《集成定时电路》PPT课件.ppt

第三章 集成定时电路,第一节 集成定时器555/556工作原理 第二节 集成定时器555/556的基本工作方式 第三节 集成定时器555/556的应用,集成定时电路又称为集成时基电路，它是一种将模拟电路和数字电路制作在同一硅片上的模拟集成电路。 应用：取代传统的机械式延时器件，应用在微计算机、电子定时器、电子控制、电子检测、电子报警、电子乐器、信号产生及调制等方面。 分类：分为定时器和定时器/计数器两大类。 定时器以单定时“555”电路、双定时“556”电路(内含两个独立的“555”电路)、四定时“558/559”电路(内含四个独立的“555”电路)为主； 定时器/计数器以可编程定时电路为主。,概述,一、脉冲信号,脉冲是脉动和短促的意思，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,概述,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： 脉冲产生电路直接产生； 利用已有的周期信号整形、变换得到。,概述,二、脉冲信号的参数,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，DtW/T 。,概述,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。, 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-)。 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。,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：, 电路的时间常数=RC，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,概述,第一节 集成定时器555/556工作原理,555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路， 利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。 555定时器产品型号繁多，但所有双极型产品型号最后的3位数码都是555，所有CMOS产品型号最后的4位数码都是7555。它们的功能和外部引脚的排列完全相同。,(一)555定时器的电路结构,一、双极型555定时器,高电平触发端,电压控制端,低电平触发端,放电端,接地端,复位端,电源端,输出端,555由比较器C1和C2、基本RS触发器和集电极开路的放电三极管T三部分组成。,vO,1 555定时器,1.分压器,电压控制端,5脚悬空时， ， ；,5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0.01F的电容接地，以抑制干扰。,1 555定时器,2.电压比较器,阈值输入端,触发输入端,3.基本RS触发器,异步清零端 该端为低电平时，电路优先复位，输出端3脚为低电平。,补充：,触发器 能够存储一位二进制信息的基本单元电路。,触发器特点 1.具有两个稳定状态，分别表示逻辑0和逻辑1。 2.在输入信号作用下，可从一种状态翻转到另一种状态；在输入信号取消后，能保持状态不变。,触发器分类 按触发方式分：电位触发方式、主从触发方式及边沿触发方式。 按逻辑功能分：RS触发器、D触发器、JK触发器和T触发器。,基本RS触发器,1,1,1,1,与非门构成的基本RS触发器,2. 组成结构,1. 逻辑符号,输出：Q，,两个稳定状态：,0,1,1,0,4. 特征表,1,0,1,1,3. 工作原理,1,0,0,0,0,1,0,1,Q： 触发器原端或1端。,通常将Q端状态作为触发器的输出状态。,4. 特征表,1 555定时器,4.放电三极管,VT是一个集电极开路的放电三极管。,二、555定时器的功能,1 555定时器,5脚不外接控制电压。,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。,1 555定时器,555定时器功能表,5脚不接控制电压，则 ， 。,从555定时器的功能表可以看出几个特点： 1. 有两个阈值电平，分别是电源电压的1/3和2/3； 2. 输出从低到高，从高到低有回差； 3. 输出端和放电端的状态一致，要通都通，要断都断； 4. 输出与两触发端是反相关系。,二、CMOS型556定时器,优点:输入阻抗高、电源电压范围宽、集成度高、功耗低、适于长延时等优点。 缺点：驱动能力较差,包含两个相同的互相独立的定时单元，1-6脚和8-13脚分别为两个定时单元的引出脚。 其具体原理电路和工作原理见教材P92. ICM7556的主要参数见教材P93,第二节 集成定时器的基本工作方式,单稳态工作方式 双稳态工作方式 无稳态工作方式,双稳态触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的区别：,双稳 单稳 多谐,触发信号,输出,555定时器构成单稳态触发器,555定时器构成的单稳态电路如图14.3.2所示。,初始状态下，没有触发，ui是高电平，所以输出是低电平。,当ui加上触发低电平时，输出将跳变到高电平，放电管关断。,放电管关断，电源将经过R向 C充电，uC按指数规律上升。,此时， ui已经撤消，变为高电平，所以当uC充电到上限阈值电平（VCC2/3）时，输出将跳变为低电平。完成一次单稳过程。,图14.3.2 单稳态触发器电路图,一、 单稳态触发器,单稳态触发器暂稳态时间的计算：,根据uC的波形，由过渡过程公式即可计算出暂稳态时间tw ， tw电容C从0V充电到2 VCC /3的时间，根据三要素方程：,注意:触发输入信号的逻辑电平，在无触发时是高电平，必须大于2VCC/3,低电平必须小于1VCC/3，否则触发无效。,为此需要确定三要素： uC (0) =0V、 uC () =VCC、 =RC， 当t= tw时，uC (tw) =2 VCC /3代入公式。于是可解出,这里要注意R的取值不能太小，若R太小，当放电管导通时，灌入放电管的电流太大，会损坏放电管。图14.3.3是555定时器 单稳态触发器的示波器波形图，从图中可以看出触发脉冲的低电平和高电平的位置，波形图右侧的一个小箭头为0电位 。,图14.3.3 555定时器单稳态触发器的示波器波形图,0电位,0电位,单稳态工作方式的一些说明：,工作特性：, 它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态； 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； 暂稳态不能长久保持，其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。,恢复期： VT导通，电容C迅速放电，直到使uC0，电路又恢复到稳态。,暂稳态： u2触发脉冲下降沿到达时（ ），电路进入暂稳态，uO1。当 时，uO0，暂稳态结束。,几个状态：,稳态： 无触发信号时，uI为高电平。电容先充电后放电， 当uC0时，电路进入稳态：uO0。,U0=1时，放电管VT截止的，Vcc经由R对C充电，Uc上升，但阈值比较为2Vcc/3,波形图,1.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。,说明：,2.输出脉冲宽度tW,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。,二、单稳态触发器的应用,1.脉冲整形,单稳态触发器能够把输入的不规则脉冲信号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,2.脉冲延时,脉冲延时电路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。,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。,单稳态触发器的定时波形,二、双稳态工作方式,工作特性：, 具有两个稳态； 属于电平触发，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； 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。,电压传输特性,输入信号上升时对应的转换电平U+ ，称为正向阈值电压； 输入信号下降时对应的转换电平U ，称为负向阈值电压； 差值UU+U-，称为回差电压。,反向输出施密特触发器,一、555定时器构成的施密特触发器,1.电路结构和逻辑符号,综之： 当5脚不接控制电压时， 当5脚接控制电压UCO时，比较电压变为UCO和（1/2）UCO，,2.工作原理,(1)上升过程： 时，uO1； 时，uO保持不变； 时，输出翻转uO0。,(2)下降过程： 时，uO0； 时，uO保持不变； 时，输出翻转uO1。,5脚经过0.01F电容接地，则 ， 。,二、应用,1.波形变换,可以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。,2.波形整形,可以将不规则的波形整形为矩形波。若适当增大回差电压，可提高电路的抗干扰能力。回差电压是由5脚接入的控制电压UCO来控制的。,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U+的输入脉冲， 即对幅度进行鉴别。,3.幅度鉴别,同向输出施密特触发器,4.构成多谐振荡器,工作原理： 电容上初始电压为零，即uI0，则uO1，并经R向C充电，当充至uIU+时，输出翻转uO0。电容C又经R进行放电，当放电至uIU-时，输出翻转uO1。,三、无稳态工作方式自由多谐振荡器,多谐振荡器是一种常用的脉冲信号产生电路。,工作特性：, 无稳态，具有两个暂稳态； 自激振荡器在接通电源后，不需外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲； 矩形波中除基波外，还含有丰富的高次谐波故称为多谐振荡器。,自动触发,自动返回,555定时器构成的多谐振荡器,1.电路结构,2.工作原理,接通电源后，电容C来不及充电，uc0，则uO1(第一个暂稳态)，VT截止。这时Ucc经R1和R2向C充电，当充至uc2/3Ucc时，输出翻转uO0(第二个暂稳态)，VT导通；这时电容C经R2和VT放电，当降至uc1/3Ucc时，输出翻转uO1。,3.参数的估算,电容充电时间T1：,电容放电时间T2：,电路振荡周期T：,电路振荡频率f：,通过改变R、C的参数可改变振荡周期和振荡频率。,输出波形占空比D：,若R2R1，则D1/2，即输出为对称方波。,（D50）,4.改进电路占空比可调的多谐振荡器,利用二极管的单向导电性，把电容C充电和放电回路隔离开来，再加上一个可调电位器RW，便可构成占空比可调的多谐振荡器。,电容充电时间T1： T10.7R1C,电容放电时间T2： T20.7R2C,输出波形占空比D：,电路振荡周期T： TT1+T20.7(R1+R2)C,若R1=R2，则D=50%。,5.555定时器构成的振荡器应用实例模拟声响发生器,将振荡器A的输出电压uo1，接到振荡器B中555定时器的复位端（4脚）。当uo1为高电平时振荡器B振荡，当uo1为低电平时555定时器复位，振荡器B停止振荡。这样，扬声器便发出“呜呜”的间歇声响。,当频率为谐振频率f0时，石英晶体的等效阻抗最小，信号最容易通过，而其它频率信号均被衰减掉。 晶体的选频特性极好。,为了提高振荡器的频率稳定度，往往使用石英晶体多谐振荡器。,二、石英晶体多谐振荡器,555构成的多谐振荡器的特点： 优点：工作可靠，调节方便。 缺点：振荡频率不能太高，一般不超过几百千赫； 受电源波动、温度变化等影响，频率稳定性较差。,f0只与晶体的材料、几何形状和尺寸大小有关， 而与电路中的R、C数值无关。 输出频率稳态性很高。,石英晶体的固有频率或谐振频率,石英晶体振荡器,电阻R1、R2的作用：保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区。对TTL反相器，常取R0.7k2k，而对于CMOS门，则常取R10M； C1是耦合电容； C2的作用：抑制高次谐波。,电路的振荡频率等于石英晶体的谐振频率f0。,秒脉冲发生器,CMOS石英晶体多谐振荡器产生f=32768Hz的基准信号； 经T触发器构成的15级异步计数器分频后，便可得到稳定度极高的秒脉冲信号。 这种秒脉冲发生器可做为各种计时系统的基准信号源。,第三节 集成定时器555/556的应用,一、定时电路 工作方式：单稳态方式 (一)短时定时电路 利用集成定时器的暂稳态作为定时时间(输出为高电平)。 阈值电压 ， 触发电平 。 电路工作过程如下：,曝光定时器,若S打开 , 则 ui = 1 ;,若S合上 , 则 ui = 0 。,TH 2VCC /3 , TR VCC /3 555输出为低电平,按钮 S 处于打开状态时：,uo = 0 , 555内的三极管V导通 , 电容 CT 被短路放电,0,t,ui,0,t,uCT,2VCC /3,0,t,uo,按一下 S , TR VCC/3 , 已有 TH 2VCC /3 , 故 uo = 1 , 555 内的三极管 V 截止 , CT 将被充电 , ,只要 uCT 尚未充至 2VCC /3 , uo 的状态就不会变化 。,一旦 uCT 2VCC /3 , 且已 有 TR VCC /3 , uo = 0 ;,555内的晶体管V也由截止变成导通 , 电容CT 迅速放电而变成 0V。,可以看出 : 按钮每按动一次 , uo 便输出一个正脉冲,其宽度 TW 由 RT CT 决定 。,白灯亮的时间即为曝光时间 TW,TW = 1.1 RT CT,由上式看出， RT用于调节CT充电时间常数，改变延时时间，即微调曝光时间。改变CT的大小，可以改变延时时间的倍率，即曝光时间的倍率调整。,其中为触摸金属片（或导线）。无触发脉冲输入时，555的输出V为“”，发光二极管不亮。当用手触摸金属片时，相当于端输入一负脉冲，555的内部比较器翻转，使输出V变为高电平“”，发光二极管亮，直至电容上的电压充到V2V/为止。发光二极管亮的时间TW1.11.1s。 用于触摸报警、触摸报时、触摸控制等。电路输出信号的高低电平与数字逻辑电平兼容。图中，为高频滤波电容，以保持的基准电压稳定，一般取。用来滤除电源电流跳变引入的高频干扰，一般取,设输入信号为一列脉冲串，第一个负脉冲触发端后，输出变为高电平，电容开始充电，如果 ，由于未达到，将一直保持为高电平，截止。这段时间内，输入负脉冲不起作用。当达到时，输出很快变为低电平，下一个负脉冲来到，输出又上跳为高电平，电容又开始充电，如此周而复始。输出脉冲的延迟时间为： 输出脉冲的周期为 分频系数主要由延迟时间决定，由于时间常数可以取得很大，故可获得很大的分频系数。,S1 : 起动按钮,S2 : 停车按钮,微电机起动停车控制电路,RD,仅按下起动按钮 S1 , 则 TR VCC / 3 ; 未按 S2 , 当然 TH 2VCC / 3 , 故 uo =1 , 电机转动 。,即使放开 S1 , TR VCC / 3 , TH 2VCC / 3 , uo 保持为 1 , 电机继续转动 。,如果仅按下按钮 S2 , TH 2VCC / 3 , 未按 S1 , 当然TR VCC / 3 , 这时 uo = 0 , 电机停止运行。,如果松开 S2 , 电机仍不转动 。,二、波形发生器与调制器,工作方式：无稳态方式(多谐振荡) 功能：组成方波、三角波、锯齿波等各种波形发生器。 (一)方波发生器 占空系数可调发生器,(二)数控脉冲发生器 又称为数字/频率转换器(DFC),具有用数字信号控制振荡器的振荡频率，将数字信号转换成频率信号的功能。如左图所示，由555,10位D/A转换器5G7520、5G28(F3410)构成。,在该电路中，定时器的阈值电压为Vth1=-Vcc/3,触发电平Vth2=-2Vcc/3。5G7520将输入的N位数字信号D转换成数值大小与D成正比的输出电流io2，并经运放A和三极管T对定时电容CT充电，当电容电压升至阈值电压时，定时器输出低电平，CT放电，当电容电压降至触发电平时，定时器输出高电平，CT充电，周而复始形成振荡。 CT的充电速率和5G7520的输出电流的大小成正比。而该输出电流的大小又与输入的数字量D成正比，因此振荡频率受到数字信号控制，实现D/F转换。,(二)数控脉冲发生器,在该电路中，Rw调节D/A转换器的基准电压VR，以调整振荡频率范围，增大Rw的值，VR降低，5G7520输出电流io2满量程值减小，振荡频率降低，反之频率升高。 运放A和三极管T作用： 1.提供CT充电电流 2.使5G7520D/A转换器的输出端2引脚维持低电平。,(三)三角波发生器 由ICM7556构成。 如左图，T1、D1、R1、Dz1以及T2、D2、R2、Dz2构成两个开关电源，为定时电容CT提供充放电电流。,T3受定时器输出端电压控制，它用于控制两个开关电源的工作状态。 工作过程：当定时器输出为高电平时，T3导通，其集电极电压近似为零，所以T2(NPN)截止，T1(PNP)导通,CT充电，电压上升，当CT电压升至大于、等于阈值电平的时候，输出电平降为低电平。T3截止，其集电极电压为高电平，T1截止，T2导通，CT放电，电压下降，当电容电压降至小于、等于触发电平时，定时器输出又变为高电平，CT再充电，循环往复，在输出端便可获得如图所示信号。,(四)锯齿波发生器 由NE555构成。 如左图，NE555工作在无稳态方式，阈值电平约为3.3V，触发电平约为1.67V。T为射极输出器，C2和R1构成自举电路，,(R1+R2)R3、R5。 工作过程：555置位时，+VCC通过R1、R2、R3对CT充电，B点电压和射极输出器输出电压Vo随之上升，同时因为自举耦合电容C2的影响，A点电压也随CT的充电而上升，当Vct上升到阈值电平大小时，NE555变为复位状态，CT经R3及555内部的三极管迅速放电，输出端得到如图所示锯齿波。,(五)脉冲调制器 1.脉宽调制器,当5端悬空时，阈值电平Vth1=2Vcc/3,触发电平Vth2=Vcc/3；当5端加入控制电压时（调制信号），使得阈值电平Vth1和触发电平Vth2发生改变，即改变定时电容CT充放电的速率。由于充电速率变，即只改变放电速率，Vth1随调制信号改变，使得输出正脉冲宽度随之改变（555复位时间随之改变）,(五)脉冲调制器 2.脉位调制器,当5端加入控制电压时（调制信号），使得阈值电平Vth1和触发电平Vth2发生改变，即改变定时电容CT充放电的速率随之改变，最终使得555输出端3的输出正向脉冲的位置和宽度均发生改变，实现双重调制。,1救护车铃声模拟电路,图中，IC1555组成频率为1Hz的振荡电路，IC2555组成高频振荡器，其振荡频率被频率为1Hz的振荡器调制，即当IC1的脚输出高电平时，IC2振荡器的振荡频率低；当IC1的脚输出低电平时，IC2振荡器的振荡频率高，这样就导致扬声器中发出“滴-嘟、滴-嘟”的声响。,2高压产生电路,图中，IC555时基电路与电阻R1、R2和电容C1、C2组成无稳态振荡电路，当电源接通后，电路产生高频振荡，直接推动功率放大管BG，经放大后的振荡电流由升压变压器B的升压，再经高压硅堆整流，即可得到35kV的直流高压，可用于负离子发生器及静电吸尘等方面。BG的25，BVCEO50V。B可选用229305cm（912英寸）电视机行输出变压器，高压包不动，低压包用05mm左右的高强度添包线，绕2530圈，也可直接使用摩托车上的点火线圈。 D为15kV的高压硅堆。,3、玩具电子琴电路,IC555组成自激多谐振荡器，在脚与电源之间加入一组音调电阻R1R15，即是一架玩具电子琴。未按琴键K1K5时，时基电路555不振荡，扬声器不发声；按下某一琴键时，扬声器依555的振荡频率，发出相应的声响。 电阻R1R15的选择调整方法，是用一只60100k的电位器，先接入电路，从高音（或低音）开始，转动电位器，使扬声器发出一个起始的标准音阶，测出电位器的阻值，并换上相同阻值的固定电阻，这样即可确定各音阶所需的电