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脉冲波形的产生与变换 wang1jin 收集 个人博客地址: http://www.ednchina.com/blog/wang1jin/ 推荐网站: www.ednchina.com 这篇文章主要是讲脉训的波形产生与变换… 以 NE555 为例进行讲解. 本章要求 了解集成定时器的工作原理，了解用集成定时器组成的单稳态触发 器和多谐振荡器的工作原理。 本章内容 在数字电路或系统中，常常需要各种脉冲波形，例如时钟脉冲、控 制过程的定时信号等。这些脉冲波形的获取，通常采用两种 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ：一种是利用脉 冲信号产生器直接产生；另一种则是通过对已有信号进行变换，使之满足系统的 要求。本章以中规模集成电路 555 定时器为典型电路，主要讨论 555 定时器构成 的施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器以及 555 定时器的典型应用。 教学手段 在课堂教学中，多采用黑板粉笔、电子 教案 中职数学基础模块教案 下载北师大版¥1.2次方程的根与系数的关系的教案关于坚持的教案初中数学教案下载电子教案下载 和实物投影相结合的 方式电子教案中包含讲课的梗概、要点、元器件结构、基本电路、电路的演变等 等，具有系统性，可以成为学生课后复习的参考资料。“粉笔＋黑板”的传统方式 具有其独特的灵活性。教师在课堂上如果只是照本宣科，即使是非常好的教案也 缺乏生气。同一内容与不同授课对象交流，将会碰撞出不同的火花，这种即兴的 东西往往使学生和老师均受益匪浅，而“粉笔＋黑板”是最好的表述方式。此外， 还可以通过实物投影增强学生的感性知识。这样，使得课堂教学生动。 本章学时 4 学时 12.1 555 集成定时器 本节学时 1 学时 本节重点 555 集成定时器电路组成及基本功能 教学内容 555 定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便， 只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而广泛用于 信号的产生、变换、控制与检测。 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。它们的结构及工作原理基本相同。通常，双极型定时 器具有较大的驱动能力，而 CMOS 定时器具有低功耗、输入阻抗高等优点。555 定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电压 范围为 5～16V，最大负载电流可达 200mA；CMOS 定时器电源电压范围为 3～ 18V，最大负载电流在 4mA 以下。 Un Re gis te re d 一、电路组成 图 12.1-1 为 555 集成定时器 555 定时器的电气原理图和电路符号，其由五个 部分组成： （1）由三个阻值为 5kΩ的电阻组成的分压器； （2）两个电压比较器 C1 和 C2： v+＞v－，vo=1； v+＜v－，vo=0。 （3）基本 RS 触发器； （4）放电三极管 T 及缓冲器 G。 C C & & & 1 R S T G 5kΩ 5kΩ 5kΩ 1 2 V R v v v CC D IC I1 I2 O O v , (1) (7) (2) (6) (5) (8) (4) (3) 电源 复位 1 2 6 5 8 4 3 7Ov , vI2 v I1v vIC VCC vO 555 (a) (b) DR 阈值输入 控制电压 触发输入 放电端 图 12.1-1 555 定时器的电气原理图和电路符号 (a)原理图 （b）电路符号 二、基本功能 当 5 脚悬空时，比较器 C1 和 C2 的比较电压分别为 ccV3 2 和 ccV3 1 （1）当 vI1> ccV3 2 ，vI2> ccV3 1 时，比较器 C1 输出低电平，C2 输出高电平，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。 （2）当 vI1< ccV3 2 ，vI2< ccV3 1 时，比较器 C1 输出高电平，C2 输出低电平，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。 （3）当 vI1< ccV3 2 ，vI2> ccV3 1 时，比较器 C1 输出高电平，C2 也输出高电平，即 基本 RS 触发器 R=1，S=1，触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。 Un Re gis te re d 由于阈值输入端(vI1) 为高电平（> ccV3 2 ）时，定时器输出低电平，因此也将 该端称为高触发端（TH）。 因为触发输入端(vI2)为低电平（< ccV3 1 ）时，定时器输出高电平，因此也将该 端称为低触发端（TL）。 如果在电压控制端（5 脚）施加一个外加电压（其值在 0～VCC 之间），比较 器的参考电压将发生变化，电路相应的阈值、触发电平也将随之变化，并进而影 响电路的工作状态。 另外，RD为复位输入端，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，即 RD的控制级别最高。正常工作时，一般应将其接高电平。 表 12.1—1 555 定时器功能表 阈值输入(vI1) 触发输入(vI2) 复位(RD) 输出(vO) 放电管 T × × 0 0 导通 < ccV3 2 < ccV3 1 1 1 截止 > ccV3 2 > ccV3 1 1 0 导通 < ccV3 2 > ccV3 1 1 不变 不变 由电路框图和功能表可以得出如下结论： 1．555 定时器有两个阈值，分别是 ccV3 2 和 ccV3 1 。 2．输出端 3 脚和放电端 7 脚的状态一致，输出低电平对应放电管饱和，在 7 脚 外接有上拉电阻时，7 脚为低电平。输出高电平对应放电管截止，在有上拉电阻 时，7 脚为高电平。 3.输出端状态的改变有滞回现象，回差电压为 ccV3 1 。 4.输出与触发输入反相。掌握这四条，对分析 555 定时器组成的电路十分有利 12.2 555 定时器应用举例 本节学时 3 学时 本节重点 555 集成定时器应用 教学内容 12.2.1 施密特触发器 施密特触发器是数字系统中常用的电路之一,它可以把变化缓慢的脉冲波形 变换成为数字电路所需要的矩形脉冲。施密特电路的特点在于它也有两个稳定 Un Re gis te re d 状态,但与一般触发器的区别在于这两个稳定状态的转换需要外加触发信号,而且 稳定状态的维持也要依赖于外加触发信号,因此它的触发方式是电平触发。 1.电路组成及功能 只要将 555 定时器的 2 号脚和 6 号脚接在一起，就可以构成施密特触发器。 我们简记为“二六搭一”。 1 2 6 5 VCC RD O555 3 Ov7 v v I2 I1v IC 8 4 1 2 Iv CCV VCC2 R t t vI Ov 1 2 3 CC V CC 1 V 3 (a)电路图 (b)波形图 v 图 12.2.1—1 555 定时器构成的施密特触发器 （1） vI =0V 时，vo1 输出高电平。 （2）当 vI 上升到 ccV3 2 时，vo1 输出低电平。当 vI 由 ccV3 2 继续上升，vo1 保持 不变。 （3）当 vI下降到 ccV3 1 时，电路输出跳变为高电平。而且在 vI继续下降到 0V 时，电路的这种状态不变。 图中，R、VCC2 构成另一输出端 vo2，其高电平可以通过改变 VCC2进行调节。 2. 电压滞回特性和主要参数 电压滞回特性 v V V I o OH OL V V V vCCCCCC13 2 3 0 Iv vo (a) (b)电路符号 电压传输特性 图 12.2.1—2 施密特触发器的电路符号和电压传输特性 主要静态参数 Un Re gis te re d （1） 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+= ccV3 2 。 （2）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—= ccV3 1 。 （3）回差电压 ΔVT 回差电压又叫滞回电压，定义为 :ΔVT= VT+－VT— = ccV3 1 若在电压控制端 VIC（5 脚）外加电压 VS，则将有 VT+=VS、VT—=VS/2、ΔVT= VS/2，而且当改变 VS 时，它们的值也随之改变。 3． 施密特触发器的应用举例 1). 用作接口电路----将缓慢变化的输入信号，转换成为符合 TTL 系统要求的 脉冲波形。 2). 用作整形电路----把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。 1MOS CMOS 正弦波 1振荡器 输入 输出 V V T+ T- 图 12.2.1—3 慢输入波形的 TTL 系统接口 图 12.2.1—4 脉冲整形电路的输入输出波形 3.) 用于脉冲鉴幅——将幅值大于 VT+的脉冲选出。 0 0 V V I O VI OV V V T+ T- t t 1 图 12.2.1—5 用施密特触发器鉴别脉冲幅度 12.2.2 单稳态触发器 单稳态触发器具有下列特点：第一，它有一个稳定状态和一个暂稳状态；第 二，在外来触发脉冲作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态；第三，暂稳状态 维持一段时间后，将自动返回到稳定状态，而暂稳状态时间的长短，与触发脉冲 Un Re gis te re d 无关，公决定于电路本身的参数。 1.电路组成及其工作原理 由 555构成的单稳态触发器及工作波形如图所示将 555的 6号脚和 7号脚接 在一起，并添加一个电容 和一个电阻 ，就可以构成单稳态触发器我们简记为“七 六搭一，上 R下 C ”。 2 6 VCC RD O 555 3 vI2 I1v 8 4 (a) (b) v 7 R VCC C 1 5 0.01µF C1 vC 2 C 3 VCC v t t O O t t vI Ov v O t I VCC 0 1 tW 图 12.2.2—1 用 555 定时器构成的单稳态触发器及工作波形 （1）无触发信号输入时电路工作在稳定状态 当电路无触发信号时，vI保持高电平，电路工作在稳定状态，即输出端 vO保 持低电平，555 内放电三极管 T 饱和导通，管脚 7“接地”，电容电压 vC 为 0V。 （2）vI下降沿触发 当 vI下降沿到达时，555 触发输入端（2 脚）由高电平跳变为低电平，电路 被触发，vO由低电平跳变为高电平，电路由稳态转入暂稳态。 （3）暂稳态的维持时间 在暂稳态期间，555 内放电三极管 T 截止，VCC 经 R 向 C 充电。其充电回路 为 VCC→R→C→地，时间常数 τ1=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 ccV3 2 之前，电路将保持暂稳态不变。 （4）自动返回（暂稳态结束）时间 当 vC 上升至阈值电压 ccV3 2 时，输出电压 vO 由高电平跳变为低电平，555 内 放电三极管 T 由截止转为饱和导通，管脚 7“接地”，电容 C 经放电三极管对地迅 速放电，电压 vC 由 ccV3 2 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。 （5）恢复过程 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 τ2=RCESC， 式中 RCES 是 T 的饱和导通电阻，其阻值非常小，因此 τ2 之值亦非常小。经过（3～ Un Re gis te re d 5）τ2 后，电容 C 放电完毕，恢复过程结束。 2. 主要参数估算 (1) 输出脉冲宽度 tW 输出脉冲宽度就是暂稳态维持时间，也就是定时电容的充电时间。由图 12.2.2—1（b）所示电容电压 vC 的工作波形不难看出 vC（0+）≈0V，vC（∞）=VCC， vC（tW）= ccV3 2 ，代入 RC 过渡过程计算公式，可得 CR VV V tvv vv t CCCC CC WCC CC W 1.1 3ln 3 2 0 ln )()( )0()( ln 1 1 1 = = - - = -¥ -¥ = + t t t 上式说明，单稳态触发器输出脉冲宽度 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。 3.单稳态触发器的应用 （1）延时 在图 12.2.2－4 中，v/O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于时序控制中。 （2）定时 在图 12.2.2－4 中，单稳态触发器的输出电压 v/O，用做与门的输入定时控制 信号，当 v/O为高电平时，与门打开，vO= vF，当 v/O为低电平时，与门关闭，vO 为低电平。显然与门打开的时间是恒定不变的，就是单稳态触发器输出脉冲 v/O 的宽度 tW。 1 & vI Ov vO 单稳 与门 tW Iv vO vF vO Fv Un Re gis te re d 图 12.2.2－4 单稳态触发器用于脉冲的延时与定时选通 （3）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。图 12.2.2－5 是单稳态触发器用于波形的整形的一个简单例子。 vI tWvO 图 12.2.2－5 单稳态触发器用于波形的整形 12.2.3 多谐振荡器——产生矩形脉冲波的自激振荡器 在数字电路中,常常需要一种不需外加触发脉冲就能够产生具有一定频率和 幅度的矩形波的电路。由于矩形波中除基波外,还含有丰富的高次谐波成分,因此 我们称这种电路为多谐振荡器。它常常用作脉冲信号源。多谐振荡器没有稳态, 只具有两个暂稳态,在自身因素的作用下,电路就在两个暂稳态之间来回转换。 1.电路组成及其工作原理： 图 12.2.3—1 用 555 定时器构成的多谐振荡器 如图 12.2.3—1 为 555 定时器构成的多谐振荡器，接通 VCC 后，VCC 经 R1 和 R2 对 C 充电。当 uc 上升到 2VCC/3 时，uo=0，T 导通，C 通过 R2 和 T 放电， uc 下降。当 uc 下降到 VCC/3 时，uo 又由 0 变为 1，T 截止，VCC 又经 R1 和 R2 对 C 充电。如此重复上述过程，在输出端 uo 产生了连续的矩形脉冲。 2.振荡频率的估算和占空比可调电路 电容 C 充电时间： CRRtw )(7.0 211 += 电容 C 放电时间： CRtw 22 7.0= 电路谐撼振频率 f 的估算： 振荡周期为： CRRT )2(7.0 21 += C R1 uc 8 4 7 3 6 555 2 5 1 0.01μF uo VCC R2 uc uo t t tP1 tP2 0 VCC/3 2VCC/3 0 (a) 电路 (b) 工作波形 Un Re gis te re d 振荡频率为： CRRRRT f )2( 43.1 )2(7.0 11 2121 + » + == 占空比 D： 21 21 21 211 2)2(7.0 )(7.0 RR RR RR CRR T t D w + + = + + == 3.多谐振荡器的应用 将振荡器Ⅰ的输出电压 uo1，接到振荡器Ⅱ中 555 定时器的复位端（4 脚），当 uo1 为高电平时振荡器Ⅱ振荡，为低电平时 555 定时器复位，振荡器Ⅱ停止震荡。 C1 R1 uo1 8 4 7 3 6 555Ⅰ 2 5 1 0.01μF uo1 VCC R2 (a) 电路 (b) 工作波形 C2 R3 uo2 8 4 7 3 6 555Ⅱ 2 5 1 0.01μF uo2 R4 C Un Re gis te re d