脉冲波形发生器与整形电路-定时器.ppt

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1、,555定时器及其应用,集成和其它单稳态触发器,集成施密特触发器,第6章 脉冲波形发生器与整形电路,其它多谐振荡器电路,脉冲产生与整形电路的应用,本章教学基本要求:,熟悉:,(1)555定时器电路的结构、工作原理和引脚功能.(2)由555定时器组成的单稳态触发器、多谐振荡和施密特触发器的电路、工作波形和参数的计算。（3）集成单稳态触发器和集成施特触以器的应用电路。,了解：石英晶体和门电路构成的方波发生器的基本电路。,555定时器是中规模集成电路。只要外接少量的阻容元件，就可以很方便地构成单稳态触发器、多谐振荡器、和施密特触发器。,根据内部器件类型可分为双极型(TTL型)和单极型(CMOS型),

2、双极型型号为555(单)和556(双)，电压使用范围为5到16V，输出最大负载电流可达到200mA。单极型型号为7555(单)和7556(双)，电压使用范围为3到18V。输出最大负载电流为4mA。,6.1 555定时器用其应用,下图为:双极型555定时器内部逻辑电路结构图和逻辑符号图。,三个5k电阻构成分压器,当u+u-时，输出uc为高电平（1态）。当u+u-时，输出uc为高电平（0态）。,当VC悬空时，u1+=2/3VCC,u2-=1/3VCC,6.1.1 555定时器的结构及工作原理,导通,1,1,0,定时器 5G555 的功能表,直接置 0 端 RD 低电平有效，优先级最高。不用时应使其

3、为1.,0,555 定时器的工作原理与逻辑功能,定时器 5G555 的功能表,0,1,0,1,0,1,导通,555 定时器的工作原理与逻辑功能,定时器 5G555 的功能表,截止,1,0,1,0,1,0,555 定时器的工作原理与逻辑功能,定时器 5G555 的功能表,1,1,简化功能表,使用要点,通常不用 VC端，为了提高电路工作稳定性，将其通过 0.01 F 电容接地。,6.1.2 用555定时器组成单稳态触发器电路,电路在无外加触发信号作用时，处于一种稳定工作状态，称之为稳态。,当输入端有外加触发脉冲信号的上升沿或下降沿(由电路而定)作用时，输出状态立即发生跳变。此后，电路进入暂时稳定状

4、态，称为暂稳态。过一段时间，电路自动恢复原先的稳态。暂稳态的时间与电路的阈值电压及外接R、C参数有关。,这种电路只有一种稳定状态，称为单稳态触发器。本节介绍555定时器组成单稳态触发器的电路。,单稳态触发电路只存在一种稳定工作状态，它有以下特点：,一、电路的组成及工作原理,“6”号引脚为电容电压uC,“2”号引脚为输入电压uI,一、555 定时器的电路结构及符号,集电极开路输出端,输出缓冲器OUT=Q,构成基本 RS 触发器，决定电路输出。,构成电阻分压器，为比较器 C1、C2 提供两个参考电压，UR1=2/3VCC，UR2=1/3VCC。,三、用555 定时器组成单稳态触发器,(一)电路结构

5、,R、C 为定时元件,(二)工作原理、工作波形与参数估算,1.稳定状态,接通电源后 VCC 经 R 向 C 充电，使 uC 上升。,该电路触发信号为负脉冲，不加触发信号时，uI=UIH(应 1/3 VCC)。,工作原理,导通,2.触发进入暂稳态,3.自动返回稳定状态,2.触发进入暂稳态,这时 uI 必须已恢复为高电平,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。,输出脉冲宽度 tW 即为暂稳态维持时间，主要取决于充放电元件 R、C。,该单稳态触发器为不可重复触发器，且要求输入脉宽 tWI 小于输出脉宽 tWO。,解：,因为 tWO 1.1 RC

6、,故可取标称值 33 F。,估算公式 tWO 1.1 RC,三.应用举例,1、脉宽的定时,由于单稳态电路能产生一定宽度tW 的矩形脉冲，利用这个脉冲可以控制某电路在 tW时间内动作，这就是脉宽的定时作用。,如左图所示，定时电路只有在输入uI下跳沿触发下，使单稳态电路产生脉冲定时信号uB，在 tW的时间内，信号uA 才通过与门输出。,通过,2、脉冲宽度调制器,由于555定时器内部比较器C1的参考电压u1+按uIC正弦规律变化，因此在uCP的下跳沿触发下，电容C开始充电，这样要求uC使电路恢复稳态所需阈值电压和暂稳态持续时间tW 也随正弦电压高、低而变。因而在输出端为一串宽度受正弦波调制的脉冲波形

7、。,6.1.3 用555定时器组成施密特触发器,施密特触发器的特性和符号。UT+：正向阈值电压 UT-：负向阈值电压 回差电压:UH=UT+-UT-,施密特触发器(a)反相输出的传输特性(b)反相输出的符号图(C)同相输出的传输特性.,电压传输特性为反相输出的滞回特性,UT+=2/3 VCC UT-=1/3 VCCUT=UT+-UT-=1/3 VCC,一电路组成及工作原理,在uI的a至b段，uI由小到大，在未达到2/3VCC之前，6号、2号引脚状态为0、0和0、1，故3号引脚输出uO1为1态；,当uI达到b点为UT+=2/3VCC时，6号、2号引脚状态为1、1，输出uO1翻转为0；,在uI为b

8、-c-d期间，6号、2号引脚状态为1、1，0、1，输出uO1仍维持为0；,一电路组成及工作原理,当 uI 达到 d 点为UT-=1/3VCC时，6号、2号引脚状态为0、0，输出又翻转为1态,在d-e-f期间，6号，2号引脚状态为0、0和0、1，输出uO1仍维持为1，,直到 uI 达到f点为2/3VCC，uO1又变为1态。这样将输入 uI 的三角波转为方波输出，因此又称为整形。,二、应用举例,波形的变换或整形,回差电压UH=UT+-UT-较小时，抗干扰能力较差，输出uo也受输入干扰影响如果将回差电压扩大为UH=UT+-UT-，则输出 u0 可不受干扰影响。,脉宽tw可由UH控制，可将不规则的波形

9、整形成矩形波。,幅度鉴别,利用施密特触发器，从一串幅度不等的脉冲中，将幅度较大的信号鉴别出来，称为幅度鉴别，其波形如下图示当输入脉冲幅度大于UT+时，有信号输出，小于UT-时，无信号输出,6.1.4 用555定时器组成的多谐振荡器,多谐振荡器是产生矩形波的自激振荡器。由于矩形波包含基波和高次谐波等较多成分，因此称为多谐振荡器。另外，这类电路不存在稳态，故又称无稳态电路。,一、电路的组成及工作原理,用555定时器组成的多谐振荡器电路和工作波形分别如下图所示：,工作原理、工作波形与周期估算,UOH,工作原理,UOL,工作原理,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。,

10、二、振荡频率的计算,tWH 0.7(R1+R2)C tWL 0.7 R2CT=tWH+tWL 0.7(R1+2R2)C,组成单稳态触发器的电路很多，可以用TTL或CMOS的与非门、或非门外接R、C元件组成，另外还有单片集成单稳态触发器电路。,微分型单稳态触发器,由CMOS或非门组成的微分型单稳态触发器。其中环节构成微分电路，故称为微分型单稳态触发器。,为了讨论方便，把或非门的传输特性作理想化折线处理。,6.2 集成和其它单稳态触发器,使输出状态发生翻转的输入电压称为阈值电压UTH，当输入uI UTH 时，输出UO=0 当输入uI UTH 时，输出UO=V DD,、稳定状态,在0t1 期间，当输

11、入没有触发信号时，Ui=0。这时电路处于稳态，电源VDD通过电阻对充电达到稳定值，故UC VDD，使UO。由此可知或非门输出UO VDD。电容两端的电压接近0。,通过R对充电,一、电路组成及工作原理,、当外加触发信号时，电路由稳态转为暂稳态,在t1时刻，当输入uI在脉冲信号上升沿的高电平VDD作用下，使UO1由跳变到时，由于电路中电容上的电压不能突变，因此UC也由变到，使G2门输出由变到，并返送到门的输入。输入信号uI高电平撤消后，uo1仍可保持低电平，但不可能永久保持，故称为暂稳态。,一、电路组成及工作原理,一、电路组成及工作原理,3.由暂稳态自动返回稳态,在t1t2暂稳态期间，电源VDD经

12、电阻通过门的导通管4对电容充电，如图所示。充电时间常数为tc=(R+Ron)CRC这时uc上升，当ucTH时，电路发生如下反馈过程。充电ucuouo1迅速使uO1变为高电平，uO变为低电平，电路自动恢复到稳态，uO1由跳变到VDD，由于电容两端电压不能突变，按理uc由UTH上跳到UTH+VDD，uc只能跃升到VDD+0.6V。,电容充、放电回路图,一、电路组成及工作原理,、电路恢复到稳态时初始值的过程,在t2时刻，暂稳态结束后，电容一路通过 经门的T1、T2管放电，另一路经门G2输入二极管D1、D3放电，使uc恢复到稳态时的原始值VDD。放电时间常数d=(RrD)CrDC。放电时间很短。,电容

13、充、放电回路图,二、输出波形主要参数的计算,、输出脉冲宽度two,暂稳态t1t2的时间即为输出脉冲宽度two。为计算方便，以t1时刻作为计算时间起点，由uc波形可得：,2、恢复时间tre,从暂稳态结束到电路恢复到稳态初始值所需时间 tre3rd3rDC。,3、最高工作频率fmax,触发脉冲工作最小周期 Tmin 必须大于 two+tre,输入脉宽 tw1two,最高工作频率为 fmax=1/Tmin1/(two+tre),Uc(0+)0,uc()=VDD,uc(tW)=UTH=1/2VDD,RC,6.2.2 集成单稳态触发器,一、高速CMOS集成双可重触发单稳态触发器54/74HC4538的功

14、能。,54/74HC4538双可重触发单稳态触发器,逻辑符号图,符号框图及外接R、C连线图,Rext/Cext和Cext的引脚分别与电容元件相连，不属于逻辑状态连接，故在逻辑符号图引线上用“”号表示。,、清零功能如序号所列，当RD时，不论其它输入引脚为何种状态，输出端立即出，出，故的清零具有最高优先级功能。使用其它输入引脚功能时，R必须置。,54/74HC4538 的功能,、单稳态触发功能如序号、所列，当TR时，TR+加上升沿触发信号，端能输出一个正脉冲信号，为负脉冲；或者当TR+时，TR加下降沿触发信号，也能输出一个正脉冲信号，为负脉冲，其波形如图。,54/74HC4538 的功能,输出脉宽

15、tw即为内部电路处于暂稳定状态时间，近似可用tw0.7RC计算。R、C计算机为外接阻容元件值，一般R取值范围为千欧到兆欧，如果R 兆欧，电路对外部噪声信号很敏感,此外，电路还具有重触发功能，即当电路被触发进入暂稳态期间，可再次加输入触发信号，这时输出脉宽tw为第一次和第二次触发信号的间隔时间t1加上以第二次触发信号为起点的输出脉宽tw 如左图tw=tI+tw,54/74HC4538单稳态触发器的工作波形,重触发器输出脉冲,3、稳定状态如序号、所列，在TR或TR时，均不能触发翻转，为稳定状态或禁止触发状态，维持。4000系列14528与54/74HC4538芯片引脚功能完全相同，但54/74HC

16、4538在带负载能力和速度方面优于14528。,54/74HC4538 的功能,二、集成单稳态触发器的应用,集成单稳态触发器除用作信号脉宽转换和调节之节，还可较方便地用于延时、方波信号发生器等电路。,.脉冲信号的延时电路,两个集成单稳态触发器级联后，可组成信号的延时电路。第一级单稳态触发器在输入信号u1的下降沿触发下，产生脉宽为tw2的信号uo1输出，再利用uo1的下降沿作为第二级单稳态触发器的触发信号，再产生脉宽为tw2的信号uo输出。这样输出uo的信号比输入uI的信号延迟了tw1。,、多谐振荡器电路,脉冲延时电路电路图,多谐振荡器的工作波形,一、CMOS集成触发器40106的传输特性,40

17、106六施密特触发器的逻辑符号图,不同电源 电压下的传输特性。,由内部电路参数的离散性，正向阈值电压UT+、负向阈值电压UT-、回差电压均有一个变化范围值。因此，某一块集成电路要通过实测来确定和。,6.3集成施密特触发器,二、40106施密特触发器电路的工作原理,40106施密特触发器内部电路图,TP1、TP2和TN3、TN4四个管子组成反相器，其栅极相连作为输入端。由于Tp5和TN6管的存在，使反相器输出电平uo1翻转所需的输入阈值电压不是1/2，这是因为Tp2和Tp3管的源极2和S3的电位将受Tp5和TN6管的影响。,反相器,设P沟道Tp管辖 的开启电压为UGS（th）p(负值)，N沟道T

18、N管的开启电压为UGS（th）N 当 uI=0时，则UGS1、UGS2（-VDD）UGS(TH)P,故TP1、TP2管导通；UGS3、UGS4（0V）UGS（th）N,故TN3、TN4管截止，UO1VDD,三、集成施密特触发器应用,.光电转换形电路,在检测电机转速时，可采用图(a)所示光电转换整形电路。将小孔的转盘安装于电机转轴上，孔的位置对准红外发光管和红外光接收管。当电机转动时，转盘孔经过光电管之间，在接收管T的集电极产生图(b)中P1所波形,经施密特触发器整形后,转换成脉冲方波P2,对P2脉冲在一定时间内进行计数,即可实行测速。,2.用于消除干扰和噪声的脉冲整形电路,在数字电路中，正常脉

19、冲信号常受到电网上其它负载频繁启动而产生干扰 信号的影响，如左图所示u1波形。若将该信号作用于施密特触发器的输入端，经整形后，即可获得无干扰的脉冲信号输出，只要施密特触发器的回差电压UH大于干扰信号的幅度即可。,3.多谐振荡器电路,利用施密特触发器可以很方便地组成多谐振荡器，电路如右图(a），图（b）所示为电容上电压UC和输出UO波形。,4.单稳态触发器,用40106施密特触发器可组成上升沿或下降沿触发的单稳态触发器电路。,上升沿触发的单稳态触发器的电路图,各点波形如图,（1）上升沿触发电路,（2）下降沿触发的电路,下降沿触发的单稳态触发器的电路图,各点波形如图,6.4.1 用CMOS反相器组

20、成的多谐振荡器,6.4.2 石英晶体多谐振荡器,6.4其它多谐振荡器电路,6.4.1 用CMOS反相器组成的多谐振荡器,一、用CMOS反相器组成的多谐振荡器,CMOS反相器与R、C元件组成多谐振荡器电路,由于CMOS反相器G1在输入和输出端之间并接电阻R,而CMOS电路输入电流i0,故R上电流也近于零因此静态时电阻两端各自的电位uI1=uo1。它所表示的直线与CMOS反相器电压传输特性的交点为Q点。,它位于反相器电压传输特性的转折区,以保证有较大的电压放大倍数.而使反相器G1输出翻转的输入闹值电压为UTH=1/2VDD.即当UI1UTH时,UO1=0V;当UI1UTH时,UO1=VDD。,二、

21、振荡器的工作过程,电路在振荡时电容C的充、放电回路,工作波形图,6.4.2 石英晶体多谐振荡器,一、CMOS反相器组成的石英晶体多谐荡器,多谐振荡器电路图,在串联谐振频率fs下，等效电抗为Xs=0；并联谐振荡频率fp下，等效电抗Xp。在图中,石英晶体接G2输出端、G1输入端之间,输出信号频率为fs时,串联揩振频率等效电抗最小,正反馈最大,形成振荡。振荡频率完全取决于石英晶体固有的串联谐揩振频率fs。在电路中反相器G1和G2的输入和输出端均并接电阻R1和R2,用以确定反相器的静态工作点Q,反相器工作在传输特性转折线上的线性放大区,具有较高的电压放大倍数,如图所示。静态时,uI1=uo1=uI2=

22、uo=1/2VDD。,石英晶体的电抗 频率特性,当电路接上电源VDD后，在反相器G2输出uo为噪声信号，经石英晶体通路，只从噪声中选出频率为fs的正弦信号（晶体的等效电抗s0）,并反馈到UI1,经G1线性反相放大,再通过耦合电容C，再经线性放大经多次反复放大后，使uo幅值达到最大而被削顶失真，近似于方波输出，其波形如图所示。这即形成多谐振荡器。电路中C1用来微调振荡频率.其振荡频率f0由晶体谐振频率fS决定,最高可达几十兆赫。,电路的工作原理如下:,二、CMOS5544时钟集成电路,内部振荡器与外接揩振频率为32.768kHz石英晶体构成振荡电路，C用于微调振荡频率，经16级二分频电路，输出O

23、UT1、OUT2二路周期为2s交替负脉冲信号，如图（b）所示。为获得秒脉冲信号输出，将OUT1、OUT2输出经二极管D3、D4和PNP型三极管T组成与非门电路输出即为周期1s的脉冲信号，输出高电平近于VDD。在1号引脚和2号引脚间，利用D1、D2上压降获得近于1.5V电源电压。,SI、SO闹铃输入控制端 和输出端。SI 与Vss接通时，则So输出波形,用于驱到时钟步进电机时，只需将输出端OUT1和OUT2与时钟步进电机相连,即构成指针式石英钟,其电路如图所示。,下图为二极电极双偏心时钟步进电机的结构。转子为永久磁铁，定子为高磁导率坡莫合金软磁材料构成双偏心磁极。由于线圈两端分别连OUT1和OU

24、T2周期为2s交替的负脉冲信号，因此，当负脉冲作用时，励磁线圈上电流(1A)流过,每隔1s,电流改变一次方向,图(a)(b)所示。使定子磁极极性发生一次变化。在定子和转子间隙较小处磁阻小，磁通大。由于磁性物质同性相斥、异性相吸，使转子每秒钟顺时针旋转180度步距角。,6.5脉冲产生与整形电路的应用,脉冲波形发生及整形电路在仪器仪表、自动控制、检测等方面的应用很广，下面从简易数字控制电路介绍其综合应用。简易数字控制电路是利用对被控制对象工艺参数进行计数，当到达给定值时，立即发出控制信号，执行如停止送货，切断、报警等动作。,图示为简易数字控制电路，由光电检测及整形、计数译码显示、符合电路控制及延时

25、清零等四部分电路组成，各部分电路工作原理如下：,一、光电检测及整形,由红外发光管D1接受管T1为检测计数信号电路。当D1、T1之间光路被遮断一次，P0产生负梯形脉冲，即T1被挡光时P0为低电平，受光时P0为高电平。经40106施密特触发器整形后，P0为边沿陡直的正脉冲信号，送入计数器电路计数。,二、计数-译码-显示电路,4518组成3位的十进制计数器。低一位计数值“9”“0”，将Q4输出1 0的下降沿为向高一位的进位计数脉冲。因此低位的Q4端必须联高位的EN输入端.Q4 Q1的BCD码，由驱动发光二极管数码管进行显示,简易数字控制电路,三、符合电路,电路由3个BCD码拨码盘B3B1、二极管、一

26、个与门组成。底部印板引脚为”8”、“4”、“2”、“1”和“A”。其面上“+”按一下,数字由0 9递增变化:”-”使数9 0递减，内部为印刷电路板、电刷旋转触点,相当四个开关S4S1,8421 BCD 码1态闭合,与窗口数字一致。例如数字为5，即为0101，则S3、S1闭合，S4、S2断开。二极管阴极与计数器Q4Q1相连，只有Q4Q1值由小到大计数达0101，相符时，二极管D3、D1截止，A输出高电平。当数小于“”时，A为低电平但计数器值为“”时，A也为高电平电路为位十进制数，图左图所示在加法计数时由小到大，计数到位十进制数全符合时，A、A、A为全，通过与门P出。在计数值小于拨盘数码时，必有某

27、一位Ai出，P1为。故P1出1时，表示计数器数值与拨盘数相一致。,四、控制及延时清零电路,当符合电路P1出现高电平时,分三路信号控制,其各点时序波形图如下图所示。,1.停止计数,用P1=1信号将最低位计数器的CL1端置1,使计数器停止计数,P1此时维持高电平,其脉宽为tw1。,2.驱动继电器,利用P1的上升沿,触发施密特触发器组成单稳态电路,产生一定宽度的负脉冲,再经一级施密特触发器,反相输出为正脉冲,经光电耦合放大,驱动继电器KA动作,其动作时间为P2脉宽tw2。,3.延时清零,由集成双单稳态触发器14528组成,当P1为上升沿时,触发此单稳态电路,使1Q输出 脉冲P3,脉宽tw3为延时时间再用p3的下跳沿触发另一单稳态电路,使2Q输出P4,脉宽为tw4的较窄正脉冲,再通过或门,作用到计数器R端清零.这样完成了一次计数符合控制动作.清零后P1恢复为0,重新开始第2次计数.电路中R6、C4用作开机清零。当合上电源，C4上电压不能突变，使R6上的或门输入端产生高电平，通过或门输出为1到计数器R端进行清零。按钮SB用作对计数器手动清零。,