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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。
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。

:
由三个阻值为5kQ的电阻组成的分压器;
两个电压比较器C1和C2:
v>v,v=1;+-o
vVv,v=0。
+-o
基本RS触发器;
(4)放电三极管T及缓冲器G。

21
当5脚悬空时,比较器C,和^的比较电压分别为2V和丄V。
123cc3cc
21
当vl1>V,vl2>-V时,比较器C,输出低电平,C2输出高电平,基本RS触发
I13ccI23cc12
器被置0放电三极管T导通,输出端vO为低电平。
21
当vI1<V,vI2<V时,比较器C1输出高电平,C2输出低电平,基本RS触发
I13ccI23cc12
器被置1放电三极管T截止,输出端vO为高电平。
21
当vI1<V,vI2>—V时,比较器C1输出高电平,C也输出高电平,即基本RS
I13ccI23cc12
触发器R=1,S=1,触发器状态不变,电路亦保持原状态不变。
(a)(b)
—1555定时器的电气原理图和电路符号
(a)原理图(b)电路符号
2
由于阈值输入端(V丿为高电平(>2V)时,定时器输出低电平,因此也将该端称为
I13cc
高触发端(TH)。
因为触发输入端(vI2)为低电平(<-V)时,定时器输出高电平,因此也将该端称为低I23cc
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v为低DDo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。

—1555定时器功能表
阈值输入(VT1)
触发输入(vT2)
复位(RD)
输出(vO)
放电管T
X
X
0
0
导通
<3v
3cc
<3v
3
1
1
截止
>3v
3cc
>3v
3
1
0
导通
<3v
3
>3v
3
1
不变
不变
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。

电路组成及工作原理
—1555定时器构成的施密特触发器
vI=0V时,v,输出高电平。
Io1
22
当vI上升到—V时,v,输出低电平。当vI由—V继续上升,v,保持不变。
I3cc1I3cc1
当vl下降到-V时,电路输出跳变为高电平。而且在vl继续下降到0V时,电路
I3ccI的这种状态不变。
图中,R、VCC2构成另一输出端v—,其高电平可以通过改变VCC—进行调节。CC——CC—
—.电压滞回特性和主要参数
电压滞回特性
I
图8.———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
T+IOOH
2
VOL时,所对应的输入电压值。VT=—V。
OLT+3cc
(—)下限阈值电压VTVI下降过程中,VO由低电平VOL跳变到高电平VOH时,所对T———IOOLOH
应的输入电压值。VT=1V。
T—3cc
(3)回差电压△VT
回差电压又叫滞回电压,定义为
氐V=V-V二1V
TT+T—3cc
若在电压控制端VIC(5脚)外加电压VS,则将有VT+=VS、VT—=VS/2、卜VT=VS/2,而且当改变vs时,它们的值也随之改变。

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。

—3(a)是CMOS集成施密特触发器CC40106(六反相器)的引线功能图,表
—1所示是其主要静态参数。
(a)CC40106
(b)74LS14
—3集成施密特触发器CC40106和74LS14外引线功能图
—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
氐最小值氐最小值
单位
5






v
10






v
15


4


5
V

—3(b)所示是TTL集成施密特触发器74LS14外引线功能图,—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。
—2TTL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)
V—(V)
AV(
74LS14
15




74LS132
15




74LS13





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。

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。
用作整形电路——把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。
——5脉冲整形电路的输入输出波形
用于脉冲鉴幅——将幅值大于VT』勺脉冲选出。
0
—6用施密特触发器鉴别脉冲幅度
t
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。

电路组成及工作原理
(b)
—1用施密特触发器构成的多谐振荡器
振荡频率的估算
(1)电容充电时间片。电容充电时,时间常数r产(R,+R2)C,起始值vC(0+)=-V,
1112C3cc
2
终了值vC(g)=VCC,转换值vC(T)=-V,带入RC过渡过程计算公式进行计算:
CCCC13cc
’v(g)-v(0+)
T=tInCC
11v(g)-v(T)
CC1
V
CC3CC
=tIn
12
——VCC3CC
=tln2
1
=(R1+R2)C
(2)电容放电时间T2
2
电容放电时,时间常数r=RC,起始值vC(0+)=-V,终了值vC(R)=0,转换值
22C3ccC
VC(T2)=iVcc,带入RC过渡过程计算公式进行计算:
T2=°・7R2C
(3)电路振荡周期T
T=T1+T2=(R1+2R2)C
电路振荡频率f

f=u
T(R+2R)C
12
(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。
T
q=~^
T
(R+R2)C
(R1+2R2)C
R+R
—12—
一R+2R
12

—1所示电路中,由于电容C的充电时间常数r1=(R]+R2)C,放电时间常数T2=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,。
—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T1=R1C,放电时间常数T2=R2C。通过与上面相同的分析计算过程可得
T1=
T=
22
占空比:q—T—T——R只要改变电位器滑动端的位置,
TT+++R
121212
就可以方便地调节占空比q,当R1=R2时,q=,vo就成为对称的矩形波。

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。
石英晶体的选频特性
有两个谐振频率。当岂时,为串联谐振,石英晶体的电抗X=o;
当托时,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:f严f訂f0(晶体的标称频率)
石英晶体的选频特性极好,厶十分稳定,其稳定度可达1Ot0~1O-ii。
石英晶体的符号
—3石英晶体的电抗频率特性和符号
石英晶体多谐振荡器(1)串联式振荡器
R「R2的作用一一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R]=R2=〜2kQ,若是CMOS门则常取R1=R2=10〜100MQ;C1=C2是耦合电容。
石英晶体工作在串联谐振频率厶下,只有频率为厶的信号才能通过,满足振荡条件。因此,电路的振荡频率=厶,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。
—4石英晶体多谐振荡器
并联式振荡器
RF是偏置电阻,保证在静态时使^工作转折区,构成一个反相放大器。F1