第六章 脉冲的产生与原理及原理的应用

第6章脉冲波形的产生与整形
U TR 1 U DD (4) 保持步骤(2)的条件不变，并使UCC=3V即满足U TH U DD ， 3 3 分别将电压表XMM1和XMM2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XMM1 和XMM2的读数记录在表6.2中。
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2. 比较器 比较器C1和C2是两个结构完全相同的高精度电压比较器。C1的 输入端为阈值控制端TH(引脚6)。 当 U TH U 1时，比较器C1输出端uC1为低电平，即逻辑“0”。 当 U TH U 1 时，比较器 C1输出端uC1为高电平，即逻辑“1”。 C2的输入端为触发输入端 TR (引脚7) 当 U TR U 2 时，比较器 C2输出端uC2为高电平，即逻辑“1”。 当 U TR U 2 时，比较器 C2输出端uC2为低电平，即逻辑“0”。
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2. 工作原理 设输入信号 u i 为最常见的 三角波，且三角波幅度大于 2 U 555定时器的参考电压 1 3 U DD 电路输入/输出波形如图6.5所 示。
图6.5 施密特触发器波形
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当输入电压 u i 1 U DD 时，比较器C1、C2输出端uC1=1、uC2=0，基
3
3
2 控制端TH也为低电平，即 U TH 0 U 1 U DD ，而U TR u i 1 U2 1 UDD，
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单稳态电路输入/输出波形 如图6.11所示。
图6.11 单稳态触发器输入/输出波形
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1 (2) 触发翻转。当触发脉冲的下降沿到达时，使得U TR u i U 2 U DD 3
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(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。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 将幅度大于某值的输入脉冲检测 出来。
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6.2.2
课题与实训2：施密特触发器的测试
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4. 放电开关和输出驱动 放电开关由一个晶体三极管VT组成，其基极受基本RS触发器输 出端 Q 的控制。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。
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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 i ，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 D 接直流电源UDD(即接高电平)，控 制电压端CO通过滤波电容 (0.01mF)接地。
图6.10 555定时器组成的单稳态触发器
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2. 工作原理 (1)稳态。如果直流电源UDD接通以后，单稳态触发器停在 u o =0，则放 电三极管VT导通，放电端DIS通过放电管VT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
根据555定时器功能可知，此时电路处于u o =0的保持状态。
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6.1.2 定时器的逻辑功能 结合图6.1所示电路结构及上述分析，可以很容易得到 NE555定时器的功能如表6.1所示。
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6.1.3 课题与实训1：555定时器逻辑功能测试
1. 实训任务 (1) 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 (1) 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：一只0.01mF的电容、一只1k的电阻、一块NE555。
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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。
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3. 基本RS触发器 基本RS触发器由两个“与非”门G1和G2组成。C1、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。 RD 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 “与非”门封锁输出为0。
3
u o=UOH，电路处于第一稳态。 本RS触发器置0，
1 2 U u 当输入电压 3 DD i 3 U DD时，比较器C1、C2输出端uC1=1、uC2=1，
基本RS触发器维持原来的状态，u o =UOH。 当输入电压 u i
2 U DD 时，比较器C1、C2输出端uC1=0、uC2=1，基 3
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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 i ；复位端 R D 接 直流电源UDD(即接高电平)，控制 电压端CO通过滤波电容(0.01mF) 接地。
图6.4 555定时器组成的施密特触发器
时，此令UC 为低电平，即UC=0。则有 u o =1，电路进入暂稳态。同
时放电三极管VT截止，UDD 通过R 对C充电。 (3) 暂稳态。在暂稳态期间，同时放电三极管VT截止，UDD 通过R 对C充电。充电常数 =RC，UC 按指数规律上升，趋向于UDD 。
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(4) 自动恢复。当UC充电到
uC () uC (0) t RC ln uC ( ) U D
(6-2)
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在式(6-2)中，uC(0)是电容未充电时的起始电压；uC( )是电 容充电后的最终电压。 的UD)的时间tW可由式(6-2)求得
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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 U DD 3等分 ，其作用是为比较器C1和C2提供两个参考电压U+1(比较器C1同相输 入端，引脚5)、U-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
U 2
1 U DD 3
如果在TH端外接电压，可改变比较器C1和C2的参考电压。
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NE555集成定时器内部电路如图6.1所示，它主要由3个电阻 R组成的分压器、两个高精度电压比较器C1和C2、一个基本RS 触发器、一个作为放电的三极管VT及输出驱动G3组成。
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图6.1 NE555集成定时器内部电路
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图6.2所示为555定时器的逻辑符号 和引脚排列。
平UOL转变为高电平UOH时对应的输入电压值，称为下限阈值电压UT- ， 两者之差，称为回差电压Δ UT 1 ΔUT = UT--UT+= U DD
3
(6-1)
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回差电压Δ UT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Δ 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。
u o=UOL，电路处于第二稳态。 本RS触发器置1，
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2 压值，称为上限阈值电压UT+ ，UT+= U DD。电路的输出电压由低电 3 1 UT-= U DD 。上限阈值电压UT+和下限阈值电压UT- 值大小不同，这 3
电路的输出电压由高电平UOH转变为低电平UOL时对应的输入电
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(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，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。 5. 测试结论 将上述测量结果与图6.7、图6.8加以比较。
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6.1
555定时器
6.1.1 电路组成 555定时器按照内部元件分为双极型(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。
2
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。
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பைடு நூலகம்
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6.2
555定时器的基本应用
6.2.1 施密特触发器 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。
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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所示接好电路，并在放电端DIS和输出端OUT分别接 入电压表XMM1和XMM2，用来测量各自的电压值。 (2)将开关J1打到左边(复位端RES为高电平)， 接入电源电压UDD=6V， 1 2 U DD )，分别用电压表XMM1 和 U U TR 并使UCC=4.5V(即满足U TH DD ， 3 3 XMM2测量555定时器的输出端OUT和放电端DIS的电压，并记录在表 6.2中。 2 1 (3) 保持步骤(2)的条件不变，并使UCC=3V即满足 U TH U DD ， U TR U DD 3 3 分别将电压表XMM1和XMM2的读数记录在表6.2中。
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：一只0.01mF的电容、一只1k的电阻、一块 NE555。 4. 测试内容 1) 测试电路 测试电路如图6.9所示。 2) 测试步骤 (1) 按图6.9所示接好电路，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
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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。 (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。
2 U DD时，如果此时输入信号的触发 3
脉冲已消失，则单稳态触发器 u o =0，放电三极管VT导通，电容
C通过放电三极管VT开始放电，电路自动恢复到稳态 u o=0。
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3. 典型应用 (1)定时。 暂稳状态持续的时间又称输出脉冲宽度，用tW表示。它由电路 中电容两端的电压来决定。电容上的电压uC从充、放电开始到变化 至某一数值UD所经历的时间t可以用下列公式计算得到，即
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。
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