第 7 单元脉冲波形的产生和变换

第7单元脉冲波形的产生和变换 7.1 概述 7.2 集成555定时器 7.3 施密特触发器 7.4 单稳态触发器 7.5 多谐振荡器退出

学习内容 • 通过这一单元的学习，主要掌握如下知识： • 多谐振荡器、单稳态电路和施密特触发器的工作原理。 • 能够运用555电路设计多谐振荡器、单稳态电路和施密特触发器。

7.1 概述 1．常见脉冲波形: 2．常用的脉冲参数:

7.2 集成555定时器 4.5～16V 1．555定时器的电路结构复位端低电平有效电压控制端高电平触发端低电平触发端放电端

R V D CC (8) (4) Ω 5k (5) CO R & C 1 (6) TH G Ω 5k & 1 (3) & v S C (2) 2 Ω 5k (7) , v T O (1) 7.2 集成555定时器一、555定时器的电路结构由以下几部分组成：（1）三个5k电阻组成的分压器。复位，低电平有效电源电压控制端（2）两个电压比较器 C1和C2。高电平触发端低电平触发端电压比较器的功能： v+> v-，vO=1 v+< v-，vO=0 放电端

R V D CC (8) (4) Ω 5k (5) V R CO CC D R & C 1 (6) v 8 4 TH IC 5 G TH Ω 5k v & 1 6 (3) O 3 & 555 v S C 2 (2) 2 , v O 7 1 Ω 5k (7) , v T O (1) （3）基本RS触发器，（4）放电三极管T及缓冲器G。复位，低电平有效电源电路符号电压控制端高电平触发端低电平触发端放电端

R V D CC (8) (4) Ω 5k (5) CO R & C 1 (6) TH G Ω 5k & 1 (3) & v S C ①R=0时，Q=1，uo=0，T导通。 (2) 2 Ω 5k (7) , v T O (1) 0 0 1

R V D CC (8) (4) Ω 5k (5) CO R & C 1 (6) TH G Ω 5k & 1 (3) & v S C ①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。 (2) 2 ②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。 Ω 5k (7) , v T O (1) 0 0 1 ＞2VCC/3 0 1 ＞VCC/3

R V D CC (8) (4) Ω 5k (5) CO R & C 1 (6) TH G Ω 5k & 1 (3) & v S C ①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。 (2) 2 ③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=1、C2=1，Q、Q不变，uo不变，T状态不变。 ②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。 Ω 5k (7) , v T O (1) 0 1 1 1 0 ＜2VCC/3 0 1 1 ＞VCC/3

R V D CC (8) (4) Ω 5k (5) CO R & C 1 (6) TH G Ω 5k & 1 (3) & v S C ①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。 (2) 2 ③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=1、C2=1，Q、Q不变，uo不变，T状态不变。 ②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。 ④R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＜VCC/3时，C1=1、C2=0，Q=0、Q=1，uo=1，T截止。 Ω 5k (7) , v T O (1) 1 1 0 ＜2VCC/3 1 0 ＜VCC/3

2．工作原理 想一想：555电路的主要功能是什么，放电端如果并联在充放电回路上的电容两端可能会出现什么现象？

7.3施密特触发器 7.3.1用555定时器构成的施密特触发器 7.3.2 集成施密特触发器 7.3.3 施密特触发器的应用举例退出

V V CC CC 2 2/3VCC R V D CC R 8 4 1/3VCC v IC v 7 5 O 2 TR 6 v v I 3 O 1 555 2 1 7.3 施密特触发器施密特触发器——具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。 7.3.1用555定时器构成的施密特触发器 1.电路组成及工作原理

V CC (8) (4) Ω 5k R & CC C 1 (6) TR G Ω 5k & 1 (3) v & I v CC S O1 C (2) 2 V CC2 R Ω 1 5k (7) v O2 T 电路符号 (1) 2/3V 1/3V 放电端

传输特性 Vo VOH ΔVT VOL Vi 2/3VCC 0 1/3VCC 2/3VCC 1/3VCC 2.电压滞回特性和主要参数（1）电压滞回特性（2）主要静态参数（a）上限阈值电压VT+ vI上升过程中，输出电压vO由高电平VOH跳变到低电平VOL时，所对应的输入电压值。VT+=2/3VCC。（b）下限阈值电压VT — vI下降过程中，vO由低电平VOL跳变到高电平VOH时，所对应的输入电压值。VT—=1 /3VCC。（3）回差电压ΔVT ΔVT= VT+－VT—=1 /3VCC

V CC (8) (4) Ω 5k R & CC C 1 (6) TH G Ω 5k & 1 (3) v & I v CC S O1 C (2) 2 V CC2 vO1 R Ω 1 5k (7) v O2 T (1) V V CC CC 2 R V D CC R 8 4 v IC v 7 5 v v O 2 O1 O2 TH VCC2 6 电路符号 v v I 3 O 1 555 2 1 t t 2/3V 1/3V 放电端

1. CMOS集成施密特触发器CC40106 2. TTL集成施密特触发器74LS14 7.3.2集成施密特触发器

VT+ 输入 VT- 输出 7.3.3 施密特触发器的应用举例 1. 用作接口电路——将缓慢变化的输入信号，转换成为符合TTL系统要求的脉冲波形。 2. 用作整形电路——把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。

3. 用于脉冲鉴幅——从一系列幅度不同的脉冲信号中，选出那些幅度大于VT+的输入脉冲。

7.4 单稳态触发器 7.4.1 用555定时器的单稳态触发器 7.4.2 集成单稳态触发器 7.4.3 单稳态触发器的应用退出

V CC R V R D CC 8 4 7 v 3 O TH v 6 C 555 v 2 I 1 C 5 0.01 μF C 1 7.4 单稳态触发器单稳态触发器——有一个稳态和一个暂稳态；在触发脉冲作用下，由稳态翻转到暂稳态；暂稳状态维持一段时间后，自动返回到稳态。 7.4.1 用555定时器组成单稳态触发器 1. 电路组成及工作原理（1）无触发信号输入时电路工作在稳定状态当vI=1时，电路工作在稳定状态，即vO=0，vC=0。

V CC R V R D CC 8 4 7 v 3 TH O v 6 C 555 v 2 I 1 C 5 0.01 μF C 1 （2）vI下降沿触发当vI下降沿到达时，vO由0跳变为1，电路由稳态转入暂稳态。

V CC (8) (4) Ω 5k R 2/3V R & CC C 1 (6) TH G Ω 5k & 1 (3) v & C 1/3V v CC S O C (2) 2 v I C Ω 5k (7) T 放电端 (1)

（3）暂稳态的维持时间 在暂稳态期间，三极管T截止，VCC经R向C充电。时间常数τ1=RC， vC由0V开始增大，在vC上升到2/3VCC之前，电路保持暂稳态不变。（4）自动返回时间——当vC上升至2/3VCC时，vO变0，电路由暂稳态重新转入稳态。（5）恢复过程——当暂稳态结束后，C通过饱和导通的T放电，时间常数 τ2=RCESC，由于RCES很小，所以放电很快。C放电完毕，恢复过程结束。

TW T 2. 主要参数估算 • 输出脉冲宽度Tw（用三要素法计算）（2）恢复时间tre tre=（3～5）τ2 （3）最高工作频率fmax vI周期的最小值： Tmin= tW＋tre 最高工作频率:

74121功能表 输入输出工作特征 A1 A1 B vO vO 0 × 1 × 0 1 × × 0 1 1 × 0 1 0 1 0 1 0 1 保持稳态 1 ↓ 1 ↓ 1 1 ↓ ↓ 1 下沿触发 0 × ↑ × 0 ↑ 上沿触发 1. TTL集成单稳态触发器74121的逻辑功能和使用方法 7.4.2 集成单稳态触发器74121 A1、A2是下沿有效的触发信号输入端，B是上沿有效的触发信号输入端。

集成单稳态触发器74121的外部元件连接方法: （a）使用外部电阻Rext且电路为下降沿触发的连接方式。（b）使用内部电阻Rint且电路为上升沿触发的连接方式。

2. 74121的主要参数 (1) 输出脉冲宽度tW 使用外接电阻： tW ≈0.7RextC 使用内部电阻： tW ≈0.7RintC 74121内部电阻=2kΩ，外接电阻Rext可在1.4～40kΩ之间选择，外接电容C可在10pF～10μF之间选择，（2）输入触发脉冲最小周期Tmin Tmin= tW＋tre （3）周期性输入触发脉冲占空比q 定义： q = tW/T 最大占空比： qmax= tW/ Tmin 所以，当R=2kΩ时，最大占空比qmax为67%；当R=40kΩ时，最大占空比qmax可达90%。

3. 关于集成单稳态触发器的重复触发问题 集成单稳有不可重复触发型和可重复触发型两种。不可重复触发的单稳一旦被触发进入暂稳态以后，再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，必须在暂稳态结束以后，它才能接受下一个触发脉冲而转入下一个暂稳态。而可重复触发的单稳态在电路被触发而进入暂稳态以后，如果再次加入触发脉冲，电路将重新被触发，使输出脉冲再继续维持一个tW宽度。 74121、74221、74LS221都是不可重复触发的单稳态触发器。属于可重复触发的触发器有74122、74LS122、74123、74LS123等。

7.4.3 单稳态触发器的应用 （1）延时图中，v/O的下降沿比vI的下降沿滞后了时间tW。 1. 延时与定时（2）定时当v/O=1时，与门打开， vO= vF。当v/O=0时，与门关闭，vO为低电平。与门打开的时间是单稳输出脉冲v/O的宽度tW。

2. 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。

+V CC (+6V) R 100k 8 4 7 3 P 5 5 5 6 2 R L C 1 5 100μ C 1 0.01μ 3. 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。

4. 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。

7.5 多谐振荡器 7.5.1用555定时器构成的多谐振荡器 7.5.2 多谐振荡器应用实例退出

vc 2/3VCC 1/3VCC 0 t vo t 0 7.5.1 用555定时器构成的多谐振荡器多谐振荡器——能产生矩形脉冲波的自激振荡器。一．电路组成及工作原理 V CC R 1 R V D CC 4 8 P 7 R v 3 2 O TH 555 6 v C 2 5 1 C 0.01 μF C 1

V CC (8) (4) Ω 5k R 1 P R & CC C 1 (6) TH R 2 G Ω 5k & 1 (3) v & C v CC S O C (2) 2 C Ω 5k (7) T (1) EWB演示——555组成多谐振荡器 2/3V 1/3V 放电端

vc 2/3VCC 1/3VCC 0 t vo T1 T2 t 0 T 2.振荡频率的估算（1）电容充电时间T1：（用三要素法计算）（2）电容放电时间T2 （3）电路振荡周期T T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C （4）电路振荡频率f （5）输出波形占空比q

V CC R 1 R V D CC 8 4 2 R D 2 7 D 1 v 3 TH O 6 555 v 2 C 1 5 C 0.01 μF C 1 3．占空比可调的多谐振荡器电路利用二极管的单向导电性，把电容C充电和放电回路隔离开，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器。可计算得： T1=0.7R1C T2=0.7R2C 占空比：

V CC （+6V） T R V D CC R 20k 1 8 4 7 C 3AX31 2 10μ/10V R 3 100k 2 TH 555 6 R 2k 3 2 0.01 μ C 5 1 0.01 μ C 1 7．5．2 多谐振荡器应用实例 1. 简易温控报警器

2.步进脉冲产生电路

本单元学习指导 • 本章学习的重点是双稳态电路、单稳态电路、多谐振荡器、和施密特电路的特点。重点介绍了555定时器的应用。本章的难点是对多谐振荡器的工作原理、施密特触发器的回差特性的理解以及对常用脉冲电路输出波形的分析。 • 施密特触发器和单稳态触发器是最常用的两种脉冲整形电路。其输出脉冲的宽度由输入信号决定。它的输出波形的边沿陡峭。单稳态触发器输出信号主要参数是脉宽与输入信号无关。输出信号只起触发作用。因此，单稳态触发器可用于产生固定宽度的脉冲信号。

本单元学习指导 • 多谐振荡器是一种常用的自激脉冲振荡电路。它没有稳态，只有两个暂稳态。无需外加输入信号，只要接通电源，就能自动产生矩形脉冲。其主要参数是重复周期。它主要用于脉冲信号源和电子自动开关等。 • 555定时器应用广泛，使用方便，除了构成单稳、多谐和施密特电路外，还可以接成其它各种应用电路。使用时应注意的是CMOS、555/556型在绝大多数场合可直接代替双极型555/556型使用，且多数参数得以改善。但CMOS型的驱动电流较双极型的要小，替换时必须注意查阅有关器件手册。

实验七时基电路 一、实验目的 • 1. 掌握555时基电路的结构和工作原理，学会对此芯片的正确使用。 • 2. 学会分析和测试用555时基电路构成的多谐振荡器，单稳态触发器，施密特触发器等三种典型电路。

二、实验仪器及材料 • 1. 双踪示波器 • 2．数字电路实验箱 • 3. 器件: • NE556，（或LM556，5G556等）双时基电路1片 • 二极管1N4148 2 只 • 电位器22K、1K 2 只 • 电阻、电容若干 • 扬声器一只 • KD-9300系列音乐集成块一块 • 小型无锁按键开关 • 9013型硅NPN三极管，要求β≥100。

三、实验内容 1. 555时基电路构成的多谐振荡器电路如图所示。 • （1）按图接线。图中元件参数如下： R1=15KΩR2=5K1Ω C1=0.33uf C2=0.047uf • （2）用示波器或指示灯观察并测量OUT端波形的频率，并和理论估算值比较，算出频率的相对误差值。

1. 555时基电路构成的多谐振荡器 • （3）若将电阻值改为R1=15KΩ，R2=10KΩ，电容C不变，上述的数据有何变化？ • （4）根据上述电路的原理，充电回路的支路是R1R2C1，放电回路的支路是R2C1，将电路略作修改，增加一个电位器RW和两个引导二极管，构成图7.28所示的占空比可调的多谐振荡器。 • 其占空比q为: 改变RW的位置，可调节q值。合理选择元件参数？（电位器选用22K），使电路的占空比q=0.2，且正脉冲宽度为0.2ms。调试电路，测出所用元件的数值，估算电路的误差。

2. 555构成的单稳态触发器 实验电路单稳态触发器电路

（1）图中R=10K，C1=6200PF，VI 是频率约为10KHz左右的方波时，用双踪示波器观察OUT端相对于Vi的波形，并测出输出脉冲的宽度TW。 • （2）调节Vi的频率，分析并记录观察到的OUT端波形的变化。 • （3）若想使TW = 10us，怎样调整电路？测出此时各有关的参数值。

3. 应用电路 用时基电路组成警铃电路

（1）上图所示用556的两个时基电路构成低频对高频调制的救护车警铃电路。（1）上图所示用556的两个时基电路构成低频对高频调制的救护车警铃电路。 • ①参考实验内容2确定图中未定元件参数。 • ②按图接线，注意扬声器先不接。 • ③用示波器观察输出波形并记录。 • ④接上扬声器，调整参数到声响效果满意。

第 7 单元脉冲波形的产生和变换