第六章--脉冲波形的.ppt

l6.4 单稳态触发器 6.4.1 用555定时器构成(guchng)的单稳态触发器 6.4.2 单稳态触发器的应用l6.5 多谐振荡器 6.5.1 用555定时器构成的多谐振荡器 6.5.2 占空比可调的多谐振荡器 6.5.3 石英晶体多谐振荡器第一页，共四十八页。l内容提要内容提要l本章在介绍矩形波脉冲信号的基础上，着重讲述了应用较广的中规模集成555定时器的电路结构和功能，然后围绕(wiro)着矩形脉冲波的产生和整形，详细介绍了555定时器构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的工作原理及其应用。第二页，共四十八页。6.1 概述概述(i sh)l数字系统中的工作信号一般都是矩形波脉冲信号。矩形波脉冲信号的获取方法通常(tngchng)有两种：一种是利用多谐振荡器直接产生；另一种是利用整形电路对已有的周期性信号整形，使之符合系统要求。l图6.1.1所示为矩形波脉冲信号的实际波形图。图6.1.1 实际(shj)的矩形脉冲波形第三页，共四十八页。l主要参数是：脉冲幅度Vm脉冲电压的最大幅度。l上升时间tr脉冲上升(shngshng)沿从0.1Vm上升至0.9Vm所经历的时间。l下降时间tf脉冲下降沿从0.9Vm下降至0.1Vm所经历的时间。l脉冲宽度tw脉冲前后沿在0.5Vm两点间的时间间隔。l脉冲周期T在周期性脉冲序列中两个相邻脉冲之间的时间间隔。l占空比q脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q=twT。l对于理想矩形波，其上升时间tr和下降时间tf均为零。第四页，共四十八页。6.2 集成集成(j chn)555定定时时器器l555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量(sholing)的阻容元 件就可以构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密 特触发器。因而在波形的产生与变换、测量与控 制等许多领域中都得到了广泛的应用。第五页，共四十八页。l目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555(或5G555)和C7555等多种。通 常，双极型产品型号最后(zuhu)的3位数码都是555，CMOS产品型号的最后4位数码都是7555，它们的 结构、工作原理以及外部引脚排列基本相同。一 般双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS 定时电路具有低功耗、输入阻抗高等优点。第六页，共四十八页。6.2.1 555555定定时时器的器的电电路路(dinl)(dinl)结结构构555定时器的内部电路结构如图6.2.1所示。它由3个阻值为5k的电阻(dinz)组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、集电极开路的放电三极管T以及缓冲器G组成。第七页，共四十八页。图6.2.1 555定时器的内部(nib)电路结构图第八页，共四十八页。6.2.2 555555定定时时器的功能器的功能(gngnng)(gngnng)l555定时器的主要功能(gngnng)取决于比较器，比较器的输 出控制RS触发器和放电三极管T的状态。图中 为复位输入端，当 为低电平时，不管其它输入 端的状态如何，输出vO为低电平。因此在正常工 作时，应将其接高电平。第九页，共四十八页。l由图6.2.1可知(k zh)，当5脚悬空时，比较器C1和C2的基准电压分别为 和 。l（1）当 ，时，比较器 C1输出低电平(=0)，比较器C2输出高电平(=1)，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端vO为低电平。l（2）当 ，时，比较器 C1输出高电平(=1)，比较器C2输出低电平(=0)，基本RS触发器被置1，放电三极管T截止，输出端vO为高电平。第十页，共四十八页。l（3）当 ，时，比较器 C1输出高电平(=1)，比较器C2也输出高电平(=1)，触发器状态不变，电路亦保持(boch)原状态不变。l综合上述分析，可得555定时器的功能表如表6.2.1所示。标标6.2.1 555定定时时器功能表器功能表第十一页，共四十八页。l若控制电压输入端外接固定电压VIC，则比较器C1和C2的基准电压改变为VIC和 ，并进而影响电路的工作状态(zhungti)。这里不再赘述，读者可自行分析。l6.3 施密特触施密特触发发器器l施密特触发器能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。同时具有回差电压特性和较强的抗干扰能力。第十二页，共四十八页。6.3.1 用用555555定定时时器构成器构成(guchng)(guchng)的施密特触的施密特触发发器器l1.电电路路组组成成l将555定时器的阈值输入端(6脚)和触发输入端(2脚)连在一起，作为信号输入端，即可构成施密特触发器，如图6.3.1(a)所示。控制电压端(5脚)通过0.01F的滤波电容(dinrng)接地，以防干扰，提高比较器基准电压的稳定性。图6.3.1 用555定时器构成(guchng)的施密特触发器第十三页，共四十八页。l2.工作原理工作原理(yunl)l现以如图6.3.1(b)所示的三角波输入信号，根据表6.2.1说明电路的工作原理。l（1）当 时，vO1输出高电平。当vI上升至 时，vO1仍输出高电平，保持原来状态不变。l（2）当 时，vO1输出低电平。当vI由 继续上升，然后下降尚未达到 时，vO1仍输出低电平，保持原来状态不变。l（3）当vI继续下降小于 时，电路输出vO1跳变为高电平。第十四页，共四十八页。l通过(tnggu)上述分析得知，施密特触发器可以将输入的三角波整形为矩形脉冲波。同理，也可将正弦波形整形为矩形脉冲波。l如果在555定时器的放电三极管T输出端(7脚)外接一电阻，并与另一电源VCC1相连，则由vO2输出的信号可实现输出电平转换。第十五页，共四十八页。l3.主要参数主要参数l由图6.3.1(b)波形图可以看出，施密特触发器输出电平由高向低跳变和由低向高跳变时所对应的输入阈值电压不同(b tn)。把施密特触发器输入信号正向增加时，输出电平跳变所对应的输入阈值电压称为正正向向阈阈值值电电压压，用VT+表示；把施密特触发器输入信号负向减少时，输出电平跳变所对应的输入阈值电压称为负负向向阈阈值值电电压压，用VT表示。两者的差值称为回回差差电电压压V，即l=VT+VT (6.3.1)第十六页，共四十八页。l图6.3.2(a)所示为施密特触发器的逻辑符号。图6.3.2(b)所示为施密特触发器的电压传输特性，从曲线中可看到电路的滞回特性。如果(rgu)在控制电压端(5脚)外接控制电压vIC，改变vIC的大小，可以调节回差电压的范围。图6.3.2 施密特触发器的逻辑符号和电压传输(chun sh)特性(a)逻辑符号 (b)电压传输特性第十七页，共四十八页。l6.3.2 施施密密特特触触发发器器的的应应用用(yngyng)(yngyng)l1.波形波形变换变换l由图6.3.1可见，施密特触发器可将三角波变换为矩形波。若输入的是正弦波，只要输入信号的幅度大于VT+，便可在施密特触发器的输出端得到相同频率的矩形波脉冲信号，其变换波形如图6.3.3所示。图6.3.3 用施密特触发器实现波形(b xn)变换第十八页，共四十八页。l2.脉冲整形脉冲整形l数字系统(xtng)中的矩形脉冲在传输中经常发生波形畸变。在图6.3.4中传输信号上出现附加噪声，只要施密特触发器的VT+和VT设置的合适，可以通过用施密特触发器整形而获得比较理想的矩形脉冲波形。图6.3.4 用施密特触发器对脉冲(michng)整形第十九页，共四十八页。l3.脉冲脉冲鉴鉴幅幅l利用施密特触发器输出状态取决于输入信号vI幅度(fd)的工作特点，可以用它来作为幅度(fd)鉴别电路。在图6.3.5中，将一系列幅度不同的脉冲信号加到施密特触发器的输入端时，只有那些幅度大于VT+的脉冲才会被选中，在输出端产生输出信号。可见，施密特触发器具有脉冲鉴幅的功能。图6.3.5 用施密特触发器鉴别(jinbi)脉冲幅度第二十页，共四十八页。l6.4 单稳态单稳态触触发发器器l单稳态触发器是广泛应用于脉冲整形、延时和定时的电路，它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。在外界触发脉冲的作用下，能从稳定状态翻转到暂稳态，暂稳态维持一段时间后，电路又自动地翻转到稳态。暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与外界触发脉冲无关。l6.4.1 用用555555定定时时器构成的器构成的单稳态单稳态触触发发器器l1.电电路路组组成成(z chn)l图6.4.1(a)所示是用555定时器构成的单稳态触发器。触发输入信号vI加在触发输入端(2脚)，并将阈值输入端(6脚)和放电三极管T输出端(7脚)连在一起，再与定时元件R、C相接。第二十一页，共四十八页。图6.4.1 用555定时器构成(guchng)的单稳态触发器(a)电路图 (b)波形图第二十二页，共四十八页。l2.工作原理工作原理l现以图6.4.1(b)所示的负脉冲触发输入信号，并根据表6.2.1说明电路的工作原理。l（1）无触发信号输入时，vI处于高电平，电路工作在稳定状态，vO为低电平。假定接通电源后，555定时器内RS触发器停在0的状态，则vO为低电平，放电三极管T导通，vC0，使 =1，vO为低电平的状态将稳定地保持不变。若接通电源后RS触发器停在1的状态，则使T截止，电源VCC通过电阻R向电容C充电，当vC上升到 时，RS触发器被置，vO为低电平，同时T导通，电容C经T迅速放电至vC0，又使 =1，vO为低电平的状态也将稳定地保持不变。因此(ync)，通电后电路便自动地停在vO为低电平的稳态。第二十三页，共四十八页。l（2）触发翻转进入暂稳态。若触发输入端施加触发信号()，则触发翻转，使RS触发器置1，vO输出高电平，T截止，电路进入暂稳态。l（3）暂稳态的维持时间。在暂稳态期间，由于T截止，VCC经R向C充电。其充电回路为VCCRC地，时间常数1=RC，电容电压vC由0V开始增大，在电容电压vC上升到阈值电压 之前，电路将保持暂稳态不变。l（4）自动返回，暂稳态结束。当vC上升至阈值电压 时，如果此时触发脉冲已消失，即vI返回高电平，则触发器被置，输出电压vO由高电平跳变为低电平，T由截止转为饱和导通，管脚7“接地”，电容C经T对地迅速(xn s)放电，电压vC由 迅速降至0V(放电三极管的饱和压降)，电路由暂稳态重新转入稳态。第二十四页，共四十八页。l（5）恢复过程(guchng)。当暂稳态结束后，电容C通过饱和导通的三极管 T放电，时间常数2=RCESC，式中RCES是T的饱和导通电阻，其阻值非常小，因此2值亦非常小。经过(35)2后，电容C放电完毕，恢复过程结束。l恢复过程结束后，电路返回到稳定状态，单稳态触发器又可以接收新的触发信号。第二十五页，共四十八页。l3.主要参数主要参数l(1)输出脉冲宽度tWl输出脉冲宽度就是暂稳态维持时间，即定时电容(dinrng)的充电时间，可以根据vC的波形进行计算。为了计算方便，对于图6.4.1(b)中vC的波形，将触发脉冲作用的起始时刻作为时间起点，于是有 ，第二十六页，共四十八页。l代入RC电路(dinl)瞬态过程计算公式l可求得(6.4.1)(6.4.2)第二十七页，共四十八页。l上式说明，单稳态触发器输出脉冲(michng)宽度tW仅决定 于定时元件R、C的取值，与输入触发信号和电源 电压无关，调节R、C的取值，即可方便的调节 tW。通常R的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间，电 容的取值范围为几百皮法到几百微法，所以tW的 对应范围为几微秒到几分钟。第二十八页，共四十八页。l（2）恢复时间trel暂稳态结束后，还需要一段恢复时间，以便使电容C在暂稳态期间所充的电荷释放完，使电路恢复到起始的稳态。一般取 ，即认为经过35倍于电路时间常数的时间以后，电容就放电完毕，使电路基本达到稳态。由于(yuy)2=RCESC，而放电三极管T的饱和导通电阻RCES阻值非常小，所以用555定时器构成单稳态触发器的tre很小，vC波形的下降沿很陡。第二十九页，共四十八页。l（3）最高工作频率fmaxl若输入触发信号(xnho)vI是周期为T的连续脉冲时，为保证单稳态触发器能够正常工作，应满足下列条件T tWtre 即vI周期的最小值Tmin应为tWtre，即Tmin=tWtre 因此，单稳态触发器的最高工作频率应为 (6.4.3)第三十页，共四十八页。6.4.2 单稳态单稳态触触发发器的器的应应用用(yngyng)(yngyng)l1.延延时时l在图6.4.1(b)所示单稳态触发器的工作波形中可以看出，vO的下降沿比vI的下降沿滞后了时间tW，即延迟了时间tW。单稳态触发器的这种延时作用常被应用(yngyng)于时序控制中。l2.定定时时l由于单稳态触发器能产生一定宽度tW的矩形输出脉冲，若利用这个矩形脉冲作为定时信号去控制某电路，可使其在tW时间内动作或不动作。l在图6.4.2中，单稳态触发器的输出信号vB作为与与门的控制信号，当vB为高电平时，与与门打开，使信号vA通过；当vB为低电平时，与与门封锁，信号vA不能通过。与与门打开时间的长短取决于单稳态触发器暂稳态持续的时间tW。第三十一页，共四十八页。图6.4.2 单稳态触发器作定时电路(dinl)的应用(a)逻辑图 (b)波形图第三十二页，共四十八页。l3.整形整形l如图6.4.3所示，单稳态触发器能够把波形发生畸变(jbin)的矩形脉冲信号vI，整形成为理想的矩形脉冲波形vO。vO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度取决于暂稳态时间tW。图6.4.3 单稳态触发器用于波形(b xn)的整形第三十三页，共四十八页。l6.5 多多谐谐振振荡荡器器l多谐振荡器是一种能够产生矩形脉冲波的自激振荡器，在接通(ji tn)电源后无需外接触发信号便能自动地产生一定频率和幅值的矩形脉冲波。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。多谐振荡器在工作中无稳态，只有两个暂稳态，故又称为无稳态电路。第三十四页，共四十八页。l6.5.1 用用555555定定时时器构成的多器构成的多谐谐振振荡荡器器l1.电电路路组组成成l图6.5.1(a)所示是用555定时器构成的多谐振荡器。R1、R2、C是外接定时元件，阈值输入(shr)端(6脚)和触发输入端(2脚)连在一起。图6.5.1 用555定时器构成(guchng)的多谐振荡器(a)电路图 (b)波形图第三十五页，共四十八页。l2.工作原理工作原理l（1）起始状态。电源接通瞬间，电容C来不及充电无电荷，电压vC(6脚、2脚)为低电平，电路输出vO为高电平，放电三极管T截止。l（2）第一暂稳态。vO高电平，T截止，是电路的一种暂稳状态，因为在这种状态下，电源VCC通过R1、R2对电容C充电，充电时间常数为 ，电压vC按指数规律(gul)上升。l（3）第一次自动翻转。当vC上升到 时，触发器被置，vO翻转为低电平，T饱和导通，充电结束。第三十六页，共四十八页。l（4）第二暂稳态。vO低电平，T饱和导通，是电路的另一种暂稳状态(zhungti)，因为在这种状态(zhungti)下，电容C通过R2、T对地放电，放电时间常数为R2C，电压vC按指数规律下降。l（5）第二次自动翻转。vC下降到 时，触发器又被置1，vO翻转为高电平，T截止，放电结束，电路又回到第一暂稳态。l如此周而复始，在输出端便得到一个周期性的矩形脉冲波。第三十七页，共四十八页。l3.主要参数主要参数l（1）振荡周期l电容(dinrng)充电时，时间常数为 ，代入RC电路瞬态过程计算公式(6.4.1)可求得(6.5.1)第三十八页，共四十八页。电容放电(fng din)时，时间常数为R2C，代入RC电路(dinl)瞬态过程计算公式(6.4.1)可求得(6.5.2)由此可得电路(dinl)振荡周期T=tPH+tPL0.7(R1+2R2)C (6.5.3)第三十九页，共四十八页。l（2）振荡(zhndng)频率l（3）占空比 (6.5.4)(6.5.5)第四十页，共四十八页。l6.5.2 占空比可占空比可调调的多的多谐谐振振荡荡器器l在图6.5.1所示电路中，由于电容C的充电时间常数(sh jin chn sh)比放电时间常数大，所以tPH 总是大于tPL，vO的波 形不仅不可能对称，而且占空比q不易调节。l利用半导体二极管的单向导电特性，把电容C充电 和放电回路隔离开来，再加上一个电位器，便可构 成占空比可调的多谐振荡器，如图6.5.2所示。第四十一页，共四十八页。l图中，VCC通过RA、D1向电容C充电(chng din)，充电(chng din)时间为l电容C 通过D2、RB及放电三极管T放电，放电时间为图6.5.2 占空比可调的多谐振荡器(6.5.6)(6.5.7)第四十二页，共四十八页。l因而(yn r)，占空比为(6.5.8)只要改变电位器滑动端的位置，就可以(ky)方便地调节占空比q，当RA=RB时，q=0.5，vO就成为对称的矩形波(方波)。第四十三页，共四十八页。l6.5.3 石英晶体多石英晶体多谐谐振振荡荡器器l在许多数字系统中，都要求时钟脉冲频率十分稳定，例如在数字钟表里，计数脉冲频率的稳定性直接决定(judng)着计时的精度。在上面介绍的多谐振荡器中，由于其工作频率取决于电容C充、放电过程中电压到达转换值的时间，因此稳定度不够高。这是因为第一，转换电平易受温度变化和电源波动的影响；第二，电路的工作方式易受干扰，从而使电路状态转换提前或滞后；第三，电路状态转换时，电容充、放电的过程已经比较缓慢，转换电平的微小变化或者干扰对振荡周期影响都比较大。一般在对振荡器频率稳定度要求很高的场合，都需要采取稳频措施，其中最常用的一种方法，就是利用石英谐振器简称石英晶体或晶体，构成石英晶体多谐振荡器。第四十四页，共四十八页。l1.石英晶体的石英晶体的选频选频特性特性l图6.5.3所示为石英晶体的电抗特性和符号(fho)。由图6.5.3可看出，当外加电压的频率f=f0时，石英晶体的电抗X=0，在其它频率下电抗都很大。石英晶体不仅选频特性好，而且谐振频率f0十分稳定，其稳定度可达10101011。图6.5.3 石英晶体(jngt)的电抗频率特性和符号第四十五页，共四十八页。l2.石英晶体多石英晶体多谐谐振振荡荡器器l图6.5.4所示是一种典型的由双反相器构成的石英晶体振荡电路。电路中R的作用是使两个反相器在静态时都能工作在转折区，使每一个反相器都成为具有很强放大能力的放大电路，对TTL反相器，常取R=0.72k，若是CMOS门则常取R=10100M；C是耦合电容，它们的容抗在石英晶体谐振频率f0时可以忽略不计，C也可以不要，而采用(ciyng)直接耦合方式；石英晶体构成选频环节。图6.5.4 石英(shyng)晶体多谐振荡器第四十六页，共四十八页。l因为串联在两级放大器之间的石英晶体具有极好的选频特性，只有频率为f0的信号才能通过，满足振荡条件，因此，一旦接通电源，电路就会在频率f0处形成自激振荡。因为石英晶体的谐振频率f0，仅决定于其体积、形状和材料，而与外接元件(yunjin)R、C无关，所以这种电路振荡频率的稳定度很高。实际使用时，常在图6.5.4所示电路的输出端再加一个反相器，它起整形作用使输出脉冲更接近矩形波，又起缓冲和隔离作用。图6.5.4 石英(shyng)晶体多谐振荡器第四十七页，共四十八页。内容(nirng)总结6.4 单稳态触发器。CMOS产品型号的最后4位数码都是7555，它们的。个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个(lin)电压比。施密特触发器能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与外界触发脉冲无关。图6.5.4所示是一种典型的由双反相器构成的石英晶体振荡电路。石英晶体构成选频环节第四十八页，共四十八页。