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1、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、
2、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。,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-)。
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、.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
9、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uC
10、0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。
11、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
12、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,。,
13、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
14、。,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
15、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
16、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
17、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;
18、,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
19、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
20、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。
21、,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
22、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
23、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
24、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。,(
25、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,IC155
26、5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
27、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阻阻值。,4、大功率循环彩灯控制电路
28、,当时基电路IC1的脚输出高电平时,双向可控硅SCR1被触发导通,由它控制的一路灯泡点亮;与此同时,IC1脚输出的高电平经二极管D1、电阻R3对电容C3充电,当C3上的充电电压达到23电源电压时,IC2的、脚因处高电位而复位,则IC2的脚转为低电平,双向可控硅SCR2因失去触发电压而关断,它所控制的一路灯泡熄灭;与此同时,因IC2的脚输出低电平,则IC3置位,脚输出高电平,使可控硅SCR3触发导通,它所控制的一路灯泡点亮,而IC3又控制IC1复位,使SCR1控制的灯泡熄灭,从而进行周而复始地循环,实现了彩灯变换。,5、单电源变双电源电路,时基电路555接成无稳态电路,3脚输出频率为20KHz、
29、占空比为1:1的方波。3脚为高电平 时,C4被充电;低电平时,C3被充电。由于VD1、VD2的存在,C3、C4在电路中只充电不放电,充电最大值为EC,将B端接地,在A、C两端就得 到+/-EC的双电源。本电路输出电流超过50mA。,6、直流电机控速电路,这是一个占空比可调的脉冲振荡器。电机M是用它的输出脉冲驱动的,脉冲占空比越大,电机电驱电流就越小,转速减慢;脉冲占空比越小,电机电驱电流就越大,转速加快。因此调节电位器RP的数值可以调整电机的速度。如电极电驱电流不大于200mA时,可用CB555直接驱动;如电流大于200mA,应增加驱动 级和功放级。,图中VD3是续流二极管。在功放管截止期间为
30、电驱电流提供通路,既保证电驱电流的连续性,又防止电驱线圈的自感反电动势损坏功放管。电容C2和电阻R3是 补偿网络,它可使负载呈电阻性。整个电路的脉冲频率选在35千赫之间。频率太低电机会抖动,太高时因占空比范围小使电机调速范围减小。,用555制作的D类放大器,由IC 555和R1、R2、C1等组成100KHz可控多谐振荡器,占空比为50%,控制端5脚输入音频信号,3脚便得到脉宽与输入信号幅值成正比的脉冲信号,经L、C3接调、滤波后推动扬声器。,思考题:计算此多谐振荡器的振荡周期和输出脉冲占空比?,作业:,1.简述555定时器的内部结构和工作原理。2.由555构成的多谐振荡器如何形成两个暂稳态。3.3-2,