摘要:要获得脉冲波形有两种方法和具体电路。第一种方法是利用脉冲振荡器直接产生所要求的脉冲波形;第二种方法是利用脉冲整形电路,把一种已有的波形变换成所需的矩形脉冲的产生和整形。
关键词:利用集成电路555定时器集块构成的多谐振荡器,单稳触发器和施密特触发器电路
1脉冲振荡器
在同步时序逻辑电路中,作为时仲信号的矩形脉冲波,控制和协调整个数字系统的工作。时钟脉冲的特性直接关系到系统能否正常地工作,为了定量地描述矩形脉冲波的特性,经常使用如图1-1中标明几个指标即:
脉冲幅度Vm—脉冲电压的最大变化幅度。
脉冲周期T—周期性重复脉冲序列中,两个相邻脉冲的时间间隔。
脉冲宽度Tw—从脉冲前沿上升到0.5Vm处开始,到脉冲后沿下降0.5Vm为止一段时间。
上升时间Tr—脉冲前沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需时间。
下降时间Tf—脉冲后沿从0.9Vm下降到0.1Vm所需时间。
利用上述指 ,可以清楚也描述矩形脉冲的各项基本特性大体上表示清楚了。
产生矩形脉冲的振荡电路很多。如集基耦合谐振荡器,射极耦合多谐振荡器和利用CMOS反相器组成的多谐振荡器等等电路。
多谐振荡器是一种自激振荡电路,也称为无稳态触发器。它没有稳定状态也不需要外加触发脉冲。当电路接好之后,只要接通电源,在其输出端便可获得矩形脉冲。由于矩形脉冲中除基波外还有极丰富的高次谐波,故称之为多谐振荡器。
2由555定时器构成的多谐振荡器
1、555集块定时器是模拟一数字混合集成电路,它具有模拟功能与逻辑功能巧妙地结合在一起,电路功能灵活、应用范围广,只要外接少量元件,就可以构成多谐振荡器,单稳态触发器和施密特触发器等电路,完成电路所需振荡、延时与定时和幅度鉴别与整形等要求的矩形脉冲输入输出波形。因而在定时、控制、检测、报警等方面有广泛应用。
555集块定时器分为双极型和单极形两类。单极型统称为7555,双极型统称555.虽然型号多,但是引脚排列基本一样。
555定时器的内部结构如图1-2所示。555定时器内部含有一个基本RS触发器,两个电压比较器A和B,一个放电晶体管Vt,一个由3个5KΩ的电阻组成的分压器和一个输出缓冲器。比较器A的参考电压为 Vcc,加在同相输入端,B的参考电压为 Vcc,加在反相输入端,两者均由分压器上取得。
555定时器各引出端的用途如下:
①端GND为接地端,也称为触发输入端,由此输入触发脉冲。当②端的输入电压高于 Vcc时,B的输出为1;当输入电压低于 Vcc时,B的输入为0,使基本RS触发器置1,即Q=1, =0。这时定时器输出Uo=1。
③端Uo为输出端,输出电流可达200mA,因此可直接驱动继电器、发光二极管。输出电压低于电源电压Vcc约1～3V。
④端 是复位端,当 =0时,基本RS触发器直接置0,使Q=0, =1。
⑤端Co为电压控制端,如果在Co端加控制电压, 可改变A、B的参考电压。工作中不使用Co端时,一般都可通过一个0.01μf时的电容接地,以旁路高频干扰。
⑥端TH为高电平端发端,又叫做阀值输入端,由此输入触发脉冲。输入电压低于 Vcc,A的输出淡1;输入电压高于 Vcc时,A的输出为0。使基本RS触发器置0,即Q=0、 =1。这时定时器输出μ0=0。
⑦端D为放电端。当基本RS触发器的 =1时,放电晶体管Vt导通,外接电容元件通过Vt放电。555定时器在使用中大多与电容器的容量大小有关。
⑧端Vcc为电源端,可在4.5～16V范围内使用。若为CMOS电路,则Vcc=3～18V。
2、由555构成的多谐振荡器,单稳态触发器,施密特触发器。
图1-3所示是555多谐振荡器电路及其工作波形。R1、R2、C是外接定时元件。
图1-4所示是555单稳态触发电路及其工作波形图
图1-5所示是555施密特触发电路及其工作波形图
电路工作原理如下:
当接通电源Vcc后,电源Vcc经电阻R1和R2对电容C充电,当Uc上升到 Vcc时,比较器A的输出为0,将基本RS触发器置0,定时器输出Uc=0。这时基本RS触发器的 =1,使放电管Vt导通,电容C通过电阻R2和VT放电UC下降,当U0下降到 Vcc时,比较器B的输出为0,讲基本RS触发器置1,U0又由0变为1。由于此时基本RS触发器的 =0,放电管截止。Vcc又经电阻R1和R2对电容C充电。如此重复上述过程,于是在输出端Uo产生了连续的矩形脉冲。
第一个暂稳态的脉冲宽度TW1,即Uc以 Vcc充电上升到 Vcc所需时间;
tw1≈0.7(R1+R2)C
第二个暂稳态的脉冲宽度TW2,即Uc从 Vcc放电下降到 Vcc所需时间;
tw2≈0.7R2C
振荡周期:T=tw1=tw2≈0.7(R1+R2)C
占空比:
3 单稳态触发器
单稳态触发器在数字电路中一般用于定时、整形以及延时等。定时可产生一定宽度的矩形波;整形可以把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形;延时就是把输入信号延迟一定时间后输出。
单稳态触发器具有下列特点:
(1)电路有一暂态和一个稳态。
(2)在外来触发脉冲下,电路由稳态翻到暂稳态。
(3)暂稳态维持一段时间以后,将自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关,仅决定于电路本身的参数。
一般单稳态触发器可分:微分型单稳态触发器,即Ui为输入触发脉冲,高电平触发1。另一种积分型单稳态触发器,Ui为输入触发脉冲,低电平触发0。
4 由555集块构成的单稳态触发器
图1-4所示是用555集块构成的单稳态触发器电路及其工作波形。R、C是外接定时元件;Ui是输入触发信号,下降沿有效。
电路工作原理如下:
接通电源Vcc后瞬间,电路有一个稳定的过程,即电源Vcc通过电阻R对电容C充电,当Uc上升到 Vcc时,比较器A的输出为低电平0,将基本RS触发器置0,电路输出Uo=0,这时基本RS触发器的 =1,使极电管VT导通,电容C通过VT放电,电路进入稳定状态。
当触发信号Ui到来时,因为Ui的幅度低于 Vcc,比较器B的输出为0,将基本RS触发器置1,Uo又由0变为1。电路进入暂稳态。由于此时基本RS触发器的 =0,放电管Vt截止,Vcc经电阻R对电容C充电。虽然此时触发脉冲已消失,比较器B的输出变为1,但充电继续进行,直到Uc上升到 Vcc时,比较器A的输出为0,将基本RS触发器置0,电路输出Uo=0,Vt导通,电容C放电电路恢复到稳定状态。
5 单稳态触发器的应用
单稳态触发器应用很广,以下举二个例子进行说明:
5.1 延时与定时
脉冲信号的延时与定时电路如图1-6所示。仔细观察UA与Ui的波形,可以发现UA的下降沿比Ui的下降沿滞后了tw,也即延迟了tw。这个反映了单稳态触发器的延时作用。
a)应用电路b)工作波形
单稳态触发器的输出UA送入与门作为定时控制信号,当UA=1时,与门打开,Uo=Ub;当UA=0时与门关闭,Uo=0显然与门打开的时间是恒定不变的,它就是单稳态触发器输出脉冲UA的宽度tw。
5.2 波形整形
输入脉冲的波形往往不规则的,边沿不陡,幅度不齐,不能直接输入到数字电路。因为单稳态触发器的输出Uo的幅度仅决定于输出的高、低电平,宽度tw只与定时元件R、C有关,所以利用单稳态触发器能把不规则的输入信号Ui整形成为幅度、宽度都能相同的矩形脉冲Uo。
6 施密特触发器
施密特触发器是数字电路中常用的一种电路,利用经将其它形状的波形(如正弦波、矩齿波以及各种周期性不规则波形)整形变换成整齐的适合于数字电路需要的矩形脉冲,而且由于具有滞回特性,所以抗干扰能力也很强。施密特触发器在脉冲产生和整形电路中应用很广。
7 由555集块构成施密特触发器
将555集块的TH端和TR端连接起来作为信号Ui的输入端,便构成了施密特触发器,如图1-5所示。555中的放电晶体管Vt的集电极引出端D通过电阻R接电源Vdd为输出端U01,其高电平可通地改变VDD进行调节;Uo是555的信号输出端。
电路工作原理如下:
1、当Ui=0时由于比较器A输出为1高电平,B输出为0低电平时,基本RS触发器置1,即Q=1、 =0、U01=1、Uo=1。Ui升高时,在未到达 Vcc以前,U01=1、Uo=1状态不会改变。
2、当Ui升高到 Vcc时,比较器A输出跳变为0,B输出为1,基本RS触发器置0,即跳变到Q=0, =1,U01、Uo也随之跳变到0。此后,Ui上升到Vcc,然后再降低,但在未到达 Vcc以前,U01=0、Uo=0的状态不会改变。
3、当Ui下降到 Vcc时,比较器A输出为1,B输出跳变0,基本RS触发器置1,即跳变到Q=1、Q=0,UO1、UO也随之跳变到1。Ui继续下降到0,但Uoi=1、Uo=1的状态不变。
综合上述规纳为以下几个方面:
(a)555集成定时器是一种应用广泛,使用灵活的集成电路元件,多用于脉冲产生、整形、延时、幅度鉴别及定时等。
(b)多谐振荡器是一种自激振荡电路,不需要外加输入信号,就可以自动地产生矩形脉冲。
(c)在单稳态和无稳态电路中,由暂稳态过渡到另一个状态,其触发信号是由电路内部电容充与放电提供的,因此无需外加触发脉冲。暂稳态持续的时间是脉冲电路主要参数,它与电路的阻容元件有关。
(d)单稳态触发器和施密特触发器不能自动地产生矩形脉冲,但却可以把其他形状的信号变换成矩形波,这些电路的用途很广。
参考文献:
[1]白中英.99年数字逻辑与数字系统二版,北京科学教育出版社.
[2]阎石.95年数字电子技术基础上册,人民教学出版社.
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