脉冲产生与变换电路课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第7章 脉冲信号的产生与整形,第7章 脉冲产生与变换电路,7,.1 概述,7,.2 施密特触发器,7,.3 多谐振荡器,7,.4 单稳态触发器,7,.5 555定时器及其应用,本章小结,练,习题,目的与要求：,熟悉,555,集成定时器的工作原理,及应用。,了解施密特触发器的工作原理，熟悉其回差特性及应用。,熟悉多谐振荡器的工作特点、参数，了解石英晶体振荡器。,了解单稳态触发器的工作原理、参数计算，熟悉其特点及应用,。,7.1 概 述,在数字系统中， 除了有数字信号“1”和“0”以外，一般还存在同步脉冲控制信号（,CP,信号），它是具有一定幅度和频率的矩形波。,通常得到矩形波的方法很多， 目前应用较多的是利用555定时器来实现。 ,图7.1 晶体管简易测试仪,7.2 555定时器,7.2.1 555定时器分类,7.2.2 555定时器的电路组成,7.2.3 555定时器的功能,7.2.4 555定时器的主要参数,7.2 555定时器,7.2.1 555定时器分类,555定时器又称时基电路。 555定时器按照内部元件为双极型（又称,TTL,型）和单极型两种。双极型内部采用的是晶体管；单极型内部采用的则是场效应管。 555定时器按单片电路中包括定时器的个数分为单时基定时器和双时基定时器。 ,常用的单时基定时器有双极型定时器7,G555(,其管脚排列如图7.2所示)和单极型定时器,CC5557。,双时基定时器有双极型定时器7,G776,和单极型定时器,CC5556。,图7.37,G555,定时器内部电路,7.,2.2,555定时器的电路组成, 7,G555,定时器内部电路如图7.3所示, 一般由分压器、比较器、触发器和开关及输出等四部分组成。,1. 分压器,分压器由三个等值的电阻串联而成，将电源电压,U,DD,分为三等份，作用是为比较器提供两个参考电压,U,R1,、U,R2,，,若控制端,S,悬空或通过电容接地，则:,若控制端,S,外加控制电压,U,S,则:,U,R1,=,U,S,2. 比较器,比较器是由两个结构相同的集成运放,A,1,、,A,2,构成。,A,1,用来比较参考电压,U,R1,和高电平触发端电压,U,TH,:,当,U,TH,U,R1,，,集成运放,A,1,输出,U,o1,=0;,当,U,TH, ,0,与地导通,1 ,保持原状态不变,保持原状态不变,1 ,1,与地断开,表7.2 7,G555,和,CC5557,的主要参数,7.2.4 555定时器的主要参数,7,G555(,单时基双极型定时器）和,CC5557（,单时基,CMOS,型定时器）的主要参数对比如表7.2所示。,参数,单位,CMOS,型,CC5557,TTL,型,7,G555,电源电压,U,DD,V,318,4.716,静态电源电流,I,DD,mA,012,10,定时精度,%,2,1,高电平触发断电压,U,TH,V,高电平触发端电流,I,TH,uA,0000 07,01,低电平触发端电压,V,续表（2）,参数,单位,CMOS,型,CC5557,TTL,型,7,G555,复位端复位电压,V,1,1,复位端复位电流,uA,01,40,0,放电端放电电流,mA,1070,200,输出端驱动电流,mA,120,200,最高工作频率,kHz,700,700,从表7.2可见： ,(1) 二者的工作电源电压范围不同。 ,(2) 双极型定时器输入输出电流较大，驱动能力强， 可直接驱动负载，适宜于有稳定电源的场合使用。 ,(3) 单极型定时器输入阻抗高，工作电流小，功耗低且精度高，多用于需要节省功耗的领域。 ,【思考题】,1. 555定时器主要由哪几部分组成？每部分各起什么作用？,2. 双极型定时器与,CMOS,型定时器有什么异同？,7.3 555定时器的基本应用电路,7.3.1 施密特触发器,7.3.2 单稳态触发器,7.3.3 多谐振荡器,7.3 555定时器的基本应用电路,7.3.1 施密特触发器,施密特触发器是一种脉冲号变换电路，用来实现整,形和鉴波。它可以将符合特定条件的输入信号变为对应,的矩形波，这个特定条件是：输入信号的最大幅度,U,max,要大于施密特触发器中555定时器的参考电压,U,R1,。,当定,时器控制端,S,悬空或通过电容接地时，,U,R1,= ；,当定,时器控制端,S,外接控制电压,U,S,时，则,U,R1,=,U,S,。,1. 电路结构,由555定时器构成的施密特触发器如图7.4所示, 定时器外接直流电源和地; 高电平触发端,TH,和低电平触发端,TR,直接连接，作为信号输入端；外部复位端 接直流电源,U,DD,（,即 接高电平），控制端,S,通过滤波电容接地。,图7.4 施密特触发器,图7.7 施密特触发器输入输出波形,2. 工作原理,设输入信号,u,i,为最常见的正弦波，正弦波幅度大于555定时器的参考电压,U,R1,= （,控制端,S,通过滤波电容接地），电路输入输出波形如图7.7所示。输入信号,U,i,从零时刻起，信号幅度开始从零逐渐增加并呈正弦形变化。,当,u,i,处于0,u,i, ,上升区间时，根据555定时器功能表7.1可知,OUT = “1”。 ,当,u,i,处于,u,i,上升区间时， 根据555定时器功能表7.1可知,OUT,仍保持原状态“1”不变。,当,u,i,一旦处于,u,i,区间时，根据555定时器功能表7.1可知,OUT,将由 “1”状态变为 “0”状态，此刻对应的,U,i,值称为复位电平或上限阈值电压。 ,当,u,i,处于,u,i, ,下降区间时， 根据555定时器功能表7.1可知,OUT,保持原来状态 “0”不变。 ,当,u,i,一旦处于,U,i, ,区间时，根据555定时器功能表7.1可知,OUT,又将 “0”状态变为 “1”状态，此时对应的,u,i,值称为置位电平或下限阈值电压。 ,从图7.7输入输出波形分析中，可以发现置位电平和复位电平二者是不等的， 二者之间的电压差称为回差电压用,U,T,表示，即,U,T,=,U,R1,-,U,R2,。 ,若控制端,S,悬空或通过电容接地,U,R1,=,而,U,R2,=，,则,U,T,=,U,R1,-,U,R2,=,若控制端,S,外接控制电压,U,S,，,U,R1,=,U,S,而,U,R2,= ，,则,U,T,=,U,R1,-,U,R2,=,图7.6所示为,S,端悬空或通过电容接地的施密特触发器电压传输特性， 同时也反映了回差电压的存在，而这种现象称为电路传输滞后特性。回差电压越大，施密特触发器的抗干扰性越强，但施密特触发器的灵敏度也会相应降低。, 同理，若施密特触发器输入其他波形的信号，只要输入信号的最大幅度,U,max,大于施密特触发器核心555定时器的参考电压,U,R1,，,那么总能在输出端得到对应的矩形波。 ,图7.6 施密特触发器电压传输特性,当施密特触发器输入一定时， 其输出可以保持,OUT,为“0”或“1”的稳定状态，所以施密特触发器又称为双稳态电路。 ,3. 典型应用,(1) 波形变换。将任何符合特定条件的输入信号变为对应的矩形波输出信号。 ,(2) 幅度鉴别。 如图7.7所示。 ,(3) 脉冲整形。 如图 7.8 所示。,图7.7 利用施密特触发器进行幅度鉴别,图7.8 利用施密特触发器进行脉冲整形,7.3.2 单稳态触发器,单稳态触发器也有两个状态：一个是稳定状态，另一个是暂稳状态。当无触发脉冲输入时，单稳态触发器处于稳定状态；当有触发脉冲时，单稳态触发器将从稳定状态变为暂稳定状态，暂稳状态在保持一定时间后，能够自动返回到稳定状态。 ,1. 电路结构,单稳态触发器如图7.9（,a）,所示。,图7.9 单稳态触发器（,a）,电路；（,b）,输入输出波形,2. 工作原理,当单稳态触发器无触发脉冲信号时，输入端,Ui,=“1”，,当直流电源+,U,DD,接通以后，电路经过一段过渡时间后，,OUT,端最后稳定输出“0”，放电端,D,通过导通的三极管接地，电容,C,两端电压为零。因高电平触发端,TH,和放电端,D,直接连接，所以高电平触发端,TH,接地，即,U,TH,=0,U,R1,= ，,而,U,TR,=,U,i,=“1” ，,根据555定时器功能可知，此时电路保持原态“0”不变，这种状态即是单稳态触发器的稳定状态，如图7.9（,b）,所示。,当单稳态触发器有触发脉冲信号（即,U,i,=“0” ）,时，由于,=,U,i,=“0” ，,并且,U,TH,=0,U,R1,=,则触发器输出由“0”变为“1”，三极管由导通变为截止，放电端,D,与地断开；直流电源+,U,DD,通过电阻,R,向电容,C,充电，电容两端电压按指数规律从零开始增加（充电时间常数,=RC）；,经过一个脉冲宽度时间，负脉冲消失，输入端,U,i,恢复为“1”，即,=,U,i,=“1”，,由于电容两端电压,U,C, ，,而,U,TH,=,U,C, ，,所以输出保持原状态“1”不变， 这种状态即是单稳态触发器的暂稳状态。 ,当电容两端电压,U,C, ,时，,U,TH,=,U,C, ，,又有, ，,那么输出就由暂稳状态“1”自动返回稳定状态“0”。如果继续有触发脉冲输入，就会重复上面的过程，如图7.9（,b）,所示。 ,3.,暂稳状态时间（输出脉冲宽度）,暂稳状态持续的时间又称输出脉冲宽度，用,t,W,表示。它由电路中电容两端的电压来决定，可以用三要素法求得,t,W,1.1RC。 ,当一个触发脉冲使单稳态触发器进入暂稳定状态以后，,t,W,时间内的其他触发脉冲对触发器就不起作用；只有当触发器处于稳定状态时，输入的触发脉冲才起作用。 ,图7.10 定时电路,1） 定时,单稳态触发器可以构成定时电路；与继电器或驱动放大电路配合， 可实现自动控制、定时开关的功能，一个典型定时电路如图7.10所示。,当电路接通+6,V,电源后，经过一段时间进入稳定状态，定时器输出,OUT,为低电平，继电器,KA（,当继电器无电流通过时，常开接点处于断路状态）无通过电流，故形不成导电回路，灯泡,HL,不亮。当按下按钮,SB,时，低电平触发端,TR（,外部信号输入端,U,i,）,由接+6,V,电源变为接地，相当于输入一个负脉冲，使电路由稳定状态转入暂稳状态，输出,OUT,为高电平，继电器,KA,通过电流，使常开接点闭合，形成导电回路，灯泡,HL,发亮；暂稳定状态的出现时刻是由按钮,SB,何时按下决定的，它的持续时间,t,W,（,也是灯亮时间）则是由电路参数决定，若改变电路中的电阻,R,W,或,C，,均可改变,t,W,。,典型延时电路如图7.11所示，与定时电路相比，其电路的主要区别是电阻和电容连接的位置不同。电路中的继电器,KA,为常断继电器，二极管,D,的作用是限幅保护。当开关,SA,闭合，直流电源接通，555定时器开始工作，若电容初始电压为零， 因电容两端电压不能突变，而,U,DD,=,U,C,+,U,R,，,所以,U,TH,= =,U,R,=,U,DD,-,U,C,=,U,DD,，,OUT,= “0”，,继电器常开接点保持断开；同时电源开始向电容充电，电容两端电压不断上升，而电阻两端电压对应下降，当,U,C, ，,图7.11 延时电路,即,U,TH,= =,U,R,时，,OUT,= “1”，,继电器常开接点闭合；电容充电至,U,C,=,U,DD,时结束，此时电阻两端电压为零，电路输出,OUT,保持为“1”，从开关,SA,按下到继电器,KA,闭合这段时间称为延时时间。,2) 分频,当一个触发脉冲使单稳态触发器进入暂稳状态，在此脉冲以后时间,t,W,内，如果再输入其他触发脉冲，则对触发器的状态不再起作用；只有当触发器处于稳定状态时， 输入的触发脉冲才起作用，分频电路正是利用这个特性将高频率信号变换为低频率信号，电路如图7.12所示。,图7.12 分频电路,7.3.3 多谐振荡器,多谐振荡器的功能是产生一定频率和一定幅度的矩形波信号。 其输出状态不断在“1”和“0”之间变换，所以它又称为无稳态电路。 ,1.,由555定时器构成的多谐振荡器,1) 电路结构,如图7.13(,a),所示，,图7.13 多谐振荡器(,a),电路; (,b),输入输出波形,2) 工作原理,如图7.13（,b）,所示，假定零时刻电容初始电压为零，零时刻接通电源后，因电容两端电压不能突变， 则有,U,TH,= =,U,C,=0 ， OUT = “1”，,放电端,D,与地断路，直流电源通过电阻,R,1,、 R,2,向电容充电，电容电压开始上升；当电容两端电压,U,C, ,时，,U,TH,= =UC ，,那么输出就由一种暂稳状态（,OUT = “1”,而放电端,D,与地断路）自动返回另一种暂稳状态（,OUT = “0”,而放电端,D,接），由于充电电流从放电端,D,入地，电容不再充电，反而通过电阻,R,2,和放电端,D,向地放电，电容电压开始下降；当电容两端电压,U,C, ,时，,U,TH,= =,U,C, ，,那么输出就由,OUT = “0”,变为,OUT = “1”，,同时放电端,D,由接地变为与地断路；电源通过,R,1,、,R,2,重新向,C,充电，重复上述过程。,3) 振荡周期,振荡周期,T,=,t,1,+,t,2,。,t,1,代表充电时间（电容两端电压从,1/3,U,DD,上升到 2/3,U,DD,所需时间），,t,1,0.7(,R,1,+,R,2,)C，,t,2,代表放电时间（电容两端电压从2/3,U,DD,下降到1/3,U,DD,所需时间）,t,2,0.7,R,2,C。,因而有,T,=,t,1,+,t,2,0.7(,R,1,+2,R,2,)C,对于矩形波，除了用幅度、周期来衡量以外，还存在一个占空比参数,q，q= ，,t,P,指输出一个周期内高电平所占时间。故图7.13(,a),所示电路输出矩形的,4) 改进电路,图7.13（,a）,所示电路只能产生占空比大于0.7的矩形波， 而图7.14所示电路可以产生占空比处于0和1之间的矩形波。这是因为它的充放电的路径不同,。,图7.14 可调占空比的多谐振荡器,2. 石英晶体振荡器,前面介绍的多谐振荡器， 振荡频率不仅取决于时间常数,RC，,而且还取决于阀值电平，由于其极易受温度、电源电压等外界条件的影响，因而频率稳定性较差，在频率稳定性要求较高的场合，不大适用。 ,为了得到频率稳定性很高的脉冲信号，可采用图7.17(,a)、 (b),所示的石英晶体振荡器，简称晶振。例如计算机中的时钟脉冲即由晶振产生。,图7.17 石英晶体振荡器,石英晶体,J,相当于一个高,Q,（,品质因数）选频网络。电路在满足正反馈条件的自激振荡过程中，石英晶体只允许与其谐振频率,f,0,相等的信号顺利通过，而,f,f,0,的其他信号则被大大衰减， 因而该电路的振荡频率主要取决于石英晶体的谐振频率,f,0,，,而与,R,、,C,的取值关系不大；,R,主要用来使反相器工作在线性放大区，,R,的阻值对于,TTL,门通常在0.7,k,到2,k,之间，而对于,CMOS,门则常在10,M,到100,M,之间。 图7.17(,b),所示晶振电路输出的频率为32768,Hz,经若干级二分频器后，可以为数字钟提供时钟脉冲，电路中电容,C,1,用于两个反相器之间的耦合，而,C,2,的作用则是抑制高次谐波，以保证稳定的频率输出。,图7.16 压控振荡器,7.3.4 555定时器的具体应用电路,1.,压控振荡器,压控振荡器的功能是将控制电压转换为对应频率的矩形波。 压控振荡器的电路如图7.16所示。,图7.18 自举式锯齿波产生器,2. 波形产生电路,555定时器如果加上适当的外部电路， 还可以产生锯齿波、三角波、脉冲等信号。自举式锯齿波产生器电路如图7.18所示。,图7.19 抗干扰的定时电路,3. 时控电路,在工业控制中， 周围环境往往存在大量的干扰信号产生，如高频火花、电磁波、继电器的开关，必须要提高控制所用的定时电路的抗干扰能力。一个抗干扰定时电路如图7.19所示。,【思考题】,1. 555定时器应用电路的基本形式有哪几种？,2. 如何区分555定时器实际应用电路属于哪一,种基本形式？,本章小结,1. 555定时器主要由比较器、基本,RS,触发器、门电路构成。基本应用形式有三种：施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。 ,2. 施密特触发器具有电压滞回特性，某时刻的输出由当时的输入决定，即不具备记忆功能。当输入电压处于参考电压,U,R,1,和,U,R2,之间时，施密特触发器保持原来的输出状态不变，所以具有较强的抗干扰能力。,3. 在单稳态触发器中， 输入触发脉冲只决定暂稳态的开始时刻，暂稳态的持续时间由外部的,RC,电路决定，从暂稳态回到稳态时不需要输入触发脉冲。 ,4. 多谐振荡器又称无稳态电路。在状态的变换时，触发信号不需要由外部输入，而是由其电路中的,RC,电路提供状态的持续时间也由,RC,电路决定。 ,习 题,7.1 利用555定时器芯片构成一个鉴幅电路，实现图题7.1所示的鉴幅功能。图中,U,TH,=3.2V, =1.6 V。,要求画出电路图，并标明电路中相关的参数值。 ,7.2 已知施密特触发器的输入波形如图题7.2所示。其中,U,T,=20V，,电源电压,U,DD,=18 V，,定时器控制端,S,通过电容接地，试画出施密特触发器对应的输出波形； 如果定时器控制端,S,外接控制电压,U,S,=16 V,时，试画出施密特触发器对应的输出波形。 ,图题7.1 鉴幅电路的输入输出波形,图题7.2 施密特触发器的输入波形,7.3 单稳态触发器如图7.9（,a）,所示，图中,R,为20,k，C,为0.7,F。,试计算此触发器的暂稳态持续时间。,7.4 多谐振荡器电路如图7.13(,a),所示，图中,C,为0.2,F，,要求输出矩形波的频率为1,kHz，,占空比为0.6，试计算电阻,R1,和,R2,的数值。若采用图7.14所示的电路，当滑动电阻滑动端向上移动时，保持电路其他参数不变，输出矩形波会产生什么变化？,7.7 分析图题7.3所示555定时器断线光电隔离式保护电路的工作原理。,图题7.3 断线光电隔离式保护电路,图题7.4 换气扇自动控制电路,7.6 分析图题7.4所示555定时器换气扇自动控制电路。 说明电路中的两个555定时器分别是哪一种基本连接形式？ 各有什么功能？,