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Presentation Transcript
7单元 脉冲波形的产生和变换

7.1 概述

7.2 集成555定时器

7.3 施密特触发器

7.4 单稳态触发器

7.5 多谐振荡器

• 通过这一单元的学习，主要掌握如下知识：

• 多谐振荡器、单稳态电路和施密特触发器的工作原理。

• 能够运用555电路设计多谐振荡器、单稳态电路和施密特触发器。

7.1 概述

1．常见脉冲波形:

2．常用的脉冲参数:

7.2 集成555定时器

4.5～16V

1．555定时器的电路结构

V

D

CC

(8)

(4)

Ω

5k

(5)

CO

R

&

C

1

(6)

TH

G

Ω

5k

&

1

(3)

&

v

S

C

(2)

2

Ω

5k

(7)

,

v

T

O

(1)

7.2 集成555定时器

（1）三个5k电阻组成的分压器。

（2）两个电压比较器

C1和C2。

v+> v-，vO=1

v+< v-，vO=0

V

D

CC

(8)

(4)

Ω

5k

(5)

V

R

CO

CC

D

R

&

C

1

(6)

v

8

4

TH

IC

5

G

TH

Ω

5k

v

&

1

6

(3)

O

3

&

555

v

S

C

2

(2)

2

,

v

O

7

1

Ω

5k

(7)

,

v

T

O

(1)

（3）基本RS触发器，

（4）放电三极管T及缓冲器G。

V

D

CC

(8)

(4)

Ω

5k

(5)

CO

R

&

C

1

(6)

TH

G

Ω

5k

&

1

(3)

&

v

S

C

①R=0时，Q=1，uo=0，T导通。

(2)

2

Ω

5k

(7)

,

v

T

O

(1)

0

0

1

V

D

CC

(8)

(4)

Ω

5k

(5)

CO

R

&

C

1

(6)

TH

G

Ω

5k

&

1

(3)

&

v

S

C

①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。

(2)

2

②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。

Ω

5k

(7)

,

v

T

O

(1)

0

0

1

＞2VCC/3

0

1

＞VCC/3

V

D

CC

(8)

(4)

Ω

5k

(5)

CO

R

&

C

1

(6)

TH

G

Ω

5k

&

1

(3)

&

v

S

C

①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。

(2)

2

③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=1、C2=1，Q、Q不变，uo不变，T状态不变。

②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。

Ω

5k

(7)

,

v

T

O

(1)

0

1

1

1

0

＜2VCC/3

0

1

1

＞VCC/3

V

D

CC

(8)

(4)

Ω

5k

(5)

CO

R

&

C

1

(6)

TH

G

Ω

5k

&

1

(3)

&

v

S

C

①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。

(2)

2

③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=1、C2=1，Q、Q不变，uo不变，T状态不变。

②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。

④R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＜VCC/3时，C1=1、C2=0，Q=0、Q=1，uo=1，T截止。

Ω

5k

(7)

,

v

T

O

(1)

1

1

0

＜2VCC/3

1

0

＜VCC/3

2．工作原理

7.3施密特触发器

7.3.1用555定时器构成的施密特触发器

7.3.2 集成施密特触发器

7.3.3 施密特触发器的应用举例

V

CC

CC

2

2/3VCC

R

V

D

CC

R

8

4

1/3VCC

v

IC

v

7

5

O

2

TR

6

v

v

I

3

O

1

555

2

1

7.3 施密特触发器

7.3.1用555定时器构成的施密特触发器

1.电路组成及工作原理

CC

(8)

(4)

Ω

5k

R

&

CC

C

1

(6)

TR

G

Ω

5k

&

1

(3)

v

&

I

v

CC

S

O1

C

(2)

2

V

CC2

R

Ω

1

5k

(7)

v

O2

T

(1)

2/3V

1/3V

Vo

VOH

ΔVT

VOL

Vi

2/3VCC

0

1/3VCC

2/3VCC

1/3VCC

2.电压滞回特性和主要参数

（1）电压滞回特性

（2）主要静态参数

（a）上限阈值电压VT+

vI上升过程中，输出电压vO由高电平VOH跳变到低电平VOL时，所对应的输入电压值。VT+=2/3VCC。

（b）下限阈值电压VT —

vI下降过程中，vO由低电平VOL跳变到高电平VOH时，所对应的输入电压值。VT—=1 /3VCC。

（3）回差电压ΔVT

ΔVT= VT+－VT—=1 /3VCC

CC

(8)

(4)

Ω

5k

R

&

CC

C

1

(6)

TH

G

Ω

5k

&

1

(3)

v

&

I

v

CC

S

O1

C

(2)

2

V

CC2

vO1

R

Ω

1

5k

(7)

v

O2

T

(1)

V

V

CC

CC

2

R

V

D

CC

R

8

4

v

IC

v

7

5

v

v

O

2

O1

O2

TH

VCC2

6

v

v

I

3

O

1

555

2

1

t

t

2/3V

1/3V

1. CMOS集成施密特触发器CC40106

2. TTL集成施密特触发器74LS14

7.3.2集成施密特触发器

VT+

VT-

7.3.3 施密特触发器的应用举例

1. 用作接口电路——将缓慢变化的输入信号，转换成为符合TTL系统要求的脉冲波形。

2. 用作整形电路——把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。

3. 用于脉冲鉴幅——从一系列幅度不同的脉冲信号中，选出那些幅度大于VT+的输入脉冲。

7.4 单稳态触发器

7.4.1 用555定时器的单稳态触发器

7.4.2 集成单稳态触发器

7.4.3 单稳态触发器的应用

CC

R

V

R

D

CC

8

4

7

v

3

O

TH

v

6

C

555

v

2

I

1

C

5

0.01

μF

C

1

7.4 单稳态触发器

7.4.1 用555定时器组成单稳态触发器

1. 电路组成及工作原理

（1）无触发信号输入时电路工作在稳定状态

CC

R

V

R

D

CC

8

4

7

v

3

TH

O

v

6

C

555

v

2

I

1

C

5

0.01

μF

C

1

（2）vI下降沿触发

CC

(8)

(4)

Ω

5k

R

2/3V

R

&

CC

C

1

(6)

TH

G

Ω

5k

&

1

(3)

v

&

C

1/3V

v

CC

S

O

C

(2)

2

v

I

C

Ω

5k

(7)

T

(1)

3）暂稳态的维持时间

vC由0V开始增大，在vC上升到2/3VCC之前，电路保持暂稳态不变。

（4）自动返回时间——当vC上升至2/3VCC时，vO变0，电路由暂稳态重新转入稳态。

（5）恢复过程——当暂稳态结束后，C通过饱和导通的T放电，时间常数 τ2=RCESC，由于RCES很小，所以放电很快。C放电完毕，恢复过程结束。

TW

T

2. 主要参数估算

• 输出脉冲宽度Tw（用三要素法计算）

（2）恢复时间tre

tre=（3～5）τ2

（3）最高工作频率fmax

vI周期的最小值：

Tmin= tW＋tre

74121功能表

A1 A1 B

vO vO

0 × 1

× 0 1

× × 0

1 1 ×

0 1

0 1

0 1

0 1

1 ↓ 1

↓ 1 1

↓ ↓ 1

0 × ↑

× 0 ↑

1. TTL集成单稳态触发器74121的逻辑功能和使用方法

7.4.2 集成单稳态触发器74121

A1、A2是下沿有效的触发信号输入端，B是上沿有效的触发信号输入端。

（a）使用外部电阻Rext且电路为下降沿触发的连接方式。

（b）使用内部电阻Rint且电路为上升沿触发的连接方式。

2. 74121的主要参数

(1) 输出脉冲宽度tW

74121内部电阻=2kΩ，外接电阻Rext可在1.4～40kΩ之间选择，

（2）输入触发脉冲最小周期Tmin

Tmin= tW＋tre

（3）周期性输入触发脉冲占空比q

3. 关于集成单稳态触发器的重复触发问题

74121、74221、74LS221都是不可重复触发的单稳态触发器。属于可重复触发的触发器有74122、74LS122、74123、74LS123等。

7.4.3 单稳态触发器的应用

（1）延时

1. 延时与定时

（2）定时

vO= vF。当v/O=0时，

2. 整形

CC

(+6V)

R

100k

8

4

7

3

P

5

5

5

6

2

R

L

C

1

5

100μ

C

1

0.01μ

3. 触摸定时控制开关

555定时器构成单稳态触发器。只要用手触摸一下金属片P，由于人体感应电压相当于在触发

4. 触摸、声控双功能延时灯

555和T1、R3、R2、C4组成单稳定时电路，定时（即灯亮）时间约为1分钟。当击掌声传至压电陶瓷片时，HTD将声音信号转换成电信号，经T2、T1放大，触发555，使555输出高电平，触发导通晶闸管SCR，电灯亮；

7.5 多谐振荡器

7.5.1用555定时器构成的多谐振荡器

7.5.2 多谐振荡器应用实例

vc

2/3VCC

1/3VCC

0

t

vo

t

0

7.5.1 用555定时器构成的多谐振荡器

V

CC

R

1

R

V

D

CC

4

8

P

7

R

v

3

2

O

TH

555

6

v

C

2

5

1

C

0.01

μF

C

1

CC

(8)

(4)

Ω

5k

R

1

P

R

&

CC

C

1

(6)

TH

R

2

G

Ω

5k

&

1

(3)

v

&

C

v

CC

S

O

C

(2)

2

C

Ω

5k

(7)

T

(1)

EWB演示——555组成多谐振荡器

2/3V

1/3V

vc

2/3VCC

1/3VCC

0

t

vo

T1

T2

t

0

T

2.振荡频率的估算

（1）电容充电时间T1：（用三要素法计算）

（2） 电容放电时间T2

（3）电路振荡周期T T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C

（4）电路振荡频率f

（5）输出波形占空比q

CC

R

1

R

V

D

CC

8

4

2

R

D

2

7

D

1

v

3

TH

O

6

555

v

2

C

1

5

C

0.01

μF

C

1

3． 占空比可调的多谐振荡器电路

T2=0.7R2C

CC

（+6V）

T

R

V

D

CC

R

20k

1

8

4

7

C

3AX31

2

10μ/10V

R

3

100k

2

TH

555

6

R

2k

3

2

0.01

μ

C

5

1

0.01

μ

C

1

7．5．2 多谐振荡器应用实例

1. 简易温控报警器

2.步进脉冲产生电路

• 本章学习的重点是双稳态电路、单稳态电路、多谐振荡器、和施密特电路的特点。重点介绍了555定时器的应用。本章的难点是对多谐振荡器的工作原理、施密特触发器的回差特性的理解以及对常用脉冲电路输出波形的分析。

• 施密特触发器和单稳态触发器是最常用的两种脉冲整形电路。其输出脉冲的宽度由输入信号决定。它的输出波形的边沿陡峭。单稳态触发器输出信号主要参数是脉宽与输入信号无关。输出信号只起触发作用。因此，单稳态触发器可用于产生固定宽度的脉冲信号。

• 多谐振荡器是一种常用的自激脉冲振荡电路。它没有稳态，只有两个暂稳态。无需外加输入信号，只要接通电源，就能自动产生矩形脉冲。其主要参数是重复周期。它主要用于脉冲信号源和电子自动开关等。

• 555定时器应用广泛，使用方便，除了构成单稳、多谐和施密特电路外，还可以接成其它各种应用电路。使用时应注意的是CMOS、555/556型在绝大多数场合可直接代替双极型555/556型使用，且多数参数得以改善。但CMOS型的驱动电流较双极型的要小，替换时必须注意查阅有关器件手册。

• 1. 掌握555时基电路的结构和工作原理，学会对此芯片的正确使用。

• 2. 学会分析和测试用555时基电路构成的多谐振荡器，单稳态触发器，施密特触发器等三种典型电路。

• 1. 双踪示波器

• 2．数字电路实验箱

• 3. 器件:

• NE556，（或LM556，5G556等）双时基电路1片

• 二极管1N4148 2 只

• 电位器22K、1K 2 只

• 电阻、电容若干

• 扬声器一只

• KD-9300系列音乐集成块一块

• 小型无锁按键开关

• 9013型硅NPN三极管，要求β≥100。

1. 555时基电路构成的多谐振荡器

• （1）按图接线。图中元件参数如下：

R1=15KΩR2=5K1Ω

C1=0.33uf C2=0.047uf

• （2）用示波器或指示灯观察并测量OUT端波形的频率，并和理论估算值比较，算出频率的相对误差值。

1. 555时基电路构成的多谐振荡器

• （3）若将电阻值改为R1=15KΩ，R2=10KΩ，电容C不变，上述的数据有何变化？

• （4）根据上述电路的原理，充电回路的支路是R1R2C1，放电回路的支路是R2C1，将电路略作修改，增加一个电位器RW和两个引导二极管，构成图7.28所示的占空比可调的多谐振荡器。

• 其占空比q为:

2. 555构成的单稳态触发器

• 1）图中R=10K，C1=6200PF，VI 是频率约为10KHz左右的方波时，用双踪示波器观察OUT端相对于Vi的波形，并测出输出脉冲的宽度TW。

• （2）调节Vi的频率，分析并记录观察到的OUT端波形的变化。

• （3）若想使TW = 10us，怎样调整电路？测出此时各有关的参数值。

3. 应用电路

1）上图所示用556的两个时基电路构成低频对高频调制的救护车警铃电路。

• ①参考实验内容2确定图中未定元件参数。

• ②按图接线，注意扬声器先不接。

• ③用示波器观察输出波形并记录。

• ④接上扬声器，调整参数到声响效果满意。

2）用555电路构成音乐传花游戏机电路。

• 555电路的③脚先不与音乐集成块的VDD相连，接通电源。观察LED发不发光。

• ②按一下SB按键，随即放开，观察发光二极管LED的发光现象。若电路装焊正常，则当按下SB按键时，LED将会发光，经一段时间后，自动熄灭。否则，检查电路是否存在安装焊接的错误。

• ③长时间按压SB不放，观察LED的发光现象，想想原因。断开电源，把555电路的③脚与音乐集成块的VDD相连。

• ④接通电源，按一下SB按键，正常应见到LED发光，同时，嗽叭发出音乐声，经一段时间后，LED不再发光，喇叭不再发声.调节RP的位置，观察发光二极管发光和喇叭发声的现象有何变化，想想原因。

4．时基电路使用说明

555定时器的电源电压范围较宽，可在+5 ~ +16V范围内使用（若为CMOS的555芯片则电压范围在+3 ~ +18V内）。

1. 按实验内容各步要求整理实验数据。

2. 画出实验内容1和2中的相应波形。

3. 画出实验内容3最终调试满意的电路图并标出各元件参数。

4. 总结时基电路基本电路及使用方法。

5．在音乐传花游戏机中长时间按压SB按键开关不放时，会出现什么情况，为什么？

1．触摸自熄电路

2．简易电子琴电路