555定时器,脉冲的产生与整形电路

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
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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。 上页 下页 返回
uI2
R
UT
uI
uO2
O
t
UOH UOL O
t
返回
uO1
uO2
uI
tWI
G2
G1
&
C
&
uO1
O
t
uI2
R
UOH UOL O
uI2
t
1.4v τ1 τ2 tW 工作波形图
uI
UT
(1) 输出脉冲宽度(暂稳态时间) tw uI2从UOHR/(R+RO)下降到UT的时间
uO2
O
t
UOH UOL O
t
上页
&
G2
微分型单稳态触发器 uI 电路处于稳态时，uI为高电平，uO1为低电平。
uI2
R
为了使uO2可靠为高电平，应选R< Roff，一般取R<0.7kΩ。 上页 下页 返回
2. 工作原理
(1) uI为高电平，电路处于稳态。
uO1= 0，uO2 =1
G1
uO1
uO2
&
C
&
G2
(2) uI的负跳沿到来时，电路触发翻转。
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2. 施密特触发器的工作原理
R2 R1
' uO
uI的波形图
uI
u
' I
1
G1
1
G2
uO
uI
UT+ UT– O
u
(1) 当uI = 0时，有 随着uI上升， 当uI增加到使
VDD，uO 0 也上升，且有 uI R2 /(R1+R2) = UT时，产生如下正反馈过程: uO 上页 下页 返回
G1
C u I2
+5V
R1 T1
G2
td = tw + tre
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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。
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。 上页 下页 返回
(3) 当需要下降沿触发时，则触发脉冲应该从 一个接1状态)，同时保持B端状态为1。 上页 下页 或
Q 0 0 0 0
输入(另
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(4) 74121 的工作波形
A1
O
t
A2
O
t
B
O
Q
O
tW
tW
tW
t t
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返回
(5) 输出脉冲宽度tw
tw ≈ RextCext ln2 = 0.7 RextCext
R2
uI的波形图
R1
uI
u
' I
1
G1
' uO
wk.baidu.com
1
G2
uO
' uO
uI
UT+ UT– O
t
(2) 当uI从高电平下降达到使 限阈值电压:
= UT时，可求得电路的下
UT- = (1－R1/R2) UT
(3) 触发器的回差电压
UT = UT+–UT- = 2 UT R1/R2
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R2
uI的波形图
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(2) 74121 的电路符号
(3) 74121 的的功能表
输 入 输出
B A1 A2 0 × 1 × 0 1 × × 0 1 1 × 1 ↓ 1 ↓ 1 1 ↓ ↓ 1 0 × ↑ × 0 ↑
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Q 0 0 0 0
返回
输
入
输出
B A1 A2 由表可见： 0 × 1 × 0 1 × × 0 1 1 × (1) 稳态 Q=0 1 ↓ 1 ↓ 1 1 (2) 当需要上升沿触发时，触发脉冲从B ↓ ↓ 1 0 × ↑ 端输入，同时 、 当中至少应有1 × 0 ↑ 个为0状态。
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uI2
UOH RO G1 C
uI2
&
G2
UOH
UT 1.4V
R
O t W
t
根据一阶RC电路的三要素法
实际常用经验公式 tw 0.8RC ( R<Roff )
得
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(2) 恢复时间tre tre (3 ~ 5)(R1//R)C (3) 电路的分辨时间 uO1 ≈0 T3 R
下降时间tf ——脉冲从0.9Um下降到0.1Um所需的时间
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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
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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
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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 R1
' uO
uI
u
' I
1
G1
1
G2
uO
' uO
设UT≈VDD/2，且R1<R2
进行整形。
uO
O
t
t 上页 下页 返回
2. 脉冲变换电路
由于施密特电路状态 转换速度极快，输出矩形
uI VDD
一种变换波形图
UT+
UT– O uO VDD O
波的前后沿总是很陡峭。 利用这一特点，施密
特电路可以把变化比较缓 慢的正弦波、三角波等变 换成矩形脉冲信号 。
t
t
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3. 鉴幅电路
门1的输出电阻)按指数曲线下降。
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当uI2下降到阈值电平(UT = 1.4V)时，产生如下正反馈过程： uI2 uO2
uO1
uO2
uI = 1
G1
&
C
&
G2
uO1 uI2
R
uI 使电路结束暂稳态，自动返回稳态：uO1= 0，uO2= 1。
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(4) 恢复阶段
恢复阶段C的放电回路
uI2
R
uO1由低变高
高变低，从而引起如下反馈过程： uI uO1 uI2
uI
由于电容两端电压不会突变，因此uI2亦由低变高，使uO2由 uO2
使电路迅速进入暂稳态：uO1=1 上页 下页 返回
(3) 在暂稳态期间
UOH RO G1 C
uI2
uI2
UOH
&
UT 1.4V G2
R
O t W
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
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。 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。 上页 下页 返回
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 。 1. 微分型单稳态触发器的组成
G1
uO1
uO2
&
C
CMOS集成施密特触发器有：CD40106，CD4093和 CD4584等。 上页 下页 返回
6.2.3 施密特触发器应用举例 uI 1. 脉冲整形电路
UT+ UT– O
脉冲整形波形图
uO
t
在数字测量和控制系
统中，由传感器送来的信 号波形边沿较差，利用施
O UT+ UT– O
uI
t
密特电路可以对这些信号
R1
uI
u
' I
1
G1
' uO
1
G2
uO
' uO
uI
UT+ UT– O
t
UT = UT+–UT- = 2 UT R1/R2 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。
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R2 R1
' uO
uI
uI'
1
G1
1
G2
uO
' uO
波形图 uI
UT+ UT– O
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。 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。
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1. TTL集成单稳态触发器（74121） (1) 74121 的电路结构
(4) 波形图
uO
t
O
t
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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 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
表述矩形脉冲性能指标的主要参数： tr
0.9Um
0.5Um 0.1Um Tw Um
tf
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。 上页 下页 返回
tr
0.9Um 0.5Um 0.1Um Tw
tf
Um
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 上升时间tr ——脉冲从0.1Um上升到0.9Um所需的时间
可用内部电阻Rint(2kΩ)代替Rext 。 上页 下页 返回
2. CMOS集成单稳态触发器（4538）
(1) 4538的符号图
CX CX/ RX A B CR
(2) 4538的功能表 输 入 输出
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
A ↑ ↑ 1 0 ×
B 1 0 ↓ ↓ ×
(3) 4538输出脉冲宽度
tw=RextCext
Rext和Cext可在较大范围内选择
CX CX/ RX A B CR
tw的范围可达10μs ~∞
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 上页 下页 返回
uI
uO t1 tW tW 上页 下页 返回
6.3.3 单稳态触发器的应用举例 1. 脉冲的整形
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
CR 1 1 1 1 0
Q
0 0 0
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返回
输 入
CX CX/ RX A B CR
输出
由表可见：
A ↑ ↑ 1 0 ×
B 1 0 ↓ ↓ ×
CR 1 1 1 1 0
Q
0 0 0
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 端接低电平。 c. 其他情况时，Q状态不变。 上页 下页 返回 ，A输入
+5V
R1
暂稳态时间结束后， 电容C放电。
uO1 ≈0 T3
C u I2
T1
G2
R
G1
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。
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2. 工作波形
uO1 uO2
uI
tWI uO1
G2
O
t
G1
&
C
&
UOH UOL O
uI2
t
1.4v τ1 τ2 tW 工作波形图 上页 下页
(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。 b. 单触发的单稳态触发器工作波形图 uI uO tW tW 上页 下页 返回
(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
度的矩形波形。
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脉冲整形电路
(a) 电路
(b) 波形图 上页 下页 返回
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。 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。
鉴幅电路 UT+ UT–
在一串幅度不相等的 脉冲信号中，如果要剔除 幅度不够大的脉冲, 此时 可利用施密特触发器。
uI
uO
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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。
' O
t
R2
uI的波形图
R1
uI
u
' I
1
G1
' uO
1
G2
uO
' uO
uI
UT+ UT– 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
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