脉冲波形的产生与变换.doc

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1、脉冲波形的产生与变换脉冲信号是数字电路中最常用的工作信号。 脉冲信号的获得经常采用两种方法： 一是利 用振荡电路 直接产生所需的矩形脉冲。 这一类电路称为多谐振荡电路或多谐振荡器； 二是 利用整形电路 ,将已有的脉冲信号变换为所需要的矩形脉冲。这一类电路包括单稳态触发器 和施密特触发器。这些脉冲单元电路可以由集成逻辑门构成,也可以用集成定时器构成。下面先来介绍由集成门构成的脉冲信号产生和整形电路。9.1 多谐振荡器自激多谐振荡器是在接通电源以后 ,不需外加输入信号 ,就能自动地产生矩形脉冲波。由 于矩形波中除基波外 ,还含有丰富的高次谐波 ,所以习惯上又把矩形波振荡器叫做多谐振荡 器。多谐振荡

2、器通常由门电路和基本的RC电路组成。多谐振荡器一旦振荡起来后，电路没有稳态 ,只有两个暂稳态 ,它们在作交替变化 ,输出矩形波脉冲信号 ,因此它又被称作无稳态电路。 门电路组成的多谐振荡器多谐振荡器常由 TTL 门电路和 CMOS 门电路组成。由于 TTL 门电路的速度比 CMOS 门电路的速度快，故TTL门电路适用于构成频率较高的多谐振荡器 ，而CMOS门电路适用于 构成频率较低的多谐振荡器。(1)由 TTL 门电路组成的多谐振荡器由 TTL 门电路组成的多谐振荡器有两种形式：一是由奇数个非门组成的简单环形多谐振荡器；二是由非门和 RC延迟电路组成的改进环形多谐振荡器。简单环形多谐振荡器 3

3、tpd *uo3(a)(b)图9 1由非门构成的简单环形多谐振荡器把奇数个非门首尾相接成环状 ，就组成了简单环形多谐振荡器。图 9 1 (a)为由三个 非门构成的多谐振荡器。若uo的某个随机状态为高电平，经过三级倒相后，uo跳转为低电平 考虑到传输门电路的平均延迟时间 tpd,uo输出信号的周期为 6tpd。图9 1 (b)为各点 波形图。简单环形多谐振荡器的振荡周期取决于 tpd，此值较小且不可调，所以，产生的脉冲信号频 率较高且无法控制，因而没有实用价值。改进方法是通过附加一个RC延迟电路，不仅可以降低振荡频率，并能通过参数 R、C控制振荡频率。RC环形多谐振荡器如图9 2所示，RC环形多

4、谐振荡器由 3个非门(G1、G2、G3 )、两个电阻(R、RS) 和一个电容C组成。电阻RS是非门G3的限流保护电阻，一般为100 Q左右；R、C为定时器件,R的值要小于非门的关门电阻，一般在700 Q以下，否则，电路无法正常工作。此时，由于RC的值较大，从u2到u4的传输时间大大增加,基本上由RC的参数决定，门延迟时间tpd可以忽略不计。11G1u2G2u1%3IICRS二匚4G3uo图9 2 RC环形多谐振荡器a 工作原理设电源刚接通时，电路输出端uo为高电平，由于此时电容器C尚未充电，其两端电压为零 则u2、u4为低电平。电路处于第 1暂稳态。随着u3高电平通过电阻 R对电容C充电，u4

5、 电位逐渐升高。当u4超过G 3的输入阀值电平 UTH时，G3翻转，u0 = u1变为低电平，使G1 也翻转，u2变为高电平，由于电容电压不能突变，u4也有一个正突跳 保持G3输出为低电平 此时电路进入第2暂稳态。随着u2高电平对电容 C并经电阻R的反向充电，u4电位逐渐下 降，当u4低于UTH时，G3再次翻转，电路又回到第1暂稳态。如此循环，形成连续振荡。电路 各点的工作波形如图 93所示。图9 3 RC环形多振荡器工作波形b.脉冲宽度tW及周期T的估算脉冲宽度分为充电时间（tW1 ）和放电时间（tW2）两部分 根据RC电路的基本工作原理,利用三要素法，可以得到充电时间tW1:比（）U4（0

6、 ）U°H UthtW1 =Tn u4（ ） U4（tl） = RCIn Uoh Uth同理,求得放电时间tW2:Ud ） w（0 ）tW2 =Tn U4（ ） U4（t2） = RCInUOL（UOH Uth）UOL UTH其中：t=RC,UOH和UOL分别为非门输出的高电平电压和低电平电压。设 UOH = 3V、UOL = 0.3V、UTH = 1.4V,故脉冲周期 TT = tW1 + tW2 P.6RC + 1.3RC 1.9RC从以上分析看出，要改变脉宽和周期，可以通过改变定时元件 R和C来实现。c.改进形式由于电阻R不能取得过大（700 Q以下），这就限制了频率的调节范围

7、。如果在环形振荡器中增加一级射级跟随器，可使R的可调范围增大，在图9 4所示电路中，R的取值可以达到10K Q，若将晶体三极管 就很宽。图9 4 改进的RC环形多谐振荡器（2） CMOS门电路构成的多谐振荡器由于CMOS门电路的输入阻抗高（ 108 Q），对电阻R的选择基本上没有限制，不需要大 容量电容就能获得较大的时间常数 ，而且CMOS门电路的阀值电压 UTH比较稳定，因此常用 来构成振荡电路，尤其适用于频率稳定度和准确度要求不太严格的低频时钟振荡电路。 电路组成及工作原理图9 5所示为一个由CMOS反相器与R、C元件构成的多谐振荡器。接通电源 VDD 后,电路中将产生自激振荡，因RC串联

8、电路中电容 C上的电压随电容充放电过程不断变化 从而使两个反相器的状态不断发生翻转。ui11r 一 ui21G1G2峙1uo2RC图9 5 CMOS多谐振荡器接通电源后,假设电路初始状态 ui1 = 0,门G1截止,u01 = 1,门G2导通,u02 = 0,这一状 态称为第1暂稳态。此时，电阻R两端的电位不相等 于是电源经门 G1、电阻R和门G2对 电容C充电，使得ui1的电位按指数规律上升，当ui1达到门G1的阀值电压 UTH时，门G1 由截止变为导通，电路发生如下正反馈过程：即门G1导通，门G2截止,u01 = 0,u02 = 1,这称为电路的第 2暂稳态。这个暂稳态也不能稳定保持下去。

9、电路进入该状态的瞬间，门G2的输出电位U02由0上至1,幅度约为VDD。由于电容两极极间电位不能突变，使得ui1的电压值也上跳 VDD。由于CMOS门电路的输入电路中二极管的钳位作用，使ui1略高于VDD。此时电阻两端电位不等，电容通过电阻 R、门G1及门G2放电，使得ui1电位不断下降，当ui1下降到UTH时, 电路发生如下正反馈过程：使得门G1截止，门G2导通，即uO1 = 1，u02 = 0，电路发生翻转，又 回到第1暂稳态。此后，电容C重复充电、放电，在输出端即获得矩形波输出。工作波形见图9 6。图9 6 CMOS多谐振荡器工作波形考虑到CMOS门电路输入端钳位二极管的限幅作用 ，门G

10、1的ui1的值在发生正跳变时 峰值不可能超过 VDD + VF (其中VF为钳位二极管的导通压降)，发生负跳变时峰值不可 能超过-VF。 振荡周期T和振荡频率f的计算丄在CMOS电路中,若VF PV,且UTH = 2 VDD,则第1暂稳态时间和第 2暂稳态时间相 等为t,门G2的输出U02为方波。振荡周期：uii( ) ui(0 )Vdd 0T= 2t = 2RCIn %()如仙)=2RCIn Vdd 2Vdd = 2RCIn2 1.4RC1 1振荡频率f = T = 1-4RC【例9 1】在图9 5的CMOS多谐振荡器中，已知VDD = 10V,UTH = 5V,VF = 1V,R =100

11、K Q,C= 0.001血 试计算电路的振荡频率。Vdd VfVdd Vff解：T =tW1 + tW2 = RCln U th + RCln Vdd Uth10 1 10 1 =100 X103X0.001 X10 6Xln5+ 100 X103X0.001 X10 6xln 10 5=1.577 X10 4(S)丄振荡频率f = T = 6.3(KHz)石英晶体多谐振荡器在多谐振荡器中，输出信号振荡频率的稳定性主要由电路达到转换电平的时间来决定。由于转换电平受温度变化有一些影响，受外界干扰后，电路转换时间发生变化的影响及电容充放电速度变缓后，转换电平微小变化对振荡周期的影响等原因，使电路振

12、荡频率稳定性较差,因此，在对频率稳定性要求较高的数字设备系统中，需要稳频措施。其常用方法是在多谐振荡器的反馈回路中串进石英晶体，构成石英晶体振荡器，如图9 7所示。图中，R1.、R2保证G1.、G2正常工作，电容器C1、C2起到频率微调及耦合的作用。图97 石英晶体多谐振荡器石英晶体具有很好的选频特性如图9 8所示。把石英晶体对称接入反馈回路后，只有当信号频率为晶体固有的谐振频率f0时,晶体的等效阻抗最小，信号最容易通过，而其他频率的信号均被晶体严重衰减。因此，电路的振荡频率只取决于与晶体结构有关的谐振频率f0，与R和C的大小无关 所以，它的输出信号频率稳定度很高。在调试使用中 若因故停振，可

13、以适当调节 R1、R2。图 9 8 石英晶体阻抗频率特性9.2 单稳态触发器单稳态触发器就是只有一个稳态和一个暂稳态的触发器。 所谓稳态是在无外加信号的情 况下,电路 能长久保持的状态 ,稳态时 ,电路中电流和电压是不变的。 暂稳态是一个不能长久 保持的状态 ,暂稳态期间 ,电路中一些电压和电流会随着电容器的充电和放电发生变化。单稳态的触发器的特点是：没有外加触发信号的作用,电路始终处于稳态；在外加触发器信号的作用下 ,电路能从稳态翻转到暂稳态 ,经过一段时间后 ,又能自动返回原来所处的稳 态。电路处于暂稳态的时间通常取决于RC 电路的充、 放电的时间 ,这个时间等于单稳态触发器输出脉冲的宽度

14、 tW, 与触发信号无关。所以 ,单稳态触发器在外加触发脉冲信号的作用下 能够产生具有一定宽度和一定幅度的矩形脉冲信号。 单稳态触发器属于脉冲整形电路 ,常用于脉冲波形的整形 ,定时和延时。单稳态触发器可以由 TTL或CMOS门电路与外接 RC电路组成，也可以通过单片集成单 稳态电路外接RC电路来实现。其中 RC电路称为定时电路。根据RC电路的不同接法，可以将单稳态触发器分为微分型和积分型两种。门电路构成的微分型单稳态触发器(1)电路的组成图9 - 9所示为CMOS或非门组成的单稳态触发器电路，由两个或非门和 RC电路连接而成。门G1的一个输入端作为整个电路的信号输入uil,门G2的输出端作为

15、整个电路的信号输出uO2,RC环节构成微分电路，故称为微分型单稳态触发器。l"L图9 9 CMOS或非门微分型单稳态触发器(2)工作原理假定CMOS或非门的电压传输特性曲线为理想化折线，即开门电平 VON和关门电平VOFF相等,这个理想化的开门电平或关门电平称为阀值电压UTH （一般 UTH 2 VDD ），当输入uiUTH时，输出uo = 0 ;当ui v UTH时,uo = VDD = 1。 稳态接通电源，无触发信号(ui1 = 0),电路处于稳态，电源VDD 通过电阻R对C充电达到稳 态值，故ui2 = VDD = 1,门G2导通，输出uo2 = 0,门G1截止,输出uo1 =

16、 VDD = 1,电容C上 的电压为0。 外加触发信号到来，电路由稳态翻转到暂稳态当外加触发信号ui1正跳变 使uo1由1跳到0时，由于RC电路中电容C上电压不能突 变,因此,ui2也由1跳变到0,使门G2输出由0变1,并返送到门G1的输入。这时输入信号 ui1高电平撤消后,uo1仍维持为低电平，这一过程可描述为：ui1然而，这种状态是不能长久保持的，故称为暂稳态。 由暂稳态自动返回稳态在暂稳态期间，电源VDD通过电阻R和门G1的导通工作管对电容C充电。随着充电的进行,ui2逐渐上升，当 ui2 = UTH时,电路发生下述正反馈(设此时触发脉冲已消失)：这一正反馈过程使电路迅速返回到门G1截止

17、、门 G2导通的稳定状态。最后 uO1 =VDD,uO2 = 0,电路退出暂稳态，回到稳态。值得注意的是 ,u01由0跳变到VDD ,由于电容电 压不能突变，按理ui2也应由UTH上跳到UTH + VDD,但CMOS门电路的内部输入端有二 极管限幅保护电路，因此ui2只能跃升到VDD + 0.6V。暂稳态结束后，电容C通过电阻R经门G1的输出端和门G2的输入端保护二极管放电、 使ui2恢复到稳态时的初始值 VDD。根据以上分析，画出电路各点的工作波形如图9- 10所示。ui1图9 - 10 CMOS微分型单稳态电路工作波形(3)主要参数计算 输出脉冲宽度tW从电路的工作过程可知，输出脉宽tW是

18、电容器C的充电时间。设电容 C充电起点(即 t1时刻)为0时刻，则有ui2(0+) = 0,ui2( s)= VDD, t=RC, ui2(tW) = UTH =空 VDD根据RC电路暂态过程全响应公式丄ui2 (tW) = ui2( s)+ ui2(0+) ui2( )e -U2( ) U2(0 )Vdd 0 1可得 tW = Tn U2( ) u2(tw) = RCln Vdd Vdd 0.7RC 恢复时间tre,从暂态结束到电路恢复到稳态初始值所需时间，即电容C放电时间tre 3 Td式中：Td为电容C放电过程的时间常数。 最高工作频率fmax,为保证单稳态电路能正常工作，在第一个触发脉

19、冲作用后，必须等 待电路恢复到稳态初始值才能输入第二个触发脉冲。因此，触发脉冲工作最小周期 Tmin> tW + tre,则电路的最高工作频率为1fmax = Tmin vtwtre【例9 - 2】 在图9- 9所示电路中，已知:R= 20k Q,C= 0.01疔。试求输出脉冲宽度tW。解:根据式(6.36 )tW = 0.7RC = 0.7 X20 X103 X0.01 X10 6= 140( Q)922 CMOS门电路构成的积分型单稳态触发器(1)电路组成积分型单稳态触发器如图 9 - 11所示,是由两个CMOS或非门组成。门G1和门G2采 用RC积分电路耦合，ui1加至门G1和门G

20、2输入端。+VDuo2图9 11 CMOS或非门积分型单稳态触发器(2)工作原理 稳态当电路的输入ui1为高电平时，电路处于稳态，门G1、G2均导通,uo1、ui2、uO2均为低电 平。 暂稳态当输入信号ui1下跳为低电平时，门G1截止,uO1则跳变为高电平，但由于电容C上电压 不能突变，ui2仍为低电平，故门G2亦截止，u02正跳变到高电平，电路进入暂稳态。 暂稳态自动恢复到稳态在门G1、门G2截止时,由于电阻R两端电位不等,电容C通过R0 （门G1的输出电阻） 和R放电,ui2逐渐上升，当升高到该门的阀值电压UTH时（假定ui1仍为电平），门G2导通，u02变为低电平。当ui1回到高电平后

21、，门G1导通，uO1为低电平，此时电容充电，电路恢复到原来的稳定状 态。电路各点的工作波形如图9 - 12所示（3）参数计算 脉冲宽度tWtW的估算公式和微分型电路相同tW = RCIn % uth p.7Rc这种电路要求输入信号ui1的脉冲宽度（低电平时间）应大于输出脉宽tW。 恢复时间tretre 3RC微分型单稳态触发器要求窄脉冲触发，具有展宽脉冲宽度的作用，而积分型单稳态触发器 则相反，需要宽脉冲触发，输出窄脉冲，故有压缩脉冲宽度的作用。在积分型单稳态触发电路中，由于电容C对高频干扰信号有旁路滤波作用，故与微分型电路相比，抗干扰能力较强。由于单稳态触发器在数字系统中的应用日益广泛，所以

22、有集成单稳态触发器产品，同上面介绍的CMOS单稳态电路一样，其正常工作时，需外接阻容元件。在此不再详细介绍。图9 12 CMOS积分型单稳态电路工作波形923单稳态触发器的应用单稳态触发器可用于脉冲信号的：定时（即产生一定宽度的矩形脉冲波卜整形（即把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的脉冲卜延时（即将输入信号延迟一定的时间之后输出）。（1）定时由于单稳态触发器能产生一定宽度tW的矩形脉冲，利用它可定时开、闭门电路 也可定时控制某电路的动作。如图9 13所示，ui1只有在矩形波ui3存在的时间tW内才能通过。ui20Ui3*uo0uill0uoLnrLrrLTLr图9 13 单稳态触发器的定时作

23、用整形，在其假设有一列不规则的脉冲信号，将这一列信号直接加至单稳态触发器的触发输入端输出端就可以得到一组定宽、定幅较规则的矩形脉冲信号，如图9 14所示。的脉冲波,(3)延时:单稳态触发器在输入信号ui触发下，输出uO产生一个比ui延迟tW这个延时作用可被适当地应用于信号传输的时间配合上。ui 10t图9 14 单稳态触发器的整形作用9.3施密特触发器施密特触发器是一种双稳态触发电路，输出有两个稳定的状态，但与一般触发器不同的是:施密特触发器属于电平触发；对于正向增加和减小的输入信号，电路有不同的阀值电压UT+和UT ,也就是引起输出电平两次翻转 (1 t0和0 t 1)的输入电压不同，具有如

24、图6 26(a)、(c)所示的滞后电压传输特性，此特性又称回差特性。所以，凡输出和输入信号电压具有 滞后电压传输特性的电路均称为施密特触发器。施密特触发器有同相输出和反相输出两种类型。同相输出的施密特触发器是当输入信号正向增加到UT +时,输出由0态翻转到1态，而当输入信号正向减小到 UT 时,输出由1态翻转到0态；反相输出只是输出状态转换时与上 述相反。它们的回差特性和逻辑符号如图9 15所示。UOj iuo(a)同相输岀的回差特性(b)同相输岀的逻辑符号Uiui - Juo(d )反相输出(c)反相输岀的回差特性的逻辑信号图9 15 施密特触发器的回差特性和逻辑符施密特触发器具有很强的抗干

25、扰性，广泛用于波形的变换与整形。门电路、555定时器、运算放大器等均可构成施密特触发器，此外还有集成化的施密特触发器。下面介绍由门电路构成的同相输出的施密特触发器。1. CMOS门电路构成的施密特触发器(1)电路组成如图9 16所示，由二个CMOS反相器及两个电阻 R1和R2构成一个施密特触发器。R2uo图9 16 CMOS门构成的施密特触发器(2) 工作原理设电路输入端ui输入一个三角波，其波形如图6 28所示。当ui = 0时，门G1截止，输出高电平，门G2导通输出低电平，此低电平通过电阻 R2反馈 到输入端，使门G1输入端ui1保持低电平，此时施密特触发器保持输出信号 uo为低电平的稳态

26、，电路进入第I稳态。Ui逐渐上升，ui1也随着上升 但只要其小于 CMOS门电路的 开启电压UT,电路就保持在第I稳态。当ui上升到使ui1等于UT时,在电路中引起如下正反馈连锁反应ui ' uiT - uol uo |在此连锁反应的作用下，门电路的状态发生翻转，使门G1导通，输出低电平，G2截止，输出 高电平，电路进入第n稳态。以后，即使ui继续上升，只要满足ui1大于CMOS门电路的开启 电压ut,电路就保持在第n稳态。若ui由VDD下降,ui1也下降，当 ui1降至UT时,在电路中再次发生正反馈连锁反应在此连锁反应的作用下，电路重新进入门 G1截止、门G2导通的状态，电路输出为低

27、电 平,再次翻转到第I稳态。若电路已处于第I稳态，则ui继续下降，施密特触发器仍维持第I稳态不变。在输入ui三角波形的作用下，门G1输出波形uo1及门G2输出波形uo如图9 17所 示。0iI.tuo h稳态稳态 稳态图9 - 17 施密特触发器工作波形（3）回差特性通过以上的工作原理分析可以看到有一个重要的现象，即在输入电压上升过程中，电路由第I稳态翻转到第n稳态所要求的输入电压ut +与输入电压下降过程中电路由第n稳态回到第I稳态所要求的输入电压UT 是不相同的，这种现象称回差（或滞后）现象 ，称UT +为正向阀值电压（或称接通电平）,UT-为负向阀值电压（或称断开电平），它们之间的差值U

28、 = UT +-UT 称作回差电压（或称滞后电压），简称回差。 UT +的计算在ui上升过程中，由下面的计算式可求得能使施密特触发器翻转的输入电压ui，也就可求得UT + :Ui UoUiUi1 = R1 R2 XR2 + uo = Rl R2 XR2 = UTCMOS门输出低电平约为 OV，uo = OV, UT +就是符合上式要求的ui值：UT + = ui = （1 + R2 ）UT UT 的计算在ui下降过程中，由下面的计算式可求得能使施密特触发器翻转的输入电压ui，也就可求得UT :u i u oui Vddui R2 Vdd Rl.R1R 2RiR?R1R2ui1 =12XR2 +

29、 uo=1乞XR2 + VDD =12= UTCMOS门输出高电平约为 VDD, uo = VDD, UT 就是符合上式要求的 ui值:UT = ui = (1 + R2 )UT R2 VDD AU的计算AU = UT + UT =喪 VDD根据上面的分析，可以知道施密特触发器的回差AU,可以通过改变R1、R2阻值来调节。2.施密特触发器的应用施密特触发器的应用十分广泛 ，不仅可以应用于波形的变换、整形、展宽，还可应用于鉴别脉冲幅度、构成多谐振荡器、单稳态触发器等。(1)波形的变换施密特触发器能够将变化平缓的信号波形变换为较理想的矩形脉冲信号波形，即可将正，其输出脉宽tw弦波或三角波变换成矩形

30、波。 图9 18所示为将输入的正弦波转换为矩形波可由回差A U调节。图9 - 18 施密特触发器的波形变换作用(2)波形的整形在数字系统中，矩形脉冲信号经过传输之后往往会发生失真现象或带有干扰信号。利用施密特触发器可以有效的将波形整形和去除干扰信号(要求回差 U大于干扰信号的幅度)如图9 19所示.图9 19 施密特触发器的波形整形作用(3)幅度鉴别如果有一串幅度不相等的脉冲信号，我们要剔除其中幅度不够大的脉冲，可利用施密特触发器构成脉冲幅度鉴别器，如图9 20所示，可以鉴别幅度大于 UT +的脉冲信号。t图9-20 施密特触发器的鉴幅作用(4) 构成多谐振荡器施密特触发器的特点是电压传输具有

31、滞后特性。如果能使它的输入电压在UT +与UT-之间不停地往复变化，在输出端即可得到矩形脉冲，因此，利用施密特触发器外接 RC电路就 可以构成多谐振荡器，电路如图9 - 21 (a)所示。(b)图6 - 21反相输岀的施密特触发器构成多谐振荡器及其工作波形工作过程：接通电源后，电容C上的电压为0,输出uO为高电平,u0的高电平通过电阻 R 对C充电使uc上升，当 uc到达UT +时，触发器翻转,输出uO由高电平变为低电平。然后 C 经R到uO放电，使uc下降,当uc下降到UT 时，电路又发生翻转，输出uO变为高电平,u0再次通过R对C充电，如此反复，形成振荡。工作波形如9 21 ( b )所示

32、。【例 9 3 】 在图 9 21(a)中,已知:VDD = 10V,UT += 6V, UT = 3V,C = 0.01 yf,R = 5K Q。试计算其输出电压 uo的振荡周期。解:根据图9 21(b)的波形图，设电容C充电时间为tW1、放电时间为tW2,则振荡周期T为：10 3=50 X103 X0.01 X10 6(ln 10 6 +Vdd UtUtT = tW1 + tW2 = RCln Vdd Ut + RCln Ut6In 3 )= 6.26 X10 5(s)(5) 施密特触发器构成单稳态触发器利用施密特触发器的回差特性，可以很方便的构成单稳态触发器，电路如图9 22 (a)所示

33、工作过程：当ui = 0时,uR = 0, uo = 0,电路进入稳态。当 ui正跳变时，由于电容C上的电 压不能突变,uR也上跳与ui相同的幅值，一旦超过正向阀值电压UT +，输出就翻转为高电平， 电路进入暂稳态。此时，由于电阻R两端电位不等,C通过R对地放电，使uR下降,当降至UT时，电路又将自动翻转，uO = 0,回到稳态。工作波形如图 9 22 ( b )所示。tt(b)图9 22施密特触发器构成单稳态触发器及其工作波形输出脉冲宽度tW与AU有关,AU越小,则脉宽越窄；反之,AU越大,则脉宽越大。9.4 集成555定时器定时器是大多数数字系统的重要部件之一。555定时器是一种多用途的中

34、规模单片集成电路 ,它由美国 Sginetics 公司于 1977 年最早开发研制的。 它是将模拟功能和逻辑功能巧妙 地结合在一起 ,具有功能强大、使用灵活、应用范围广等优点,广泛地用于工业控制、家用电器、电子玩具乐器、数字设备等方面,俗称“万能块” 。555 定时器不但本身可以组成定时电路,而且只要外接少量的阻容元件 ,就可以很方便地构成多谐振荡器、单稳态触发器以及施密特触发器等脉冲的产生与整形电路。555 集成定时器按内部器件类型可分双极型( TTL 型)和单极型( CMOS 型)。 TTL 型产品型号的最后 3 位数码是 555 或 556,CMOS 型产品型号的最后 4 位数码都是 7

35、555 或 7556, 它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。 555 芯片和 7555 芯片是单定时器 ,556 芯 片和7556芯片是双定时器。TTL型的定时器静态功耗高，电源电压使用范围为+ 5+ 15V ; CMOS型的定时器静态功耗较低，输入阻抗高，电源电压使用范围为+ 3+ 18V,且在大多数 的应用场合可以直接代换 TTL 型的定时器。 下面以 CMOS 型的 CC7555 定时器为例予以介 绍。定时器的电路结构如图9 23 ( a)、( b )、(c)所示分别为 CC7555定时器内部逻辑电路结构图、符号、外管脚分布图。外部有八个管脚，各管脚的名称如图中所示。由图9 23 (a

36、)可看出,7555定时器由三部分组成：输入比较电路、基本 RS触发器和N沟道场效应管。DTHTR# D D V值压制阈输控触输发入RD5556 7co5.2.nJR-+OG>A1-+O>U2 UR-PI,QI-接一直TR(b)(c)图9 23CC7555集成定时器1.输入比较电路由3个等值分压电阻R般为5k Q,故称555定时器)和两个高、低电压比较器A1、2A2组成。3个电阻对VDD分压,使A1的“一”端电压 U1 = § VDD,A2的“ + ”端电压1 2U2 += 3 VDD。当阀值输入端 TH的电压超过3 VDD时,则A1输出高电平，使基本RS触发_ 1器翻转,

37、Q = 0。而当触发输入端 TR的电压低于VDD时,A2输出高电平，使基本RS触发器 翻转,Q = 1 o2 .基本RS触发器由两个或非门G1、G2组成。当R端置1时,触发器置0,输出端OUT为0 ;当S端置1 时,触发器置1,输出端OUT为1。当直接复位端 Rd加低电平时，不管其它输入状态如何，触 发器直接置0,输出端OUT为0 ;不使用Rd时,应将此端接高电平。G3、G4、G5的作用是 输出缓冲，提高电路的驱动能力。3.场效应管VV是一个由NMOS管构成的放电开关，状态受RS触发器输出的控制。Q = 1时,V导通, 为外接的电容提供放电通路； Q = 0,V截止。CC7555定时器的逻辑功

38、能表如表 6 2所示。 942集成定时器应用举例利用集成定时器，可以组成多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器。1.用CC7555定时器构成多谐振荡器电路组成用CC7555定时器构成的多谐振荡器如图9 24 (a)所示。其中电容 C经R2、定时器的场效应V构成放电回路，而电容C的充电回路却由 R1和R2串联组成。为了提高定时 器的比较电路参考电压的稳定性，通常在5脚与地之间接有 0.01诉的滤波电容，以消除干扰。表9 1CC7555定时器的逻辑功能表阈值输入TH触发输入TR直接复位Rd输出OUT放电管VXX00导通>23 VDD11> VDD110导通V23 VDD0丄V VDD0

39、11断开V23 VDD0> 3 VDD11不变不变>23 VDD1V 3 VDD01不允许(2 )工作原理电源VDD刚接通时，电容C上的电压uc为零，电路输出uO为高电平，放电管V截止,处2于第1暂稳态。之后 VDD经R1和R2对C充电使uc不断上升，当uc上升到uc >VDD时,电路翻转置0,输出uO变为低电平，此时，放电管V由截止变为导通，进入第2暂稳态。CA经R2和V开始放电，使uc下降，当uc < 3 VDD时,电路又翻转置1,输出uO回到高电平，V截止,回到第1暂稳态。然后，上述充、放电过程被再次重复，从而形成连续振荡。工作波形如图 6 35 (b)所示。UC

40、"-c 士8476+VD7555-0.01uo(a)(b)图9 24 用CC7555构成的多谐振荡器及工作波形(3)主要参数的计算 输出高电平的脉宽tW1为C充电所需的时间Vdd 3VDD VtW1 = ( R1 + R2) In DD 3 DD = 0.7 ( R1 + R2) C 输出低电平的脉宽tW2为C放电所需的时间0 yV dd1013V ddtW2 = R2Cln 3= 0.7R2C振荡周期T= tW1 + tW2 = 0.7(R1 + 2R2)C振荡频率1f= T = 07(R 2R2)CtwiRi R2空比q = twi tw2 = Rl 2R2 >50%2.用

41、CC7555定时器构成单稳态触发器(1 )电路组成用CC7555构成的具有微分环节的单稳态触发器如图9 25 (a)所示。R和C为定时元件,0.01电容为滤波电容。(2) 工作原理 稳态2当输入信号ui为高电平时，接通电源后，VDD首先通过R对C充电，使uc上升，当uc > 3 VDD时,触发器置0,输出u0为低电平，放电管V导通此后,C又通过V放电，放电完毕后,uc和u0 均为低电平不变，电路进入稳态。1+VDuiR47uc6c十87555Mr1uoJT0.01 卩tt(a)(b)图9 25用CC7555构成单稳态触发器及工作波形 暂稳态1当触发脉冲ui的负窄脉冲触发后,由于ui v

42、3VDD,触发器被置1,输出uO为高电平,放 电管V截止,电路进入暂稳态，定时开始。 暂稳态自动到恢复稳态2VDD通过R向C充电，电容C上的电压uc按指数规律上升，趋向VDD。当ucVDD 时,触发器置0,输出uO为低电平，放电管V导通定时结束。电容 C经V放电,uc下降到低电 平,u0维持在低电平，电路恢复稳态。当第二个触发信号到来时，重复上述工作过程。其工作波形如图9 25 b)所示。(3)输出脉宽tW的计算：2输出脉宽tW等于电容C上的电压uc从零充到3 VDD所需的时间。VDD 02tW = RCln Vdd 3Vdd = 1.1RC可以看出，输出脉宽tW 仅与定时元件 R、C值有关，

43、与输入信号无关。但为了保证电路正常工作，要求输入的触发信号的负脉冲宽度小于tW,且低电平小于3 VDD 。3.用CC7555定时器构成施密特触发器(1)电路组成将7555定时器的第2脚和第6脚短接并作为信号输入端，则定时器就具有施密特触发 器的功能，电路如图9 - 26 (a)所示。Ul rU0UCOt(b)图9 26 用CC7555定时器构成施密特触发器及工作波形(2)工作原理2设在电路的输入端输入三角波。接通电源后，输入电压ui较低，使6管脚电压V 3 VDD,21管脚电压V 3VDD,触发器置1,输出uO为高电平，放电管V截止。随输入电压 ui的上升，当1 2 2满足$VDD v ui v石VDD时,电路维持原态。当 ui >VDD时，触发器置0,输出uO为低电_2平,放电管V导通,电路状态翻转。可见，该施密特触发器的正向阀值电压UT + =乜VDD。2 1_2当输入电压 ui > 3 VDD,经过一段时间后，逐渐开始下降，当3 VDD v ui v 3 VDD时,1电路仍维持不变的状态，输出uO为低电平。当ui < 3 VDD时，触发器置1,输出uO变为高 2电平