電工電子技術及應用 課件 第十二章 脈沖信號的產生和整形

12.1概述12.2集成555定時器及其應用12.1概述在數(shù)字電路或系統(tǒng)中，時鐘脈沖信號用來控制和協(xié)調整個系統(tǒng)的工作。獲得這種矩形脈沖的方法有兩種：一種是利用多諧振蕩器直接產生；另一種是通過整形電路變換而成。整形電路又分為兩類：施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它們可以使輸入波形的邊沿變陡峭，形成規(guī)定的矩形脈沖。為了定量地描述矩形脈沖的特性，經常使用如圖１２．１．１所示參數(shù)來表述矩形脈沖的性能指標，即：脈沖周期Ｔ———周期性重復的脈沖序列中，兩個相鄰脈沖間的時間間隔。頻率ｆ＝１／Ｔ———單位時間內脈沖重復的次數(shù)。脈沖幅度Ｕｍ———脈沖電壓最大變化的幅值。脈沖寬度ｔｗ———從脈沖前沿０．５Ｕｍ始，到脈沖后沿０．５Ｕｍ止的一段時間。上升時間ｔｒ———脈沖從０．１Ｕｍ上升到０．９Ｕｍ所需的時間。下降時間ｔｆ———脈沖從０．９Ｕｍ下降到０．１Ｕｍ所需的時間。上述幾個指標反映了一個矩形脈沖的基本特性。１２．２集成５５５定時器及其應用１２．２．１集成５５５定時器的電路結構與功能

５５５定時器是一個中規(guī)模數(shù)／?；旌霞呻娐罚瑧盟梢院芊奖愕貥嫵墒┟芴赜|發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及多諧振蕩器。５５５定時器產品型號繁多，但所有雙極型產品型號的最后３位數(shù)碼都是５５５，所有ＣＭＯＳ型產品型號的最后４位數(shù)碼都是７５５５。而且，它們的功能和外部引腳的排列完全相同。為了提高集成度，隨后又出現(xiàn)了雙定時器產品５５６（雙極型）和７５５６（ＣＭＯＳ型）。

圖１２．２．１所示為國產雙極型集成定時器ＣＢ５５５的電路結構和外引線排列圖。它由電壓比較器Ｃ１和Ｃ２、電阻分壓器、基本ＲＳ鎖存器、集電極開路的放電三極管ＶＤ和輸出緩沖級幾個基本單元組成。其中電壓比較器Ｃ１和Ｃ２的參考電壓ＵＲ１和ＵＲ２由電源ＵＣＣ經三個５ｋΩ電阻分壓給出。

從圖１２．２．１（ｂ）的外引線排列圖可知，定時器具有８個引出端：①接地端；②觸發(fā)端，即比較器Ｃ２的輸入端；③輸出端；④置零輸入端，只要在該端加上低電平，輸出立即被置成低電平，而不受其他輸入端狀態(tài)的影響，正常工作時必須使其處于高電平；⑤控制電壓輸入端，當該端懸空時，如果從該端外接電壓，則ＵＲ１＝ＵＣＯ，ＵＲ２

⑥閾值端，即比較器Ｃ１的輸入端；⑦泄放端；⑧正電源端。

由圖１２．２．１（ａ）可知，當ｕＩ１＞ＵＲ１、ｕＩ２＞ＵＲ２時，比較器Ｃ１的輸出ｕＣ１＝０（即低電平）、比較器Ｃ２的輸出ｕＣ２＝１（即高電平），ＲＳ鎖存器被置成０，三極管ＶＤ導通，同時ｕＯ為低電平。

當ｕＩ１＜ＵＲ１、ｕＩ２＞ＵＲ２時，比較器Ｃ１的輸出ｕＣ１＝１，比較器Ｃ２的輸出ｕＣ２＝１，ＲＳ鎖存器的狀態(tài)保持不變，因而三極管ＶＤ和輸出ｕＯ的狀態(tài)也維持不變。

當ｕＩ１＜ＵＲ１、ｕＩ２＜ＵＲ２時，比較器Ｃ１的輸出ｕＣ１＝１，比較器Ｃ２的輸出ｕＣ２＝０，故ＲＳ鎖存器被置成１，三極管ＶＤ截止，同時ｕＯ為高電平。

當ｕＩ１＞ＵＲ１、ｕＩ２＜ＵＲ２時，比較器Ｃ１的輸出ｕＣ１＝０，比較器Ｃ２的輸出ｕＣ２＝０，故ＲＳ鎖存器處于Ｑ＝

＝１的狀態(tài)，三極管ＶＤ截止，同時ｕＯ為高電平。這樣就得到了表１２．２．１所示的ＣＢ５５５的功能表。５５５定時器的輸出緩沖級是為了提高電路的帶負載能力而設置的。如果將ＶＤ的集電極輸出端ｕＯＤ經過電阻接到電源上，那么只要該電阻的阻值足夠大，ｕＯＤ將與ｕＯ具有相同的高、低電平。這一特點將在后續(xù)５５５定時器構成多諧振蕩器中被利用。５５５定時器能在很寬的電源電壓范圍內工作，并可承受較大的負載電流。雙極型５５５定時器的電源電壓范圍為５～１６Ｖ，最大的負載電流達２００ｍＡ。ＣＭＯＳ型５５５定時器的電源電壓范圍為３～１８Ｖ，但最大的負載電流在４ｍＡ以下。５５５定時器在儀器、儀表和自動化控制裝置中應用很廣。它可以組成定時、延時和脈沖調制等各種電路。１２．２．２５５５定時器構成施密特觸發(fā)器將５５５定時器的高電平觸發(fā)端和低電平觸發(fā)端連接起來，作為觸發(fā)信號的輸入端，就可構成施密特觸發(fā)器。電路如圖１２．２．２所示。

由于ｕＩ１和ｕＩ２是５５５定時器中電壓比較器的輸入端，而兩個比較器的參考電壓是不同的，當將ｕＩ１和ｕＩ２連接在一起時，ＲＳ鎖存器的置０、置１信號必然發(fā)生在輸入信號ｕＩ的不同電平。因此，輸出電壓ｕＯ由高電平變?yōu)榈碗娖交蛴傻碗娖阶優(yōu)楦唠娖剿鶎模酰芍狄膊幌嗤＿@樣就形成了施密特觸發(fā)特性。為提高比較器參考電壓ＵＲ１和ＵＲ２的穩(wěn)定性，通常在ＵＣＯ端接一個０．０１μＦ左右的濾波電容。下面討論電路的工作原理，首先分析ｕＩ從０逐漸升高的過程：圖１２．２．３為圖１２．２．２電路的電壓傳輸特性。如果參考電壓由外接電壓ＵＣＯ供給，則不難看出這時通過改變ＵＣＯ值可以調節(jié)回差電壓的大小。ＵＣＯ越大，ΔＵＴ也越大，電路的抗干擾能力就越強。１２．２．３５５５定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器若以５５５定時器的ｕＩ２端作為觸發(fā)信號的輸入端，并將由ＶＤ和Ｒ組成的反相器輸出電壓ｕＯＤ接至ｕＩ１端，同時在ｕＩ１對地接入電容Ｃ，就構成如圖１２．２．４所示的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。Ｒ、Ｃ為外接定時元件。在剛接通電源時，如果沒有觸發(fā)信號，ｕＩ處于高電平，那么穩(wěn)定的電路狀態(tài)一定是ｕＣ１＝ｕＣ２＝１，Ｑ＝０，ｕＯ＝０。假定接通電源后ＲＳ鎖存器停留在Ｑ＝０的狀態(tài)，則ＶＤ導通使ｕＣ≈０，電容Ｃ上無電荷。故ｕＣ１＝ｕＣ２＝１，ＲＳ鎖存器保持Ｑ＝０的狀態(tài)，ｕＯ＝０將穩(wěn)定地維持不變。如果接通電源后ＲＳ鎖存器停留在Ｑ＝１的狀態(tài)，這時ＶＤ一定截止，電源ＵＣＣ便經電阻Ｒ向電容Ｃ充電。當充至ｕＣ１由１變?yōu)椋?，使ＲＳ鎖存器置０。同時，ＶＤ導通，電容Ｃ經ＶＤ迅速放電，使ｕＣ≈０。此后由于ｕＣ１＝ｕＣ２＝１，ＲＳ鎖存器保持０狀態(tài)不變，輸出也相應穩(wěn)定在ｕＯ＝０的狀態(tài)。因此，通電后穩(wěn)態(tài)時電路應自動地停留在ｕＯ＝０的穩(wěn)態(tài)上。當觸發(fā)脈沖的下降沿到來時，只要負脈沖的低電平值小于就使ｕＣ２＝０（此時ｕＣ１＝１），ＲＳ鎖存器被置成１，ｕＯ跳變?yōu)楦唠娖?，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。與此同時ＶＤ截止，ＵＣＣ經電阻Ｒ開始向電容Ｃ充電。當充至時，ｕＣ１變?yōu)椋?。如果此時輸入端的觸發(fā)脈沖已經消失，即ｕＩ回到高電平，ｕＣ２＝１，則ＲＳ鎖存器被置成０，于是輸出返回ｕＯ＝０的狀態(tài)。同時ＶＤ又變?yōu)閷顟B(tài)，電容Ｃ經ＶＤ迅速放電，直至ｕＣ≈０，電路恢復穩(wěn)態(tài)。圖１２．２．５所示為在外加觸發(fā)信號作用下ｕＣ和ｕＯ相應的波形圖。輸出脈沖的寬度ｔＷ等于暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間，而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間取決于外接電阻Ｒ和電容Ｃ的大小。由圖１２．２．５可知，ｔＷ等于電容電壓在充電過程中從０上升到Ｃ所需要的時間，因此得到通常Ｒ的取值范圍在幾百歐姆到幾兆歐姆之間，電容Ｃ的取值范圍在幾百皮法到幾百微法之間，則ｔＷ的范圍為幾微秒到幾分鐘。但必須注意，隨著ｔＷ的寬度增加，它的精度和穩(wěn)定度也將下降。應當說明的是，這種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路對輸入脈沖寬度是有一定要求的，即觸發(fā)脈沖寬度要小于暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間ｔＷ。在實際應用中如遇到ｕＩ的脈沖寬度大于ｔＷ時，應先經微分電路將ｕＩ轉變成尖脈沖之后再加到電路的輸入端，如圖１２．２．６所示。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個穩(wěn)定狀態(tài)。其工作特性可歸結為如下三點：（１）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個不同的工作狀態(tài)。（２）在外界觸發(fā)信號作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時間ｔｗ后自動返回穩(wěn)態(tài)，并在輸出端產生一個寬度為ｔｗ的矩形脈沖。（３）暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長短取決于電路內部的參數(shù)，而與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關。由于具備這些特點，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被廣泛應用于脈沖整形、延時（產生滯后于觸發(fā)脈沖的輸出脈沖）以及定時（產生固定時間寬度的脈沖信號）等。１２．２．４５５５定時器構成多諧振蕩器多諧振蕩器是一種無穩(wěn)態(tài)電路，它在接通電源以后，不需外加觸發(fā)信號，就能自動地不斷來回翻轉，產生矩形脈沖。由于輸出的矩形波中含有很多諧波分量，故通常將它成為多諧振蕩器，又稱為方波發(fā)生器。圖１２．２．７是５５５定時器構成多諧振蕩器的電路。當接通電源ＵＣＣ時，若電容Ｃ上的初始電壓為０，即ｕＣ＝０，它使兩電壓比較器的輸出為ｕＣ１＝１，ｕＣ２＝０，ＲＳ鎖存器置１，故ｕＯ為高電平。此時放電三極管ＶＤ截止，電源通過電阻Ｒ１、Ｒ２向電容Ｃ充電，當充至比較器的輸出ｕＣ１＝０，ｕＣ２＝１，ＲＳ鎖存器置０，使ｕＯ由高電平跳變?yōu)榈碗娖?。放電三極管ＶＤ導通，電容Ｃ通過電阻Ｒ２經ＶＤ放電。當放電至比較器的輸出ｕＣ１＝１，ｕＣ２＝０，ＲＳ鎖存器又置１，使ｕＯ由低電平返回高電平。隨即ＶＤ又截止，電容Ｃ又開始充電。如此周而復始，便在輸出端得到矩形脈沖波形。根據(jù)上述分析可得到圖１２．２．８所示ｕＣ和ｕＯ的電壓波形圖。由圖１２．２．８中ｕＣ的波形可求得電容Ｃ的充電時間Ｔ１（指電路進入穩(wěn)定振蕩以后對應電容的充電時間）和放電時間Ｔ２各為故電路的振蕩周期為振蕩頻率為由式（１２．２．５）可見，振蕩頻率主要取決于時間常數(shù)Ｒ和Ｃ，通過改變Ｒ和Ｃ的參數(shù)可以改變振蕩頻率。而振蕩幅度則由電源電壓ＵＣＣ來決定。用ＣＢ５５５組成的多諧振蕩器的最高振蕩頻率約為５００ｋＨｚ，用ＣＢ７５５５組成的多諧振蕩器的最高振蕩頻率也只有１ＭＨｚ。因此用５５５定時器接成的振蕩器在頻率范圍上有較大的局限性，若要組成高頻振蕩器仍然需要使用高速門電路接成。由式（１２．２．２）和式