淺析555時鐘脈沖在PSM發(fā)射機中的應用

摘要PSM發(fā)射機控制系統(tǒng)復雜，數(shù)字化程度高，由于大量使用了數(shù)字元件，而數(shù)字元件需要各種時鐘脈沖信號來實現(xiàn)其功能，555定時器是一種應用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器。因而在PSM發(fā)射機中得到廣泛應用。

中圖分類號:TN91文獻標識碼:A

0 引言

PSM發(fā)射機系統(tǒng)中用到各種各樣的時鐘信號，來使數(shù)字器件進行工作，在這些時鐘信號中絕大部分都是由555定時器經(jīng)過不同的外圍電路組合而產(chǎn)生的。TCU控制板、CCU控制板、伺服控制板以及PB控制板上都使用555定時器來產(chǎn)生時鐘信號，經(jīng)過外圍電路處理后產(chǎn)生多種頻率的時鐘信號，然后將這些時鐘信號分別送到數(shù)字器件中，來實現(xiàn)不同的控制功能。

1 555定時器的結構工作原理

在數(shù)字電路中，為了使數(shù)字電路能夠根據(jù)需要來產(chǎn)生不同的功能，常常需要時鐘信號來控制。其中555定時器就是應用比較廣泛的一種時基信號，利用它可以構成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。在PSM發(fā)射機系統(tǒng)中主要是應用555定時器為主要元件夠成的多諧振蕩器來產(chǎn)生時鐘脈沖控制信號。圖1為555定時器各腳引線(端子)圖。

引腳說明:1腳為電源接地端;2腳為觸發(fā)端;3腳為輸出端;4腳為復位端;5腳為控制電壓端;6腳為門限端;7腳為放電端;8腳為電源端。

圖2為555定時器的內(nèi)部結構圖。由圖可知，555定時器由比較器、基本RS觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管TD三部分組成。

工作原理:V1是比較器C1的輸入端，V2是比較器C2的輸入端。C1和C2的參考電壓V3和V4是由電源電壓VCC經(jīng)過三個等值電阻R分壓得到的。當5腳懸空時V3 = VCC，V4 = VCC。

4腳是復位端，只要在4腳端加上低電平，輸出端VO就被置為低電平，此時不會受到其他輸入端的影響，在正常工作情況下4腳通常處于高電平。

圖2555定時器內(nèi)部結構圖

由結構圖可知，當V1>V3、V2>V4時，比較器C1的輸出V5 = 0、比較器C2的輸出V6 = 1，RS觸發(fā)器被置0，G3輸出為高電平，三極管TD導通，同時3腳輸出為低電平。

當V1V4時，比較器C1和C2的輸出均為高電平，觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變，G3的輸出、三極管TD和3腳輸出端的狀態(tài)均保持不變。

當V1

當V1>V3、V2

2 555定時器在PSM發(fā)射機應用分析

在PSM發(fā)射機系統(tǒng)中，TCU控制板、CCU控制板、伺服控制板以及PB200功放單元的PB控制板上都用到了555定時器。這些555定時器根據(jù)板子不同具有不同的功能，有的用于產(chǎn)生時鐘脈沖信號，有的用于定時，還有的用于產(chǎn)生三角波信號。

為了能夠詳細討論輸出信號形狀，必須要知道電容的充放電原理。在電工原理中可知電容的充放電公式為:

f (t) = f (∞) + [f (0+) - f (∞)]e- 式(1)

在此式中，f (t)表示在t時刻電容上的電壓或者電流;

f (∞)表示電容上的電壓或電流的新的穩(wěn)態(tài)值;

f (0+)表示電容上的電壓或者電流的初始值;

表示電路中的時間常數(shù)。

在下面電容上電壓或電流的計算中，主要計算的是電容上的電壓。

⑴TCU控制板555定時器產(chǎn)生時鐘脈沖的工作原理分析

如圖3(A)所示為TCU控制板555定時器的應用原理圖。分析電容的充放電過程，當輸出引腳3為高電平時，就通過電阻R8給電容C3進行充電，當電容上的電壓充到VCC時，由于555定時器內(nèi)部觸發(fā)器的作用輸出引腳3將被置為低電平，此時由于電容C3上已充電，所以電容C3會通過電阻R8進行放電，當電容C3上的電壓放電到低于VCC時，輸出引腳3立刻就會輸出高電平，此時3腳的輸出經(jīng)過R8給電容C3又開始進行充電，以后電容C3總是周而復始的進行著相同的充放電過程。圖3(B)為電容上電壓變化過程。

圖3TCU控制板555定時器原理圖

下面討論一下如何計算電容的充放電時間。在充電時f(∞)表示當充電時間無限長時到達的穩(wěn)態(tài)值，此時電容上的電壓為VCC;f(0+)表示為電容上電壓的初始值，此時為1/3VCC;為時間常數(shù)，此時為R8C3;充電時的最終狀態(tài)值f(t)為2/3VCC;將以上各數(shù)值代入式(1)得:

解此方程即可得:t1 = R8*C3*ln2，此即為充電時間。

當電容放電時，f (∞)值為0，f(0+)值為2/3VCC，放電時的最終狀態(tài)值f (t)為1/3VCC，由于充放電的通路相同，所以放電的時間常數(shù)與充電時的時間常數(shù)一致。將以上各值代入式(1)，得:

解此式即可得到放電時間:t1 = R8*C3*ln2。

通過計算可知，此電路充放電時間常數(shù)相同，所以時鐘周期T為: T = 2ln2 €?R8 €?C3

頻率為:f = 。

由于CCU控制板的時鐘電路TCU控制板上的時鐘電路相同，在此不再贅述。

(2)伺服控制板555定時器構成的電路原理分析。如圖4所示。

圖4伺服控制板555定時器

C5的充放電過程分析:當輸出引腳3為高電平時，NE555定時器內(nèi)部的三極管T處于截止狀態(tài)，此時電源通過電阻R2、R1給電容C5開始充電;當電容C5上的電壓充到2/3VCC時，輸出引腳3會變?yōu)榈碗娖剑藭rNE555定時器內(nèi)部三極管T會處于導通狀態(tài)，于是電容C5就通過電阻R1向NE555定時器的7引腳開始放電。當電容上的電壓降到1/3VCC時，輸出3腳又會變?yōu)楦唠娖剑娙軨5周而復始的進行著充放電過程。

時鐘信號充放電時間分析:由555定時器構成的時鐘信號電路與TCU、CCU控制板上的有所不同，既有時鐘信號輸出又有三角波輸出。充電時，f (t)為2/3VCC;

下面再簡單討論一下電容C5是如何產(chǎn)生三角波的。在電容充電時

f (∞)為VCC;

f (0+)為1/3VCC;

表示電路中充電時間常數(shù)為(R1+R2)*C5。

代入式(1)得:

令1 = (R1+R2)*C5為常數(shù)，

化簡得:f (t) = VCC - VCC*e -式(2)

在電容放電時，f (∞)為0;

f (0+)為2/3VCC;

表示電路中充電時間常數(shù)為R1*C5。

代入式(1)得:

令2 = R1*C5為常數(shù)，

化簡得:f (t) = VCC*e -式(3)

由式(2)與式(3)即可粗略畫出其函數(shù)曲線如圖4(B)所示，由圖可以看出，電容上的電壓近似為三角形，此三角波的輸出是用于進行脈寬調(diào)制的。在伺服控制板上還有一555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器定時電路，如圖5所示。

此電路與普通單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路有著明顯區(qū)別，首先在輸入2腳增加了電容C53，同時還把輸入端與復位腳4相連。

下面簡單分析此電路的工作過程。

在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路中，通電后電路會自動穩(wěn)定在輸出為低電平狀態(tài)，此時電容C54上沒有電平。

電容C53的充放電時間常數(shù)為:

電容C54的充放電時間常數(shù)為:

由上面兩式計算可以看出電容C53的充放電時間常數(shù)遠遠小于電容C54的充放電時間常。

當觸發(fā)信號為低電平時，輸出狀態(tài)為低電平。

當觸發(fā)信號由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，由于電容C53的充電作用使2腳的電平隨電容C53電平的變化而變化。當電容C53上的電壓低于1/3VCC時，腳3輸出高電平，此時VCC會經(jīng)過電阻R57給電容C54充電。當電容C53的電壓大于1/3VCC時，輸出狀態(tài)保持高電平不變，直到電容C54上的電平充至2/3VCC時為止。由于電容C53的充放電時間常數(shù)很小，所以電容C53充電時間很短。當電容C54上電壓在充到2/3VCC之前時，觸發(fā)脈沖變?yōu)榈碗娖酱藭r3腳輸出就變?yōu)榈碗娖健t觸發(fā)脈沖的寬度等于電容C54的充電時間，此即為3腳輸出的定時時間。在上述的電路中電容C53還具有消除瞬間誤動作觸發(fā)脈沖信號的功能。

除了在上述電路板上用到555定時器外，在PB控制板也用到555定時器。由于PB控制板上的時鐘信號電路與圖4的555定時器應用電路基本相似，在分析PB控制板555定時器構成的電路原理時可按照圖4的方法進行分析，在此不再敖述。需提示:圖紙上給定的元件數(shù)值代入上述公式時，由于元件的誤差，計算出的理論值與實際有不少差異，這在實際應用中是不可避免的。

3 結語

通過以上對時鐘脈沖電路的分析，使我們對時鐘脈沖信號在PSM發(fā)射機中使用有了進一步了解。尤其通過555定時器電路分析，為提高了對復雜的PSM發(fā)射機控制系統(tǒng)分析判斷提供了良好的借鑒。發(fā)射技術雖然高深莫測，但只要遵循業(yè)精于勤，認真分析、研究、就能夠從實踐中探索解決故障和問題的方法。