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(shí)器7.3

555定時(shí)器的基本應(yīng)用電路7.1概述

555定時(shí)器配以外部元件，既可以產(chǎn)生矩形波，又可以轉(zhuǎn)換信號(hào)波形，還能構(gòu)成多種實(shí)際應(yīng)用電路。圖7.1所示電路是利用555定時(shí)器構(gòu)成的晶體管簡(jiǎn)易測(cè)試儀。圖7.1晶體管簡(jiǎn)易測(cè)試儀在圖7.1所示電路中，555定時(shí)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(hào)。當(dāng)接入被測(cè)的NPN型三極管時(shí)，被測(cè)管放大輸入的振蕩信號(hào)，并將其輸出送給揚(yáng)聲器，根據(jù)揚(yáng)聲器的發(fā)聲可對(duì)被測(cè)管性能進(jìn)行簡(jiǎn)易的定性測(cè)試。若揚(yáng)聲器無(wú)聲，則說(shuō)明管子已損壞；若揚(yáng)聲器聲音小，則說(shuō)明管子的放大倍數(shù)β較??；若揚(yáng)聲器聲音大，則說(shuō)明管子的放大倍數(shù)β較大。7.2555定時(shí)器

7.2.1555定時(shí)器分類(lèi)

常見(jiàn)的555定時(shí)器型號(hào)有5G555(屬于單時(shí)基雙極型定時(shí)器，其管腳排列如圖7.2所示)、CC7555(屬于單時(shí)基CMOS型定時(shí)器)、5G556(屬于雙時(shí)基雙極型定時(shí)器)和CC7556(屬于雙時(shí)基CMOS型定時(shí)器)。圖7.2單時(shí)基雙極型555定時(shí)器5G555管腳排列圖7.2.2555定時(shí)器的電路組成

5G555定時(shí)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(kāi)關(guān)及輸出等四部分組成。圖7.35G555定時(shí)器內(nèi)部電路

1.分壓器

分壓器由三個(gè)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(gè)參考電壓UR1、UR2，若控制端S懸空或通過(guò)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(gè)結(jié)構(gòu)相同的集成運(yùn)放A1、A2構(gòu)成的。

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

A2用來(lái)比較參考電壓UR2和低電平觸發(fā)端電壓UTR:當(dāng)

UTR＞UR2時(shí)，集成運(yùn)放A2輸出Uo2=1;當(dāng)UTR＜UR2時(shí)，集

成運(yùn)放A2輸出Uo2=0。

3.基本RS觸發(fā)器

當(dāng)RS=01時(shí)，Q=0，Q=1；當(dāng)RS=10時(shí)，Q=1，Q=0。

4.開(kāi)關(guān)及輸出

放電開(kāi)關(guān)由一個(gè)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(dāng)Q=1時(shí)，三極管導(dǎo)通，放電端D通過(guò)導(dǎo)通的三極管為外電路提供放電的通路；當(dāng)Q=0時(shí)，三極管截止，放電通路被截?cái)唷?.2.3555定時(shí)器的功能

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

雙極型定時(shí)器與單極型定時(shí)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(shí)基雙極型定時(shí)器）和CC7555（單時(shí)基CMOS型定時(shí)器）的主要參數(shù)對(duì)比如表7.2所示。

7.3555定時(shí)器的基本應(yīng)用電路

7.3.1施密特觸發(fā)器

1.電路結(jié)構(gòu)

由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器如圖7.4所示,定時(shí)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(hào)輸入端；外部復(fù)位端R接直流電源UDD（即R接高電平），控制端S通過(guò)濾波電容接地。圖7.4施密特觸發(fā)器

2.工作原理

設(shè)輸入信號(hào)ui為最常見(jiàn)的正弦波，正弦波幅度大于555

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

信號(hào)幅度開(kāi)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(fù)位電平二者是不等的，二者之間的電壓差稱(chēng)為回差電壓，用ΔUT表示，即ΔUT=UR1－UR2。

若控制端S懸空或通過(guò)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(guò)電容接地的施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性，同時(shí)也反映了回差電壓的存在，而這種現(xiàn)象稱(chēng)為

電路傳輸滯后特性?；夭铍妷涸酱螅┟芴赜|發(fā)器的抗干擾性越強(qiáng)，但施密特觸發(fā)器的靈敏度也會(huì)相應(yīng)降低。圖7.6施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性

3.典型應(yīng)用

(1)波形變換。將任何符合特定條件的輸入信號(hào)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的矩形波輸出信號(hào)。

(2)幅度鑒別。因?yàn)槭┟芴赜|發(fā)器存在復(fù)位電平UR1，只有輸入信號(hào)的幅度大于555定時(shí)器的參考電壓UR1時(shí)，輸出端才一定會(huì)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(hào)幅度是否超過(guò)一定值，如圖7.7所示。圖7.7利用施密特觸發(fā)器進(jìn)行幅度鑒別

(3)脈沖整形。

脈沖信號(hào)在傳輸過(guò)程中，如果受到干擾，其波形會(huì)產(chǎn)生變形，這時(shí)可利用施密特觸發(fā)器進(jìn)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(jìn)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(gè)555定時(shí)

器和若干電阻、電容構(gòu)成。定時(shí)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(hào)輸入端接輸入電壓ui，外部復(fù)位端R接直流電源UDD（即R接高電平），控制端S通過(guò)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(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器無(wú)觸發(fā)脈沖信號(hào)時(shí),輸入端Ui=“1”,當(dāng)直流電源+UDD接通以后,電路經(jīng)過(guò)一段過(guò)渡時(shí)間后,OUT端最后穩(wěn)定輸出“0”，

放電端D通過(guò)導(dǎo)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(shí)器功能可知,此時(shí)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(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有觸發(fā)脈沖信號(hào)(即Ui=“0”<(1/3)UDD)時(shí),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(dǎo)通變?yōu)榻刂?放電端D與地?cái)嚅_(kāi);直流電源+UDD通過(guò)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(kāi)始增加(充電時(shí)間常數(shù)τ=RC);經(jīng)過(guò)一個(gè)脈沖寬度時(shí)間,負(fù)脈沖消失,輸入端Ui

恢復(fù)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(dāng)電容持續(xù)充電至電容兩端電壓UC

≥(2/3)UDD

時(shí),UTH=UC

≥(

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

3.暫穩(wěn)狀態(tài)時(shí)間（輸出脈沖寬度）

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

它由電路中電容兩端的電壓來(lái)決定，可以用三要素法求得tW≈1.1RC。

當(dāng)一個(gè)觸發(fā)脈沖使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)入暫穩(wěn)定狀態(tài)以后，在隨后tW時(shí)間內(nèi)的其他觸發(fā)脈沖對(duì)觸發(fā)器就不起作用了；只有當(dāng)觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸入的觸發(fā)脈沖才起作用。

4.典型應(yīng)用

1）定時(shí)

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以構(gòu)成定時(shí)電路；與繼電器或驅(qū)動(dòng)放大電路配合，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、定時(shí)開(kāi)關(guān)的功能，一個(gè)典型定時(shí)電路如圖7.10所示。圖7.10定時(shí)電路當(dāng)電路接通+6V電源后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，定時(shí)器輸出OUT為低電平，常開(kāi)繼電器KA（當(dāng)繼電器無(wú)電流通過(guò)時(shí)，常開(kāi)接點(diǎn)處于斷路狀態(tài)）無(wú)通過(guò)電流，故形不成導(dǎo)電回路，燈泡HL不亮。當(dāng)按下按鈕SB時(shí)，低電平觸發(fā)端TR（外部信號(hào)輸入端Ui）由接+6V電源變?yōu)榻拥?，相?dāng)于輸入一個(gè)負(fù)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(guò)電流，使常開(kāi)接點(diǎn)閉合，形成導(dǎo)電回路，燈泡HL發(fā)亮，燈泡HL保持發(fā)亮一定時(shí)間后會(huì)自動(dòng)熄滅；暫穩(wěn)定狀態(tài)的出現(xiàn)時(shí)刻燈開(kāi)始亮是由按鈕SB何時(shí)按下決定的，它的持續(xù)時(shí)間tW（也是燈亮?xí)r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(shí)電路如圖7.11所示，與定時(shí)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(hù)。圖7.11延時(shí)電路

2)分頻

當(dāng)一個(gè)觸發(fā)脈沖使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)入暫穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，在此脈沖以后時(shí)間tW內(nèi)，如果再輸入其他觸發(fā)脈沖，則對(duì)觸發(fā)

器的狀態(tài)不再起作用；只有當(dāng)觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸入的觸發(fā)脈沖才起作用，分頻電路正是利用這個(gè)特性將高頻率信號(hào)變換為低頻率信號(hào)，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(shí)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(wú)外部信號(hào)輸入端，放電端D也接在兩個(gè)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(shí)刻電容初始電壓為零,零時(shí)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?cái)嗦?直流電源通過(guò)電阻R1、R2向電容充電,電容電壓開(kāi)始上升；當(dāng)電容兩端電壓UC

≥(2/3)UDD時(shí),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?cái)嗦?自動(dòng)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(guò)電阻R2和放電端D向地放電,電容電壓開(kāi)始下降；

當(dāng)電容兩端電壓UC≤(1/3)UDD時(shí),UTH=UTR=UC≤(1/3)UDD,那么輸出就由OUT=“0”變?yōu)镺UT=“1”,同時(shí)放電端D由接地變?yōu)榕c地?cái)嗦?電源通過(guò)R1、R2

重新向C充電，重復(fù)上述過(guò)程。

通過(guò)分析可知,電容充電時(shí),OUT=“1”,而電容放電時(shí),

OUT=“0”，電容不斷地充放電,輸出相應(yīng)的矩形波。

多諧振蕩器無(wú)外部信號(hào)輸入,卻能輸出矩形波,其實(shí)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(shí)間(電容兩端電壓從(1/3)UDD上升到(2/3)UDD所需時(shí)間)，

，t2

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

對(duì)于矩形波,除了用幅度、周期來(lái)衡量以外,還存在一個(gè)占空比參數(shù)q，

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

4)改進(jìn)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(hào)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(dāng)于一個(gè)高Q(品質(zhì)因數(shù))選頻網(wǎng)絡(luò)，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(hào)；(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(dāng)外加電壓信號(hào)的頻率和石英晶體固有的諧振頻率f0一致時(shí)，石英晶體的阻抗值最小，頻率為

f0的電壓信號(hào)最容易通過(guò)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?yàn)槭⒕w只允許頻率與其諧振頻率f0相同的電壓信號(hào)順利通過(guò)自身，而f≠f0的其他信號(hào)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(wú)關(guān)，從而使振蕩電路產(chǎn)生的振蕩信號(hào)具有很高的頻率穩(wěn)定性(Δf0/f0)，一般可達(dá)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(dá)到10－11。圖7.15(c)、(d)、(e)、(f)所示的是一些常見(jiàn)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(lái)使非門(mén)(又稱(chēng)反相器)工作在線性放大區(qū)，其阻值對(duì)于TTL非門(mén)通常取在0.7kΩ到2kΩ之間，而對(duì)于CMOS非門(mén)則常取在10MΩ到

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

的非門(mén)工作在線性放大區(qū)；電容C1用于兩個(gè)非門(mén)之間的耦合，C1取值應(yīng)使其在通過(guò)頻率為f0信號(hào)時(shí)的容抗可忽略不計(jì)；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(yīng)滿(mǎn)足條件2πRC2f0≈1。

圖7.15(e)所示的石英晶體振蕩電路類(lèi)似于RC振蕩器。圖7.15(f)所示的晶振電路的輸出信號(hào)頻率可以進(jìn)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(dāng)改變C1的容值大小時(shí)，會(huì)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(dá)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(hào)頻率通常選擇為

32768Hz，這是因?yàn)?2768=215，將此頻率的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)

15次二分頻器后，即可得到1Hz的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，作為計(jì)時(shí)或測(cè)量的基準(zhǔn)信號(hào)。7.3.4555定時(shí)器的具體應(yīng)用電路

1.壓控振蕩器

壓控振蕩器的