任务5 认识脉冲信号的产生于变换电路

1、任务任务5 秒脉冲发生器的设计与制作秒脉冲发生器的设计与制作认识脉冲信号的产生与变换电路认识脉冲信号的产生与变换电路教学目录教学目录概概 述述 一、一、脉冲信号脉冲信号 所谓脉冲信号，就是在瞬间突然变化、作用时间极所谓脉冲信号，就是在瞬间突然变化、作用时间极短的电压或电流。它可能是周期性的，也可能是非周短的电压或电流。它可能是周期性的，也可能是非周期性或单次的脉冲。期性或单次的脉冲。 矩形脉冲尖脉冲锯齿波阶梯波方波钟形脉冲断续正弦波梯形波概概 述述 二二、脉冲信号的主要参数脉冲信号的主要参数OuttrtfTUmUm0.9Um0.5Um0.1tw脉冲上升时脉冲上升时间（前沿）间（前沿）脉冲幅度脉

2、冲幅度脉冲下降时脉冲下降时间（后沿）间（后沿）脉冲宽度脉冲宽度脉冲周期脉冲周期占空比占空比wtqT概概 述述 三三、脉冲波形的产生脉冲波形的产生（1）利用振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲，）利用振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲，这种方式这种方式不需要外加触发信号不需要外加触发信号，只需要电路的电源，只需要电路的电源，这种电路称为这种电路称为多谐振荡电路多谐振荡电路。（2）通过各种整形电路，把已有的周期性变化波形）通过各种整形电路，把已有的周期性变化波形变换为符合要求的矩形脉冲，电路自身不能产生脉变换为符合要求的矩形脉冲，电路自身不能产生脉冲信号。常用的电路有冲信号。常用的电路有单稳态触发器

3、单稳态触发器和和施密特触发施密特触发器。器。5.1 多谐振荡器多谐振荡器5.1.1 门电路构成的多谐振荡器门电路构成的多谐振荡器1. 对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器D1和和D2是两个反相器。是两个反相器。C1和和C2是两个耦合电容，是两个耦合电容，C1=C2=C，RF1和和RF2是两个反馈电阻，且是两个反馈电阻，且RF1=RF2=RF，反相器，反相器D3做整形缓冲电路。做整形缓冲电路。若若D门的阈值电压门的阈值电压UTH=VDD/2，则振荡周期，则振荡周期T 1.4 RFC 5.1 多谐振荡器多谐振荡器5.1.1 门电路构成的多谐振荡器门电路构成的多谐振荡器2. 带带RC的环形的环形多谐振荡

4、器多谐振荡器D1和和D2是两个反相器。是两个反相器。C1和和C2是两个耦合电容，是两个耦合电容，C1=C2=C，RF1和和RF2是两个反馈电阻，且是两个反馈电阻，且RF1=RF2=RF，反相器，反相器D3做整形缓冲电路。做整形缓冲电路。5.1 多谐振荡器多谐振荡器5.1.1 门电路构成的多谐振荡器门电路构成的多谐振荡器2. 带带RC的环形的环形多谐振荡器多谐振荡器带带RC的环形多谐振荡的环形多谐振荡器工作波形如图所示。器工作波形如图所示。T 2.2RPC 5.1 多谐振荡器多谐振荡器5.1.2 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器石英晶体的频率稳定性非常高，误差只有石英晶体的频率稳定性非常高，

5、误差只有10-610-11，因此在，因此在频率稳定性要求较高的场合多采用石英晶体振荡器。频率稳定性要求较高的场合多采用石英晶体振荡器。5.1 多谐振荡器多谐振荡器5.1.2 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器图图a所示电路中所示电路中f0通常为几兆赫通常为几兆赫到几十兆赫。到几十兆赫。图图bd是另外几是另外几种常用的石英种常用的石英晶体振荡器，晶体振荡器，其中图其中图b中的中的f0=100kHz；c、d中的中的f0=32768Hz=215Hz，常用作数，常用作数字电子钟中的字电子钟中的时标信号。时标信号。5.1 多谐振荡器多谐振荡器5.1.3 555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡

6、器1. 555定时器的结构和工作原理定时器的结构和工作原理555定时器定时器为为数字数字模拟模拟混合集成电路。可产生精确的时间延混合集成电路。可产生精确的时间延迟和振荡，内部有迟和振荡，内部有3个个5K的电阻分压器，故称的电阻分压器，故称555。在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。许多领域中都得到了应用。 8脚双列直插型脚双列直插型 8脚脚T0-99型型 14脚双列直插型脚双列直插型 12各公司生产的各公司生产的555定时器的定时器的逻辑功能逻辑功能与与外引线排列外引线排列都完全相同。都完全相同。 双极

7、型产品双极型产品CMOS产品产品单单555型号的最后几位型号的最后几位数码数码5557555双双555型号的最后几位型号的最后几位数码数码5567556优点优点驱动能力驱动能力较大较大低功耗、高输入低功耗、高输入阻抗阻抗电源电压工作范围电源电压工作范围516V318V负载电流负载电流可达可达200mA可达可达4mA5.1 多谐振荡器多谐振荡器5.1.3 555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器1. 555定时器的结构和工作原理定时器的结构和工作原理5.1 多谐振荡器多谐振荡器5.1.3 555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器1. 555定时器的结构和工作原理定时器的结构和

8、工作原理电阻分压器电阻分压器电压比较器电压比较器基本基本RS触发器触发器输出缓冲反相器输出缓冲反相器集电极开路输出三极管集电极开路输出三极管控制电压控制电压阈值输入阈值输入触发输入触发输入DISVC1放电端放电端CCCVV321CCCVV312VC2DRRS5.1 多谐振荡器多谐振荡器5.1.3 555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器VC1VC2CO外接电压外接电压UCO时时COCUV1COCUV212DR低电平有效的复位输入端低电平有效的复位输入端正常工作时，处于高电平正常工作时，处于高电平输出为输出为0时，时，T导通，导通，输出为输出为1时，时，T截止。截止。用于提高电路的负用

9、于提高电路的负载能力。载能力。SRUU时，时， 输出输出高电平，反之则输高电平，反之则输出低电平。出低电平。1. 555定时器的结构和工作原理定时器的结构和工作原理当当TH2/3VCC， TR 1/3VCC时，时，R=0、S=1，T导通，导通，V0=0RVC1VC2S当当TH2/3VCC， TR 1/3VCC时，时，R=1、S=0，T截止，截止，V0=1DR当当TH2/3VCC， TR 1/3VCC时，时，R=1、S=1，V0保持保持由上可由上可得如下得如下口诀：口诀：大于、大于、出大于、大于、出0；小于、小于、出小于、小于、出1；小于、大于、保持小于、大于、保持1. 555定时器的结构和工作

10、原理定时器的结构和工作原理 16555定时器的功能表定时器的功能表 CCV3/2CCV3/ 1CCV3/2CCV3/2CCV3/ 1CCV3/ 1TH接至反相输入端，当接至反相输入端，当TH2/3UCC时，时，UC1输出低输出低电平，使触发器置电平，使触发器置0，故称为，故称为高触发端高触发端； TR接至同相输入端，当接至同相输入端，当TRUR2时，时，UC2输出低输出低电平，使触发器置电平，使触发器置1，故称为，故称为低触发端低触发端。 1. 555定时器的结构和工作原理定时器的结构和工作原理接通电源，接通电源，VCC经经R1、R2对电容对电容C充充电，当电，当uc =2/3 VCC时，时，

11、uo翻转为低电翻转为低电平。同时，平。同时，T饱和饱和导通，导通，C经经R2对对DIS端放电。电路进入端放电。电路进入第一暂稳态第一暂稳态。在电容在电容C放电过程中，放电过程中，uc随之下降。当随之下降。当下降到下降到1/3VCC时，输出时，输出uo由低电平翻转由低电平翻转到高电平，放电管到高电平，放电管T截止，电路进入截止，电路进入第第二暂稳态二暂稳态。 电路进入第二暂电路进入第二暂稳态后，稳态后，T处于处于截止状态。截止状态。VCC又经又经R1、 R2对对C充电。当充电。当uc充到充到2/3VCC时，输出时，输出由高电平翻转到由高电平翻转到低电平，电路返低电平，电路返回到第一暂稳态。回到第

12、一暂稳态。 此后电路交替进此后电路交替进行充、放电，使行充、放电，使两个暂稳态相互两个暂稳态相互交替，从而输出交替，从而输出周期性的矩形脉周期性的矩形脉冲。冲。2. 555定时器定时器构成构成的的多谐振荡器多谐振荡器结构和工作原理结构和工作原理电容电容C充电充电充充=( R1+R2)C 电容电容C放电放电放放= R2C 振荡周期为：振荡周期为： T0.7(R1+2R2)C占空比为：占空比为： 2. 555定时器定时器构成构成的的多谐振荡器多谐振荡器结构和工作原理结构和工作原理%1002)2(7 . 0)(7 . 0%10021212121w1RRRRCRRCRRTtq3. 占空比占空比的的多谐

13、振荡器多谐振荡器充电回路变为充电回路变为VCCR1VD1C地。地。 放电回路变为放电回路变为CVD2R2DIS地。地。CRt1w17 . 0CRt2w27 . 0CRRttT)(7 . 021w2w1%100%100211w1RRRTtq 将充放电回路分开，并接入调节元件将充放电回路分开，并接入调节元件，如图所示，就构成一个，如图所示，就构成一个占空比可调的矩形脉冲发生器。占空比可调的矩形脉冲发生器。调节范围为调节范围为10%90%。 5.1 多谐振荡器多谐振荡器5.1.3 555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器【例【例5-1】图示是简易温控报警电路，试分析电路的工作原理。】图示是

14、简易温控报警电路，试分析电路的工作原理。 555定时器构成了一个多谐振荡器。常温下定时器构成了一个多谐振荡器。常温下ICEO随温度升高而快随温度升高而快速增大。速增大。当温度低于设定温度值时，当温度低于设定温度值时，ICEO较小，复位端较小，复位端 (4脚脚)为低为低电平，振荡电路不工作，扬声器不发声。当温度高于设定温度值时，电平，振荡电路不工作，扬声器不发声。当温度高于设定温度值时，ICEO较大，复位端较大，复位端 (4脚脚)的电位为高电平，振荡电路开始工作，扬的电位为高电平，振荡电路开始工作，扬声器发出报警声音。声器发出报警声音。5.1 多谐振荡器多谐振荡器5.1.3 555定时器构成的多

15、谐振荡器定时器构成的多谐振荡器【例例5-2】图示图示电路电路是用是用555定时器定时器构成的电子双音门铃电路，试分构成的电子双音门铃电路，试分析其工作原理。析其工作原理。 5.1 多谐振荡器多谐振荡器5.1.3 555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器解：在图示电路中，在图示电路中，555定时器构成了一个多谐振荡器。定时器构成了一个多谐振荡器。 当按钮当按钮SB按下时，开关闭合，按下时，开关闭合，+VCC经经VD2向向C3充电，充电，P点电点电位迅速充至位迅速充至+VCC，复位解除；由于，复位解除；由于VD1将将R3旁路，旁路，+VCC经经VD1、R1、R2向向C充电，充电时间常数为

16、充电，充电时间常数为(R1+R2)C，放电时间常数为，放电时间常数为R2 C，多谐振荡器产生高频振荡，多谐振荡器产生高频振荡，扬声器发出高音扬声器发出高音。 当按钮当按钮SB松开时，开关断开，由于电容松开时，开关断开，由于电容C3储存的电荷经储存的电荷经R4放电要维持一段时间，在放电要维持一段时间，在P点电位降至复位电平之前，电路将点电位降至复位电平之前，电路将继续维持振荡。但此时继续维持振荡。但此时+VCC经经R3、R1、R2向向C充电，充电时间充电，充电时间常数增加为常数增加为(R3+R1+R2)C，放电时间常数仍为，放电时间常数仍为R2 C，多谐振荡，多谐振荡器产生低频振荡，器产生低频振

17、荡，扬声器发出低音扬声器发出低音。 当电容当电容C3持续放电，使持续放电，使P点电位降至点电位降至555的复位电平以下时，的复位电平以下时，多谐振荡器停止振荡，多谐振荡器停止振荡，扬声器停止发声扬声器停止发声。 调节相关参数，可以改变高、低音发声频率以及低音维持调节相关参数，可以改变高、低音发声频率以及低音维持时间。时间。5.2 单稳态触发器单稳态触发器v 单稳态触发器的工作特点：单稳态触发器的工作特点：(1)它有它有稳态和暂稳态稳态和暂稳态两个工作状态，在没有受到外界触两个工作状态，在没有受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器保持在稳态；发脉冲作用的情况下，单稳态触发器保持在稳态；(2)

18、在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳态；暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳态；(3)暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。发脉冲的宽度和幅度无关。v 单稳态触发器在数字系统中应用很广泛，通常用于脉单稳态触发器在数字系统中应用很广泛，通常用于脉冲信号的展宽、延时及整形。冲信号的展宽、延时及整形。5.2 单稳态触发器单稳态触发器5.2.1 CMOS门构成的单稳态触发器门构成的单稳态触发器1.当当ui为高电平为高电平(无触发信号无

19、触发信号)时，电路处于时，电路处于稳定状态，稳定状态，uo1=0，uo2=1。2.当在输入端加负触发脉冲当在输入端加负触发脉冲时，电路迅速进入时，电路迅速进入暂稳状态暂稳状态，uo1=1，uo2=0。3.电路在暂稳态期间，电路在暂稳态期间，uo1对对电容充电，使电容充电，使uC 按指数规律按指数规律上升，上升，uR按指数规律下降，按指数规律下降，当当uR下降到下降到D2门的阈值电压门的阈值电压时，时，电路自动返回到稳态电路自动返回到稳态。4.暂稳态结束后，电容暂稳态结束后，电容C上已充有一定的电压，因此，电路返回稳上已充有一定的电压，因此，电路返回稳态后需经态后需经C的放电过程，电容上的电压才

20、能恢复到稳态时的数值，的放电过程，电容上的电压才能恢复到稳态时的数值，这一过程即为这一过程即为恢复过程恢复过程。或非门构成，或非门构成，低电平触发低电平触发5.2 单稳态触发器单稳态触发器5.2.1 CMOS门构成的单稳态触发器门构成的单稳态触发器RCVVVRCt7 . 05 . 00lnDDDDDDw5.2 单稳态触发器单稳态触发器5.2.1 CMOS门构成的单稳态触发器门构成的单稳态触发器微分型单稳态触发器也可以由或非门构成，微分型单稳态触发器也可以由或非门构成，高电平触发。高电平触发。5.2.2 555定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器 27工作原理：工作原理：稳态为稳态为

21、0 低触发低触发有效置有效置1 T截止，截止， C充电充电 自动返自动返回稳态回稳态0 提高基准电提高基准电压稳定性的压稳定性的滤波电容滤波电容 输出脉冲的宽度输出脉冲的宽度tw1.1RC。当触发脉冲当触发脉冲uI为高电平时，为高电平时，VCC通过通过R对对C充电，充电，当当TH = uC2/3VCC时，高触发端时，高触发端TH有效置有效置0；此时，；此时，放电管导通，放电管导通，C放电，放电，TH = uC =0。稳态为。稳态为0状态。状态。 此时放电管此时放电管T截止，截止，VCC通过通过R对对C充电。充电。 当当TH = uC2/3VCC时，使高触发端时，使高触发端TH有效，置有效，置0

22、状态，电路自动返回稳态，此时放电管状态，电路自动返回稳态，此时放电管T导通。导通。 电路返回稳态后，电路返回稳态后，C通过导通的放电管通过导通的放电管T放电，放电，使电路迅速恢复到初始状态。使电路迅速恢复到初始状态。 T导通，导通， C放电放电 5.2.2 555定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器【例【例5-3】图示】图示电路电路为为555定时器构成的触摸定时控制开关，试分析定时器构成的触摸定时控制开关，试分析其工作原理。其工作原理。解：解：图示电路中图示电路中555定时器定时器接成了一个单稳态触发器接成了一个单稳态触发器，当用手触摸金属片时，由于当用手触摸金属片时，由于人体的感

23、应电压，相当于在人体的感应电压，相当于在触发输入端触发输入端(2脚脚)加入了一个加入了一个负脉冲，电路被触发，转入负脉冲，电路被触发，转入暂稳状态，暂稳状态，输出高电平，灯输出高电平，灯泡被点亮。泡被点亮。经过一段时间经过一段时间(tw)后，电路自动返回稳态，后，电路自动返回稳态，输输出低电平，灯泡熄灭。出低电平，灯泡熄灭。 灯泡灯泡点亮的时间为点亮的时间为 调节调节R、C的取值，可控制的取值，可控制灯泡点亮的时间。灯泡点亮的时间。5.2 单稳态触发器单稳态触发器5.2.3 集成单稳态触发器集成单稳态触发器5.2 单稳态触发器单稳态触发器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不可

24、重复触发不可重复触发的单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态以后的单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态以后，再加入触发脉冲不影响电路的工作过程，必须在暂稳，再加入触发脉冲不影响电路的工作过程，必须在暂稳态结束以后，才能接收下一个触发脉冲而转入暂稳态。态结束以后，才能接收下一个触发脉冲而转入暂稳态。可重复触发可重复触发的单稳态触发器在电路被触发而进入暂稳的单稳态触发器在电路被触发而进入暂稳态期间，如果再次加入触发脉冲，电路将重新被触态期间，如果再次加入触发脉冲，电路将重新被触发，输出脉冲再继续维持一个宽度。发，输出脉冲再继续维持一个宽度。v 不可重复触发的单稳态触发器不可重复触发的单稳态触发器741215

25、.2.3 集成单稳态触发器集成单稳态触发器5.2 单稳态触发器单稳态触发器5.2.3 集成单稳态触发器集成单稳态触发器5.2 单稳态触发器单稳态触发器集成单稳态触发器集成单稳态触发器74121逻辑功能表逻辑功能表5.2.3 集成单稳态触发器集成单稳态触发器5.2 单稳态触发器单稳态触发器v 集成单稳态触发器集成单稳态触发器74121的外部元件连接的外部元件连接使用外接电阻使用外接电阻Rext/ Cext （下降沿有效）（下降沿有效）使用内接电阻使用内接电阻Rin （上升沿有效）（上升沿有效）5.2.4 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用5.2 单稳态触发器单稳态触发器1.脉冲整形脉冲整形2.

26、脉冲定时脉冲定时脉冲定时脉冲定时5.2.4 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用5.2 单稳态触发器单稳态触发器3.脉冲延时脉冲延时5.3.1 门电路构成的施密特触发器门电路构成的施密特触发器5.3 施密特触发器施密特触发器 施密特触发器可以把输入缓慢变化的不规则波形整形成为适合施密特触发器可以把输入缓慢变化的不规则波形整形成为适合数字电路所需要的矩形脉冲。它有数字电路所需要的矩形脉冲。它有两个稳定状态两个稳定状态，这两个稳定，这两个稳定状态之间的转换和状态的维持都依赖于外加触发信号。状态之间的转换和状态的维持都依赖于外加触发信号。5.3.1 门电路构成的施密特触发器门电路构成的施密特触发器5

27、.3 施密特触发器施密特触发器uo=1，电路处于第一稳态。，电路处于第一稳态。uo=0，电路处于第二稳态。，电路处于第二稳态。在在ui上升过程中，只要上升过程中，只要uiUT+，触发器由第一稳态翻转到第二稳，触发器由第一稳态翻转到第二稳态。在态。在ui下降过程中，只要下降过程中，只要uiU T-，触发器就可以由第二稳态返，触发器就可以由第二稳态返回到第一稳态。回到第一稳态。UT+称为正向阈值电压。称为正向阈值电压。UT - 称为反向阈值电压。称为反向阈值电压。回差回差T+T-TUUU5.3.2 555定时器构成的施密特触发器定时器构成的施密特触发器5.3 施密特触发器施密特触发器0ui1/3V

28、cc时，uo=uOH。1/3Vccui2/3Vcc时，保持，uo=uOH。2/3Vccui时，uo=uOL。1/3Vccui2/3Vcc时，保持，uo=uOL。0ui1/3Vcc时，uo=uOH。如果在UIC加上控制电压，则可以改变UT+和UT5.3.2 555定时器构成的施密特触发器定时器构成的施密特触发器5.3 施密特触发器施密特触发器电路的回差电压为：电路的回差电压为： 13TTTCCUUUV5.3.3 集成施密特触发器集成施密特触发器5.3 施密特触发器施密特触发器5.3.4 施密特触发器的应用施密特触发器的应用5.3 施密特触发器施密特触发器1. 波形变换波形变换利用施密特触发器能很

29、方便地将连续变化的正弦波或利用施密特触发器能很方便地将连续变化的正弦波或三角波变换成矩形波三角波变换成矩形波。5.3.4 施密特触发器的应用施密特触发器的应用5.3 施密特触发器施密特触发器2. 脉冲整形脉冲整形5.3.4 施密特触发器的应用施密特触发器的应用5.3 施密特触发器施密特触发器3. 脉冲幅度鉴别脉冲幅度鉴别5.3.4 施密特触发器的应用施密特触发器的应用5.3 施密特触发器施密特触发器图图a示示电路电路为冰箱中的温度控制系统。设传感器的输出变化为为冰箱中的温度控制系统。设传感器的输出变化为1V/，传感器的输出波形如图，传感器的输出波形如图b所示，将冰箱的温度控制在所示，将冰箱的温

30、度控制在46之间。试分析电路的工作原理，并说明采用施密特触发器作为温之间。试分析电路的工作原理，并说明采用施密特触发器作为温度比较器的好处。度比较器的好处。由于传感器的输出为由于传感器的输出为1V/，若将冰箱的温度控制在，若将冰箱的温度控制在46之间，之间，则施密特触发器的则施密特触发器的UT+=6V，UT- =4V。故故当当u14V时时，施密特触发器输出高电平，即，施密特触发器输出高电平，即u2=1，冰箱压缩机冰箱压缩机不工作；不工作；5.3.4 施密特触发器的应用施密特触发器的应用5.3 施密特触发器施密特触发器当当4Vu16V时时，施密特触发器保持原来的状态，输出仍为高电，施密特触发器保

31、持原来的状态，输出仍为高电平，即平，即u2=1，冰箱压缩机不工作冰箱压缩机不工作；当当u2 6V时，施密特触发器输出低电平，即时，施密特触发器输出低电平，即u2=0，冰箱压缩机工冰箱压缩机工作作，使温度迅速降低。施密特触发器输出波形如图所示，在，使温度迅速降低。施密特触发器输出波形如图所示，在u2低低电平期间，冰箱压缩机工作。电平期间，冰箱压缩机工作。采用施密特触发采用施密特触发器后，冰箱压缩器后，冰箱压缩机启动时间间隔机启动时间间隔长，可以避免压长，可以避免压缩机过于频繁工缩机过于频繁工作，延长压缩机作，延长压缩机的使用寿命，同的使用寿命，同时减少噪声。时减少噪声。5.4 555定时器的应用训练定时器的应用训练1.训练目的训练目的2.设备与器件设备与器件1)熟悉熟悉555型集成时基电路结构、工作原理及其特点。型集成时基电路结构、工作原理及其特点。2)掌握掌握555型集成时基电路的基本应用。型集成时基电路的基本应用。 5V直流电源，逻辑电平