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1、第 7 章脉冲产生与整形电路,555 定时器的电路结构及其逻辑功能,7.1 概 述,Um,tr,tf,T,tW,脉 冲 幅 度 Um：脉冲上升时间 tr：脉冲下降时间 tf：脉 冲 宽 度 tW：脉 冲 周 期 T：脉 冲 频 率 f：占 空 比 q：,脉冲电压变化的最大值,脉冲波形从 0.1Um 上升到 0.9Um 所需的时间,脉冲上升沿 0.5Um 到下降沿 0.5Um 所需的时间,脉冲波形从 0.9Um 下降到 0.1Um 所需的时间,周期脉冲中相邻两个波形重复出现所需的时间,1 秒内脉冲出现的次数 f=1/T,脉冲宽度 tw 与脉冲周期 T 的比值 q=tw/T,一、脉冲波形的主要参数
2、,主要用以将缓慢变化或快速变化的非矩形脉冲变换成陡峭的矩形脉冲。,常用的有施密特触发器和单稳态触发器。,获取脉冲信号的方法,脉冲信号产生与整形电路的实现,是一种多用途集成电路，只要外接少量阻容元件就可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等，使用方便、灵活，应用广泛。,施密特触发器,单稳态触发器,主要用以将宽度不符合要求的脉冲变换成符合要求的矩形脉冲。,二、脉冲信号产生与整形的方法,主要要求：,了解 555 定时器的电路结构，掌握其符号和功能。,7.2 555 定时器的电路结构及其逻辑功能,了解 555 定时器的电路结构，掌握其符号和功能。,555 定时器简介,555 定时器是一种电路结构
3、简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。它的电源电压范围宽(TTL 555 定时器为 5 16 V，CMOS 555 定时器为 3 18 V)，可提供与 TTL 及 CMOS 数字电路兼容的接口电平，还可输出一定功率，驱动微电机、指示灯、扬声器等。TTL 单定时器型号的最后 3 位数字为 555，双定时器的为 556；CMOS 单定时器的最后 4 位数为 7555，双定时器的为 7556。它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。,7.2.1 555 定时器的电路结构,555 定时器的电路结构与符号,555 定时器的电路结构与符号,定时器 CC7555 的工作原理,7.2.2 555 定时器的逻
4、辑功能,定时器 CC7555 的功能表,7.2.2 555 定时器的逻辑功能,7.3 施密特触发器,7.3.1 施密特触发器的逻辑符号和电压传输特性,Schmitt Trigger,一、施密特触发器的逻辑符号,二、施密特触发器的传输特性,UT=,UT+-UT-,回差电压,施密特触发器工作特点,正向阈值电压,负向阈值电压,当 uI 从小增大时，经过 UT+处才能使输出发生跃变。,7.3.2 用 555 定时器组成施密特触发器,一、电路组成,二、工作原理,二、工作原理,二、工作原理,555 定时器的功能表,电压传输特性为反相输出的滞回特性,UT+=(2/3)VDD UT-=(1/3)VDD回差电压
5、：UT=UT+-UT-=(1/3)VDD,三、传输特性,7.3.3 集成施密特触发器,一、TTL集成施密特触发器,TTL 集成施密特触发门电路一些重要参数的典型值,TTL 施密特触发器的特点,(1)可将变化缓慢的信号变换成上升沿和下降沿都很陡直的脉冲信号。(2)具有阈值电压和回差电压温度补偿。(3)具有很强的抗干扰能力。,7.3.3 集成施密特触发器,二、CMOS 集成施密特触发器,CMOS 施密特触发门电路一些重要参数,CMOS 集成施密特触发器的特点,(1)可将变化缓慢的信号变换成上升沿和下降沿都很陡直的脉冲信号。(2)在电源电压VDD一定时，触发阈值电压稳定，但其值会随VDD变化。(3)
6、电源电压VDD变化范围宽，输入阻抗高，功耗极小。(4)抗干扰能力很强。,一、脉冲波形变换,将三角波、正弦波和其他不规则信号变换成矩形脉冲。,当 uI UT+后，uO=UOL；当 uI下降到小于 UT-时，uO 才跃变到 UOH。,当 uI UT-后，uO=UOH；当 uI 上升到大于 UT+时，uO 才跃变到UOL。,7.3.4 施密特触发器的应用,二、脉冲整形,将受到干扰的或不符合边沿要求的信号整形成较好的矩形脉冲。,三、脉冲幅度鉴别,鉴别并取出幅度大于 UT+的脉冲。,7.4 单稳态触发器,有一个稳态和一个暂稳态。无外触发脉冲输入时，电路处于稳态；在外触发脉冲作用下，电路将从稳态翻转到暂稳
7、态，经一段时间后，电路又自动返回到原来的稳态。,工作特点,暂稳态时间长短取决于电路本身的参数，与外加触发脉冲无关。,Monostable flip-flop,单稳态触发器,7.4.1 用555 定时器组成单稳态触发器,一、电路组成,R、C 为定时元件,二、工作原理,1.稳定状态,接通电源前，uC 0V。接通电源后 VDD 经 R 向 C 充电，使 uC 上升。,2.触发进入暂稳态,二、工作原理,3.自动返回稳定状态,二、工作原理,UOL,例 用上述单稳态电路输出定时时间为1 s 的正脉冲，R=27 k，试确定定时元件 C 的取值。,三、输出脉冲宽度的计算,输出脉冲宽度 tW 即为暂稳态维持时间
8、，主要取决于充放电元件 R、C。,该电路为不可重复触发单稳，且要求输入负脉宽小于输出脉宽 tW。,解：,因为 tW 1.1 RC,故可取标称值 33 F。,估算公式 tW 1.1 RC,四、具有 RC 输入微分电路的单稳态触发器,集成单稳态触发器,暂稳态期间如再次被触发，对原暂稳态时间无影响，输出脉冲宽度 tW 仍从第一次触发开始计算。,暂稳态期间如再次被触发，输出脉冲宽度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽 tW。,7.4.2 集成单稳态触发器,单稳工作波形举例,暂稳态期间不能再次触发。,暂稳态期间能再次触发。其输出脉宽将在原暂稳态时间基础上再展宽 tW。,一、非重复触发单稳态触发器,1.电路组
9、成与逻辑符号,一、非重复触发单稳态触发器,1.电路组成与逻辑符号,有 3 个触发信号输入端，TR-A和 TR-B 用负脉冲触发，TR+用正脉冲触发。,有 2 个互补输出端,RI CX RX/CX,不可重复触发型单稳的限定符号,外接定时元件端,“”号表示非逻辑连接，即没有任何逻辑信息的连接，例如外接 R、C 和 VCC 等。,欲负脉冲触发，则将触发脉冲从 TR-A 或 TR-B 加入，而 TR+接 1。,欲正脉冲触发，则将触发脉冲从 TR+加入，而 TR-A 和 TR-B 至少有一接0。,2.逻辑功能,在暂稳态期间再次进行触发时，对暂稳态时间没有影响。,3.输出脉冲宽度的计算,二、可重复触发单稳
10、态触发器,1.逻辑符号,CT74HC123由两个独立的可重复触发单稳组成。,2.逻辑功能,2.逻辑功能,3.输出脉冲宽度的估算,可重复触发单稳态触发器 CC74HC123 的输出脉冲宽度 tW 可用下式估算 tW RC,对于单稳态触发器 CT74LS123，在电容 C 1000pF时，其输出脉冲宽度 tW 可用下式估算 tW 0.45RC,二、脉冲定时,一、脉冲整形,由于单稳态触发器可产生宽度和幅度都符合要求的矩形脉冲，因此，可利用它来作定时电路。,7.4.3 单稳态触发器的应用,脉冲信号经过长距离传输后，其边沿会变差或叠加了某些干扰，这时可利用单稳态触发器进行整形。将这些受到干扰的脉冲信号加
11、到单稳态触发器的输入端，输出便可得到符合要求的矩形脉冲。,二、脉冲定时,某生产线上有3道加工工序，要求第 1 道工序加工10s，第 2 道工序加工 20s，第 3 道加工工序加工 30s。当要求对这 3 道工序的加工进行自动控制时，则可用 3片集成单稳态触发器 CT74121 串接起来实现。,二、脉冲定时,某生产线上有3道加工工序，要求第 1 道工序加工10s，第 2 道工序加工 20s，第 3 道加工工序加工 30s。当要求对这 3 道工序的加工进行自动控制时，则可用 3片集成单稳态触发器 CT74121 串接起来实现。,若已知 Rext=10 k，Cext=1 F则可得 tW 0.7 Re
12、xtCext=7 ms,三、脉冲展宽,7.5 多谐振荡器,即矩形脉冲产生电路，由于矩形脉冲含有丰富的谐波分量，故常称多谐振荡器。,(1)不需输入信号。(2)无稳定状态，只有两个暂稳态。,通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，输出周期性的矩形脉冲信号。,工作特点,Astable Multivibrator,多谐振荡器,7.5.1 用 555 定时器组成多谐振荡器,一、电路组成,二、工作原理,UOH,二、工作原理,UOL,二、工作原理,二、工作原理,电容 C 如此循环充电和放电，使电路产生振荡，输出矩形脉冲。,周期估算,tW1 0.7(R1+R2)C tW2 0.7 R2C
13、T=tW1+tW2 0.7(R1+2R2)C,三、占空比可调的多谐振荡器,充电回路为 VDD 经R1、VD1 对 C 充电，时间常数为 R1C。放电回路为 C 经VD2、R2和放电管 V 放电，时间常数为R2C。,占空比估算,tW1 0.7 R1C tW2 0.7 R2C,三、占空比可调的谐振荡器,三、占空比可调的谐振荡器,振荡频率稳定,由石英晶体的阻抗频率特性可知，只有外加信号的频率 f 和石英晶体的固有谐振频率 f0 相同时，石英晶体才呈现极低的阻抗，而在其他频率时，则呈现很高的阻抗。因此，石英晶体具有很好的选频特性。,7.5.2 石英晶体多谐振荡器,一、石英晶体的选频特性,电阻RF1、R
14、F2用于确定反相器 G1 和 G2 的工作点，使其工作在放大区，有利于电路起振。对于TTL反相器，RF1 和 RF2 通常取0.7 2 k；对于CMOS 反相器，RF1和RF2 通常取10 100 M，电容 C1 和 C2 为G1和G2间的耦合电容，在频率为 f 0时，它们呈现的容抗极小，可忽略不计，使G1和G2之间形成正反馈环路。,7.5.2 石英晶体多谐振荡器,二、石英晶体多谐振荡器,1.对称石英晶体多谐振荡器,由于石英晶体接在 G1 和 G2 两级反相器之间，且具有很好的选频特性，因此，在接通电源后，对频率为 f 0 的信号非常容易通过石英晶体而产生频率为f0 的自激振荡。反相器 G3用
15、于整形，使输出 uO 的波形更接近于矩形脉冲，G3还具有缓冲隔离作用，也提高了负载能力。,7.5.2 石英晶体多谐振荡器,二、石英晶体多谐振荡器,1.对称石英晶体多谐振荡器,电阻R1、R2 用以使反相器工作在放大区。对于 TTL 反相器R1 和 R2 通常取0.7 2 k；对于CMOS 反相器，R1 和 R2 通常取10 100 M。C 1为反相器 G1 和 G2 之间的耦合电容，使 G1 和 G2 之间形成正反馈环路，对于频率为 f0 的信号，其呈现的容抗极小，可忽略不计。,7.5.2 石英晶体多谐振荡器,二、石英晶体多谐振荡器,2.串联石英晶体振荡器,在电路接通电源后，G2 输出频率为 f
16、 0 的信号很容易通过石英晶体形成很强的正反馈而产生自激振荡。G3 用以整形，使输出 uO 的波形更接近于矩形脉冲，并具有缓冲隔离和提高负载能力的作用。,7.5.2 石英晶体多谐振荡器,二、石英晶体多谐振荡器,2.串联石英晶体振荡器,RF为反馈电阻，使反相器 G1 工作在电压传输特性的过渡区，RF常取10 100 M。G1、RF 和石英晶体、C1、C2 构成电容三点式振荡电路。C1、C2 和石英晶体组成形选频网络，对于频率为 f0 的信号选频能力最强，很易通过石英晶体而产生自激振荡。反馈系数取决于 C1 和 C2 的比值，C1 还可微调振荡频率。反相器 G2 用以整形，使输出 uO 为矩形脉冲
17、，并可隔离外接负载对振荡电路的影响。,7.5.2 石英晶体多谐振荡器,二、石英晶体多谐振荡器,3.并联石英晶体振荡器,7.5.2 石英晶体多谐振荡器,二、石英晶体多谐振荡器,3.并联石英晶体振荡器,G1 和 G2 为 CMOS 反相器，电阻 R1 通常取 1 30 M；G1 组成石英晶体多谐振荡器，输出频率 f=32768Hz 的脉冲信号；G2 为整形电路，其输出 32768Hz 的矩形脉冲经 15 级由边沿 D 触发器组成的分频电路后，FF15 的 Q15 端输出稳定度很高的 1Hz 秒脉冲作为计时用的基准信号。,本章小结,555 定时器是一种用途很广的多功能电路，只需外接少量的阻容元件就可
18、很方便地组成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等，使用方便灵活，有较强的驱动负载的能力，获得了广泛的应用。,施密特触发器有两个稳态状态，而每个稳定状态都是依靠输入电平来维持的。当输入电压大于正向阈值电压UT+时，输出状态转换到另一个稳定状态；而当输入电压小于负向阈值电压UT-时，输出状态又返回到原来的稳定状态。利用这个特性可将输入的任意电压波形变换成边沿陡峭的矩形脉冲输出，特别是可将边沿变化缓慢的信号变换成边沿陡峭的矩形脉冲。,在数字集成电路中有TTL和CMOS施密特触发器。性能优越，其正向阈值电压和负向阈值电压稳定，有很强的抗干扰能力。,施密特触发器具有回差特性，调节回差电压的大小，可改
19、变电路的抗干扰能力。回差电压越大，抗干扰能力越强。,施密特触发器主要用于波形变换成、脉冲整形、幅度鉴别等。,单稳态触发器有一个稳定状态和一个暂稳态，在没有触发脉冲作用时，电路处于稳定状态。在输入触发脉冲作用下，电路进入暂稳态，经一段时间后，自动返回到稳定状态，从而输出宽度和幅度都符合要求的矩形脉冲。输出脉冲宽度取决于定时元件 R、C 值的大小，与输入触发脉冲没有关系。调节 R、C 值的大小，可改变输出脉冲的宽度。,集成单稳态触发器有非重复触发和可重复触发两类，由于其工作稳定性好、脉冲宽度调节范围大、使用方便灵活等优点，是一种较为理想的脉冲整形电路。单稳态触发器主要用于脉冲整形、定时、和展宽等。,在振荡频率稳定度要求很高的情况下，可采用石英晶体多谐振荡器。,多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。依靠电容的充电和放电，使两个暂稳态相互自动交换。因此，多谐振荡器接通电源后便输出周期性的矩形脉冲。改变电容充、放电回路中的 R、C值的大小，便可调节振荡频率。,多谐振荡器主要用作信号源。,555 定时器构成的施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器典型电路为,
