第 9 章 脉冲波形的产生与变换
DESCRIPTION
第 9 章 脉冲波形的产生与变换. 9.1 集成 555 定时器. 9.2 单稳态触发器. 9.3 多谐振荡器. 9.4 施密特触发器. 9.1 集成 555 定时器. 流行产品 :. 美国 Signetics 公司 1972 年研制,用于取代机械式定时器。 流行的产品主要有 4 个: BJT 两个: 555 , 556 (含有两个 555 ); CMOS 两个: 7555 , 7556 (含有两 7555 )。. 9.1 集成 555 定时器. 一、 555 定时器的电路结构. 由以下几部分组成: - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
9.1 集成 555 定时器
9.2 单稳态触发器
9.4 施密特触发器
9.3 多谐振荡器
第 9 章 脉冲波形的产生与变换
美国 Signetics 公司 1972 年研制,用于取代机械式定时器。
流行的产品主要有 4 个:
BJT 两个: 555 , 556 (含有两个 555 );
CMOS 两个: 7555 , 7556 (含有两 7555 )。
流行产品 :
9.1 集成 555 定时器
一、 555 定时器的电路结构
9.1 集成 555 定时器
电压比较器的功能: v+> v- , vO=1
v+< v- , vO=0
由以下几部分组成:( 1 )三个 5kΩ 电阻
组成的分压器。
( 2 )两个电压比较器 C1 和 C2 。
C 1v+
£ vvO
C
C
&
&& 1
R
S
G
5k ¦̧
5k ¦̧
5k ¦̧
1
2
V R
v
vv
CC D
IC
I1
I2
O(2)
(6)
(5)
(8) (4)
(3)
电源 复位
v阈值输入
控制电压
触发输入
O
(7)v T
,
放电端(1)
( 3 )基本 RS 触发器,
( 4 )放电三极管 T 及缓冲器 G 。
C
C
&
&& 1
R
S
G
5k ¦̧
5k ¦̧
5k ¦̧
1
2
V R
v
vv
CC D
IC
I1
I2
O(2)
(6)
(5)
(8) (4)
(3)
电源 复位
v阈值输入
控制电压
触发输入
O
(7)v T
,
放电端(1)
1
2
6
58 4
3
7Ov,
v I2
I1v
v IC
VCC
vO555
DR
电路符号
二.工作原理( 1 ) 4 脚为复位输入
端( RD ),当 RD
为低电平时,不管其他输入端的状态如何,输出 vo 为低电平。
正常工作时,应将其接高电平。
( 2 ) 5 脚为电压控制端,当其悬空时,比较器 C1 和 C2 的比较
电压分别为 2/3VCC
和 1/3VCC 。
C
C
&
&& 1
R
S
G
5k ¦̧
5k ¦̧
5k ¦̧
1
2
V R
v
vv
CC D
IC
I1
I2
O(2)
(6)
(5)
(8) (4)
(3)
电源 复位
v阈值输入
控制电压
触发输入
O
(7)v T
,
放电端(1)
1/3VCC
2/3VCC
( 3 ) 2 脚为触发输入端, 6 脚为阈值输入端,两端的电位高低控制比较器 C1 和 C2 的输出,从而控制 RS 触发器,决定输出状态。
C
C
&
&& 1
R
S
G
5k ¦̧
5k ¦̧
5k ¦̧
1
2
V R
v
vv
CC D
IC
I1
I2
O(2)
(6)
(5)
(8) (4)
(3)
电源 复位
v阈值输入
控制电压
触发输入
O
(7)v T
,
放电端(1)
1/3VCC
2/3VCC阈值输入
阈值输入
复位
输出
vI1 vI2RD vo
×
< 2/3VCC
> 2/3VCC
< 2/3VCC
×
< 1/3VCC
> 1/3VCC
> 1/3VCC
0
1
1
1
0
1
0
不变
功能表
9.2 单稳态触发器 单稳态触发器——有一个稳态 (0) 和一个暂稳态 (1) ;在
触发脉冲作用下,由稳态 (0) 翻转到暂稳态 (1) ;暂稳状态维持一段时间后,自动返回到稳态。
( 1 )无触发信号输入时电路工作在稳定状态
当 vI=1 时,电路工作在稳定状态,即 vO=0 , vC=0 。
一. 用 555 定时器组成单稳态触发器
1. 电路组成及工作原理
2
6
VCC R D
O
555
3
v I2
I1v
8 4
v7
VCC
C 1 5
vC
vI
R
C0.01
1
¦ÌF
2
6
VCC R D
O
555
3
v I2
I1v
8 4
v7
VCC
C 1 5
vC
vI
R
C0.01
1
¦ÌF
( 2 ) vI 下降沿触发
当 vI 下降沿到达时, vO 由 0 跳变为 1 ,电路由稳态转入暂稳态。
2
O
v
3 CC
O
t
V
O
t
C
v
O
I
t
v
(3)
v
V
1/3V
CC
SCC
(8)
¦̧&
C &
I2C
(7)¦̧
I
5k
放电端
5k
(1)
C
¦̧
2/3V
G
R
5k
vv
1CR
2
v
(6)CC
1
I1
T
&
(2)
v
(4)
O
( 3 )暂稳态的维持时间在暂稳态期间,三极管 T 截止, VCC 经 R 向 C 充电。时间常数 τ1=RC ,
vC 由 0V 开始增大,在 vC 上升到 2/3VCC 之前,电路保持暂稳态不变。
2
6
VCC R D
O
555
3
v I2
I1v
8 4
v7
VCC
C 1 5
vC
vI
R
C0.01
1
¦ÌF
2
O
v
3 CC
O
t
V
O
t
C
v
O
I
t
v
( 4 )自动返回时间——当 vC 上升至 2/3VCC 时, vO 变 0 ,电路由暂稳态重新转入稳态。
( 5 )恢复过程——当暂稳态结束后, C 通过饱和导通的 T 放电,时间常数 τ2=RCESC ,由于 RCES 很小,所以放电很快。 C 放电完毕,恢复过程结束。
2
O
v
3 CC
O
t
V
O
t
C
v
O
I
t
v
2. 主要参数估算(1) 输出脉冲宽度 Tw (用三要素法计算)
reW ttTf
11
minmax
CRVV
V
tvv
vvt
CCCC
CC
WCC
CCW 1.1
32
0ln
)()(
)0()(ln 11
( 2 )恢复时间 tre
tre= ( 3 ~ 5 ) τ2
( 3 )最高工作频率 fmax
vI 周期的最小值:
Tmin= tW + tre
最高工作频率 :
T
TW
二.集成单稳态触发器 74121A1 、 A2 是下降沿有效的触发信号输入端, B 是上升沿有效的触发信号输入端。
A
A
B
vo
vo
extC R int
C ext
extR VCC
GND
10 11 149
1
6
3
4
5
1
2
7
74121
保持稳态0 1
0 1
0 1
0 1
0 × 1
× 0 1
× × 0
1 1 ×
下沿触发1 ↓ 1
↓ 1 1
↓ ↓ 1
上沿触发
工作特征vO vO
输 出
0 × ↑
× 0 ↑
A1 A1 B
输 入74121 功能
表
集成单稳态触发器 74121 的外部元件连接方法 :
( b )使用内部电阻 Rint 且电路为上升沿触发的连接方式。
A
A
Bov
ov
extC intR
ext
ext
C
R CCV
GND
10 11 149
1
6
3
4
5
1
2
7
74121
CCVextR
1
vI
C ext
(a)
A
A
Bov
ov
extC intR
ext
ext
C
R CCV
GND
10 11 149
1
6
3
4
5
1
2
7
74121
vI
C ext CCV
(b)
( a )使用外部电阻 Rext 且电路为下降沿触发的连接方式。
74121 的主要参数 (1) 输出脉冲宽度 tW
使用外接电阻: tW ≈0.7RextC
使用内部电阻: tW ≈0.7RintC
74121 内部电阻 =2kΩ ,外接电阻 Rext 可在 1.4 ~ 40kΩ 之间选择,
外接电容 C 可在 10pF ~ 10μF 之间选择,
( 2 )输入触发脉冲最小周期 Tmin
Tmin= tW + tre
( 3 )周期性输入触发脉冲占空比 q
定义: q = tW/T
最大占空比: qmax= tW/ Tmin
所以,当 R=2kΩ 时, 最大占空比 qmax 为 67% ;
当 R=40kΩ 时,最大占空比 qmax 可达 90% 。
三.单稳态触发器的应用1. 延时与定时( 1 )延时图中, v/
O 的下降沿比 vI 的下
降沿滞后了时间 tW 。
( 2 )定时当 v/
O=1 时,与门打开,
vO= vF 。当 v/O=0 时,
与门关闭, vO 为低电平。
与门打开的时间是单稳
输出脉冲 v/O 的宽度 tW 。
1 &v I
v O
单稳 与门v F
Ov
v I
t Wv O
v F
Ov
2. 整形 单稳态触发器能够把不规则的输入信号 vI ,整形成为幅度和宽度
都相同的标准矩形脉冲 vO 。 vO 的幅度取决于单稳态电路输出的高、
低电平,宽度 tW 决定于暂稳态时间。
Iv
v Ot W
3. 触摸定时控制开关
555 定时器构成单稳态触发器。只要用手触摸一下金属片 P ,由于人体感应电压相当于在触发
输入端(管脚 2 )加入一个负
脉冲, 555 输出端输出高电平,
灯泡( RL )发光,当暂稳态
时间( tW )结束时, 555 输出
端恢复低电平,灯泡熄灭。
该触摸开关可用于夜间定时
照明,定时时间可由 RC 参数
调节。
8 4
7
6
2
1 5
35 5 5
+V CC
R L
R100k
C100¦Ì C 1
0.01¦Ì
(+6V)
P
4. 触摸、声控双功能延时灯
555 和 T1 、 R3 、 R2 、 C4 组成单稳定时电路,定时(即灯亮)时间约为 1 分钟。当击掌声传至压电陶瓷片时, HTD 将声音信号转换成电信号,经 T2 、T1 放大,触发 555 ,使 555 输出高电平,触发导通晶闸管 SCR ,电灯亮;
同样,若触摸金属片 A 时,人体感应电信号经 R4 、 R5 加至 T1 基极,也能使T1 导通,触发 555 ,达到上述效果。
8 4
7
6
2
1 5
3
C 447¦Ì
C0.01¦Ì
55 5NE
A
~220V
R 3
R1M
2
20k
SCR
MCR100
4.7M
4.7M
R 4
R 5
R 6R 7
1M10k
5C0.022¦Ì
T T12
9014
9013
HTD
C 3
220¦Ì
D
1N4004 C 1
0.56¦Ì/400V
1R330
0.01¦ÌC 2
VDD £¨+6V£©
DW2CW13
0
vc
t
vo
0 t
9.3 多谐振荡器多谐振荡器——能产生矩形脉冲波的自激振荡器。一. 用 555 定时器构成的多谐振荡器1. 电路组成及工作原理
2
6
VCC R D
O555
3
v I2
I1v
8 4
v7
R
R
VCC
1
2
C 1 5
0.01 ¦ÌFC 1
vC
P
2/3VCC
1/3VCC
(6)
放电端
(2)
5k1
R
T
5k
&
C
¦̧
&
&1
G
S
C
2
5k
¦̧
¦̧
(4)
O
(3)
(7)
v
(1)
(8)
CCV
v
v
C
1
P
R
R
C
I2
2 vI1
2/3V
1/3V
CC
CC
2. 振荡频率的估算( 1 )电容充电时间 T1 :(用三要素法计算)
( 2 ) 电容放电时间 T2
( 3 )电路振荡周期 T
T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C
( 5 )输出波形占空比 q
)()(
)0()(ln
111 Tvv
vvT
CC
CC
CRR )(7.0 21 CCCC
CCCC
VV
VV
3231
ln1
CRT 22 7.0
CRRTf
)2(
43.11
21
21
211
2RR
RR
T
Tq
( 4 )电路振荡频率 f
T
T1 T2
0
vc
t
vo
0 t
2/3VCC
1/3VCC
二. 占空比可调的多谐振荡器电路 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,再加上一个电位器,便可构成占空比可调的多谐振荡器。
可计算得: T1=0.7R1C
T2=0.7R2C
占空比:
21
1
21
1
21
11
7.07.0
7.0
RR
R
CRCR
CR
TT
T
T
Tq
2
6
VCC R D
O
555
3
v I2
I1v
8 4
v
7
VCC
C1 5
0.01 ¦ÌFC 1
vC
D
D1
2
1R
2R
9.4.2 集成施密特触发器集成施密特触发器
9.4.1 特性与原理特性与原理
9.4 9.4 施密特触发器施密特触发器
9.4.3 应用举例应用举例
9.2.1 施密特触发器施密特触发器 特性与原理特性与原理
9.2.1 施密特触发器施密特触发器 特性与原理特性与原理
基础知识基础知识
8.2.1 施密特触发器施密特触发器 特性与原理特性与原理
8.2.1 施密特触发器施密特触发器 特性与原理特性与原理
基础知识基础知识
8.2.1 施密特触发器施密特触发器 特性与原理特性与原理
8.2.1 施密特触发器施密特触发器 特性与原理特性与原理
基础知识基础知识
施密特触发器是具有滞后特性的数字传输门。
①电路具有两个阈值电压,分别称为正向阈值电压和负向阈值电压,二者的差值称为回差。输出电平的变化滞后于输入,形成回环。
②与双稳态触发器和单稳态触发器不同,施密特触发器属于“电平触发”型电路,不依赖于边沿陡峭的脉冲。
特点:
8.2.1 施密特触发器施密特触发器 特性与原理特性与原理
8.2.1 施密特触发器施密特触发器 特性与原理特性与原理
基础知识基础知识
8.2.1 施密特触发器施密特触发器 特性与原理特性与原理
8.2.1 施密特触发器施密特触发器 特性与原理特性与原理
基础知识基础知识
8.2.1 施密特触发器施密特触发器 特性与原理特性与原理
8.2.1 施密特触发器施密特触发器 特性与原理特性与原理
基础知识基础知识
电路举例一
由 555 电路组成的施密特触发器施密特触发器——具有回差电压特性,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。一 . 用 555 定时器构成的施密特触发器1. 电路组成及工作原理
1
2
6
5
VCC R D
O555 3
Ov7
v
v
I2
I1v
IC
8 4
1
2
Iv
CCV VCC 2
R
v
v I
t
O1v
t
1/3VCC
2/3VCC
OVIV
电路符号
C
v
5k
S
1
(2)
2/3V
(7)
(6)
v
&
放电端
I1
(3)
G
V
&
v
O1
¦̧
CC
¦̧
(4)
T
CC
¦̧
C
I2
(8)
5k
5k
2
RCC
(1)
&1
1/3VV
O2
1R
vI
v
CC2
2. 电压滞回特性和主要参数
( 2 )主要静态参数 ( a )上限阈值电压 VT+
vI 上升过程中,输出电压 vO 由高
电平 VOH 跳变到低电平 VOL 时,所
对应的输入电压值。 VT+=2/3VCC 。
( b )下限阈值电压 VT —
vI 下降过程中, vO 由低电平 VOL
跳变到高电平 VOH 时,所对应的输
入电压值。 VT—=1 /3VCC 。
( 3 )回差电压 ΔVT
ΔVT= VT+- VT—=1 /3VCC
( 1 )电压滞回特性
1/3VCC
Vo
Vi0
传输特性VOH
VOL
2/3VCC
v I
t
O1v
t
1/3VCC
2/3VCCVT+
VT —
ΔVT
VT+VT —
ΔVT
OVIV
电路符号
C
v
5k
S
1
(2)
2/3V
(7)
(6)
v
&
放电端
I1
(3)
G
V
&
v
O1
¦̧
CC
¦̧
(4)
T
CC
¦̧
C
I2
(8)
5k
5k
2
RCC
(1)
&1
1/3VV
O2
1R
vI
v
CC2
O2v
t
O1v
t
VCC2
1
2
6
5
VCC R D
O555 3
Ov7
v
v
I2
I1v
IC
8 4
1
2
Iv
CCV VCC 2
R
v
vO1
二. 集成施密特触发器
2. TTL 集成施密特触发器 74LS14
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
1A
1Y
2A
2Y
3A
3Y
4A
4Y
5A
5Y
6A
6Y
V
V
DD
SS
CC40106
1. CMOS 集成施密特触发器 CC40106
1
2
3
4
5
6
7
1A
1Y
2A
2Y
3A
3Y
GND
8
9
10
11
12
13
14
4A
4Y
5A
5Y
6A
6Y
VCC
74LS14
三. 施密特触发器的应用举例
1. 用作整形电路——把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。
输入
输出
VT+
VT-
2. 用于脉冲鉴幅——从一系列幅度不同的脉冲信号中,选出那些幅度大于 VT+ 的输入脉冲。
VI OV1
I
t
V
T-T+
V
0
V
OV
0 t
3. 电动窗帘
本章小结1 .多谐振荡器是一种自激振荡电路,不需要外加输入信号,就可以自动
地产生出矩形脉冲。用 555 定时器可以组成多谐振荡器,用石英晶体也定时器可以组成多谐振荡器。石英晶体振荡器的特点是 fo的稳定性极好。
2 .施密特触发器和单稳态触发器,虽然不能自动地产生矩形脉冲,但却可以把其它形状的信号变换成为矩形波,为数字系统提供标准的脉冲信号。
3 . 555 定时器是一种用途很广的集成电路,除了能组成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器以外,还可以接成各种灵活多变的应用电路。
4 .除了 555 定时器外,目前还有 556 (双定时器)和 558 (四定时器)等。
第 9 章 习题
9.2.3 9.4.1 9.4.3 9.4.5 9.4.6