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1、第十二章 脉冲波形的产生与变换,第一节 555定时器,第二节 单稳态触发器,第三节 施密特触发器,第四节 多谐振荡器,第一节 555定时器,一、555定时器的结构,555定时器是一种功能强，使用灵活，应用范围广泛的集成块，通常只要外接少量的元件就可很方便地构成单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器等。因此被广泛用于电子控制、电子检测、仪器仪表、家用电器、音响报警、电子玩具等诸多方面。,二、555定时器的工作原理,1.电路组成 图所示为7555定时器内部原理框图。电路由以下四个部分组成。,(1) 基准电压电路 基准电压电路由三个等值电阻R串接成分压器，为电压比较器A1、A2提供基准参考电压URE
2、F1、UREF2。令VSS0，即1脚接地，当控制电压端CO悬空时，经R分压使得A1的反相输入端电压UREF1U- 2/3 VDD，A2的同相输入端电压UREF2U+ 1/3 VDD。,(2) 电压比较器A1、A2 A1、A2是两个结构完全相同的高精度电压比较器。当U+ U-时，比较器输出高电平；当U+ U-时,比较器输出低电平。,(3) 基本RS触发器 或非门G1、G2构成一个基本RS触发器，电压比较器A1、A2的输出电压uo1、uo2是基本RS触发器的输入信号，若uo1=0，则Q=1，若uO2=0，则Q=0。,（4） 放电管V及输出缓冲器 NMOS管V为一个放电开关管，为外接电容提供放电回路
3、。反相器G5作输出缓冲器，起整形和提高带负载能力的作用。,2. 工作原理,为置0输入端，当 =0时，定时器的输出端OUT为0；当 =1时，定时器具有以下功能：,(1) 当阈值输入端TH2/3VDD，触发输入端 1/3VDD时，比较器A1输出为高电平，A2输出为低电平，使基本RS触发器置为0状态，即Q=0，使得定时器的输出OUT为0，同时G5输出高电平，放电管V导通。,(2) 当TH2/3VDD， 1/3 VDD时，A1、A2的输出均为低电平，使基本RS触发器置 为保持状态，放电管V维持原状态不变，定时器的输出也保持不变。,(3) 当 1/3 VDD时，比较器A1输出低电平，A2输出为高电平，使
4、基本RS触发器置为1状态，即Q=1，使得定时器的输出OUT为1，同时G5输出低电平，放电管V截止。,由上述分析可得，7555定时器的功能如下表所示。,第二节 单稳态触发器,一、单稳态触发器的工作特点,1. 有一个稳态和一个暂稳态；,3. 暂稳态持续一段时间后，电路能自动返回稳态。,2. 在外加触发脉冲信号作用下能从稳态翻转到暂稳态；,二、用555定时器构成的单稳态触发器,1. 电路组成 由7555定时器构成的单稳态触发器如图a）所示。图中RC为外接定时元件。ui为触发脉冲。电压控制端VCO不用，加0.01F电容到地,以旁路干扰信号。,第十章介绍的各种触发器均存在两个稳定的工作状态，故又称为双稳
5、态触发器。而单稳态触发器只有一个稳定工作状态，故称单稳态触发器。,2. 工作原理,（1）稳态 接通电源VDD后, 端无触发信号(即ui为高电平)，电路有一个逐渐稳定的过程，即VDD一接通，就通过R对C充电，当C两端电压uC上升到2/3 VDD时，由7555内部原理图可知比较器A1输出为高电平，基本RS触发器置0，uO输出为低电平。放电管V导通，C经V放电，直至放电完毕，uC0，电路进入稳态，输出uOUOL。,（2）触发翻转为暂稳态 加触发脉冲ui，使 1/3 VDD时，比较器A2输出为高电平，基本RS触发器置1，放电管V截止，输出uOUOH。电路由稳态触发翻转到了暂稳态。,（3）自动返回稳态
6、在暂稳态过程中C充电，充电时间常数RC，当uC上升到2/3 VDD时(在此之前ui已恢复为高电平)，基本RS触发器置0，uOUOL。放电管V又导通，C又放电至零，即uC0。电路由暂稳态自动返回稳态。,单稳态触发器的输出脉宽（即暂稳态持续时间） tw1.1RC。,单稳态触发器的工作波形如图b）所示。,三、单稳态触发器应用实例,在数字系统电路中，单稳态触发器常用于脉冲整形、脉冲展宽、脉冲定时和去干扰等方面。,例如，若输入信号脉冲较窄时，则可用单稳态触发器展宽。图a）为用7555构成的单稳态触发器脉冲展宽电路，图b）为其工作波形。,第三节 施密特触发器,凡输入和输出信号电压如图a)所示的滞后电压传输
7、特性的电路均称为施密特触发器，当输入信号由小到大达到或超过正向阈值电压VT+时，输出由高电平翻转为低电平；当输入信号由大到小达到或小于负向阈值电压VT-时，输出由低电平翻转为高电平。,其电路符号如图b)所示。两个阈值电压之间的差值称为回差电压UT，即UT =UT+UT- 。,一、施密特触发器的工作特点,1. 具有两个稳定状态，触发器处于哪一种工作状态取决于输入电压的高低，属电平触发；,2. 有两个不同的触发电平，存在回差电压；,3. 可将缓慢变化的信号变换成矩形脉冲。,二、用555定时器构成的施密特触发器,1电路组成 将7555定时器的阈值输入端TH和触发输入端 连接在一起作为触发信号ui的输
8、入端时，便构成了施密特触发器，如图a）所示。,施密特触发器的电路和工作波形。,2工作原理 设 、TH 端的输入触发信号为图 b）所示三角波，根据定时器工作原理可知：,（1）当ui1/3 VDD时，即TH1/3 VDD1时，3脚输出为高电平，即u01UOHVDD1；随着ui的上升，只要ui2/3 VDD1，输出将维持原状态不变，设此状态为电路的第一稳定状态。,（2） 当ui上升到ui 2/3 VDD1时，此时3脚输出为低电平，即u01UoL0，电路由第一稳态翻转为第二稳态。由上述分析可知，施密特触发器存在正向接通电位（又称正向阈值电压）UT+ 2/3VDD1。随着ui的变化，但只要ui1/3 V
9、DD，电路仍将维持在第二稳态不变。,（3）当ui下降到ui1/3 VDD1时，电路又翻转到第一稳态，且存在负向断开电位（又称负向阈值电压）UT-1/3 VDD1。,若定义UTUT+UT-为施密特触发器的回差电压，则电路的回差电压 UTUT+UT- 2/3VDD11/3 VDD11/3 VDD1。,若在5脚控制电压输入端VC外加控制电压uCO，则可改变电路内部比较器A1、A2的参考电压，也就改变了UT+、UT和UT的值。另外利用放电管集电集的7脚外接电阻R和正电源VDD2，可获得另一矩形脉冲u02，此时，u02UoL0；u02UOHVDD2。改变VDD2的取值可改变u02的幅值。,三、施密特触发
10、器的应用实例,在数字电子技术中，施密特触发器常用于波形的整形变换、脉冲幅度鉴别、构成单稳态触发器等。,例如：波形变换 。施密特触发器可以将输入的正弦波、三角波或其他波形变换成矩形脉冲。下图所示为用施密特触发器将输入的正弦波变换为矩形脉冲的方框图和波形图。,第四节 多谐振荡器,多谐振荡器是产生矩形波的自激振荡器。由于矩形波包含基波和高次谐波等较多的谐波成分，因此称为多谐振荡器 。,一、多谐振荡器的工作特点,1. 不需要外加输入触发信号；,2. 无稳态，只有两个暂稳态；,3接通电源便能自动输出矩形脉冲。,二、用555定时器构成的多谐振荡器,1电路组成 将7555定时器的TH端和 端连在一起再外接电
11、阻R1、R2和电容C使构成了多谐振荡器，如图a）所示。,多谐振荡器的电路和工作波形。,2工作原理 设 、TH 端的输入触发信号为图b所示三角波，根据定时器工作原理可知：,（1）接通电源时，设电容电压uC0，此时、TH端电压均小于 1/3 VDD，比较器A1输出为低电平，A2输出为高电平，基本RS触发器置1，放电管V截止，u0输出为高电平，VDD通过R1、R2对C充电。随着充电的进行，uC按指数规律上升。,（2）当uC上升到 2/3 VDD时，比较器A1输出为高电平，A2输出为低电平，基本RS触发器被置0，放电管V导通，u0输出为低电平，电容C又经R2和V放电，使u C按指数规律下降，设此为一个
12、暂稳态。,（3）当uC下降到 1/3 VDD时，比较器A2输出变为高电平，A1输出为低电平，基本RS触发器置1，放电管V截止，u0由低电平翻转为高电平，电容C又开始充电，回到另一个暂稳态。当电容C充电到u C 2/3 VDD时，又将开始放电。如此周而复始，在输出端就可得到矩形波。波形如图b）所示。,矩形波的周期取决于电容充、放电回路的时间常数，其充电时间常数为（R1+R2）C，放电时间常数为R2C，输出矩形脉冲的周期 TtPLtPH0.7（R12R2）C,三、石英晶体多谐振荡器,电子技术的发展对多谐振荡器的频率稳定性要求愈来愈高，一般的振荡器难以满足高频率稳定度的要求。采用石英晶体振荡器作为振
13、荡回路的元件，频率稳定度很容易做到10-5，若采取一些稳频措施，频率稳定度还可以提高，可以达到10-1010-11数量级。在家用电子钟表、计算机中常采用石英晶体振荡器作高精度的时间节拍信号。,1基本石英晶体多谐振荡器 基本石英晶体多谐振荡器电路如图所示,它是在对称多谐振荡器的电容回路中串接了石英晶体后组成的多谐振荡器。图中RF1和RF2用于使门G1和G2工作在放大区。对于TTL门电路，RF1和RF2的取值通常在0.72；对于CMOS门电路，RF1和RF2的取值通常在职10100。电容C1和C2用于门G1、G2之间的耦合，在振荡频率为fO时，它们呈现的容抗很小，完全可忽略不计。,2555定时器构
14、成的石英晶体多谐振荡器,图为用555定时器构成的石英晶体多谐振荡器，图中，若将A、B二点短接或加接一小电阻，则构成多谐振荡器，其振荡频率为f1.44/R1C1，选择R1C1使f接近于晶体的固有振荡频率f0，电路将在晶振频率或其谐波上振荡。若起谐不好，可调节电容C3。,四、多谐振荡器应用实例,例如： “叮咚”门铃电路 图所示为“叮咚”门铃电路。7555定时器电路和R1、R2、R3、C2组成多谐振荡器。按钮A未按下时，7555的通过R4接地，为低电平，振荡器不振荡。按下A后，电容C1通过VD1充电，变成高电平，振荡器振荡，使喇叭发声。按钮A通过VD2将R1短接，因此声音的频率较高，发出“叮”声。松开按钮A，电容C1上的电压使继续维持高电平，振荡器继续振荡。不过，此时R1已接入定时电路，因此振荡频率较低，发出“咚”声音。同时C1通过R4放电，一旦放电结束，又回到低电平，振荡器停振，喇叭停止发声。,
