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单稳态触发器施密特触发器多谐振荡器555定时器构成RC耦合式石英晶体振荡器第六章脉冲波形的产生与变换课堂教学设计结构框架引出脉冲波形的产生与变换任务驱动+案例+演示

引入电子时钟电路课件集成555定时器电路构成仿真演示原理分析工作原理电路结构小结结束开始师生和谐互动同学们想不想知道我内部的电路结构?继续学习后面的几个章节,你就能全面了解我了!数字电子钟原理电路本章教学基本要求:熟悉:

(1)555定时器电路的结构、工作原理和引脚功能.(2)由555定时器组成的单稳态触发器、多谐振荡和施密特触发器的电路、工作波形和参数的计算。(3)集成单稳态触发器和集成施特触以器的应用电路。了解:石英晶体和门电路构成的方波发生器的基本电路。获取矩形脉冲的方法:

1.脉冲波形发生电路;

2.脉冲波形整形电路。脉冲电路:就是脉冲波形的产生、整形和变换的电路。概述典型脉冲参数一、矩形脉冲的基本特性脉冲产生是将电源提供的能量,转换成按一定规律变化的脉冲信号。

预备知识:脉冲宽度脉冲周期tw/T=1/2时,脉冲称为方波。上升时间Tr下降时间TfTtW典型脉冲波形tWT

矩形脉冲的特性参数:脉冲周期、脉冲幅度、脉冲宽度、上升时间、下降时间。

利用这些指标,就可以把一个矩形脉冲的基本特性大体上表示清楚了。

555定时器是中规模集成电路。只要外接少量的阻容元件,就可以很方便地构成单稳态触发器、多谐振荡器、和施密特触发器。

根据内部器件类型可分为双极型(TTL型)和单极型(CMOS型),双极型型号为555(单)和556(双),电压使用范围为5到16V,输出最大负载电流可达到200mA。单极型型号为7555(单)和7556(双),电压使用范围为3到18V。输出最大负载电流为4mA。二、集成555定时器下图为:双极型555定时器内部逻辑电路结构图和逻辑符号图。

三个5kΩ电阻构成分压器当u+>u-时,输出uc为高电平(1态)。当u+<u-时,输出uc为高电平(0态)。当VC悬空时,u1+=2/3VCCu2-=1/3VCC1.555定时器的电路结构及符号C1C2G3QQG1G2RSVR5k5k5kUR1UR2GNDVCCRDOUTCO555THTRDIS电路符号627153843OUT输出端

8VCC电源端

4RD直接复位

DIS7放电端TH6复位控制

TR2置位控制

VC5控制电压

GND1接地端

集电极开路输出端UR1UR2

输出缓冲器OUT=Q构成基本RS触发器,决定电路输出。

放电管,其输入为Q,输出为开路集电极。Q构成电压比较器,比较TH与UR1和TR与

UR2的大小。构成电阻分压器,为比较器

C1、C2提供两个参考电压,UR1=2/3VCC,UR2=1/3VCC。2.555定时器的工作原理与逻辑功能定时器5G555的功能表不变不变1截止11导通01导通00V状态OUT

=

QRDTRTH输出输入××010101导通定时器5G555的功能表不变不变1截止11导通01导通00V状态OUT

=

QRDTRTH输出输入××截止101010定时器5G555的功能表不变不变1截止11导通01导通00V状态OUT

=

QRDTRTH输出输入××11由以上分析列出555定时器功能表:/RVTHVTRRSVOTD0XXXX0导通1>2/3VCC>1/3VCC010导通1<2/3VCC<1/3VCC101截止1<2/3VCC>1/3VCC11保持保持都大为0都小为1一小一大是保持。2、555定时器典型应用★用555定时器可构成:施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器等许多实用电路。6.1施密特触发器2.施密特触发器属于“电平触发”型电路,不依赖于边沿陡峭的脉冲。施密特触发器是具有电压滞后特性的数字传输门。其特点如下:一、特性与原理1.输入电平的阈值电压由低到高为,由高到低为,且>,输出的变化滞后于输入,形成回环。6.1施密特触发器施密特触发器的电压传输特性施密特触发器的回环特性反向传输特性同向传输特性UOHUOLUT+UT-OuOuI输入电压增加UOHUOLUT+UT-OuOuI输入电压减小输入电压增加输入电压减小UT+UT-OuItUOHUOLOuOt6.1施密特触发器施密特触发器的输入输出波形图反向传输同向传输UT+UT-OuItUOHUOLOuOt6.1施密特触发器施密特触发器符号:具有施密特触发器特性的电路:1.带有正反馈的运算放大器比较的基准电压:

UP总是与uO同相、与uI反相,因而形成回差。11uOuIRfR1UP6.1施密特触发器2.带有电平偏移的基本RS触发器&QR&QS1uI-+U一.电路组成及工作原理在uI的a至b段,uI由小到大,在未达到2/3VCC之前,6号、2号引脚状态为0、0和0、1,故3号引脚输出uO1为1态;

当uI达到b点为UT+=2/3VCC时,6号、2号引脚状态为1、1,输出uO1翻转为0;

在uI为b-c-d期间,6号、2号引脚状态为1、1,0、1,输出uO1仍维持为0;

6.1.1555定时器构成的施密特触发器一、电路组成及工作原理当uI

达到d点为UT-=1/3VCC时,6号、2号引脚状态为0、0,输出又翻转为1态.

在d-e-f期间,6号,2号引脚状态为0、0和0、1,输出uO1仍维持为1,

直到uI

达到f点为2/3VCC,uO1又变为1态。这样将输入uI

的三角波转为方波输出,因此又称为整形。

二、滞回特性及主要参数施密特触发器的电压传输特性施密特触发器的回环特性反向传输特性同向传输特性UOHUOLUT+UT-OuOuI输入电压增加UOHUOLUT+UT-OuOuI输入电压减小输入电压增加输入电压减小一、CMOS集成触发器40106的传输特性40106六施密特触发器的逻辑符号图不同电源电压下的传输特性。由内部电路参数的离散性,正向阈值电压UT+、负向阈值电压UT-

、回差电压ΔUH均有一个变化范围值。因此,某一块集成电路要通过实测来确定UT+和UT-。6.1.2集成施密特触发器二、40106施密特触发器电路的工作原理40106施密特触发器内部电路图TP1、TP2和TN3、TN4四个管子组成反相器,其栅极相连作为输入端。由于Tp5和TN6管的存在,使反相器输出电平uo1翻转所需的输入阈值电压不是1/2VDD,这是因为Tp2和Tp3管的源极S2和S3的电位将受Tp5和TN6管的影响。反相器设P沟道Tp管辖的开启电压为UGS(th)p(负值),N沟道TN管的开启电压为UGS(th)N当uI

=0时,则UGS1、UGS2(-VDD)<UGS(TH)P,故TP1、TP2管导通;UGS3、UGS4(0V)<UGS(th)N,故TN3、TN4管截止,UO1≈VDD6.1.3施密特触发器应用举例1.光电转换形电路在检测电机转速时,可采用图

(a)所示光电转换整形电路。将小孔的转盘安装于电机转轴上,孔的位置对准红外发光管和红外光接收管。当电机转动时,转盘孔经过光电管之间,在接收管T的集电极产生图(b)中P1所波形,经施密特触发器整形后,转换成脉冲方波P2,对P2脉冲在一定时间内进行计数,即可实行测速。2.用于消除干扰和噪声的脉冲整形电路在数字电路中,正常脉冲信号常受到电网上其它负载频繁启动而产生干扰信号的影响,如左图所示u1波形。若将该信号作用于施密特触发器的输入端,经整形后,即可获得无干扰的脉冲信号输出,只要施密特触发器的回差电压ΔUH大于干扰信号的幅度即可。3.多谐振荡器电路利用施密特触发器可以很方便地组成多谐振荡器,电路如右图(a),图(b)所示为电容上电压UC和输出UO波形。4.单稳态触发器用40106施密特触发器可组成上升沿或下降沿触发的单稳态触发器电路。上升沿触发的单稳态触发器的电路图各点波形如图(1)上升沿触发电路(2)下降沿触发的电路下降沿触发的单稳态触发器的电路图各点波形如图5.波形的变换或整形.

回差电压△UH=UT+-UT-较小时,抗干扰能力较差,输出uo也受输入干扰影响.如果将回差电压扩大为△U’H=UT+-U’T-,则输出u’0

可不受干扰影响。脉宽tw可由△UH控制,可将不规则的波形整形成矩形波。6.幅度鉴别

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,其波形如下图示.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.GNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01FRCuIuOuC-+6.2.1、用555定时器构成的单稳态触发器(一)电路结构DISTHVCCR

R、C为定时元件TRuIOUTuOGNDVCCRDCO0.01FCuC-+6.2单稳态触发器★用555定时器构成单稳态触发器单稳态触发器触发器特点:1、有稳态和暂稳态两个不同工作状态。2、在外触发脉冲的作用下,能从稳态翻转到暂稳态,在暂稳态维持一段时间后,再自动返回稳态。3、暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数,与触发脉冲无关。⑴单稳态触发器电路组成单稳态触发器触发器用途:★延时:将输入信号延时TW后再输出。★定时:产生一定宽度的方波。R、C

定时元件VI输入触发窄脉冲阈值端VTH(6)与放电端V′O(7)接在一起。控制端VCO(5)通过103电容到地,起滤波作用。48351267555RCVCC0.01μf(二)工作原理、工作波形与参数估算

1.稳定状态

接通电源后VCC经R向C充电,使uC

上升。uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC该电路触发信号为负脉冲,不加触发信号时,uI=

UIH(应

>

1/3

VCC)。

当uC

≥2/3VCC时,满足TR=uI>1/3VCC,TH=uI≥2/3VCC,因此uO为低电平,V导通,电容C经放电管V迅速放电完毕,uC

0V。这时TR=UIH>1/3VCC,TH=uC

0<2/3VCC,uO保持低电平不变。因此,稳态时

uC

0V,uO为低电平。充电工作原理

导通放电VuCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC0VUOLUIH

2.触发进入暂稳态

uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC

当输入uI由高电平跃变为低电平

(应<1/3VCC)时,使

TR=UIL<1/3VCC而TH=uC

0V<2/3VCC,因此uO跃变为高电平,进入暂稳态,这时放电管V截止,VCC又经R向C充电,uC

上升。UILUOH充电

3.自动返回稳定状态

uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC

2.触发进入暂稳态

UIHUOL

TH≥2/3VCC放电V

当输入uI由高电平跃变为低电平

(应<1/3VCC)时,使

TR=UIL<1/3VCC而TH=uC

0V<2/3VCC,因此uO跃变

为高电平,进入暂稳态,这时放电管V截止,VCC又经R向C充电,uC

上升。这时uI必须已恢复为高电平

当uC

上升到uC

≥2/3VCC时,

TH

=

uC

≥2/3

VCC,而TR=uI=

UIH(>1/3VCC),因此uO重新跃变为低电平。同时,放电管导通,C

经V迅速放电uC

0V,放电完毕后,电路返回稳态。[例]用上述单稳态电路输出定时时间为1s的正脉冲,R=27k,试确定定时元件

C的取值。

uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC输出脉冲宽度tW即为暂稳态维持时间,主要取决于充放电元件R、C。该单稳态触发器为不可重复触发器,且要求输入脉宽tWI小于输出脉宽tWO。解:因为

tWO

1.1RC故可取标称值

33F。估算公式tWO

1.1RC

组成单稳态触发器的电路很多,可以用TTL或CMOS的与非门、或非门外接R、C元件组成,另外还有单片集成单稳态触发器电路。1.微分型单稳态触发器由CMOS或非门组成的微分型单稳态触发器。其中RC环节构成微分电路,故称为微分型单稳态触发器。为了讨论方便,把CMOS或非门的传输特性作理想化折线处理。6.2.2集成单稳态触发器使输出状态发生翻转的输入电压称为阈值电压UTH,当输入uI≥UTH

时,输出UO=0当输入uI≤UTH

时,输出UO=V

DD

1、稳定状态

在0—t1

期间,当输入没有触发信号时,Ui

=0。这时电路处于稳态,电源VDD通过电阻R对C充电达到稳定值,故UC

=VDD

,使UO=0。由此可知或非门G1输出UO

=VDD

。电容两端的电压接近0。通过R对C充电一、电路组成及工作原理2、当外加触发信号时,电路由稳态转为暂稳态在t1时刻,当输入uI在脉冲信号上升沿的高电平VDD作用下,使UO1由1跳变到0时,由于RC电路中电容C上的电压不能突变,因此UC也由1变到0,使G2门输出由0变到1,并返送到G1门的输入。输入信号uI高电平撤消后,uo1仍可保持低电平,但不可能永久保持,故称为暂稳态。一、电路组成及工作原理一、电路组成及工作原理3.由暂稳态自动返回稳态在t1∽t2暂稳态期间,电源VDD经电阻R通过门G1的导通管T4对电容C充电,如图所示。充电时间常数为tc=(R+Ron)C≈RC这时uc上升,当uc≧UTH时,电路发生如下反馈过程。C充电→uc↑→uo↓→uo1↑迅速使uO1变为高电平,uO变为低电平,电路自动恢复到稳态,uO1由0跳变到VDD

,由于电容两端电压不能突变,按理uc由UTH上跳到UTH+VDD,uc只能跃升到VDD+0.6V。电容充、放电回路图一、电路组成及工作原理4、电路恢复到稳态时初始值的过程在t2时刻,暂稳态结束后,电容C一路通过R经门G1的T1、T2管放电,另一路经门G2输入二极管D1、D3放电,使uc恢复到稳态时的原始值VDD。放电时间常数гd=(R∥rD)C≈rDC

。放电时间很短。电容充、放电回路图二、输出波形主要参数的计算1、输出脉冲宽度two暂稳态t1—t2的时间即为输出脉冲宽度two。为计算方便,以t1时刻作为计算时间起点,由uc波形可得:2、恢复时间tre从暂稳态结束到电路恢复到稳态初始值所需时间tre≈3rd≈3rDC。3、最高工作频率fmax触发脉冲工作最小周期Tmin

必须大于two+tre,输入脉宽

tw1<two,最高工作频率为fmax=1/Tmin<1/(two+tre)Uc(0+)≈0,uc(∞)=VDD,

uc(tW)=UTH=1/2VDD,г≈RC

2集成单稳态触发器高速CMOS集成双可重触发单稳态触发器54/74HC4538的功能。54/74HC4538双可重触发单稳态触发器逻辑符号图符号框图及外接R、C连线图Rext/Cext和Cext的引脚分别与电容元件相连,不属于逻辑状态连接,故在逻辑符号图引线上用“X”号表示。TR+为上升沿触发信号输入端,TR-反为下降沿触发信号输入端,这两者为“或”的关系,故逻辑符号内有或逻辑符号。序号输入输出功能RD反TR+TR-反QQ反10XX01复位清零21上升沿1高脉冲低脉冲上升沿触发310下降沿高脉冲低脉冲下降沿触发411X01稳定状态51X0011、清零功能如序号1所列,当RD=0时,不论其它输入引脚为何种状态,输出端Q立即出0,Q出1,故RD的清零具有最高优先级功能。使用其它输入引脚功能时,RD必须置1。54/74HC4538的功能序号输入输出功能RD反TR+TR-反QQ反10XX01复位清零21上升沿1高脉冲低脉冲上升沿触发310下降沿高脉冲低脉冲下降沿触发411X01稳定状态51X0012、单稳态触发功能

如序号2、3所列,当TR-=1时,TR+加上升沿触发信号,Q端能输出一个正脉冲信号,Q为负脉冲;或者当TR+=0时,TR-加下降沿触发信号,Q也能输出一个正脉冲信号,Q为负脉冲,其波形如图。54/74HC4538的功能输出脉宽tw即为内部电路处于暂稳定状态时间,近似可用tw≈0.7RC计算。R、C计算机为外接阻容元件值,一般R取值范围为5千欧到1兆欧,如果R>1兆欧,电路对外部噪声信号很敏感.此外,电路还具有重触发功能,即当电路被触发进入暂稳态期间,可再次加输入触发信号,这时输出脉宽tw’为第一次和第二次触发信号的间隔时间t1加上以第二次触发信号为起点的输出脉宽tw

如左图.

t’w=tI

+tw54/74HC4538单稳态触发器的工作波形重触发器输出脉冲序号输入输出功能RD反TR+TR-反QQ反10XX01复位清零21上升沿1高脉冲低脉冲上升沿触发310下降沿高脉冲低脉冲下降沿触发411X01稳定状态51X0013、稳定状态

如序号4、5所列,在TR+=1或TR-=0时,均不能触发翻转,为稳定状态或禁止触发状态,Q维持0。

4000系列14528与54/74HC4538芯片引脚功能完全相同,但54/74HC4538在带负载能力和速度方面优于14528。54/74HC4538的功能6.2.3单稳态触发器应用举例

集成单稳态触发器除用作信号脉宽转换和调节之节,还可较方便地用于延时、方波信号发生器等电路。1.脉冲信号的延时电路两个集成单稳态触发器级联后,可组成信号的延时电路。第一级单稳态触发器在输入信号u1的下降沿触发下,产生脉宽为tw2的信号uo1输出,再利用uo1的下降沿作为第二级单稳态触发器的触发信号,再产生脉宽为tw2的信号uo输出。这样输出uo的信号比输入uI的信号延迟了tw1。2.脉宽的定时

由于单稳态电路能产生一定宽度tW

的矩形脉冲,利用这个脉冲可以控制某电路在tW时间内动作,这就是脉宽的定时作用。如左图所示,定时电路只有在输入uI下跳沿触发下,使单稳态电路产生脉冲定时信号uB,在tW的时间内,信号uA

才通过与门输出。通过6.2.3单稳态触发器应用举例6.3多谐振荡器多谐振荡器

两个稳定状态一个稳态和一个暂稳态没有稳态常被称为多谐振荡器&G1QRD&G2QSD基本RS触发器&G1QRD1G2QSDBRC单稳态电路&G1QRD1G2QSDBRCARC1无稳态电路6.3多谐振荡器6.3.1555定时器构成的多谐振荡器多谐振荡器:又称无稳态触发器,它毋须外加触发脉冲,就能输出一定频率的矩形脉冲(自激振荡),因此没有稳态;因矩形脉冲波含有丰富的谐波,故称为多谐振荡器。8+UCC56315K5K5K274+UCC+UCCR2R1CuoucC1C2★用555定时器构成多谐振荡器多谐振荡器是一种无稳态电路,接通电源后,不需外加触发脉冲,电路就能自动产生周期性矩形脉冲或方波。用途:主要用于产生各种方波或时间脉冲。1、电路结构:/R:(4)正常工作接高电平控制电压输入端VCO(5)通过103电容接地,起滤波作用。VTR(2)、VTH(6)通过定时电容C接地,同时通过R2与三极管集电极接在一起。三极管开路输出VO′通过上拉电阻R1与电源VCC接在一起R1、R2和C都是定时元件76248315CR10.01μFVOVcc555R2工作原理、工作波形与周期估算

uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡ充电UOHTH=TR=uC很小Ⅰ

接通VCC后,开始时TH=TR=uC

0,uO为高电平,放电管截止,VCC经R1、R2向C充电,uC

上升,这时电路处于暂稳态Ⅰ。

工作原理

uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡUOLTH

=

TR

2/3

VCC

当uC上升到

TH=TR=uC

2/3

VCC时,uO跃变为低电平,同时放电管

V导通,C经R2和V放电,uC

下降,电路进入暂稳态Ⅱ。工作原理

接通VCC后,开始时TH=TR=uC

0,uO为高电平,放电管截止,VCC

经R1、R2向C充电,uC

上升,这时电路处于暂稳态Ⅰ。

放电

当uC下降到

TH=TR=uC

≤1/3

VCC时,uO重新跃变为高电平,同时放电管V截止,C又被充电,uC

上升,电路又返回到暂稳态Ⅰ。uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡTH=TR≤1/3VCCⅠ工作原理

当uC上升到

TH=TR=uC≥

2/3

VCC时,uO跃变为低电平,同时放电管

V导通,C经R2和V放电,uC下降,电路进入暂稳态Ⅱ。

接通VCC后,开始时TH=TR=uC

0,uO为高电平,放电管截止,VCC经R1、R2向C充电,uC

上升,这时电路处于暂稳态Ⅰ。

电容C如此循环充电和放电,使电路产生振荡,输出矩形脉冲。uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡ二、振荡频率的计算tWH

0.7(R1+R2)CtWL

0.7R2CT=tWH+tWL

0.7(R1+2R2)C

1922年美国卡第提出用石英压电效应调制电磁振荡的频率。巴黎广播电台首先用严济慈制作的石英振荡片实现了无线电播音中的稳频,随后各国相继采用,使无线广播振荡电磁回路稳频成为压电晶体的最重要应用之一。6.3.2石英晶体多谐振荡器电路1、CMOS反相器组成的石英晶体多谐荡器多谐振荡器电路图

在串联谐振频率fs下,等效电抗为Xs=0;并联谐振荡频率fp下,等效电抗Xp≈∞。在图中,石英晶体接G2输出端、G1输入端之间,输出信号频率为fs时,串联揩振频率等效电抗最小,正反馈最大,形成振荡。振荡频率完全取决于石英晶体固有的串联谐揩振频率fs。在电路中反相器G1和G2的输入和输出端均并接电阻R1和R2,用以确定反相器的静态工作点Q,反相器工作在传输特性转折线上的线性放大区,具有较高的电压放大倍数,如图所示。静态时,uI1=uo1=uI2=uo=1/2VDD。石英晶体的电抗频率特性6.3.2石英晶体多谐振荡器电路

当电路接上电源VDD后,在反相器G2输出uo为噪声信号,经石英晶体通路,只从噪声中选出频率为fs的正弦信号(晶体的等效电抗Xs≈0),并反馈到UI1,经G1线性反相放大,再通过耦合电容C2,再经G2线性放大.经多次反复放大后,使uo幅值达到最大而被削顶失真,近似于方波输出,其波形如图所示。这即形成多谐振荡器。电路中C1用来微调振荡频率.其振荡频率f0由晶体谐振频率fS决定,最高可达几十兆赫。电路的工作原理如下:2、CMOS5544时钟集成电路内部振荡器与外接揩振频率为32.768kHz石英晶体构成振荡电路,C用于微调振荡频率,经16级二分频电路,输出OUT1、OUT2二路周期为2s交替负脉冲信号,如图(b)所示。为获得秒脉冲信号输出,将OUT1、OUT2输出经二极管D3、D4和PNP型三极管T组成与非门电路输出即为周期1s的脉冲信号,输出高电平近于VDD。在1号引脚和2号引脚间,利用D1、D2上压降获得近于1.5V电源电压。SI、SO闹铃输入控制端和输出端。SI

与Vss接通时,则So输出波形用于驱动时钟步进电机时,只需将输出端OUT1和OUT2与时钟步进电机相连,即构成指针式石英钟,其电路如图所示。3.

指针式石英钟下图为二极电极双偏心时钟步进电机的结构。转子为永久磁铁,定子为高磁导率坡莫合金软磁材料构成双偏心磁极。由于线圈两端分别连OUT1和OUT2周期为2s交替的负脉冲信号,因此,当负脉冲作用时,励磁线圈上电流(≤1μA)流过,每隔1s,电流改变一次方向,图(a)(b)所示。使定子磁极极性发生一次变化。在定子和转子间隙较小处磁阻小,磁通大。由于磁性物质同性相斥、异性相吸,使转子每秒钟顺时针旋转180度步距角。综合应用

脉冲波形发生及整形电路在仪器仪表、自动控制、检测等方面的应用很广,下面从简易数字控制电路介绍其综合应用。简易数字控制电路是利用对被控制对象工艺参数进行计

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