數(shù)字電子技術(shù)（第五版） 課件 第7章

第7章脈沖產(chǎn)生與變換電路7.1概述7.2

555定時器7.3

555定時器的基本應用電路7.1概述

555定時器配以外部元件，既可以產(chǎn)生矩形波，又可以轉(zhuǎn)換信號波形，還能構(gòu)成多種實際應用電路。圖7.1所示電路是利用555定時器構(gòu)成的晶體管簡易測試儀。圖7.1晶體管簡易測試儀在圖7.1所示電路中，555定時器和外接的電阻、電容構(gòu)成振蕩器，產(chǎn)生一定頻率的振蕩信號。當接入被測的NPN型三極管時，被測管放大輸入的振蕩信號，并將其輸出送給揚聲器，根據(jù)揚聲器的發(fā)聲可對被測管性能進行簡易的定性測試。若揚聲器無聲，則說明管子已損壞；若揚聲器聲音小，則說明管子的放大倍數(shù)β較??；若揚聲器聲音大，則說明管子的放大倍數(shù)β較大。7.2555定時器

7.2.1555定時器分類

常見的555定時器型號有5G555(屬于單時基雙極型定時器，其管腳排列如圖7.2所示)、CC7555(屬于單時基CMOS型定時器)、5G556(屬于雙時基雙極型定時器)和CC7556(屬于雙時基CMOS型定時器)。圖7.2單時基雙極型555定時器5G555管腳排列圖7.2.2555定時器的電路組成

5G555定時器內(nèi)部電路如圖7.3所示,一般由分壓器、比較器、觸發(fā)器和開關及輸出等四部分組成。圖7.35G555定時器內(nèi)部電路

1.分壓器

分壓器由三個等值的電阻串聯(lián)而成，將電源電壓UDD

分為三等分，作用是為比較器提供兩個參考電壓UR1、UR2，若控制端S懸空或通過電容接地，則:若控制端S外加控制電壓US，則:

2.比較器

比較器是由兩個結(jié)構(gòu)相同的集成運放A1、A2構(gòu)成的。

A1用來比較參考電壓UR1和高電平觸發(fā)端電壓UTH:當UTH>UR1時，集成運放A1輸出Uo1=0;當UTH<UR1時，集成運放A1輸出Uo1=1。

A2用來比較參考電壓UR2和低電平觸發(fā)端電壓UTR:當

UTR＞UR2時，集成運放A2輸出Uo2=1;當UTR＜UR2時，集

成運放A2輸出Uo2=0。

3.基本RS觸發(fā)器

當RS=01時，Q=0，Q=1；當RS=10時，Q=1，Q=0。

4.開關及輸出

放電開關由一個晶體三極管組成，其基極受基本RS觸發(fā)器輸出端Q控制。當Q=1時，三極管導通，放電端D通過導通的三極管為外電路提供放電的通路；當Q=0時，三極管截止，放電通路被截斷。7.2.3555定時器的功能

以單時基雙極型國產(chǎn)5G555定時器為例，其功能如表7.1所示。7.2.4555定時器的主要參數(shù)

雙極型定時器與單極型定時器相比，雖然兩者在內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)上存在較大差別，但是其外部引腳和外部功能完全相同，可以互換使用，但需注意其技術(shù)參數(shù)的異同。5G555（單時基雙極型定時器）和CC7555（單時基CMOS型定時器）的主要參數(shù)對比如表7.2所示。

7.3555定時器的基本應用電路

7.3.1施密特觸發(fā)器

1.電路結(jié)構(gòu)

由555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器如圖7.4所示,定時器外接直流電源和地;高電平觸發(fā)端TH和低電平觸發(fā)端TR直接連接，作為信號輸入端；外部復位端R接直流電源UDD（即R接高電平），控制端S通過濾波電容接地。圖7.4施密特觸發(fā)器

2.工作原理

設輸入信號ui為最常見的正弦波，正弦波幅度大于555

定時器的參考電壓UR1=(2/3)UDD(控制端S通過濾波電容接地)，電路輸入/輸出波形如圖7.5所示。輸入信號Ui從零時刻起，

信號幅度開始從零逐漸增加并呈正弦形變化。圖7.5施密特觸發(fā)器輸入/輸出波形從圖7.5輸入輸出波形分析中，可以發(fā)現(xiàn)置位電平和復位電平二者是不等的，二者之間的電壓差稱為回差電壓，用ΔUT表示，即ΔUT=UR1－UR2。

若控制端S懸空或通過電容接地,

則若控制端S外接控制電壓US，UR1=US而圖7.6所示為S端懸空或通過電容接地的施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性，同時也反映了回差電壓的存在，而這種現(xiàn)象稱為

電路傳輸滯后特性?；夭铍妷涸酱?，施密特觸發(fā)器的抗干擾性越強，但施密特觸發(fā)器的靈敏度也會相應降低。圖7.6施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性

3.典型應用

(1)波形變換。將任何符合特定條件的輸入信號變?yōu)閷木匦尾ㄝ敵鲂盘枴?/p>

(2)幅度鑒別。因為施密特觸發(fā)器存在復位電平UR1，只有輸入信號的幅度大于555定時器的參考電壓UR1時，輸出端才一定會出現(xiàn)OUT為“0”的狀態(tài)，可以由輸出狀態(tài)是否出現(xiàn)OUT為“0”的狀態(tài)判斷輸入信號幅度是否超過一定值，如圖7.7所示。圖7.7利用施密特觸發(fā)器進行幅度鑒別

(3)脈沖整形。

脈沖信號在傳輸過程中，如果受到干擾，其波形會產(chǎn)生變形，這時可利用施密特觸發(fā)器進行整形，將變形的矩形波變?yōu)橐?guī)則的矩形波，如圖7.8所示。圖7.8利用施密特觸發(fā)器進行脈沖整形7.3.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

1.電路結(jié)構(gòu)

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖7.9（a）所示。電路由一個555定時

器和若干電阻、電容構(gòu)成。定時器外接直流電源和地，高

電平觸發(fā)端TH和放電端D直接連接，低電平觸發(fā)端TR作為觸

發(fā)信號輸入端接輸入電壓ui，外部復位端R接直流電源UDD（即R接高電平），控制端S通過濾波電容C0接地。圖7.9單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（a）電路；（b）輸入輸出波形7.3.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

2.工作原理

當單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器無觸發(fā)脈沖信號時,輸入端Ui=“1”,當直流電源+UDD接通以后,電路經(jīng)過一段過渡時間后,OUT端最后穩(wěn)定輸出“0”，

放電端D通過導通的三極管接地,電容C兩端電壓為零。因高電平觸發(fā)端TH和放電端D直接連接,所以高電平觸發(fā)端TH接地,即UTH=0<UR1=(2/3)UDD,而UTR=Ui=“1”>(1/3)UDD,根據(jù)555定時器功能可知,此時電路保持原態(tài)“0”不變,這種狀態(tài)即是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的穩(wěn)定狀態(tài),如圖7.9(b)所示。

當單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有觸發(fā)脈沖信號(即Ui=“0”<(1/3)UDD)時,由于UTR=Ui=“0”<(1/3)UDD,并且UTH=0<UR1=(2/3)UDD,則觸發(fā)器輸出由“0”變?yōu)椤?”,三極管由導通變?yōu)榻刂?放電端D與地斷開;直流電源+UDD通過電阻R向電容C充電,電容兩端電壓按指數(shù)規(guī)律從零開始增加(充電時間常數(shù)τ=RC);經(jīng)過一個脈沖寬度時間,負脈沖消失,輸入端Ui

恢復為“1”,即UTR=Ui=“1”>(1/3)UDD,由于電容兩端電壓UC<(2/3)UDD,而UTH=UC<(2/3)UDD,所以輸出保持原狀態(tài)“1“不變,這種狀態(tài)即是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)狀態(tài)。

當電容持續(xù)充電至電容兩端電壓UC

≥(2/3)UDD

時,UTH=UC

≥(

2/3)UDD,又有UTR>13UDD,那么輸出就由暫穩(wěn)狀態(tài)“1”自動返回穩(wěn)定狀態(tài)“0”。

3.暫穩(wěn)狀態(tài)時間（輸出脈沖寬度）

暫穩(wěn)狀態(tài)持續(xù)的時間又稱輸出脈沖寬度，用tW表示。

它由電路中電容兩端的電壓來決定，可以用三要素法求得tW≈1.1RC。

當一個觸發(fā)脈沖使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進入暫穩(wěn)定狀態(tài)以后，在隨后tW時間內(nèi)的其他觸發(fā)脈沖對觸發(fā)器就不起作用了；只有當觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài)時，輸入的觸發(fā)脈沖才起作用。

4.典型應用

1）定時

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以構(gòu)成定時電路；與繼電器或驅(qū)動放大電路配合，可實現(xiàn)自動控制、定時開關的功能，一個典型定時電路如圖7.10所示。圖7.10定時電路當電路接通+6V電源后，經(jīng)過一段時間進入穩(wěn)定狀態(tài)，定時器輸出OUT為低電平，常開繼電器KA（當繼電器無電流通過時，常開接點處于斷路狀態(tài)）無通過電流，故形不成導電回路，燈泡HL不亮。當按下按鈕SB時，低電平觸發(fā)端TR（外部信號輸入端Ui）由接+6V電源變?yōu)榻拥?，相當于輸入一個負脈沖，使電路由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)狀態(tài)，輸出OUT為高電平，繼電器KA通過電流，使常開接點閉合，形成導電回路，燈泡HL發(fā)亮，燈泡HL保持發(fā)亮一定時間后會自動熄滅；暫穩(wěn)定狀態(tài)的出現(xiàn)時刻燈開始亮是由按鈕SB何時按下決定的，它的持續(xù)時間tW（也是燈亮時間）則是由電路參數(shù)決定的，若改變電路中的電阻RWR2

與RP

之和或C，均可改變tW。典型延時電路如圖7.11所示，與定時電路相比，其區(qū)別主要是電阻和電容連接的位置不同。電路中的繼電器KA為常斷繼電器，二極管VD的作用是限幅保護。圖7.11延時電路

2)分頻

當一個觸發(fā)脈沖使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進入暫穩(wěn)狀態(tài)時，在此脈沖以后時間tW內(nèi)，如果再輸入其他觸發(fā)脈沖，則對觸發(fā)

器的狀態(tài)不再起作用；只有當觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài)時，輸入的觸發(fā)脈沖才起作用，分頻電路正是利用這個特性將高頻率信號變換為低頻率信號，電路如圖7.12所示。圖7.12分頻電路7.3.3多諧振蕩器

1.由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器

1)電路結(jié)構(gòu)

如圖7.13(a)所示，高電平觸發(fā)端TH和低電平觸發(fā)端TR

直接連接，無外部信號輸入端，放電端D也接在兩個電阻

之間。圖7.13多諧振蕩器(a)電路;(b)輸入輸出波形

2)工作原理

如圖7.13(b)所示,假定零時刻電容初始電壓為零,零時刻接通電源后,因電容兩端電壓不能突變,則有UTH=UTR=UC=0<

(1/3)UDD,OUT=“1”,放電端D與地斷路,直流電源通過電阻R1、R2向電容充電,電容電壓開始上升；當電容兩端電壓UC

≥(2/3)UDD時,UTH=UTR=UC≥23UDD,那么輸出就由一種暫穩(wěn)狀態(tài)(OUT=“1”而放電端D與地斷路)自動返回另一種暫穩(wěn)狀態(tài)(OUT=“0”而放電端D接地),由于充電電流從放電端D入地,電容不再充電,反而通過電阻R2和放電端D向地放電,電容電壓開始下降；

當電容兩端電壓UC≤(1/3)UDD時,UTH=UTR=UC≤(1/3)UDD,那么輸出就由OUT=“0”變?yōu)镺UT=“1”,同時放電端D由接地變?yōu)榕c地斷路;電源通過R1、R2

重新向C充電，重復上述過程。

通過分析可知,電容充電時,OUT=“1”,而電容放電時,

OUT=“0”，電容不斷地充放電,輸出相應的矩形波。

多諧振蕩器無外部信號輸入,卻能輸出矩形波,其實質(zhì)是一種能量形式變換器——將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔堋?/p>

3)振蕩周期

振蕩周期。t1

代表充電時間(電容兩端電壓從(1/3)UDD上升到(2/3)UDD所需時間)，

，t2

代表放電時間(電容兩端電壓從(2/3)UDD下降到(1/3)UDD所需時間)，t2≈0.7R2C。因而有

對于矩形波,除了用幅度、周期來衡量以外,還存在一個占空比參數(shù)q，

且0<q<1，tP指輸出一個周期內(nèi)高電平所占時間。故圖7.13(a)所示電路輸出矩形波的

4)改進電路

圖7.13（a）所示電路只能產(chǎn)生占空比大于0.5的矩形波，而圖7.14所示電路可以產(chǎn)生占空比處于0和1之間的矩形波。

輸出矩形波的占空比q為圖7.14可調(diào)占空比的多諧振蕩器

2.石英晶體振蕩器

石英晶體J電路符號如圖7.15(a)所示，它是將切成薄片

的石英晶體置于兩平板之間構(gòu)成的，在電路中相當于一個高Q(品質(zhì)因數(shù))選頻網(wǎng)絡，其電抗頻率特性如圖7.15(b)所示。圖7.15石英晶體振蕩器(a)石英晶體的電路符號；(b)石英晶體的電抗頻率特性；(c)石英晶體典型振蕩電路1；(d)石英晶體典型振蕩電路2；(e)石英晶體典型振蕩電路3;(f)頻率可以微調(diào)的石英晶體振蕩電路從圖7.15(b)中可知：當外加電壓信號的頻率和石英晶體固有的諧振頻率f0一致時，石英晶體的阻抗值最小，頻率為

f0的電壓信號最容易通過它，所以一般將石英晶體接入振蕩電路的反饋電路中，構(gòu)成正反饋，以形成自激震蕩。因為石英晶體只允許頻率與其諧振頻率f0相同的電壓信號順利通過自身，而f≠f0的其他信號則被大大衰減，因而該電路的振蕩頻率主要取決于石英晶體本身的諧振頻率f0，而與外接的電阻、電容無關，從而使振蕩電路產(chǎn)生的振蕩信號具有很高的頻率穩(wěn)定性(Δf0/f0)，一般可達到10－6～10－8；如果采用高質(zhì)量的石英晶體，并將晶體置于恒溫狀態(tài)，頻率穩(wěn)定性(Δf0/f0)甚至能達到10－11。圖7.15(c)、(d)、(e)、(f)所示的是一些常見的典型石英晶體振蕩電路：圖7.15(c)中的R主要起到偏置作用，用來使非門(又稱反相器)工作在線性放大區(qū)，其阻值對于TTL非門通常取在0.7kΩ到2kΩ之間，而對于CMOS非門則常取在10MΩ到

100MΩ之間。石英晶體等效于一個電感器，與電容C1和C2一起構(gòu)成電容三點式振蕩電路，其輸出信號的頻率穩(wěn)定，但信號波形并不理想，需要將圖中的Uo再通過一個非門，才能得到理想的矩形波信號。在圖7.15(d)中，偏置電阻R與非門并聯(lián)，作用是使對應

的非門工作在線性放大區(qū)；電容C1用于兩個非門之間的耦合，C1取值應使其在通過頻率為f0信號時的容抗可忽略不計；而C2的作用則是抑制高次諧波，以保證穩(wěn)定的頻率輸出，

C2取值應滿足條件2πRC2f0≈1。

圖7.15(e)所示的石英晶體振蕩電路類似于RC振蕩器。圖7.15(f)所示的晶振電路的輸出信號頻率可以進行微調(diào)。石英晶體與電容C1和C2一起構(gòu)成π型單元電路，當改變C1的容值大小時，會使石英晶體的電抗頻率特性在X軸方向出現(xiàn)

平移，從而達到微調(diào)f0的目的。不論石英晶體振蕩電路采

用哪種具體電路形式，其電路輸出信號頻率通常選擇為

32768Hz，這是因為32768=215，將此頻率的輸出信號經(jīng)過

15次二分頻器后，即可得到1Hz的時鐘脈沖信號，作為計時或測量的基準信號。7.3.4555定時器的具體應用電路

1.壓控振蕩器

壓控振蕩器的