第六章脈沖波形的第一頁，共四十八頁，2022年，8月28日6.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

6.4.1用555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

6.4.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應用6.5多諧振蕩器

6.5.1用555定時器構成的多諧振蕩器

6.5.2占空比可調的多諧振蕩器

6.5.3石英晶體多諧振蕩器第二頁，共四十八頁，2022年，8月28日內容提要本章在介紹矩形波脈沖信號的基礎上，著重講述了應用較廣的中規(guī)模集成555定時器的電路結構和功能，然后圍繞著矩形脈沖波的產生和整形，詳細介紹了555定時器構成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器的工作原理及其應用。第三頁，共四十八頁，2022年，8月28日6.1概述數(shù)字系統(tǒng)中的工作信號一般都是矩形波脈沖信號。矩形波脈沖信號的獲取方法通常有兩種：一種是利用多諧振蕩器直接產生；另一種是利用整形電路對已有的周期性信號整形，使之符合系統(tǒng)要求。圖所示為矩形波脈沖信號的實際波形圖。圖6.1.1實際的矩形脈沖波形第四頁，共四十八頁，2022年，8月28日主要參數(shù)是：脈沖幅度Vm——脈沖電壓的最大幅度。上升時間tr——脈沖上升沿從0.1Vm上升至0.9Vm所經歷的時間。下降時間tf——脈沖下降沿從0.9Vm下降至0.1Vm所經歷的時間。脈沖寬度tw——脈沖前后沿在0.5Vm兩點間的時間間隔。脈沖周期T——在周期性脈沖序列中兩個相鄰脈沖之間的時間間隔。占空比q——脈沖寬度與脈沖周期的比值，即q=tw∕T。對于理想矩形波，其上升時間tr和下降時間tf均為零。

第五頁，共四十八頁，2022年，8月28日6.2集成555定時器555定時器是一種多用途的單片中規(guī)模集成電路。

該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元

件就可以構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密

特觸發(fā)器。因而在波形的產生與變換、測量與控

制等許多領域中都得到了廣泛的應用。第六頁，共四十八頁，2022年，8月28日目前生產的定時器有雙極型和CMOS兩種類型，

其型號分別有NE555(或5G555)和C7555等多種。通

常，雙極型產品型號最后的3位數(shù)碼都是555，

CMOS產品型號的最后4位數(shù)碼都是7555，它們的

結構、工作原理以及外部引腳排列基本相同。一

般雙極型定時器具有較大的驅動能力，而CMOS

定時電路具有低功耗、輸入阻抗高等優(yōu)點。第七頁，共四十八頁，2022年，8月28日

555定時器的電路結構555定時器的內部電路結構如圖6.2.1所示。它由3個阻值為5k的電阻組成的分壓器、兩個電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、集電極開路的放電三極管T以及緩沖器G組成。第八頁，共四十八頁，2022年，8月28日圖6.2.1555定時器的內部電路結構圖第九頁，共四十八頁，2022年，8月28日

555定時器的功能555定時器的主要功能取決于比較器，比較器的輸出控制RS觸發(fā)器和放電三極管T的狀態(tài)。圖中為復位輸入端，當為低電平時，不管其它輸入端的狀態(tài)如何，輸出vO為低電平。因此在正常工作時，應將其接高電平。第十頁，共四十八頁，2022年，8月28日由圖可知，當5腳懸空時，比較器C1和C2的基準電壓分別為和。（1）當 ，時，比較器C1輸出低電平(=0)，比較器C2輸出高電平(=1)，基本RS觸發(fā)器被置0，放電三極管T導通，輸出端vO為低電平。（2）當，時，比較器C1輸出高電平(=1)，比較器C2輸出低電平(=0)，基本RS觸發(fā)器被置1，放電三極管T截止，輸出端vO為高電平。第十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日（3）當，時，比較器C1輸出高電平(=1)，比較器C2也輸出高電平(=1)，觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路亦保持原狀態(tài)不變。綜合上述分析，可得555定時器的功能表如表所示。標6.2.1555定時器功能表第十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日若控制電壓輸入端外接固定電壓VIC，則比較器C1和C2的基準電壓改變?yōu)閂IC和，并進而影響電路的工作狀態(tài)。這里不再贅述，讀者可自行分析。6.3施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器能將邊沿變化緩慢的電壓波形整形為邊沿陡峭的矩形脈沖。同時具有回差電壓特性和較強的抗干擾能力。第十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日

用555定時器構成的施密特觸發(fā)器1.電路組成將555定時器的閾值輸入端(6腳)和觸發(fā)輸入端(2腳)連在一起，作為信號輸入端，即可構成施密特觸發(fā)器，如圖(a)所示?？刂齐妷憾?5腳)通過0.01μF的濾波電容接地，以防干擾，提高比較器基準電壓的穩(wěn)定性。圖6.3.1用555定時器構成的施密特觸發(fā)器第十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日2.工作原理現(xiàn)以如圖(b)所示的三角波輸入信號，根據(jù)表說明電路的工作原理。（1）當時，vO1輸出高電平。當vI上升至

時，vO1仍輸出高電平，保持原來狀態(tài)不變。（2）當時，vO1輸出低電平。當vI由繼續(xù)上升，然后下降尚未達到時，vO1仍輸出低電平，保持原來狀態(tài)不變。（3）當vI繼續(xù)下降小于時，電路輸出vO1跳變?yōu)楦唠娖?。第十五頁，共四十八頁?022年，8月28日通過上述分析得知，施密特觸發(fā)器可以將輸入的三角波整形為矩形脈沖波。同理，也可將正弦波形整形為矩形脈沖波。如果在555定時器的放電三極管T輸出端(7腳)外接一電阻，并與另一電源VCC1相連，則由vO2輸出的信號可實現(xiàn)輸出電平轉換。第十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日3.主要參數(shù)由圖(b)波形圖可以看出，施密特觸發(fā)器輸出電平由高向低跳變和由低向高跳變時所對應的輸入閾值電壓不同。把施密特觸發(fā)器輸入信號正向增加時，輸出電平跳變所對應的輸入閾值電壓稱為正向閾值電壓，用VT+表示；把施密特觸發(fā)器輸入信號負向減少時，輸出電平跳變所對應的輸入閾值電壓稱為負向閾值電壓，用VT—表示。兩者的差值稱為回差電壓ΔV，即=VT+－VT—()第十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日圖(a)所示為施密特觸發(fā)器的邏輯符號。圖(b)所示為施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性，從曲線中可看到電路的滯回特性。如果在控制電壓端(5腳)外接控制電壓vIC，改變vIC的大小，可以調節(jié)回差電壓的范圍。圖6.3.2施密特觸發(fā)器的邏輯符號和電壓傳輸特性(a)邏輯符號(b)電壓傳輸特性第十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日

施密特觸發(fā)器的應用1.波形變換由圖可見，施密特觸發(fā)器可將三角波變換為矩形波。若輸入的是正弦波，只要輸入信號的幅度大于VT+，便可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到相同頻率的矩形波脈沖信號，其變換波形如圖所示。圖6.3.3用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)波形變換第十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日2.脈沖整形數(shù)字系統(tǒng)中的矩形脈沖在傳輸中經常發(fā)生波形畸變。在圖中傳輸信號上出現(xiàn)附加噪聲，只要施密特觸發(fā)器的VT+和VT—設置的合適，可以通過用施密特觸發(fā)器整形而獲得比較理想的矩形脈沖波形。圖6.3.4用施密特觸發(fā)器對脈沖整形第二十頁，共四十八頁，2022年，8月28日3.脈沖鑒幅利用施密特觸發(fā)器輸出狀態(tài)取決于輸入信號vI幅度的工作特點，可以用它來作為幅度鑒別電路。在圖中，將一系列幅度不同的脈沖信號加到施密特觸發(fā)器的輸入端時，只有那些幅度大于VT+的脈沖才會被選中，在輸出端產生輸出信號?？梢?，施密特觸發(fā)器具有脈沖鑒幅的功能。圖6.3.5用施密特觸發(fā)器鑒別脈沖幅度第二十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日6.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是廣泛應用于脈沖整形、延時和定時的電路，它有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個不同的工作狀態(tài)。在外界觸發(fā)脈沖的作用下，能從穩(wěn)定狀態(tài)翻轉到暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)維持一段時間后，電路又自動地翻轉到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長短取決于電路本身的參數(shù)，與外界觸發(fā)脈沖無關。

用555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1.電路組成圖(a)所示是用555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。觸發(fā)輸入信號vI加在觸發(fā)輸入端(2腳)，并將閾值輸入端(6腳)和放電三極管T輸出端(7腳)連在一起，再與定時元件R、C相接。第二十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日圖6.4.1用555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(a)電路圖(b)波形圖第二十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日2.工作原理現(xiàn)以圖(b)所示的負脈沖觸發(fā)輸入信號，并根據(jù)表說明電路的工作原理。（1）無觸發(fā)信號輸入時，vI處于高電平，電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)，vO為低電平。假定接通電源后，555定時器內RS觸發(fā)器停在0的狀態(tài)，則vO為低電平，放電三極管T導通，vC≈0，使==1，vO為低電平的狀態(tài)將穩(wěn)定地保持不變。若接通電源后RS觸發(fā)器停在1的狀態(tài)，則使T截止，電源VCC通過電阻R向電容C充電，當vC上升到時，RS觸發(fā)器被置０，vO為低電平，同時T導通，電容C經T迅速放電至vC≈0，又使==1，vO為低電平的狀態(tài)也將穩(wěn)定地保持不變。因此，通電后電路便自動地停在vO為低電平的穩(wěn)態(tài)。第二十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日（2）觸發(fā)翻轉進入暫穩(wěn)態(tài)。若觸發(fā)輸入端施加觸發(fā)信號()，則觸發(fā)翻轉，使RS觸發(fā)器置1，vO輸出高電平，T截止，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。（3）暫穩(wěn)態(tài)的維持時間。在暫穩(wěn)態(tài)期間，由于T截止，VCC經R向C充電。其充電回路為VCC→R→C→地，時間常數(shù)τ1=RC，電容電壓vC由0V開始增大，在電容電壓vC上升到閾值電壓之前，電路將保持暫穩(wěn)態(tài)不變。（4）自動返回，暫穩(wěn)態(tài)結束。當vC上升至閾值電壓時，如果此時觸發(fā)脈沖已消失，即vI返回高電平，則觸發(fā)器被置０，輸出電壓vO由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，T由截止轉為飽和導通，管腳7“接地”，電容C經T對地迅速放電，電壓vC由迅速降至0V(放電三極管的飽和壓降)，電路由暫穩(wěn)態(tài)重新轉入穩(wěn)態(tài)。第二十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日（5）恢復過程。當暫穩(wěn)態(tài)結束后，電容C通過飽和導通的三極管

T放電，時間常數(shù)τ2=RCESC，式中RCES是T的飽和導通電阻，其阻值非常小，因此τ2值亦非常小。經過(3～5)τ2后，電容C放電完畢，恢復過程結束?；謴瓦^程結束后，電路返回到穩(wěn)定狀態(tài)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又可以接收新的觸發(fā)信號。第二十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日3.主要參數(shù)(1)

輸出脈沖寬度tW輸出脈沖寬度就是暫穩(wěn)態(tài)維持時間，即定時電容的充電時間，可以根據(jù)vC的波形進行計算。為了計算方便，對于圖(b)中vC的波形，將觸發(fā)脈沖作用的起始時刻作為時間起點，于是有，，，，第二十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日代入RC電路瞬態(tài)過程計算公式可求得

()

()第二十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日上式說明，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度tW僅決定于定時元件R、C的取值，與輸入觸發(fā)信號和電源電壓無關，調節(jié)R、C的取值，即可方便的調節(jié)

tW。通常R的取值在幾百歐姆到幾兆歐姆之間，電容的取值范圍為幾百皮法到幾百微法，所以tW的對應范圍為幾微秒到幾分鐘。第二十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日（2）恢復時間tre暫穩(wěn)態(tài)結束后，還需要一段恢復時間，以便使電容C在暫穩(wěn)態(tài)期間所充的電荷釋放完，使電路恢復到起始的穩(wěn)態(tài)。一般取，即認為經過3～5倍于電路時間常數(shù)的時間以后，電容就放電完畢，使電路基本達到穩(wěn)態(tài)。由于τ2=RCESC，而放電三極管T的飽和導通電阻RCES阻值非常小，所以用555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的tre很小，vC波形的下降沿很陡。第三十頁，共四十八頁，2022年，8月28日（3）最高工作頻率fmax若輸入觸發(fā)信號vI是周期為T的連續(xù)脈沖時，為保證單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能夠正常工作，應滿足下列條件T>tW＋tre

即vI周期的最小值Tmin應為tW＋tre，即Tmin=tW＋tre

因此，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的最高工作頻率應為

()第三十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應用1.延時在圖(b)所示單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形中可以看出，vO的下降沿比vI的下降沿滯后了時間tW，即延遲了時間tW。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的這種延時作用常被應用于時序控制中。2.定時由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能產生一定寬度tW的矩形輸出脈沖，若利用這個矩形脈沖作為定時信號去控制某電路，可使其在tW時間內動作或不動作。在圖中，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出信號vB作為與門的控制信號，當vB為高電平時，與門打開，使信號vA通過；當vB為低電平時，與門封鎖，信號vA不能通過。與門打開時間的長短取決于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時間tW。第三十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日圖6.4.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作定時電路的應用(a)邏輯圖(b)波形圖第三十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日3.整形如圖所示，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能夠把波形發(fā)生畸變的矩形脈沖信號vI，整形成為理想的矩形脈沖波形vO。vO的幅度取決于單穩(wěn)態(tài)電路輸出的高、低電平，寬度取決于暫穩(wěn)態(tài)時間tW。圖6.4.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用于波形的整形第三十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日6.5多諧振蕩器多諧振蕩器是一種能夠產生矩形脈沖波的自激振蕩器，在接通電源后無需外接觸發(fā)信號便能自動地產生一定頻率和幅值的矩形脈沖波。由于矩形波中含有豐富的高次諧波分量，所以習慣上又把矩形波振蕩器叫做多諧振蕩器。多諧振蕩器在工作中無穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，故又稱為無穩(wěn)態(tài)電路。第三十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日

用555定時器構成的多諧振蕩器1.電路組成圖(a)所示是用555定時器構成的多諧振蕩器。R1、R2、C是外接定時元件，閾值輸入端(6腳)和觸發(fā)輸入端(2腳)連在一起。圖6.5.1用555定時器構成的多諧振蕩器(a)電路圖(b)波形圖第三十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日2.工作原理（1）起始狀態(tài)。電源接通瞬間，電容C來不及充電無電荷，電壓vC(6腳、2腳)為低電平，電路輸出vO為高電平，放電三極管T截止。（2）第一暫穩(wěn)態(tài)。vO高電平，T截止，是電路的一種暫穩(wěn)狀態(tài)，因為在這種狀態(tài)下，電源VCC通過R1、R2對電容C充電，充電時間常數(shù)為，電壓vC按指數(shù)規(guī)律上升。（3）第一次自動翻轉。當vC上升到時，觸發(fā)器被置０，vO翻轉為低電平，T飽和導通，充電結束。第三十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日（4）第二暫穩(wěn)態(tài)。vO低電平，T飽和導通，是電路的另一種暫穩(wěn)狀態(tài)，因為在這種狀態(tài)下，電容C通過R2、T對地放電，放電時間常數(shù)為R2C，電壓vC按指數(shù)規(guī)律下降。（5）第二次自動翻轉。vC下降到時，觸發(fā)器又被置1，vO翻轉為高電平，T截止，放電結束，電路又回到第一暫穩(wěn)態(tài)。如此周而復始，在輸出端便得到一個周期性的矩形脈沖波。第三十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日3.主要參數(shù)（1）振蕩周期電容充電時，時間常數(shù)為，，，

，代入RC電路瞬態(tài)過程計算公式()可求得()第三十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日電容放電時，時間常數(shù)為R2C，，，代入RC電路瞬態(tài)過程計算公式()可求得

()由此可得電路振蕩周期T=tPH+tPL≈0.7(R1+2R2)C()第四十頁，共四十八頁，2022年，8月28日（2）振蕩頻率（3）占空比

()

()第四十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日

占空比可調的多諧振蕩器在圖所示電路中，由于電容C的充電時間常數(shù)比放電時間常數(shù)大，所以tPH

總是大于tPL，vO的波形不僅不可能對稱，而且占空比q不易調節(jié)。利用半導體二極管的單向導電特性，把電容C充電和放電回路隔離開來，再加上一個電位器，便可構成占空比可調的多諧振蕩器，如圖所示。第四十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日圖中，VCC通過RA、D1向電容C充電，充電時間為電容C通過D2、RB及放電三極管T放電，放電時間為圖6.5.2占空比可調的多諧振蕩器()

()第四十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日因而，占空比為

()只要改變電位器滑動端的位置，就可以方便地調節(jié)占空比q，當RA=RB時，q=0.5，vO就成為對稱的矩形波(方波)。第四十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日

石英晶體多諧振蕩器在許多數(shù)字系統(tǒng)中，都要求時鐘脈沖頻率十分穩(wěn)定，例如在數(shù)字鐘表里，計數(shù)脈沖頻率的穩(wěn)定性直接決定著計時的精度。在