2023/2/61第7章脈沖波形的產生與變換

7.1概述7.2555定時器

7.2.1555定時器7.2.2555定時器的應用舉例2023/2/62第7章脈沖波形的產生與變換

脈沖信號：指突然變化的電壓或電流。脈沖電路的研究重點：波形分析。數字電路的研究重點：邏輯功能。

獲得脈沖波形的方法主要有兩種：

1．利用脈沖振蕩電路產生；

2．是通過整形電路對已有的波形進行整形、變換，使之符合系統的要求。

2023/2/63幾種常用脈沖波形的產生與變換電路：（功能、特點及其主要應用簡介）

1.

RC電路：對矩形波進行微分、積分變換，或作脈沖分壓器；

2.

施密特觸發器：主要用以將非矩形脈沖變換成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脈沖；

3.

單穩態觸發器：主要用以將脈沖寬度不符合要求的脈沖變換成脈沖寬度符合要求的矩形脈沖；

4.

多諧振蕩器：產生矩形脈沖；

5.

555定時器。2023/2/652.矩形波及其參數圖7-2非周期性和周期性矩形波(a)非周期性(b)周期性數字電路中用得最多的是矩形波。矩形波有周期性與非周期性兩種。2023/2/66圖7-3矩形波的主要參數周期性矩形波的周期用T表示，有時也用頻率f表示（f=1/T）。矩形波的另外幾個主要參數：

（1）脈沖幅度Um

（2）脈沖寬度tw

（3）上升時間tr

（4）下降時間tf

（5）占空比q=tw/T

。通常q用百分比表示，如果q=50%，則稱為對稱方波。2023/2/67為數字—模擬混合集成電路?？僧a生精確的時間延遲和振蕩，內部有3個5KΩ的電阻分壓器，故稱555。在波形的產生與變換、測量與控制、家用電器、電子玩具等許多領域中都得到了應用。7.1555定時器及其應用1.電路組成圖7-4555定時器(a)原理圖(b)外引線排列圖電阻分壓器電壓比較器基本RS觸發器放電管T緩沖器2023/2/610（1）

電阻分壓器由3個5kΩ的電阻R組成，為電壓比較器C1和C2提供基準電壓。2023/2/611

（2）

電壓比較器

C1和C2。當U＋＞U－時，

UC輸出高電平，反之則輸出低電平。

2023/2/613

TH稱為高觸發端，TR稱為低觸發端。

2023/2/614（3）

基本RS觸發器其置0和置1端為低電平有效觸發。

R是低電平有效的復位輸入端。正常工作時，必須使R處于高電平。

2023/2/615（4）

放電管T

T是集電極開路的三極管。相當于一個受控電子開關。

輸出為0時，T導通，輸出為1時，T截止。2023/2/617

2.工作原理

TH接至反相輸入端，當TH＞UR1時，UC1輸出低電平，使觸發器置0，故稱為高觸發端（有效時置0）；

TR接至同相輸入端，當TR＜UR2時，UC2輸出低電平，使觸發器置1，故稱為低觸發端（有效時置1）。

表7-1555定時器的功能表2023/2/6187.2施密特觸發器主要用途：把變化緩慢的信號波形變換為邊沿陡峭的矩形波。

特點：

⑴電路有兩種穩定狀態。兩種穩定狀態的維持和轉換完全取決于外加觸發信號。觸發方式：電平觸發。⑵電壓傳輸特性特殊，電路有兩個轉換電平（上限觸發轉換電平UT+和下限觸發轉換電平UT－）。⑶狀態翻轉時有正反饋過程，從而輸出邊沿陡峭的矩形脈沖。

2023/2/619

（4）工作波形與電壓傳輸特性

施密特觸發器將三角波uI變換成矩形波uO。圖7-5施密特觸發器的工作波形及電壓傳輸特性（a）工作波形（b）電壓傳輸特性3.重要參數上限觸發轉換電平UT+

下限觸發轉換電平UT－

回差ΔUT=UT+－UT－（通常UT+＞UT－）改變R1和R2的大小可以改變回差ΔUT

2023/2/621集成施密特觸發器的UT+和UT－的具體數值可從集成電路手冊中查到。

如CT74132的UT+＝1.7V、UT－＝0.9V，所以，ΔUT＝UT+—UT－＝1.7V—0.9V＝0.8V。

2.

集成施密特觸發器(1).

施密特反相器

TTL的74LS14和CMOS的CC40106均為六施密特觸發的反相器。下面以CC40106為例說明其功能。

2023/2/622圖7-7施密特觸發反相器(a)原理框圖(b)電壓傳輸特性(c)邏輯符號

為了提高電路的性能，電路在施密特觸發器的基礎上，增加了整形級和輸出級。

整形級可以使輸出波形的邊沿更加陡峭，

輸出級可以提高電路的負載能力。2023/2/623(2).施密特觸發與非門電路

為了對輸入波形進行整形，許多集成門電路采用了施密特觸發形式。比如CMOS的CC4093和TTL的74LS13就是施密特觸發的與非門電路。

圖7-8施密特觸發與非門的邏輯符號2023/2/625(2).脈沖整形在數字系統中，矩形脈沖經傳輸后往往發生波形畸變，或者邊沿產生振蕩等。通過施密特觸發器整形，可以獲得比較理想的矩形脈沖波形。

圖7-10脈沖整形

波形畸變邊沿振蕩2023/2/626(3)．脈沖鑒幅將一系列幅度各異的脈沖信號加到施密特觸發器的輸入端，只有那些幅度大于UT+的脈沖才會在輸出端產生輸出信號?？梢?，施密特觸發器具有脈沖鑒幅能力。

圖7-11脈沖鑒幅2023/2/627工作特點：第一，它有穩態和暫穩態兩個不同的工作狀態；第二，在外加脈沖作用下，觸發器能從穩態翻轉到暫穩態；第三，在暫穩態維持一段時間后，將自動返回穩態，暫穩態維持時間的長短取決于電路本身的參數，與外加觸發信號無關。1.555構成單穩態觸發器7.3單穩態觸發器2023/2/6292023/2/630圖7-12555定時器構成的單穩態觸發器（a）電路（b）工作波形工作原理：穩態為0低觸發有效置1T截止，C充電自動高觸發返0提高基準電壓穩定性的濾波電容輸出脈沖的寬度tw≈1.1RC。當觸發脈沖uI為高電平時，VCC通過R對C充電，當TH=uC≥2/3VCC時，高觸發端TH有效置0；此時，放電管導通，C放電，TH=uC=0。穩態為0狀態。此時放電管T截止，VCC通過R對C充電。當TH=uC≥2/3VCC時，使高觸發端TH有效，置0狀態，電路自動返回穩態，此時放電管T導通。電路返回穩態后，C通過導通的放電管T放電，使電路迅速恢復到初始狀態。2023/2/631工作原理：當觸發脈沖uI下降沿到來時，低觸發端TR有效置1狀態，電路進入暫穩態。當觸發脈沖uI為高電平時，VCC通過R對C充電，當TH=uC≥2/3VCC時，高觸發端TH有效置0；此時，放電管導通，C放電，TH=uC=0。穩態為0狀態。此時放電管T截止，VCC通過R對C充電。當TH=uC≥2/3VCC時，使高觸發端TH有效，置0狀態，電路自動返回穩態，此時放電管T導通。電路返回穩態后，C通過導通的放電管T放電，使電路迅速恢復到初始狀態。2023/2/6323.

單穩態觸發器的應用1.脈沖延時單穩態觸發器的主要應用是整形、定時和延時。圖7-15單穩電路的延時作用

如果需要延遲脈沖的觸發時間，可利用單穩態電路來實現。tw≈1.1RC

uO的下降沿比uI的下降沿延遲了tw的時間。2023/2/6332.脈沖定時單穩態觸發器能夠產生一定寬度tw的矩形脈沖，利用這個脈沖去控制某一電路，則可使它在tw時間內動作(或者不動作)。

圖7-16脈沖定時2023/2/634圖7.17定時電路

例1：定時單穩態觸發器可以構成定時電路；與繼電器或驅動放大電路配合，可實現自動控制、定時開關的功能，一個典型定時電路如圖7.17所示。2023/2/635

當電路接通+6V電源后，經過一段時間進入穩定狀態，定時器輸出OUT為低電平，繼電器KA（當繼電器無電流通過時，常開接點處于斷路狀態）無通過電流，故形不成導電回路，燈泡HL不亮。當按下按鈕SB時，低電平觸發端TR（外部信號輸入端Ui）由接+6V電源變為接地，相當于輸入一個負脈沖，使電路由穩定狀態轉入暫穩狀態，輸出OUT為高電平，繼電器KA通過電流，使常開接點閉合，形成導電回路，燈泡HL發亮；暫穩定狀態的出現時刻是由按鈕SB何時按下決定的，它的持續時間tW（也是燈亮時間）則是由電路參數決定，若改變電路中的電阻RW或C，均可改變tW。2023/2/636

典型延時電路如圖7.18所示，與定時電路相比，其電路的主要區別是電阻和電容連接的位置不同。電路中的繼電器KA為常斷繼電器，二極管D的作用是限幅保護。當開關SA閉合，直流電源接通，555定時器開始工作，若電容初始電壓為零，因電容兩端電壓不能突變，而UDD=UC+UR，所以UTH==UR=UDD-UC=UDD，OUT=“0”，繼電器常開接點保持斷開；同時電源開始向電容充電，電容兩端電壓不斷上升，而電阻兩端電壓對應下降，當

UC≥，2023/2/637圖7.18延時電路

即UTH==UR≤時，OUT=“1”，繼電器常開接點閉合；電容充電至UC=UDD時結束，此時電阻兩端電壓為零，電路輸出OUT保持為“1”，從開關SA按下到繼電器KA閉合這段時間稱為延時時間。2023/2/638

2)分頻當一個觸發脈沖使單穩態觸發器進入暫穩狀態，在此脈沖以后時間tW內，如果再輸入其他觸發脈沖，則對觸發器的狀態不再起作用；只有當觸發器處于穩定狀態時，輸入的觸發脈沖才起作用，分頻電路正是利用這個特性將高頻率信號變換為低頻率信號，電路如圖8.19所示。2023/2/639圖7.19分頻電路2023/2/640

1．多諧振蕩器沒有穩定狀態，只有兩個暫穩態。

2．通過電容的充電和放電，使兩個暫穩態相互交替，從而產生自激振蕩，無需外觸發。

3．輸出周期性的矩形脈沖信號，由于含有豐富的諧波分量，故稱作多諧振蕩器。7.4多諧振蕩器

2023/2/6411.555構成多諧振蕩器

設計思想：是無穩態電路，兩個暫穩態不斷地交替。利用放電管T作為一個受控電子開關，使電容充電、放電而改變TH=TR，則交替置0、置1。

圖7-20555定時器構成的多諧振蕩器（a）電路（b）工作波形電容C充電τ充=(R1+R2)C電容C放電τ放=R2C振蕩器輸出脈沖uO的工作周期為：

T≈0.7(R1+2R2)C2023/2/642

2.改進電路圖7.20（a）所示電路只能產生占空比大于0.5的矩形波，而圖7.21所示電路可以產生占空比處于0和1之間的矩形波。這是因為它的充放電的路徑不同，圖7.21可調占空比的多諧振蕩器2023/2/6432.

石英晶體振蕩器前面介紹的多諧振蕩器的一個共同特點就是振蕩頻率不穩定，容易受溫度、電源電壓波動和RC參數誤差的影響。而在數字系統中，矩形脈沖信號常用作時鐘信號來控制和協調整個系統的工作。因此，控制信號頻率不穩定會直接影響到系統的工作，顯然，前面討論的多諧振蕩器是不能滿足要求的，必須采用頻率穩定度很高的石英晶體多諧振蕩器。2023/2/644石英晶體的阻抗頻率特性圖

石英晶體具有很好的選頻特性。當振蕩信號的頻率和石英晶體的固有諧振頻率fo相同時，石英晶體呈現很低的阻抗，信號很容易通過，而其它頻率的信號則被衰減掉。2023/2/645因此，將石英晶體串接在多諧振蕩器的回路中就可組成石英晶體振蕩器，這時，振蕩頻率只取決于石英晶體的固有諧振頻率fo，而與RC無關。圖7-27石英晶體振蕩器電路在對稱式多諧振蕩器的基礎上，串接一塊石英晶體，就可以構成一個石英晶體振蕩器電路。該電路將產生穩定度極高的矩形脈沖，其振蕩頻率由石英晶體的串聯諧振頻率fo決定。

2023/2/646目前，家用電子鐘幾乎都采用具有石英晶體振蕩器的矩形波發生器。由于它的頻率穩定度很高，所以走時很準。通常選用振蕩頻率為32768Hz的石英晶體諧振器，因為32768＝215，將32768HZ經過15次二分頻，即可得到1HZ的時鐘脈沖作為計時標準。2023/2/6477.5555定時器的應用例1：用雙CC7555組成間歇振蕩器

方法：低頻振蕩器輸出控制高頻振蕩器。

2023/2/648例2：溫度、亮度報警器：

原理:

在給定的溫度(或亮度)范圍內,晶體管截止,輸出低電平(射極跟隨),利用4腳復位端,使555所組成的多諧振蕩器停止工作。

當溫度（或亮度）超過一定限度后