电工电子技术及应用 课件 第十二章 脉冲信号的产生和整形

12.1概述12.2集成555定时器及其应用12.1概述在数字电路或系统中，时钟脉冲信号用来控制和协调整个系统的工作。获得这种矩形脉冲的方法有两种：一种是利用多谐振荡器直接产生；另一种是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，它们可以使输入波形的边沿变陡峭，形成规定的矩形脉冲。为了定量地描述矩形脉冲的特性，经常使用如图１２．１．１所示参数来表述矩形脉冲的性能指标，即：脉冲周期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———单位时间内脉冲重复的次数。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。下降时间ｔｆ———脉冲从０．９Ｕｍ下降到０．１Ｕｍ所需的时间。上述几个指标反映了一个矩形脉冲的基本特性。１２．２集成５５５定时器及其应用１２．２．１集成５５５定时器的电路结构与功能

５５５定时器是一个中规模数／模混合集成电路，应用它可以很方便地构成施密特触发器、单稳态触发器以及多谐振荡器。５５５定时器产品型号繁多，但所有双极型产品型号的最后３位数码都是５５５，所有ＣＭＯＳ型产品型号的最后４位数码都是７５５５。而且，它们的功能和外部引脚的排列完全相同。为了提高集成度，随后又出现了双定时器产品５５６（双极型）和７５５６（ＣＭＯＳ型）。

图１２．２．１所示为国产双极型集成定时器ＣＢ５５５的电路结构和外引线排列图。它由电压比较器Ｃ１和Ｃ２、电阻分压器、基本ＲＳ锁存器、集电极开路的放电三极管ＶＤ和输出缓冲级几个基本单元组成。其中电压比较器Ｃ１和Ｃ２的参考电压ＵＲ１和ＵＲ２由电源ＵＣＣ经三个５ｋΩ电阻分压给出。

从图１２．２．１（ｂ）的外引线排列图可知，定时器具有８个引出端：①接地端；②触发端，即比较器Ｃ２的输入端；③输出端；④置零输入端，只要在该端加上低电平，输出立即被置成低电平，而不受其他输入端状态的影响，正常工作时必须使其处于高电平；⑤控制电压输入端，当该端悬空时，如果从该端外接电压，则ＵＲ１＝ＵＣＯ，ＵＲ２

⑥阈值端，即比较器Ｃ１的输入端；⑦泄放端；⑧正电源端。

由图１２．２．１（ａ）可知，当ｕＩ１＞ＵＲ１、ｕＩ２＞ＵＲ２时，比较器Ｃ１的输出ｕＣ１＝０（即低电平）、比较器Ｃ２的输出ｕＣ２＝１（即高电平），ＲＳ锁存器被置成０，三极管ＶＤ导通，同时ｕＯ为低电平。

当ｕＩ１＜ＵＲ１、ｕＩ２＞ＵＲ２时，比较器Ｃ１的输出ｕＣ１＝１，比较器Ｃ２的输出ｕＣ２＝１，ＲＳ锁存器的状态保持不变，因而三极管ＶＤ和输出ｕＯ的状态也维持不变。

当ｕＩ１＜ＵＲ１、ｕＩ２＜ＵＲ２时，比较器Ｃ１的输出ｕＣ１＝１，比较器Ｃ２的输出ｕＣ２＝０，故ＲＳ锁存器被置成１，三极管ＶＤ截止，同时ｕＯ为高电平。

当ｕＩ１＞ＵＲ１、ｕＩ２＜ＵＲ２时，比较器Ｃ１的输出ｕＣ１＝０，比较器Ｃ２的输出ｕＣ２＝０，故ＲＳ锁存器处于Ｑ＝

＝１的状态，三极管ＶＤ截止，同时ｕＯ为高电平。这样就得到了表１２．２．１所示的ＣＢ５５５的功能表。５５５定时器的输出缓冲级是为了提高电路的带负载能力而设置的。如果将ＶＤ的集电极输出端ｕＯＤ经过电阻接到电源上，那么只要该电阻的阻值足够大，ｕＯＤ将与ｕＯ具有相同的高、低电平。这一特点将在后续５５５定时器构成多谐振荡器中被利用。５５５定时器能在很宽的电源电压范围内工作，并可承受较大的负载电流。双极型５５５定时器的电源电压范围为５～１６Ｖ，最大的负载电流达２００ｍＡ。ＣＭＯＳ型５５５定时器的电源电压范围为３～１８Ｖ，但最大的负载电流在４ｍＡ以下。５５５定时器在仪器、仪表和自动化控制装置中应用很广。它可以组成定时、延时和脉冲调制等各种电路。１２．２．２５５５定时器构成施密特触发器将５５５定时器的高电平触发端和低电平触发端连接起来，作为触发信号的输入端，就可构成施密特触发器。电路如图１２．２．２所示。

由于ｕＩ１和ｕＩ２是５５５定时器中电压比较器的输入端，而两个比较器的参考电压是不同的，当将ｕＩ１和ｕＩ２连接在一起时，ＲＳ锁存器的置０、置１信号必然发生在输入信号ｕＩ的不同电平。因此，输出电压ｕＯ由高电平变为低电平或由低电平变为高电平所对应的ｕＩ值也不相同。这样就形成了施密特触发特性。为提高比较器参考电压ＵＲ１和ＵＲ２的稳定性，通常在ＵＣＯ端接一个０．０１μＦ左右的滤波电容。下面讨论电路的工作原理，首先分析ｕＩ从０逐渐升高的过程：图１２．２．３为图１２．２．２电路的电压传输特性。如果参考电压由外接电压ＵＣＯ供给，则不难看出这时通过改变ＵＣＯ值可以调节回差电压的大小。ＵＣＯ越大，ΔＵＴ也越大，电路的抗干扰能力就越强。１２．２．３５５５定时器构成单稳态触发器若以５５５定时器的ｕＩ２端作为触发信号的输入端，并将由ＶＤ和Ｒ组成的反相器输出电压ｕＯＤ接至ｕＩ１端，同时在ｕＩ１对地接入电容Ｃ，就构成如图１２．２．４所示的单稳态触发器。Ｒ、Ｃ为外接定时元件。在刚接通电源时，如果没有触发信号，ｕＩ处于高电平，那么稳定的电路状态一定是ｕＣ１＝ｕＣ２＝１，Ｑ＝０，ｕＯ＝０。假定接通电源后ＲＳ锁存器停留在Ｑ＝０的状态，则ＶＤ导通使ｕＣ≈０，电容Ｃ上无电荷。故ｕＣ１＝ｕＣ２＝１，ＲＳ锁存器保持Ｑ＝０的状态，ｕＯ＝０将稳定地维持不变。如果接通电源后ＲＳ锁存器停留在Ｑ＝１的状态，这时ＶＤ一定截止，电源ＵＣＣ便经电阻Ｒ向电容Ｃ充电。当充至ｕＣ１由１变为０，使ＲＳ锁存器置０。同时，ＶＤ导通，电容Ｃ经ＶＤ迅速放电，使ｕＣ≈０。此后由于ｕＣ１＝ｕＣ２＝１，ＲＳ锁存器保持０状态不变，输出也相应稳定在ｕＯ＝０的状态。因此，通电后稳态时电路应自动地停留在ｕＯ＝０的稳态上。当触发脉冲的下降沿到来时，只要负脉冲的低电平值小于就使ｕＣ２＝０（此时ｕＣ１＝１），ＲＳ锁存器被置成１，ｕＯ跳变为高电平，电路进入暂稳态。与此同时ＶＤ截止，ＵＣＣ经电阻Ｒ开始向电容Ｃ充电。当充至时，ｕＣ１变为０。如果此时输入端的触发脉冲已经消失，即ｕＩ回到高电平，ｕＣ２＝１，则ＲＳ锁存器被置成０，于是输出返回ｕＯ＝０的状态。同时ＶＤ又变为导通状态，电容Ｃ经ＶＤ迅速放电，直至ｕＣ≈０，电路恢复稳态。图１２．２．５所示为在外加触发信号作用下ｕＣ和ｕＯ相应的波形图。输出脉冲的宽度ｔＷ等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于外接电阻Ｒ和电容Ｃ的大小。由图１２．２．５可知，ｔＷ等于电容电压在充电过程中从０上升到Ｃ所需要的时间，因此得到通常Ｒ的取值范围在几百欧姆到几兆欧姆之间，电容Ｃ的取值范围在几百皮法到几百微法之间，则ｔＷ的范围为几微秒到几分钟。但必须注意，随着ｔＷ的宽度增加，它的精度和稳定度也将下降。应当说明的是，这种单稳态触发器电路对输入脉冲宽度是有一定要求的，即触发脉冲宽度要小于暂稳态持续时间ｔＷ。在实际应用中如遇到ｕＩ的脉冲宽度大于ｔＷ时，应先经微分电路将ｕＩ转变成尖脉冲之后再加到电路的输入端，如图１２．２．６所示。

单稳态触发器只有一个稳定状态。其工作特性可归结为如下三点：（１）单稳态触发器有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。（２）在外界触发信号作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间ｔｗ后自动返回稳态，并在输出端产生一个宽度为ｔｗ的矩形脉冲。（３）暂稳态维持时间的长短取决于电路内部的参数，而与触发脉冲的宽度和幅度无关。由于具备这些特点，单稳态触发器被广泛应用于脉冲整形、延时（产生滞后于触发脉冲的输出脉冲）以及定时（产生固定时间宽度的脉冲信号）等。１２．２．４５５５定时器构成多谐振荡器多谐振荡器是一种无稳态电路，它在接通电源以后，不需外加触发信号，就能自动地不断来回翻转，产生矩形脉冲。由于输出的矩形波中含有很多谐波分量，故通常将它成为多谐振荡器，又称为方波发生器。图１２．２．７是５５５定时器构成多谐振荡器的电路。当接通电源ＵＣＣ时，若电容Ｃ上的初始电压为０，即ｕＣ＝０，它使两电压比较器的输出为ｕＣ１＝１，ｕＣ２＝０，ＲＳ锁存器置１，故ｕＯ为高电平。此时放电三极管ＶＤ截止，电源通过电阻Ｒ１、Ｒ２向电容Ｃ充电，当充至比较器的输出ｕＣ１＝０，ｕＣ２＝１，ＲＳ锁存器置０，使ｕＯ由高电平跳变为低电平。放电三极管ＶＤ导通，电容Ｃ通过电阻Ｒ２经ＶＤ放电。当放电至比较器的输出ｕＣ１＝１，ｕＣ２＝０，ＲＳ锁存器又置１，使ｕＯ由低电平返回高电平。随即ＶＤ又截止，电容Ｃ又开始充电。如此周而复始，便在输出端得到矩形脉冲波形。根据上述分析可得到图１２．２．８所示ｕＣ和ｕＯ的电压波形图。由图１２．２．８中ｕＣ的波形可求得电容Ｃ的充电时间Ｔ１（指电路进入稳定振荡以后对应电容的充电时间）和放电时间Ｔ２各为故电路的振荡周期为振荡频率为由式（１２．２．５）可见，振荡频率主要取决于时间常数Ｒ和Ｃ，通过改变Ｒ和Ｃ的参数可以改变振荡频率。而振荡幅度则由电源电压ＵＣＣ来决定。用ＣＢ５５５组成的多谐振荡器的最高振荡频率约为５００ｋＨｚ，用ＣＢ７５５５组成的多谐振荡器的最高振荡频率也只有１ＭＨｚ。因此用５５５定时器接成的振荡器在频率范围上有较大的局限性，若要组成高频振荡器仍然需要使用高速门电路接成。由式（１２．２．２）和式