数字电路郭建才主讲-第七章

第7章脉冲信号的产生与整形

概述

555定时器及其应用

本章小结主要要求：

了解脉冲信号产生与整形的方法。

了解多谐振荡器的常用电路及其工作原理。

7.1概述了解施密特触发器和单稳态触发器的逻辑功能、工作特点和典型应用。常用的有施密特触发器和单稳态触发器。

一、脉冲信号产生与整形的方法获取脉冲信号的方法

脉冲信号产生与整形电路的实现是一种多用途集成电路，只要外接少量阻容元件就可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等，使用方便、灵活，应用广泛。用多谐振荡器直接产生。

用整形电路对已有波形进行整形、变换。

施密特触发器主要用以将缓慢变化或快速变化的非矩形脉冲变换成陡峭的矩形脉冲。单稳态触发器主要用以将宽度不符合要求的脉冲变换成符合要求的矩形脉冲。用门电路构成。用专用的集成电路。用

555

定时器构成。UOLUOH二、施密特触发器(一)施密特触发器的特性和符号UT=UT+-

UT-回差电压施密特触发器工作特点(1)允许输入信号为缓慢变化的信号。(2)有两个阈值电压。(3)有两个稳态。UT+OuOuIUT-正向阈值电压负向阈值电压当uI从小增大时，经过UT+处才能使输出发生跃变。当uI从大减小时，经过UT-处才能使输出发生跃变。SchmittTriggerUOLUOHUT+OuOuIUT-uOuI具有施密特特性的与非门符号OuItuOUT+UT-Ot(二)施密特触发器应用举例波形变换将三角波、正弦波和其它不规则信号变换成矩形脉冲。UOHUOLuI>

UT+

后，uO=

UOL,只有当uI下降到经过UT-

时，uO才会发生跃变。uI<UT-后，uO=UOH只有当

uI上升到经过

UT+时，uO才会发生跃变。脉冲整形将受到干扰的或不符合边沿要求的信号整形成较好的矩形脉冲。OuItOuOtUT+UT-OuItuOUT+UT-Ot脉冲幅度鉴别鉴别并取出幅度大于UT+的脉冲。UOLUOH即距形脉冲产生电路，由于距形脉冲中含有丰富的谐波分量，故常称多谐振荡器。(1)不需输入信号。(2)无稳定状态，只有两个暂稳态。

三、多谐振荡器

(一)多谐振荡器的工作特点和符号通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，输出周期性的矩形脉冲信号。GuO工作特点AstableMultivibrator四、单稳态触发器(一)工作特点与电路符号有一个稳态和一个暂稳态。无外触发脉冲输入时，电路处于稳态；在外触发脉冲作用下，电路将从稳态翻转到暂稳态，经一段时间后，电路又自动返回到原来的稳态。工作特点暂稳态时间长短取决于电路本身的参数，与外加触发脉冲无关。monostableflip-flop单稳态触发器暂稳态期间如再次被触发，对原暂稳时间无影响，输出脉冲宽度tW仍从第一次触发开始计算。暂稳态期间如再次被触发，输出脉冲宽度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽tW。

可重复触发型不可重复触发型uOuI1uOuI限定符号“1

”表示不可重复触发型单稳态触发器。限定符号“”表示可重复触发型单稳态触发器。下面通过工作波形的分析来说明可重复触发型和不可重复触发型触发器的区别。单稳工作波形举例不可重复触发型单稳输出波形可重复触发型单稳输出波形输入波形OuItOuOtOuOttWtWtWtW暂稳态期间不能再次触发。暂稳态期间能再次触发。其输出脉宽将在原暂稳态时间基础上再展宽tW。触发脉冲到来时，输出翻转为暂稳态，经暂稳态持续时间tW后重新自动回到稳态。外触发脉冲未来时，输出为稳态。(三)单稳态触发器应用举例1.

脉冲整形

单稳态触发器能够把不规则的输入信号vI，整形成为幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲vO。vO的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度tW决定于暂稳态时间。经过长距离传输后，脉冲信号的边沿会变差或波形上叠加某些干扰，利用整形可使其变成符合要求的波形。(三)单稳态触发器应用举例2.

脉冲定时因此，利用单稳态触发器可以控制门开通与否以及开通多长时间。uAuBuCuOG单稳态触发器组成的定时电路和工作波形uAuCuBuOuC门的定时时间即为单稳态触发器的暂稳态持续时间。tW

uC

为与门G开通与否的控制信号。uC=1，门G开通，信号uB通过门G输出；uC=0，门G关闭，uB不能输出。脉冲展宽电路和工作波形3.脉冲展宽OOuItuOttW将窄脉冲展宽成宽度为tW的脉冲掌握用555定时器构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的方法。主要要求：

了解555定时器的电路结构，掌握其符号和功能。7.2

555定时器及其应用555定时器简介555定时器是一种结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。它电源电压范围宽(双极型555定时器为5~16V，CMOS555定时器为3~18V)，可提供与TTL及CMOS数字电路兼容的接口电平，还可输出一定功率，驱动微电机、指示灯、扬声器等。TTL单定时器型号的最后3位数字为555，双定时器的为556；CMOS单定时器的最后4位数为7555，双定时器的为7556。一、555定时器的工作原理和逻辑功能比较器是一种用来比较输入信号VI和基准电压VREF的电路。VREFVIVO同向输入电压比较器输入信号VI加于同相输入端参考电压VREF加于反相输入端当差模输入电压VID=VI-VREF<0时，VO=VOL当差模输入电压VID=VI-VREF>0时，VO=VOH反向输入电压比较器参考电压VREF加于同相输入端VREF输入信号VI加于反相输入端VIVO反相输入大于基准输出为0同相输入大于基准输出为1比较器

555定时器的电路结构与符号

C1C2G3QQG1G2RSVR5k5k5kUR1UR2GNDVCCRDOUTCO555THTRDIS电路符号627153843OUT输出端

8VCC电源端

4RD直接置0端

DIS7放电端TH6阈值输入端TR2触发输入端CO5控制电压输入端

GND1接地端

集电极开路输出端UR1UR2构成电阻分压器，为比较器

C1、C2提供两个参考电压，UR1=2/3VCC，UR2=1/3VCC。

输出缓冲器OUT=Q构成基本RS触发器，决定电路输出。

放电管，其输入为Q，输出为开路集电极。Q构成电压比较器，比较TH与UR1和TR与

UR2的大小。555定时器的电路结构与符号

C1C2G3QQG1G2RSVR5k5k5kUR1UR23OUT输出端

8VCC电源端

4RD直接置0端

DIS7放电端TH6阈值输入端TR2触发输入端CO5控制电压输入端

GND1接地端

UR1UR2Q555定时器的工作原理与逻辑功能

101导通定时器5G555的功能表

不变不变1截止11导通01导通00V状态OUT

=

QRDTRTH输出输入××

直接置0端RD低电平有效，优先级最高。不用时应使其为1。不变不变1截止11导通01导通00V状态OUT

=

QRDTRTH输出输入××定时器5G555的功能表

01导通0110555定时器的工作原理与逻辑功能555定时器的工作原理与逻辑功能

不变不变1截止11导通01导通00V状态OUT

=

QRDTRTH输出输入××定时器5G555的功能表

10截止1001555定时器的工作原理与逻辑功能

不变不变1截止11导通01导通00V状态OUT

=

QRDTRTH输出输入××定时器5G555的功能表

11简化功能表

不变不变1截止11导通01导通00V状态OUTRD输出输入TRTH××使用要点(1)

RD低电平有效,优先级最高，

不用时应接高电平。通常不用CO端，为了提高电路工作稳定性，将其通过0.01F电容接地。(3)

TR低电平有效，TH高电平

有效，因此，TH加低电平、

TR加高电平时为非有效电

平，电路状态不变。(4)输出

0

时，Q

=

1，因此

V

导通；输出

1

时，

Q

=

0，故

V

截止。(5)注意：①

TH

电平高低是与

2/3VCC相比较，TR

电平高低是与

1/3VCC相比较。②若控制输入端

CO

加输入电压

uCO，则

UR1=

uCO

UR2=

uCO/2，故

TH

和

TR

电平高低的比较值将变成

uCO和

uCO/2。(2)TH和TR均为高电平时输出

0，均为低电平时输出1。二、用555定时器组成施密特触发器

0uOuIUOL1/3VCC2/3VCCUOH当TH=TR=uI>2/3VCC时电压传输特性为反相输出的滞回特性uIuO当TH=TR=uI<1/3VCC时1/3VCC0当1/3VCC<TH=TR=uI<2/3VCC时当uI<1/3VCC时当uI由高电平逐渐下降，且1/3VCC<uI<1/3VCC时不变不变1截止11导通01导通00V状态OUTRD输出输入TRTH××0uOuIUOL1/3VCC2/3VCCUOHUT+=2/3VCCUT-

=1/3VCCUT=UT+-

UT-

=1/3VCCOuO/Vt[例]试对应输入波形画出下图中输出波形。184355557+12V0.01FuIuO260uI/Vt246810THTRuIuO+12VUT+UT-abcdefUOH解：UT+=2/3VCC=8VUT-

=1/3VCC=4V因此可画出输出波形为电路构成反相输出的施密特触发器GNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01FRCuIuOuC-+三、用555定时器组成单稳态触发器(一)电路结构DISTHVCCRR、C为定时元件TRuIOUTuOGNDVCCRDCO0.01FCuC-+(二)工作原理、工作波形与参数估算1.稳定状态

接通电源后VCC经R向C充电，使uC

上升。uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC该电路触发信号为负脉冲，不加触发信号时，uI=

UIH(应

>

1/3

VCC)。

当uC

≥2/3VCC时，满足TR=uI>1/3VCC，TH=uI≥2/3VCC,因此uO为低电平，V导通，电容C经放电管V迅速放电完毕，uC

0V。这时TR=UIH>1/3VCC，TH=uC

0<2/3VCC，uO保持低电平不变。因此，稳态时

uC

0V，uO为低电平。充电工作原理

导通放电VuCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC0VUOLUIH2.触发进入暂稳态

(二)工作原理、工作波形与参数估算uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC

当输入uI由高电平跃变为低电平

(应<1/3VCC)时，使

TR=UIL<1/3VCC而TH=uC

0V<2/3VCC，因此uO跃变为高电平，进入暂稳态，这时放电管V截止，VCC又经R向C充电，uC

上升。UILUOH充电3.自动返回稳定状态

(二)工作原理、工作波形与参数估算uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC2.触发进入暂稳态

UIHUOL

TH≥2/3VCC放电V

当输入uI由高电平跃变为低电平

(应<1/3VCC)时，使

TR=UIL<1/3VCC而TH=uC

0V<2/3VCC，因此uO跃变

为高电平，进入暂稳态，这时放电管V截止，VCC又经R向C充电，uC

上升。这时uI必须已恢复为高电平

当uC

上升到uC

≥2/3VCC时，

TH

=

uC

≥2/3

VCC，而TR=uI=

UIH(>1/3VCC)，因此uO重新跃变为低电平。同时，放电管导通，C

经V迅速放电uC

0V，放电完毕后，电路返回稳态。[例]用上述单稳态电路输出定时时间为1s的正脉冲，R=27k，试确定定时元件

C的取值。

(二)工作原理、工作波形与参数估算uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC输出脉冲宽度tW即为暂稳态维持时间，主要取决于充放电元件R、C。该单稳态触发器为不可重复触发器，且要求输入脉宽tWI小于输出脉宽tWO。解：因为

tWO

1.1RC故可取标称值

33F。估算公式tWO1.1RCGNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01FR1CuOuC-+R2四、用555定时器组成多谐振荡器(一)电路结构DISVCCR1THTRGNDVCCRDCO0.01FOUTuOCuC-+R2(二)工作原理、工作波形与周期估算uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡ充电UOHTH=TR=uC很小Ⅰ

接通VCC后，开始时TH=TR=uC

0，uO为高电平，放电管截止，VCC经R1、R2向C充电，uC

上升，这时电路处于暂稳态Ⅰ。

工作原理

(二)工作原理、工作波形与周期估算uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡUOLTH

=

TR

≥

2/3

VCC

当uC上升到

TH=TR=uC

≥

2/3

VCC时，uO跃变为低电平，同时放电管

V导通，C经R2和V放电，uC

下降，电路进入暂稳态Ⅱ。工作原理

Ⅱ

接通VCC后，开始时TH=TR=uC

0，uO为高电平，放电管截止，VCC经R1、R2向C充电，uC

上升，这时电路处于暂稳态Ⅰ。

放电

当uC下降到

TH=TR=uC

≤1/3

VCC时，uO重新跃变为高电平，同时放电管V截止，C又被充电，uC

上升，电路又返回到暂稳态Ⅰ。(二)工作原理、工作波形与周期估算uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡTH=TR≤1/3VCCⅠ工作原理

当uC上升到

TH=TR=uC≥

2/3

VCC时，uO跃变为低电平，同时放电管

V导通，C经R2和V放电，uC下降，电路进入暂稳态Ⅱ。

接通VCC后，开始时TH=TR=uC

0，uO为高电平，放电管截止，VCC经R1、R2向C充电，uC

上升，这时电路处于暂稳态Ⅰ。

(二)工作原理、工作波形与周期估算电容C如此循环充电和放电，使电路产生振荡，输出矩形脉冲。uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡ周期与占空比估算tWH0.7(R1+R2)CtWL0.7R2CT=tWH+tWL0.7(R1+2R2)CGNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01FR1C+R2RP1RP2[例]指出右图中控制扬声器鸣响与否和调节音调高低的分别是哪个电位器？若原来无声，如何调节才能鸣响？欲提高音调，又该如何调节？解：R1、R2、RP1和C共同构成定时元件，因此调节RP1可调节音调高低。欲提高音调，则应减小RP1，因此触头应下移。RP2调节RP2可控制RD为0或1，从而控制振荡器工作与否，因此能控制扬声器鸣响与否。调节RP2使触头左移至适当位置，可使RD=1，使扬声器鸣响。RP1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输入端（管脚2）加入一个负脉冲，555输出端输出高电平，灯泡（RL）发光，当暂稳态时间（tW）结束时，555输出端恢复低电平，灯泡熄灭。该触摸开关可用于夜间定时照明，定时时间可由RC参数调节。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；同样，若触摸金属片A时，人体感应电信号经R4、R5加至T1基极，也能使T1导通，触发555，达到上述效果。爆光定时器工作过程：暗室工作时，不按开关K,都大为0,继电器线圈无电流通过，常闭触点不动作，安全灯（红）亮。按下开关K,电路进入暂稳态过程，同时输出为1，继电器线圈一电流通过，常闭触点断开，常开触点闭合爆光灯（白）亮。开始爆光。爆光时间为1.1RC,爆光时间到自动恢复为初始状态。

要改变爆光时间，只要改变R、C值即可。48351267555RCVCCR1KD1D2~220VJ模拟声响电路

用两个多谐振荡器组成模拟声响电路。适当选择定时元件，使：☆由于低频振荡器A的输出接高