《电子技术》课件-第11章

第11章脉冲波形的产生与变换11.1555定时器11.2单稳态触发器11.3多谐振荡器11.4施密特触发器11.5能力训练习题

本章主要介绍555定时器的组成及功能，以及由555定时器组成的单稳态触发器、多谐波触发器及施密特触发器的电路结构及工作原理。

现代电子系统常常需要不同幅度、宽度以及具有陡峭边沿的脉冲信号，矩形脉冲波是应用最为广泛的一种波形，它常用于时序逻辑电路中作时钟信号(CP)等。获取矩形脉冲信号的方法通常有两种:一种是通过各种形式的多谐振荡器电路直接产生，一种是利用各种整形电路将已有的周期性变化信号变换为所需矩形波。

典型的矩形脉冲产生电路有双稳态触发电路、单稳态触发电路和多谐振荡电路三种类型。

双稳态触发电路具有两个稳定状态，两个稳定状态的转换都需要在外加触发脉冲的推动下才能完成。

单稳态触发电路只有一个稳定状态，另一个是暂稳定状态，从稳定状态转换到暂稳态时必须由外加触发信号触发，从暂稳态转换到稳态是由电路自身完成的，暂稳态的持续时

间取决于电路本身的参数。

多谐振荡电路能够自激产生脉冲波形，它的状态转换不需要外加触发信号触发，而完全由电路自身完成。因此它没有稳定状态，只有两个暂稳态。

11.1555定时器

555定时器是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，是一种多用途的集成电路。555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等诸多领域都有广泛的应用。图11－1为一种555定时器芯片外形图。图11－2为一种555定时器引脚分配图。图11－1一种555定时器芯片外形图图11－2555定时器引脚分配图

11.1.1电路结构

图11－3为一种555定时器电路内部结构图，它由比较器C1

和C2

、RS

锁存器和集电极开路的放电三极管V组成。图11－3555电路内部结构图

11.2单稳态触发器

单稳态触发器电路是一种具有稳态和暂态两种工作状态的基本脉冲单元电路。没有外加信号触发时，电路处于稳态。在外加信号触发下，电路从稳态翻转到暂稳态，并且经过一段时间后，电路又会自动返回到稳态。暂态时间的长短取决于电路本身的参数，而与触发信号作用时间的长短无关。使用555定时器可以很方便地组建单稳态触发器电路。

555定时器组建的单稳态触发电路大体上可用于以下两种场合:

(1)延时，将输入信号延迟一定时间(一般为脉宽TW

)后输出。

(2)定时，产生一定宽度的脉冲信号。

11.2.1电路结构和工作原理

图11－4所示为采用555定时器组建的单稳态触发器电路图。图11－5为由555定时器构成的单稳态触发器对应波形图。图11－4555定时器单稳态触发器电路图

(3)恢复期：

V导通后，电容C通过V迅速放电，使UC≈0，电路又恢复到稳态，第二个触发信号到来时，又重复上述过程。

11.2.2脉冲宽度TW

图11－5所生成的波形中输出脉冲宽度一般用TW来表示。输出脉冲宽度TW

是暂稳态的停留时间，根据电容C的充电过程可知:

得图11－5由555定时器构成的单稳态触发器波形图

图11－4所示电路对输入触发脉冲的宽度有一定要求，它必须小于TW

。若输入触发脉冲宽度大于TW

，则应在U

2输入端加RC微分电路。

11.3多谐振荡器

多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态相互转换而输出一系列矩形波，也称矩形波发生器。采用555定时器也能很方便地组建多谐振荡器，此时称555定时器处于无稳态工作状态。

11.3.1电路结构和工作原理

图11－6为采用555定时器构成的多谐振荡器电路图。图11－6采用555定时器构成的多谐振荡器电路

图11－7多谐振荡器电路工作波形

11.3.2振荡周期T的计算

多谐振荡器的振荡周期为两个暂稳态的持续时间，

T=T1+T2

。由图11－7UC的波形求得电容C的充电时间T

1

和放电时间T2

各为

因而振荡周期为

11.3.3占空比可调的多谐振荡器

相比较图11－6所示的多谐振荡器，图11－8所示的是采用555定时器组建的占空比可调的多谐振荡器。图11－8占空比可调的多谐振荡器

由图11－8易知：电容C的充电路径为UCC→R1

→VD1

→C→地，因而T1

=0.7R1C。

电容C的放电路径为C→VD2→R2

→V→地，因而T2

=0.7R2C。

振荡周期为

占空比为

11.4施密特触发器

施密特触发器是一种具有特殊功能的非门，其特性是:当加在它的输入端的电压逐渐上升到某个值时，输出端会突然从高电平跳到低电平，而当输入端的电压下降到另一个值时，输出会从低电平跳到高电平。施密特触发器具有很好的抗干扰能力，在电子电路中应用很广，主要有以下几方面:

(1)波形变换。施密特触发器可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换成矩形脉冲。

(2)脉冲整形。施密特触发器能将不规则的电压波形整形为矩形波。若适当增大回差电压，可提高电路的抗干扰能力。

(3)脉冲鉴幅。当一系列幅值不同的脉冲信号加到施密特触发器输入端时，只有那些幅值大于上触发电平U+的脉冲才在输出端产生输出信号。因此，通过这一方法可以选出幅值大于U+

的脉冲，即对幅值可以进行鉴别。

此外，施密特触发器也可以构成多谐振荡器等，是应用较广泛的脉冲电路。

采用555定时器也可以很方便地获得施密特触发器。图11－9为由555定时器组成的施密特触发器电路图。图11－9由555定时器组成的施密特触发器

图11－10施密特触发器波形图

从以上分析可以看出，电路在Ui上升和下降时，输出电压Uo翻转时所对应的输入电压值是不同的，一个为U+

，另一个为U-。这是施密特电路所具有的滞后特性，称为回差。

回差电压为

电路的电压传输特性如图11－10(b)所示。改变电压控制端Uco

(5脚)的电压值便可改变回差电压，一般Uco

越高，

ΔU

越大，抗干扰能力越强，但灵敏度相应降低。

图11－11为使用施密特触发器进行波形整形图，其中图(a)为顶部有干扰的输入信号，图(b)为回差电压较小的输出波形，图(c)为回差电压大于顶部干扰时的输出波形。图11－11波形整形

11.5能力训练

11.5.1由555定时器组成的模拟报警器电路生活中经常使用两个555定时器组成的多谐振荡器来充当报警器，图11－12就是一个采用两个多谐振荡器组成的模拟声响电路，该电路采用两个555定时器分别作为多谐振荡器的核心，通过适当选择定时元件(R、C)，可以使两个振荡器的振荡频率有明显变化。图11－12采用两个多谐振荡器组成的模拟声响电路

例如，当使振荡器A的振荡频率fA

=1Hz，振荡器B的振频率fB

=1kHz时，由于低频振荡器A的输出接至高频振荡器B的复位端(4脚)，当Uo1输出高电平时，

B振荡器才能振荡，

uo1

输出低电平时，

B振荡器被复位，停止振荡，因此可以使扬声器发出1kHz的间歇声响。其工作波形如图11－13所示。这样就得到了报警器报警声。

图11－13模拟声响电路工作波形

11.5.2由555定时器组成的占空比可调的方波产生器电路

图11－14为一种以555定时器为核心的占空比可调方波产生器。图11－14占空比可调的方波产生器电路

设占空比为D，则

调节RP1

，当其中心头滑向最上端时，

当RP1中心头滑向最下端时，

因此，通过调节RP1中心头位置可以对输出方波的占空比进行调节。为了调节方便，

RP1一般选用线性滑动变阻器。

习题

[题11.1]图11－15所示为由555定时器组成的施密特触发器电路详图，试求:

(1)当UCC

=12V，而且没有外接控制电压时，

UT+、UT-及ΔUT的值;

(2)当UCC

=9V、外接控制电压UCO

=5V时，

UT+、UT-

、ΔUT

的值。图11－15[题11.1]图

[题11.2]图11－16是用555定时器组成的开机延时电路。若给定C=25μF，

R=91kΩ，

UCC

=12V，试计算常闭开关S断开以后经过多长的延迟时间Uo

才跳变为高电平。图11－16[题11.2]图

[题11.3]试用555定时器设计一个单稳态触发器，要求输出脉冲宽度在1~10s的范围内可手动调节。给定555定时器的电源为15V。触发信号来自TTL电路，高、低电平分别为3.4V和0.1V。

[题11.4]在图11－17所示用555定时器组成的多谐振荡器电路详图中，若R1

=R2=5.1kΩ，

C=0.01μF，

UCC=12V，试计算电路的振荡频率。图11－17[题11.4]图

[题11.5]在图11－17所示用555定时器组成的多谐振荡器电路详图中，若R1

=33kΩ，

R2=27kΩ，

C=0.083μF

，

UCC

=15V，试计算电路的振荡频率。

[题11.6]图11－18是用555定时器构成的压控振荡器，试求输入控制电压Ui

和振荡频率之间的关系式。当Ui升高时，频率是升高还是降低?图11－18[题11.6]图

[题11.7]图11－19是一个简易电子琴电路，当琴键S1~Sn

均未按下时，三极管V接近饱和导通，

UE

约为0V，使由555定时器组成的振荡器停振。当按下不同琴键时，因R1~Rn的阻值不等，扬声器发出不同的声音。

若RB

=20kΩ，

R1=10kΩ，

RE

=2kΩ，三极管的电流放大系数β=150，

UCC=12V，