《數(shù)字邏輯簡(jiǎn)明教程》課件第6章

第六章脈沖波形的產(chǎn)生與變換6.1概述6.2555定時(shí)電路6.3單穩(wěn)態(tài)電路6.4多諧振蕩器6.5施密特電路 6.1概述

在電路基礎(chǔ)課程中我們知道，含有惰性元件C或L的電路存在暫態(tài)過(guò)程，即有充放電現(xiàn)象。脈沖波形就是利用惰性電路的充放電而形成的。由于RC電路用得較多，下面就以RC惰性電路為例講述脈沖波形產(chǎn)生機(jī)理。我們用控制開(kāi)關(guān)位置及時(shí)間常數(shù)RC的方法，即可得到不同的脈沖波形。如圖6－1(a)所示，當(dāng)時(shí)間常數(shù)RC遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間TS時(shí)，便組成微分電路，在電阻上可獲得窄脈沖輸出。圖6－1(b)組成積分電路。當(dāng)RC<<TS時(shí)，在電容上可得到矩形波；當(dāng)RC>>TS時(shí)，在電容上又可得到線(xiàn)性?huà)呙璧牟ㄐ巍D6－1

RC暫態(tài)電路波形

由圖6－1可看出，脈沖形成電路的組成應(yīng)有兩大部分：惰性電路和開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)是用來(lái)破壞穩(wěn)態(tài)，使惰性電路產(chǎn)生暫態(tài)的。開(kāi)關(guān)可用不同的電子器件來(lái)完成，如可用運(yùn)算放大器，分立器件晶體三極管或場(chǎng)效應(yīng)管，也可以用邏輯門(mén)。目前用得較多的是555定時(shí)電路。

惰性電路產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)程，對(duì)一階問(wèn)題而言，可用三要素法來(lái)描述，獲得電壓或電流隨時(shí)間變化的方程，該方程是脈沖波形計(jì)算的重要依據(jù)。三要素即起始值X(0+)、趨向值

X(∞)和時(shí)間常數(shù)τ。若三要素已知，則得方程或本章只講述555定時(shí)電路所構(gòu)成的脈沖電路，至于其他器件構(gòu)成的脈沖電路，請(qǐng)讀者參閱有關(guān)參考書(shū)。

6.2

555定時(shí)電路

6.2.1基本組成

555集成電路主要由3個(gè)5kΩ電阻組成的分壓器、兩個(gè)高精度電壓比較器、一個(gè)基本RS觸發(fā)器、一個(gè)作為放電通路的管子及輸出驅(qū)動(dòng)電路組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖6－2所示。圖6－2CC7555集成定時(shí)電路

(a)邏輯圖;

(b)符號(hào)表示

1.分壓器

分壓器由3個(gè)5kΩ電阻R組成，它為兩個(gè)電壓比較器提供基準(zhǔn)電平。當(dāng)5腳懸空時(shí)，電壓比較器A的基準(zhǔn)電平為2／3UDD，比較器B的基準(zhǔn)電平為1／3UDD。改變5腳的接法可改變比較器A、B的基準(zhǔn)電平，如5腳通過(guò)電阻10kΩ接地，則基準(zhǔn)電平分別為和。5腳也可另接小于等于UDD的電源，如采用和，則5腳通過(guò)一個(gè)0.01～0.1μF的電容接地，以防干擾信號(hào)影響5腳電壓值。

2.比較器

比較器A、B是兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的高精度電壓比較器。A的輸入端為引腳6高觸發(fā)端，當(dāng)時(shí)，A端輸出為高電平，即邏輯“1”；當(dāng)時(shí)，A輸出為低電平，即邏輯“0”。B的輸入端為引腳2低觸發(fā)端，當(dāng)時(shí)，B輸出為低電平，即邏輯“0”；當(dāng)時(shí)，B輸出為高電平，即邏輯“1”。A、B的輸出直接控制基本RS觸發(fā)器的動(dòng)作。

3.基本RS觸發(fā)器

RS觸發(fā)器由兩個(gè)或非門(mén)組成，它的狀態(tài)由兩個(gè)比較器輸出控制，根據(jù)基本RS觸發(fā)器的工作原理，就可以決定觸發(fā)器輸出端的狀態(tài)。

從圖6－2可看到,UA=0，UB=0，觸發(fā)器處于維持態(tài)；UA=1，UB=0，觸發(fā)器為置“0”態(tài)，Q=0，Q=1；UA=0，UB=1，觸發(fā)器為置“1”態(tài)；UA=1，UB=1，此時(shí)Q=Q=0,破壞了觸發(fā)器的功能，正常使用555定時(shí)器時(shí)，不允許出現(xiàn)這種情況。

R是專(zhuān)門(mén)設(shè)置的可從外部進(jìn)行置“0”的復(fù)位端，當(dāng)R=0時(shí)，經(jīng)反相后將或非門(mén)封鎖，輸出為0，使Q=0，輸出uO=0。

4.開(kāi)關(guān)放電管和輸出緩沖級(jí)

放電管V是N溝道增強(qiáng)型的MOS管，其控制柵為0電平時(shí)截止，為1電平時(shí)導(dǎo)通。

兩級(jí)反相器構(gòu)成輸出緩沖級(jí)，反相器的設(shè)計(jì)考慮了有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，一般可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)TTL門(mén)電路。同時(shí)，輸出級(jí)還起隔離負(fù)載對(duì)定時(shí)器影響的作用。6.2.2工作原理及功能表

綜上所述，我們根據(jù)圖6－2所示電路結(jié)構(gòu)圖可以很容易得到CC7555定時(shí)器的功能表，如表6－1所示。表6－1

555定時(shí)器功能表CC7555定時(shí)器電路具有靜態(tài)電流較小(80μA左右)，輸入阻抗極高(輸入電流僅為0.1μA左右)，電源電壓范圍較寬(在3~18V內(nèi)均正常工作)等特點(diǎn)。其最大功耗為300mW。和所有CMOS集成電路一樣，在使用時(shí)，輸入電壓uI應(yīng)確保在安全范圍之內(nèi)，即滿(mǎn)足下式條件：

555定時(shí)電路除了CMOS型之外，還有TTL型，如5G555(NE555)。它的工作原理與CC7555沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，但其驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)200mA。 6.3單穩(wěn)態(tài)電路

6.3.1電路組成

圖6－3(a)是用CC7555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路，圖6－3(b)是其工作波形。圖中R、C為外接定時(shí)元件，輸入觸發(fā)信號(hào)uI加至低觸發(fā)TR端，由OUT端給出輸出信號(hào)，控制端CO不用時(shí)一般均通過(guò)0.01μF接地，以防干擾。圖6－3

CC7555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路6.3.2工作原理及波形計(jì)算

靜止期：觸發(fā)信號(hào)uI處于高電平，電路處于穩(wěn)態(tài)，根據(jù)555工作原理知道uO為低電平，放電管V導(dǎo)通，定時(shí)電容C兩端電壓uC=0。

工作期：外界觸發(fā)信號(hào)uI加進(jìn)來(lái)，要求為負(fù)脈沖且低電平應(yīng)小于，由表6－1知，輸出uO為高電平，且放電管截止，電源UDD通過(guò)定時(shí)電阻R對(duì)定時(shí)電容充電。這是一個(gè)暫態(tài)問(wèn)題，只要寫(xiě)出三要素即可。三要素如下：根據(jù)表6－1的功能表知，電路處于維持狀態(tài)，uC不可能充至UDD,當(dāng)uC充至大于，但小于時(shí)，uO=高電平，放電管仍處于截止?fàn)顟B(tài)，電容繼續(xù)充電。當(dāng)時(shí)，uO=0，放電管導(dǎo)通，電容通過(guò)放電管很快放電，進(jìn)入恢復(fù)期。由于外界觸發(fā)脈沖加了進(jìn)來(lái)，電路uO由低電平變?yōu)楦唠娖降皆俅巫優(yōu)榈碗娖竭@段時(shí)間就是暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間。暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間TW計(jì)算如下：顯然，改變定時(shí)元件R或C即可改變延遲時(shí)間TW；通過(guò)改變比較器的參考電壓也可改變TW

。在5腳CO端外接電源或電阻即可改變比較器A、B的參考電壓。

為了使電路能正常工作，要求外加觸發(fā)脈沖的寬度TIW小于TW，且負(fù)脈沖的數(shù)值一定要低于。為此，常在輸入信號(hào)uI和觸發(fā)電路之間加一微分電路，如圖6－4所示。圖6－4具有微分環(huán)節(jié)的單穩(wěn)態(tài)電路

恢復(fù)期：當(dāng)放電管V導(dǎo)通時(shí)，定時(shí)電容C通過(guò)放電管迅速放電，即進(jìn)入恢復(fù)期，恢復(fù)到靜止期狀態(tài)?；謴?fù)期TR由下式?jīng)Q定：其中rd為放電管導(dǎo)通時(shí)呈現(xiàn)的電阻，一般R>>rd，所以恢復(fù)期很短。利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器我們也可以獲得線(xiàn)性鋸齒波。由上述工作原理和輸出波形可看出，在電容C兩端可得到按指數(shù)規(guī)律上升的電壓，為獲得線(xiàn)性鋸齒波，只要對(duì)電容C恒流充電即可。故用恒流源代替R即可組成線(xiàn)性鋸齒波電路。

圖6－5(a)為線(xiàn)性鋸齒波電路，其中晶體三極管V及電阻Re、Rb1、Rb2組成恒流源，給定時(shí)電容提供恒定的充電電流。電容兩端電壓隨時(shí)間線(xiàn)性增長(zhǎng)其中,I0為恒定電流。電路工作波形如圖6－5(b)所示。實(shí)際中為了防止負(fù)載對(duì)定時(shí)電路的影響，uC輸出常常通過(guò)射極輸出器輸出。圖6－5線(xiàn)性鋸齒波電路

外接電阻R的范圍為2kΩ~20MΩ，定時(shí)電容C為100pF~1000μF，因此其單穩(wěn)態(tài)電路的延遲時(shí)間TW可由幾微秒到幾小時(shí)，精度可達(dá)0.1%。當(dāng)然還可以增大R、C之值，使延時(shí)再增大，但這將導(dǎo)致精度變低。

單穩(wěn)態(tài)電路的主要應(yīng)用是定時(shí)、延時(shí)(對(duì)輸入uI的下降沿而言)和波形變換。 6.4多諧振蕩器

多諧振蕩器是一種無(wú)穩(wěn)態(tài)電路，它在接通電源后，不需要外加觸發(fā)信號(hào)，電路狀態(tài)能夠自動(dòng)地不斷變換，產(chǎn)生矩形波的輸出。由于矩形波中的諧波分量很多，因此這種振蕩器

冠以“多諧”二字。

在數(shù)字電路中，為了定量地描述多諧振蕩器所產(chǎn)生的矩形脈沖波形的特性，經(jīng)常使用如圖6－6所示的5個(gè)指標(biāo)，即:

脈沖周期T：周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個(gè)相鄰脈沖的時(shí)間間隔。有時(shí)也用頻率f=1/T表示，f表示單位時(shí)間里脈沖重復(fù)的次數(shù)。脈沖幅度Um：脈沖電壓的最大變化幅度。

脈沖寬度TW：從脈沖前沿上升到0.5Um起，到脈沖后沿下降到0.5Um止的一段時(shí)間。

上升時(shí)間tr:脈沖前沿從0.1Um上升到0.9Um所需的時(shí)間。

下降時(shí)間tf:脈沖后沿從0.9Um下降到0.1Um所需的時(shí)間。

利用上述指標(biāo)，就可以大體上把一個(gè)矩形脈沖的基本特性表示清楚了。圖6－6描述矩形脈沖特性的指標(biāo)6.4.1電路組成

圖6－7(a)給出用CC7555構(gòu)成的多諧振蕩器。由圖可見(jiàn)，除將高電平觸發(fā)端TH和低電平觸發(fā)端TR短接外，在放電回路中還串接一個(gè)電阻R2。電路中R1、R2、C均是定時(shí)元件。圖6－7(b)為工作波形。圖6－7自由多諧振蕩器電路及工作波形6.4.2工作原理及波形計(jì)算

自由多諧振蕩器不具有穩(wěn)態(tài)，只具有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)短由電路的定時(shí)元件確定，電路工作就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。其具體工作過(guò)程如下：

由于接通電源前，電容器兩端電壓uC=0，電源剛接通時(shí),

uO為高電平，放電管V處于截止?fàn)顟B(tài)。電源電壓通過(guò)R1、R2對(duì)C充電，其暫態(tài)過(guò)程為電路處于維持原狀態(tài)，電容C不可能充至UDD。過(guò)程如下：

當(dāng)時(shí)，但當(dāng)時(shí)，輸出uO為低電平，放電管V導(dǎo)通，這段時(shí)間我們稱(chēng)為第一暫穩(wěn)態(tài)期。

放電管V導(dǎo)通時(shí)，電容C通過(guò)電阻R2和放電管放電，電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)期，放電過(guò)程為由于比較器A、B的存在，電容器不可能放電至0。當(dāng)電容放電時(shí)，電路處于維持狀態(tài)，輸出也不變；但當(dāng)C繼續(xù)放電,時(shí)，輸出uO為高電平，放電管截止，UDD再次對(duì)電容充電。如此反復(fù)，可輸出矩形波形。該電路的振蕩周期計(jì)算如下：而T1和T2分別為T(mén)=T1+T2

所以T=(R1+2R2)·Cln2=0.7(R1+2R2)C

輸出矩形的頻率f=1/T。顯然，改變R1、R2和C值即可改變振蕩頻率。我們也可通過(guò)改變5腳電壓U5來(lái)改變比較器A、B的參考電壓，從而達(dá)到改變振蕩頻率的目的。在實(shí)際中常常需要調(diào)節(jié)T1和T2。這樣就引進(jìn)了占空比的概念：占空比D為圖6－8占空比可調(diào)振蕩器可利用自由多諧振蕩器組成模擬聲響電路。如圖6－9(a)所示，A、B兩個(gè)555電路均為多諧振蕩器。如調(diào)節(jié)振蕩器A振蕩頻率fA=1Hz，振蕩器B振蕩頻率fB=1kHz,由于A輸出接至B的R端，故只有uO1輸出為高電平時(shí)，B振蕩器才振蕩，uO1輸出為0時(shí)，B停止振蕩，使揚(yáng)聲器發(fā)出1kHz的間歇聲響。如將uO1改接至5腳，則B將產(chǎn)生兩種頻率的信號(hào)。當(dāng)uO1為高電平時(shí)，uO2為較低頻率信號(hào)；當(dāng)uO1為低電平時(shí)，uO2為較高頻率信號(hào)。這樣會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似救護(hù)車(chē)的雙頻音響電路。如由振蕩器A的6腳引出電容充放電波形(類(lèi)似線(xiàn)性?huà)呙璨ㄐ?，通過(guò)運(yùn)算放大器接至振蕩器B的5腳，如圖6－9(b)所示，則uO2波形的頻率是變化的，將產(chǎn)生類(lèi)似警車(chē)的音響效果。圖6－9模擬聲響電路 6.5施密特電路

6.5.1電路組成

將555時(shí)基電路2、6端連接，即構(gòu)成施密特電路，如圖6－10(a)所示。圖6－10施密特電路6.5.2工作原理

當(dāng)時(shí)，輸出uO為高電平；