電路技術(shù)基礎(chǔ)第12章

第12章脈沖產(chǎn)生電路 12 1概述12 2555定時(shí)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(shí)鐘脈沖 定時(shí)信號(hào)等 這些脈沖波形的獲得有兩種方法 一是使用脈沖信號(hào)產(chǎn)生器直接產(chǎn)生 二是利用已有的信號(hào)對(duì)其進(jìn)行變換 使之成為滿足系統(tǒng)要求的脈沖信號(hào) 12 1概述 在同步時(shí)序電路中 作為時(shí)鐘信號(hào)的矩形脈沖控制和協(xié)調(diào)著整個(gè)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(guò)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(dāng)然 在采用整形的方法獲取矩形脈沖時(shí) 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(hào)為前提的 正因?yàn)闀r(shí)鐘信號(hào)控制和協(xié)調(diào)著整個(gè)系統(tǒng)的工作 所以時(shí)鐘脈沖的特性關(guān)系到系統(tǒng)能否正常工作 通常用圖12 1所示的幾個(gè)主要參數(shù)來(lái)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(shí)器 1 555定時(shí)器的用途及類型555定時(shí)器是目前應(yīng)用最多的一種數(shù)字 模擬混合的時(shí)基電路 用它可以構(gòu)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(dòng)控制 定時(shí) 仿真 家用電器 電子樂器 防盜報(bào)警等方面獲得了廣泛的應(yīng)用 在目前的集成定時(shí)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(shí)器的電路結(jié)構(gòu)圖10 2所示為CC7555的電路結(jié)構(gòu)圖 CC7555為雙列直插式封裝 共有8個(gè)引腳 圖12 2CC7555集成定時(shí)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(guān)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(hào)就能自動(dòng)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(shí)序電路中的時(shí)鐘信號(hào)即為矩形脈沖波 圖12 3多諧振蕩器 12 3 1用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器1 電路結(jié)構(gòu)及工作波形用CC7555構(gòu)成的多諧振蕩器如圖12 4 a 所示 R1 R2和C是外接的定時(shí)元件 電路的工作波形如圖12 4 b 所示 圖12 4由CC7555定時(shí)器構(gòu)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(jì)算 3 多諧振蕩器應(yīng)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(guò)加工后的石英晶體 有其各自固定的共振頻率 其符號(hào)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(hào)才能通過(guò)晶體 其他頻率信號(hào)都會(huì)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(yīng)用場(chǎng)合下都對(duì)多諧振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定性有嚴(yán)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(shí) 它的頻率穩(wěn)定性直接影響著記時(shí)的準(zhǔn)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?yàn)樵谶@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(guò)程中達(dá)到轉(zhuǎn)換電平所需要的時(shí)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(hào) 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(gè)穩(wěn)態(tài) 另外還有一個(gè)暫穩(wěn)態(tài) 在外加信號(hào)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(guò)一定的時(shí)間后又自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài) 電路在暫穩(wěn)態(tài)的時(shí)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(diǎn) 它有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個(gè)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(dòng)返回穩(wěn)態(tài) 暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長(zhǎng)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(wú)關(guān) 由于具備這些特點(diǎn) 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被廣泛應(yīng)用于脈沖整形 延時(shí) 產(chǎn)生滯后于觸發(fā)脈沖的輸出脈沖 以及定時(shí) 產(chǎn)生固定時(shí)間寬度的脈沖信號(hào) 等 構(gòu)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(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 12 4 1用555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1 電路結(jié)構(gòu)如圖12 7 a 所示為用555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路 圖12 7用555定時(shí)器構(gòu)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(shí) 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(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 另一類為非重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 其圖形符號(hào)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(hào) 2 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的功能可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在受觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)后 若在暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束前的某時(shí)刻有新的觸發(fā) 則觸發(fā)器可以接受該新觸發(fā)信號(hào)的作用 重新開始暫穩(wěn)態(tài)過(guò)程 并從該時(shí)刻起重新計(jì)算暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)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(shí)間很長(zhǎng)的輸出脈沖 圖12 9用重復(fù)觸發(fā)脈沖控制輸出脈沖寬度 此外 還可以用復(fù)位端輸入信號(hào)控制輸出脈沖寬度 使TW減小 如圖12 10所示 圖12 10用復(fù)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(yīng)用1 用于脈沖信號(hào)的延時(shí) 定時(shí)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可用于脈沖信號(hào)的延時(shí) 定時(shí)與整形 2 用于脈沖信號(hào)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(hào)整形為規(guī)則的矩形波 因?yàn)閱畏€(wěn)態(tài)電路一經(jīng)觸發(fā) 由穩(wěn)態(tài)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài) 輸出信號(hào)就與輸入信號(hào)狀態(tài)無(wú)關(guān) 保持一個(gè)固定的幅度 直至經(jīng)過(guò)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(yīng)用很廣 它在性能上有如下兩個(gè)重要特點(diǎn) 輸入信號(hào)從低電平上升的過(guò)程中 電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平 與輸入信號(hào)從高電平下降過(guò)程中對(duì)應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同 在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí) 通過(guò)電路內(nèi)部的正反饋過(guò)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(hào)如圖12 13 b 所示 圖12 13施密特觸發(fā)器 12 5 2用555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器如圖12 14 a 所示為一個(gè)用555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路 圖12 14 b 是當(dāng)觸發(fā)信號(hào)為正弦波時(shí) 輸出信號(hào)的工作波形 圖12 14用555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器 12 5 3施密特觸發(fā)器應(yīng)用1 波形變換利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的正反饋 可以把邊沿變化緩慢的周期性信號(hào) 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(shè)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(duì)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(cè)器 對(duì)輸入信號(hào)的幅度進(jìn)行鑒別 如圖12 17所示是其輸入 輸出電壓波形 幅度超過(guò)UT 的脈沖使施密特觸發(fā)器動(dòng)作 在輸出端就能得到一個(gè)矩形脈沖 這樣 就能鑒別輸入信號(hào)的幅度是否超過(guò)規(guī)定值UT 圖12 17閾值電壓探測(cè)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(dāng)施密特觸發(fā)器的輸入