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1、课题四：脉冲波形的产课题四：脉冲波形的产生与变换生与变换41 概述概述 42 多谐振荡器多谐振荡器 43 单稳态触发器单稳态触发器44 施密特触发器施密特触发器4. 5 555定时器及应用定时器及应用 本章小结本章小结41概述概述在数字系统中，常常需要获得各种不同频率、不同幅度的矩形脉冲信号。例如时序逻辑电路中的同步脉冲控制信号CP。而获得矩形脉冲信号的方法有两种：一种是利用多谐振荡器直接产生矩形脉冲信号；另一种是通过整形电路对已有信号的波形进行整形、变换，得到符合要求的矩形脉冲信号。555定时器电路只要在外部配接少量的元件就可形成很多实用的电路，因而广泛用于信号的产生、变换、控制和检测。本课
2、题的学习目标是利用555定时器设计一个实用电路震动报警器电路，如图4-1所示。震动报警器的功能是在受到震动时发出报警声，以引起人们的警觉。震动报警器电路采用压电陶瓷蜂鸣片B将机械震动转换成电信号，该电信号由集成运放IC1A进行放大，再经IClB电路延时，送入由555定时器IC2、IC3组成的超低频振荡器和音频振荡器，产生800kHz的音频信号，驱动扬声器发声。图4-1震动报警器电路图4.2 多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器是一种矩形脉冲信号发生器。它接通电源后无需外加输入信号，便可自动产生一定频率与幅度的矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以称为多谐振荡器。多谐振荡器产生的矩形脉冲总
3、是在高、低电平之间相互转换，它没有稳定状态，只有两个暂稳定状态，所以称为无稳态电路，常用作脉冲信号源。4.2.1由门电路组成的多谐振荡器由门电路组成的多谐振荡器虽有多种电路形式，但它们无一例外地均具有如下共同特点。一种由CMOS门电路组成的多谐振荡器如图4-2所示。（1）第一暂稳态及其自动翻转过程接通电源后，电容C尚未充电，假定电路处于，的状态，即所谓的第一暂稳态。电路的工作过程分析如下：此时，处于高电平u01经电阻R对电容C充电，随着充电时间的增加，uI将上升，当上升到CMOS反相器的阈值电压VTH时，电路产生如下正反馈过程：结果迅速使，电路进入第二暂稳态。图4-2由CMOS门电路组成的多谐
4、振荡器图4-3多谐振荡器的波形图（2）第二暂稳态及其自动翻转过程电路进入第二暂稳态的瞬间，由于电容C两端电压不能突变，uI也要上跳VOH，并维持u01低电平。随后，输出高电平u0经C、R、G1门的输出电阻对电容C反向充电（即电容放电），uI将下降，当下降到阈值电压VTH时，电路又产生如下正反馈过程：结果迅速使，电路又回到第一暂稳态。其工作波形如图4-3所示。电路的振荡周期T由充电时间T1和放电时间T2组成，可按下式估算：T=T1+T21.4RC（4.1）从上式可以看出带有RC延迟电路的多谐振荡器，其频率取决于R、C的值。改变R、C的取值，可调节振荡频率。通常用电容C粗调振荡频率，用电阻器作定时
5、电阻R来细调振荡频率。4.2.2 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器在数字系统中，常用矩形脉冲信号来控制和协调整个系统的工作。在许多场合下对矩形脉冲信号的振荡频率的稳定性有严格的要求。例如：数字钟的秒脉冲信号，它的频率稳定性直接影响着计时的准确性。在这种情况下，前面介绍的多谐振荡器不能满足要求。这是因为这些多谐振荡器的频率取决于电路中的R、C、门电路和电源，而半导体器件对温度的敏感、电源电压的波动和R、C参数误差使它们的振荡频率不稳定，因此需要采用频率稳定性很高的多谐振荡器。图4-4给出了石英晶体多谐振荡器的电路。图4-4石英晶体多谐振荡器的电路图4-4电路中，并联在两个反相器输入、输出间的
6、电阻R1、R2的作用是使反相器工作在线性放大区，对于TTL门电路其阻值通常在0.7k2k之间；对于CMOS门则常在10M100M之间。C1、C2为耦合电容，C1、C2容量的选择应使其在振荡电路频率为fS时的容抗可以忽略不计。图4-4所示电路的振荡频率仅取决于石英晶体的串联谐振频率fS，而与电路中的的值无关。这是因为电路对频率fS所形成正反馈最强而易于维持振荡。为改善输出波形，增加带负载能力，可在振荡器的输出端再加一级反相器。图4-5（a）所示为一个两相时钟产生电路，石英晶体振荡器输出脉冲CP，被JK触发器分频，然后通过两个与门分为两相输出脉冲，其工作波形如图4-5（b）所示。图4-5双相时钟发
7、生器电路有一个稳态和一个暂稳态。在无外加触发信号时，电路处于稳态。图4-6微分型单稳态触发器在外加触发信号的作用下，电路从稳态进入暂稳态。经过一段时间后，电路又自动返回稳态。暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发信号无关。4.3 单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器是一种对已有波形进行变换、整形的电路。它与前面介绍的触发器不同，它具有下述特点：4.3.1 由门电路组成的微分型单稳态触发器由门电路组成的微分型单稳态触发器图4-6给出了微分型单稳态触发器的电路。图4-6微分型单稳态触发器1稳定状态对于CMOS门电路可以近似认为VOHVDD、VOL0、VTH1/2VDD。电路工作过程可分四
8、个阶段，分析如下：在无触发信号，ui=VDD时，由于RROFF,因此G2门的输入uR为低电平，则输出u02为高电平。G1门输入全为高电平，输出u0为低电平。此时电容C上的电压为零，电路处于稳定状态。即ui=VDD、u01=VOL、u02=VOH。2触发翻转至暂稳态当在uI端加负触发脉冲信号时，G1门的输出u01跳变为高电平VOH。由于电容C上的电压不能突变，使G2门的输入uR也随之产生正跳变，G2门的输出u02跳变为低电平VOL，并反馈到G1门的输入端。这时即使uI回到高电平，u02仍维持低电平，电路进入暂稳态。暂稳态时u01=VOH、u02=VOL。3自动翻转回稳态进入暂稳态后，u01输出的
9、高电平VOH经C、R对电容C充电，使电容C上的电压上升，uR逐渐下降，当下降到G2的阈值电压时，G2的输出u02为高电平VOH，并反馈到G1门的输入端，使u01为低电平VOL，电路回到稳态。4恢复过程暂稳态结束后，u01回到低电平，电容C经门G1的输出电阻放电，使电容两端的电压恢复到稳态值，为下一次触发翻转做准备。图4-7微分型单稳态触发器的工作波形由以上分析可知单稳态触发器输出脉冲宽度取决于暂稳态的维持时间，可近似估算如下：tW0.7RC （4.2）在使用微分型单稳态触发器时，触发脉冲信号的脉宽tW1应小于输出脉冲的宽度tW，即tW1tW。并且触发信号的周期要大于暂稳态加恢复过程的时间，否则
10、电路不能正常工作。4.3.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器集成单稳态触发器根据触发状态不同，可分为两种。一种是不可重复触发型单稳态触发器，另一种是可重复型单稳态触发器。其逻辑符号如图4-8所示。图4-8单稳态触发器的逻辑符号两种单稳态触发器工作的波形图如图4-9所示。（a）不可重复触发型（b）可重复触发型图4-9两种不同单稳态触发器的工作波形常见的集成单稳态触发器TTL型的有：74121、74221、74LS221为不可重复触发型单稳态触发器，74122、74LS122、74123、74LS123为可重复触发型单稳态触发器。图4-10给出了不可重复触发型单稳态触发器74121的符号图和外引
11、脚图。74121的逻辑功能见表4-1。图4-10集成单稳态触发器74121的符号图和引脚图表表4-1 74121功能表功能表输入输出A1A2B LHLHLHHLLHHHHH LHLHLHLH根据74121的功能表对其功能说明如下：（1）74121具有边沿触发的特性，电路由稳态翻转到暂稳态是在触发脉冲的边沿处发生的。（2）A1、A2、B均可作为触发脉冲的输入端，其中A1、A2为下降沿触发，B为上升沿触发。（3）、为两个互补输出端（4）Rint、Cext、Rext/Cext为外接定时元件端，定时元件不同的接入方式，可获得不同脉宽的输出波形。稳定状态单稳态触发器未接入触发信号（A1、A2不为下降沿，
12、B不为上升沿）时，电路处于稳定状态Q=0、=1。见功能表4-1中前四行的四种情况。电路由稳态翻转到暂稳态A1、A2中至少有一个为低电平，B发生由0到1的正跳变。若A1、A2中有一个或两个产生由1到0的负跳变，其余的触发脉冲输入端全为高电平。（5）工作状态（6）外接定时元件的两种方法74121的定时电容接在芯片10脚（Cext）和11脚（Rext/Cext）之间，它的数值通常在10pF10F之间。若电容有极性要求，电容的正极应接在10脚。定时电阻可外接，也可采用芯片内部的定时电阻Rint。若用Rint作定时电阻，可将9脚接至14脚（即电源VCC），内部的定时电阻Rint=2k，此方法仅用于输出脉
13、冲宽度不太大时。若外接定时电阻，可接在11、14脚之间，其阻值在2k30k之间。74121的外部连接方法如图4-11所示，它的输出脉冲宽度可按下式估算：tW0.7RextCext图4-11集成单稳态触发器74121的外部连接方法4.3.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用1.整形整形在数字信号的采集、传输过程中，经常会遇到不规则在数字信号的采集、传输过程中，经常会遇到不规则的脉冲信号。这时，便可利用单稳态触发器将其整形。具的脉冲信号。这时，便可利用单稳态触发器将其整形。具体方法是将不规则的脉冲信号作为触发信号加到单稳态触体方法是将不规则的脉冲信号作为触发信号加到单稳态触发器的输入端，合理选
14、择定时元件，即可在输出端产生所发器的输入端，合理选择定时元件，即可在输出端产生所需要的矩形脉冲信号。如图需要的矩形脉冲信号。如图4-12所示。所示。 图4-12用单稳态触发器实现波形的整形2.定时由于单稳态触发器能根据需要产生一定宽度tW的脉冲输出，利用它去控制某一电路，就可使其在tW时间内动作或不动作。如图4-13所示，利用单稳态输出的矩形波控制一个与门，则只有这个矩形波存在的tW时间内，信号才有可能通过与门。3.延时如图4-13所示，单稳态触发器输出矩形脉冲宽度为tW，显然uB的下降沿比uI的下降沿延迟了tW时间。单稳态触发器的延时作用常被应用于时序控制。 图4-13单稳态触发器作定时电路
15、的应用4.4 施密特触发器施密特触发器施密特触发器是另一种对已有波形进行变换整形，使其输出为矩形波的电路。它具有如下特点：施密特触发器有两个相对稳定的状态。施密特触发器有两个相对稳定的状态。施密特触发器属于电平触发，对于缓慢变化的施密特触发器属于电平触发，对于缓慢变化的信号仍然适用，当输入信号达到某一定额定值时，信号仍然适用，当输入信号达到某一定额定值时，输出电平则发生突变。输出电平则发生突变。输入信号增加和减小时，电路有不同的阈值电输入信号增加和减小时，电路有不同的阈值电压，即具有如图压，即具有如图4-15所示的滞后电压传输特性。所示的滞后电压传输特性。4.4.1 由门电路组成的施密特触发器
16、由门电路组成的施密特触发器1电路组成及工作原理由CMOS非门构成的施密特触发器如图4-14（a）所示。假定非门G1、G2的阈值电压为VTH1/2VDD、R12/3VCC1/3VCC10导通 2/3VCC 1/3VCC11截止 1/3VCC1不变不变 2/3 VCC 1/3VCC1禁止4.5.2 定时器应用举例定时器应用举例1由555定时器构成多谐振荡器（1）电路组成由555定时器构成的多谐振荡器电路如图4-23(a)所示。R1、R2和C为外接定时元件，复位控制端与置位控制端相连并接到定时电容上，R1和R2的接点与放电端相连，控制电压端不用，通常外接0.01F电容。（2）工作原理接通电源后，VC
17、C通过R1、R2对C充电， uC上升。当上升。当uC 1/3 VCC时，复位控制端时，复位控制端 u6 2/3 VCC，置位控制端 u2 2/3 VCC，置位控制端 u2 1/3 VCC，定时器复位，Q=0， =1，放电，放电管饱和导通，管饱和导通，C通过通过R2 经经7脚内的三极管脚内的三极管V放电，放电， uC下降。下降。 如此反复，形成振荡波形，如图4-23（b）所示。 图4-23由555定时器构成的多谐振荡器图中tW1是充电时间，tW2是放电时间，可用下列式估算则多谐振荡器的振荡周期T为2由555定时器构成单稳态触发器（1）电路组成由555定时器构成的单稳态触发器电路如图4-24（a）
18、所示。R和C为外接定时元件，复位控制端与放电端相连并连接定时元件，置位控制端作为触发输入端，同样，控制电压端不用，通常外接0.01F电容。（2）工作原理静态时，触发输入ui高电平，VCC通过R对C充电，uC上升。当uC上升到2/3VCC时，复位控制端u62/3VCC，而ui高电平使置位控制端u21/3VCC，定时器复位，Q=0，=1，放电管饱和导通，C经V放电，uC迅速下降。由于ui高电平使u21/3VCC，所以即使uC2/3VCC，定时器也仍保持复位，Q=0，=1，放电管始终饱和导通，C可以将电放完，uC0，电路处于稳态。当触发输入ui低电平，即使置位控制端u21/3VCC，而此时uC0又使
19、复位控制端u62/3VCC,置位控制端u21/3VCC，Q=0，=1，放电管又导通，C经三极管V再放电，电路恢复结束，电路回到稳态。图4-24由555定时器构成的单稳态触发器此单稳态电路的暂稳态时间可按下式估算3由555定时器构成施密特触发器（1）电路组成由555定时器构成的施密特触发器电路如图4-25（a）所示。复位控制端与置位控制端相连并作为输入端，3脚为输出端。图4-25由555定时器构成的施密特触发器电路（2）工作原理设输入为三角波电压信号如图4-25（b）所示。由电路可知，当输入uI1/3VCC时，u2=u61/3VCC，定时器置位，输出u0为高电平。当1/3VCCuI2/3VCC时
20、基本RS触发器处于保持状态，输出Q保持高电平不变。当输入uI2/3VCC，定时器复位，输出u0为低电平。可以看出，此电路的正、负向阈值电压分别为，回差电压为4.6 综合设计综合设计震动报警器震动报警器461设计内容与要求设计内容与要求1利用555定时器组成一个震动报警器。2震动报警器发出间隔1s、响1s的报警声，持续58min。3画出电路接线图，并用Multisim仿真。4选择元器件，对电路进行组装调试。462震动报警器电路组成及工作原理震动报警器电路组成及工作原理震动报警器电路如图4-26所示，采用压电陶瓷蜂鸣片B作为震动传感器，集成运放IC1A为电压放大器，C3、R5、IClB等组成延时电
21、路，时基电路IC2、IC3分别组成超低频振荡器和音频振荡器，图4-27所示为电路原理方框图。压电陶瓷蜂鸣片是利用压电效应原理工作的，当对其施加交变电压时它会产生机械振动。反之，对其施加机械作用力时它也会产生电压信号。因此压电陶瓷蜂鸣片可以作为震动传感器使用。图4-26震动报警器电路的原理图图4-27震动报警器电路原理方框图当震动等机械力作用于压电陶瓷蜂鸣片B时，由于压电效应，压电蜂鸣片B输出电压信号，从脚进入IC1A进行电压放大，放大后的信号电压由脚输出。C2、VD1、VD2等组成倍压整流电路，将放大后的信号电压整流为直流电压，使C3迅速充满电。由于集成运放IClB的输入阻抗很高，C3主要经R
22、5缓慢放电，可延时数分钟。在此期间，IClB输出端(脚)为高电平（即由555定时器IC2等构成的多谐振荡器的直接复位端为高电平），使超低频振荡器IC2起振，输出方波信号，其周期为时基电路IC3等构成音频振荡器，振荡频率约为800Hz，经C6驱动扬声器发声。IC3的复位端(脚)受IC2输出的方波信号控制，振荡1s，间歇1s（IC2的周期约为2s）。综上所述，当有震动发生时，震动报警器即发出间隔1s响1s的报警声，持续58min。图4-28所示为电路各点工作波形。集成运放IClA为单电源运用，R1、R2将其“+”输入端(脚)偏置在1/2Vcc处。电路放大倍数A=R4/R3=100倍，可通过改变R4
23、或R3予以调节。图4-28震动报警器电路各点工作波形463主要元器件选择主要元器件选择ICl选用集成运算放大器LMl58，内含两个独立的高增益运算放大器，可在单电源状态下工作。LMl58引脚功能如图4-29所示。IC2和IC3选用双极型时基电路NE555，其引脚功能如图4-30所示。CMOS时基电路因驱动电流太小不适用。图4-29LMl58引脚功能图图4-30NE555引脚功能图4.6.4应用应用Multisim对震动报警器电路进行仿真实验对震动报警器电路进行仿真实验在Multisim文件中，画出震动报警器电路。如图4-31所示。1仿真内容（1）放大延时电路测试：用示波器测量IC1B输出电压持
24、续时间，并用直流电压表测量放大延时电路的输出电压。（2）低频与音频电路的测试：用双踪示波器观察振荡器IC2、IC3的输出波形，并测量输出信号频率。图4-31震动报警器放大延时电路测试2仿真结果（1）放大延时电路测试结果：IC1B输出电压超过6V，其持续时间约为58min，即在此期间，IC2的复位端为高电平，低频振荡器可以产生振荡。（2）低频与音频电路的测试结果：测试结果如图4-32所示，由图中波形可计算出输出信号频率约为8kHz。（a）IC2输出波形（b）IC3输出波形图4-32低频与音频电路测试结果结论：当有震动发生时，IC1B输出电压超过6V，其持续时间约为58min。在这期间，IC2的复
25、位端为高电平，低频振荡器IC2产生振荡，输出幅值为6V的方波，其占空比约50%。在IC2输出电压为高电平的1s时间内，IC3产生振荡，其振荡周期为1.25ms（频率为800Hz），故震动报警器能发出间隔1s响1s的报警声，可持续58min。465震动报警器电路的组装调试震动报警器电路的组装调试震动报警器电路的组装与调试过程如下：(1)制作电路板。图4-33所示为震动报警器的电路板图，用单面敷铜板制成。(2)制作传感器。传感器由压电陶瓷蜂鸣片构成，取一截双股软导线作为引线，其两芯线分别焊牢在压电陶瓷蜂鸣片的基板和镀银层上，如图4-34所示。(3)改制外壳。选取一适当大小的塑料盒作为报警器外壳，如
26、图4-35所示，在盒上面钻好扬声器出声孔和电源开关安装孔，在盒侧面钻好传感器引线孔。图4-33震动报警器的电路板图图4-34制作传感器4-35改制外壳图4-36元器件安装焊接图(4)焊接安装。将各元器件按图4-36所示位置焊入电路板。扬声器和电源开关直接固定在外壳上，并用软导线将它们与电路板以及电池盒连接，传感器引线穿过外壳侧面的引线孔后焊入电路板。整机结构如图4-37所示。图4-37震动报警器整机结构图(5)调试。通过调节R4改变电压放大器增益来调整震动传感器的灵敏度，使其既能可靠报警又不致误触发。该震动报警器可有多种用途。将传感器固定在门窗上或贵重物品上，可作防盗报警器。将传感器固定在墙壁
27、上，可作地震报警器。将传感器固定在大门上，还可作震动触发式电子门铃。本课题小结本课题小结1震动报警器电路实质上是能够产生音频矩形脉冲的多谐振荡电路。能够产生脉冲波形的电路主要有两类。一类电路能够直接产生矩形脉冲信号多谐振荡器、石英晶体振荡器。另一类电路能够对已有信号的波形进行整形、变换单稳态触发器、施密特触发器。2多谐振荡器又称为无稳态电路，它的输出状态在两个暂态之间往复变化。多谐振荡器无需外加输入信号就能在接通电源后自行产生矩形波输出。在频率稳定性要求较高的场合通常采用石英晶体多谐振荡器。3单稳态触发器只有一个稳态。在外触发信号的作用下电路进入暂态，其时间由电路参数决定，暂态结束，电路恢复为稳态。利用单稳态触发器可以对输入信号进行整形、分频或用于电路定时、延时。4施密特触发器具有两个稳态，处于哪一种稳态由外触发信号决定。在数字电路中施密特触发器实质上是具有滞后特性的逻辑门，它有两个阈值电压。电路的输出状态取决于输入，不具有记忆功能。5555定时器是一种使用方便、灵活的集成电路。通过外部电路的适当连接，可以作为多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器使用。除555定时器外，目前还有556（双定时器）、558（四定时器）等。下课休息！同学们来学校和回家的路上要注意安全同学们来学校和回家的路上要注意安全
