第6章 脉冲波形的产生与整形.docx

第6章 脉冲波形的产生与整形教学目标•理解脉冲波形的产生与整形的原理•理解555定时器的结构框图和工作原理• 掌握 555 定时器的应用电路及其工作原理• 熟悉单稳态、多谐振荡器以及施密特电路，并能掌握其应用本章节是以 555 设计制作振荡电路为项目，通过对 555 理论知识的简介，从实际使 用目标出发，最终设计并制作出振荡电路并在设计制作振荡电路的过程中能够正确使用 万用表、示波器等仪表仪器6.1 555定时器555 定时器又称时基电路，是一种将模拟功能和数字功能巧妙结合在一起的中规模集 成电路因其电路功能灵活，只要外接少许的阻容元件局就可构成施密特触发器、单稳态 触发器和多谐振荡器等电路故在信号的产生于整形、自动检测及控制、报警电路、家用 电器等方面都有广泛的应用6.1.1电路组成图555定时器按照内部元件为双极型（又称TTL型）和单极型两种双极型内部采 用的是TTL晶体管；单极型内部采用的则是CMOS场效应管功能完全一样， 区别 是TTL定时器驱动能力大于CMOS定时器下面，以TLL集成定时器NE555为例进行 介绍NE555集成定时器内部电路如图6.1所示，主要由3个电阻R组成的分压器、2个高 精度电压比较器q和C2、1个基本RS触发器、1个作为放电的三极管V及输出驱动G3 组成。

图 6.1 NE555 集成定时器内部电路 图 6.2 所示为 555 定时器的逻辑符号和管脚图GND——1预————DISQ —卜——TIT对—§—CO图 6.2 555 逻辑符号和管脚1. 分压器分压器由3个阻值相等的电阻串联而成，将电源电压VDD分为三等份，其作是为比较 器C］和C2提供2个参考电压V+］（比较器C1同相输入端，管脚5）、V-2 （比较器C2反 相输入端），若控制电压端CO悬空或通过电容接地，则有：V = 1V-2 3 DD如果在TH端外接电压可改变比较器C1和C2的参考电压2. 比较器比较器C］和c2是两个结构完全相同的高精度电压比较器C］的输入端为阈值控制 端 TH （管脚 6 ）当V > V时，比较器G输出端uC1为低电平，即逻辑“0”；TH +1 1 Cl当V < V时，比较器C1输出端uC1为高电平，即逻辑“1”TH +1 1 C1C2的输入端为触发输入端TR （管脚7）当V— > V时，比较器C2输出端uC2为高电平，即逻辑“1”；当V_ < V时，比较器c2输出端uC2为低电平，即逻辑“0”TR -2 2 C3. 基本RS触发器基本RS触发器由两个“与非”门G］和G2组成。

C2的输出电压uC1、uC2作为 基本RS触发器的输入端uC1、uC2状态改变，决定触发器输出端Q和Q端的状态R是专门设置的可从外部进行置“ 0”的复位端，当Q =0时，经反相后将 “与 D非”门封锁输出为04. 放电开关和输出驱动放电开关由一个晶体三极V管组成，其基极受基本RS触发器输出端Q控制当 Q =1时，三极管导通，放电端 DIS通过导通的三极管为外电路提供放电的通路；当 Q =0，三极管截止，放电通路被截断反相器 G3 构成输出驱动，具有一定的电流驱动能力同时，输出级还起隔离负载对 定时器影响的作用6.1.2 定时器的逻辑功能结合图6.1所示电路结构图及上述分析，可以很容易得到NE555定时器的功能如下表 6.1 所示表6.1 NE555功能表rdTHTRQ （输出）V （放电管）功能说明导通直接复位2”> 3 VDD丄”> 3 VDD原状态13 VDD3 VDD3 VDD< 3 VDD导通复位原状态保持截止置位7.1.3 课题与实训1 555定时器逻辑功能测试1. 实训任务丄）用仪表仪器测试555 定时器的逻辑功能2）分析和仿真555 定时器的逻辑功能3）记录并比较测试结果.2. 实训要求丄）熟悉 555 定时器的符号、逻辑功能、引脚排列。

2）小组之间相互学习和交流，比较实训结果3. 实训设备及元器件1） 实训设备：直流稳压电源 1 台、面包板 1 块、单股导线若干、万用表（数字表、 指针表各 1块）2） 实训器件：电容O.OluFl个、电阻1K1个、NE5551块4. 测试内容1） 测试电路测试电路如图6.3 所示2） 测试步骤（1）按图6.3接好电路，并在放电端DIS和输出端OUT分别接入电压表XHH1和 XHH2，用来测量各自的电压值图6.3 555定时器功能测试电路（2）将开关J1打到左边（复位端RES为高电平），接入电源电压Vdd=6V并使 VCC=4.5V （既满足V 2V ， V_ 1 ），分别用电压表XHH1和XHH2测量555定TH> 3 DD tr > 3 VDD时器的输出端OUT和放电端DIS的电压并记录在表6.2中3）保持步骤②的条件不变，并使V°=3V （既满足V 2 , V— >1 v ），分TH < 3 VDD tr 3 DD别将电压表XHH1和XHH2的读数记录在表6.2中4 ）保持步骤⑵的条件不变，并使VCC=3V （既满足VH < 2 VDD，_ 1VTR < 3 VDD）,分别将电压表XHH1和XHH2的读数记录在表6.2中。

5）将开关J1打到右边（复位端RES为低电平）分别将电压表XHH1和XHH2的 读数记录在表 6.2 中5. 测试结论将上述测量结果与555定时器的功能表6.1加以比较表6.2 555定时器功能测试RESTH（V）TRI (V)OUT (V)DIS (V)功能说明高电平4.54.5高电平33高电平1.51.5低电平XX6.2 555定时器的基本应用6.2.1施密特触发器施密特触发器也称电平触发器，是一种脉冲信号变换电路，用来实现整形、变换和幅 值的鉴别等它具有以下特点：（1）具有两个稳定状态，即双稳态触发电路，且两个稳态的维持和相互转换与输入 电压的大小有关2）对于正向和负向增长的输入信号，电路的触发转换电平（阈值电平）不同，即 具有回差特性，其差值称为回差电压1. 电路组成由555定时器构成的施密特触发器如图6.4所示，定时器外接直流电源和地；阈值控 制端TH和触发输入端TR直接连接，作为信号输入端u .；复位端R接直流电源Vi D DD（即接高电平），控制电压端CO通过滤波电容（O.OluF）接地图6.4 555定时器组成的施密特触发器2. 工作原理设输入信号 u 为最常见的三角波，且三角波幅度大于 555 定时器的参考电压i当输入电压u < ・ 时，比较器C、C输出端u =l、u =0,基本RS触发器置0,i 3 DD 1 2 C1 C2u =U ，电路处于第一稳态。

o OH当输入电压1V < u <2V时，比较器C、C输出端u =1、u =l,基本RS触维持 3 DD ，< 3 dd 1 2 C1 C2原来的状态， u =U o OH当输入电压u > - Vn酗，比较器C、C输出端u =0、u =1，基本RS触发器置1，i 3 DD 1 2 C1 C2u =U ，电路处于第二稳态 o OL电路的输出电压由高电平U转变为低电平U时对应的输入电压值，称为上限阈值电电路的输出电压低电平U由转变为高电平U时对应的输入电压值,OL OH压U+OH OL称为下限阈值电压叮UT= 3Vdd上限阈值电压UT+和下限阈值电压UT-值大小不同，这两者之差，称为回差电压AU回差电压AU的大小可通过在控制电压CO端上外加电压得以实现回差电压△ ut越 大，施密特触发器的抗干扰性越强，但施密特触发器的灵敏度也会相应降低3. 典型应用（1）波形变换施密特触发器可以将三角波、正弦波等形波变换为矩形波输出信 号如图6.6所示，施密特触发器将正弦波变换为矩形波图 6.6 波形变换（2）脉冲波形整形施密特触发器可以将一个不规则的波形进行整形，得到一个良 好的波形，如图 6.7 所示，输入电压为受干扰的波形，通过施密特触发器变为规则的矩形 波。

图 6.7 波形的整形（3）脉冲幅度鉴别施密特触发器可用来将幅 度较大的脉冲信号鉴别出来如图6.8 所示输入信号为一系列随机的脉冲波，通过施密特电路可以将幅大于某值的输入脉冲 检测出来6.8 脉冲幅度鉴别6.2.2 课题与实训 2 施密特触发器的测试1. 实训任务1）用仪表仪器测试施密特触发器的功能2）分析和仿真施密特触发器的功能3）记录并观测测试结果.2. 实训要求1）熟悉 555 定时器的符号、逻辑功能、引脚排列2）熟悉施密特触发器的构成3）小组之间相互学习和交流，比较实训结果3. 实训设备及元器件1）实训设备： 双路直流稳压电源、信号发生器1台、双踪示波器 1 台、面包板1 块、单股导线若干、万用表（数字表、指针表各1块）2）实训器件：电容O.OluFl个、电阻1K1个、NE5551块4. 测试内容1 ）测试电路2）测试步骤（1）按图 6.9 接好电路，在输入端接入信号发生器，并用示波器分别观测输入端 和输出端的波形图 6.9 测试电路（2）将信号发生器设置为，幅值为3V,频率为1kHz的正弦波分别观测输入输 出端的波形，并记录上限阈值Ut+和下限阈值Ut-于表6.3中3）将信号发生器设置为，幅值为3.5V,，频率为1kHz的三角波波。

分别观测输入输 出端的波形，并记录上限阈值ut+和下限阈值ut-5. 测试结论将上述测量结果与图6.7、图6.8 加以比较6.2.3 单稳态触发器单稳态触发器不同于施密特触发器，它具有下述显著特点：（1）具有一个暂态，一个稳态2） 在外来触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂态，暂态在保持一定时间后，再自 动返回到稳定状态，并在输出端产生一定宽度的矩形脉冲3） 矩形脉冲宽度取决于电路本身的参数，与触发脉冲无关1. 电路组成由555定时器构成的单稳态触发器如图6.10所示，触发输入端TR作为信号输入端u .，放电端DIS与阈值控制端TH直接连接在电阻R和电阻C之间；复位端R 接直流电iD图6.10 555定时器组成的单稳态触发器2. 工作原理设单稳态触发器无触发脉冲信号时，输入端处于高电平 u =1若电容 C 上的电压 iU =0，此时单稳态触发器输出端u =0 （低电平）C0（1）稳态如果直流电源Vdd接通以后，单稳态触发器停在uo =0,则放电三级管V导 通，放电端DIS通过放电管V接地，电容C两端的电压Uc=0因阈值控制端TH和放电端 DIS直接连接于电容C上，所以阈值控制端TH也为低电平，即卩加二0< V+l3VDD，而 V_ = u = 1 > V =丄V ，根据555定时器功能可知，此时电路处于u =0的保持状态。

TR i - 2 3 DD 0假若直流电源vdd接通以后，单稳态触发器停在u o=i,贝y放电三极管v截止，则vdd通 过R对C充电当U上升到7V n时，触发器输出端置零，即u =0 （低电平）。