触发器第四章4_9

4.9555定时器,555定时器是一种用途广泛的模拟数字混合集成电路。它可以构成单稳态触发器、多谐振荡器、压控振荡器等多种应用电路。,单稳态触发器，只有一个稳定状态，另一个是暂稳态，经过一段延迟时间后，将自动返回稳定状态。单稳态从触发开始到自动返回的时间称为暂稳时间tw,是由电路中有关的电阻电容时间常数确定的。单稳态触发器进入暂稳态要靠触发脉冲的触发才行，有的单稳态触发器是由触发脉冲的上升沿触发翻转的；有的单稳态触发器是靠触发脉冲的下降沿触发翻转的。,双稳态触发器有二个稳定状态。在触发方式是单稳态触发器和双稳态触发器的异同见图4.23。,双稳单稳多谐,触发信号,输出,图单稳态和双稳态触发器触发时间的异同,4.9.1555定时器的工作原理,4.9.2555定时器构成单稳态,4.9.3555定时器构成多谐振荡器,4.9.4555定时器构成施密特触发器,4.9.5555定时器构成压控振荡器(VCO),555定时器是一种用途广泛的模拟数字混合集成电路。它可以构成单稳态触发器、多谐振荡器、压控振荡器等多种应用电路。,GND,图4-9-1555定时器电路框图,图4-9-2555定时器符号图,地,低触发端,高触发端,放电端,电源端,清零端,输出端,电压控制端,555,4.9.1555定时器的工作原理,555定时器主要由比较器、触发器、反相器和由三个5k电阻组成的分压器等部分构成，电路如图所示。,电阻分压器,比较器,触发器,反相器,图4-9-1555定时器电路框图,555,真值表的第一行,0,0,1,1,0,导通,清零,0,保持,保持,555,0,0,1,0,1,1,0,真值表的第二行,从第二行到第三行,导通,0,真值表的第四行,1,0,0,1,0,1,0,1,截止,从第四行返回第三行,0,0,保持,保持,1,截止,回差现象,4-6,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。,表4-6555定时器功能表,4.9.2555定时器构成单稳态,555定时器构成的单稳态电路如图4-9-3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4-9-3单稳态触发器电路图,555单稳态触发器的工作波形如下：,ui,0,0,0,uC,uO,t,t,t,2VCC/3,注意：触发脉冲必须是窄脉冲，要比暂稳态的时间tw还要短。否则触发作用始终存在，输出将不会在uC达到2VCC/3时返回低电平。,tw,图4-9-4单稳态触发器的波形图,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,555,单稳态触发器构成反相器,触发信号的低电平宽度要窄，其低电平的宽度应小于单稳暂稳的时间。否则当暂稳时间结束时，触发信号依然存在，输出与输入反相。此时单稳态触发器成为一个反相器。,图4-9-5单稳态触发器构成反相器的波形图,555,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4-9-6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4-9-6555定时器单稳态触发器的示波器波形图,555,4.7.3555定时器构成多谐振荡器,555定时器构成多谐振荡器构成的多谐振荡器如图4-9-7所示。它是将两个触发端合并在一起，放电端接于两电阻之间。,利用电容器的充放电来代替外加触发信号，所以，电容器上的电压信号应该在两个阈值之间按指数规律转换。充电回路是RA、RB和C，此时相当输入是低电平，输出是高电平；,多谐振荡器的有关波形如下其工作波形如图4-9-8所示：,图4-9-7多谐振荡器电路图,电容器之所以能够放电，是由于有放电端7脚的作用，因7脚的状态与输出端一致，7脚为低电平电容器即放电。,当电容器充电达到时，即输入达到高电平时，电路的状态发生翻转，输出为低电平，电容器开始放电。当电容器放电达到时，电路的状态又开始翻转,如此不断循环。,输出波形的振荡周期可用过渡过程公式计算：,0,0,uO,t,t,2VCC/3,tw1,uC,1VCC/3,tw2,tw1：uC(0)=VCC/3V、uC()=VCC、1=(RA+RB)C、当t=tw1时，uC(tw1)=2VCC/3代入公式。于是可解出,tw2：uC(0)=2VCC/3V、uC()=0V、1=RBC、当t=tw2时，uC(tw2)=VCC/3代入公式。于是可解出,图4.29多谐振荡器波形图,多谐振荡器参数的计算,tw1,tw2,输出波形的振荡周期可用过渡过程公式计算：,tw1：uC(0)=VCC/3V、uC()=VCC、1=(RA+RB)C、当t=tw1时，uC(tw1)=2VCC/3代入三要素方程。于是可解出,tw2：uC(0)=2VCC/3V、uC()=0V、1=RBC、当t=tw2时，uC(tw2)=VCC/3代入公式。于是可解出,555,图4-9-9是555定时器多谐振荡器的示波器波形图，多谐振荡器的供电电压为5V。上面的一个是输出波形，幅度382.5mV，示波器探头有10倍衰减，实际幅度是3.8V；下面的一个是定时电容器上的波形，图中显示充放电波形的峰峰值是1.625V，波谷距零线的距离大约也是1.61.7V，正好是555定时器的二个阈值的数值。,图4-9-9555定时器多谐振荡器的示波器波形图,对于图4-9-7所示的多谐振荡器，因T1T2，它的占空比大于50%，占空比不可调节。图4-9-10是一种占空比可调的电路，该电路因加入了二极管，使电容器的充电和放电回路不同，可以调节电位器使充、放电时间常数相同。如果RA=RB，调节电位器可以获得50%的占空比。,图4-9-10占空比可调的多谐振荡器,由于施密特触发器无须放电端，所以利用放电端与输出端状态相一致的特点，从放电端加一上拉电阻后，可以获得与3脚相同的输出。但上拉电阻可以单独接另外一组电源，以获得与3脚输出不同的逻辑电平。,555定时器构成施密特触发器的电路图如图4-9-11所示,施密特触发器属于波形变换电路，该电路可以将正弦波、三角波、锯齿波变为脉冲信号。,图4-9-11施密特触发器电路图,555,4.9.4555定时器构成施密特触发器,施密特触发器的输出波形如下：,ui,0,0,uO,t,t,2VCC/3,1VCC/3,图4-9-12施密特触发器的波形图,施密特触发器的主要用于对输入波形的整形。图4-9-12表示的是将三角波整形为方波,其它形状的输入波形也可以整形为方波。,动画4_7,图4-9-13是施密特触发器（电源电压5V）的示波器波形图，对应输出波形翻转的555定时器的二个阈值，一个是对应输出下降沿的3.375V，另一个是对应输出上升沿的1.688V，施密特触发器的回差电压是3.375-1.688=1.688V。在放电端7脚加一个上拉电阻，接10V电源，可以获得一个高、低电平与3脚输出不同，但波形的高、低电平宽度完全一样的第二个输出波形，这个波形可以用于不同逻辑电平的转换。,图4-9-13施密特触发器的示波器波形图,4.9.5555定时器构成压控振荡器(VCO),一般的振荡器若要改变振荡频率必须改变选频网络的参数值，不太方便。上述555定时器构成的振荡器，只要改变控制电压的数值即可改变振荡频率，易于控制。通过外加控制电压去改变振荡器的频率，这样的振荡器就是电压控制振荡器，简称压控振荡器，用VCO表示。,利用555定时器的5脚，可以方便实现这一功能。由于555定时器是一种低价格通用型的电路，其压控非线性较大，性能较差，只能满足一般技术水平的需要。如果需要高的性能指标，可采用专用的压控振荡器芯片，如AD650等。AD650将在其它章中介绍。,一般的振荡器若要改变振荡频率必须改变选频网络的参数值。上述555定时器构成的振荡器，只要在5角加入控制电压。改变控制电压就可改变振荡器的频率，这样的振荡器就是电压控制振荡器，简称压控振荡器，用VCO表示。,图4-9-14压控振荡器电路图,555,4.9.5555定时器构成压控振荡器(VCO),555定时器构成的压控振荡器如图4-9-14所示，波形图如图4-9-15所示。,图4-9-14压控振荡器电路图,图4-9-15压控振荡器波形图,为了使u5的控制作用明显，u5应是一个低阻的信号源。因为555定时器内部的阈值是由三个5k的电阻分压取得，u5的内阻大或串入较大的电阻，压控作用均不明显。,555,压控振荡器参数的计算,tw1,tw2,输出波形的振荡周期可用过渡过程公式计算：,tw1：uC(0)=u5/2、uC()=VCC、1=(RA+RB)C、当t=tw1时，uC(tw1)=u5代入三要素方程。于是可解出,tw2：uC(0)=u5、uC()=0V、1=RBC、当t=tw2时，uC(tw2)=u5/2代入公式。于是可解出,振荡周期:,555,当555定时器的压控电压变化时，振荡器的波形图如图4-9