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1、第5章 脉冲的产生与整形电路,5.1 555 定时器的电路结构和逻辑功能,555 定时器简介,555 定时器是一种电路结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。它的电源电压范围宽(TTL 555 定时器为 5 16 V，CMOS 555 定时器为 3 18 V)，可提供与 TTL 及 CMOS 数字电路兼容的接口电平，还可输出一定功率，驱动微电机、指示灯、扬声器等。 TTL 单定时器型号的最后 3 位数字为 555，双定时器的为 556；CMOS 单定时器的最后 4 位数为 7555，双定时器的为 7556。它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。,5.1.1 555定时器的电路结构,电路结
2、构,5.1.1 555定时器的电路结构,引脚功能和逻辑符号,5.1.2 555定时器的逻辑功能,555定时器 的功能表,功能点评,由555 定时器的功能表可看出：,入全大出 0；入全小出 1，入有小有大，出不变；,5.2 施密特触发器,5.2.1 用 555 定时器组成施密特触发器,一、电路结构,二、工作原理,阈值电压为输入电压uI上升到使电路状态发生转变时的值，用UT+表示，UT+=(2/3)VCC。,二、工作原理,负向阈值电压为输入电压uI下降到使电路状态发生另一次翻转时的值UT-表示，UT-=(1/3)VCC。,三、回差电压,施密特反相器输出随 输入电压变化的曲线,逻辑符号,如在CO端外
3、接固定电压UCO 时，则UT+=UCO，UT- =(1/2)UCO，UT=UT+-UT- =（1/2）UCO，因此改变UCO的大小可改变回差电压的大小。,UT+ = (2/3)VCC UT- = (1/3)VCC 回差电压：UT=UT+-UT-=(1/3)VCC,功能点评,施密特触发器是一种常用的波形变换电路，它有两个稳定状态，依靠输入电平维持。,施密特触发器常用于将边沿变化缓慢的信号变换为上升沿和下降沿陡峭的矩形脉冲信号。,通过改变 CO 端电压 UCO 来改变回差电压 UT，UCO 越大，UT 越大，抗干扰能力越强，反之，抗干扰能力则变差。,555 定时器构成路灯光控开关电路,光敏电阻，阻
4、值随着光线减弱二增强,保护555定时器,当有光线照射时，光敏电阻阻值很小，电位器 RP 上电压大于 UT+= (2/3)VCC = 8V 时，输出 uo 为低电平，继电器 K 线圈中没有电流流过，继电器不吸合，开关断开，路灯L熄灭。若光线变暗，光敏电阻阻值逐渐增大，电位器RP上分得的电压逐渐减小，当小于 UT+= (1/3)VCC = 4V 时，输出 uo 为高电平，继电器吸合，路灯 L 点亮。,5.2.2 集成施密特触发器,一、TTL施密特触发器,74LS132,74LS14,六施密特反相器 逻辑符号,四2输入施密特与非门 逻辑符号,5.2.2 集成施密特触发器,二、CMOS施密特触发器,C
5、MOS施密特触发器的逻辑符号与TTL相同，但外引脚排列不同。其电源电压 VDD 在318V 范围内选用。,5.2.3 施密特触发器的应用,一、用于波形变换,正弦波变换成矩形脉冲,二、用于波形整形,畸变信号整形为矩形脉冲,5.2.3 施密特触发器的应用,三、用于脉冲幅度鉴别,脉冲幅度鉴别,5.3 单稳态触发器,有一个稳态和一个暂稳态。无外触发脉冲 输入时，电路处于稳态；在外触发脉冲作用下，电路将从稳态翻转到暂稳态，经一段时间后，电路又自动返回到原来的稳态。,工 作 特 点,暂稳态时间长短取决于电路本身的参数，与外加触发脉冲无关。,Monostable flip-flop,单稳态触发器,5.3.1
6、 用555定时器组成单稳态触发器,一、电路结构,电路结构,R、C 为定时元件,1. 稳定状态,接通电源前， uC 0V。接通电源后 VCC 经 R 向 C 充电，使 uC 上升。,二、工作原理,2. 触发进入暂稳态,二、工作原理,3. 自动返回稳定状态,二、工作原理,UOL,功能点评：单稳态触发器输出脉冲的宽度与电阻R、电容C的大小成正比，只要合理选择R和C的数值，就可输出符合要求的脉冲宽度。因此单稳态触发器主要用于将宽度不合要求的脉冲变换为符合要求的矩形脉冲输出，其周期与输入触发脉冲相同。,输出脉冲宽度 tW 即为暂稳态维持时间，主要取决于充放电元件 R、C。,为保证 555 定时器组成的单
7、稳态触发器能正常工作，要求触发负脉冲的宽度必须小于输出脉冲宽度 tW 。,估算公式 tW 1.1 RC,二、工作原理,5.3.2 集成单稳态触发器,74121 的逻辑功能 示意图,有 3 个触发信号输入端，TR-A和 TR-B 下降沿触发信号输入端，TR+ 上升沿触发信号输入端。,有 2 个互补输出端,外接定时元件端,5.3.2 集成单稳态触发器,74121 的功能表,0,0,1,1,1,1,1,Q,Q,TR+,TR-B,TR-A,输 出,输 入,74121输出脉冲宽度估算方法： tw 0.7RextCext,5.3.2 集成单稳态触发器,74121外接元件的连接方法,5.3.2 集成单稳态触
8、发器,集成单稳态触发器,暂稳态期间如再次被触发，对原暂稳时间无影响，输出脉冲宽度 tW 仍从第一次触发开始计算。,暂稳态期间如再次被触发，输出脉冲宽度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽 tW 。,5.3.2 集成单稳态触发器,集成单稳态触发器工作波形,非重复触发型,可重复触发型,5.3.2 集成单稳态触发器,常用集成单稳态触发器,5.3.3 单稳态触发器的应用,一、脉冲整形,经过长距离传输后，脉冲信号的边沿会变差或波形上叠加某些干扰，利用单稳整形可使其变成符合要求的脉冲波形。,二、脉冲定时,由于单稳态触发器能输出宽度和幅度都符合要求的矩形脉冲，因此可利用它来做定时电路。,5.3.3 单稳态触发器
9、的应用,脉 冲 定 时 电 路 和 工 作 波 形,若已知 Rext = 10 k，Cext = 1 F 则可得 tW 0.7 RextCext = 7 ms,脉 冲 展 宽 电 路 和 工 作 波 形,三、脉冲展宽,5.4 多谐振荡器,即矩形脉冲产生电路，由于矩形脉冲含有丰富的谐波分量，故常称多谐振荡器。,(1)不需输入触发信号。 (2)无稳定状态，只有两个暂稳态。,通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，输出周期性的矩形脉冲信号。,工作特点,Astable Multivibrator,多谐振荡器,5.4.1 用555定时器组成多谐振荡器,一、电路结构,R1、R2和C为
10、定时元件,5.4.1 用555定时器组成多谐振荡器,二、工作原理,UOH,5.4.1 用555定时器组成多谐振荡器,二、工作原理,UOL,5.4.1 用555定时器组成多谐振荡器,二、工作原理,5.4.1 用555定时器组成多谐振荡器,二、工作原理,电容 C 如此循环充电和放电，使电路产生振荡，输出矩形脉冲。,周期与占空比估算,tW1 0.7 (R1 + R2)C tW2 0.7 R2C T = tW1 + tW2 0.7 (R1 + 2R2)C,波形分析举例,例 在由555定时器组成的多谐振荡器电路中，如取VCC=5V，R1=47k，R2=47k，C=10F时，试求多谐振荡器振荡周期和频率。
11、,解：（1）振荡周期T的计算： T= 0.7（R1+2R2）C = 0.7（47+247）1031010-6s = 987ms （2） 振荡频率 f 的计算： f = = Hz 1Hz,电路点评,555 定时器组成的多谐振荡器电路简单，容易振荡，输出脉冲幅度稳定，可输出一定的功率推动负载。,555 定时器组成的多谐振荡器的定时电阻和电容受温度影响较大，因此输出脉冲频率的稳定度较差，为减小温度对振荡频率的影响，应选用受温度影响小、性能稳定的定时电阻和电容。在频率稳定度要求高的场合，应采用石英晶体多谐振荡器。,故常用在对频率稳定度要求不高的场合,在频率稳定度要求高的 场合，应采用石英晶体振荡器,5
12、.4.1 用555定时器组成多谐振荡器,三、占空比可调的多谐振荡器,充电回路为 VCC 经 R1、VD1 对 C 充电，时 间常数为 R1C。 放电回路为 C 经 VD2、 R2和放电管 VT放电，时间常数为R2C 。,占空比估算,tW1 0.7 R1C tW2 0.7 R2C,5.4.1 用555定时器组成多谐振荡器,四、应用举例,工作原理,1.叮咚电子门铃,5.4.1 用555定时器组成多谐振荡器,四、应用举例,工作原理,1.叮咚电子门铃,5.4.1 用555定时器组成多谐振荡器,四、应用举例,工作原理,1.叮咚电子门铃,2.救护车电子警铃电路,工作原理：555(1)产生1Hz方波，555
13、(2)组成一个频率受uO1控制的音频振荡器。当uO1为高电平时，uO输出频率低；当uO1为低电平时，uO输出频率高，故扬声器不断发出嘀-嘟的声响。调节RP大小，可改边输出高低音频率。,5.4.2 石英晶体多谐振荡器,一、石英晶体的阻抗频率特性,5.4.2 石英晶体多谐振荡器,二、石英晶体多谐振荡器,选频和形成正反馈。,振荡频率 晶体频率,调节 C1 可微调振荡频率； 调节 C1、C2 比值可调节反馈系数。,RF1、RF2调节用于确定非门 G1 和 G2 的工作点，使其工作在放大区，有利于起振。对于TTL门电路，RF1 和 RF2 值通常取0.7 2 k；对于CMOS 门电路，RF1和RF2 值
14、通常取10 100 M ，电容 C1 和 C2 用于G1和G2之间的耦合，在频率为石英晶体的固有谐振频率 f 0时，它们呈现的容抗极小，可忽略不计。,二、石英晶体多谐振荡器,5.4.2 石英晶体多谐振荡器,三、应用举例,石英晶体振荡器输出 32768Hz 脉冲信号经 14 级分频后输出 2Hz 脉冲，在经 D 触发器组成的一级二分频后，输出 1 Hz 的时标脉冲信号 。,5.5 555 定时器应用电路故障的查找与排除,5.5 触发器故障的查找与排除,一、555 定时应用电路常见故障现象,(2) 如 VCC=9V，则需检查 555(2) 定时器组成的多谐振荡 器是否振荡。如振荡，扬声器不发声响，
15、则可能是扬声器已 坏、或电容 C4 虚焊或损坏；如不振荡，则可能是 555(2) 控制 端 5 脚没有受 1Hz 脉冲控制。这时，检查 555(1) 的 3 脚是否 输出 1Hz 脉冲，如正常，则可能是 RP 或芯片555(2) 已坏。,二、 555 定时器应用电路故障的查找与排除,1. 扬声器没有声响,(1) 检查VCC=9V 是否已加到 555 定时器的 8 脚上。,二、 555 定时器应用电路故障的查找与排除,2. 扬声器只发生单频率的声响,表示 555(1) 组成的多谐振荡，输出固定电平，555(2) 的 5 脚(CO端) 上电压没有变化，才输出单一频率声响。主要检 查R1、R2、C1
16、和 555(1) 外脚连线。故障原因如下：,(2) 连线正确，可能存在虚焊或存在断线或 555(1) 芯片已 坏。,(1) 连线有错，555(1) 输出固定电平。,555 定时器为多用途集成电路，外接少量阻容 元件可构成施密特触发器、单稳态触发器和多 谐振荡器等。,本章小结,施密特触发器有两个稳态，都是靠输入的电 平uI 来维持的。当 uI UT+ 时，输出由一个 稳态翻到另一个稳态；当 uI UT- 时，电路 返回原来的稳态。UT+ 和 UT- 值不同，回差 电压UT=UT+- UT-。 施密特触发器主要用于将变化缓慢的波形变 换为上升和下降时间很短的矩形脉冲，还常 用于幅度鉴别、脉冲整形等。,单稳态触发器有一个稳态和一个
