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1、第8章 脉冲的产生与变换,学习要点： 555定时器电路的组成及工作原理 施密特触发器的电路组成、工作原理及应用 单稳态触发器的电路组成、工作原理及应用 多谐振荡器的电路组成、工作原理及应用,第8章 脉冲的产生与变换,8.1 555定时器电路,8.3 单稳态触发器,退 出,8.2 施密特触发器,8.4 多谐振荡器,8.1 555定时器电路,8.1.1 555定时器电路的组成,8.1.2 555定时器的工作原理,8.1.1 555定时器电路的组成,以下图(a)为555电路的内部结构图，图 (b)为其引脚图。,由图(a)可看出，555电路由以下几部分组成：,1、分压器 。由3个5k的电阻组成，这也正
2、是该电路称为555的原因，它将电源电压VCC分为三等分，作用是为两个由集成运放构成的电压比较器A、B提供基准电平。若控制端5脚外加控制电压VM，则可改变电压比较器A、B的基准电平，分别为VM和 VM；5脚不加控制电压时，该引脚不可悬空，一般要通过一个小电容（如0.01F）接地，以防旁路高频干扰，此时基准电平分别为 VCC和 VCC（由3个5k的电阻对电源Vcc分压得到）；若5脚通过一个10k的电阻接地，则基准电平将分别为 VCC和 VCC（该10k的电阻与下面两个串联的5k电阻并联后的阻值为5k，然后再与上面那个5k电阻一起对电源VCC进行串联分压）。由分析可知，5脚非常重要，它将影响整个由5
3、55构成的实用电路的各项指标。,2、两个电压比较器A和B 。这是两个高增益差分放大器（运算放大器）。当放大器的同相输入大于它的反相输入时，其输出为高电平1信号；反之，其输出为低电平0信号。,3、基本RS触发器 。由两个带反馈线的或非门构成的基本RS触发器显然是高电平触发，即RS =10时，Q=0， =1；当RS =01时，Q =1， =0；当RS = 00时，触发器的状态不变。,4、功能控制端 （4脚） 。当 = 1时，或门H正常工作；当 = 1时，或门的输出恒为1，从而使3脚输出恒为低电平0。可见，正常工作时， 端应接高电平1，通常将它与8脚的电源接在一起。,5、开关放电管VT 。555定时
4、器在使用中大多与电容器的充放电有关，为了使充放电能够反复进行，电路特别设计了一个放电端D（7脚）。当基本RS触发器的 = 1时，放电三极管VT导通，外接电容元件可通过VT放电。,8.1.2 555定时器的工作原理,分析如下：,3、当6脚输入电平Vi1 VCC（即电压比较器A的同相输入电压低于反相输入电压），2脚输入电平Vi2 VCC（即电压比较器B的同相输入电压低于反相输入电压）时，RS=00，Q状态不变，3脚输出Vo也处于保持状态，三极管VT也保持原状态。,根据上述分析可总结出555定时器的功能见下表,即：都高出低、都低出高、中间保持,8.2 施密特触发器,8.2.1 施密特触发器的电路组成
5、 及工作原理,8.2.2 施密特触发器的主要应用,8.2.1 施密特触发器的电路组成及工作原理,施密特触发器具有两个稳定状态，即输出为高电平或低电平均可稳定， 由555定时器构成的施密特触发器电路如下图所示：,图中，5脚通过一个0.01F的电容接地，所以两个电压比较器A、B的基准电压分别为 VCC和 VCC。,555,已知输入ui的波形，根据555定时器的功能“都高出0、都低出1、中间保持 ”,可画出输出uo的波形。,施密特触发器电压传输特性：,VTH：上限电平（正向阈值电平） VTL：下限电平（负向阈值电平） 此时VTH = VCC，VTL = VCC，把两者的差称为回差电压UT，即 UT
6、= VTH -VTL,施密特触发器存在回差电压的现象称为电路传输的滞后特性。通常回差电压越大，施密特触发器的抗干扰性越强，但灵敏度也会相应降低。,8.2.2 施密特触发器的主要应用,1、波形变换,施密特触发器可以将任何符合特定条件的输入信号变换为矩形波输出。8.2.1中图就是一个将不规则的模拟信号波形转换为规则的矩形波的实例。施密特触发器还可以将正弦波、三角波等其他波形变换成矩形波，如左图所示。图中矩形波的脉冲宽度可以通过改变回差电压的大小加以调节。,2、波形整形,图(a)中，若取VTL1为下限电平，则整形后的波形如图(b)所示，这样的结果显然不正确。原因是：由于回差电压较小，因而并未完全消除
7、掉输入数字信号顶端的毛刺，只是通过整形使其在输出中表现为三个低电平矩形脉冲。若适当地增大回差电压，如图(a)中取VTL2为下限电平，则整形后的波形如图(c)所示，显然干扰毛刺已被完全消除，此时只需在输出端接一个反相器，就可以把变了形的数字信号1波形整形为整齐的正向矩形波了。,注意：回差电压的大小必须根据实际情况适当调整，此处如果回差电压选择过大，将会导致有效信号被湮没，同样起不到波形整形的目的。,3、幅度鉴别,施密特触发器的翻转取决于输入信号是否高于上限电平VTH和是否低于下限电平VTL。如果希望将幅度大于VTH的波鉴别出来，这时施密特触发器就成为幅度鉴别器（简称鉴幅器）。如左图所示，当输入脉
8、冲幅度大于VTH时，555定时器的6脚和2脚电压都高于其基准电压，此时输出端就有负脉冲出现；而当输入脉冲幅度小于VTL时，555定时器的6脚和2脚电压都低于其基准电压，输出端为高电平，相当于没有脉冲输出。这样，可以从输出端是否出现负脉冲来判断输入信号幅度是否超过一定值。,8.3 单稳态触发器,8.3.1 单稳态触发器的电路组成 及工作原理,8.3.2 单稳态触发器的主要应用,8.3.1 单稳态触发器的电路组成及工作原理,单稳态触发器是输出只有一个稳定状态的电路。它在无外加触发信号时处于稳态，在外加触发信号作用下，电路从稳态进入到暂态。暂态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路又会自动返
9、回到稳态。由555定时器构成的单稳态触发器电路如右图所示：,下面是单稳态电路内部详图，图中R、C是外接定时元件，Rp、Cp构成了输入回路的微分环节，其作用是使输入信号ui的负脉冲宽度tp限制在允许的范围内，即经过微分电路后变成尖脉冲信号，如果输入ui的宽度小于输出uo的宽度TW，则Rp、Cp可以省略。,工作过程,工作过程,2、暂态（充电过程）。当触发信号ui（负脉冲）到来时，Rp、Cp微分后的负尖脉冲使得2脚的电平Vi2低于比较器B的基准电平，同时由于uC为0（前面已放电结束），故6脚的电平Vi1也低于比较器A的基准电平，所以输出uo=1（都低出高），三极管VT截止。此时电源VCC开始通过电阻
10、R向电容C充电，在uC未达到 VCC前，输出uo始终为1，这个充电过程为电路的暂态过程。,3、恢复稳态（放电过程）。随着充电的不断进行，当uC略大于 VCC时，6脚的电平Vi1高于比较器A的基准电平；而此时由于2脚的负尖脉冲早已过去，即Vi2也高于比较器B的基准电平，故输出uo为0（都高出低），三极管VT导通，电容C通过VT迅速放电，直至Vi1=0，使得输出仍保持为0（中间保持），即电路又回到了原先的稳定状态，直到又有负脉冲ui到来。,单稳态触发器工作波形,(a)输入波形；(b)Vi2波形；(c)输出波形；(d)电容C的充放电波形,TW： 暂态持续时间,8.3.2 单稳态触发器的主要应用,1、
11、波形整形,在数字信号的采集、传输过程中，经常会遇到不规则的脉冲信号。这时，可将不规则的脉冲信号作为触发信号ui加到单稳态触发器的输入端，合理选择定时元件R和C的参数，即可在其输出端产生标准的脉冲信号，从而实现了波形整形。,2、定时,由于单稳态触发器能根据需要产生一定宽度TW的正脉冲输出，因此常用作定时电路使用。即用计时开始信号去触发单稳态触发器，经TW时间后，单稳态触发器便可给出到时信号，从而实现TW时间的定时。例如用单稳态触发器去控制某个照明电路的通电时间或控制某个加热电路的加热时间等。,3、延时,单稳态触发器的输出脉冲宽度TW也称为延迟时间。如在单稳态触发器的输入端加一个负尖脉冲，输出接一
12、微分电路（其作用是将输出脉冲变为尖脉冲），则根据前面对单稳态触发器工作原理的分析，可知，该输入负尖脉冲经过TW时间的延迟后，从单稳态触发器的输出端输出，即实现了延时功能。,8.4 多谐振荡器,8.4.1 多谐振荡器的电路组成 及工作原理,8.4.2 石英晶体振荡器（晶振）,8.4.1 多谐振荡器的电路组成及工作原理,多谐振荡器是一种无稳态电路，即其输出状态不断在1和0之间变换，因而它无需外加触发信号，便可自动产生一定频率的矩形波。它内含丰富的高次谐波分量，故称为多谐振荡器。由555定时器构成的多谐振荡器右如图所示。,多谐振荡器工作波形图,多谐振荡器工作原理：,将uC (0+)= VCC，uC
13、( ) =0，uC (t) = VCC（即uC (T2) ），带入上式可求得放电时间 T2 = R2C ln = R2C ln2 = 0.7 R2C,当C放电到uC略小于 VCC时，6脚和2脚的电位都低于两个电压比较器的基准电平，输出uo=1，三极管截止，此时电源VCC又通过电阻R1和R2向电容C充电。当充电到uC略大于 VCC时，6脚和2脚的电位都高于两个电压比较器的基准电平，使得输出uo=0，三极管导通，又开始重复上述放电过程，如此反复在输出端输出矩形波。若充电时间（即uC从 VCC上升到 VCC所需时间）用T1表示，同理可近似求得 T1 = 0.7(R1+R2)C 综上所述，可求得多谐振
14、荡器的振荡周期为 T = T1 + T2 = 0.7(R1+2R2)C,占空比：是指一个周期内高电平所占的比值。由前面分析知道，充电时间T1对应输出为高电平的时间，所以多谐振荡器输出矩形波的占空比D为 D = = （只能产生占空比大于50%的矩形波 ）,改进后的右图所示电路通过调节电位器RW可以产生占空比处于01的任意矩形波，其占空比可计算为 D =,多谐振荡器的应用,多谐振荡器可以产生具有一定占空比的矩形方波，这个方波可用作时序电路中的时钟脉冲CP，这是多谐振荡器最基本的用途。在实际中，多谐振荡器还有很多用处，例如下图所示的模拟声响发生器。,8.4.2 石英晶体振荡器（晶振）,由555定时器
15、构成的方波发生器虽然工作可靠、调节方便，但振荡频率不能太高，一般不超过几百千赫兹，且这种电路是靠电容的充放电形成振荡的，易受温度、电源电压等外界条件的影响，因而所产生振荡信号的频率稳定性较差。在频率要求高、且对频率稳定性要求也较高的场合，常采用由石英晶体构成的振荡电路（简称晶振电路）来生成振荡信号。石英晶体的符号如图(a)所示，它是将切成薄片的石英晶体置于两平板之间构成的，这种特殊的物质结构使它具有图 (b)所示的频率特性（图中f0是石英晶体的固有谐振频率，X指石英晶体的阻抗）。,由频率特性图可以看出，当外加电压信号的频率等于石英晶体的固有谐振频率f0时，石英晶体的阻抗最小，也就是说频率为f0
16、的电压信号最容易通过石英晶体，而其他频率的信号则被大大衰减，因而由石英晶体构成的振荡电路所产生的振荡信号的频率主要取决于石英晶体本身的谐振频率f0，而与外接的电阻、电容无关，从而使振荡信号具有很高的频率稳定性，不易受温度、电源电压等外界条件的影响。一般将石英晶体接入振荡电路的反馈回路中，构成正反馈，以形成自激振荡。,图 (c)图 (f)所示的是一些比较典型的石英晶体振荡电路，可作为了解性内容。 不论石英晶体振荡电路采用哪种电路形式，通常选择输出信号频率为32768Hz，因为32768 = 215，因而将此频率的输出信号经15分频后可得到1Hz的时钟脉冲信号，作为计时或测量的基准信号。分频器可利用D触发器来构成。,典型石英晶体振荡电路,本章小结,555定时器主要由分压器、电压比较器、基本RS触发器、门电路构成。5
