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1、第第 十十 章章脉 冲 波 形 的-产生和整形10.1 概述10.2 施密特触发器10.3 单稳态触发器10.4 多谐振荡器10.5 555定时器及其应用一一. .重点掌握的内容：重点掌握的内容：(1)555定时器及其应用定时器及其应用.(2)石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器.二二. .一般掌握的内容：一般掌握的内容：(1)施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的工施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的工作特点和典型应用。作特点和典型应用。(2)施密特触发器、单稳态触发器输入电压与输出电施密特触发器、单稳态触发器输入电压与输出电压之间的关系；多谐振荡器振荡周期的估算方法。压之间的关系；多
2、谐振荡器振荡周期的估算方法。10.1 概述概述矩形脉冲信矩形脉冲信号的获取方号的获取方法有两种：法有两种：产生产生:不用信号源，加上电源自不用信号源，加上电源自激振荡，激振荡，直接直接产生波形。产生波形。整形整形:输入信号源进行整形输入信号源进行整形.脉冲产生电路脉冲产生电路:多谐振荡器多谐振荡器脉冲整形（变换）电路脉冲整形（变换）电路:施密特触发器、施密特触发器、 单稳态触发器单稳态触发器脉冲周期脉冲周期T脉冲幅度脉冲幅度Vm脉冲宽度脉冲宽度上升时间上升时间tr下降时间下降时间tf占空比：占空比：施密特触发器施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于是一种能够把输入波形整形成为适合于 数
3、字电路需要的矩形脉冲的电路。数字电路需要的矩形脉冲的电路。 10.2 施密特触发器施密特触发器10.2.1 用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器设设G1、G2阈值电阈值电压压VTHVDD/2， R1R2（否则电（否则电路进入自锁状态路进入自锁状态,不能正常工作）不能正常工作）010正向阈值电压正向阈值电压负向阈值电压负向阈值电压回差电压：回差电压： V VT T V VT TV VT T滞回电压传输特性滞回电压传输特性，即输入电压的上升过程和下降过，即输入电压的上升过程和下降过程的阈值电平不同。这是施密特触发器固有的特性。程的阈值电平不同。这是施密特触发器固有的特性。 同相输出
4、的施密特触发器同相输出的施密特触发器反相输出的施密特触发器反相输出的施密特触发器10.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用1.用于波形变换：用于波形变换： 2.用用于于脉脉冲冲整整形：形：3.用用于于脉脉冲冲鉴鉴幅：幅：施密特触发器能将幅度大于施密特触发器能将幅度大于VT+的脉冲选出。的脉冲选出。4.用于构成多谐振荡器：用于构成多谐振荡器： 本节小结本节小结施施密密特特触触发发器器具具有有两两个个稳稳定定的的状状态态，是是一一种种能能够够把把输输入入波波形形整整形形成成为为适适合合于于数数字字电电路路需需要要的的矩矩形形脉脉冲冲的的电电路路。而而且且由由于于具具有有滞滞回回特特性性，所
5、所以以抗抗干干扰扰能力也很强。能力也很强。 施施密密特特触触发发器器可可以以由由分分立立元元件件构构成成，也也可可以以由由门电路及门电路及555555定时器构成。定时器构成。 施施密密特特触触发发器器在在脉脉冲冲的的产产生生和和整整形形电电路路中中应应用用很广。很广。10.3 单稳态触发器单稳态触发器工作特点：工作特点：1 1、电路中有、电路中有一个稳态一个稳态和和一个暂稳态一个暂稳态两个工作状态；两个工作状态；2 2、在在外外界界触触发发脉脉冲冲作作用用下下，电电路路能能从从稳稳态态翻翻 转转至至暂暂稳稳态态，在在暂暂稳稳态态维维持持一一段段时时间间后后，再再自自动动翻翻转转至稳态；至稳态；
6、3 3、暂暂稳稳态态维维持持时时间间的的长长短短取取决决于于电电路路本本身身的的 参参数与触发脉冲无关。数与触发脉冲无关。10.3.1 用门电路组成的单稳态触发器用门电路组成的单稳态触发器 单单稳稳态态触触发发器器因因为为电电路路具具有有一一个个稳稳定定状状态态而而得得名名。它它由由两两个个门门电电路路、一一个个RC电电路路组组成成。它它的的暂暂稳稳态态通通常常都都是是靠靠RC电电路路的的充充、放放电电过过程程来来维维持持的的，根根据据RC电电路路的的不不同同接接法法，分分为为微分型和积分型。微分型和积分型。010101 稳态稳态 没有触发器电平时，没有触发器电平时，vI为低电平，为低电平，v
7、O为低电为低电平，平，vO1为高电平。为高电平。 稳态至暂稳态稳态至暂稳态 当当vI正正跳跳变变时时，vO1由由高高到到低低，vI2为为低低电电平平。于于是是vO为为高高电电平平。即即使使vI 触触发发器器信信号号撤撤除除，由由于于vO的的作作用用，vO1仍仍可为低电平。可为低电平。11010 暂稳态至稳态暂稳态至稳态 暂暂稳稳态态期期间间，电电源源经经电电阻阻R和和门门G1对对电电容容C充充电电，vI2升升高高，当当vI2=VTH时时，vO下下降降，vO1上上升升，但但使使vI2再再次次升升高高，最终最终vO1=1，vO=0。00101脉冲宽度要窄脉冲宽度要窄tW=0.69RC 当当vI的的
8、脉脉冲冲宽宽度度很很宽宽时时，在在单单稳稳态态触触发发器器的的输输入入端端加加一一个个RC微微分分电电路路，否否则则，在在电电路路由由暂暂稳稳态态返返回回到到稳稳态态时时，由由于于门门G1被被vI封封住住了了，会使会使vo的下降沿变缓。的下降沿变缓。 10.3.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器功能表见表功能表见表10.3.1tW=0.69RextCext图图10.3.10 外接电阻外接电阻（下降沿触发）（下降沿触发） 内部电阻内部电阻（上升沿触发）（上升沿触发） 目前使用的集成单稳态触发器目前使用的集成单稳态触发器有有不可重复触发型不可重复触发型和和可重复触发可重复触发型型两种。不可重复触
9、发的单稳态两种。不可重复触发的单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态后，触发器一旦被触发进入暂稳态后，再加入触发脉冲不会影响电路的再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，必须在暂稳态结束后，工作过程，必须在暂稳态结束后，才接受下一个触发脉冲而转入暂才接受下一个触发脉冲而转入暂稳态。可重复触发的单稳态触发稳态。可重复触发的单稳态触发器进入暂稳态后，如果再次加入器进入暂稳态后，如果再次加入触发脉冲，电路将重新被触发，触发脉冲，电路将重新被触发，使输出脉冲再继续维持一个使输出脉冲再继续维持一个tW宽度。宽度。不可重复触发型不可重复触发型可重复触发型可重复触发型10.3.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应
10、用1、定时、定时只有在脉冲宽度只有在脉冲宽度 tpo内内的信号才能通过。的信号才能通过。2、延时与整形、延时与整形 可将脉冲宽可将脉冲宽度不等的矩形脉度不等的矩形脉冲整形成脉冲宽冲整形成脉冲宽度相等的矩形波。度相等的矩形波。通通常常噪噪声声多多表表现现为为尖尖脉脉冲冲，宽宽度度较较窄窄，而而有有用用的的信信号号都都具具有有一一定定的的宽宽度度。因因此此，利利用用单单稳稳态态电电路路，将将输输出出脉脉宽宽调调节节到到大大于噪声宽度而小于信号宽度即可消除噪声。于噪声宽度而小于信号宽度即可消除噪声。3、消除噪声、消除噪声本节小结本节小结单稳态触发器具有单稳态触发器具有一个稳态一个稳态和和一个暂稳态一
11、个暂稳态。在在单稳态触发器中单稳态触发器中,由稳态到暂稳态需要输入触发由稳态到暂稳态需要输入触发脉冲脉冲,暂稳态的持续时间即暂稳态的持续时间即脉冲宽度脉冲宽度是由电路的阻是由电路的阻容元件容元件RC决定的决定的,与输入信号无关。与输入信号无关。单稳态触发器可以由门电路构成，也可以单稳态触发器可以由门电路构成，也可以由由555555定时器构成。定时器构成。单稳态触发器可以用于产生固定宽度的脉冲单稳态触发器可以用于产生固定宽度的脉冲信号，用途很广。信号，用途很广。10.4 多谐振荡器多谐振荡器 多谐振荡器又称无稳电路多谐振荡器又称无稳电路，主要用于产生各种，主要用于产生各种方方波或时间脉冲信号波或
12、时间脉冲信号。它是一种自激振荡器，在接通电。它是一种自激振荡器，在接通电源之后，不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形源之后，不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲波。由于矩形脉冲波中含有丰富的高次谐波分量，脉冲波。由于矩形脉冲波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又把矩形波振荡器称为多谐振荡器。所以习惯上又把矩形波振荡器称为多谐振荡器。 性能特点：性能特点： 没有稳态，有没有稳态，有两个暂稳态两个暂稳态。 工作工作不需要外加信号源不需要外加信号源，只需要电源。，只需要电源。10.4.1 对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器T1.3RFC10.4.2 非对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器T2.
13、2RFC10.4.3 环形振荡器环形振荡器 利用延迟负反馈产生振荡。将任何大于、等利用延迟负反馈产生振荡。将任何大于、等于于3的的奇数个奇数个反相器首尾相连接成环形电路，都反相器首尾相连接成环形电路，都能产生自激振荡。电路简单，但不实用。能产生自激振荡。电路简单，但不实用。101010101010T=2ntpd10.4.4 施密特触发器构成的多谐振荡器施密特触发器构成的多谐振荡器10.4.5 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 在许多应用场合下都对多谐振荡器的振荡频在许多应用场合下都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格的要求。前面几种电路频率稳定率稳定性有严格的要求。前面几种电路频率稳定性不是
14、很高。在对性不是很高。在对频率稳定性有较高要求频率稳定性有较高要求时，应时，应采用石英晶体多谐振荡器。采用石英晶体多谐振荡器。电路的振荡频电路的振荡频率取决于石英率取决于石英晶体的固有振晶体的固有振荡频率。荡频率。本节小结本节小结 多谐振荡器没有稳定状态，只有多谐振荡器没有稳定状态，只有两两个暂稳态个暂稳态。 工作工作不需要外加信号源不需要外加信号源，只，只需要电源。需要电源。 要想得到要想得到频率稳定性高频率稳定性高的多谐振荡器的多谐振荡器时，应采用时，应采用石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器。10.5 555定时器及其应用定时器及其应用 555 555定时器定时器是一种多用途的数字模拟混
15、是一种多用途的数字模拟混合集成电路。该电路功能灵活、适用范围广，合集成电路。该电路功能灵活、适用范围广，只要外围电路稍作配置，即可构成只要外围电路稍作配置，即可构成单稳态触单稳态触发器发器、多谐振荡器多谐振荡器或或施密特触发器施密特触发器，因而可，因而可应用于定时、检测、控制、报警等方面。应用于定时、检测、控制、报警等方面。 集集成成555555定定时时器器因因为为其其内内部部有有3 3个个精精密密的的5K5K电电阻阻而而得得名名。后后来来国国内内外外许许多多公公司司和和厂厂家家都都相相继继生生产产出出双双极极型型和和CMOSCMOS型型555555集集成成电电路路。虽虽然然CMOSCMOS型
16、型3 3个分压电阻不再是个分压电阻不再是5K,5K,但仍然延用但仍然延用555555名称。名称。 目目前前一一些些厂厂家家在在同同一一基基片片上上集集成成2 2个个555555单单元元，型型号号后后加加556556，同同一一基基片片上上集集成成4 4个个555555单单元元，型型号号后加后加558558。集成集成555555定时器具体元件简介定时器具体元件简介 555555定时器的封装一般有两种：定时器的封装一般有两种： 八脚圆形封装八脚圆形封装 八脚双列直插式封装。八脚双列直插式封装。 10.5.1 555定时器的电路结构与功能定时器的电路结构与功能放电三极管放电三极管精密电阻精密电阻比较器
17、比较器SR锁存器锁存器控制电压控制电压触发输入触发输入 复位端复位端输出输出放电端放电端阈值输入阈值输入 电源电源516V注意：工作中不使用注意：工作中不使用VCO时，一般时，一般都通过一个都通过一个0.01F的电容接地的电容接地(交流交流接地），以旁路高频干扰。接地），以旁路高频干扰。 当当VCO悬空时，悬空时，VR1=2/3Vcc, VR2=1/3Vcc比较器比较器C1输出输出vC1=0,比较器比较器C2输出输出vC2=1，SR锁存器置锁存器置0，TD导通，同时导通，同时vO为低电为低电平。平。01010比较器比较器C1输出输出vC1=1,比较器比较器C2输出输出vC2=1，SR锁存发器锁
18、存发器状态保持不变，状态保持不变，TD和和vO均均保持不变。保持不变。11比较器比较器C1输出输出vC1=1,比较器比较器C2输出输出vC2=0，SR锁存器置锁存器置1，TD截止，同时截止，同时vO为高电为高电平。平。10101比较器比较器C1输出输出vC1=0,比较器比较器C2输出输出vC2=0，SR锁存器违锁存器违反约束条件，输出为反约束条件，输出为1，TD截止。截止。00101由电路框图和功能表可以得出如下结论：由电路框图和功能表可以得出如下结论：1555定时器有两个阈值电压，分别是定时器有两个阈值电压，分别是 和和 。 2输出端输出端3脚和放电端脚和放电端7脚的状态一致，输出低电平脚的
19、状态一致，输出低电平对应放电管饱和，在对应放电管饱和，在7脚外接有上拉电阻时，脚外接有上拉电阻时，7脚脚为低电平。输出高电平对应放电管截止，在有上拉为低电平。输出高电平对应放电管截止，在有上拉电阻时，电阻时，7脚为高电平。脚为高电平。 3.输出端状态的改变有滞回现象，回差电压为输出端状态的改变有滞回现象，回差电压为 。 10.5.2 555定时器接成施密特触发器定时器接成施密特触发器二六搭一二六搭一8 462153Vcc交流接地VT-VT+回差电压回差电压:VT+ =VCOVT- =1/2VCO回差电压回差电压:10.5.3 555定时器接成单稳态触发器定时器接成单稳态触发器七六搭一，上七六搭
20、一，上R下下C vI下降沿到达下降沿到达,vO输出高电平，输出高电平，TD截止，截止，VCC经经R向向C充电，充电，当当vC=2/3VCC时，触发器翻转，时，触发器翻转，vO输出低电平，输出低电平，TD导通，电导通，电容容C经经TD迅速放电。迅速放电。vI下一个下降沿到达下一个下降沿到达,重复上述过程。重复上述过程。001100010w特性特性：n这个这个单稳态触发器单稳态触发器是是负脉冲负脉冲触发的。触发的。n稳态稳态时，这个单稳态触发器输出时，这个单稳态触发器输出低低电平。电平。n暂稳态暂稳态时，这个触发器输出时，这个触发器输出高高电平。电平。n该电路输出脉冲宽度为该电路输出脉冲宽度为tw
21、 w1.11.1RC 。10.5.4 555定时器接成多谐振荡器定时器接成多谐振荡器充电时间：充电时间：放电时间：放电时间：振荡周期：振荡周期：T=0.69(R1+2R2)C输出脉冲占空比输出脉冲占空比:例例10.5.1占占空空比比可可调调的的多多谐谐振振荡荡器器输出脉冲占空比输出脉冲占空比:输出脉冲占空比输出脉冲占空比:P505 题题10.26两个两个555定时器均接成了多谐振荡器。定时器均接成了多谐振荡器。 I输出接输出接IIVCO,控制其阈值电压控制其阈值电压VT+和和VT-。I的输的输出高低电平的持续时间决定了电路高低音持续时间，出高低电平的持续时间决定了电路高低音持续时间，II的频率
22、决定了高低音频率。的频率决定了高低音频率。（1）vO1的高电平持续时间为：的高电平持续时间为：此时，此时，vO1为为11V. VCC=12V,由叠加定由叠加定理可求得右边理可求得右边555定时器定时器5脚电压脚电压VCO=8.8V.因此，因此，VT+=8.8V,VT-=4.4V片片555定时器振荡频率，及扬声器定时器振荡频率，及扬声器声音的周期为：声音的周期为：（2）vO1的低电平持续时间为：的低电平持续时间为：此时，此时，vO1为为0.2V. VCC=12V,由叠加定由叠加定理可求得右边理可求得右边555定时器定时器5脚电压脚电压VCO=6V.因此，因此，VT+=6V,VT-=3V片片555定时器振荡频率，及扬声器定时器振荡频率，及扬声器声音的周期为：声音的周期为： 因此可知，高音频率为因此可知，高音频率为876Hz，持续时间，持续时间1.04s。低音频。低音频率为率为611Hz，持续时间，持续时间1.1s。8 4621 53Vcc本节小结本节小结555定时器接成施密特触发器定时器接成施密特触发器回差电压：回差电压：555定时器接成单稳态触发器定时器接成单稳态触发器tw1.1RC负脉冲触发，负脉冲触发，脉冲宽度：脉冲宽度：555定时器接成多谐振荡器定时器接成多谐振荡器振荡周期：振荡周期：T=0.69(R1+2R2)C
