第7章脈沖產生和變換電路

第7章脈沖產生與變換電路7.1概述7.2555定時器7.3555定時器的基本應用電路7.1概述

555定時器配以外部元件，既可以產生矩形波，又可以轉換信號波形，還能構成多種實際應用電路。圖7.1所示電路是利用555定時器構成的晶體管簡易測試儀。圖7.1晶體管簡易測試儀在圖7.1所示電路中，555定時器和外接的電阻、電容構成振蕩器，產生一定頻率的振蕩信號。當接入被測的NPN型三極管時，被測管放大輸入的振蕩信號，并將其輸出送給揚聲器，根據揚聲器的發(fā)聲可對被測管性能進行簡易的定性測試。若揚聲器無聲，則說明管子已損壞；若揚聲器聲音小，則說明管子的放大倍數β較??；若揚聲器聲音大，則說明管子的放大倍數β較大。7.2555定時器

7.2.1555定時器分類

常見的555定時器型號有5G555(屬于單時基雙極型定時器，其管腳排列如圖7.2所示)、CC7555(屬于單時基CMOS型定時器)、5G556(屬于雙時基雙極型定時器)和CC7556(屬于雙時基CMOS型定時器)。圖7.2單時基雙極型555定時器5G555管腳排列圖7.2.2555定時器的電路組成

5G555定時器內部電路如圖7.3所示,一般由分壓器、比較器、觸發(fā)器和開關及輸出等四部分組成。圖7.35G555定時器內部電路1.分壓器

分壓器由三個等值的電阻串聯而成，將電源電壓UDD

分為三等分，作用是為比較器提供兩個參考電壓UR1、UR2，若控制端S懸空或通過電容接地，則:若控制端S外加控制電壓US，則:2.比較器

比較器是由兩個結構相同的集成運放A1、A2構成的。

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

A2用來比較參考電壓UR2和低電平觸發(fā)端電壓UTR:當

UTR＞UR2時，集成運放A2輸出Uo2=1;當UTR＜UR2時，集

成運放A2輸出Uo2=0。3.基本RS觸發(fā)器

當RS=01時，Q=0，Q=1；當RS=10時，Q=1，Q=0。

4.開關及輸出

放電開關由一個晶體三極管組成，其基極受基本RS觸發(fā)器輸出端Q控制。當Q=1時，三極管導通，放電端D通過導通的三極管為外電路提供放電的通路；當Q=0時，三極管截止，放電通路被截斷。7.2.3555定時器的功能

以單時基雙極型國產5G555定時器為例，其功能如表7.1所示。7.2.4555定時器的主要參數

雙極型定時器與單極型定時器相比，雖然兩者在內部組成結構上存在較大差別，但是其外部引腳和外部功能完全相同，可以互換使用，但需注意其技術參數的異同。5G555（單時基雙極型定時器）和CC7555（單時基CMOS型定時器）的主要參數對比如表7.2所示。7.3555定時器的基本應用電路

7.3.1施密特觸發(fā)器

1.電路結構

由555定時器構成的施密特觸發(fā)器如圖7.4所示,定時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，作為信號輸入端；外部復位端R接直流電源UDD（即R接高電平），控制端S通過濾波電容接地。圖7.4施密特觸發(fā)器2.工作原理

設輸入信號ui為最常見的正弦波，正弦波幅度大于555

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

信號幅度開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)現置位電平和復位電平二者是不等的，二者之間的電壓差稱為回差電壓，用ΔUT表示，即ΔUT=UR1－UR2。

若控制端S懸空或通過電容接地,

則若控制端S外接控制電壓US，UR1=US而圖7.6所示為S端懸空或通過電容接地的施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性，同時也反映了回差電壓的存在，而這種現象稱為

電路傳輸滯后特性。回差電壓越大，施密特觸發(fā)器的抗干擾性越強，但施密特觸發(fā)器的靈敏度也會相應降低。圖7.6施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性3.典型應用

(1)波形變換。將任何符合特定條件的輸入信號變?yōu)閷木匦尾ㄝ敵鲂盘枴?/p>

(2)幅度鑒別。因為施密特觸發(fā)器存在復位電平UR1，只有輸入信號的幅度大于555定時器的參考電壓UR1時，輸出端才一定會出現OUT為“0”的狀態(tài)，可以由輸出狀態(tài)是否出現OUT為“0”的狀態(tài)判斷輸入信號幅度是否超過一定值，如圖7.7所示。圖7.7利用施密特觸發(fā)器進行幅度鑒別(3)脈沖整形。

脈沖信號在傳輸過程中，如果受到干擾，其波形會產生變形，這時可利用施密特觸發(fā)器進行整形，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)器進行脈沖整形7.3.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

1.電路結構

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖7.9（a）所示。電路由一個555定時

器和若干電阻、電容構成。定時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)信號輸入端接輸入電壓ui，外部復位端R接直流電源UDD（即R接高電平），控制端S通過濾波電容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3.暫穩(wěn)狀態(tài)時間（輸出脈沖寬度）

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

它由電路中電容兩端的電壓來決定，可以用三要素法求得tW≈1.1RC。

當一個觸發(fā)脈沖使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進入暫穩(wěn)定狀態(tài)以后，在隨后tW時間內的其他觸發(fā)脈沖對觸發(fā)器就不起作用了；只有當觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài)時，輸入的觸發(fā)脈沖才起作用。4.典型應用

1）定時

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以構成定時電路；與繼電器或驅動放大電路配合，可實現自動控制、定時開關的功能，一個典型定時電路如圖7.10所示。圖7.10定時電路當電路接通+6V電源后，經過一段時間進入穩(wěn)定狀態(tài)，定時器輸出OUT為低電平，常開繼電器KA（當繼電器無電流通過時，常開接點處于斷路狀態(tài)）無通過電流，故形不成導電回路，燈泡HL不亮。當按下按鈕SB時，低電平觸發(fā)端TR（外部信號輸入端Ui）由接+6V電源變?yōu)榻拥?，相當于輸入一個負脈沖，使電路由穩(wěn)定狀態(tài)轉入暫穩(wěn)狀態(tài)，輸出OUT為高電平，繼電器KA通過電流，使常開接點閉合，形成導電回路，燈泡HL發(fā)亮，燈泡HL保持發(fā)亮一定時間后會自動熄滅；暫穩(wěn)定狀態(tài)的出現時刻燈開始亮是由按鈕SB何時按下決定的，它的持續(xù)時間tW（也是燈亮時間）則是由電路參數決定的，若改變電路中的電阻RW或C，均可改變tW。典型延時電路如圖7.11所示，與定時電路相比，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。圖7.11延時電路2)分頻

當一個觸發(fā)脈沖使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進入暫穩(wěn)狀態(tài)時，在此脈沖以后時間tW內，如果再輸入其他觸發(fā)脈沖，則對觸發(fā)

器的狀態(tài)不再起作用；只有當觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài)時，輸入的觸發(fā)脈沖才起作用，分頻電路正是利用這個特性將高頻率信號變換為低頻率信號，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定時器構成的多諧振蕩器

1)電路結構

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，無外部信號輸入端，放電端D也接在兩個電阻

之間。圖7.13多諧振蕩器(a)電路;(b)輸入輸出波形4)改進電路

圖7.13（a）所示電路只能產生占空比大于0.5的矩形波，而圖7.14所示電路可以產生占空比處于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成的，在電路中相當于一個高Q(品質因數)選頻網絡，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；(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)頻率可以微調的石英晶體振蕩電路從圖7.15(b)中可知：當外加電壓信號的頻率和石英晶體固有的諧振頻率f0一致時，石英晶體的阻抗值最小，頻率為

f0的電壓信號最容易通過它，所以一般將石英晶體接入振蕩電路的反饋電路中，構成正反饋，以形成自激震蕩。因為石英晶體只允許頻率與其諧振頻率f0相同的電壓信號順利通過自身，而f≠f0的其他信號則被大大衰減，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、電容無關，從而使振蕩電路產生的振蕩信號具有很高的頻率穩(wěn)定性(Δf0/f0)，一般可達到10－6～10－8；如果采用高質量的石英晶體，并將晶體置于恒溫狀態(tài)，頻率穩(wěn)定性(Δf0/f0)甚至能達到10－11。圖7.15(c)、(d)、(e)、(f)所示的是一些常見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，用來使非門(又稱反相器)工作在線性放大區(qū)，其阻值對于TTL非門通常取在0.7kΩ到2kΩ之間，而對于CMOS非門則常取在10MΩ到

100MΩ之間。石英晶體等效于一個電感器，與電容C1和C2一起構成電容三點式振蕩電路，其輸出信號的頻率穩(wěn)定，但信號波形并不理想，需要將圖中的Uo再通過一個非門，才能得到理想的矩形波信號。在圖7.15(d)中，偏置電阻R與非門并聯，作用是使對應

的非門工作在線性放大區(qū)；電容C1用于兩個非門之間的耦合，C1取值應使其在通過頻率為f0信號時的容抗可忽略不計；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取值應滿足條件2πRC2f0≈1。

圖7.15(e)所示的石英晶體振蕩電路類似于RC振蕩器。圖7.15(f)所示的晶振電路的輸出信號頻率可以進行微調。石英晶體與電容C1和C2一起構成π型單元電路，當改變C1的容值大小時，會使石英晶體的電抗頻率特性在X軸方向出現

平移，從而達到微調f0的目的。不論石英晶體振蕩電路采

用哪種具體電路形式，其電路輸出信號頻率通常選擇為

32768Hz，這是因為32768=215，將此頻率的輸出信號經過

15次二分頻器后，即可得到1Hz的時鐘脈沖信號，作為計時或測量的基準信號。7.3.4555定時器的具體應用電路

1.壓控振蕩器

壓控振蕩器的功能是將控制電壓轉換為對應頻率的矩形波。壓控振蕩器的電路如圖7.16所示。圖7.16壓控振蕩器將圖7.16所示的壓控振蕩器電路與圖7.13(a)所示多諧振

蕩器電路相對比，二者基本相似，主要區(qū)別在于555定時器的外部控制端S的接法不同。在圖7.16所示電路中，通過RP分壓經S端輸入的電壓US就是要進行轉換的控制電壓，工作原理與多諧振蕩器相同，但是電路中的電容充放電是在電壓US和US/2之間進行的，輸入輸出波形如圖7.17所示。圖7.17壓控振蕩器的輸入輸出波形2.波形產生電路

555定時器如果加上適當的外部電路，還可以產生鋸齒波、三角波、脈沖等信號。自舉式鋸齒波產生器電路如圖7.18所示。圖7.18自舉式鋸齒波產生器此電路將555定時器接成多諧振蕩器形式，在電容C1上

得到鋸齒波電壓波形，需要指出的是電容C2的正反饋作用，即在射隨器V輸出鋸齒波的同時，輸出通過電容C2正