脉冲波形的产生与变换

1、脉冲波形的产生与变换脉冲信号是数字电路中最常用的工作信号。脉冲信号的获得经常采用两种方法：一是利用振荡电路 直接产生所需的矩形脉冲。这一类电路称为多谐振荡电路或多谐振荡器；二是利用整形电路,将已有的脉冲信号变换为所需要的矩形脉冲。这一类电路包括单稳态触发器和施密特触发器。这些脉冲单元电路可以由集成逻辑门构成,也可以用集成定时器构成。下面先来介绍由集成门构成的脉冲信号产生和整形电路。9.1 多谐振荡器自激多谐振荡器是在接通电源以后,不需外加输入信号,就能自动地产生矩形脉冲波。由于矩形波中除基波外,还含有丰富的高次谐波,所以习惯上又把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。多谐振荡器通常由门电路和基本的RC电

2、路组成。多谐振荡器一旦振荡起来后,电路没有稳态,只有两个暂稳态,它们在作交替变化,输出矩形波脉冲信号,因此它又被称作无稳态电路。9.1.1 门电路组成的多谐振荡器多谐振荡器常由TTL门电路和CMOS门电路组成。由于TTL门电路的速度比CMOS门电路的速度快, 故TTL门电路适用于构成频率较高的多谐振荡器,而CMOS门电路适用于构成频率较低的多谐振荡器。(1)由TTL门电路组成的多谐振荡器由TTL门电路组成的多谐振荡器有两种形式：一是由奇数个非门组成的简单环形多谐振荡器理及工作原理；二是由非门和RC延迟电路组成的改进环形多谐振荡器。 简单环形多谐振荡器uouo11G11G21G3uo1uo2uo

3、uo3uo2uo3Ttpd2tpd3tpd(a) (b)图91 由非门构成的简单环形多谐振荡器把奇数个非门首尾相接成环状,就组成了简单环形多谐振荡器。图91（）为由三个非门构成的多谐振荡器。若uo的某个随机状态为高电平,经过三级倒相后,uo跳转为低电平,考虑到传输门电路的平均延迟时间tpd,uo输出信号的周期为6tpd。图91（）为各点波形图。简单环形多谐振荡器的振荡周期取决于tpd,此值较小且不可调,所以,产生的脉冲信号频率较高且无法控制,因而没有实用价值。改进方法是通过附加一个RC延迟电路,不仅可以降低振荡频率,并能通过参数 R、C控制振荡频率。 RC环形多谐振荡器如图92所示,RC环形多

4、谐振荡器由3个非门（G1、G2、G3）、两个电阻（R、RS）和一个电容C组成。电阻RS是非门G3的限流保护电阻,一般为100左右；R、C为定时器件,R的值要小于非门的关门电阻,一般在700 以下,否则,电路无法正常工作。此时,由于RC的值较大,从u2到u4的传输时间大大增加, 基本上由RC的参数决定,门延迟时间tpd可以忽略不计。1G11G21G3u2u3uou4u1CRRS图92 RC环形多谐振荡器.工作原理设电源刚接通时,电路输出端uo为高电平,由于此时电容器C尚未充电,其两端电压为零,则u2、u4为低电平。电路处于第1暂稳态。随着u3高电平通过电阻R对电容C充电,u4电位逐渐升高。当u4

5、超过3的输入阀值电平UTH时,G3翻转,u0u1变为低电平,使G1也翻转,u2变为高电平,由于电容电压不能突变,u4也有一个正突跳,保持G3输出为低电平,此时电路进入第2暂稳态。随着u2高电平对电容C并经电阻R的反向充电,u4电位逐渐下降,当u4低于UTH时,G3再次翻转,电路又回到第1暂稳态。如此循环,形成连续振荡。电路各点的工作波形如图93所示。t0uotu20tu30t0u4UTH-UTHUOLUOHUOH+UTH-UOHt1t2 图93 RC环形多振荡器工作波形b.脉冲宽度tW及周期T的估算脉冲宽度分为充电时间（tW1）和放电时间（tW2）两部分,根据RC电路的基本工作原理,利用三要素

6、法,可以得到充电时间tW1: tW1lnRCln 同理,求得放电时间tW2: tW2lnRCln 其中: RC,UOH和UOL分别为非门输出的高电平电压和低电平电压。设UOH3V、UOL0.3V、UTH1.4V,故脉冲周期T TtW1tW20.6RC1.3RC1.9RC 从以上分析看出,要改变脉宽和周期,可以通过改变定时元件R和C来实现。c.改进形式1G11G21G3uoRCReT+VCC由于电阻R不能取得过大（700以下）,这就限制了频率的调节范围。如果在环形振荡器中增加一级射级跟随器,可使R的可调范围增大,在图94所示电路中,R的取值可以达到10K,若将晶体三极管 改为均效应管,R的取值可

7、以达到20M,这样,振荡频率的调节范围就很宽。图94 改进的RC环形多谐振荡器(2) CMOS门电路构成的多谐振荡器由于CMOS门电路的输入阻抗高(108),对电阻R的选择基本上没有限制,不需要大容量电容就能获得较大的时间常数,而且CMOS门电路的阀值电压UTH比较稳定,因此常用来构成振荡电路,尤其适用于频率稳定度和准确度要求不太严格的低频时钟振荡电路。电路组成及工作原理图95所示为一个由CMOS反相器与R、C元件构成的多谐振荡器。接通电源VDD后,电路中将产生自激振荡,因RC串联电路中电容C上的电压随电容充放电过程不断变化,从而使两个反相器的状态不断发生翻转。ui1uo2uo11G11G2u

8、i2RC图95 CMOS多谐振荡器接通电源后,假设电路初始状态ui10,门G1截止,u011,门G2导通,u020,这一状态称为第1暂稳态。此时,电阻R两端的电位不相等,于是电源经门G1、电阻R和门G2对电容C充电,使得ui1的电位按指数规律上升,当ui1达到门G1的阀值电压UTH时,门G1由截止变为导通,电路发生如下正反馈过程:ui1uo1uo2即门G1导通,门G2截止,u010,u021,这称为电路的第2暂稳态。这个暂稳态也不能稳定保持下去。电路进入该状态的瞬间,门G2的输出电位u02由0上跳ui1uo1uo2至1,幅度约为VDD。由于电容两极极间电位不能突变,使得ui1的电压值也上跳VD

9、D。由于CMOS门电路的输入电路中二极管的钳位作用,使ui1略高于VDD。此时电阻两端电位不等,电容通过电阻R、门G1及门G2放电,使得ui1电位不断下降,当ui1下降到UTH时,电路发生如下正反馈过程:使得门G1截止,门G2导通,即u011,u020,电路发生翻转,又回到第1暂稳态。此后,电容C重复充电、放电,在输出端即获得矩形波输出。工作波形见图96。0tuo10tui10UTHVDD+VF-VFtuo2Ttw1tw2t1图96 CMOS多谐振荡器工作波形考虑到CMOS门电路输入端钳位二极管的限幅作用,门G1的ui1的值在发生正跳变时峰值不可能超过 VDDVF（其中VF为钳位二极管的导通压

10、降）,发生负跳变时峰值不可能超过VF。振荡周期T和振荡频率f的计算在CMOS电路中,若VF0V,且UTHVDD,则第1暂稳态时间和第2暂稳态时间相等为t,门G2的输出u02为方波。振荡周期:T2t2RCln2RCln2RCln21.4RC 振荡频率f【例91 】 在图95的CMOS多谐振荡器中,已知VDD10V,UTH5V,VF1V,R100K,C0.001f, 试计算电路的振荡频率。解: TtW1tW2RClnRCln100×103×0.001×106×ln100×103×0.001×106×ln1.577

11、15;104(S) 振荡频率f6.3(KHz) 石英晶体多谐振荡器在多谐振荡器中,输出信号振荡频率的稳定性主要由电路达到转换电平的时间来决定。由于转换电平受温度变化有一些影响,受外界干扰后,电路转换时间发生变化的影响及电容充放电速度变缓后,转换电平微小变化对振荡周期的影响等原因,使电路振荡频率稳定性较差,因此,在对频率稳定性要求较高的数字 设备系统中,需要稳频措施。其常用方法是在多谐振荡器的反馈回路中串进石英晶体,构成石英晶体振荡器,如图97所示。图中,R1.、R2保证G1.、G2正常工作,电容器C1、C2起到频率微调及耦合的作用。1G11G2R1R2C1C2uo图97 石英晶体多谐振荡器石英

12、晶体具有很好的选频特性如图98所示。把石英晶体对称接入反馈回路后,只有当信号频率为晶体固有的谐振频率f0时,晶体的等效阻抗最小,信号最容易通过,而其他频率的信号均被晶体严重衰减。因此,电路的振荡频率只取决于与晶体结构有关的谐振频率f0,与R和C的大小无关,所以,它的输出信号频率稳定度很高。在调试使用中,若因故停振,可以适当调节R1、R2。fX0fo电容性电感性图98 石英晶体阻抗频率特性9.2 单稳态触发器单稳态触发器就是只有一个稳态和一个暂稳态的触发器。所谓稳态是在无外加信号的情况下,电路 能长久保持的状态,稳态时,电路中电流和电压是不变的。暂稳态是一个不能长久保持的状态,暂稳态期间,电路中

13、一些电压和电流会随着电容器的充电和放电发生变化。单稳态的触发器的特点是：没有外加触发信号的作用,电路始终处于稳态；在外加触发器信号的作用下,电路能从稳态翻转到暂稳态,经过一段时间后,又能自动返回原来所处的稳态。电路处于暂稳态的时间通常取决于RC电路的充、放电的时间,这个时间等于单稳态触发器输出脉冲的宽度tW,与触发信号无关。所以,单稳态触发器在外加触发脉冲信号的作用下,能够产生具有一定宽度和一定幅度的矩形脉冲信号。 单稳态触发器属于脉冲整形电路,常用于脉冲波形的整形,定时和延时。单稳态触发器可以由TTL或CMOS门电路与外接RC电路组成,也可以通过单片集成单稳态电路外接RC电路来实现。其中RC

14、电路称为定时电路。根据RC电路的不同接法,可以将单稳态触发器分为微分型和积分型两种。9.2.1 CMOS门电路构成的微分型单稳态触发器(1) 电路的组成图99所示为CMOS或非门组成的单稳态触发器电路,由两个或非门和RC电路连接而成。门G1的一个输入端作为整个电路的信号输入ui1,门G2的输出端作为整个电路的信号输出u02,RC环节构成微分电路,故称为微分型单稳态触发器。+VDDui1uo2Ruo11G1ui2C1G2图99 CMOS或非门微分型单稳态触发器 (2)工作原理假定CMOS或非门的电压传输特性曲线为理想化折线,即开门电平VON和关门电平VOFF相等,这个理想化的开门电平或关门电平称

15、为阀值电压UTH（一般UTHVDD）,当输入uiUTH时,输出uo0；当uiUTH时, uoVDD1。 稳态接通电源,无触发信号（ui10）,电路处于稳态,电源VDD 通过电阻R对C充电达到稳态值, 故ui2VDD1,门G导通,输出uo20,门G1截止,输出uo1VDD1,电容C上的电压为0。 外加触发信号到来,电路由稳态翻转到暂稳态当外加触发信号ui1正跳变,使uo1由1跳到0时,由于RC电路中电容C上电压不能突变,因此,ui2也由 1跳变到0,使门G2输出由0变1,并返送到门G1的输入。这时输入信号ui1高电平撤消后,uo1仍维持为低电平,这一过程可描述为:ui1uo1uo2ui2然而,这

16、种状态是不能长久保持的,故称为暂稳态。 由暂稳态自动返回稳态在暂稳态期间,电源VDD通过电阻R和门G1的导通工作管对电容C充电。随着充电的进行,ui2逐渐上升,当ui2UTH时,电路发生下述正反馈（设此时触发脉冲已消失）:ui2uo2uo1C充电这一正反馈过程使电路迅速返回到门G1截止、门G2导通的稳定状态。最后u01VDD,u020,电路退出暂稳态,回到稳态。值得注意的是,u01由0跳变到VDD ,由于电容电压不能突变,按理ui2也应由UTH上跳到UTHVDD,但CMOS门电路的内部输入端有二极管限幅保护电路,因此ui2只能跃升到VDD0.6V。暂稳态结束后,电容C通过电阻R经门G1的输出端

17、和门G2的输入端保护二极管放电,使ui2 恢复到稳态时的初始值VDD。根据以上分析,画出电路各点的工作波形如图910所示。tui10VDDVDDtuo10ui2VDD0UTHVDD+0.6Vtuo20t1t2tWtre图910 CMOS微分型单稳态电路工作波形 (3)主要参数计算 输出脉冲宽度tW从电路的工作过程可知,输出脉宽tW是电容器C的充电时间。设电容C充电起点（即t1时刻）为0时刻,则有 ui2(0+)0,ui2()VDD,RC, ui2(tW)UTHVDD根据RC电路暂态过程全响应公式 ui2(tW)ui2()ui2(0+)ui2()e可得 tWlnRCln0.7RC 恢复时间tre

18、,从暂态结束到电路恢复到稳态初始值所需时间,即电容C放电时间tre3d 式中: d为电容C放电过程的时间常数。最高工作频率fmax,为保证单稳态电路能正常工作,在第一个触发脉冲作用后,必须等待电路恢复到稳态初始值才能输入第二个触发脉冲。因此,触发脉冲工作最小周期TmintWtre,则电路的最高工作频率为fmax 【例92】 在图99所示电路中,已知:R20k,C0.01F。试求输出脉冲宽度tW。解:根据式（6.36） tW0.7RC0.7×20×103×0.01×106140(S) 9.2.2 CMOS门电路构成的积分型单稳态触发器(1) 电路组成积分型

19、单稳态触发器如图911所示,是由两个CMOS或非门组成。门G1和门G2采用RC积分电路耦合, ui1加至门G1和门G2输入端。ui1+VDDRCuo2uo11G1ui21G2图911 CMOS或非门积分型单稳态触发器(2) 工作原理 稳态当电路的输路,入ui1为高电平时,电路处于稳态,门G1、G2均导通,uo1、ui2、uO2均为低电平。 暂稳态当输入信号ui1下跳为低电平时,门G1截止,uO1则跳变为高电平,但由于电容C上电压不能突变,ui2仍为低电平,故门G2亦截止,u02正跳变到高电平,电路进入暂稳态。 暂稳态自动恢复到稳态在门G1、门G2截止时,由于电阻R两端电位不等,电容C通过R0（

20、门G1的输出电阻）和R放电,ui2逐渐上升,当升高到该门的阀值电压UTH时（假定ui1仍为电平）,门G2导通,u02变为低电平。当ui1回到高电平后,门G1导通,uO1为低电平,此时电容充电,电路恢复到原来的稳定状态。电路各点的工作波形如图912所示(3) 参数计算 脉冲宽度tW tW的估算公式和微分型电路相同 tWRCln0.7RC 这种电路要求输入信号ui1的脉冲宽度（低电平时间）应大于输出脉宽tW。 恢复时间tre tre3RC 微分型单稳态触发器要求窄脉冲触发,具有展宽脉冲宽度的作用,而积分型单稳态触发器则相反, 需要宽脉冲触发,输出窄脉冲,故有压缩脉冲宽度的作用。在积分型单稳态触发电

21、路中,由于电容C对高频干扰信号有旁路滤波作用,故与微分型电路相比, 抗干扰能力较强。由于单稳态触发器在数字系统中的应用日益广泛,所以有集成单稳态触发器产品,同上面介绍的CMOS单稳态电路一样,其正常工作时,需外接阻容元件。在此不再详细介绍。ui1t0tuo10tuo20twtui20UTH 图912 CMOS积分型单稳态电路工作波形9.2.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器可用于脉冲信号的:定时(即产生一定宽度的矩形脉冲波)、整形(即把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的脉冲)、延时(即将输入信号延迟一定的时间之后输出)。(1)定时由于单稳态触发器能产生一定宽度tW的矩形脉冲,利用它可定时开、

22、闭门电路,也可定时控制某电路的动作。如图913所示,ui1只有在矩形波ui3存在的时间tW内才能通过。ui2uoui1&单稳态电路ui3tui20tui30tWtui10tuo0图913 单稳态触发器的定时作用(2)整形假设有一列不规则的脉冲信号,将这一列信号直接加至单稳态触发器的触发输入端,在其输出端就 可以得到一组定宽、定幅较规则的矩形脉冲信号,如图914所示。(3)延时:单稳态触发器在输入信号ui触发下,输出u0产生一个比ui延迟tW的脉冲波,这个延时作用可被适当地应用于信号传输的时间配合上。tuo0tui0图914 单稳态触发器的整形作用9.3 施密特触发器施密特触发器是一种双

23、稳态触发电路,输出有两个稳定的状态,但与一般触发器不同的是:施密特触发器属于电平触发；对于正向增加和减小的输入信号,电路有不同的阀值电压UT和UT,也就是引起输出电平两次翻转(10和01)的输入电压不同,具有如图626（a）、(c)所示的滞后电压传输特性,此特性又称回差特性。所以,凡输出和输入信号电压具有滞后电压传输特性的电路均称为施密特触发器。施密特触发器有同相输出和反相输出两种类型。同相输出的施密特触发器是当输入信号正向增加到UT时,输出由0态翻转到1态,而当输入信号正向减小到UT时,输出由1态翻转到0态；反相输出只是输出状态转换时与上述相反。它们的回差特性和逻辑符号如图915所示。1 u

24、iuouiuo0uoHuoLUT-UT+（a）同相输出的回差特性 （b）同相输出的逻辑符号1 uiuouiuo0uoHuoLUT-UT+ (c)反相输出的回差特性 （d）反相输出的逻辑信号图915 施密特触发器的回差特性和逻辑符号施密特触发器具有很强的抗干扰性,广泛用于波形的变换与整形。门电路、555定时器、运算放大器等均可构成施密特触发器,此外还有集成化的施密特触发器。下面介绍由门电路构成的同相输出的施密特触发器。1. CMOS门电路构成的施密特触发器(1) 电路组成如图916所示,由二个CMOS反相器及两个电阻R1和R2构成一个施密特触发器。R1ui1uouo11G11G2R2ui 图91

25、6 CMOS门构成的施密特触发器(2) 工作原理设电路输入端ui输入一个三角波,其波形如图628所示。当ui0时,门G1截止,输出高电平,门G2导通,输出低电平,此低电平通过电阻R2反馈到输入端, 使门G1输入端ui1保持低电平,此时施密特触发器保持输出信号uo为低电平的稳态,电路进入第稳态。Ui逐渐上升, ui1也随着上升,但只要其小于CMOS门电路的开启电压UT,电路就保持在第稳态。当ui上升到使ui1等于UT时,在电路中引起如下正反馈连锁反应uiui1uouo1在此连锁反应的作用下,门电路的状态发生翻转,使门G1导通,输出低电平,G2截止,输出高电平,电路进入第稳态。以后,即使ui继续上

26、升,只要满足ui1大于CMOS门电路的开启电压UT,电路就保持在第稳态。若ui由VDD下降,ui1也下降,当ui1降至UT时,在电路中再次发生正反馈连锁反应uiui1uouo1在此连锁反应的作用下,电路重新进入门G1截止、门G2导通的状态,电路输出为低电平,再次翻转到 第稳态。若电路已处于第稳态,则ui继续下降,施密特触发器仍维持第稳态不变。在输入ui三角波形的作用下,门G1输出波形uo1及门G2输出波形uo如图917所示。tui0UT+UT-VDDtuo10tuo0稳态稳态稳态图917 施密特触发器工作波形(3) 回差特性通过以上的工作原理分析可以看到有一个重要的现象,即在输入电压上升过程中

27、,电路由第稳态 翻转到第稳态所要求的输入电压UT与输入电压下降过程中电路由第稳态回到第稳态所要求的输入电压UT是不相同的,这种现象称回差（或滞后）现象,称UT为正向阀值电压（或称接通电平）,UT为负向阀值电压（或称断开电平）,它们之间的差值UUTUT称作回差电压（或称滞后电压）,简称回差。UT的计算在ui上升过程中,由下面的计算式可求得能使施密特触发器翻转的输入电压ui,也就可求得UT: ui1×R2uo×R2UTCMOS门输出低电平约为0V,uo0V, UT就是符合上式要求的ui值:UTui(1)UT UT的计算在ui下降过程中,由下面的计算式可求得能使施密特触发器翻转的

28、输入电压ui,也就可求得UT: ui1×R2uo×R2VDDUT CMOS门输出高电平约为VDD,uoVDD, UT就是符合上式要求的ui值:UTui(1)UTVDD U的计算 UUTUTVDD )根据上面的分析,可以知道施密特触发器的回差U,可以通过改变R1、R2阻值来调节。 2. 施密特触发器的应用施密特触发器的应用十分广泛,不仅可以应用于波形的变换、整形、展宽,还可应用于鉴别脉冲幅度、构成多谐振荡器、单稳态触发器等。(1)波形的变换施密特触发器能够将变化平缓的信号波形变换为较理想的矩形脉冲信号波形,即可将正弦波或三角波变换成矩形波。图918所示为将输入的正弦波转换为矩

29、形波,其输出脉宽tW可由回差U调节。tui0UT+tuo0UT-图918 施密特触发器的波形变换作用(2)波形的整形在数字系统中,矩形脉冲信号经过传输之后往往会发生失真现象或带有干扰信号。利用施密特触发器可以有效的将波形整形和去除干扰信号（要求回差U大于干扰信号的幅度）。如图919所示.t0tui0UT+UT-uotw图919 施密特触发器的波形整形作用 (3) 幅度鉴别如果有一串幅度不相等的脉冲信号,我们要剔除其中幅度不够大的脉冲,可利用施密特触发器构成 脉冲幅度鉴别器,如图920所示,可以鉴别幅度大于UT的脉冲信号。tui0tuo0UT+UT- 图920 施密特触发器的鉴幅作用(4) 构成

30、多谐振荡器施密特触发器的特点是电压传输具有滞后特性。如果能使它的输入电压在UT与UT之间不停地往复变化,在输出端即可得到矩形脉冲,因此,利用施密特触发器外接RC电路就可以构成多谐振荡器,电路如图921（a）所示。(a) (b)图621 反相输出的施密特触发器构成多谐振荡器及其工作波形工作过程:接通电源后,电容C上的电压为0,输出u0为高电平,u0的高电平通过电阻R对C充电,使uc上升,当uc到达UT时,触发器翻转,输出u0由高电平变为低电平。然后C经R到u0放电,使uc下降,当uc下降到UT时,电路又发生翻转,输出u0变为高电平,u0再次通过R对C充电,如此反复,形成振荡。工作波形如921（b

31、）所示。【例93 】 在图921(a)中,已知:VDD10V,UT6V, UT3V,C0.01f,R5K。试计算其输出电压uo的振荡周期。解:根据图921(b)的波形图,设电容C充电时间为tW1、放电时间为tW2,则振荡周期T为: TtW1tW2RClnRCln50×103×0.01×106(lnln)6.26×105(s) (5) 施密特触发器构成单稳态触发器.利用施密特触发器的回差特性,可以很方便的构成单稳态触发器,电路如图922（a）所示.工作过程:当ui0时,uR0, uo0,电路进入稳态。当ui正跳变时,由于电容C上的电压不能突变,uR也上跳与

32、ui相同的幅值,一旦超过正向阀值电压UT ,输出就翻转为高电平,电路进入暂稳态。此时,由于电阻R两端电位不等,C通过R对地放电,使uR下降,当降至UT时,电路又将自动翻转,uO0,回到稳态。工作波形如图922（b）所示。uRRC1 uouituR0tui0uT+uT-tuo0tw(a) (b)图922 施密特触发器构成单稳态触发器及其工作波形输出脉冲宽度tW与U有关, U越小,则脉宽越窄；反之, U越大,则脉宽越大。9.4 集成555定时器定时器是大多数数字系统的重要部件之一。555定时器是一种多用途的中规模单片集成电路,它由美国Sginetics公司于1977年最早开发研制的。它是将模拟功能

33、和逻辑功能巧妙地结合在一起,具有功能强大、使用灵活、应用范围广等优点,广泛地用于工业控制、家用电器、电子玩具乐器、数字设备等方面,俗称“万能块”。555定时器不但本身可以组成定时电路,而且只要外接少量的阻容元件,就可以很方便地构成多谐振荡器、单稳态触发器以及施密特触发器等脉冲的产生与整形电路。555集成定时器按内部器件类型可分双极型（TTL型）和单极型（CMOS型）。 TTL型产品型号的最后3位数码是555或556,CMOS型产品型号的最后4位数码都是7555或7556,它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。555芯片和7555芯片是单定时器,556芯片和7556芯片是双定时器。TTL型的定时

34、器静态功耗高,电源电压使用范围为515V；CMOS型的定时器静态功耗较低,输入阻抗高,电源电压使用范围为318V,且在大多数的应用场合可以直接代换TTL型的定时器。下面以CMOS型的CC7555定时器为例予以介绍。9.4.1 555定时器的电路结构如图923（a）、（b）、（c）所示分别为CC7555定时器内部逻辑电路结构图、符号、外管脚分布图。外部有八个管脚,各管脚的名称如图中所示。由图923（a）可看出,7555定时器由三部分组成:输入比较电路、基本RS触发器和N沟道场效应管。111111 VDDRRRA1A2G0G1G2G3G4G5VU1U1U2U2RSQQQQ阈值输入端TH电压控制端C

35、O触发输入端TR地GND放电端D输出端OUT直接复位端RD(a)8 476 7555 321 5GNDCOOUTTRTHD+VDDRDTHD+VDDOUTRDTRGNDCO8 7 6 57555 1 2 3 4 (b) (c)图923 CC7555集成定时器1. 输入比较电路由3个等值分压电阻R（一般为5k，故称555定时器）和两个高、低电压比较器A1、A2组成。3个电阻对VDD分压,使A1的“”端电压U1VDD,A2的“”端电压U2VDD。当阀值输入端TH的电压超过VDD时,则A1输出高电平,使基本RS触发器翻转,Q0。而当触发输入端的电压低于VDD时,A2输出高电平,使基本RS触发器翻转,

36、Q1。2 基本RS触发器由两个或非门G1、G2组成。当R端置1时,触发器置0,输出端OUT为0；当S端置1时,触发器置1,输出端OUT为1。当直接复位端加低电平时,不管其它输入状态如何,触发器直接置0,输出端OUT为0；不使用时,应将此端接高电平。G3、G4、G5的作用是输出缓冲,提高电路的驱动能力。3. 场效应管VV是一个由NMOS管构成的放电开关,状态受RS触发器输出的控制。1时,V导通,为外接的电容提供放电通路；0,V截止。CC7555定时器的逻辑功能表如表62所示。 集成定时器应用举例 利用集成定时器,可以组成多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器。1. 用CC7555定时器构成多谐振

37、荡器(1) 电路组成用CC7555定时器构成的多谐振荡器如图924（a）所示。其中电容C经R2、定时器的场效应V构成放电回路,而电容C的充电回路却由R1和R2串联组成。为了提高定时器的比较电路参考电压的稳定性,通常在5脚与地之间接有0.01F的滤波电容,以消除干扰。 表91 CC7555定时器的逻辑功能表阈值输入TH触发输入直接复位输出OUT放电管V××00导通VDD1VDD110导通VDD0VDD011断开VDD0VDD11不变不变VDD1VDD01不 允 许 (2）工作原理电源VDD刚接通时,电容C上的电压uc为零,电路输出u0为高电平,放电管V截止,处于第1暂稳态。之

38、后VDD经R1和R2对C充电,使uc不断上升,当uc上升到ucVDD时,电路翻转置0,输出u0变为低电平, 此时,放电管V由截止变为导通,进入第2暂稳态。C经R2和V开始放电,使uc下降,当ucVDD时,电路又翻转置1,输出u0回到高电平,V截止,回到第1暂稳态。然后,上述充、放电过程被再次重复,从而形成连续振荡。工作波形如图635（）所示。8 476 7555 321 5R1R2ucC+VDDuo0.01µFtuo0tw2tw1tuc0T (a) (b)图924 用CC7555构成的多谐振荡器及工作波形(3)主要参数的计算输出高电平的脉宽tW1为C充电所需的时间 tW1（R1R2）

39、ln0.7（R1R2）C 输出低电平的脉宽tW2为C放电所需的时间tW2R2Cln0.7R2C 振荡周期 TtW1tW20.7(R12R2)C 振荡频率 f 空比 q50%2.用CC7555定时器构成单稳态触发器（1） 电路组成用CC7555构成的具有微分环节的单稳态触发器如图925（a）所示。R和C为定时元件,0.01µF电容为滤波电容。(2) 工作原理稳态当输入信号ui为高电平时,接通电源后,VDD首先通过R对C充电,使uc上升,当ucVDD时,触发器置0,输出u0为低电平,放电管V导通,此后,C又通过V放电,放电完毕后,uc和u0均为低电平不变,电路进入稳态。8 476 755

40、5 321 5R+VDDucCuo0.01µFuitui0tuc0tuo0tw (a) (b) 图925 用CC7555构成单稳态触发器及工作波形暂稳态当触发脉冲ui的负窄脉冲触发后,由于uiVDD,触发器被置1,输出u0为高电平,放电管V截止,电路进入暂稳态,定时开始。暂稳态自动到恢复稳态 VDD通过R向C充电,电容C上的电压uc按指数规律上升,趋向VDD。当ucVDD时,触发器置0,输出u0为低电平,放电管V导通,定时结束。电容C经V放电,uc下降到低电平,u0维持在低电平,电路恢复稳态。当第二个触发信号到来时,重复上述工作过程。其工作波形如图925b）所示。(3) 输出脉宽tW

41、的计算: 输出脉宽tW等于电容C上的电压uc从零充到VDD所需的时间。tWRCln1.1RC 可以看出,输出脉宽tW仅与定时元件R、C值有关,与输入信号无关。但为了保证电路正常工作,要求输入的触发信号的负脉冲宽度小于tW,且低电平小于VDD。3. 用CC7555定时器构成施密特触发器(1)电路组成将7555定时器的第2脚和第6脚短接并作为信号输入端,则定时器就具有施密特触发器的功能,电路如图926（）所示。8 46 32 75551 5UCO+VDDuiuotuo0tui0 (a) (b)图926 用CC7555定时器构成施密特触发器及工作波形(2) 工作原理设在电路的输入端输入三角波。接通电源后,输入电压ui较低,使6管脚电压VDD,2管脚电压VDD,触发器置1,输出u0为高电平,放电管V截止。随输入电压ui的上升,当满足VDDuiVDD时,电路维持原态。当uiVDD时,触发器置0,输出u0为低电平,放电管V导通,电路状态翻转。可见,该施密特触发器的正向阀值电压UTVDD。 当输入电压uiVDD,经过一段时间后,逐渐开始下降,当VDDuiVDD时,电路仍维持不变的 状态,输出u0为低电平。当uiVDD时,触发器置1,输出u0变为高电平,放电管V截止。可见,该电路负向阀值电压UTVDD,