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脉冲波形的产生与整形

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脉冲波形的产生与整形

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第8章 脉冲波形的产生与整形 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: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。 8.1 集成555定时器 555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,只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域中都得到了广泛的应用。 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的三位数码都是555,CMOS产品型号的最后四位数码都是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。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定时器电源电压变化范围为3~18V,最大负载电流在4mA以下。 一. 555定时器的电路结构与工作原理 1.555定时器内部结构: (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。 2.工作原理。 当5脚悬空时,比较器C1和C2的比较电压分别为和。 (1)当vI1>,vI2>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<,vI2<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<,vI2>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。 图8.1—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 由于阈值输入端(vI1) 为高电平(>)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(<)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。 二.555定时器的功能表 表8.1—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 < < 1 1 截止 > > 1 0 导通 < > 1 不变 不变 8.2 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 图8.2—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上升到时,vo1输出低电平。当vI由继续上升,vo1保持不变。 (3)当vI下降到时,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 图8.2—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 (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+=。 (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—=。 (3)回差电压ΔVT 回差电压又叫滞回电压,定义为 ΔVT= VT+-VT— = 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。 二. 集成施密特触发器 施密特触发器可以由555定时器构成,也可以用分立元件和集成门电路组成。因为这种电路应用十分广泛,所以市场上有专门的集成电路产品出售,称之为施密特触发门电路。集成施密特触发器性能的一致性好,触发阈值稳定,使用方便。 1. CMOS集成施密特触发器 图8.2—3(a)是CMOS集成施密特触发器CC40106(六反相器)的引线功能图,表8.2—1所示是其主要静态参数。 图8.2—3 集成施密特触发器CC40106和74LS14外引线功能图 表8.2—1 集成施密特触发器CC40106的主要静态参数 电源电压VDD VT+最小值 VT+最大值 VT-最小值 VT-最大值 ΔVT最小值 ΔVT最小值 单位 5 2.2 3.6 0.9 2.8 0.3 1.6 V 10 4.6 7.1 2.5 5.2 1.2 3.4 V 15 6.8 10.8 4 7.4 1.6 5 V 2. TTL集成施密特触发器 图8.2—3(b)所示是TTL集成施密特触发器74LS14外引线功能图,其几个主要参数的典型值如表8.2—2所示。 TTL施密特触发与非门和缓冲器具有以下特点: (1)输入信号边沿的变化即使非常缓慢,电路也能正常工作。 (2)对于阈值电压和滞回电压均有温度补偿。 (3)带负载能力和抗干扰能力都很强。 表8.2—2 TTL集成施密特触发器几个主要参数的典型值 器件型号 延迟时间(ns) 每门功耗(mW) VT+(V) VT-(V) ΔVT(V) 74LS14 15 8.6 1.6 0.8 0.8 74LS132 15 8.8 1.6 0.8 0.8 74LS13 16.5 8.75 1.6 0.8 0.8 集成施密特触发器不仅可以做成单输入端反相缓冲器形式,还可以做成多输入端与非门形式,如CMOS四2输入与非门CC4093,TTL四2输入与非门74LS132和双4输入与非门74LS13等。 三. 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。 图8.2—4 慢输入波形的TTL系统接口 图8.2—5 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。 图8.2—6 用施密特触发器鉴别脉冲幅度 8.3 多谐振荡器 多谐振荡器——产生矩形脉冲波的自激振荡器。 多谐振荡器一旦起振之后,电路没有稳态,只有两个暂稳态,它们做交替变化,输出连续的矩形脉冲信号,因此它又称作无稳态电路,常用来做脉冲信号源。 一. 用555定时器构成的多谐振荡器 1. 电路组成及工作原理 图8.3—1 用施密特触发器构成的多谐振荡器 2. 振荡频率的估算 (1)电容充电时间T1。电容充电时,时间常数τ1=(R1+R2)C,起始值vC(0+)=,终了值vC(∞)=VCC,转换值vC(T1)=,带入RC过渡过程计算公式进行计算: (2) 电容放电时间T2 电容放电时,时间常数τ2=R2C,起始值vC(0+)=,终了值vC(∞)=0,转换值vC(T2)=,带入RC过渡过程计算公式进行计算: (3)电路振荡周期T T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C (4)电路振荡频率f (5)输出波形占空比q 定义:q=T1/T,即脉冲宽度与脉冲周期之比,称为占空比。 二. 占空比可调的多谐振荡器电路 在图8.3—1所示电路中,由于电容C的充电时间常数τ1=(R1+R2)C,放电时间常数τ2=R2C,所以T1总是大于T2,vO的波形不仅不可能对称,而且占空比q不易调节。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8.3.2所示。 图8.3—2 占空比可调的多谐振荡器 由于二极管的引导作用,电容C的充电时间常数τ1=R1C,放电时间常数τ2=R2C。通过与上面相同的分析计算过程可得 T1=0.7R1C T2=0.7R2C 占空比:只要改变电位器滑动端的位置,就可以方便地调节占空比q,当R1=R2时,q=0.5,vO就成为对称的矩形波。 三. 石英晶体多谐振荡器 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,就直接决定着计时的精度。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。 1.石英晶体的选频特性 有两个谐振频率。当f=fs时,为串联谐振,石英晶体的电抗X=0; 当f=fp时,为并联谐振,石英晶体的电抗无穷大。 由晶体本身的特性决定: fs≈ fp≈ f0(晶体的标称频率) 石英晶体的选频特性极好,f0十分稳定,其稳定度可达10-10~10-11。 图8.3—3 石英晶体的电抗频率特性和符号 2. 石英晶体多谐振荡器 (1)串联式振荡器 R1、R2的作用——使两个反相器在静态时都工作在转折区,成为具有很强放大能力的放大电路。 对于TTL门,常取R1=R2=0.7~2kΩ,若是CMOS门则常取R1=R2=10~100MΩ;C1=C2是耦合电容。 石英晶体工作在串联谐振频率f0下,只有频率为f0的信号才能通过,满足振荡条件。因此,电路的振荡频率= f0,与外接元件R、C无关,所以这种电路振荡频率的稳定度很高。 图8.3—4 石英晶体多谐振荡器 (2)并联式振荡器 RF是偏置电阻,保证在静态时使G1工作转折区,构成一个反相放大器。 晶体工作在fS与 fP之间,等效一电感,与C1、C2共同构成电容三点式振荡电路。电路的振荡频率= f0。 反相器G2起整形缓冲作用,同时G2还可以隔离负载对振荡电路工作的影响。 图8.3—5 CMOS石英晶体多谐振荡器 四.多谐振荡器应用实例 1. 简易温控报警器 图8.3—6是利用多谐振荡器构成的简易温控报警电路,利用555构成可控音频振荡电路,用扬声器发声报警,可用于火警或热水温度报警,电路简单、调试方便。 图中晶体管T可选用锗管3AX31、3AX81或3AG类,也可选用3DU型光敏管。3AX31等锗管在常温下,集电极和发射极之间的穿透电流ICEO一般在10~50μΑ,且随温度升高而增大较快。当温度低于设定温度值时,晶体管T的穿透电流ICEO较小,555复位端RD(4脚)的电压较低,电路工作在复位状态,多谐振荡器停振,扬声器不发声。当温度升高到设定温度值时,晶体管T的穿透电流ICEO较大,555复位端RD的电压升高到解除复位状态之电位,多谐振荡器开始振荡,扬声器发出报警声。 图8.3—6 多谐振荡器用作简易温控报警电路 需要指出的是,不同的晶体管,其ICEO值相差较大,故需改变R1的阻值来调节控温点。方法是先把测温元件T置于要求报警的温度下,调节R1使电路刚发出报警声。报警的音调取决于多谐振荡器的振荡频率,由元件R2、R3和C1决定,改变这些元件值,可改变音调,但要求R2大于1kΩ。 2. 双音门铃 图8.3—7 是用多谐振荡器构成的电子双音门铃电路。 当按钮开关AN按下时,开关闭合,VCC经D2向C3充电,P点(4脚)电位迅速充至VCC,复位解除;由于D1将R3旁路,VCC经D1、R1、R2向C充电,充电时间常数为(R1+R2)C,放电时间常数为R2 C,多谐振荡器产生高频振荡,喇叭发出高音。 当按钮开关AN松开时,开关断开,由于电容C3储存的电荷经R4放电要维持一段时间,在P点电位降至复位电平之前,电路将继续维持振荡;但此时VCC经R3、R1、R2向C充电,充电时间常数增加为(R3+R1+R2)C,放电时间常数仍为R2 C,多谐振荡器产生低频振荡,喇叭发出低音。 当电容C3持续放电,使P点电位降至555的复位电平以下时,多谐振荡器停止振荡,喇叭停止发声。 调节相关参数,可以改变高、低音发声频率以及低音维持时间。 图8.3—7 用多谐振荡器构成的双音门铃电路 3. 秒脉冲发生器 CMOS石英晶体多谐振荡器产生f=32768Hz的基准信号,经T/触发器构成的15级异步计数器分频后,便可得到稳定度极高的秒信号。这种秒脉冲发生器可做为各种计时系统的基准信号源。 图8.3—8 秒脉冲发生器 8.4 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。暂稳态时间的长短,与触发脉冲无关,仅决定于电路本身的参数。 单稳态触发器在数字系统和装置中,一般用于定时(产生一定宽度的脉冲)、整形(把不规则的波形转换成等宽、等幅的脉冲)以及延时(将输入信号延迟一定的时间之后输出)等。 一. 用555定时器单稳态触发器 1. 电路组成及工作原理 (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上升到阈值电压之前,电路将保持暂稳态不变。 图8.4—1用555定时器构成的单稳态触发器及工作波形 (4)自动返回(暂稳态结束)时间 当vC上升至阈值电压时,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(3~5)τ2后,电容C放电完毕,恢复过程结束。 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。 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8.4—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)=,代入RC过渡过程计算公式,可得 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。 (2)恢复时间tre 一般取tre=(3~5)τ2,即认为经过3~5倍的时间常数电容就放电完毕。 (3)最高工作频率fmax 若输入触发信号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 > tW+tre 即vI周期的最小值Tmin应为tW+tre,即 Tmin= tW+tre 因此,单稳态触发器的最高工作频率应为 需要指出的是,在图8.4—1所示电路中,输入触发信号vI的脉冲宽度(低电平的保持时间),必须小于电路输出vO的脉冲宽度(暂稳态维持时间tW),否则电路将不能正常工作。因为当单稳态触发器被触发翻转到暂稳态后,如果vI端的低电平一直保持不变,那么555定时器的输出端将一直保持高电平不变。 解决这一问题的一个简单方法,就是在电路的输入端加一个RC微分电路,即当vI为宽脉冲时,让vI经RC微分电路之后再接到vI2端。不过微分电路的电阻应接到VCC,以保证在vI下降沿未到来时,vI2端为高电平。 二. 集成单稳态触发器 1. TTL集成单稳态触发器74121的逻辑功能和使用方法 图8.5-1(a)是TTL集成单稳态触发器74121的逻辑符号,(b)是工作波形图。该器件是在普通微分型单稳态触发器的基础上附加以输入控制电路和输出缓冲电路而形成的。 图8.5-1 集成单稳态触发器74121的逻辑符号和波形图 (a)逻辑符号 (b)波形图 它有两种触发方式:下降沿触发和上升沿触发。A1和A2是两个下降沿有效的触发输入端,B是上升沿有效的触发信号输入端。 vO和是两个状态互补的输出端。Rext/Cext、Cext是外接定时电阻和电容的连接端,外接定时电阻Rext(阻值可在1.4~40kΩ之间选择)应一端接VCC(引脚14),另一端接引脚11。外接定时电容C(一般在10pF~10μF之间选择)一端接引脚10,另一端接引脚11即可。若C是电解电容,则其正极引脚10,负极接引脚11。74121内部已经设置了一个2kΩ的定时电阻,Rint(引脚9)是其引出端,使用时只需将引脚9与引脚14连接起来即可,不用时则应让引脚9悬空。 表8.1.1是集成单稳态触发器74121的功能表,表中1表示高电平,0表示低电平, 表8.1.1 集成单稳态触发器74121的功能表 图8.5-2表明了集成单稳态触发器74121的外部元件连接方法,图(a)是使用外部电阻Rext且电路为下降沿触发连接方式,图(b)是使用内部电阻Rint且电路为上升沿触发连接方式。 图8.5-2 集成单稳态触发器74121的外部元件连接方法 (a) 使用外接电阻Rext (下降沿触发) (b)使用内部电阻Rint (上升沿触发) 2. 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 (2)输入触发脉冲最小周期Tmin Tmin= tW+tre tre是恢复时间。 (3)周期性输入触发脉冲占空比q 定义: q = tW/T 式中T是输入触发脉冲的重复周期,tW是单稳态触发器的输出脉冲宽度。 最大占空比: qmax= tW/ Tmin 74121的最大占空比qmax,当R=2kΩ时为67%;当R=40kΩ时可达90%。不难理解,若R=2kΩ且输入触发脉冲重复周期T=1.5μS,则恢复时间tre=0.5μS,这是74121恢复到稳态所必需的时间。如果占空比超过最大允许值,电路虽然仍可被触发,但tW将不稳定,也就是说74121不能正常工作,这也是使用74121时应该注意的一个问题。 3. 关于集成单稳态触发器的重复触发问题 集成单稳有不可重复触发型和可重复触发型两种。不可重复触发的单稳一旦被触发进入暂稳态以后,再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程,必须在暂稳态结束以后,它才能接受下一个触发脉冲而转入下一个暂稳态,如图8.5-3(a)所示。而可重复触发的单稳态在电路被触发而进入暂稳态以后,如果再次加入触发脉冲,电路将重新被触发,使输出脉冲再继续维持一个tW宽度,如图8.5-3(b)所示。 图8.5-3 不可重复触发与可重复触发型单稳态触发器的工作波形 (a) 不可重复触发型 (b)可重复触发型 74121、74221、74LS221都是不可重复触发的单稳态触发器。属于可重复触发的触发器有74122、74LS122、74123、74LS123等。 有些集成单稳态触发器上还设有复位端(例如74221、74122、74123等)。通过复位端加入低电平信号能立即终止暂稳态过程,使输出端返回低电平。 三. 单稳态触发器的应用 1. 延时与定时 (1)延时 在图8.5-4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8.5-4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。 图8.5-4 单稳态触发器用于脉冲的延时与定时选通 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。图8.5-5 是单稳态触发器用于波形的整形的一个简单例子。 图8.5-5 单稳态触发器用于波形的整形 3. 触摸定时控制开关 图8.5-6是利用555定时器构成的单稳态触发器,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(管脚3)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。 图8.5-6 触摸式定时控制开关电路 4. 触摸、声控双功能延时灯 图8.5-7所示,为一触摸、声控双功能延时灯电路,电路由电容降压整流电路、声控放大器、555触发定时器和控制器组成。具有声控和触摸控制灯亮的双功能。 555和T1、R3、R2、C4组成单稳定时电路,定时时间tW=1.1R2C4,图示参数的定时(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输出端(3脚)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,使T1导通,触发555,达到上述效果。 图8.5-7 触摸、声控双功能延时灯电路 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。石英晶体多谐振荡器,利用石英晶体的选频特性,只有频率为fo的信号才能满足自激条件,产生自激振荡,其主要特点是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。

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