時(shí)基電路555上跳沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路設(shè)計(jì)

戴伏生

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海校區(qū)) 信息與電氣工程學(xué)院， 山東 威海 264209)

時(shí)基電路555上跳沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路設(shè)計(jì)

戴伏生

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海校區(qū)) 信息與電氣工程學(xué)院， 山東 威海 264209)

本文介紹一種時(shí)基電路555上跳沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路設(shè)計(jì)方法。首先，對(duì)電路的工作原理進(jìn)行分析并討論了電路工作參數(shù)計(jì)算方法。然后，通過(guò)仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的正確性。最后，闡明該電路與下跳沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路相比較的特點(diǎn)。

脈沖電路；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；時(shí)基電路555

0 引言

由于集成時(shí)基電路555具有構(gòu)思奇巧、工作可靠性高、適應(yīng)電源范圍寬、輸出驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，用途非常廣泛，到目前為止仍是電子技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的熱門器件之一。上世紀(jì)八十年代國(guó)內(nèi)就把它作為經(jīng)典電子器件引入到電子技術(shù)類教材之中，并詳細(xì)介紹其原理以及一些典型基本應(yīng)用電路[1]。然而，檢索國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，在過(guò)去的幾十年當(dāng)中，有關(guān)利用該器件構(gòu)建單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用電路方面，側(cè)重討論和使用的均是下跳沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路[2,3]，而對(duì)于上跳沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路，不知由于何種原因，既未對(duì)其原理進(jìn)行詳細(xì)討論，也沒有見到被應(yīng)用的實(shí)例。既然該器件已被引入到教材之中，就需要完整地體現(xiàn)出全部其典型基本應(yīng)用電路形式，因此，有必要把被遺漏幾十年的利用時(shí)基電路555設(shè)計(jì)上跳沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路方案推薦出來(lái)開展討論，力圖更進(jìn)一步擴(kuò)大時(shí)基電路555應(yīng)用范圍。

1 時(shí)基電路功能及典型應(yīng)用電路

圖1 時(shí)基電路555內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)

圖2時(shí)基電路555常用的基本應(yīng)用電路

2 上跳沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路工作原理

基于集成時(shí)基電路555設(shè)計(jì)的上跳沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路如圖3所示。其中，電阻R1和電容C為確定暫穩(wěn)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短的定時(shí)器件；電阻R2為上拉電阻，如圖1所示，由于時(shí)基電路555內(nèi)部晶體三極管TD集電極開路，因此對(duì)外引腳輸出需配備此上拉電阻；二極管D并不是單穩(wěn)態(tài)電路必須采用的器件，主要作用是當(dāng)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后為了快速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)而添加的輔助器件，若實(shí)際觸發(fā)信號(hào)間隔較大時(shí)，二極管D完全可以省略?？刂齐妷狠斎攵?號(hào)引腳所接的0.1 μF電容，主要起到防止外接干擾參考電壓的濾波作用，若電路工作環(huán)境良好，省略電容C使引腳懸空不會(huì)影響電路功能。電路工作原理詳細(xì)分析如下。

圖3上跳沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路

2.1 穩(wěn)定狀態(tài)下各關(guān)鍵點(diǎn)的電平分析

外部的觸發(fā)信號(hào)ui從6號(hào)引腳輸入，非觸發(fā)時(shí)ui≈0 V。無(wú)論是通過(guò)圖1時(shí)基電路555內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)分析，或者是利用時(shí)基電路555的功能表1分析，圖3所示的上跳沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路在穩(wěn)定狀態(tài)情況下，輸出的3號(hào)引腳保持uo≈Vcc，同時(shí)輔助輸出端7號(hào)引腳內(nèi)部連接的晶體管TD保持截止?fàn)顟B(tài)。電容C對(duì)地電位同時(shí)也是2號(hào)引腳輸入信號(hào)保持uc≈Vcc。

若穩(wěn)定狀態(tài)下各關(guān)鍵點(diǎn)狀態(tài)不符合上述情況，則電路通過(guò)自身調(diào)整會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。例如，假設(shè)輸出uo≈0、電容C對(duì)地電位uc>Vcc/3。此時(shí)輔助輸出端7號(hào)引腳內(nèi)部連接的晶體管TD對(duì)地必然處于導(dǎo)通狀態(tài)。這種情況下電容C將經(jīng)過(guò)電阻R1并通過(guò)7號(hào)引腳內(nèi)部連接的晶體管TD到地構(gòu)成放電回路?？紤]到6號(hào)引腳非觸發(fā)時(shí)輸入電壓ui≈0V<2Vcc/3，當(dāng)電容C放電到對(duì)地電位uc

2.2 信號(hào)一次觸發(fā)過(guò)程電路動(dòng)作分析

當(dāng)輸入觸發(fā)信號(hào)ui>2Vcc/3的上跳沿到來(lái)時(shí)，由于電容C兩端的電壓uc≈Vcc不能突變，此刻6號(hào)和2號(hào)引腳的電平狀態(tài)是：6號(hào)引腳電平′ui>2Vcc/3、3號(hào)引腳電平uc≈Vcc>Vcc/3，根據(jù)功能表1，電路狀態(tài)將由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)進(jìn)入暫穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的狀態(tài)為：作為輸出的3號(hào)引腳為低電平狀態(tài)uo≈0，同時(shí)輔助輸出端7號(hào)引腳內(nèi)部連接的晶體管TD對(duì)地處于導(dǎo)通狀態(tài)。這種情況下電容C將經(jīng)過(guò)電阻R1并通過(guò)7號(hào)引腳內(nèi)部連接的晶體管TD到地構(gòu)成放電回路，uc將由uc≈Vcc逐漸下降，且uc在下降到Vcc/3之前，無(wú)論輸入觸發(fā)信號(hào)ui是什么電平，電路將維持暫穩(wěn)狀態(tài)，uc會(huì)繼續(xù)下降，即暫穩(wěn)狀態(tài)持續(xù)的長(zhǎng)短與ui高電平寬窄無(wú)關(guān)，因此該觸發(fā)器屬于上跳沿觸發(fā)模式。一旦uc下降為Vcc/3時(shí)刻，根據(jù)功能表1可以判斷出3號(hào)引腳輸出將變?yōu)楦唠娖絬o≈Vcc，同時(shí)輔助輸出端7號(hào)引腳內(nèi)部連接的晶體管TD將變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，此刻電路結(jié)束了暫穩(wěn)狀態(tài)，之后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)恢復(fù)過(guò)程。

通過(guò)上述對(duì)暫穩(wěn)狀態(tài)的電路動(dòng)作分析，并利用電路原理當(dāng)中的一階電路三要素法計(jì)算公式uc(tw)=uc(∞)+[uc(0)-uc(∞)]e-twτ1，可計(jì)算出暫穩(wěn)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間。其中uc(0)=Vcc、uc(∞)=0、uc(tW)=Vcc/3、τ1=R1C，得到暫穩(wěn)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間tW=R1Cln3≈1.1R1C。

2.3 暫穩(wěn)狀態(tài)結(jié)束電路恢復(fù)過(guò)程分析

進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)恢復(fù)過(guò)程主要體現(xiàn)是對(duì)電容C進(jìn)行充電，由快速充電和逐漸充電兩個(gè)階段組成。第一階段的快速充電主要是指，電源通過(guò)電阻R2及二極管D對(duì)電容C進(jìn)行快速充電，電容C的對(duì)地電位將迅速升高，當(dāng)充電至uc≥Vcc-VDon時(shí)二極管D將進(jìn)入死區(qū)，其中VDon為二極管的開啟電壓。此后穩(wěn)定狀態(tài)恢復(fù)進(jìn)入第二階段的逐漸充電過(guò)程。第二階段電路動(dòng)作主要是電源通過(guò)電阻R2及R1串聯(lián)電路對(duì)電容C繼續(xù)進(jìn)行充電。對(duì)電容C充電最終結(jié)果為uc≈Vcc。

依據(jù)上述分析，并利用三要素計(jì)算公式uc(tr1)=uc(∞)+[uc(0)-uc(∞)]e-tr1/τ1，對(duì)電路恢復(fù)時(shí)間進(jìn)行估算，在第一階段的快速充電時(shí)有：uc(0)=Vcc/3、uc(∞)=Vcc、uc(tr1)=Vcc-VDon、τ2≈(R2+rd)C，rd為二極管導(dǎo)通時(shí)的等效內(nèi)電阻。利用三要素計(jì)算公式得到快速充電階段所需時(shí)間為tr1≈(R2+rd)Cln(2Vcc/3VDon)。由于二極管導(dǎo)通時(shí)的等效內(nèi)電阻rd不固定，且隨著對(duì)電容C充電過(guò)程由小變大，為便于計(jì)算并依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，快速充電階段所需時(shí)間可按照tr1≈2.2R2Cln(2Vcc/3VDon)公式進(jìn)行估算。在逐漸充電的第二階段，電源通過(guò)電阻R2及R1串聯(lián)對(duì)電容C充電是從uc(tr1)=Vcc-VDon開始，最終充電結(jié)果為uc≈Vcc，即Δuc(tr2)≈VDon。理論上所需時(shí)間為tr2=∞，實(shí)際上當(dāng)經(jīng)過(guò)tr2≈3(R2+R1)C，對(duì)電容C充電基本結(jié)束。通過(guò)上述分析，電路完全恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間為tr≈tr1+tr2≈2.2R2Cln(2Vcc/3VDon) +3(R2+R1)C。

3 上跳沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路的驗(yàn)證

按照?qǐng)D3所示原理電路，利用OrcadPspice電路仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的上跳沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)行驗(yàn)證，分別驗(yàn)證寬脈沖觸發(fā)和窄脈沖觸發(fā)，電路參數(shù)為C=10 uF、R1=10kΩ、R2=1kΩ，二極管D選用1N4148，其VDon≈0.5V，電源電壓Vcc=5V。仿真結(jié)果如圖4所示。

按照上節(jié)原理分析方法計(jì)算，可得到暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間tW=R1Cln3≈1.1R1C≈110ms，電路完全恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間tr≈tr1+tr2≈2.2R2Cln(2Vcc/3VDon)+3(R2+R1)C≈41.7+330=371.7ms。計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果一致，從仿真角度表明單穩(wěn)態(tài)電路設(shè)計(jì)方法的正確性。再此基礎(chǔ)上，按照?qǐng)D

(a)寬脈沖觸發(fā)

(b)窄脈沖觸發(fā)圖4 上跳沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路仿真結(jié)果

3所示原理電路搭建實(shí)際電路進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證。其中，器件選用NE555，電容C和電阻R的參數(shù)分別按照常用的E-12和E-24標(biāo)稱值系列選取。利用自帶信號(hào)源的安捷倫DSOX2002A數(shù)字示波器進(jìn)行測(cè)

試，考慮到元器件電容C和電阻R標(biāo)稱值與實(shí)際值的誤差，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果及仿真結(jié)果一致。通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，進(jìn)一步了證明所推薦的基于時(shí)基電路555設(shè)計(jì)上跳沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路方法的正確性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種基于時(shí)基電路555上跳沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路的設(shè)計(jì)方法，理論分析和仿真及實(shí)物實(shí)驗(yàn)證明，該電路為上跳沿觸發(fā)模式的觸發(fā)器。該單穩(wěn)態(tài)電路與時(shí)基電路555構(gòu)成的下跳沿觸發(fā)電路相比，兩者多數(shù)特點(diǎn)相似，但是下跳沿觸發(fā)電路要求觸發(fā)脈沖必須小于暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間，而推薦的上跳沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路不用考慮輸入觸發(fā)脈沖寬窄問(wèn)題，因此在對(duì)輸入信號(hào)的約束方面，推薦的上跳沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路更具有優(yōu)勢(shì)，因此該電路用于解決實(shí)際問(wèn)題沒有任何不妥之處。通過(guò)以上討論留給讀者的啟迪是，要善于分析并充分發(fā)揮每種電子器件獨(dú)有特點(diǎn)去解決實(shí)際問(wèn)題，本文介紹的上跳沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路，就是充分發(fā)揮時(shí)基電路555本身的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)出來(lái)的，這也是創(chuàng)新方式的一種體現(xiàn)。電子技術(shù)基礎(chǔ)課程當(dāng)中有很多類似的問(wèn)題需要讀者們思考，撰寫該文的目的是能給讀者們提供啟發(fā)和借鑒，希望本文能起到拋磚引玉之效果。

[1] 清華大學(xué)電子教研組. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程[M]. 北京: 高等教育出版社, 1985.

[2] 陳有卿, 葉桂娟. 555時(shí)基電路原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

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[5] 楊春玲, 王淑娟. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京: 高等教育出版社

The Design of Posedge Trigger Monostable Circuit Based on 555 Time-Based Circuit

DAI Fu-sheng

(Schoolofinformationandelectricalengineering,WeihaiCampus,HarbinInstituteofTechnology,Weihai264209，China)

To develop the application of 555 time-basd ecircuit, this paper recommens a design method with rising edge trigger and monostable circuit. Firstly, the working principle of the circuit is analyzed and the computing methods of the parameters of the circuit are discussed. Secondly, the correctness of the recommend method is verified by simulation and practicality experiment. Finally, the characteristics of the circuit are compared with the falling edge trigger and monostable circuit.

pulse circuit; monostable trigger; 555 time-based circuit

2016-06-06;

2016-08- 03

哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)教學(xué)研究項(xiàng)目(ITDA10002101)

戴伏生(1963-)，男，教授，主要從事通信電子系統(tǒng)方面的教學(xué)和研究工作，E-mail: dfs1963@163.com

TN782+.1

A

1008-0686(2017)03-0118-04