第三章集成定时电路.ppt

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 D tW 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 1555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 01 F的电容接地 以抑制干扰 1555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 1555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 1555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 1555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2VCC 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 2VCC 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 3555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uC 0 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 uO 1 当时 uO 0 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uC 0时 电路进入稳态 uO 0 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 U U 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 uO 1 时 uO保持不变 时 输出翻转uO 0 2 下降过程 时 uO 0 时 uO保持不变 时 输出翻转uO 1 5脚经过0 01 F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 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 uc 0 则uO 1 第一个暂稳态 VT截止 这时Ucc经R1和R2向C充电 当充至uc 2 3Ucc时 输出翻转uO 0 第二个暂稳态 VT导通 这时电容C经R2和VT放电 当降至uc 1 3Ucc时 输出翻转uO 1 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R2 R1 则D 1 2 即输出为对称方波 D 50 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 T1 0 7R1C 电容放电时间T2 T2 0 7R2C 输出波形占空比D 电路振荡周期T T T1 T2 0 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R 0 7k 2k 而对于CMOS门 则常取R 10M 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 3555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RTCT决定 白灯亮的时间即为曝光时间TW TW 1 1RTCT 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V 2V 为止 发光二极管亮的时间TW 1 1 1 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3 5kV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 BVCEO 50V B可选用22 9 30 5cm 9 12英寸 电视机行输出变压器 高压包不动 低压包用 0 5mm左右的高强度添包线 绕25 30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R1 R15 即是一架玩具电子琴 未按琴键K1 K5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R1 R15的选择调整方法 是用一只60 100k 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阻阻值 4 大功率循环彩灯控制电路 当时基电路IC1的 脚输出高