數(shù)字電路郭建才主講-第七章

第7章脈沖信號的產(chǎn)生與整形

概述

555定時器及其應(yīng)用

本章小結(jié)主要要求：

了解脈沖信號產(chǎn)生與整形的方法。

了解多諧振蕩器的常用電路及其工作原理。

7.1概述了解施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的邏輯功能、工作特點和典型應(yīng)用。常用的有施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。

一、脈沖信號產(chǎn)生與整形的方法獲取脈沖信號的方法

脈沖信號產(chǎn)生與整形電路的實現(xiàn)是一種多用途集成電路，只要外接少量阻容元件就可構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器等，使用方便、靈活，應(yīng)用廣泛。用多諧振蕩器直接產(chǎn)生。

用整形電路對已有波形進行整形、變換。

施密特觸發(fā)器主要用以將緩慢變化或快速變化的非矩形脈沖變換成陡峭的矩形脈沖。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器主要用以將寬度不符合要求的脈沖變換成符合要求的矩形脈沖。用門電路構(gòu)成。用專用的集成電路。用

555

定時器構(gòu)成。UOLUOH二、施密特觸發(fā)器(一)施密特觸發(fā)器的特性和符號UT=UT+-

UT-回差電壓施密特觸發(fā)器工作特點(1)允許輸入信號為緩慢變化的信號。(2)有兩個閾值電壓。(3)有兩個穩(wěn)態(tài)。UT+OuOuIUT-正向閾值電壓負向閾值電壓當(dāng)uI從小增大時，經(jīng)過UT+處才能使輸出發(fā)生躍變。當(dāng)uI從大減小時，經(jīng)過UT-處才能使輸出發(fā)生躍變。SchmittTriggerUOLUOHUT+OuOuIUT-uOuI具有施密特特性的與非門符號OuItuOUT+UT-Ot(二)施密特觸發(fā)器應(yīng)用舉例波形變換將三角波、正弦波和其它不規(guī)則信號變換成矩形脈沖。UOHUOLuI>

UT+

后，uO=

UOL,只有當(dāng)uI下降到經(jīng)過UT-

時，uO才會發(fā)生躍變。uI<UT-后，uO=UOH只有當(dāng)

uI上升到經(jīng)過

UT+時，uO才會發(fā)生躍變。脈沖整形將受到干擾的或不符合邊沿要求的信號整形成較好的矩形脈沖。OuItOuOtUT+UT-OuItuOUT+UT-Ot脈沖幅度鑒別鑒別并取出幅度大于UT+的脈沖。UOLUOH即距形脈沖產(chǎn)生電路，由于距形脈沖中含有豐富的諧波分量，故常稱多諧振蕩器。(1)不需輸入信號。(2)無穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。

三、多諧振蕩器

(一)多諧振蕩器的工作特點和符號通過電容的充電和放電，使兩個暫穩(wěn)態(tài)相互交替，從而產(chǎn)生自激振蕩，輸出周期性的矩形脈沖信號。GuO工作特點AstableMultivibrator四、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(一)工作特點與電路符號有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)。無外觸發(fā)脈沖輸入時，電路處于穩(wěn)態(tài)；在外觸發(fā)脈沖作用下，電路將從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)一段時間后，電路又自動返回到原來的穩(wěn)態(tài)。工作特點暫穩(wěn)態(tài)時間長短取決于電路本身的參數(shù)，與外加觸發(fā)脈沖無關(guān)。monostableflip-flop單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器暫穩(wěn)態(tài)期間如再次被觸發(fā)，對原暫穩(wěn)時間無影響，輸出脈沖寬度tW仍從第一次觸發(fā)開始計算。暫穩(wěn)態(tài)期間如再次被觸發(fā)，輸出脈沖寬度可在此前暫穩(wěn)態(tài)時間的基礎(chǔ)上再展寬tW。

可重復(fù)觸發(fā)型不可重復(fù)觸發(fā)型uOuI1uOuI限定符號“1

”表示不可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。限定符號“”表示可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。下面通過工作波形的分析來說明可重復(fù)觸發(fā)型和不可重復(fù)觸發(fā)型觸發(fā)器的區(qū)別。單穩(wěn)工作波形舉例不可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)輸出波形可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)輸出波形輸入波形OuItOuOtOuOttWtWtWtW暫穩(wěn)態(tài)期間不能再次觸發(fā)。暫穩(wěn)態(tài)期間能再次觸發(fā)。其輸出脈寬將在原暫穩(wěn)態(tài)時間基礎(chǔ)上再展寬tW。觸發(fā)脈沖到來時，輸出翻轉(zhuǎn)為暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間tW后重新自動回到穩(wěn)態(tài)。外觸發(fā)脈沖未來時，輸出為穩(wěn)態(tài)。(三)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用舉例1.

脈沖整形

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能夠把不規(guī)則的輸入信號vI，整形成為幅度和寬度都相同的標準矩形脈沖vO。vO的幅度取決于單穩(wěn)態(tài)電路輸出的高、低電平，寬度tW決定于暫穩(wěn)態(tài)時間。經(jīng)過長距離傳輸后，脈沖信號的邊沿會變差或波形上疊加某些干擾，利用整形可使其變成符合要求的波形。(三)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器應(yīng)用舉例2.

脈沖定時因此，利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以控制門開通與否以及開通多長時間。uAuBuCuOG單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的定時電路和工作波形uAuCuBuOuC門的定時時間即為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間。tW

uC

為與門G開通與否的控制信號。uC=1，門G開通，信號uB通過門G輸出；uC=0，門G關(guān)閉，uB不能輸出。脈沖展寬電路和工作波形3.脈沖展寬OOuItuOttW將窄脈沖展寬成寬度為tW的脈沖掌握用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器的方法。主要要求：

了解555定時器的電路結(jié)構(gòu)，掌握其符號和功能。7.2

555定時器及其應(yīng)用555定時器簡介555定時器是一種結(jié)構(gòu)簡單、使用方便靈活、用途廣泛的多功能電路。它電源電壓范圍寬(雙極型555定時器為5~16V，CMOS555定時器為3~18V)，可提供與TTL及CMOS數(shù)字電路兼容的接口電平，還可輸出一定功率，驅(qū)動微電機、指示燈、揚聲器等。TTL單定時器型號的最后3位數(shù)字為555，雙定時器的為556；CMOS單定時器的最后4位數(shù)為7555，雙定時器的為7556。一、555定時器的工作原理和邏輯功能比較器是一種用來比較輸入信號VI和基準電壓VREF的電路。VREFVIVO同向輸入電壓比較器輸入信號VI加于同相輸入端參考電壓VREF加于反相輸入端當(dāng)差模輸入電壓VID=VI-VREF<0時，VO=VOL當(dāng)差模輸入電壓VID=VI-VREF>0時，VO=VOH反向輸入電壓比較器參考電壓VREF加于同相輸入端VREF輸入信號VI加于反相輸入端VIVO反相輸入大于基準輸出為0同相輸入大于基準輸出為1比較器

555定時器的電路結(jié)構(gòu)與符號

C1C2G3QQG1G2RSVR5k5k5kUR1UR2GNDVCCRDOUTCO555THTRDIS電路符號627153843OUT輸出端

8VCC電源端

4RD直接置0端

DIS7放電端TH6閾值輸入端TR2觸發(fā)輸入端CO5控制電壓輸入端

GND1接地端

集電極開路輸出端UR1UR2構(gòu)成電阻分壓器，為比較器

C1、C2提供兩個參考電壓，UR1=2/3VCC，UR2=1/3VCC。

輸出緩沖器OUT=Q構(gòu)成基本RS觸發(fā)器，決定電路輸出。

放電管，其輸入為Q，輸出為開路集電極。Q構(gòu)成電壓比較器，比較TH與UR1和TR與

UR2的大小。555定時器的電路結(jié)構(gòu)與符號

C1C2G3QQG1G2RSVR5k5k5kUR1UR23OUT輸出端

8VCC電源端

4RD直接置0端

DIS7放電端TH6閾值輸入端TR2觸發(fā)輸入端CO5控制電壓輸入端

GND1接地端

UR1UR2Q555定時器的工作原理與邏輯功能

101導(dǎo)通定時器5G555的功能表

不變不變1截止11導(dǎo)通01導(dǎo)通00V狀態(tài)OUT

=

QRDTRTH輸出輸入××

直接置0端RD低電平有效，優(yōu)先級最高。不用時應(yīng)使其為1。不變不變1截止11導(dǎo)通01導(dǎo)通00V狀態(tài)OUT

=

QRDTRTH輸出輸入××定時器5G555的功能表

01導(dǎo)通0110555定時器的工作原理與邏輯功能555定時器的工作原理與邏輯功能

不變不變1截止11導(dǎo)通01導(dǎo)通00V狀態(tài)OUT

=

QRDTRTH輸出輸入××定時器5G555的功能表

10截止1001555定時器的工作原理與邏輯功能

不變不變1截止11導(dǎo)通01導(dǎo)通00V狀態(tài)OUT

=

QRDTRTH輸出輸入××定時器5G555的功能表

11簡化功能表

不變不變1截止11導(dǎo)通01導(dǎo)通00V狀態(tài)OUTRD輸出輸入TRTH××使用要點(1)

RD低電平有效,優(yōu)先級最高，

不用時應(yīng)接高電平。通常不用CO端，為了提高電路工作穩(wěn)定性，將其通過0.01F電容接地。(3)

TR低電平有效，TH高電平

有效，因此，TH加低電平、

TR加高電平時為非有效電

平，電路狀態(tài)不變。(4)輸出

0

時，Q

=

1，因此

V

導(dǎo)通；輸出

1

時，

Q

=

0，故

V

截止。(5)注意：①

TH

電平高低是與

2/3VCC相比較，TR

電平高低是與

1/3VCC相比較。②若控制輸入端

CO

加輸入電壓

uCO，則

UR1=

uCO

UR2=

uCO/2，故

TH

和

TR

電平高低的比較值將變成

uCO和

uCO/2。(2)TH和TR均為高電平時輸出

0，均為低電平時輸出1。二、用555定時器組成施密特觸發(fā)器

0uOuIUOL1/3VCC2/3VCCUOH當(dāng)TH=TR=uI>2/3VCC時電壓傳輸特性為反相輸出的滯回特性uIuO當(dāng)TH=TR=uI<1/3VCC時1/3VCC0當(dāng)1/3VCC<TH=TR=uI<2/3VCC時當(dāng)uI<1/3VCC時當(dāng)uI由高電平逐漸下降，且1/3VCC<uI<1/3VCC時不變不變1截止11導(dǎo)通01導(dǎo)通00V狀態(tài)OUTRD輸出輸入TRTH××0uOuIUOL1/3VCC2/3VCCUOHUT+=2/3VCCUT-

=1/3VCCUT=UT+-

UT-

=1/3VCCOuO/Vt[例]試對應(yīng)輸入波形畫出下圖中輸出波形。184355557+12V0.01FuIuO260uI/Vt246810THTRuIuO+12VUT+UT-abcdefUOH解：UT+=2/3VCC=8VUT-

=1/3VCC=4V因此可畫出輸出波形為電路構(gòu)成反相輸出的施密特觸發(fā)器GNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01FRCuIuOuC-+三、用555定時器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(一)電路結(jié)構(gòu)DISTHVCCRR、C為定時元件TRuIOUTuOGNDVCCRDCO0.01FCuC-+(二)工作原理、工作波形與參數(shù)估算1.穩(wěn)定狀態(tài)

接通電源后VCC經(jīng)R向C充電，使uC

上升。uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC該電路觸發(fā)信號為負脈沖，不加觸發(fā)信號時，uI=

UIH(應(yīng)

>

1/3

VCC)。

當(dāng)uC

≥2/3VCC時，滿足TR=uI>1/3VCC，TH=uI≥2/3VCC,因此uO為低電平，V導(dǎo)通，電容C經(jīng)放電管V迅速放電完畢，uC

0V。這時TR=UIH>1/3VCC，TH=uC

0<2/3VCC，uO保持低電平不變。因此，穩(wěn)態(tài)時

uC

0V，uO為低電平。充電工作原理

導(dǎo)通放電VuCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC0VUOLUIH2.觸發(fā)進入暫穩(wěn)態(tài)

(二)工作原理、工作波形與參數(shù)估算uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC

當(dāng)輸入uI由高電平躍變?yōu)榈碗娖?/p>

(應(yīng)<1/3VCC)時，使

TR=UIL<1/3VCC而TH=uC

0V<2/3VCC，因此uO躍變?yōu)楦唠娖?，進入暫穩(wěn)態(tài)，這時放電管V截止，VCC又經(jīng)R向C充電，uC

上升。UILUOH充電3.自動返回穩(wěn)定狀態(tài)

(二)工作原理、工作波形與參數(shù)估算uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC2.觸發(fā)進入暫穩(wěn)態(tài)

UIHUOL

TH≥2/3VCC放電V

當(dāng)輸入uI由高電平躍變?yōu)榈碗娖?/p>

(應(yīng)<1/3VCC)時，使

TR=UIL<1/3VCC而TH=uC

0V<2/3VCC，因此uO躍變

為高電平，進入暫穩(wěn)態(tài)，這時放電管V截止，VCC又經(jīng)R向C充電，uC

上升。這時uI必須已恢復(fù)為高電平

當(dāng)uC

上升到uC

≥2/3VCC時，

TH

=

uC

≥2/3

VCC，而TR=uI=

UIH(>1/3VCC)，因此uO重新躍變?yōu)榈碗娖?。同時，放電管導(dǎo)通，C

經(jīng)V迅速放電uC

0V，放電完畢后，電路返回穩(wěn)態(tài)。[例]用上述單穩(wěn)態(tài)電路輸出定時時間為1s的正脈沖，R=27k，試確定定時元件

C的取值。

(二)工作原理、工作波形與參數(shù)估算uCOtOuOtUOLUOHtWOOtUIHuItWIVCC輸出脈沖寬度tW即為暫穩(wěn)態(tài)維持時間，主要取決于充放電元件R、C。該單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為不可重復(fù)觸發(fā)器，且要求輸入脈寬tWI小于輸出脈寬tWO。解：因為

tWO

1.1RC故可取標稱值

33F。估算公式tWO1.1RCGNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01FR1CuOuC-+R2四、用555定時器組成多諧振蕩器(一)電路結(jié)構(gòu)DISVCCR1THTRGNDVCCRDCO0.01FOUTuOCuC-+R2(二)工作原理、工作波形與周期估算uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡ充電UOHTH=TR=uC很?、?/p>

接通VCC后，開始時TH=TR=uC

0，uO為高電平，放電管截止，VCC經(jīng)R1、R2向C充電，uC

上升，這時電路處于暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ。

工作原理

(二)工作原理、工作波形與周期估算uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡUOLTH

=

TR

≥

2/3

VCC

當(dāng)uC上升到

TH=TR=uC

≥

2/3

VCC時，uO躍變?yōu)榈碗娖剑瑫r放電管

V導(dǎo)通，C經(jīng)R2和V放電，uC

下降，電路進入暫穩(wěn)態(tài)Ⅱ。工作原理

Ⅱ

接通VCC后，開始時TH=TR=uC

0，uO為高電平，放電管截止，VCC經(jīng)R1、R2向C充電，uC

上升，這時電路處于暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ。

放電

當(dāng)uC下降到

TH=TR=uC

≤1/3

VCC時，uO重新躍變?yōu)楦唠娖?，同時放電管V截止，C又被充電，uC

上升，電路又返回到暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ。(二)工作原理、工作波形與周期估算uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡTH=TR≤1/3VCCⅠ工作原理

當(dāng)uC上升到

TH=TR=uC≥

2/3

VCC時，uO躍變?yōu)榈碗娖剑瑫r放電管

V導(dǎo)通，C經(jīng)R2和V放電，uC下降，電路進入暫穩(wěn)態(tài)Ⅱ。

接通VCC后，開始時TH=TR=uC

0，uO為高電平，放電管截止，VCC經(jīng)R1、R2向C充電，uC

上升，這時電路處于暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ。

(二)工作原理、工作波形與周期估算電容C如此循環(huán)充電和放電，使電路產(chǎn)生振蕩，輸出矩形脈沖。uCOtOuOtUOLUOHⅡⅠtWHtWLⅠⅠⅡ周期與占空比估算tWH0.7(R1+R2)CtWL0.7R2CT=tWH+tWL0.7(R1+2R2)CGNDVCCRDOUTCO555THTRDISVCC0.01FR1C+R2RP1RP2[例]指出右圖中控制揚聲器鳴響與否和調(diào)節(jié)音調(diào)高低的分別是哪個電位器？若原來無聲，如何調(diào)節(jié)才能鳴響？欲提高音調(diào)，又該如何調(diào)節(jié)？解：R1、R2、RP1和C共同構(gòu)成定時元件，因此調(diào)節(jié)RP1可調(diào)節(jié)音調(diào)高低。欲提高音調(diào)，則應(yīng)減小RP1，因此觸頭應(yīng)下移。RP2調(diào)節(jié)RP2可控制RD為0或1，從而控制振蕩器工作與否，因此能控制揚聲器鳴響與否。調(diào)節(jié)RP2使觸頭左移至適當(dāng)位置，可使RD=1，使揚聲器鳴響。RP1觸摸定時控制開關(guān)555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。只要用手觸摸一下金屬片P，由于人體感應(yīng)電壓相當(dāng)于在觸發(fā)輸入端（管腳2）加入一個負脈沖，555輸出端輸出高電平，燈泡（RL）發(fā)光，當(dāng)暫穩(wěn)態(tài)時間（tW）結(jié)束時，555輸出端恢復(fù)低電平，燈泡熄滅。該觸摸開關(guān)可用于夜間定時照明，定時時間可由RC參數(shù)調(diào)節(jié)。觸摸、聲控雙功能延時燈555和T1、R3、R2、C4組成單穩(wěn)定時電路，定時（即燈亮）時間約為1分鐘。當(dāng)擊掌聲傳至壓電陶瓷片時，HTD將聲音信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)T2、T1放大，觸發(fā)555，使555輸出高電平，觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管SCR，電燈亮；同樣，若觸摸金屬片A時，人體感應(yīng)電信號經(jīng)R4、R5加至T1基極，也能使T1導(dǎo)通，觸發(fā)555，達到上述效果。爆光定時器工作過程：暗室工作時，不按開關(guān)K,都大為0,繼電器線圈無電流通過，常閉觸點不動作，安全燈（紅）亮。按下開關(guān)K,電路進入暫穩(wěn)態(tài)過程，同時輸出為1，繼電器線圈一電流通過，常閉觸點斷開，常開觸點閉合爆光燈（白）亮。開始爆光。爆光時間為1.1RC,爆光時間到自動恢復(fù)為初始狀態(tài)。

要改變爆光時間，只要改變R、C值即可。48351267555RCVCCR1KD1D2~220VJ模擬聲響電路

用兩個多諧振蕩器組成模擬聲響電路。適當(dāng)選擇定時元件，使：☆由于低頻振蕩器A的輸出接高