第十章 脉冲波形的产生与变换

1、 主要内容主要内容555定时器的工作原理、逻辑功能 及由555构成的脉冲电路。由门电路构成的脉冲电路。 数字电路区别于模拟电路的主要特数字电路区别于模拟电路的主要特点之一是：它的工作信号是点之一是：它的工作信号是离散的脉冲离散的脉冲信号信号。 最常用的脉冲信号是方波最常用的脉冲信号是方波( (矩形波矩形波) )。如何产生方波以及对不理想的方波如何如何产生方波以及对不理想的方波如何整形，是本章讨论的重点。整形，是本章讨论的重点。脉冲电路分类脉冲电路分类：脉冲电路作用：脉冲电路作用：脉冲波形的产生和整形。脉冲波形的产生和整形。脉冲电路构成：脉冲电路构成： 开关电路开关电路 + RC+ RC电路电路

2、破坏电路的稳态，破坏电路的稳态，产生暂态。产生暂态。控制暂稳态时控制暂稳态时间的长短间的长短。脉冲电路与数字电路的比较：脉冲电路与数字电路的比较：单稳态电路（单稳态触发器）单稳态电路（单稳态触发器）多谐振荡（无稳态）电路多谐振荡（无稳态）电路施密特电路（施密特触发器）施密特电路（施密特触发器）数字电路的信号波形也是一种脉冲波形。数字电路的信号波形也是一种脉冲波形。脉冲电路侧重脉冲电路侧重波形波形，数字电路侧重，数字电路侧重逻辑关系。逻辑关系。电容充放电知识复习：电容充放电知识复习：(1) (1) 电容两端的电压不能突变，电容两端的电压不能突变，VcVc（0 0） VcVc（0 0）， 电容充放

3、电需要时间，有过渡过程，其时间长短只与电容充放电需要时间，有过渡过程，其时间长短只与 RCRC有关有关, ,工程上取工程上取33；（2 2）开始充放电（换路）瞬间，阻抗很小，相当短路；）开始充放电（换路）瞬间，阻抗很小，相当短路； 充放电结束，电路处于稳态，充放电结束，电路处于稳态，C C支路电流为支路电流为0 0，阻抗很大，阻抗很大， 相当开路；相当开路； （3 3）简单）简单RCRC电路中，各处电压、电流均按指数规律变化；电路中，各处电压、电流均按指数规律变化；（4 4）在简单）在简单RCRC电路中电路中)(tvC= =)(vC - -)(vC)0(vC+ +et)()()0()(lntv

4、vvvtCCCC- - -= =+ +或或本章讲授本章讲授2 集成门构成的脉冲电路集成门构成的脉冲电路1 555定时器的原理和应用定时器的原理和应用学习要求学习要求 555定时器的原理和应用定时器的原理和应用 555定时器是将模拟电路和数字电路集成于一体的定时器是将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。它使用方便电子器件。它使用方便, ,带负载能力较强带负载能力较强, , 目前得到了目前得到了非常广泛的应用。非常广泛的应用。单定时器单定时器双极型双极型最后最后3 3位数位数555555单极型单极型最后最后4 4位数位数75557555双定时器双定时器双极型双极型最后最后3 3位数位数5565

5、56单极型单极型最后最后4 4位数位数75567556型号：型号：一、一、 555555定时器的电路结构和基本功能定时器的电路结构和基本功能 555555定时器的内部电路包括以下几部分定时器的内部电路包括以下几部分 : : 两个电压比较器两个电压比较器: : C1C1、C2C2 ; ;一个基本一个基本RSRS 触发器触发器; ; 一个晶体管一个晶体管T T；由三个相等电阻组成的分压器由三个相等电阻组成的分压器; ;一个反相器一个反相器等等。 1. 1.电路结构电路结构由三个相等电阻组成的分压器由三个相等电阻组成的分压器一个基本一个基本RS 触发器触发器一个晶体管一个晶体管T一个反相器一个反相器

6、两个电压比较器两个电压比较器: C1、C2v vo o+ + +- - -8 84 45 56 62 27 71 13 31 1R RR RR RRbRbTHTHCOCOTRTRD DQ QQ Q+Vcc+VccR RD D C C1 1C C2 2T T触发触发输入端输入端阈值阈值输入端输入端电压电压控制端控制端复位端复位端电平有效电平有效放电端放电端4.54.518V18V输出端输出端地地v vo o+ + +- - -8 84 45 56 62 27 71 13 31 1R RR RR RRbRbTHTHCOCOTRTRD DQ QQ Q+Vcc+VccR RD D C C1 1C C2

7、 2T T电源电压范围电源电压范围:4.5V 18V555定时器的管脚图定时器的管脚图12345678555VCCD TH COGND TRVoRD电电源源放放电电阈阈值值电控电控压制压制地地触触发发输输出出复复位位2.2.基本工作状态基本工作状态vo+-845627131RRRRbTHCOTRDQQ+VccRD C1C2TVcc32Vcc31 三个电阻构成的分压器给两个比较器提供三个电阻构成的分压器给两个比较器提供基准电压基准电压: : 分别为分别为 和和 。Vcc32Vcc31001导通时 T ， VoQ： RD ,010 vo+-845627131RRRRbTHCOTRDQQ+VccRD

8、 C1C2T工作状态：工作状态： 在在THTH、TRTR、RD RD 端施端施加不同电平的控制加不同电平的控制信号，得到信号，得到555555的几的几种不同工作状态。种不同工作状态。 需了解需了解C1C1、C2C2、T T、Q Q、Q Q、Vo Vo 的工作情的工作情况。况。bTHCOTRD+VccRDvo+-845627131RRRRQQC1C22/3VCC1/3 VCC00011导通时 T ， VoQ： RD ,010 。、，导通,001101时 31 ,321 T VoQQ： RD C2C VVVV CCTRCCTH=1THCOTRD+VccRDvo+-845627131RRRRQQC1

9、C22VCC/3VCC/311010b状状态态不不变变。不不变变不不变变、， T VoQQ： RD ,;111时 31 ,321 C2C VVVV CCTRCCTH=THCOTRD+VccRDVo+-845627131RRRRQQC1C22VCC/32/3 2/3 VCCVCC1/31/3 VCC VCC0 0导通导通2/3 1/31/3 VCC VCC保持保持保持保持2/3 2/3 VCCVCC1/32/3 2/3 VCCVCC1/31/3 VCC VCC0 0导通导通2/3 1/31/3 VCC VCC保持保持保持保持2/3 2/3 VCCVCC1/32/3 2/3 VCCVCC。充电时间

10、决充电时间决定于定于RCRC的大的大小小。V6=VV6=VTHTHV2=VV2=VTRTRVoVoT T2/3 2/3 VCCVCC1/31/3 VCC VCC0 0导通导通2/3 1/31/3 VCC VCC保持保持保持保持2/3 2/3 VCCVCC1/32/3V2/3VCCCC时，时，VoVo0 0，T T导导通，通，C C放电。放电。V6=VV6=VTHTHV2=VV2=VTRTRVoVoT T2/3 2/3 VCCVCC1/31/3 VCC VCC0 0导通导通2/3 1/31/3 VCC VCC保持保持保持保持2/3 2/3 VCCVCC1/32/3 2/3 VCCVCC1/31/

11、3 VCC VCC0 0导通导通2/3 1/31/3 VCC VCC保持保持保持保持2/3 2/3 VCCVCC1/32/3 2/3 VCCVCC1/31/3 VCC VCC0 0导通导通2/3 1/31/3 VCC VCC保持保持保持保持2/3 2/3 VCCVCC1/32/3 2/3 VCCVCC1/31/3 VCC VCC0 0导通导通2/3 1/31/3 VCC VCC保持保持保持保持2/3 2/3 VCCVCC1/31/3 VCC VCC1 1截止截止2/3VCC tvi00vCt0vot 自动返回自动返回（V VI I1 1）: : 由以上过程可以由以上过程可以看出看出 : 每来一

12、次负每来一次负脉冲脉冲 , vo 便输出一便输出一个正脉冲个正脉冲,其宽度其宽度 tW 由由 R C 决定决定 。vIvOVCCRCvC0.01uF123487652/3VCCtvi00vC0votttW 输出脉冲宽度输出脉冲宽度t tw wt tw w是是VcVc从从0 0指数上升到指数上升到2V2VCCCC/3/3时所需的时间时所需的时间注意注意: :t tw w宽度的增加，将降低定时精度和稳度。宽度的增加，将降低定时精度和稳度。 t tw w 的范围为几秒到几分钟。的范围为几秒到几分钟。2/3VCCtvi00vC0votttW0)0(=+cvCCcVv=)(CCcVtv32)(=t tw

13、 wCCCCCCCCCCVVVRCtVVVVRC320ln)()()0()(ln- - -= =- - - - = =+ +1.1RC1.1RC2/3VccvCvI(S)vO 在充电过程中（在充电过程中（C1=1C1=1）, ,如如V VI I再次触发再次触发,C2=10,Q,C2=10,Q仍保持为仍保持为1 1，电路状态不变（电路状态不变（T T 截止，截止，C C保持充电状态）。保持充电状态）。多次触发时的情况：多次触发时的情况：故该电路为故该电路为不可重复触发不可重复触发型单稳态触发器：型单稳态触发器：vIvOVCCRCvC0.01uF12348765电路图：电路图：可重复触发的单稳态触

14、发器可重复触发的单稳态触发器+VccRDvo+-84562713RRRRQQC1C2RCvITbT1可重复触发的单稳态触发器（续）可重复触发的单稳态触发器（续）+VccRDvo+-84562713RRRRQQC1C2RCvITbT1工作过程工作过程b.b.触发时触发时: :a.a.稳态时稳态时: :V VI I=1,T1=1,T1截止截止, ,电路状态同电路状态同普通单稳。普通单稳。V VI I=0=0，电路触发翻转，电路触发翻转，VoVo1 1V VI I=0=0期间期间,T1,T1导通导通, ,电容不能充电。电容不能充电。V VI I=1=1后，后， T1T1截止截止, ,电容开始充电。电

15、容开始充电。可重复触发的单稳态触发器（续）可重复触发的单稳态触发器（续）+VccRDvo+-84562713RRRRQQC1C2RCvITbT1工作过程工作过程（续）（续）c.c.重复触发时重复触发时: :当当VcVc2/3V2/3Vcc 2/3Vcc Q=0, Q=0, V VO O=0,=0,恢复稳态，恢复稳态， TT导通导通, ,电容放电电容放电单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用一般用于一般用于（产生一定宽度的矩形波）（产生一定宽度的矩形波）（把不规则的波形转换成宽度、（把不规则的波形转换成宽度、 幅度都相等的波形）幅度都相等的波形）（把输入信号延迟一定时间后输出）（把输入信号延迟一定

16、时间后输出）uo&uiuAuo(a) 电 路 示 意 图(b) 波 形 图单 稳 态 触 发 器uououiuAtpuiuotp单稳态单稳态微分微分限幅限幅twtwtwacbd 555 555定时器做多谐振荡器定时器做多谐振荡器多谐振荡器的特点：多谐振荡器的特点： （1 1）不需外触发的自激振荡器；）不需外触发的自激振荡器； （2 2）无稳定状态，均为暂稳态；）无稳定状态，均为暂稳态； （3 3）矩形波中含有丰富的高次谐波，习惯称多谐振荡器。）矩形波中含有丰富的高次谐波，习惯称多谐振荡器。外接外接R1,R2,C电路：电路：+VccRDvo+-84562713RRRRbQQC1C2TR1

17、CR2V6=VV6=VTHTHV2=VV2=VTRTRVoVoT T2/3 2/3 VCCVCC1/31/3 VCC VCC0 0导通导通2/3 1/31/3 VCC VCC保持保持保持保持2/3 2/3 VCCVCC1/31/3 VCC VCC1 1截止截止vOVCCR1CvC0.01uF12348765R2 VccVcc通过通过R1R1、R2R2向向C C充电充电, ,在在 V VC C 没有充电到没有充电到 2 2V VCCCC/3 /3 之之 前前, ,V Vo o 保持保持 1 1 不变。不变。 当当V VC C2 2V VCCCC /3 /3时时 V Vo o由由1 1翻转为翻转为

18、 0 0 。 T T 导通导通 电容电容C C 经经R2R2、T T放电。放电。vC0t0tvoVCC /32VCC /3t1t2t3当当VcVc降至降至V VCCCC /3/3时，使得时，使得 V Vo o回到回到 1 1 TT截止截止 电容电容C C 再充电再充电，进入循环进入循环 .原理原理VCC/32VCC/3所需的时间：所需的时间：3 3/1 1V VCC3 3/ /2 2lnln2 2V VC CR Rt tCCCCw2w2= =0.70.7R R2 2C C第一个暂稳态的脉冲宽度第一个暂稳态的脉冲宽度t tw1w1 ，VcVc从从V VCCCC/3/3充电上升到充电上升到2V2V

19、CCCC/3/3所需的时间：所需的时间：第二个暂稳态的脉冲宽度第二个暂稳态的脉冲宽度t tw2w2 ，V Vc c从从2V2VCCCC/3/3放电下降到放电下降到 V VCCCC/3/33 3/ /2 23 3/ /1 1lnln) )( (2 21 1V VV VV VV VC CR RR Rt tCCCCCCCCCCCCCCCCw1w1- - -+ += =0.7(0.7(R R+ +R R) )C C2 21 1vOtW2tW1vc)()()0()(lntvvvvtCCCC- - -= =+ +占占 空空 比：比：频频 率：率：振荡周期振荡周期：CRRttTWW)2(7 . 02121+

20、 + + += =CRRTf)2(43. 1121+ + = =212112RRRRTtqW+ + += = =电路特点：电路特点：充放电电路各自独立。充放电电路各自独立。充电回路：充电回路：tw1=RACln2放电回路：放电回路：tw2=RBCln2占空比：占空比：q=tw1/(tw1+tw2) =RA / (RA+RB) 通过调节通过调节R2R2来调节占空比来调节占空比vOVCCR1C0.01uF12348765R2R3RARB占空比可调占空比可调多谐振荡器多谐振荡器: : 555 555定时器做施密特触发器定时器做施密特触发器施密特触发器施密特触发器的特点：的特点：（1 1）双稳态触发器

21、，有两个稳定的状态；）双稳态触发器，有两个稳定的状态；（2 2）电平触发）电平触发电压达到某个值时电路状态翻转；电压达到某个值时电路状态翻转；（3 3）具有滞后电压传输特性）具有滞后电压传输特性回差特性回差特性 （两次翻转输入电平不同）；（两次翻转输入电平不同）； 电路电路：2 2，6 6端连在一起作为信号输入端端连在一起作为信号输入端+VccRDvo+-84562713RRRRQQC1C2vIVcc1 vo1V VI I1/3V2/3V2/3VCCCC时，时，C1C10 0，C2C21 1，V VO O=0=0构成构成集电集电极开极开路型路型输出输出端。端。Rvi8 46 7 555 3 2

22、 5 1vo1+VCC+VCC1vovCO控制电压控制电压调节回差调节回差vivott00UT+UT2VCC/3VCC/3工作原理：工作原理：（a a）当）当V Vi i 0 0 时，由于比较器时，由于比较器 C C1 1=1=1、C C2 2=0=0，触发器置，触发器置 1 1，即，即Q Q1 1、0 0= =Q Q，。升高时，在未到达升高时，在未到达 2V2Vcccc/3/3以前，以前，的状态不会改变。的状态不会改变。V VO O 1 1V Vi iV VO O 1 1V6=VV6=VTHTHV2=VV2=VTRTRVoVoT T2/3 2/3 VCCVCC1/31/3 VCC VCC0

23、0导通导通2/3 1/31/3 VCC VCC保持保持保持保持2/3 2/3 VCCVCC1/31/3 VCC VCC1 1截止截止Rvi8 46 7 555 3 2 5 1vo1+VCC+VCC1vovCO控制电压控制电压调节回差调节回差vivott00UT+UT2VCC/3VCC/3（b）vi升高到升高到 2VCC/3 时，比较器时，比较器 C1输出为输出为 0、C2输出为输出为 1，触发器置，触发器置 0，即，即Q0、1= =Q， vo=0。此后，。此后， vi上升到上升到 VCC，然后再降低，但在未到达，然后再降低，但在未到达VCC/3以前，以前，vo0 的状态不会改变。的状态不会改变

24、。（a）当）当 vi0 时，由于比较器时，由于比较器 C1=1、C2=0，触发器置，触发器置 1，即，即 Q1、0= =Q，vo1。vi升高时，在未到达升高时，在未到达 2VCC/3 以前，以前， vo1 的状态不会改变。的状态不会改变。Rvi8 46 7 555 3 2 5 1vo1+VCC+VCC1vovCO控制电压控制电压调节回差调节回差vivott00UT+UT2VCC/3VCC/3（c）vi下降到下降到 VCC/3 时，比较器时，比较器 C1输出为输出为 1、C2输出为输出为 0，触发器置，触发器置 1，即即 Q1、0= =Q，vo=1。此后，。此后，vi继续下降到继续下降到 0，但

25、，但 vo1 的状态的状态不会改变。不会改变。（b）vi升高到升高到 2VCC/3 时，比较器时，比较器 C1输出为输出为 0、C2输出为输出为 1，触发器置，触发器置 0，即，即Q0、1= =Q， vo=0。此后，。此后， vi上升到上升到 VCC，然后再降低，但在未到达，然后再降低，但在未到达VCC/3以前，以前，vo0 的状态不会改变。的状态不会改变。（a）当）当 vi0 时，由于比较器时，由于比较器 C1=1、C2=0，触发器置，触发器置 1，即，即 Q1、0= =Q，vo1。vi升高时，在未到达升高时，在未到达 2VCC/3 以前，以前， vo1 的状态不会改变。的状态不会改变。下限

26、阈值电压下限阈值电压vovi(b)(b)逻辑符号逻辑符号(a)(a)传输特性传输特性VTVT+上限阈值电压上限阈值电压回差电压（滞后电压）回差电压（滞后电压）： VT+=2/3VCC; VT-=1/3VCCVT VTVT =1/3VCCvIvO在在7 7脚外接一电阻，并与脚外接一电阻，并与V VCC1CC1 相连，相连， v vO O=1=1时，时，v vO1O1= V= VCC1CC1; ; v vO O=0=0时，时，v vO1O1=0=0， 可以实现电平移动。可以实现电平移动。在在5 5脚上加控制电压脚上加控制电压V VCOCO可以改变可以改变V VT+T+,V,VT- T- ， 以调节

27、回差电压的大小以调节回差电压的大小Rvi8 46 7 555 3 2 5 1vo1+VCC+VCC1vovCO控制电压控制电压调节回差调节回差说明：说明：施密特触发器的应用：施密特触发器的应用：波形变换波形变换三角波、正弦波变换成方波三角波、正弦波变换成方波vItvOtVT+VT-VT+VT-vItvOt正弦波正弦波方波方波三角波三角波方波方波调节调节V VT+T+,V,VT-T-可以改变宽度可以改变宽度波形整形波形整形消除噪声干扰消除噪声干扰vItvOtVT+VT-vItvOtVT+VT-回差电压比较小回差电压比较小回差电压比较大回差电压比较大 幅度鉴别幅度鉴别vItvOtVT+VT-可以调

28、节可以调节V VT+T+作为鉴别门限作为鉴别门限构成多谐振荡器构成多谐振荡器1vCvOvC0ttvoVCC /32VCC /32 2 集成门构成的脉冲电路集成门构成的脉冲电路一、一、 单稳态触发器单稳态触发器RC不同接法不同接法微分型微分型积分型（没有正反馈，波形不好）积分型（没有正反馈，波形不好）1. 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器vO1vO2G2G1vIvR由由与非门与非门和和RC 微分电路微分电路构成，二个与非门首尾构成，二个与非门首尾相接交叉耦合，相接交叉耦合， RC 为定时元件。为定时元件。窄脉冲触发窄脉冲触发RRoff(1)(1)电路构成电路构成: :vo1vo2RCvivR

29、(a)(a)稳态稳态v vI I=1,=1,无触发，无触发，电路处于稳态，电路处于稳态，v vO1O1=0=0，v vO2O2=1=1v vC C00=1=0=1=0vO1vO2G2G1vIvRvIvO1vRvO2（2 2）工作原理：）工作原理：RRoffvIvO1vRvO2(b) 外加触发信号外加触发信号vI=0vO1=1,电容电压不能突变电容电压不能突变vR=1 vO2=0进入进入暂稳态暂稳态vO2=0 vO1=1vO2=0形成正反馈，自锁，形成正反馈，自锁，vI即使为即使为1也不影响。也不影响。=0=1=1=0vO1vO2G2G1vIvR(c) 自动返回自动返回=1电容电容C C按指数上

30、充电，按指数上充电，v vR R按指数逐渐降低；按指数逐渐降低；vO1vO2G2G1vIvRvIvO1vRvO2VTH当当v vR R 下降到达门电路下降到达门电路阈值电压（阈值电压（1.4V1.4V）时，电路状态将发生翻转时，电路状态将发生翻转v vI I即使恢复为高电平，由即使恢复为高电平，由于电路中的正反馈，输出于电路中的正反馈，输出仍能维持。仍能维持。v vR R下降，电路状态改变下降，电路状态改变v vR R下降下降vO2=1vO1=0电容电压不能突变电容电压不能突变v vC C=V=VTH TH v vR R下降下降V VvIvO1vRvO2VTHvO1vO2G2G1vIvR(d) 恢复稳态恢复稳态电容放电，电容放电，v vC C恢复恢复电路恢复到稳态电路恢复到