(R1+R2)上页下页返回在极短时间内，电路翻转为uOVDD。此时由可求得电路的上限阈值电压UT+=(1+R1/R2)UT11G1G2R2R1uIuO'Ou'Iu'Ou同理，uI=VDD时，uOVDDUT+UT–tuI的波形图uIO=UT+R2/(R1+R2)=UT上页下页返回UT-=(1－R1/R2)UT11G1G2R2R1uIuO'Ou'Iu'Ou(3)触发器的回差电压UT=UT+–UT-=2UTR1/R2UT+UT–tuI的波形图uIO(2)当uI从高电平下降达到使=UT时，可求得电路的下限阈值电压:上页下页返回11G1G2R2R1uIuO'Ou'Iu'OuUT=UT+–UT-=2UTR1/R2可见，电路输出的状态由输入电压的大小决定，改变R1和R2就可调节回差电压UT的大小。UT+UT–tuI的波形图uIO上页下页返回11G1G2R2R1uIuO'Ou'Iu'Ou(4)波形图UT+UT–ttuO波形图uIOO上页下页返回6.2.2集成施密特触发器TTL集成施密特触发器有：74LS14，74132，7413等。CMOS集成施密特触发器有：CD40106，CD4093和CD4584等。TTL集成施密特触发器性能表型号741474LS1327413tpd/ns151516.5Pm/mW25.58.88.75ΔUT/V0.80.80.8上页下页返回6.2.3施密特触发器应用举例1.脉冲整形电路在数字测量和控制系统中，由传感器送来的信号波形边沿较差，利用施密特电路可以对这些信号进行整形。t脉冲整形波形图ttuIuOUT+UT–uItuOUT+UT–OOOO上页下页返回2.脉冲变换电路利用这一特点，施密特电路可以把变化比较缓慢的正弦波、三角波等变换成矩形脉冲信号。一种变换波形图由于施密特电路状态转换速度极快，输出矩形波的前后沿总是很陡峭。uIuOVDDUT+UT–VDDttOO上页下页返回3.鉴幅电路在一串幅度不相等的脉冲信号中，如果要剔除幅度不够大的脉冲,此时可利用施密特触发器。uIuOUT+UT–鉴幅电路上页下页返回6.3单稳态触发器3.单稳态触发器常用于数字系统的整形、延时和定时电路中。1.单稳态触发器有一个稳态和一个暂稳态。单稳态触发器的特点：暂稳态的时间取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度无关。2.在触发脉冲的作用下，单稳态触发器从稳态翻转到暂稳态，经过时间tw后又自动翻回稳态，并在输出端产一个宽度为tw的矩形脉冲。上页下页返回6.3.1门电路构成的单稳态触发器按定时元件R和C的不同连接，这类单稳态触发器可分为微分型和积分型两种。&G1G2RuIuO1uO2uI2&C1.微分型单稳态触发器的组成微分型单稳态触发器电路处于稳态时，uI为高电平，uO1为低电平。为了使uO2可靠为高电平，应选RRoff，一般取R0.7kΩ。上页下页返回2.工作原理(1)uI为高电平，电路处于稳态。uO1=0，uO2=1&G1G2RuIuO1uO2uI2&C由于电容两端电压不会突变，因此uI2亦由低变高，使uO2由高变低，从而引起如下反馈过程：使电路迅速进入暂稳态：uO1=1(2)uI的负跳沿到来时，电路触发翻转。uO1由低变高uO1uIuI2uO2上页下页返回(3)在暂稳态期间1.4VtuI2OUOHUTtW&G1G2RUOHuI2CRO门1的输出高电平UOH经电容C和电阻R到地的方向给电容充电，使门2的输入电压uI2以时间常数1=(R+RO)C(RO为门1的输出电阻)按指数曲线下降。上页下页返回当uI2下降到阈值电平(UT=1.4V)时，产生如下正反馈过程：&G1G2RuIuO1uO2uI2&CuI2uO2uI=1uO1使电路结束暂稳态，自动返回稳态：uO1=0，uO2=1。上页下页返回uI2以时间常数2=(R1∥R)C按指数曲线上升，电路经历一个恢复阶段回到稳态时的初始状态。(4)恢复阶段+5VT3R1RT1uI2CG1G2uO1≈0暂稳态时间结束后，电容C放电。恢复阶段C的放电回路上页下页返回&G1G2RuIuO1uO2uI2&CttttWIUOHUOL1.4vtWuI2τ1τ2tOOOOuIuO2uO1UOHUOLUT工作波形图2.工作波形上页下页返回(1)输出脉冲宽度(暂稳态时间)tw&G1G2RuIuO1uO2uI2&CttttWIUOHUOL1.4vtWuI2τ1τ2tOOOOuIuO2uO1UOHUOLUT工作波形图uI2从UOHR/(R+RO)下降到UT的时间上页下页返回1.4VtuI2OUOHUTtW&G1G2RUOHuI2CRO根据一阶RC电路的三要素法得实际常用经验公式tw0.8RC(RRoff)上页下页返回+5VT3R1RT1uI2CG1G2uO1≈0(2)恢复时间tretre(3~5)(R1//R)Ctd=tw+tre(3)电路的分辨时间上页下页返回输入带微分环节的单稳态触发器若uI脉冲宽度twItw则应通过微分电路RPCP再输入到与非门1。为保证稳态时uO1=0，要求:RPCP≤twIRP≥RON门3改善输出波形，起反相和整形的作用。MOS门输入阻抗高，外接电阻R和RP的大小不会影响其稳态，它们不再受ROFF和RON的限制。上页下页返回6.3.2集成单稳态触发器这些器件只要外接很少的电阻和电容，就可构成单稳态触发电路，使用起来非常方便。TTL系列的有74121、74122、74123等。CMOS系列的有4098、4528、4538等。上页下页返回1.TTL集成单稳态触发器（74121）(1)74121的电路结构上页下页返回(2)74121的电路符号0×1×01××011×1↓1↓11↓↓10×↑×0↑输出输入QB1A2A0000(3)74121的的功能表上页下页返回0×1×01××011×1↓1↓11↓↓10×↑×0↑输出输入QB1A2A0000(1)稳态Q=0(2)当需要上升沿触发时，触发脉冲从B端输入，同时、当中至少应有1个为0状态。(3)当需要下降沿触发时，则触发脉冲应该从或输入(另一个接1状态)，同时保持B端状态为1。由表可见：上页下页返回ttWOtWtWQB1A2AtOtOtO(4)74121的工作波形上页下页返回(5)输出脉冲宽度twtw≈RextCextln2=0.7RextCext可用内部电阻Rint(2kΩ)代替Rext。上页下页返回2.CMOS集成单稳态触发器（4538）BCRACXCX/RX(1)4538的符号图(2)4538的功能表↑11↑011↓10↓1××0输出输入QCRAB000为清零输入端A为上升沿触发输入端为下降沿触发输入端上页下页返回由表可见：BCRACXCX/RX↑11↑011↓10↓1××0输出输入QCRAB000a.当选择上升沿触发时，应将输入脉冲加入A输入端，同时输入端接高电平。b.若选择下降沿触发时，可将输入脉冲引入输入端，A输入端接低电平。c.其他情况时，Q状态不变。上页下页返回tw=RextCextBCRACXCX/RX(3)4538输出脉冲宽度Rext和Cext可在较大范围内选择tw的范围可达10μs~∞3.单稳态触发器的类型集成单稳态触发器可分为单触发和重触发触发器。单触发的触发器有74121、74221、74LS221等重触发的触发器有74122、74123、74LS123、4528、4538等上页下页返回单触发的单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态以后，再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，直到暂稳态结束后，才能接收触发脉冲而转入下一个暂稳态。(1)单触发的单稳态触发器a.单触发的单稳态触发器特点b.单触发的单稳态触发器工作波形图uIuOtWtW上页下页返回(1)重触发的单稳态触发器a.重触发的单稳态触发器特点重触发的单稳态触发器在电路被触发进入暂稳态以后，如果再次输入触发脉冲，电路将被重新触发，电路的输出脉冲再持续一个tW脉宽。b.重触发的单稳态触发器工作波形图uIuOtWtWt1上页下页返回6.3.3单稳态触发器的应用举例整形电路可以把这些脉冲信号变换成具有一定幅度和宽度的矩形波形。1.脉冲的整形在实际的数字系统中，由于脉冲的来源不同，波形也相差较大。例如，从光电检测设备送来的脉冲波形一般不太规则；脉冲信号在线路中远距离传送，常会导致波形变化或叠加上干扰；上页下页返回(a)电路(b)波形图脉冲整形电路上页下页返回塑料成型顺序加工控制系统可用单稳态触发器来实现。2.脉冲的定时由于单稳态电路能产生一定宽度tw的矩形脉冲，利用这一脉冲去控制某个系统，就能使其在tw时间内动作（或不动作），起到定时控制的作用。定时控制的典型例子——塑料成形控制系统塑料成形一般经历预热、加压、保温、冷却四道工序。上页下页返回T1T2T3T4u1u2u3u4定时控制工作波形上页下页返回在数字控制和测量系统中，有时为了完成时序配合，需将脉冲信号延迟t1时间后输出。3.脉冲的延迟这一过程可用双单稳集成电路外接R、C元件实现。脉冲信号的延迟t1tWuIuO上页下页返回6.4多谐振荡器由于输出的矩形波中含有很多谐波分量，故通常将它称为多谐振荡器，又称方波发生器。多谐振荡器是一种无稳态电路，它在接通电源以后，不需外加触发信号，就能自动地不断来回翻转，产生矩形脉冲。上页下页返回6.4.1集成门电路构成的多谐振荡器11uIuO1uF1.TTL集成门电路构成的多谐振荡器这些门组成一个环形，所以称为环形振荡器。它是利用门电路的时延tpd来产生方波振荡的。(1)电路的组成上页下页返回11uIuO1uF(2)工作原理a.先假设在虚线所示处断开。b.在uI处输入一方波，经过时延tpd之后，得uO的波形。uIuOtpd环形振荡器的工作波形uO与uI比较，除延迟tpd外，两者反相。上页下页返回c.uO再经过两个非门总共2tpd时延之后，得uF波形。uIuOuFtpd2tpd11uIuO1uF环形振荡器的工作波形若uI的周期为6tpd，则uI与uF波形同相。此时,若把uF直接作为uI时，电路就可以自激。上页下页返回uIuOuFtpd2tpd11uIuO1uF环形振