第6章 脉冲波形的产生与整形

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C1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。

数字电子技术基础2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。

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DD V 分为三等份，其作是为比较器C 1和C 2提供2个参考电压V +1（比较器C1同相输入端，管脚5）、V -2（比较器C 2反相输入端），若控制电压端C O 悬空或通过电容接地，则有：DD V V 312=- 如果在TH 端外接电压可改变比较器C 1和C2的参考电压。

第6章 脉冲波形的产生与整形32.比较器比较器 C 1和C 2是两个结构完全相同的高精度电压比较器。

C 1的输入端为阈值控制端TH （管脚6）。

当1+>V V TH 时，比较器 C 1输出端u C1为低电平，即逻辑“0”； 当1+<V V TH 时，比较器 C 1输出端u C1为高电平，即逻辑“1”。

C2的输入端为触发输入端TR （管脚7）当2->V V TR 时，比较器 C 2输出端u C2为高电平，即逻辑“1”； 当2-<V V TR 时，比较器 C 2输出端u C 2为低电平，即逻辑“0”。

3.基本RS 触发器基本RS 触发器由两个 “与非”门G 1和G 2组成。

C 1、C 2的输出电压u C1、u C2作为基本RS 触发器的输入端。

u C1、u C2状态改变，决定触发器输出端Q 和Q 端的状态。

D 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 “与非”门封锁输出为0。

4.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G 3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。

数字电子技术基础4表6.1 NE555功能表7.1.3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：电容0.01uF1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。

第6章 脉冲波形的产生与整形5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V DD =6V 。

并使V CC =4.5V （既满足TH V DDV 32>， TR V DDV 31>），分别用电压表XHH1和XHH2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。

（3）保持步骤②的条件不变，并使V ＣＣ=3V （既满足TH V DD V 32<， TR V DD V 31>），分别将电压表XHH1和XHH2的读数记录在表6.2中。

（4）保持步骤(2)的条件不变，并使VCC=3V （既满足THV DD V 32<， TRV DD V 31<），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。

数字电子技术基础 6表6.2 555定时器功能测试RES TH （V ） TRI （V ） OUT （V ） DIS （V ） 功能说明 高电平 4.5 4.5 高电平 3 3 高电平 1.5 1.5 低电平××6.2 555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i u ；复位端D R 接直流电源V DD （即接高电平），控制电压端C O 通过滤波电容（0.01uF ）接地。

Ｃ第6章 脉冲波形的产生与整形7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i 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DD V V 321=-，电路输入输出波形如图6.5所示。

图6.5 施密特触发器波形图当输入电压i u DD V 31<时，比较器C 1 、C 2输出端u C1=1、u C2=0，基本RS 触发器置0，o u =U OH ，电路处于第一稳态。

当输入电压<DD V 31i u DD V 32<时，比较器C 1 、C 2输出端u C1=1、u C2=1，基本RS 触维持原来的状态，o u =U OH 。

当输入电压i u DD V 32>时，比较器C 1 、C 2输出端u C1=0、u C2=1，基本RS 触发器置1，o u =U OL ，电路处于第二稳态。

电路的输出电压由高电平U OH 转变为低电平U OL 时对应的输入电压值，称为上限阈值电压U T+ ，U T+=DD V 32。

电路的输出电压低电平U OL 由转变为高电平U OH 时对应的输入电压值，称为下限阈值电压U T- ，U T-=DD V 31。

上限阈值电压U T+和下限阈值电压U T- 值大小不同，这两者之差，称为回差电压△U T△U T = U T--U T+=DD V 31（6-1） 回差电压△U T 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△U T 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.典型应用数字电子技术基础8（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。

第6章脉冲波形的产生与整形96.8 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0.01uF1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。

数字电子技术基础10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U T+和下限阈值U T-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U T+和下限阈值U T-。

5. 测试结论将上述测量结果与图6.7、图6.8加以比较。

表6.3 施密特触发器测试波形U T+（V）U T-（V）输入波形输出波形正弦波u io tu oo t三角波u io tu oo t6.2.3 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i 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D R 接直流电源VDD （即接高电平），控制电压端CO 通过滤波电容（0.01uF ）接地。

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i u =1。