電路技術基礎第12章

第12章脈沖產(chǎn)生電路 12 1概述12 2555定時器12 3多諧振蕩器12 4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器12 5施密特觸發(fā)器 在數(shù)字電路或數(shù)字系統(tǒng)中 常需要各種脈沖波形 如時鐘脈沖 定時信號等 這些脈沖波形的獲得有兩種方法 一是使用脈沖信號產(chǎn)生器直接產(chǎn)生 二是利用已有的信號對其進行變換 使之成為滿足系統(tǒng)要求的脈沖信號 12 1概述 在同步時序電路中 作為時鐘信號的矩形脈沖控制和協(xié)調(diào)著整個系統(tǒng)的工作 獲得矩形脈沖波形的途徑有兩種 一種是利用各種形式的多諧振蕩器電路直接產(chǎn)生所需要的矩形脈沖 另一種是通過各種整形電路把已有的周期性變化波形變換為符合要求的矩形脈沖 當然 在采用整形的方法獲取矩形脈沖時 是以能夠找到頻率和幅度都符合要求的一種已有的電壓信號為前提的 正因為時鐘信號控制和協(xié)調(diào)著整個系統(tǒng)的工作 所以時鐘脈沖的特性關系到系統(tǒng)能否正常工作 通常用圖12 1所示的幾個主要參數(shù)來定量描述矩形脈沖的特性 圖12 1描述矩形脈沖特性的主要參數(shù) 12 2555定時器 1 555定時器的用途及類型555定時器是目前應用最多的一種數(shù)字 模擬混合的時基電路 用它可以構成多諧振蕩器 單穩(wěn)態(tài)電路和施密特電路等脈沖產(chǎn)生和波形變換電路 所以在波形的產(chǎn)生和變換 工業(yè)自動控制 定時 仿真 家用電器 電子樂器 防盜報警等方面獲得了廣泛的應用 在目前的集成定時器產(chǎn)品中 雙極型的有5G555 NE555 CMOS型的有CC7555 CC7556等 器件的電源電壓為4 5V 18V 能提供與TTL MOS電路相兼容的邏輯電平 2 CC555定時器的電路結(jié)構圖10 2所示為CC7555的電路結(jié)構圖 CC7555為雙列直插式封裝 共有8個引腳 圖12 2CC7555集成定時電路 3 CC7555的組成部分及其功能 1 分壓器 2 比較器 3 基本RS觸發(fā)器 4 放電管V 也稱開關管 和輸出緩沖器 12 3多諧振蕩器 多諧振蕩器是一種自激振蕩器 在接通電源后 不需要外加觸發(fā)信號就能自動產(chǎn)生矩形脈沖 由于矩形波中除基波外 還有豐富的諧波分量 故得名多諧振蕩器 時序電路中的時鐘信號即為矩形脈沖波 圖12 3多諧振蕩器 12 3 1用555定時器構成的多諧振蕩器1 電路結(jié)構及工作波形用CC7555構成的多諧振蕩器如圖12 4 a 所示 R1 R2和C是外接的定時元件 電路的工作波形如圖12 4 b 所示 圖12 4由CC7555定時器構成的多諧振蕩器 2 功能分析 1 工作原理 2 電路的特性參數(shù)計算 3 多諧振蕩器應用舉例 間歇音響電路 圖12 5間歇音響電路 12 3 2石英晶體振蕩器1 石英晶體的選頻特性經(jīng)過加工后的石英晶體 有其各自固定的共振頻率 其符號和阻抗頻率特性如圖12 6 a 所示 由其阻抗頻率特性可知 石英晶體的選頻特性極好 只有頻率為f0的信號才能通過晶體 其他頻率信號都會被晶體衰減 圖12 6 b 所示為一種典型的石英晶體多諧振蕩器電路 圖12 6石英晶體多諧振蕩器 2 石英晶體多諧振蕩器在許多應用場合下都對多諧振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定性有嚴格的要求 例如在將多諧振蕩器作為數(shù)字鐘的脈沖源使用時 它的頻率穩(wěn)定性直接影響著記時的準確性 在這種情況下 前面介紹的多諧振蕩器電路難以滿足要求 因為在這些多諧振蕩器中振蕩頻率主要取決于門電路輸入電壓在充 放電過程中達到轉(zhuǎn)換電平所需要的時間 所以頻率穩(wěn)定性不可能很高 為了得到穩(wěn)定度很高的脈沖信號 目前普遍采用在多諧振蕩電路中接入石英晶體 組成石英晶體多諧振蕩器 其電路如圖12 6 b 所示 12 4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個穩(wěn)態(tài) 另外還有一個暫穩(wěn)態(tài) 在外加信號的作用下 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能夠從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài) 經(jīng)過一定的時間后又自動返回穩(wěn)態(tài) 電路在暫穩(wěn)態(tài)的時間等于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖的寬度 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特性具有如下顯著特點 它有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個不同的工作狀態(tài) 在外界觸發(fā)脈沖作用下 能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài) 在暫穩(wěn)態(tài)維持一段以后 再自動返回穩(wěn)態(tài) 暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長短取決于電路本身的參數(shù) 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(chǎn)生滯后于觸發(fā)脈沖的輸出脈沖 以及定時 產(chǎn)生固定時間寬度的脈沖信號 等 構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路很多 例如可采用門電路組成微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 本節(jié)主要介紹由集成555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 12 4 1用555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1 電路結(jié)構如圖12 7 a 所示為用555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路 圖12 7用555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 2 功能分析3 電路參數(shù)要求輸入觸發(fā)脈沖的寬度T0 TW 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器方能由暫穩(wěn)態(tài)返回穩(wěn)態(tài) 若T0 TW時 可在輸入端加RC微分電路 12 4 2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的類型目前集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的產(chǎn)品很多 可分為兩大類 一類是可重復觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 另一類為非重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 其圖形符號如圖12 8 a b 所示 圖12 8集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖形符號 2 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的功能可重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在受觸發(fā)進入暫穩(wěn)態(tài)后 若在暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束前的某時刻有新的觸發(fā) 則觸發(fā)器可以接受該新觸發(fā)信號的作用 重新開始暫穩(wěn)態(tài)過程 并從該時刻起重新計算暫穩(wěn)態(tài)維持時間TW 如圖12 9所示 由此可知 利用重觸發(fā)脈沖 可以產(chǎn)生持續(xù)時間很長的輸出脈沖 圖12 9用重復觸發(fā)脈沖控制輸出脈沖寬度 此外 還可以用復位端輸入信號控制輸出脈沖寬度 使TW減小 如圖12 10所示 圖12 10用復位輸入控制輸出脈沖寬度 12 4 3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應用1 用于脈沖信號的延時 定時單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可用于脈沖信號的延時 定時與整形 2 用于脈沖信號的整形單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器還可用于把不規(guī)則的脈沖信號整形為規(guī)則的矩形波 因為單穩(wěn)態(tài)電路一經(jīng)觸發(fā) 由穩(wěn)態(tài)進入暫穩(wěn)態(tài) 輸出信號就與輸入信號狀態(tài)無關 保持一個固定的幅度 直至經(jīng)過tW后回到穩(wěn)態(tài) 因此 若有不規(guī)則脈沖uI觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 其輸出是具有一定寬度 tW 幅度 邊沿陡峭的矩形波 如圖12 12所示 圖12 12單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的整形 12 5施密特觸發(fā)器 12 5 1施密特觸發(fā)器1 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是一種波形變換電路 它應用很廣 它在性能上有如下兩個重要特點 輸入信號從低電平上升的過程中 電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對應的輸入電平 與輸入信號從高電平下降過程中對應的輸入轉(zhuǎn)換電平不同 在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時 通過電路內(nèi)部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡 2 電壓傳輸特性施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性如圖12 13 a 所示 圖形符號如圖12 13 b 所示 圖12 13施密特觸發(fā)器 12 5 2用555定時器構成的施密特觸發(fā)器如圖12 14 a 所示為一個用555定時器構成的施密特觸發(fā)器電路 圖12 14 b 是當觸發(fā)信號為正弦波時 輸出信號的工作波形 圖12 14用555定時器構成施密特觸發(fā)器 12 5 3施密特觸發(fā)器應用1 波形變換利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋 可以把邊沿變化緩慢的周期性信號 例如三角波或正弦波 轉(zhuǎn)變?yōu)檫呇睾芏傅木匦尾?如圖12 15 a b 所示 圖12 15施密特觸發(fā)器用作波形變換 2 波形的整形施密特觸發(fā)器可以使產(chǎn)生畸變的脈沖波形整形為矩形脈沖 只要施密特觸發(fā)器的UT 和UT 設置的合適 就可以收到滿意的整形效果 如圖12 16所示 圖12 16施密特觸發(fā)器對畸變波形整形 3 幅度的鑒別施密特觸發(fā)器可用作閾值電壓探測器 對輸入信號的幅度進行鑒別 如圖12 17所示是其輸入 輸出電壓波形 幅度超過UT 的脈沖使施密特觸發(fā)器動作 在輸出端就能得到一個矩形脈沖 這樣 就能鑒別輸入信號的幅度是否超過規(guī)定值UT 圖12 17閾值電壓探測器輸入輸出波形 4 組成多諧振蕩器采用施密特觸發(fā)器還可以組成多諧振蕩器 如圖12 18 a b 所示為其電路和工作波形圖 圖12 18用施密特觸發(fā)器組成的多諧振蕩器 工作原理如下 當施密特觸發(fā)器的輸入