脉冲产生与变换电路.ppt

第7章 脉冲产生与变换电路 7.1 概述 7.2 555定时器 7.3 555定时器的基本应用电路 本章小结 习题,返回主目录,第 7 章 脉冲产生与变换电路,7.1概述 在数字系统中， 除了有数字信号“1”和“0”以外，一般 还存在同步脉冲控制信号（CP信号），它是具有一定幅 度和频率的矩形波。 通常得到矩形波的方法很多， 目前应用较多的是利 用555定时器来实现。 ,图7.1 晶体管简易测试仪,7.2 555定时器 7.2.1 555定时器分类 7.2.2 555定时器的电路组成 7.2.3 555定时器的功能 7.2.4 555定时器的主要参数,7.2 555定时器,7.2.1 555定时器分类 555定时器又称时基电路。 555定时器按照内部元件 为双极型（又称TTL型）和单极型两种。双极型内部采用 的是晶体管；单极型内部采用的则是场效应管。 555定时器按单片电路中包括定时器的个数分为单时 基定时器和双时基定时器。 常用的单时基定时器有双极型定时器5G555(其管脚 排列如图7.2所示)和单极型定时器CC7555。双时基定时 器有双极型定时器5G556和单极型定时器CC7556。 ,图7.35G555定时器内部电路,7.2.2 555定时器的电路组成 5G555定时器内部电路如图7.3所示, 一般由分压器、 比较器、触发器和开关及输出等四部分组成。,1. 分压器 分压器由三个等值的电阻串联而成，将电源电压UDD 分为三等份，作用是为比较器提供两个参考电压UR1、UR2， 若控制端S悬空或通过电容接地，则:,若控制端S外加控制电压US则: UR1=US,2. 比较器 比较器是由两个结构相同的集成运放A1、A2构成。A1用 来比较参考电压UR1和高电平触发端电压UTH: 当UTH UR1， 集成运放A1输出Uo1=0; 当UTHUR1，集成运放A1输出Uo1=1。 A2用来比较参考电压UR2和低电平触发端电压 : 当 UR2，集成运放A2输出Uo2=1; 当 UR2， 集成运 放A2输出Uo2=0。 ,3. 基本RS触发器 当RS=01时，Q=0， =1;当RS=10时，Q=1， =0。 4. 开关及输出 放电开关由一个晶体三极管组成，其基极受基本RS 触发器输出端 控制。当 =1时，三极管导通，放 电端D通过导通的三极管为外电路提供放电的通路；当 =0， 三极管截止，放电通路被截断。 ,表7.1 5G555定时器功能表, 7.2.3 555定时器的功能 以单时基双极型国产5G555定时器为例，其功能如 表7.1所示。,表7.2 5G555和CC7555的主要参数,7.2.4 555定时器的主要参数 5G555(单时基双极型定时器）和CC7555（单时基 CMOS型定时器）的主要参数对比如表7.2所示。,续表（2）,从表7.2可见： (1) 二者的工作电源电压范围不同。 (2) 双极型定时器输入输出电流较大，驱动能力强， 可直接驱动负载，适宜于有稳定电源的场合使用。 (3) 单极型定时器输入阻抗高，工作电流小，功耗低 且精度高，多用于需要节省功耗的领域。 ,【思考题】 1. 555定时器主要由哪几部分组成？每部分各起什 么作用？ 2. 双极型定时器与CMOS型定时器有什么异同？,7.3 555定时器的基本应用电路 7.3.1 施密特触发器 7.3.2 单稳态触发器 7.3.3 多谐振荡器,7.3 555定时器的基本应用电路,7.3.1 施密特触发器 施密特触发器是一种脉冲号变换电路，用来实现整 形和鉴波。它可以将符合特定条件的输入信号变为对应 的矩形波，这个特定条件是：输入信号的最大幅度Umax 要大于施密特触发器中555定时器的参考电压UR1。当定 时器控制端S悬空或通过电容接地时，UR1= ；当定 时器控制端S外接控制电压US时，则UR1=US。,1. 电路结构 由555定时器构成的施密特触发器如图7.4所示, 定时 器外接直流电源和地; 高电平触发端TH和低电平触发端 TR直接连接，作为信号输入端；外部复位端 接直流电 源UDD（即 接高电平），控制端S通过滤波电容接地。,图7.4 施密特触发器,图7.5 施密特触发器输入输出波形,2. 工作原理 设输入信号ui为最常见的正弦波，正弦波幅度大于 555定时器的参考电压UR1= （控制端S通过滤波电容 接地），电路输入输出波形如图7.5所示。输入信号Ui从 零时刻起，信号幅度开始从零逐渐增加并呈正弦形变化。 当ui处于0ui 上升区间时，根据555定时器功 能表7.1可知OUT = “1”。 当ui处于ui上升区间时， 根据555定 时器功能表7.1可知OUT 仍保持原状态“1”不变。,当ui一旦处于ui 区间时，根据555定时器功能 表7.1可知OUT 将由 “1”状态变为 “0”状态，此刻对应的 Ui值称为复位电平或上限阈值电压。 当ui处于 ui 下降区间时， 根据555定时 器功能表7.1可知OUT 保持原来状态 “0”不变。 当ui一旦处于Ui 区间时，根据555定时器功能 表7.1可知OUT 又将 “0”状态变为 “1”状态，此时对应的 ui值称为置位电平或下限阈值电压。 ,从图7.5输入输出波形分析中，可以发现置位电平和 复位电平二者是不等的， 二者之间的电压差称为回差电 压用UT表示，即UT=UR1-UR2。 若控制端S悬空或通过电容接地, UR1= 而UR2= ，则 UT=UR1-UR2= 若控制端S外接控制电压US，UR1=US而UR2= ， 则 UT=UR1-UR2=,图7.6所示为S端悬空或通过电容接地的施密特触发器 电压传输特性， 同时也反映了回差电压的存在，而这种 现象称为电路传输滞后特性。回差电压越大，施密特触 发器的抗干扰性越强，但施密特触发器的灵敏度也会相 应降低。 同理，若施密特触发器输入其他波形的信号，只要 输入信号的最大幅度Umax大于施密特触发器核心555定时 器的参考电压UR1，那么总能在输出端得到对应的矩形波。 ,图7.6 施密特触发器电压传输特性,当施密特触发器输入一定时， 其输出可以保持OUT 为“0”或“1”的稳定状态，所以施密特触发器又称为双稳 态电路。 3. 典型应用 (1) 波形变换。将任何符合特定条件的输入信号变为 对应的矩形波输出信号。 (2) 幅度鉴别。 如图7.7所示。 (3) 脉冲整形。 如图 7.8 所示。,图7.7 利用施密特触发器进行幅度鉴别,图7.8 利用施密特触发器进行脉冲整形,7.3.2 单稳态触发器 单稳态触发器也有两个状态：一个是稳定状态，另 一个是暂稳状态。当无触发脉冲输入时，单稳态触发器 处于稳定状态；当有触发脉冲时，单稳态触发器将从稳 定状态变为暂稳定状态，暂稳状态在保持一定时间后， 能够自动返回到稳定状态。 1. 电路结构 单稳态触发器如图7.9（a）所示。,图7.9 单稳态触发器 （a） 电路；（b） 输入输出波形,2. 工作原理 当单稳态触发器无触发脉冲信号时，输入端Ui=“1”， 当直流电源+UDD接通以后，电路经过一段过渡时间后， OUT端最后稳定输出“0”，放电端D通过导通的三极管接 地，电容C两端电压为零。因高电平触发端TH和放电端D 直接连接，所以高电平触发端TH接地，即UTH=0UR1 = ，而UTR=Ui=“1” ，根据555定时器功 能可知，此时电路保持原态“0”不变，这种状态即是单稳 态触发器的稳定状态，如图7.9（b）所示。,当单稳态触发器有触发脉冲信号（即Ui=“0” ） 时，由于 =Ui=“0” ，并且UTH=0 UR1= 则触发器输出由“0”变为“1”，三极管由导通变为截止，放 电端D与地断开；直流电源+UDD通过电阻R向电容C充电， 电容两端电压按指数规律从零开始增加（充电时间常数 =RC）；经过一个脉冲宽度时间，负脉冲消失，输入端 Ui恢复为“1”，即 =Ui=“1”，由于电容两 端电压UC ， 而UTH=UC ， 所以输出保 持原状态“1”不变， 这种状态即是单稳态触发器的暂稳 状态。 ,当电容两端电压UC 时， UTH=UC ， 又有 ， 那么输出就由暂稳状态“1”自 动返回稳定状态“0”。如果继续有触发脉冲输入，就会重 复上面的过程，如图7.9（b）所示。 3. 暂稳状态时间（输出脉冲宽度） 暂稳状态持续的时间又称输出脉冲宽度，用tW表示。 它由电路中电容两端的电压来决定，可以用三要素法求 得tW1.1RC。 当一个触发脉冲使单稳态触发器进入暂稳定状态以 后，tW时间内的其他触发脉冲对触发器就不起作用；只 有当触发器处于稳定状态时，输入的触发脉冲才起作用。 ,图7.10 定时电路,1） 定时 单稳态触发器可以构成定时电路；与继电器或驱动放大 电路配合， 可实现自动控制、定时开关的功能，一个典型 定时电路如图7.10所示。 ,当电路接通+6 V电源后，经过一段时间进入稳定状态， 定时器输出OUT为低电平，继电器KA（当继电器无电流通 过时，常开接点处于断路状态）无通过电流，故形不成导 电回路，灯泡HL不亮。当按下按钮SB时，低电平触发端TR （外部信号输入端Ui）由接+6V电源变为接地，相当于输入 一个负脉冲，使电路由稳定状态转入暂稳状态，输出OUT 为高电平，继电器KA通过电流，使常开接点闭合，形成导 电回路，灯泡HL发亮；暂稳定状态的出现时刻是由按钮SB 何时按下决定的，它的持续时间tW（也是灯亮时间）则是 由电路参数决定，若改变电路中的电阻RW或C，均可改变tW。,典型延时电路如图7.11所示，与定时电路相比，其电 路的主要区别是电阻和电容连接的位置不同。电路中的继 电器KA为常断继电器，二极管D的作用是限幅保护。当开 关SA闭合，直流电源接通，555定时器开始工作，若电容 初始电压为零， 因电容两端电压不能突变，而UDD=UC+ UR，所以UTH= =UR=UDD-UC=UDD，OUT = “0”，继电 器常开接点保持断开；同时电源开始向电容充电，电容两 端电压不断上升，而电阻两端电压对应下降，当 UC ，,图7.11 延时电路,即UTH= =UR 时，OUT = “1”，继电 器常开接点闭合；电容充电至UC=UDD时结束，此时电阻 两端电压为零，电路输出OUT保持为“1”，从开关SA按下 到继电器KA闭合这段时间称为延时时间。 ,2) 分频 当一个触发脉冲使单稳态触发器进入暂稳状态，在此 脉冲以后时间tW内，如果再输入其他触发脉冲，则对触 发器的状态不再起作用；只有当触发器处于稳定状态时， 输入的触发脉冲才起作用，分频电路正是利用这个特性 将高频率信号变换为低频率信号，电路如图7.12所示。,图7.12 分频电路,7.3.3 多谐振荡器 多谐振荡器的功能是产生一定频率和一定幅度的矩形 波信号。 其输出状态不断在“1”和“0”之间变换，所以它又 称为无稳态电路。 1. 由555定时器构成的多谐振荡器 1) 电路结构 如图7.13(a)所示，,图7.13 多谐振荡器 (a) 电路; (b) 输入输出波形,2) 工作原理 如图7.13（b）所示，假定零时刻电容初始电压为零， 零时刻接通电源后，因电容两端电压不能突变， 则有UTH = =UC=0 ， OUT = “1”，放电端D与地断路， 直流电源通过电阻R1、 R2向电容充电，电容电压开始上升； 当电容两端电压UC 时，UTH= =UC ， 那么输出就由一种暂稳状态（OUT = “1”而放电端D与地断 路）自动返回另一种暂稳状态（OUT = “0”而放电端D接）， 由于充电电流从放电端D入地，电容不再充电，反而通过电 阻R2和放电端D向地放电，电容电压开始下降；当电容两端 电压UC 时， UTH= =UC ， 那么 输出就由OUT = “0”变为OUT = “1”， 同时放电端D由接地 变为与地断路；电源通过R1、R2重新向C充电，重复上述 过程。,3) 振荡周期 振荡周期T=t1+t2。 t1代表充电时间（电容两端电压从 上升到 所需时间），t10.7(R1+R2)C，t2代 表放电时间（电容两端电压从 下降到 所需 时间）, t20.7R2C。因而有 T=t1+t20.7(R1+2R2)C 对于矩形波，除了用幅度、周期来衡量以外，还存在一 个占空比参数q，q= ， tP指输出一个周期内高电平所 占时间。故图7.13(a)所示电路输出矩形的,4) 改进电路 图7.13（a）所示电路只能产生占空比大于0.5的矩形 波， 而图7.14所示电路可以产生占空比处于0和1之间的 矩形波。这是因为它的充放电的路径不同，,图7.14 可调占空比的多谐振荡器,2. 石英晶体振荡器 前面介绍的多谐振荡器， 振荡频率不仅取决于时间常 数RC，而且还取决于阀值电平，由于其极易受温度、电源 电压等外界条件的影响，因而频率稳定性较差，在频率稳 定性要求较高的场合，不大适用。 为了得到频率稳定性很高的脉冲信号，可采用图.15(a)、 (b)所示的石英晶体振荡器，简称晶振。 例如计算机中的 时钟脉冲即由晶振产生。,图7.15 石英晶体振荡器,石英晶体J相当于一个高Q（品质因数）选频网络。电 路在满足正反馈条件的自激振荡过程中，石英晶体只允 许与其谐振频率f0相等的信号顺利通过，而ff0 的其他 信号则被大大衰减， 因而该电路的振荡频率主要取决于 石英晶体的谐振频率f0， 而与R、C的取值关系不大；R 主要用来使反相器工作在线性放大区，R的阻值对于TTL 门通常在0.7 k到2 k之间，而对于CMOS门则常在10 M到100M之间。 图7-15(b)所示晶振电路输出的频率 为32768Hz, 经若干级二分频器后，可以为数字钟提供时 钟脉冲，电路中电容C1用于两个反相器之间的耦合，而 C2的作用则是抑制高次谐波，以保证稳定的频率输出。,图7.16 压控振荡器,7.3.4 555定时器的具体应用电路 1. 压控振荡器 压控振荡器的功能是将控制电压转换为对应频率的矩 形波。 压控振荡器的电路如图7.16所示。,图7.18 自举式锯齿波产生器,2. 波形产生电路 555定时器如果加上适当的外部电路， 还可以产生锯 齿波、三角波、脉冲等信号。 自举式锯齿波产生器电路如图7.18所示。,图7.19 抗干扰的定时电路,3. 时控电路 在工业控制中， 周围环境往往存在大量的干扰信号产 生，如高频火花、电磁波、继电器的开关，必须要提高控 制所用的定时电路的抗干扰能力。一个抗干扰定时电路如 图7.19所示。,【思考题】 1. 555定时器应用电路的基本形式有哪几种？ 2. 如何区分555定时器实际应用电路属于哪一 种基本形式？,本章小结, 1. 555定时器主要由比较器、基本RS触发器、门电路 构成。基本应用形式有三种：施密特触发器、单稳态触 发器和多谐振荡器。 2. 施密特触发器具有电压滞回特性，某时刻的输出由 当时的输入决定，即不具备记忆功能。当输入电压处于参 考电压UR1和UR2之间时，施密特触发器保持原来的输出 状态不变，所以具有较强的抗干扰能力。,3. 在单稳态触发器中， 输入触发脉冲