1、第8章 脉冲单元电路8.1 555定时器8.2 施密特触发器8.3 多谐振荡器8.4 单稳态触发器8.5 555定时电路的计算机仿真第第8章章 脉冲单元电路脉冲单元电路第8章 脉冲单元电路矩形波是数字系统最常用的信号，波形的好坏直接影响到系统的性能。为了描述矩形波，常用以下参数表示，如图8-1所示。图8-1 脉冲波形参数第8章 脉冲单元电路555定时器（时基电路)是一种用途广泛的模拟数字混合集成电路。555定时器于1972年由西格尼蒂克斯公司（Signetics)研制，其设计新颖、构思奇巧，备受电子专业设计人员和电子爱好者青睐。555定时器结构简单、使用灵活、用途广泛，因而在控制、定时、检测、
2、仿声、报警等方面有着广泛的应用，它具有如下三个特点：8.1 555 8.1 555 定定 时时 器器 第8章 脉冲单元电路（1)外部只需连接几个阻容元件便可以方便地构成施密特触发器、多谐振荡器、单稳态触发器和压控振荡器等多种应用电路。（2)电源电压范围宽(318 V)，能够提供与TTL及CMOS集成电路兼容的逻辑电平。（3)具有一定的输出功率，可驱动微电机、指示灯和扬声器等。第8章 脉冲单元电路8.1.1 芯片的电路结构芯片的电路结构555定时器有TTL型和CMOS型两类产品，TTL型产品型号最后三位为555，CMOS型产品型号最后四位为7555。它们的功能和外部引脚排列完全相同。该器件的内部
3、结构如图8-2(c)所示，它由三个阻值为5 k的电阻构成的电阻分压器、两个高精度电压比较器、基本RS触发器和泄放三极管V组成。图8-2（a)、(b)、（d)分别为实物图、逻辑符号图和引脚排列图。第8章 脉冲单元电路图8-2 555定时器 第8章 脉冲单元电路8.1.2 芯片的功能芯片的功能555定时器的功能如表8-1所示。表表8-1 555定时器功能表定时器功能表 第8章 脉冲单元电路施密特触发器是数字系统中比较常用的一种电路，它有两个稳定的状态，是由电平触发的双稳态电路。利用其电平触发的特性可以将正弦波、三角波、不规则（失真)的矩形波等变换为矩形波，也可以作为鉴幅器来使用。施密特触发器的电路
4、如图8-3所示。8.2 8.2 施密特触发器施密特触发器 第8章 脉冲单元电路图8-3 施密特触发器电路第8章 脉冲单元电路8.2.1 施密特触发器的特点施密特触发器的特点施密特触发器有两个稳态（Uo=0称为0态和Uo=1称为1态)，在外加信号的作用下，施密特触发器两个稳态之间可以相互转换。施密特触发器属于波形变换电路，它可以将正弦波、三角波、锯齿波等变换为矩形波。施密特触发器具有以下特点：(1)当输入触发信号达到一定值时，输出电平发生变化，即由一个稳态转换到另一稳态，因而称其为电平触发电路。第8章 脉冲单元电路 (2)具有回差特性。输入触发信号，引起输出状态转换的输入电平称为触发电平。触发电
5、平分为高电平触发电平V+T和低电平触发电平V-T。它们的大小不一样，会导致输出电压的滞后，这种电压特性叫回差特性。V+T与V-T之间的差值定义为回差电压，即V=V+T-V-T。(3)可以增加一些逻辑电路的功能（如与、非、与非等)，形成具有施密特触发器特性的与门、非门、与非门等。第8章 脉冲单元电路8.2.2 由由555定时器构成的施密特触发器定时器构成的施密特触发器由555定时器构成的施密特触发器的电路结构、工作原理及其电路仿真介绍如下：(1)电路结构。由555定时器构成的施密特触发器是将555定时器阈值输入端TH和触发输入端连接在一起作为输入，输出端Q作为输出（或放电端DIS通过上拉电阻作为
6、输出)，这样便可构成施密特触发器，如图8-4(a)所示。(2)工作原理。根据555定时器的功能表可方便地分析电路，由于输入端TH和同时接Ui，则UTH=Ui（V+T=VTH=2/3VCC、V-T=1/3VCC)。设输入Ui为三角波（如图8-4（b)所示)，那么第8章 脉冲单元电路当0Ui1/3VCC时，即UTH2/3VCC、1/3VCC时，根据555定时器的功能表，可得输出Uo为高电平“1”。当Ui上升到1/3VCCUi2/3VCC时，即UTH1/3VCC时，Uo保持“1”不变。当Ui上升到Ui2/3VCC时，即UTH2/3VCC、1/3VCC时，输出Uo为低电平“0”。当Ui从峰值开始下降至
7、1/3VCCUi2/3VCC时，即UTH1/3VCC时，Uo保持“0”不变。第8章 脉冲单元电路当Ui下降到Ui1/3VCC时，即UTH2/3VCC、1/3VCC时，输出Uo为高电平“1”。由以上分析可得如图8-4(b)所示的工作波形，该施密特触发器的触发电平V+T2/3VCC，V-T1/3VCC，回差电压VT1/3VCC。第8章 脉冲单元电路图8-4 555定时器构成施密特触发器第8章 脉冲单元电路(3)555定时器构成的施密特触发器的仿真电路及结果如图8-5所示。图8-5 施密特触发器仿真电路及结果 第8章 脉冲单元电路8.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用利用施密特触发器的回差
8、特性，可完成波形的整形、波形的变换和幅度鉴别等功能。(1)脉冲整形。如果输入是正弦波或发生畸变的矩形波，都可以通过施密特触发电路进行整形，获得较为理想的矩形波。整形电路工作波形如图8-6所示。第8章 脉冲单元电路图8-6 整形电路工作波形第8章 脉冲单元电路(2)幅度鉴别。幅度鉴别是从一连串幅度不等的脉冲波形中，选出幅度较大的脉冲电路。利用施密特触发器可以实现这一目的。图8-7所示的工作波形是幅度鉴别器将幅度大于V+T的脉冲从波形中选出的过程。第8章 脉冲单元电路图8-7 幅度鉴别器第8章 脉冲单元电路(3)555定时器构成的施密特触发器用作光控开关。图8-8所示电路为555定时器构成的施密特
9、触发器用作光控开关的电路图。图中的RL为光敏电阻，有光照时电阻值小，无光照时阻值大。有光照时，电路设计（选取合适的可变电阻值)使得Ui2/3VCC，输出Uo为低电平，继电器J吸合,从而实现光控的作用。第8章 脉冲单元电路图8-8 施密特触发器用作光控开关第8章 脉冲单元电路8.3.1 与非门组成的多谐振荡器与非门组成的多谐振荡器 1.TTL与非门构成的多谐振荡器与非门构成的多谐振荡器 1)电路结构图8-9所示为电容正反馈多谐振荡器，它由两级与非门和电容C构成。8.3 8.3 多多 谐谐 振振 荡荡 器器 第8章 脉冲单元电路图8-9 多谐振荡器 第8章 脉冲单元电路2)工作原理多谐振荡器的工作
10、，主要依靠电容C的充放电，通过引起电压Ud的变化来完成其功能。当Ub为低电平，Ua为高电平时，称为第一暂态；当Ub为高电平，Ua为低电平时，称为第二暂态。设起始为第一暂态，这时Ua通过门电路的内阻R0和电阻R1对电容C充电，工作波形如图8-9所示。随着电容C的充电,电压Ud不断上升。当Ud上升到UdVT=1.4 V时（其中VT为门限电压)，Ud为高电平，电路发生翻转。Ua由原来的高电平变为低电平，Ub由原来的低电平变为高电平，电路进入第二暂态。第8章 脉冲单元电路第二暂态的电路中Ub为高电平，Ua为低电平。因为电路从第一暂态进入第二暂态时，Ub=2.9 V，所以Ud=2.9 V。Ud从1.4
11、V上升到4.3 V，这时电容C开始放电，Ud随之下降。当Ud下降到UdVT=1.4 V时，Ud变为低电平，电路再次翻转，这时Ua从低电平上升到高电平，Ub从高电平下降到低电平，回到第一暂态。这样周而复始，于是Ub输出矩形波。3)周期估算周期估算的计算公式为T=TW1+TW22.2R1C第8章 脉冲单元电路2.CMOS与非门构成的多谐振荡器与非门构成的多谐振荡器1)电路结构CMOS与非门构成的多谐振荡器电路如图8-10所示。多谐振荡器电路由两个CMOS反相器和RC反馈支路构成。第8章 脉冲单元电路图8-10 CMOS多谐振荡器 第8章 脉冲单元电路2)工作原理设门限电压VT=VDD/2,电容器C
12、上初始电压为零。接通电源时，设D点为低电平，由于电容器C上电压为零，故A点也为低电平，因此B点为高电平，UB=VDD，输出电压UD=0。UB通过R给C充电，电容器C两端电压为下正上负，A点电位随之升高。当UAVDD/2时，B点由高电平跳变为低电平，则D点由低电平跳变为高电平，电容器C通过R放电，且反方向充电，A点电位开始下降。当UAVDD/2时，B点变为高电平，D点变为低电平，电路完成一个循环。电容C这样周而复始地充放电，D点电位周期性地高、低变化，故输出矩形方波，振荡周期T2.2RC。第8章 脉冲单元电路图8-11 晶体振荡器 第8章 脉冲单元电路3.晶体振荡器晶体振荡器晶体振荡器电路如图8
13、-11所示。在频率稳定度要求较高的情况下，可以采用晶体来稳频。该电路与一般振荡器的区别是其在一条耦合支路中串入了石英晶体。石英晶体具有一个极其稳定的串联谐振频率fs，在这个频率的两侧，晶体电抗值迅速增加，而在fs处等效阻抗几乎为零。把晶体串入两级正反馈电路的反馈支路中，只有在fs这个频点形成正反馈时，晶体振荡器才能满足起振条件而起振。因此振荡频率由晶体决定(f=fs)，且频率稳定度极高，很容易达到10-5。图8-11中C1、C2为耦合电容，同时可以通过C2来微调振荡频率。第8章 脉冲单元电路8.3.2 由由555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器当555定时器按图8-12(a)所示电
14、路连接时，就构成了多谐振荡器，其中RA和RB是外接电阻，C是外接电容。当刚接通电源时，电容开始充电，由于电容电压UC1/3VCC，因此PIN3输出高电平。随着电容C的充电，UC上升，但只要UC2/3VCC时，由555定时器的功能表可知，PIN3输出为低电平，555定时器内部的三极管V导通，电容C通过RB及555内部与PIN7相连的三极管V开始放电。第8章 脉冲单元电路图8-12 555定时器构成的多谐振荡器(a)连接图；(b)波形图第8章 脉冲单元电路随着电容C的放电，UC随之下降，当UC下降至UC1/3VCC时，由555定时器的功能表可知，PIN3又输出高电平，同时V截止，电容C又重新开始充
15、电。电容C的充放电使电路输出矩形波。555定时器构成的多谐振荡器的电路工作波形如图8-12(b)所示，其输出频率、周期与电阻、电容的关系如图8-13所示。第8章 脉冲单元电路图8-13 多谐振荡器输出频率、周期与电阻、电容的关系第8章 脉冲单元电路由RC的充放电过程及UC的波形可得：TW10.7(RA+RB)CTW20.7RBC所以T=TW1+TW20.7(RA+2RB)C 例如：若产生1 kHz信号，即T=1 ms。根据上面公式和图8-13，如果取C=0.22 F,则RA+2RB=6.5 k。RA及RB的值在这里可以取RA=2.5 k,RB=2k。第8章 脉冲单元电路8.3.3 多谐振荡器的
16、应用多谐振荡器的应用多谐振荡器作为矩形信号发生器在实践中得到了广泛的应用。1.秒信号发生器秒信号发生器秒信号发生器可以由输出频率为1024 Hz的多谐振荡器和1024分频比的分频器构成。多谐振荡器输出的1024 Hz信号可作为分频器的输入时钟信号，经过1024分频后得到1 Hz 的矩形波，即秒脉冲。电路连接框图如图8-14所示。第8章 脉冲单元电路图8-14 秒信号发生器框图第8章 脉冲单元电路图8-15 报警电路（a)原理电路图；（b)印刷电路图；（c)安装图第8章 脉冲单元电路2.报警电路报警电路由555定时器和三极管构成的报警电路如图8-15所示。其中555定时器构成多谐振荡器，振荡频率
17、fo1.43（R12R2)C，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，可以接收各种传感器的输出，异常时PR为高电平，多谐振荡器工作发出报警，正常时PR为低电平，电路停振。第8章 脉冲单元电路8.4.1 单稳态触发器的特点单稳态触发器的特点单态触发器是一种用于整形、延时和定时的脉冲单元电路，它具有如下特点：(1)有一个稳定状态和一个暂时稳定状态（简称暂态)。(2)在外加脉冲信号的作用下，电路由稳态转变为暂态。(3)暂态持续一段时间后，电路自动返回到稳定状态。8.4 8.4 单稳态触发器单稳态触发器 第8章 脉冲单元电路8.4.2 由由555定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器1
18、.电路结构电路结构555定时器构成的单稳态电路如图8-16所示。2.工作波形及参数工作波形及参数由555定时器构成的单稳态电路的工作波形如图8-16(b)所示。其暂态脉宽TW1.1RC。第8章 脉冲单元电路图8-16 555定时器构成的单稳态电路 第8章 脉冲单元电路3.单稳态电路仿真单稳态电路仿真单稳态仿真电路如图8-17（a)所示，其中，R=1 k，C=1 F，输入信号Ui幅度为5 V、频率为500 Hz、占空比为80%。其实验结果如图8-17（b)所示，输出信号暂态脉宽TW1.1RC=T2-T1=1.1 ms。第8章 脉冲单元电路图8-17 555定时器构成的单稳态电路仿真第8章 脉冲单
19、元电路8.4.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用由于单稳态电路具有在外加信号作用下由稳态转换到暂态，暂态持续一定时间后电路自动恢复到稳态的特点，因此可用作波形的整形、定时和延时器件。实际应用中常见的红外控制水龙头、声控楼梯灯等都是单稳态的典型应用。第8章 脉冲单元电路1.脉冲整形脉冲整形单稳态触发器输出的矩形波暂态脉冲宽度取决于电路自身的参数，输出脉冲幅度取决于触发器的电源。因此单稳态电路输出矩形波暂态脉冲的宽度和幅度是一致的。若某脉冲波形不符合要求，可以用单稳态触发器进行整形，得到暂态脉冲宽度和幅度一致的脉冲波形，如图8-18所示。第8章 脉冲单元电路 图8-18 单稳态的整形作用 第
20、8章 脉冲单元电路2.定时定时利用单稳态电路输出脉冲宽度TW一定的特性也可以实现定时作用,即用计时开始信号去触发单稳态触发器，经TW时间后，单稳态触发器便可给出计数停止信号。单稳态定时器还可用于控制定时开关，如楼梯灯定时等。3.延时延时利用单稳态电路输出脉冲宽度TW一定的特性，也可以实现延时作用。输出脉冲比输入脉冲滞后TW时间才出现,如图8-19所示。第8章 脉冲单元电路图8-19 脉冲延时电路及波形 第8章 脉冲单元电路【练习练习1】在Multisim2001软件上利用555定时器设计波形产生电路(多谐振荡器)。8.5 5558.5 555定时电路的计算机仿真定时电路的计算机仿真 第8章 脉
21、冲单元电路要求：(1)利用555定时器构成多谐振荡器。电路按图8-12所示电路连接,图中RA=10 k,RB=100 k,C=0.01 F,VCC=5 V。(2)计算负脉冲宽度TWL，正脉冲宽度TWH，占空比q和频率f。(3)测量负脉冲宽度TWL，正脉冲宽度TWH，占空比q和频率f。(4)分析测量值与理论值产生误差的原因。第8章 脉冲单元电路【练习练习2】在Multisim2001软件上利用555定时器设计施密特电路。要求：(1)利用555定时器构成施密特电路。电路按图8-4所示电路连接,图中输入Ui为三角波，VCC=5 V。(2)用示波器观察输入、输出波形。(3)用示波器观察Ui输入不同波形时的输出。(4)计算回差电压。(5)试利用555定时器来设计其它实用电路。
