第7章脈沖信號的產生與整形

概述

555定時器及其應用

本章小結主要要求：

了解脈沖信號產生與整形的方法。

了解多諧振蕩器的常用電路及其工作原理。

7.1概述了解施密特觸發器和單穩態觸發器的邏輯功能、工作特點和典型應用。常用的有施密特觸發器和單穩態觸發器。

一、脈沖信號產生與整形的方法獲取脈沖信號的方法

脈沖信號產生與整形電路的實現是一種多用途集成電路，只要外接少量阻容元件就可構成施密特觸發器、單穩態觸發器和多諧振蕩器等，使用方便、靈活，應用廣泛。用多諧振蕩器直接產生。

用整形電路對已有波形進行整形、變換。

施密特觸發器主要用以將緩慢變化或快速變化的非矩形脈沖變換成陡峭的矩形脈沖。單穩態觸發器主要用以將寬度不符合要求的脈沖變換成符合要求的矩形脈沖。用門電路構成。用專用的集成電路。用

555

定時器構成。UOLUOH二、施密特觸發器(一)施密特觸發器的特性和符號UT=UT+-

UT-回差電壓施密特觸發器工作特點(1)允許輸入信號為緩慢變化的信號。(2)有兩個閾值電壓。(3)有兩個穩態。UT+OuOuIUT-正向閾值電壓負向閾值電壓當uI從小增大時，經過UT+處才能使輸出發生躍變。當uI從大減小時，經過UT-處才能使輸出發生躍變。SchmittTriggerUOLUOHUT+OuOuIUT-uOuI具有施密特特性的與非門符號OuItuOUT+UT-Ot(二)施密特觸發器應用舉例波形變換將三角波、正弦波和其它不規則信號變換成矩形脈沖。UOHUOLuI>

UT+

后，uO=

UOL,只有當uI下降到經過UT-

時，uO才會發生躍變。uI<UT-后，uO=UOH只有當

uI上升到經過

UT+時，uO才會發生躍變。脈沖整形將受到干擾的或不符合邊沿要求的信號整形成較好的矩形脈沖。OuItOuOtUT+UT-OuItuOUT+UT-Ot脈沖幅度鑒別鑒別并取出幅度大于UT+的脈沖。UOLUOH即距形脈沖產生電路，由于距形脈沖中含有豐富的諧波分量，故常稱多諧振蕩器。(1)不需輸入信號。(2)無穩定狀態，只有兩個暫穩態。

三、多諧振蕩器

(一)多諧振蕩器的工作特點和符號通過電容的充電和放電，使兩個暫穩態相互交替，從而產生自激振蕩，輸出周期性的矩形脈沖信號。GuO工作特點AstableMultivibrator四、單穩態觸發器(一)工作特點與電路符號有一個穩態和一個暫穩態。無外觸發脈沖輸入時，電路處于穩態；在外觸發脈沖作用下，電路將從穩態翻轉到暫穩態，經一段時間后，電路又自動返回到原來的穩態。工作特點暫穩態時間長短取決于電路本身的參數，與外加觸發脈沖無關。monostableflip-flop單穩態觸發器暫穩態期間如再次被觸發，對原暫穩時間無影響，輸出脈沖寬度tW仍從第一次觸發開始計算。暫穩態期間如再次被觸發，輸出脈沖寬度可在此前暫穩態時間的基礎上再展寬tW。

可重復觸發型不可重復觸發型uOuI1uOuI限定符號“1

”表示不可重復觸發型單穩態觸發器。限定符號“”表示可重復觸發型單穩態觸發器。下面通過工作波形的分析來說明可重復觸發型和不可重復觸發型觸發器的區別。單穩工作波形舉例不可重復觸發型單穩輸出波形可重復觸發型單穩輸出波形輸入波形OuItOuOtOuOttWtWtWtW暫穩態期間不能再次觸發。暫穩態期間能再次觸發。其輸出脈寬將在原暫穩態時間基礎上再展寬tW。觸發脈沖到來時，輸出翻轉為暫穩態，經暫穩態持續時間tW后重新自動回到穩態。外觸發脈沖未來時，輸出為穩態。(三)單穩態觸發器應用舉例1.

脈沖整形

單穩態觸發器能夠把不規則的輸入信號vI，整形成為幅度和寬度都相同的標準矩形脈沖vO。vO的幅度取決于單穩態電路輸出的高、低電平，寬度tW決定于暫穩態時間。經過長距離傳輸后，脈沖信號的邊沿會變差或波形上疊加某些干擾，利用整形可使其變成符合要求的波形。(三)單穩態觸發器應用舉例2.

脈沖定時因此，利用單穩態觸發器可以控制門開通與否以及開通多長時間。uAuBuCuOG單穩態觸發器組成的定時電路和工作波形uAuCuBuOuC門的定時時間即為單穩態觸發器的暫穩態持續時間。tW

uC

為與門G開通與否的控制信號。uC=1，門G開通，信號uB通過門G輸出；uC=0，門G關閉，uB不能輸出。脈沖展寬電路和工作波形3.脈沖展寬OOuItuOttW將窄脈沖展寬成寬度為tW的脈沖掌握用555定時器構成施密特觸發器、單穩態觸發器和多諧振蕩器的方法。主要要求：

了解555定時器的電路結構，掌握其符號和功能。7.2

555定時器及其應用555定時器簡介555定時器是一種結構簡單、使用方便靈活、用途廣泛的多功能電路。它電源電壓范圍寬(雙極型555定時器為5~16V，CMOS555定時器為3~18V)，可提供與TTL及CMOS數字電路兼容的接口電平，還可輸出一定功率，驅動微電機、指示燈、揚聲器等。TTL單定時器型號的最后3位數字為555，雙定時器的為556；CMOS單定時器的最后4位數為7555，雙定時器的為7556。一、555定時器的工作原理和邏輯功能比較器是一種用來比較輸入信號VI和基準電壓VREF的電路。VREFVIVO同向輸入電壓比較器輸入信號VI加于同相輸入端參考電壓VREF加于反相輸入端當差模輸入電壓VID=VI-VREF<0時，VO=VOL當差模輸入電壓VID=VI-VREF>0時，VO=VOH反向輸入電壓比較器參考電壓VREF加于同相輸入端VREF輸入信號VI加于反相輸入端VIVO反相輸入大于基準輸出為0同相輸入大于基準輸出為1比較器

555定時器的電路結構與符號

C1C2G3QQG1G2RSVR5k5k5kUR1UR2GNDVCCRDOUTCO555THTRDIS電路符號627153843OUT輸出端

8VCC電源端

4RD直接置0端

DIS7放電端TH6閾值輸入端TR2觸發輸入端CO5控制電壓輸入端

GND1接地端

集電極開路輸出端UR1UR2構成電阻分壓器，為比較器

C1、C2提供兩個參考電壓，UR1=2/3VCC，UR2=1/3VCC。

輸出緩沖器OUT=Q構成基本RS觸發器，決定電路輸出。

放電管，其輸入為Q，輸出為開路集電極。Q構成電壓比較器，比較TH與UR1和TR與

UR2的大小。555定時器的電路結構與符號

C1C2G3QQG1G2RSVR5k5k5kUR1UR23OUT輸出端

8VCC電源端

4RD直接置0端

DIS7放電端TH6閾值輸入端TR2觸發輸入端CO5控制電壓輸入端

GND1接地端

UR1UR2Q555定時器的工作原理與邏輯功能

101導通定時器5G555的功能表

不變不變1截止11導通01導通00V狀態OUT

=

QRDTRTH輸出輸入××

直接置0端RD低電平有效，優先級最高。不用時應使其為1。不變不變1截止11導通01導通00V狀態OUT

=

QRDTRTH輸出輸入××定時器5G555的功能表

01導通0110555定時器的工作原理與邏輯功能555定時器的工作原理與邏輯功能

不變不變1截止11導通01導通00V狀態OUT

=

QRDTRTH輸出輸入××定時器5G555的功能表

10截止1001555定時器的工作原理與邏輯功能

不變不變1截止11導通01導通00V狀態OUT

=

QRDTRTH輸出輸入××定時器5G555的功能表

11簡化功能表

不變不變1截止11導通01導通00V狀態OUTRD輸出輸入TRTH××使用要點(1)

RD低電平有效,優先級最高，

不用時應接高電平。通常不用CO端，為了提高電路工作穩定性，將其通過0.01F電容接地。(3)

TR低電平有效，TH高電平

有效，因此，TH加低電平、

TR加高電平時為非有效電

平，電路狀態不變。(4)輸出

0

時，Q

=

1，因此

V

導通；輸出

1

時，

Q

=

0，故

V

截止。(5)注意：①

TH

電平高低是與

2/3VCC相比較，TR

電平高低是與

1/3VCC相比較。②若控制輸入端

CO

加輸入電壓

uCO，則

UR1=

uCO

UR2=

uCO/2，故

TH

和

TR

電平高低的比較值將變成

uCO和

uCO/2。(2)TH和TR均為高電平時輸出

0，均為低電平時輸出1。二、用555定時器組成施密特觸發器

0uOuIUOL1/3VCC2/3VCCUOH當TH=TR=uI>2/3VCC時電壓傳輸特性為反相輸出的滯回特性uIuO當TH=TR=uI<1/3VCC時1/3VCC0當1/3VCC<TH=TR=uI<2/3VCC時當uI<1/3VCC時當uI由高電平逐漸下降，且1/3VCC<uI<1/3VCC時不變不變1截止11導通01導通00V狀態OUTRD輸出輸入TRTH××0uOuIUOL1/3VCC2/3VCCUOHUT+=2/3VCCUT-

=1/3VCCUT=UT+-

UT-

=1/3VCCOuO/Vt[例]試對應輸入波形畫出下圖中輸出波形。184355557+12V0.01FuIuO260uI/Vt246810THTRuIuO+12VUT+UT-abcdefUOH解：UT+=2/3VCC=8VUT-

=1/3VCC=4V因此可畫出輸出波形為電路構成反相輸出的施密特觸發器GNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01FRCuIuOuC-+三、用555定時器組成單穩態觸發器(一)電路結構DISTHVCCRR、C為定時元件TRuIOUTuOGNDVCCRDCO0.01FCuC-+(二)工作原理、工作波形與參數估算1.穩定狀態

接通電源后VCC經R向C充電，使uC

上升。uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC該電路觸發信號為負脈沖，不加觸發信號時，uI=

UIH(應

>

1/3

VCC)。

當uC

≥2/3VCC時，滿足TR=uI>1/3VCC，TH=uI≥2/3VCC,因此uO為低電平，V導通，電容C經放電管V迅速放電完畢，uC

0V。這時TR=UIH>1/3VCC，TH=uC

0<2/3VCC，uO保持低電平不變。因此，穩態時

uC

0V，uO為低電平。充電工作原理

導通放電VuCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC0VUOLUIH2.觸發進入暫穩態

(二)工作原理、工作波形與參數估算uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC

當輸入uI由高電平躍變為低電平

(應<1/3VCC)時，使

TR=UIL<1/3VCC而TH=uC

0V<2/3VCC，因此uO躍變為高電平，進入暫穩態，這時放電管V截止，VCC又經R向C充電，uC

上升。UILUOH充電3.自動返回穩定狀態

(二)工作原理、工作波形與參數估算uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC2.觸發進入暫穩態

UIHUOL

TH≥2/3VCC放電V

當輸入uI由高電平躍變為低電平

(應<1/3VCC)時，使

TR=UIL<1/3VCC而TH=uC

0V<2/3VCC，因此uO躍變

為高電平，進入暫穩態，這時放電管V截止，VCC又經R向C充電，uC

上升。這時uI必須已恢復為高電平

當uC

上升到uC

≥2/3VCC時，

TH

=

uC

≥2/3

VCC，而TR=uI=

UIH(>1/3VCC)，因此uO重新躍變為低電平。同時，放電管導通，C

經V迅速放電uC

0V，放電完畢后，電路返回穩態。[例]用上述單穩態電路輸出定時時間為1s的正脈沖，R=27k，試確定定時元件

C的取值。

(二)工作原理、工作波形與參數估算uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC輸出脈沖寬度tW即為暫穩態維持時間，主要取決于充放電元件R、C。該單穩態觸發器為不可重復觸發器，且要求輸入脈寬tWI小于輸出脈寬tWO。解：因為

tWO

1.1RC故可取標稱值

33F。估算公式tWO1.1RCGNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01FR1CuOuC-+R2四、用555定時器組成多諧振蕩器(一)電路結構DISVCCR1THTRGNDVCCRDCO0.01FOUTuOCuC-+R2(二)工作原理、工作波形與周期估算uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡ充電UOHTH=TR=uC很小Ⅰ

接通VCC后，開始時TH=TR=uC

0，uO為高電平，放電管截止，VCC經R1、R2向C充電，uC

上升，這時電路處于暫穩態Ⅰ。

工作原理

(二)工作原理、工作波形與周期估算uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡUOLTH

=

TR

≥

2/3

VCC

當uC上升到

TH=TR=uC

≥

2/3

VCC時，uO躍變為低電平，同時放電管

V導通，C經R2和V放電，uC

下降，電路進入暫穩態Ⅱ。工作原理

Ⅱ

接通VCC后，開始時TH=TR=uC

0，uO為高電平，放電管截止，VCC經R1、R2向C充電，uC

上升，這時電路處于暫穩態Ⅰ。

放電

當uC下降到

TH=TR=uC

≤1/3

VCC時，uO重新躍變為高電平，同時放電管V截止，C又被充電，uC

上升，電路又返回到暫穩態Ⅰ。(二)工作原理、工作波形與周期估算uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡTH=TR≤1/3VCCⅠ工作原理

當uC上升到

TH=TR=uC≥

2/3

VCC時，uO躍變為低電平，同時放電管

V導通，C經R2和V放電，uC下降，電路進入暫穩態Ⅱ。

接通VCC后，開始時TH=TR=uC

0，uO為高電平，放電管截止，VCC經R1、R2向C充電，uC

上升，這時電路處于暫穩態Ⅰ。

(二)工作原理、工作波形與周期估算電容C如此循環充電和放電，使電路產生振蕩，輸出矩形脈沖。uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡ周期與占空比估算tWH0.7(R1+R2)CtWL0.7R2CT=tWH+tWL0.7(R1+2R2)CGNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01FR1C+R2RP1RP2[例]指出右圖中控制揚聲器鳴響與否和調節音調高低的分別是哪個電位器？若原來無聲，如何調節才能鳴響？欲提高音調，又該如何調節？解：R1、R2、RP1和C共同構成定時元件，因此調節RP1可調節音調高低。欲提高音調，則應減小RP1，因此觸頭應下移。RP2調節RP2可控制RD為0或1，從而控制振蕩器工作與否，因此能控制揚聲器鳴響與否。調節RP2使觸頭左移至適當位置，可使RD=1，使揚聲器鳴響。RP1觸摸定時控制開關555定時器構成單穩態觸發器。只要用手觸摸一下金屬片P，由于人體感應電壓相當于在觸發輸入端（管腳2）加入一個負脈沖，555輸出端輸出高電平，燈泡（RL）發光，當暫穩態時間（tW）結束時，555輸出端恢復低電平，燈泡熄滅。該觸摸開關可用于夜間定時照明，定時時間可由RC參數調節。觸摸、聲控雙功能延時燈555和T1、R3、R2、C4組成單穩定時電路，定時（即燈亮）時間約為1分鐘。當擊掌聲傳至壓電陶瓷片時，HTD將聲音信號轉換成電信號，經T2、T1放大，觸發555，使555輸出高電平，觸發導通晶閘管SCR，電燈亮；同樣，若觸摸金屬片A時，人體感應電信號經R4、R5加至T1基極，也能使T1導通，觸發555，達到上述效果。爆光定時器工作過程：暗室工作時，不按開關K,都大為0,繼電器線圈無電流通過，常閉觸點不動作，安全燈（紅）亮。按下開關K,電路進入暫穩態過程，同時輸出為1，繼電器線圈一電流通過，常閉觸點斷開，常開觸點閉合爆光燈（白）亮。開始爆光。爆光時間為1.1RC,爆光時間到自動恢復為初始狀態。

要改變爆光時間，只要改變R、C值即可。48351267555RCVCCR1KD1D2~220VJ模擬聲響電路

用兩個多諧振蕩器組成模擬聲響電路。適當選擇定時元件，使：☆由于低頻振蕩器A的輸出接高