第6章 脉冲波形的产生与整形

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1、第6章 脉冲波形的产生与整形教学目标理解脉冲波形的产生与整形的原理理解555定时器的结构框图和工作原理 掌握 555 定时器的应用电路及其工作原理 熟悉单稳态、多谐振荡器以及施密特电路，并能掌握其应用本章节是以 555 设计制作振荡电路为项目，通过对 555 理论知识的简介，从实际使 用目标出发，最终设计并制作出振荡电路。并在设计制作振荡电路的过程中能够正确使用 万用表、示波器等仪表仪器。6.1 555定时器555 定时器又称时基电路，是一种将模拟功能和数字功能巧妙结合在一起的中规模集 成电路。因其电路功能灵活，只要外接少许的阻容元件局就可构成施密特触发器、单稳态 触发器和多谐振荡器等电路。故

2、在信号的产生于整形、自动检测及控制、报警电路、家用 电器等方面都有广泛的应用。6.1.1电路组成图555定时器按照内部元件为双极型（又称TTL型）和单极型两种。双极型内部采 用的是TTL晶体管；单极型内部采用的则是CMOS场效应管。功能完全一样， 区别 是TTL定时器驱动能力大于CMOS定时器。下面，以TLL集成定时器NE555为例进行 介绍。NE555集成定时器内部电路如图6.1所示，主要由3个电阻R组成的分压器、2个高 精度电压比较器q和C2、1个基本RS触发器、1个作为放电的三极管V及输出驱动G3 组成。图 6.1 NE555 集成定时器内部电路 图 6.2 所示为 555 定时器的逻辑

3、符号和管脚图。GND1预DISQ 卜TIT对CO图 6.2 555 逻辑符号和管脚1. 分压器分压器由3个阻值相等的电阻串联而成，将电源电压VDD分为三等份，其作是为比较 器C和C2提供2个参考电压V+（比较器C1同相输入端，管脚5）、V-2 （比较器C2反 相输入端），若控制电压端CO悬空或通过电容接地，则有：V = 1V-23 DD如果在TH端外接电压可改变比较器C1和C2的参考电压。2. 比较器比较器C和c2是两个结构完全相同的高精度电压比较器。C的输入端为阈值控制 端 TH （管脚 6 ）。当V V时，比较器G输出端uC1为低电平，即逻辑“0”；TH+11Cl当V V时，比较器C2输出

4、端uC2为高电平，即逻辑“1”；当V_ 3 VDD丄” 3 VDD原状态13 VDD3 VDD3 VDD 3 DD tr 3 VDD时器的输出端OUT和放电端DIS的电压并记录在表6.2中。（3）保持步骤的条件不变，并使V=3V （既满足V 2 , V 1 v ），分TH 3 VDDtr 3 DD别将电压表XHH1和XHH2的读数记录在表6.2中。（4 ）保持步骤的条件不变，并使VCC=3V （既满足VH 2 VDD，_ 1VTR 3 VDD）,分别将电压表XHH1和XHH2的读数记录在表6.2中。（5）将开关J1打到右边（复位端RES为低电平）。分别将电压表XHH1和XHH2的 读数记录在表

5、 6.2 中。5. 测试结论将上述测量结果与555定时器的功能表6.1加以比较。表6.2 555定时器功能测试RESTH（V）TRI (V)OUT (V)DIS (V)功能说明高电平4.54.5高电平33高电平1.51.5低电平XX6.2 555定时器的基本应用6.2.1施密特触发器施密特触发器也称电平触发器，是一种脉冲信号变换电路，用来实现整形、变换和幅 值的鉴别等。它具有以下特点：（1）具有两个稳定状态，即双稳态触发电路，且两个稳态的维持和相互转换与输入 电压的大小有关。（2）对于正向和负向增长的输入信号，电路的触发转换电平（阈值电平）不同，即 具有回差特性，其差值称为回差电压。1. 电路

6、组成由555定时器构成的施密特触发器如图6.4所示，定时器外接直流电源和地；阈值控 制端TH和触发输入端TR直接连接，作为信号输入端u .；复位端R接直流电源ViDDD（即接高电平），控制电压端CO通过滤波电容（O.OluF）接地。图6.4 555定时器组成的施密特触发器2. 工作原理设输入信号 u 为最常见的三角波，且三角波幅度大于 555 定时器的参考电压i当输入电压u 时，比较器C、C输出端u =l、u =0,基本RS触发器置0,i 3 DD 1 2 C1 C2u =U ，电路处于第一稳态。o OH当输入电压1V u 2V时，比较器C、C输出端u =1、u =l,基本RS触维持 3 DD

7、 ， - Vn酗，比较器C、C输出端u =0、u =1，基本RS触发器置1，i 3 DD12C1C2u =U ，电路处于第二稳态。 o OL电路的输出电压由高电平U转变为低电平U时对应的输入电压值，称为上限阈值电。电路的输出电压低电平U由转变为高电平U时对应的输入电压值,OL OH压U+OH OL称为下限阈值电压叮UT= 3Vdd。上限阈值电压UT+和下限阈值电压UT-值大小不同，这两者之差，称为回差电压AU回差电压AU的大小可通过在控制电压CO端上外加电压得以实现。回差电压 ut越 大，施密特触发器的抗干扰性越强，但施密特触发器的灵敏度也会相应降低。3. 典型应用（1）波形变换。施密特触发器

8、可以将三角波、正弦波等形波变换为矩形波输出信 号。如图6.6所示，施密特触发器将正弦波变换为矩形波。图 6.6 波形变换（2）脉冲波形整形。施密特触发器可以将一个不规则的波形进行整形，得到一个良 好的波形，如图 6.7 所示，输入电压为受干扰的波形，通过施密特触发器变为规则的矩形 波。图 6.7 波形的整形（3）脉冲幅度鉴别。施密特触发器可用来将幅 度较大的脉冲信号鉴别出来。如图6.8 所示输入信号为一系列随机的脉冲波，通过施密特电路可以将幅大于某值的输入脉冲 检测出来。6.8 脉冲幅度鉴别6.2.2 课题与实训 2 施密特触发器的测试。1. 实训任务1）用仪表仪器测试施密特触发器的功能。2）

9、分析和仿真施密特触发器的功能。3）记录并观测测试结果.2. 实训要求1）熟悉 555 定时器的符号、逻辑功能、引脚排列。2）熟悉施密特触发器的构成。3）小组之间相互学习和交流，比较实训结果。3. 实训设备及元器件1）实训设备： 双路直流稳压电源、信号发生器1台、双踪示波器 1 台、面包板1 块、单股导线若干、万用表（数字表、指针表各1块）2）实训器件：电容O.OluFl个、电阻1K1个、NE5551块4. 测试内容1 ）测试电路。2）测试步骤（1）按图 6.9 接好电路，在输入端接入信号发生器，并用示波器分别观测输入端 和输出端的波形。图 6.9 测试电路（2）将信号发生器设置为，幅值为3V,

10、频率为1kHz的正弦波。分别观测输入输 出端的波形，并记录上限阈值Ut+和下限阈值Ut-于表6.3中。（3）将信号发生器设置为，幅值为3.5V,，频率为1kHz的三角波波。分别观测输入输 出端的波形，并记录上限阈值ut+和下限阈值ut-。5. 测试结论将上述测量结果与图6.7、图6.8 加以比较。6.2.3 单稳态触发器单稳态触发器不同于施密特触发器，它具有下述显著特点：（1）具有一个暂态，一个稳态。（2）在外来触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂态，暂态在保持一定时间后，再自 动返回到稳定状态，并在输出端产生一定宽度的矩形脉冲。（3）矩形脉冲宽度取决于电路本身的参数，与触发脉冲无关。1. 电路组

11、成由555定时器构成的单稳态触发器如图6.10所示，触发输入端TR作为信号输入端u .，放电端DIS与阈值控制端TH直接连接在电阻R和电阻C之间；复位端R接直流电iD图6.10 555定时器组成的单稳态触发器2. 工作原理设单稳态触发器无触发脉冲信号时，输入端处于高电平 u =1。若电容 C 上的电压 iU =0，此时单稳态触发器输出端u =0 （低电平）。C0（1）稳态。如果直流电源Vdd接通以后，单稳态触发器停在uo =0,则放电三级管V导 通，放电端DIS通过放电管V接地，电容C两端的电压Uc=0。因阈值控制端TH和放电端 DIS直接连接于电容C上，所以阈值控制端TH也为低电平，即卩加二

12、0 V =丄V ，根据555定时器功能可知，此时电路处于u =0的保持状态。TR i- 2 3 DD0假若直流电源vdd接通以后，单稳态触发器停在u o=i,贝y放电三极管v截止，则vdd通 过R对C充电。当U上升到7V n时，触发器输出端置零，即u =0 （低电平）。同时，C3 DD0放电管V导通，电容C通过放电三极管V开始放电，使得uc趋向于零，即UC=0 （低电 平）。单稳态触发器仍然处于uo =0的保持状态。我们把此时电路保持原态“0”不变的这图6.11 单稳态触发器波形图(2) 触发翻转。当触发脉冲的下降沿到达时，使得V = u =V = -V 时，此令TR i -23 DD仍U为低

13、电平，即U=0。则有U =1，电路进入暂稳态。同时放电三极管V截止，V通过 C C 0 DDR对C充电。(3) 暂稳态。在暂稳态期间，同时放电三极管V截止，V通过R对C充电。充电常DD数t=RC，U按指数规律上升，趋向于V 。CDD(4) 自动恢复。当U充电到2v门时，如果此时输入信号的触发脉冲已消失，单稳C3 DD态触发器u0 =0,放电三极管V导通，电容C通过放电三极管V开始放电，电路自动恢复 到稳态u 0 =0。3. 典型应用(1)定时。暂稳状态持续的时间又称输出脉冲宽度，用t表示。它由电路中电容两W从充、放电开始到变化至某一数值UD所经历的时间t端的电压来决定。电容上的电压UC 可以用

14、下列公式计算得到。t 二 RC lnu(8) - u (0)c(8)-UD6-2)上式(6-2)中，uC (0)是电容未充电时的起始电压，uC (-)是电容充电后的最终 电压。由图6.10可知，电容电压从起始电压巴(0)0充到3VDD (式中的UD)的时间tw 可由式(6-2)求得=RC ln2 = 0.7 RC6-3)V - 0=RC ln ddV - - VDD 3 DD由此可知，调节电容C和电阻R可以改变输出脉冲宽度。R般为几百欧到几兆欧， 电容C一般为几百皮法到几百微法，t的范围是几微秒到几分钟。W当单稳态触发器进入暂稳态以后，t时间内的其他触发脉冲对触发器就不起作用；只 W有当触发器

15、处于稳定状态时，输入的触发脉冲才起作用。利用这个脉冲去控制某电路，可 是电路在t时间内动作或动作，从而起到定时作用。W如图 6.12 所示，用555定时器构成的单稳态触发器，其输出端用来控制楼道的照明 灯L。其中M为声控或手动开关，当声音达到一定程度或人用手触摸M时，它会感应出一 个负脉冲作用到触发输入端TR。单稳态触发器输出端得到高电平，照明灯L点亮，当暂 稳态t时间结束时，触发器输出端得到低电平，照明灯L熄灭。W(2)延时。典型延时电路如图 6.13 所示，与定时电路相比，其电路的主要区别是电 阻R和电容C连接的位置不同。电路中的继电器KA为常断继电器，二极管V的作用是限 幅保护。当直流电

16、源接通，555定时器开始工作，若电容C初始电压为零，因电容两端 电压U不能突变，而V =U +U，CDD C R则有V = V =U = V -u = V，此时延时器的输出u =0,继电器常开接点保持断TH TR R DD C DD0开；同时电源开始向电容充电，电容两端电压 U 不断上升，而电阻两端电压 U 对应下CR2降，当UV二；V 时，即V = V =U = V -U V = - V 时，延时器的输出 +13 DDTH TR R DD C - 23 DD（3）脉冲整形。单稳态触发器也可以将一个不规则的输入信号整形成为幅度和宽度 都相同的标准矩形脉冲，其幅度取决于单稳态电路的输出电平高低，

17、脉冲宽度取决于暂稳 态脉冲宽度t。如图6.14所示，输入电压为不规则的波形，通过单稳态触发器设置合适W的脉冲宽度t,可将其变为规则的矩形波。W图6.14单稳态触发器对脉冲整形6.2.4课题与实训3单稳态触发器的测试1. 实训任务1）用仪表仪器测试单稳态触发器的功能。2）分析和仿真单稳态触发器的功能。3）记录并观测测试结果。2. 实训要求1）熟悉 555 定时器的符号、逻辑功能、引脚排列。2）熟悉单稳态触发器的构成。3）小组之间相互学习和交流，比较实训结果。3. 实训设备及元器件1）实训设备双路直流稳压电源1台、面包板1块、导线若干、万用表（数字表、指针表各1块）2）实训器件电容 O.OluF,

18、 100uF 各 1 个、电阻 100K, 100Q 各 1 个、LED 1 各、NE5551 块。4. 测试内容图 6.15 单稳态触发器功能测试电路2）测试步骤（1）按图6.15接好电路。（2）接通电源J后，将开关山置于低电平，观察发光管LED1的状态 （发光/不发光/发光后熄灭）。（3）在发光管LED点亮期间，切换开关J/观测发光管LED状态 （会/不会）随之改变。111（4）用示波器观测输出端的波形，并测试发光管LED1的点亮的维持时间。6.2.5 多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡电路，是一种无稳态电路，只有两个暂稳态（输出状态不 断在“1”和“0”之间变换）。故也将多谐振荡器称为无

19、稳态触发器。 多谐振荡器在接通电源后，不需要外加触发信号，电路就能在两个暂稳态之间相互翻 转，产生矩形脉冲信号，因为矩形脉冲信号含有丰富的谐波成分，所以常将矩形脉冲产生 电路称为多谐振荡器。多谐振荡器的特点是：无稳态，只有两个暂稳态，无需触发信号1. 电路组成由555定时器构成的多谐振荡器如图6.15所示。阈值控制端TH和触发输入端TR直 接连接短接，放电回路中串接了一个电阻R2。电路中R2、C均是定时元件。图6.15 555定时器组成的多谐振荡器2. 工作原理设零时刻电容初始电压为零，即uc=o。接通电源后，因电容两端电压uc不能突变， 则有VTH = v =UC= 0 3VDD，根据555

20、定时器功能可知，此时电路输出端u0 =1 （第一暂稳 态）。放电三极管V截止，直流电源V 通过电阻R、R向电容C充电，电容电压U开始DD12C上升，当电容两端电压uv 时，有v = V二Uv ，则电路的输出由第一暂稳态C 3 DDTH TR C 3 DDu0 =1跳转到第二暂稳态u0 =0。此时放电三极管V导通，电容C不再充电，反而通过电阻 R和放电三极管V放电，电容电压U开始下降；当电容C两端电压U -VDD时，则又有2CC 3 DDV = V =U= 0 丄卩，电路的输出端由第二暂稳态u =0返回到第一暂稳态u =1。放电TH TR C 3 DD00三极管V再次截止，直流电源V 通过电阻R

21、、R向电容C开始充电，电容电压U开始上DD12C升，电路又进入第二暂稳态u0 =0。反复如此，就可在输出端得矩形波形。多谐振荡器输 出波形如图 6.16所示。图 6.16 多谐振荡器波形图该电路的振荡周期T计算如下：0 - 2 VDDt= R2Cln3= R Cln2 = 0.7R C(64)放 2 1 2 20V3 DDV 0t 充二(R1 + R2)Cln 芈=(R + R)Cln2 = 0.7(R： + R2)C(65)V 2 VDD 3 DDT= t + t = 0.7RC +0.7(R + R )C = 0.7(R + 2R )C (66)放 充21212则振荡频率f =占=Id、c

22、，可见，改变R屯和。值即达到改变振荡频率T0.7(R1 + 2R2 )C12的目的。对于矩形波，除了用幅度、周期来衡量以外，还存在一个占空比参数q,tq二-TW，tW是指一个周期内高电平所占时间。则图6.15所示电路输出矩形的的占空比q=R1+2R23. 典型应用(1) 产生矩形脉冲。图6.15所示电路只能产生频率固定、占空比大于0.5的矩形 波，而实际需要往往要求占空比q能在0到1之间可变，频率可调得振荡电路。故将多谐 振荡器电路(图6.15)略加改进即可得到占空比可变、频率可调的多谐振荡器。如图6.17所示，它将充、放电回路分开了。充电回路为R、D、C,放电回路为C、D、R和放电管 A 2

23、 1 B67)68)V。改变R不改变R+R值。所以该电路振荡周期T为 WABT= t + t 二 0.7R C +0.7R C = 0.7(R + R )CL放 t充ba a b丿振荡频率f =T 0.7(只人 + Rb )C（2）模拟声响。模拟声响电路就是通过调节多谐振荡器的定时元件RR2、C金而来改变振荡器的输出频率，是外接的发声器件发出不同的音调。如图 6.18 所示的“嘟、咪”模拟发声器，通过接通开关a、b、g,因电阻R、R、R值设置不同，使扬声器 abg放出“嘟、咪”的模拟声音。图 6.18 “嘟、咪”模拟发声器6.2.6 课题与实训 4 100Hz 振荡电路的调试。1. 实训任务1

24、）用555定时器构建100Hz的振荡电路。2）记录并观测测试结果。2. 实训要求1）熟悉 555 构成振荡电路的构成方法。2）熟悉 555 构成振荡电路的调试方法。3）熟悉 555 振荡电路振荡频率的计算和测试方法3. 实训设备及元器件1)实训设备：直流稳压电源1台、双踪示波器1 台、面包板1 块、单股导线若干 万用表(数字表、指针表各1 块)。2)实训器件：可调电容1个、O.OluF电容1、个固定电阻1个、电位器1各、图 6.19 测试电路4. 测试内容1) 测试电路。2) 测试步骤：(1) 按图 6.19 接好电路，其中 V =5V, R=1KQ, C=0.47uF, R=1OOQ。DD

25、W 1(2) 在输出端接频率计，调节电位器R使输出频率f=1OOHz。并通过示波器观测输W出波形。(3) 通过测试计算该波形的占空比 q。(4) 将电容C改为0.22uF,重新调整电位器R，使输出频率f=100Hz，并计算该波W形的占空比。6.3 本章小结(1) 555 定时器是一种电路结构简单、使用方便灵活、应用非常广泛的模拟与数字电 路相结合的中规模集成电路，它具有较强的负载能力和较高的触发灵敏度，因而在自动控 制，仪器仪表，家用电器等许多领域都有着广泛的应用。(2) 在 555 定时器外部接少许阻容元器件可构成单稳态触发器、施密特触发器和多谐 振荡器。( 3)单稳态触发器只有一个稳态，在

26、输入触发信号作用下，由稳态进入暂稳态，经一 段时间后，自动回到原来的稳态，输出单脉冲信号。单稳态触发器主要用于脉冲整形、定 时、脉宽展宽等。（4）施密特触发器有两个稳态，具有滞后电压传输特性，主要用于波形变换、整形及 脉冲幅度的鉴别等。（5）多谐振荡器是一种自激振荡电路，它无稳态，只有两个暂稳态，接通电源后，无 需外加触发脉冲信号，依靠电容的充放电，电路便能在两个暂稳态之间相互翻转，产生矩 形脉冲信号。6.4 本章习题一、选择题1多谐振荡器可产生（ ）。A.正弦波B.矩形脉冲C.三角波D.锯齿波2单稳态触发器有（ ）个稳定状态。C. C2D. 3）。B .单稳态触发器D.JK 触发器A. 0B

27、.13555 定时器不可以组成（A. 多谐振荡器C .施密特触发器4. 用555定时器组成施密特触发器，当输入控制端CO外接10V电压时，回差电压为（ ）。A. 3.33VB.5VC . 6.66V D.10V5以下各电路中，（ ）可以产生脉冲定时。A. 多谐振荡器B. 单稳态触发器C.施密特触发器D.石英晶体多谐振荡器二、填空题1. 占空比的定义 与的比值。2. 施密特触发器具有现象；单稳触发器只有个稳定状态。3. 在数字系统中，单稳态触发器一般用于、等。4. 施密特触发器除了可作矩形脉冲整形电路外，还可以作为、。5. 多谐振荡器在工作过程中不存在稳定状态，故又称为。6. 单稳态触发器的工作

28、原理是：没有触发信号时，电路处于一种。外加触发信号，电路由翻转到。电容充电时，电路由自动返回 。三、判断题1. 多谐振荡器电路没有稳定状态，只有两个暂稳态。（）2. 脉冲宽度与脉冲周期的比值叫做占空比。（）3. 施密特触发器可用于将三角波变换成正弦波。（）4. 施密特触发器有两个稳态。（）5. 多谐振荡器的输出信号的周期与阻容元件的参数有关。 （ ）6单稳态触发器的暂稳态时间与输入触发脉冲宽度成正比。 （ ）7. 555定时器分TTL和CMOS两大类。（）8多谐振荡器是一种他激振荡器电路，该电路在接通电源后需外接触发信号才能 产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波。（）9.单稳态触发器有外加触发信

29、号时，电路由暂稳态翻转到稳态。（ ）10 .对于施密特触发器，使电路输出信号从0翻转到1的电平与从1翻转到0的电 平是不同的。 （ ）四、综合题1.由555组成的电路分别见下图（a）、（b）、（c）所示。（a） （b） （c）（1）说出各组成何种功能电路；（2）图（a）电路中，若Vdd=5V. R=15kO、R=25kQ. C=0.033pF，则 uo的振荡频率f为多少？12（3）图（b）电路中，若Vdd =5V、则电路的UT-、UT+、和回差电压各为多 少？（4）图（c）电路中，输出脉宽与哪些量有关，若R1=1Ok0、C= 6200pF,输 出脉宽t w2.单稳态触发器的特点有哪些？施密特触

30、发器具有什么特点？3如下图所示，电路工作时能够发出“呜呜”间歇声响,试分析电路的工作原一、选择题1B2B3D二、填空题1宽度脉冲周期4脉冲鉴幅器态三、判断题1对 2对6错 7对四、综合题1（1）图（a）2)6.5 习题答案4B5B2电平比较器 5滞回 1 无稳态电路3定时整形6稳态稳态延时 暂稳态暂稳态稳384对 5对9错 10对各组成多谐振荡器、1T=0.7(Rl+2R2)C=1.49ms, f=21015UT+= Ucc = V、UT-= Ucc = V、3333输出脉宽与R、C的值有关，t w=l.lRC=68ys,b）=671Hz。施密特触发器、单稳态触发器。回差电压= UT5-UT-

31、= V。3（4）2答：单稳态触发器的特点有电路中有一个稳态，一个暂稳态、在外来触发信号 作用下，电路由稳态翻转到暂稳态、暂稳态是一个不能长久保持的状态，由 于电路中 RC 延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。施 密特触发器特点有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电压值时，输出电压会发生突变。13.解：由公式（6-6）可得07（R1 + 2R2）C则有:11f - 07(R + 2R2)C - 0.7(100 + 2x 390)x 103 x 10x 10-6 - Hz112 0.7(R + 2R )C 一 0.7(100 + 2 x 620) x 103 x 10 x 10-6 - 1 Hz12