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1、脉冲波形的获得，通常接受两种方法：脉冲波形的获得，通常接受两种方法：一种是利用脉冲信号产生器干脆产生；一种是利用脉冲信号产生器干脆产生；另一种则是通过对已有信号进行变换另一种则是通过对已有信号进行变换第六章第六章 脉冲波形的产生与变换脉冲波形的产生与变换 本章以中规模集成电路本章以中规模集成电路555555定时器为典型电路，定时器为典型电路，主要探讨主要探讨555555定时器构成的施密特触发器、单稳态定时器构成的施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器以及触发器、多谐振荡器以及555555定时器的典型应用。定时器的典型应用。2 2、驾驾驭驭由由555555定定时时器器组组成成的的多多谐谐、单单稳
2、稳、施施密密特特触触发发器器的的电电路路、工工作作原原理理、外外接接参参数数及及电路指标的计算。电路指标的计算。1 1、驾驭、驾驭555555定时器的工作原理。定时器的工作原理。教学基本要求教学基本要求一、一、555定时器的电路结构定时器的电路结构由以下几部分组成：由以下几部分组成：（1）三三个个阻阻值值为为5k的的电电阻阻组组成的分压器。成的分压器。（2）两个电压比较器）两个电压比较器C1和和C2。其次节其次节 集成集成555定时器定时器电压比较器的功能：电压比较器的功能：v+v-，vO=1 v+v-，vO=0（3）基本）基本RS触发器、触发器、（4）放电三极管）放电三极管T及缓冲器及缓冲器
3、G。二工作原理（1）4脚为干脆复位输入端（脚为干脆复位输入端（RD），当），当RD为低电平常，不管其他输入端的状态如为低电平常，不管其他输入端的状态如何，输出何，输出vo为低电平。正常工作时，应为低电平。正常工作时，应将其接高电平。将其接高电平。（2）5脚为电压限制端，当其悬空时，比较器脚为电压限制端，当其悬空时，比较器C1和和C2的比较电压分别为的比较电压分别为2/3VCC 和和1/3VCC。（3）2脚为触发输入端脚为触发输入端(置位端置位端)，6脚为阈值脚为阈值输入端输入端(复位端复位端)，两端的电位凹凸限制，两端的电位凹凸限制比较器比较器C1和和C2的输出，从而限制的输出，从而限制RS触
4、发触发器，确定输出状态。器，确定输出状态。第三节 脉冲波形产生电路 脉脉冲冲波波形形产产生生电电路路不不须须要要外外加加输输入入信信号号，只只要要接接通通供供电电电电源源，就就会会自自动动产产生生矩矩形形脉脉冲冲信信号号，电电路路没没有有稳稳态态，只只有有两两个个暂暂稳稳态态，它它们们做做交交替替变变更更，输输出出连连续续的的矩矩形形脉脉冲冲信信号号，因因此此它它又又称称作作无无稳稳态态电电路路，常常用用来来做做脉脉冲冲信信号号源源。由由于于含含有有丰丰富富的的谐谐波波重重量量，故称多谐振荡器。故称多谐振荡器。一、由555定时器芯片组成的多谐振荡器二、环形多谐振荡器二、环形多谐振荡器三、对称式
5、多谐振荡器三、对称式多谐振荡器四、非对称式多谐振荡器四、非对称式多谐振荡器一、由一、由555定时器芯片组成的多谐振荡器定时器芯片组成的多谐振荡器五、石英晶体多谐振荡器五、石英晶体多谐振荡器 （一）电路结构（一）电路结构R1R2 TC1C2+-+(4)RS&5 k 5 k 5 k&1RDVCC(8)G(1)(2)(5)(6)(7)C)(-CCV-1R-2R一、由一、由555定时器芯片组成的多谐振荡器定时器芯片组成的多谐振荡器（二）工作原理（二）工作原理 TC1C2+-+(4)RS&5 k 5 k 5 k&1RDVCC(8)G(1)(2)(5)(6)(7)C)(-CCV-1R-2R(三三)振荡频率
6、的估算振荡频率的估算（1）电容充电时间）电容充电时间T1：（用三要素法计算）：（用三要素法计算）（2）电容放电时间电容放电时间T2（3）电路振荡周期）电路振荡周期T T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C（4）电路振荡频率）电路振荡频率f（5）输出波形占空比）输出波形占空比q (四四)占空比可调的多谐振荡器电路占空比可调的多谐振荡器电路 利利用用半半导导体体二二极极管管的的单单向向导导电电特特性性，把把电电容容C充充电电和和放放电电回回路路隔隔离离开开来来，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器。再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器。可计算得：可计算得：T1=0.7R1
7、C T2=0.7R2C 占空比：占空比：C C充电路径充电路径:Vcc:VccR1R1D1D1C C地地C C放电路径放电路径:C:CR2R2D2D2放电管放电管T T地地二二 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 问题问题:上面介绍的多谐振荡器中，由于其工作频率取上面介绍的多谐振荡器中，由于其工作频率取决于电容决于电容C充、放电过程中，电压到达转换值的时间，充、放电过程中，电压到达转换值的时间，因此稳定度不够高。一般在对振荡器频率稳定度要求因此稳定度不够高。一般在对振荡器频率稳定度要求很高的场合，都须要实行稳频措施，其中最常用的一很高的场合，都须要实行稳频措施，其中最常用的一种方法，就是利用
8、石英谐振器种方法，就是利用石英谐振器简称石英晶体或晶体，简称石英晶体或晶体，构成石英晶体多谐振荡器。构成石英晶体多谐振荡器。1.石英晶体的选频特性石英晶体的选频特性有两个谐振频率。当有两个谐振频率。当f=fs时，为串联谐振，石英晶体的电抗时，为串联谐振，石英晶体的电抗X=0；当当f=fp时，为并联谐振，石英晶体的电抗无穷大。时，为并联谐振，石英晶体的电抗无穷大。由晶体本身的特性确定：由晶体本身的特性确定：fs fp f0（晶体的标称频率）（晶体的标称频率）石英晶体的选频特性极好，石英晶体的选频特性极好，f0特别稳定，其稳定度可达特别稳定，其稳定度可达10-1010-11。2.石英晶体多谐振荡器
9、石英晶体多谐振荡器R1、R2的的作作用用使使两两个个反反相相器器在在静静态态时时都都工工作作在在转转折折区区，成成为为具具有有很很强强放放大实力的放大电路。大实力的放大电路。对对于于TTL门门，常常取取R1=R2=0.72k，若若是是CMOS门门则则常常取取R1=R2=10100M；C1=C2是耦合电容。是耦合电容。石石英英晶晶体体工工作作在在串串联联谐谐振振频频率率f0下下，只只有有频频率率为为f0的的信信号号才才能能通通过过，满满足足振振荡荡条条件件。因因此此，电电路路的的振振荡荡频频率率=f0，与与外外接接元元件件R、C无无关关，所所以以这这种种电电路路振荡频率的稳定度很高。振荡频率的稳
10、定度很高。三多谐振荡器应用实例1.简易温控报警器图中晶体管图中晶体管T T可选用锗管可选用锗管3AX313AX31、3AX813AX81或或3AG3AG类，也可选类，也可选用用3DU3DU型光敏管。型光敏管。3AX313AX31等锗管在常温下，集电极和放射等锗管在常温下，集电极和放射极之间的穿透电流极之间的穿透电流ICEOICEO一般在一般在10105050，且随温度上，且随温度上升而增大较快。当温度低于设定温度值时，晶体管升而增大较快。当温度低于设定温度值时，晶体管T T的穿的穿透电流透电流ICEOICEO较小，较小，555555复位端复位端RDRD（4 4脚）的电压较低，电脚）的电压较低，
11、电路工作在复位状态，多谐振荡器停振，扬声器不发声。路工作在复位状态，多谐振荡器停振，扬声器不发声。当温度上升到设定温度值时，晶体管当温度上升到设定温度值时，晶体管T T的穿透电流的穿透电流ICEOICEO较较大，大，555555复位端复位端RDRD的电压上升到解除复位状态之电位，多的电压上升到解除复位状态之电位，多谐振荡器起先振荡，扬声器发出报警声。谐振荡器起先振荡，扬声器发出报警声。2.双音门铃双音门铃。当按钮开关当按钮开关ANAN按下时，开关闭合，按下时，开关闭合，VCCVCC经经D2D2向向C3C3充电，充电，P P点（点（4 4脚）电位脚）电位快速充至快速充至VCCVCC，复位解除；由
12、于，复位解除；由于D1D1将将R3R3旁路，旁路，VCCVCC经经D1D1、R1R1、R2R2向向C C充电，充电，充电时间常数为（充电时间常数为（R1+R2R1+R2）C C，放电时间常数为，放电时间常数为R2 CR2 C，多谐振荡器产生高，多谐振荡器产生高频振荡，喇叭发出高音。频振荡，喇叭发出高音。当按钮开关当按钮开关ANAN松开时，开关断开，由于电容松开时，开关断开，由于电容C3C3储存的电荷经储存的电荷经R4R4放电要维放电要维持一段时间，在持一段时间，在P P点电位降至复位电平之前，电路将接着维持振荡；但点电位降至复位电平之前，电路将接着维持振荡；但此时此时VCCVCC经经R3R3、
13、R1R1、R2R2向向C C充电，充电时间常数增加为（充电，充电时间常数增加为（R3+R1+R2R3+R1+R2）C C，放电时间常数仍为放电时间常数仍为R2 CR2 C，多谐振荡器产生低频振荡，喇叭发出低音。，多谐振荡器产生低频振荡，喇叭发出低音。当电容当电容C3C3持续放电，使持续放电，使P P点电位降至点电位降至555555的复位电平以下时，多谐振荡器的复位电平以下时，多谐振荡器停止振荡，喇叭停止发声。停止振荡，喇叭停止发声。调整相关参数，可以变更高、低音发声频率以及低音维持时间。调整相关参数，可以变更高、低音发声频率以及低音维持时间。第四节第四节 脉冲波形整形电路脉冲波形整形电路 脉冲
14、波形整形电路是对已有的波形进行整形脉冲波形整形电路是对已有的波形进行整形和变换和变换,使之符合系统的要求。脉冲波形整形电路使之符合系统的要求。脉冲波形整形电路主要有施密特触发器和单稳态触发器主要有施密特触发器和单稳态触发器.施密特触发器主要用以将变更缓慢的或快速施密特触发器主要用以将变更缓慢的或快速变更的非矩形脉冲变换成上升沿和下降沿都很陡变更的非矩形脉冲变换成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲。峭的矩形脉冲。单稳态触发器则主要用于将宽度不符合要求单稳态触发器则主要用于将宽度不符合要求的脉冲变换成符合要求的矩形脉冲。的脉冲变换成符合要求的矩形脉冲。一一.用用555定时器构成的施密特触发器定时器构
15、成的施密特触发器1.电路组成及工作原理电路组成及工作原理R R、VCC2VCC2构成另一输出端构成另一输出端vo2vo2，其高电平可以通过，其高电平可以通过变更变更VCC2VCC2进行调整。进行调整。一、施密特触发器一、施密特触发器v I2.电压滞回特性和主要参数电压滞回特性和主要参数（1）电压滞回特性）电压滞回特性（2）主要静态参数）主要静态参数（a）上上限限阈阈值值电电压压VT+vI上上升升过过程程中中，输输出出电电压压vO由由高高电电平平VOH跳跳变变到到低电平低电平VOL时，所对应的输入电压值。时，所对应的输入电压值。VT+=2/3VCC。（b）下下限限阈阈值值电电压压VT vI下下降
16、降过过程程中中，vO由由低低电电平平VOL跳跳变变到到高高电电平平VOH时，所对应的输入电压值。时，所对应的输入电压值。VT=1/3VCC。（3）回差电压）回差电压VT VT=VT+VT=1/3VCC若若在在电电压压限限制制端端VIC（5脚脚）外外加加电电压压VS，则则将将有有VT+=VS、VT=VS/2、VT=VS/2，而且当变更，而且当变更VS时，它们的值也随之变更。时，它们的值也随之变更。、输出信号的电平变换、输出信号的电平变换ouo1为高电平，为高电平，放电管放电管T截止，截止，uo2=+Vcc2ouo1为低电平，为低电平，放电管放电管T导通，导通，uo2=vIvccvcc2vo2如何
17、变更电路的阈值电压和回差电压如何变更电路的阈值电压和回差电压?限制电压端（限制电压端（5 5脚）接脚）接VICVIC3V1.5V二二 施密特触发器的应用举例施密特触发器的应用举例1.用作接口电路用作接口电路将缓慢将缓慢变更的输入信号，转换成为变更的输入信号，转换成为符合符合TTL系统要求的脉冲波形。系统要求的脉冲波形。2.用作整形电路用作整形电路把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。3用作波形变换正弦波、三角波锯形波用作波形变换正弦波、三角波锯形波.用用于于脉脉冲冲鉴鉴幅幅从从一一系系列列幅幅度度不不同同的的脉脉冲冲信信号号中中，选选出出那那些些幅幅度大于度大
18、于VT+的输入脉冲。的输入脉冲。4 4利用施密特触发器构成多谐振荡器利用施密特触发器构成多谐振荡器C Cv vo ov vI IR R1 1二二.单稳态触发器单稳态触发器特点特点:1.有一个稳态和一个暂稳态；有一个稳态和一个暂稳态；2.在触发脉冲作用下，由稳态翻转到暂稳态；在触发脉冲作用下，由稳态翻转到暂稳态；3.暂稳状态维持一段时间后，自动返回到稳态。暂稳状态维持一段时间后，自动返回到稳态。vI（一）由（一）由555555定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器1.1.电路组成及工作原理电路组成及工作原理没有触发信号时没有触发信号时(i )电路处于稳态，电路处于稳态，输出为输出为0
19、0 13VCCVCCvI外加触发信号，电路转换到暂态，输出为外加触发信号，电路转换到暂态，输出为1触发信号消退后，电容充电电路自动转换到稳态输出为触发信号消退后，电容充电电路自动转换到稳态输出为0 0说明说明o须要指出的是，在图所示电路中，输入触发信号须要指出的是，在图所示电路中，输入触发信号vI的脉冲宽度的脉冲宽度（低电平的保持时间），必需小于电路输出（低电平的保持时间），必需小于电路输出vO的脉冲宽度（暂的脉冲宽度（暂稳态维持时间稳态维持时间tW），否则电路将不能正常工作。因为当单稳态），否则电路将不能正常工作。因为当单稳态触发器被触发翻转到暂稳态后，假如触发器被触发翻转到暂稳态后，假如v
20、I端的低电平始终保持不端的低电平始终保持不变，那么变，那么555定时器的输出端将始终保持高电平不变。定时器的输出端将始终保持高电平不变。o解决这一问题的一个简洁方法，就是在电路的输入端加一个解决这一问题的一个简洁方法，就是在电路的输入端加一个RC微分电路，即当微分电路，即当vI为宽脉冲时，让为宽脉冲时，让vI经经RC微分电路之后再接到微分电路之后再接到vI2端。不过微分电路的电阻应接到端。不过微分电路的电阻应接到VCC，以保证在，以保证在vI下降沿未到下降沿未到来时，来时，vI2端为高电平。端为高电平。2.主要参数估算主要参数估算(1)输出脉冲宽度输出脉冲宽度Tw（用三要素法计算）用三要素法计
21、算）上上式式说说明明，单单稳稳态态触触发发器器输输出出脉脉冲冲宽宽度度tW仅仅确确定定于于定定时时元元件件R、C的的取取值值，与与输入触发信号和电源电压无关，调整输入触发信号和电源电压无关，调整R、C的取值，即可便利的调整的取值，即可便利的调整tW。（2）复原时间）复原时间tre tre=（35）2（3）最高工作频率）最高工作频率fmax vI周期的最小值：周期的最小值：Tmin=tWtre 因此，单稳态触发器的最高工作频率应为因此，单稳态触发器的最高工作频率应为:(二二)单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用1.延时与定时延时与定时（1）延时）延时图中，图中，v/O的下降沿比的下降沿比vI的下
22、的下降沿滞后了时间降沿滞后了时间tW。（2）定时）定时o当当v/O=1时，与门打开，时，与门打开，vO=vF。o当当v/O=0时时，与与门门关关闭闭，vO为为低低电电平平。明明显显与与门门打打开开的的时时间间是是恒恒定定不不变变的的，就就是是单单稳稳输输出出脉脉冲冲v/O的宽度的宽度tW。2.整形整形单单稳稳态态触触发发器器能能够够把把不不规规则则的的输输入入信信号号vI，整整形形成成为为幅幅度度和和宽宽度度都都相相同同的标准矩形脉冲的标准矩形脉冲vO。vO的的幅幅度度取取决决于于单单稳稳态态电电路路输输出出的的高高、低低电电平平，宽宽度度tW确确定定于于暂暂稳稳态态时间。时间。1.触摸定时限
23、制开关触摸定时限制开关 555定定时时器器构构成成单单稳稳态态触触发发器器。只只要要用用手手触触摸摸一一下下金金属属片片P，由由于于人人体体感感应应电电压压相相当当于于在在触触发发输输入入端端（管管脚脚2）加加入入一一个个负负脉脉冲冲，555输输出出端端输输出出高高电电平平，灯灯泡泡（RL）发发光光，当当暂暂稳稳态态时时间间（tW）结结束束时时，555输输出出端端复复原原低低电电平平，灯灯泡泡熄灭。熄灭。该该触触摸摸开开关关可可用用于于夜夜间间定定时时照照明明，定定时时间可由时时间可由RC参数调整。参数调整。(三三)举例举例例例2 图题是用两个图题是用两个555定时器接成的延时报警器。当开关定
24、时器接成的延时报警器。当开关S断开后，经过断开后，经过确定的延迟时间后，扬声器起先发声。假如在延迟时间内开关确定的延迟时间后，扬声器起先发声。假如在延迟时间内开关S重新闭合，重新闭合，扬声器不会发出声音。在图中给定参数下，试求延迟时间的具体数值和扬扬声器不会发出声音。在图中给定参数下，试求延迟时间的具体数值和扬声器发出声音的频率。图中声器发出声音的频率。图中G1是是CMOS反相器，输出的高、低电平分别为反相器，输出的高、低电平分别为VOH=12V，VOL0V。解：解：1.1.工作原理：工作原理：图题由两级图题由两级555555电路构成，第一级是施密特触发器，其次级是电路构成，第一级是施密特触发
25、器，其次级是多谐振荡器。施密特触发器的输入由多谐振荡器。施密特触发器的输入由R1R1、C1C1充放电回路和开关充放电回路和开关S S 限制，当限制，当S S闭合时，闭合时，VC=0VVC=0V，施密特触发器输出高电平。施密，施密特触发器输出高电平。施密特触发器的输出经反相器去限制多谐振荡器的特触发器的输出经反相器去限制多谐振荡器的RDRD端，当施密特端，当施密特触发器的输出为高电平常，触发器的输出为高电平常，RD=0RD=0，多谐振荡器复位，扬声器不，多谐振荡器复位，扬声器不会发出声音。当开关会发出声音。当开关S S断开后，断开后，R1R1、C1C1充放电回路起先充电，充放电回路起先充电，VC
26、VC随之上升，但在达到之前，施密特触发器的输出仍为高电平随之上升，但在达到之前，施密特触发器的输出仍为高电平常，常，RD=0RD=0，扬声器仍不会发出声音。这一段时间即为延迟时间。，扬声器仍不会发出声音。这一段时间即为延迟时间。一旦一旦VCVC达到达到Vt+=2/3VccVt+=2/3Vcc，施密特触发器触发翻转，输出低电平，施密特触发器触发翻转，输出低电平，RD=1RD=1，多谐振荡器工作，扬声器起先发声报警。，多谐振荡器工作，扬声器起先发声报警。2.求延迟时间：求延迟时间：延迟时间由延迟时间由R1、C1充放电回路的充电过程确定：充放电回路的充电过程确定：将将 =0V t=R1C1代入上代入
27、上式，得：式，得：t=t1时，时，代入上式，整理得延迟时间：代入上式，整理得延迟时间：t1=R1C1ln31.1 R1C1=1.1106+1010-6=11S扬声器发声频率：扬声器发声频率：举例举例3：间歇振荡器：间歇振荡器两级两级555555电路均构成多谐振荡器，由第一级的输出去限制其电路均构成多谐振荡器，由第一级的输出去限制其次级的次级的5 5端。而第一级多谐振荡器的充放电时间常数远大于端。而第一级多谐振荡器的充放电时间常数远大于其次级，这意味着第一级的振荡周期远大于其次级。当第一其次级，这意味着第一级的振荡周期远大于其次级。当第一级电路的输出为低电平常，致使其次级振荡器的振荡频率较级电路
28、的输出为低电平常，致使其次级振荡器的振荡频率较高，扬声器发出高音。高，扬声器发出高音。当第一级电路的输出为高电平常，致使其次级振荡器的振荡当第一级电路的输出为高电平常，致使其次级振荡器的振荡频率较低，扬声器发出低音。频率较低，扬声器发出低音。扬声器发出低音的持续时间：扬声器发出低音的持续时间：0.7(R1+R2)C1=1.12S0.7(R1+R2)C1=1.12S扬声器发出高音的持续时间：扬声器发出高音的持续时间：0.7R2C1=1.05S0.7R2C1=1.05S本章小结本章小结1 1多多谐谐振振荡荡器器是是一一种种自自激激振振荡荡电电路路，不不须须要要外外加加输输入入信信号号，就就可可以以
29、自自动动地地产产生生出出矩矩形形脉脉冲冲。用用555555定定时时器器可可以以组组成成多多谐谐振振荡荡器器，用用石石英英晶晶体体也也定定时器可以组成多谐振荡器。石英晶体振荡器的特点是时器可以组成多谐振荡器。石英晶体振荡器的特点是fofo的稳定性极好。的稳定性极好。2 2施施密密特特触触发发器器和和单单稳稳态态触触发发器器，虽虽然然不不能能自自动动地地产产生生矩矩形形脉脉冲冲，但但却却可可以把其它形态的信号变换成为矩形波，为数字系统供应标准的脉冲信号。以把其它形态的信号变换成为矩形波，为数字系统供应标准的脉冲信号。3 3555555定定时时器器是是一一种种用用途途很很广广的的集集成成电电路路，除除了了能能组组成成施施密密特特触触发发器器、单单稳稳态触发器和多谐振荡器以外，还可以接成各种敏捷多变的应用电路。态触发器和多谐振荡器以外，还可以接成各种敏捷多变的应用电路。4 4除了除了555555定时器外，目前还有定时器外，目前还有556556（双定时器）和（双定时器）和558558（四定时器）等。（四定时器）等。作作 业业o6-1o6-7o6-11