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第 12 章 脉冲波形的产生与整形

第 12 章 脉冲波形的产生与整形. 12.1 555 定时电路及其功能. 12.2 施密特触发器. 12.3 单稳态触发器. 12.4 多谐振荡器. 12.1 55 定时电路及其功能. 数字电路区别于模拟电路的主要特点之 一是：它的工作信号是离散时间的脉冲信号。最常用的脉冲信号是方波 ( 矩形波 ) 。如何产生方波以及对不理想的方波如何整形，是本节讨论的重点。. 555 定时器是将模拟电路和数字电路集成于 一体的电子器件。它使用方便 , 带负载能力较强 , 目前得到了非常广泛的应用。. 12.1.1 555 定时器的工作原理.

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第 12 章 脉冲波形的产生与整形

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Presentation Transcript

  1. 第12章 脉冲波形的产生与整形 12.1 555定时电路及其功能 12.2 施密特触发器 12.3 单稳态触发器 12.4 多谐振荡器

  2. 12.1 55定时电路及其功能 数字电路区别于模拟电路的主要特点之 一是：它的工作信号是离散时间的脉冲信号。最常用的脉冲信号是方波(矩形波)。如何产生方波以及对不理想的方波如何整形，是本节讨论的重点。

  3. 555定时器是将模拟电路和数字电路集成于 一体的电子器件。它使用方便,带负载能力较强, 目前得到了非常广泛的应用。 12.1.1 555定时器的工作原理 555定时器的内部电路包括以下几部分 : 一个由三个相等电阻组成的分压器; 两个电压比较器: A1、A2 ;一个 RS 触发器; 一个反相器和一个晶体管T。具体的 结构见后图。

  4. VCC RD 4 8 R 6 TH + 5 R Q - R CO A1 3 2 uo + S Q - TR R A2 7 T D 1

  5. VCC RD 8 4 R TH 6 + R Q - CO 5 A1 R uo 2 + S Q TR - 3 A2 R 电控压制 阈值 电源 放电 7 D 1 D VCC TH CO 电源电压范围: 6 7 8 5 4.5V ~ 18V 555 3 4 1 2 GND TR Uo RD 输出 复位 触发 地

  6. VCC RD 4 8 R 6 TH + R Q - CO 5 A1 R uo + 3 S Q 2 - TR A2 R 7 T D 1 三个电阻构成的分压器给 两个比较器提供基准电压: A1 的为 2VCC / 3 , A2 的为 VCC / 3 。 首先讨论上图中彩色部分的电路的工作原理。

  7. VCC 8 R 6 TH + 比较的结果 R - CO 5 A1 R 阈值端 触发端 + R S S 2 - TH TR TR A2 R 2VCC / 3 VCC / 3 大于 大于 7 VCC / 3 2VCC / 3 小于 小于 1 2VCC / 3 VCC / 3 小于 大于 阈值端 0 1 1 0 触发端 0 0

  8. VCC RD RS 触发器功能表 4 8 Q R S Q Q R 6 TH + 1 0 0 1 R Q - CO 5 A1 0 1 1 0 R uo + 3 保持 保持 S Q 2 0 0 - TR A2 禁止 禁止 R 1 1 7 T D 1 uo 晶体管T R S 导通 1 0 1 0 截止 0 1 0 1 保持 保持 保持 0 0 附录:

  9. VCC RD 8 4 R TH 6 + 阈值端 触发端 晶体管 R - uo Q CO RD 5 A1 R uo T TH TR + 2 S Q TR - 3 A2 导通 R 2VCC / 3 VCC / 3 大于 大于 7 0 1 D T 1 VCC / 3 2VCC / 3 截止 小于 小于 1 1 VCC / 3 2VCC / 3 小于 保持 大于 保持 1 导通 0 0 综合以上的分析结果,便可得到555的功能表:

  10. uo uOH uOL 施密特触发器的符号 0 ui uT+ uT- 12.2 施密特触发器 施密特触发器是一种脉冲信号的整形电路，它具有回差电压传输特性。

  11. UCC RD UI 4 8 R 6 + R Q - 5 A1 R uo + 3 S Q 2 - A2 R 7 T 1 12.2.1用555电路构成施密特触发器 1.电路的组成

  12. UI 2/3UCC 1/3UCC O UCC O 2.工作原理 UCC 1）UI由0V上升，当UI<1/3UCC时，比较器A1置1（高电平），比较器A2置0（低电平），基本RS触发器置1，输出高电平。 t 2）UI继续上升，当1/3UCC<UI<2/3UCC时，比较器A1、 A2置1（高电平），基本RS触发器置1状态不变，输出高电平。 3）当UI>2/3UCC时，比较器A1置0（低电平），比较器A2置1（高电平），基本RS触发器置0，输出低电平。

  13. 4）UI继续上升，基本RS触发器置0保持不变，输出低电平。4）UI继续上升，基本RS触发器置0保持不变，输出低电平。 5）当UI下降到UI<1/3UCC时，比较器A1置1（高电平），比较器A2置0（低电平），基本RS触发器置1，输出高电平。 12.2.2 施密特触发器的应用 1）波形的变换与整形 利用施密特触发器，可将三角波或正弦波变成方波。

  14. ui uo t t UT+ UT- UoH UoL 输入正弦波的波形变换情况

  15. EWB仿真输入正弦波的波形变换情况

  16. EWB仿真输入三角波的波形变换情况

  17. ui uo t t UT+ UT- 波形的整形 U2T- 通过调节UT+-U2T-的大小，实现了波形整形。

  18. VCC S2 4 8 微电机 6 R TH uo 555 R M 3 TR 2 5 1 S1 C 2. 555定时器的应用 双稳态触发器: 微电机起动停车控制电路。 S1 : 起动按钮 S2 : 停车按钮

  19. VCC S2 4 8 6 R 微电机 TH uo R 555 uo 阈值端 触发端 晶体管 3 M RD TR T TH TR 2 1 5 导通 VCC /3 大于 2VCC /3 大于 0 1 S1 C 2VCC /3 VCC /3 截止 小于 小于 1 1 VCC /3 小于 保持 2VCC /3 大于 保持 1 导通 0 0 仅按下起动按钮S1, 则 TR < VCC / 3 ; 未按 S2 ,当然 TH < 2VCC / 3 , 故 uo =1 , 电机转动 。 即使放开 S1, TR > VCC / 3 , TH < 2VCC / 3 , uo 保持为 1 , 电机继续转动 。 如果仅按下按钮S2, TH > 2VCC / 3 , 未按 S1 , 当然TR > VCC / 3 , 这时 uo = 0 , 电机停止运行。 如果松开 S2 , 电机仍不转动 。

  20. 暂稳态 自动返回 由外界触发 稳定状态 稳定状态 学习的重点:为什么会自动返回?需多少时间? 12.3 单稳态触发器 单稳态触发器简称单稳。 特点: 输出端只有一个稳定状态, 另一个状态是暂稳态。加入触发信号后,它由稳定状态转入暂稳态,经过一定时间以后,它又会自动返回原来的 稳定状态。

  21. ui VCC RT R 4 8 t t t 7 D uCT 0 0 0 uo TH 6 3 2VCC /3 TR ui 2 1 5 uo S CT TW 12.3.1 用555构成单稳态触发器: （用于洗相曝光定时器） 若S打开 , 则 ui = 1 ; 若S合上 , 则 ui = 0 。

  22. ui VCC RT R uCT 4 8 t t 7 D 2VCC /3 0 0 uo 若S打开 , 则 ui = 1 ; TH 6 3 t 0 TR ui 若S合上 , 则 ui = 0。 2 1 5 S CT uo uo = 0 , 555内的管T导通 ,电容 CT 被短路, TH =0.3V 。 按钮 S 处于打开状态时： TH > 2VCC /3 , TR > VCC /3

  23. ui VCC RT R uCT 4 8 t t 7 D 2VCC /3 0 0 uo TH 6 3 t 0 TR ui 2 1 5 S CT uo 按一下 S , TR < VCC ,已有 TH < 2VCC /3 , 故 uo = 1 , 555 内的管 T 截止 , CT 将被充电 , … … 只要 uCT 尚未充至 2VCC /3 , uo 的状态就不会变化 。

  24. ui VCC RT R uCT 4 8 t t 7 D 2VCC /3 0 0 uo TH 6 3 t 0 TR ui 2 1 5 S CT uo 一旦 uCT > 2VCC /3 ,且已有TR > VCC /3 , uo = 0 ; 555内的晶体管T也由截止变成导通 , 电容CT 迅速放电而变成 0V。

  25. ui VCC RT R uCT 4 8 t t 7 D 2VCC /3 0 0 uo TH 6 3 t 0 TR ui 2 1 5 S CT uo 由以上过程可以看出 : 按钮每按动一次 , uo 便输出一个正脉冲,其宽度 TW 由 RT CT 决定 。

  26. VCC RT R 4 8 7 D D1 uo TH 6 3 红 白 TR ui ~ 2 D2 J 1 5 S CT J uo 按钮S 白灯 J 的结点 红灯 J的线圈 未按 亮 不通电 不动作 灭 0 闭合 按一下 灭 通电 亮 1 红灯亮的时间即为曝光时间 TW TW = 1.1 RT CT

  27. EWB仿真555单稳触发器（电位器R置于0）

  28. EWB仿真555单稳触发器（电位器R置于52%）

  29. 12.4 多谐振荡器 多谐振荡器能产生矩形脉冲的自激振荡器。由于矩形波形中除基波外，还包括许多高次谐波，因此又称为多谐振荡器。 多谐振荡器一旦振荡起来后，电路没有稳态，只有两个暂态作交替变化，输出矩形脉冲，因此又被称为无稳态电路。

  30. uC 2VCC /3 VCC /3 VCC t t 0 0 R1 4 8 D uo 7 uo R2 555 3 TH 6 TR 2 1 5 uC C 12.4.1 用555构成多谐振荡器: 首先说明如何用555 定时器构成多谐振荡器: 输出波形

  31. VCC R1 uC 4 8 D 7 uo R2 555 3 TH 6 TR t t 2 1 5 uC 0 0 C 2VCC /3 uo VCC /3 在 uC没有充电到 2VCC /3 之前, uo 保持1不变。 设电容C 原先未充电, 故 TH = TR < VCC /3 , 此时 uo = 1 , 555内的晶体管 T 截止 , 电源通过 R1 和 R2对电容 C 充电。

  32. VCC R1 uC 4 8 D 7 uo R2 555 3 TH 6 TR t t 2 1 5 uC 0 0 C 2VCC /3 uo VCC /3 一旦 uC 充至稳态值 , 即 TH = TR > 2VCC /3 , 立即 uo =0, 同时555内的管 T 导通,电容 C 经 R2 7# T 1# 放电, 一直至VCC /3 , 使得uo 回到 1 , 进入循环... 在 uC 没有充电到 2VCC /3 之前, uo 保持1不变。 t1 t3 t2

  33. VCC R1 uC 4 8 D 7 uo R2 2VCC /3 555 3 TH 6 VCC /3 TR t t 2 1 5 uC 0 0 C uo T2 T1 输出方波的周期T的计算: T = T1 + T2 = 0.7 ( R1 + 2R2 ) C

  34. EWB仿真555组成的多谐振荡器

  35. VCC R1 uC 4 8 D 7 uo R2 2VCC /3 555 3 TH 6 VCC /3 TR t t 2 1 5 uC 0 0 C uo T2 T1 如何改变方波的占空比？ 改变充放电回路的时间常数！

  36. EWB仿真555多谐振荡器（电位器R置于10%）

  37. EWB仿真555多谐振荡器（电位器R置于70%）

  38. VCC R1 4 8 7 uo S8 S1 555 3 R28 R21 6 2 1 5 C 简易电子琴电路图 简易电子琴就是通过改变R2 的阻值来改变输出方波的周期 , 使外接的喇叭发出不同的音调 。

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