555定时器,脉冲的产生与整形电路

UOH
UT
1.4V
O tW
t
实际常用经验公式 tw 0.8RC ( R<Roff )
(2) 恢复时间tre tre (3 ~ 5)(R1//R)C
(3) 电路的分辨时间
td = tw + tre
uO1 ≈0 T3
G1
C uI2 R
+5V R1
T1
G2
输入带微分环节的单稳态触发器
若uI脉冲宽度twI > tw则应通过 微分电路RPCP再输入到与非门1。
脉冲信号的延迟
uI
uO
t1
tW
6.4 多谐振荡器
多谐振荡器是一种无稳态电路，它在接通电源以 后，不需外加触发信号，就能自动地不断来回翻转， 产生矩形脉冲。
由于输出的矩形波中含有很多谐波分量，故 通常将它称为多谐振荡器，又称方波发生器。
6.4.1 集成门电路构成的多谐振荡器
1. TTL集成门电路构成的多谐振荡器
可见，电路输出的状态由输入电压的大小决定， 改变R1和R2就可调节回差电压UT的大小。
R2
uI
R1
1 uO' 1
uI' G1
G2
uO
波形图 uI
uO'
UT+ UT–
(4) 波形图
O
t
uO
O
t
6.2.2 集成施密特触发器 TTL集成施密特触发器有：74LS14，74132，7413等。
TTL集成施密特触发器性能表
3. 单稳态触发器常用于数字系统的整形、延时和定时电路中。
6.3.1 门电路构成的单稳态触发器
按定时元件R和C的不同连接，这类单稳态触发器可分为微
分型和积分型两种 。
uO1
uO2
1. 微分型单稳态触发器的组成
G1 &
& G2
微分型单稳态触发器
C
uI 电路处于稳态时，uI为高电平，uO1为低电平。
uI2
O
t
(2) 当uI从高电平下降达到使 = UT时，可求得电路的下
限阈值电压:
UT- = (1－R1/R2) UT
(3) 触发器的回差电压
UT = UT+–UT- = 2 UT R1/R2
R2
uI
R1
1 uO' 1
uI' G1
G2
uI的波形图
uO
uI
UT+
UT–
uO'
O
t
UT = UT+–UT- = 2 UT R1/R2
uO
uI
UT+
UT–
uO'
O
t
在极短时间内，电路翻转为uO VDD。此时由
= UT+R2 /( R1+R2)= UT
可求得电路的上限阈值电压
UT+= (1+R1/R2) UT 同理，uI = VDD时，uO VDD
R2
uI
R1
1 uO' 1
uI' G1
G2
uI的波形图
uO
uI
UT+
UT–
uO'
当uI2下降到阈值电平(UT = 1.4V)时，产生如下正反馈过程：
uI2
uO
uI = 1 uO1
2
uO1
G1 &
uI
uO2
& G2
C
uI2
R
使电路结束暂稳态，自动返回稳态：uO1= 0，uO2= 1。
(4) 恢复阶段
恢复阶段C的放电回路
+5V
暂稳态时间结束后， 电容C放电。
uO1 ≈0 T3
G1
uO2
uI tWI
G1 &
& G2
O
uO1
UOH
t
C
uI2
UOL O
uI2
t
uI
R
UT 1.4v τ1
(1) 输出脉冲宽度(暂稳态时间) tw
O
uO2
τ2
t
UOH
tW
uI2从UOHR/(R+RO)下降到UT的时间
UOL O
t
工作波形图
uI2
UOH RO C
&
G1
R
G2
根据一阶RC电路的三要素法
得
uI2
这些器件只要外接很少的电阻和电容，就 可构成单稳态触发电路，使用起来非常方便。
1. TTL集成单稳态触发器（74121） (1) 74121 的电路结构
(2) 74121 的电路符号
(3) 74121 的的功能表
输入
输出
A1 A2 B
Q
0 × 10
× 0 10
×× 0 0
1 1 ×0
1↓1
↓1 1
6 脉冲的产生与整形电路
6.1 概述 6.2 施密特触发器 6.3 单稳态触发器 6.4 多谐振荡器 6.5 555定时器及其应用
6.1 概 述
数字电路中，为了控制和协调整个系统的工作，常常需 要时钟脉冲信号。 获得时钟脉冲的方法有：
1. 利用多谐振荡器直接产生。 2. 通过整形电路变换而成。 整形电路又分为两类：施密特触发器和单稳态触发器。 整形电路可以使脉冲的边沿变陡峭，或形成规定的矩形脉冲。
慢的正弦波、三角波等变
O
t
换成矩形脉冲信号 。
3. 鉴幅电路
在一串幅度不相等的 UT+
脉冲信号中，如果要剔除
UT–
幅度不够大的脉冲, 此时
uI
可利用施密特触发器。
uO
鉴幅电路
6.3 单稳态触发器
单稳态触发器的特点： 1. 单稳态触发器有一个稳态和一个暂稳态。 2. 在触发脉冲的作用下，单稳态触发器从稳态翻转到暂稳态， 经过时间tw后又自动翻回稳态，并在输出端产一个宽度为tw 的矩形脉冲。 暂稳态的时间取决于电路本身的参数，与触发脉冲的 宽度无关。
在实际的数字系统中，由于脉冲的来源不同，波形也相差较大。 例如，从光电检测设备送来的脉冲波形一般不太规则；脉冲信 号在线路中远距离传送，常会导致波形变化或叠加上干扰；
整形电路可以把这些脉冲信号变换成具有一定幅度和宽 度的矩形波形。
脉冲整形电路
(a) 电路
(b) 波形图
2. 脉冲的定时
由于单稳态电路能产生一定宽度tw的矩形脉冲，利用这 一脉冲去控制某个系统，就能使其在tw时间内动作（或不动 作），起到定时控制的作用。
a. 当选择上升沿触发时，应将输入脉冲加入A输入端，同时 输入端接高电平。 b. 若选择下降沿触发时，可将输入脉冲引入输入端 ，A输入 端接低电平。
c. 其他情况时，Q状态不变。
(3) 4538输出脉冲宽度 tw=RextCext
Rext和Cext可在较大范围内选择 tw的范围可达10μs ~∞
CX CX/ RX A
uI
uO
uI2
uO
1
2
使电路迅速进入暂稳态：uO1=1
(3) 在暂稳态期间
uI2
UOH RO C
&
G1
R
G2
uI2
UOH
UT
1.4V
O tW
t
门1的输出高电平UOH经电容C和电阻R到地的方向给电
容充电，使门2的输入电压uI2以时间常数1 = (R+RO)C (RO
为门1的输出电阻)按指数曲线下降。
C uI2 R
R1 T1
G2
uI2以时间常数 2 = (R1∥R)C按指数曲线上升，电路经历一
个恢复阶段回到稳态时的初始状态。
2. 工作波形
uI tWI
uO1
G1 &
uI
uO2
O
uO1
t
UOH
& G2
UOL O
uI2
t
C
uI2
R
UT 1.4v τ1
O
uO2
τ2
t
UOH
tW
UOL
O
t
工作波形图
uO1
R2
uI的波形图
uI
R1
1 uO' 1
uI' G1
G2
uO
uI
UT+ UT–
uO'
O
t
(1) 当uI = 0时，有 VDD，uO 0
随着uI上升， 也上升，且有 uI R2 /(R1+R2)
当uI增加到使 = UT时，产生如下正反馈过程:
uO
R2
uI的波形图
uI
R1
1 uO' 1
uI' G1
G2
B
CR
3. 单稳态触发器的类型
集成单稳态触发器可分为单触发和重触发触发器。
单触发的触发器有74121、74221、74LS221等
重触发的触发器有74122、74123、74LS123、4528、4538等
(1) 单触发的单稳态触发器 a. 单触发的单稳态触发器特点
单触发的单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态以后， 再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，直到暂稳态结束 后，才能接收触发脉冲而转入下一个暂稳态。
2. 施密特触发器的传输特性
输入和输出为反相关系的称为反相施密特触发器 输入和输出为同相关系的称为同相施密特触发器
6.2.1 门电路构成的施密特触发器
1. CMOS非门电路构成的施密特触发器
R2
uI
R1
1 uO' 1
uI' G1
G2
uO
uO'
设UT≈VDD/2，且R1<R2
2. 施密特触发器的工作原理
定时控制的典型例子——塑料成形控制系统
塑料成形一般经历预热、加压、保温、冷却四道工序。
塑料成型顺序加工控制系统可用单稳态触发器来实现。
定时控制工作波形
u1
T1
u2
T2
u3
T3
u4
T4
3. 脉冲的延迟
在数字控制和测量系统中，有时为了完成时序配合，需
将脉冲信号延迟t1时间后输出。
这一过程可用双单稳集成电路外接R、C元件实现。
上升时间tr ——脉冲从0.1Um上升到0.9Um所需的时间 下降时间tf ——脉冲从0.9Um下降到0.1Um所需的时间
6.2 施密特触发器
1. 基本概 念 施密特触发器是一种重要的脉冲整形电路，施密特触发器能 把变化缓慢的波形变换成矩形脉冲。
输入电压上升的翻转电平为上限阈值电平UT+ 输入电压下降的翻转电平为下限阈值电平UT UT= UT+- UT-称为回差电压
R
为了使uO2可靠为高电平，应选R< Roff，一般取R<0.7kΩ。
2. 工作原理
uO1
uO2
(1) uI为高电平，电路处于稳态。 uO1= 0，uO2 =1
G1 &
& G2
(2) uI的负跳沿到来时，电路触发翻转。
uO1由低变高
uI
C
uI2
R
由于电容两端电压不会突变，因此uI2亦由低变高，使uO2由 高变低，从而引起如下反馈过程：
(1) 电路的组成
uI uF
1 uO 1 1
这些门组成一个环形，所以称为环形振荡器。 它是利用门电路的时延tpd来产生方波振荡的。
(2) 工作原理
uI
1 uO 1
uF
1
环形振荡器的工作波形
uI
tpd
uO
a. 先假设在虚线所示处断开。
b. 在uI处输入一方波，经过时延tpd之后，得uO的波形。 uO与uI比较，除延迟tpd外，两者反相。
型号 7414 74LS132 7413
tpd/ns 15 15 16.5
Pm/mW 25.5 8.8 8.75
ΔUT/V 0.8 0.8 0.8
CMOS集成施密特触发器有：CD40106，CD4093和 CD4584等。
6.2.3 施密特触发器应用举例
脉冲整形波形图
uI
1. 脉冲整形电路
UT+
UT–
表述矩形脉冲性能指标的主要参数：
tr
tf
0.9U
m
0.5U
m
0.1U
m
Fra Baidu bibliotekUm
Tw T
周期T——周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲间的
时间间隔
频率f = 1/T， 代表单位时间内脉冲重复的次数。
tr
tf
0.9U
m
0.5U
m
0.1U
m
Um
Tw T
脉冲幅度Um——脉冲电压最大变化的幅值
脉冲宽度Tw——从脉冲前沿0.5Um始，到脉冲后沿0.5Um止的 一段时间
一个接1状态)，同时保持B端状态为1。
(4) 74121 的工作波形
A1
O
t
A2
O
t
B
O
t
Q
tW
tW tW
O
t
(5) 输出脉冲宽度tw
tw ≈ RextCext ln2 = 0.7 RextCext
可用内部电阻Rint(2kΩ)代替Rext 。
2. CMOS集成单稳态触发器（4538）
(1) 4538的符号图
为保证稳态时uO1 = 0，要求:
RP CP≤twI RP≥RON
门3改善输出波形，起反 相和整形的作用。
MOS门输入阻抗高，外接电阻R和RP的大小不会影响其 稳态，它们不再受ROFF和RON的限制。
6.3.2 集成单稳态触发器 TTL系列的有74121、74122、74123等。 CMOS系列的有4098、4528、4538等。
b. 单触发的单稳态触发器工作波形图
uI
uO
tW
tW
(1) 重触发的单稳态触发器 a. 重触发的单稳态触发器特点
重触发的单稳态触发器在电路被触发进入暂稳态以后， 如果再次输入触发脉冲，电路将被重新触发，电路的输出脉 冲再持续一个tW脉宽。
b. 重触发的单稳态触发器工作波形图
uI
uO
t1
tW
tW
6.3.3 单稳态触发器的应用举例 1. 脉冲的整形
↓↓ 1
0 ×↑
×0 ↑
输入
输出
由表可见：
A1 A2 B
Q
0 × 10
× 0 10
×× 0 0
(1) 稳态 Q=0
1 1 ×0 1↓1
↓1 1 (2) 当需要上升沿触发时，触发脉冲从B ↓ ↓ 1
端输入，同时 个为0状态。
、 当中至少应有1 0 × ↑ ×0 ↑
(3) 当需要下降沿触发时，则触发脉冲应该从 或 输入(另
O
uO
t
在数字测量和控制系
统中，由传感器送来的信 O
t
号波形边沿较差，利用施
uI
UT+
密特电路可以对这些信号 UT–
进行整形。
O
uO
t
O
t
2. 脉冲变换电路
一种变换波形图
由于施密特电路状态 uI
转换速度极快，输出矩形
VDD
UT+
波的前后沿总是很陡峭。 UT–
O
t
利用这一特点，施密
uO VDD
特电路可以把变化比较缓
(2) 4538的功能表
CX CX/ RX A B CR
A为上升沿触发输入端
为下降沿触发输入端
为清零输入端
输入
输出
A B CR Q
↑11 ↑ 0 10 1 ↓10 0 ↓1 × × 00
CX CX/ RX A B CR
由表可见：
输入
输出
A B CR Q
↑11 ↑ 0 10 1 ↓10 0 ↓1 × × 00