課題 脈沖波形的產(chǎn)生與變換

課題脈沖波形的產(chǎn)生與變換第一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4．1概述4．2多諧振蕩器4．3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器4．4施密特觸發(fā)器4.5555定時(shí)器及應(yīng)用本章小結(jié)第二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4．1概述在數(shù)字系統(tǒng)中，常常需要獲得各種不同頻率、不同幅度的矩形脈沖信號。例如時(shí)序邏輯電路中的同步脈沖控制信號CP。而獲得矩形脈沖信號的方法有兩種：一種是利用多諧振蕩器直接產(chǎn)生矩形脈沖信號；另一種是通過整形電路對已有信號的波形進(jìn)行整形、變換，得到符合要求的矩形脈沖信號。555定時(shí)器電路只要在外部配接少量的元件就可形成很多實(shí)用的電路，因而廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制和檢測。第三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五本課題的學(xué)習(xí)目標(biāo)是利用555定時(shí)器設(shè)計(jì)一個實(shí)用電路——震動報(bào)警器電路，如圖4-1所示。震動報(bào)警器的功能是在受到震動時(shí)發(fā)出報(bào)警聲，以引起人們的警覺。震動報(bào)警器電路采用壓電陶瓷蜂鳴片B將機(jī)械震動轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號由集成運(yùn)放IC1A進(jìn)行放大，再經(jīng)IClB電路延時(shí)，送入由555定時(shí)器IC2、IC3組成的超低頻振蕩器和音頻振蕩器，產(chǎn)生800kHz的音頻信號，驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)聲。第四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-1震動報(bào)警器電路圖第五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4.2多諧振蕩器

多諧振蕩器是一種矩形脈沖信號發(fā)生器。它接通電源后無需外加輸入信號，便可自動產(chǎn)生一定頻率與幅度的矩形脈沖。由于矩形波中含有豐富的高次諧波分量，所以稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器產(chǎn)生的矩形脈沖總是在高、低電平之間相互轉(zhuǎn)換，它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)定狀態(tài)，所以稱為無穩(wěn)態(tài)電路，常用作脈沖信號源。第六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4.2.1由門電路組成的多諧振蕩器由門電路組成的多諧振蕩器雖有多種電路形式，但它們無一例外地均具有如下共同特點(diǎn)。一種由CMOS門電路組成的多諧振蕩器如圖4-2所示。（1）第一暫穩(wěn)態(tài)及其自動翻轉(zhuǎn)過程接通電源后，電容C尚未充電，假定電路處于，的狀態(tài)，即所謂的第一暫穩(wěn)態(tài)。電路的工作過程分析如下：第七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五此時(shí)，處于高電平u01經(jīng)電阻R對電容C充電，隨著充電時(shí)間的增加，uI將上升，當(dāng)上升到CMOS反相器的閾值電壓VTH時(shí)，電路產(chǎn)生如下正反饋過程：

結(jié)果迅速使，，電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)。

第八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-2由CMOS門電路組成的多諧振蕩器圖4-3多諧振蕩器的波形圖第九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五（2）第二暫穩(wěn)態(tài)及其自動翻轉(zhuǎn)過程電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)的瞬間，由于電容C兩端電壓不能突變，uI也要上跳VOH，并維持u01低電平。隨后，輸出高電平u0經(jīng)C、R、G1門的輸出電阻對電容C反向充電（即電容放電），uI將下降，當(dāng)下降到閾值電壓VTH時(shí)，電路又產(chǎn)生如下正反饋過程：

結(jié)果迅速使，電路又回到第一暫穩(wěn)態(tài)。其工作波形如圖4-3所示。第十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五電路的振蕩周期T由充電時(shí)間T1和放電時(shí)間T2組成，可按下式估算：T=T1+T2≈1.4RC（4.1）從上式可以看出帶有RC延遲電路的多諧振蕩器，其頻率取決于R、C的值。改變R、C的取值，可調(diào)節(jié)振蕩頻率。通常用電容C粗調(diào)振蕩頻率，用電阻器作定時(shí)電阻R來細(xì)調(diào)振蕩頻率。第十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4.2.2石英晶體多諧振蕩器

在數(shù)字系統(tǒng)中，常用矩形脈沖信號來控制和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作。在許多場合下對矩形脈沖信號的振蕩頻率的穩(wěn)定性有嚴(yán)格的要求。例如：數(shù)字鐘的秒脈沖信號，它的頻率穩(wěn)定性直接影響著計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性。在這種情況下，前面介紹的多諧振蕩器不能滿足要求。這是因?yàn)檫@些多諧振蕩器的頻率取決于電路中的R、C、門電路和電源，而半導(dǎo)體器件對溫度的敏感、電源電壓的波動和R、C參數(shù)誤差使它們的振蕩頻率不穩(wěn)定，因此需要采用頻率穩(wěn)定性很高的多諧振蕩器。圖4-4給出了石英晶體多諧振蕩器的電路。

第十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-4石英晶體多諧振蕩器的電路第十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-4電路中，并聯(lián)在兩個反相器輸入、輸出間的電阻R1、R2的作用是使反相器工作在線性放大區(qū)，對于TTL門電路其阻值通常在0.7kΩ~2kΩ之間；對于CMOS門則常在10MΩ~100MΩ之間。C1、C2為耦合電容，C1、C2容量的選擇應(yīng)使其在振蕩電路頻率為fS時(shí)的容抗可以忽略不計(jì)。圖4-4所示電路的振蕩頻率僅取決于石英晶體的串聯(lián)諧振頻率fS，而與電路中的的值無關(guān)。這是因?yàn)殡娐穼︻l率fS所形成正反饋?zhàn)顝?qiáng)而易于維持振蕩。第十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五為改善輸出波形，增加帶負(fù)載能力，可在振蕩器的輸出端再加一級反相器。圖4-5（a）所示為一個兩相時(shí)鐘產(chǎn)生電路，石英晶體振蕩器輸出脈沖CP，被JK觸發(fā)器分頻，然后通過兩個與門分為兩相輸出脈沖，其工作波形如圖4-5（b）所示。

第十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-5雙相時(shí)鐘發(fā)生器第十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五①電路有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)。在無外加觸發(fā)信號時(shí)，電路處于穩(wěn)態(tài)。圖4-6微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器②在外加觸發(fā)信號的作用下，電路從穩(wěn)態(tài)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。③經(jīng)過一段時(shí)間后，電路又自動返回穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長短取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)信號無關(guān)。4.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是一種對已有波形進(jìn)行變換、整形的電路。它與前面介紹的觸發(fā)器不同，它具有下述特點(diǎn)：第十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4.3.1由門電路組成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖4-6給出了微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路。圖4-6微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五1．穩(wěn)定狀態(tài)對于CMOS門電路可以近似認(rèn)為VOH≈VDD、VOL≈0、VTH≈1/2VDD。電路工作過程可分四個階段，分析如下：在無觸發(fā)信號，ui=VDD時(shí)，由于R<ROFF,因此G2門的輸入uR為低電平，則輸出u02為高電平。G1門輸入全為高電平，輸出u0為低電平。此時(shí)電容C上的電壓為零，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。即ui=VDD、u01=VOL、u02=VOH。第十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2．觸發(fā)翻轉(zhuǎn)至?xí)悍€(wěn)態(tài)當(dāng)在uI端加負(fù)觸發(fā)脈沖信號時(shí)，G1門的輸出u01跳變?yōu)楦唠娖絍OH。由于電容C上的電壓不能突變，使G2門的輸入uR也隨之產(chǎn)生正跳變，G2門的輸出u02跳變?yōu)榈碗娖絍OL，并反饋到G1門的輸入端。這時(shí)即使uI回到高電平，u02仍維持低電平，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)時(shí)u01=VOH、u02=VOL。第二十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五3．自動翻轉(zhuǎn)回穩(wěn)態(tài)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)后，u01輸出的高電平VOH經(jīng)C、R對電容C充電，使電容C上的電壓上升，uR逐漸下降，當(dāng)下降到G2的閾值電壓時(shí)，G2的輸出u02為高電平VOH，并反饋到G1門的輸入端，使u01為低電平VOL，電路回到穩(wěn)態(tài)。4．恢復(fù)過程暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，u01回到低電平，電容C經(jīng)門G1

的輸出電阻放電，使電容兩端的電壓恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值，為下一次觸發(fā)翻轉(zhuǎn)做準(zhǔn)備。第二十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-7微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形第二十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五由以上分析可知單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度取決于暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間，可近似估算如下：tW≈0.7RC（4.2）在使用微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器時(shí)，觸發(fā)脈沖信號的脈寬tW1應(yīng)小于輸出脈沖的寬度tW，即tW1<tW。并且觸發(fā)信號的周期要大于暫穩(wěn)態(tài)加恢復(fù)過程的時(shí)間，否則電路不能正常工作。第二十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4.3.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器根據(jù)觸發(fā)狀態(tài)不同，可分為兩種。一種是不可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，另一種是可重復(fù)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。其邏輯符號如圖4-8所示。圖4-8單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的邏輯符號第二十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五兩種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作的波形圖如圖4-9所示。（a）不可重復(fù)觸發(fā)型（b）可重復(fù)觸發(fā)型圖4-9兩種不同單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形第二十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五常見的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器TTL型的有：74121、74221、74LS221為不可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，74122、74LS122、74123、74LS123為可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。圖4-10

給出了不可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的符號圖和外引腳圖。74121的邏輯功能見表4-1。第二十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-10集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的符號圖和引腳圖第二十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五表4-174121功能表

輸入輸出A1A2B

L×H×LH×

×LHH×L×↑×L↑

H↓H↓HH↓

↓H

LHLHLHLH第二十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五根據(jù)74121的功能表對其功能說明如下：（1）74121具有邊沿觸發(fā)的特性，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)是在觸發(fā)脈沖的邊沿處發(fā)生的。（2）A1、A2、B均可作為觸發(fā)脈沖的輸入端，其中A1、A2為下降沿觸發(fā)，B為上升沿觸發(fā)。（3）、為兩個互補(bǔ)輸出端（4）Rint、Cext、Rext/Cext為外接定時(shí)元件端，定時(shí)元件不同的接入方式，可獲得不同脈寬的輸出波形。

第二十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五①穩(wěn)定狀態(tài)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器未接入觸發(fā)信號（A1、A2不為下降沿，B不為上升沿）時(shí)，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)Q=0、=1。見功能表4-1中前四行的四種情況。②電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)A1、A2中至少有一個為低電平，B發(fā)生由0到1的正跳變。若A1、A2中有一個或兩個產(chǎn)生由1到0的負(fù)跳變，其余的觸發(fā)脈沖輸入端全為高電平。（5）工作狀態(tài)第三十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五（6）外接定時(shí)元件的兩種方法74121的定時(shí)電容接在芯片10腳（Cext）和11腳（Rext/Cext）之間，它的數(shù)值通常在10pF~10μF之間。若電容有極性要求，電容的正極應(yīng)接在10腳。定時(shí)電阻可外接，也可采用芯片內(nèi)部的定時(shí)電阻Rint。若用Rint作定時(shí)電阻，可將9腳接至14腳（即電源VCC），內(nèi)部的定時(shí)電阻Rint=2kΩ，此方法僅用于輸出脈沖寬度不太大時(shí)。若外接定時(shí)電阻，可接在11、14腳之間，其阻值在2kΩ~30kΩ之間。74121的外部連接方法如圖4-11所示，它的輸出脈沖寬度可按下式估算：tW≈0.7RextCext

第三十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-11集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的外部連接方法第三十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4.3.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用1.整形在數(shù)字信號的采集、傳輸過程中，經(jīng)常會遇到不規(guī)則的脈沖信號。這時(shí)，便可利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器將其整形。具體方法是將不規(guī)則的脈沖信號作為觸發(fā)信號加到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端，合理選擇定時(shí)元件，即可在輸出端產(chǎn)生所需要的矩形脈沖信號。如圖4-12所示。第三十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-12用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)波形的整形第三十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2.定時(shí)由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能根據(jù)需要產(chǎn)生一定寬度tW的脈沖輸出，利用它去控制某一電路，就可使其在tW時(shí)間內(nèi)動作或不動作。如圖4-13所示，利用單穩(wěn)態(tài)輸出的矩形波控制一個與門，則只有這個矩形波存在的tW時(shí)間內(nèi)，信號才有可能通過與門。3.延時(shí)

如圖4-13所示，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出矩形脈沖寬度為tW，顯然uB的下降沿比uI的下降沿延遲了tW時(shí)間。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的延時(shí)作用常被應(yīng)用于時(shí)序控制。

第三十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-13單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作定時(shí)電路的應(yīng)用第三十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4.4施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器是另一種對已有波形進(jìn)行變換整形，使其輸出為矩形波的電路。它具有如下特點(diǎn)：①施密特觸發(fā)器有兩個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。②施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)，對于緩慢變化的信號仍然適用，當(dāng)輸入信號達(dá)到某一定額定值時(shí)，輸出電平則發(fā)生突變。③輸入信號增加和減小時(shí)，電路有不同的閾值電壓，即具有如圖4-15所示的滯后電壓傳輸特性。第三十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4.4.1由門電路組成的施密特觸發(fā)器1．電路組成及工作原理由CMOS非門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器如圖4-14（a）所示。假定非門G1、G2的閾值電壓為VTH≈1/2VDD、R1<R2，且輸入信號uI為三角波。下面分析電路的工作過程。

G1門的輸入電平uI1決定著電路的狀態(tài)，根據(jù)疊加原理有

（4.3）

第三十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-14由CMOS非門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器第三十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五①當(dāng)uI=0時(shí)，G1門截止，G2門導(dǎo)通，則u01=VOH，u0=VOL≈0，電路處于第一個穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)VI1=0。②當(dāng)uI從0逐漸上升到G1的閾值電壓VTH時(shí)，G1進(jìn)入了放大區(qū)，此時(shí)的增加使電路產(chǎn)生如下正反饋過程：正反饋的結(jié)果使輸出uO的狀態(tài)由低電平跳變?yōu)楦唠娖郊磚O=VOH≈VDD。電路處于第二個穩(wěn)定狀態(tài)。第四十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五我們把uI在上升過程中，電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換瞬間所對應(yīng)的輸入電壓uI稱作正向閾值電壓（或稱上限閾值電壓），用V

T+表示。由式（4.3）可得所以

第四十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五③此后uI繼續(xù)升高，電路狀態(tài)保持不變，仍有uO=VOH≈VDD，而且

④當(dāng)uI從高電平逐漸下降并達(dá)到閾值電壓VTH時(shí)，電路將發(fā)生又一個正反饋過程：

正反饋的結(jié)果使電路的輸出狀態(tài)迅速由高電平跳變?yōu)榈碗娖絬O=VOL≈0。電路返回到第一個穩(wěn)定狀態(tài)。第四十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五我們把uI在下降過程中，電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換瞬間所對應(yīng)的輸入電壓稱做負(fù)向閾值電壓（又稱下限閾值電壓）用VT-表示。此時(shí)有將VDD=2VTH代入可得

第四十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2．回差電壓及傳輸特性施密特觸發(fā)器從一個穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個穩(wěn)定狀態(tài)所需要的輸入電壓不同，因此它有兩個不同的閾值電壓。我們將這一特性稱為施密特觸發(fā)器的滯后特性。并定義VT+與VT-之差為回差電壓，用ΔVT表示，即圖4-15給出了施密特觸發(fā)器的工作波形圖和電壓傳輸特性。

第四十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-15施密特觸發(fā)器的工作波形及電壓傳輸特性第四十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4.4.2集成施密特觸發(fā)器

1．TTL集成施密特觸發(fā)器圖4-16給出了施密特觸發(fā)器的與非門74LS13國標(biāo)符號及外引線圖。74LS13的功能說明如下:

（1）它是一個四輸入雙施密特觸發(fā)器的與非門。（2）A、B、C、D分別為觸發(fā)信號輸入端，Y為輸出端，且（3）兩個閾值電壓及回差電壓VT+≈1.6V、VT-≈0.8V、ΔVT≈0.8V，而且VT+、VT-都是固定不可調(diào)的。（4）具有反相輸出的電壓傳輸特性。

第四十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-16集成施密特觸發(fā)器74LS13國標(biāo)符號及外引線圖第四十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-17（a）所示是TTL集成施密特觸發(fā)器74LS14外引線功能圖，常用TTL集成施密特觸發(fā)器主要參數(shù)的典型值如表4-2所示。表4-2TTL集成施密特觸發(fā)器幾個主要參數(shù)的典型值

器件型號延遲時(shí)間（ns）每門功耗（mW）VT+（V）VT－（V）ΔVT（V）74LS14158.61.60.80.874LS132158.81.60.80.874LS1316.58.751.60.80.8第四十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-17集成施密特觸發(fā)器74LS14和CC40106外引線功能圖第四十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2．CMOS集成施密特觸發(fā)器圖4-17（b）是CMOS集成施密特觸發(fā)器CC40106（六反相器）的引線功能圖，表4-3所示是其主要靜態(tài)參數(shù)。

表4-3集成施密特觸發(fā)器CC40106的主要靜態(tài)參數(shù)電源電壓VDD（V）VT+最小值（V）VT+最大值（V）VT-最小值（V）VT-最大值（V）ΔVT最小值（V）ΔVT最小值（V）52.23.60.92.80.31.6104.67.12.55.21.23.4156.810.847.41.65第五十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4.4.3施密特觸發(fā)器的應(yīng)用1.波形變換可以把邊沿變化緩慢的周期性信號，如正弦波、三角波等變換為同頻率的邊沿很陡的矩形脈沖信號。如圖4-18所示。2.脈沖整形在數(shù)字系統(tǒng)中,矩形脈沖信號經(jīng)過傳輸之后往往會發(fā)生失真現(xiàn)象或帶有干擾信號。利用施密特觸發(fā)器可以有效的將波形整形和去除干擾信號（要求回差ΔVT大于干擾信號的幅度）。如圖4-19所示。第五十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-18用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)波形變換圖4-19用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)脈沖整形第五十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五

3.幅度鑒別如果有一串幅度不相等的脈沖信號,我們要剔除其中幅度不夠大的脈沖,可利用施密特觸發(fā)器構(gòu)成脈沖幅度鑒別器,如圖4-20所示,可以鑒別幅度大于VT+的脈沖信號。

圖4-20用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)幅度鑒別第五十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4.構(gòu)成多諧振蕩器施密特觸發(fā)器的特點(diǎn)是電壓傳輸具有滯后特性。如果能使它的輸入電壓在VT+與VT-之間不停地往復(fù)變化，在輸出端即可得到矩形脈沖，因此,利用施密特觸發(fā)器外接RC電路就可以構(gòu)成多諧振蕩器，電路如圖4-21所示。此電路的工作原理是利用輸出端的高低電平對電容C進(jìn)行充、放電，以改變uI的電平，從而控制施密特觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。電路的振蕩周期T由充電時(shí)間tW1和放電時(shí)間tW2組成，可按下式估算：

第五十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-21用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器第五十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4.5555定時(shí)器及應(yīng)用

555定時(shí)器是一種應(yīng)用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，功能強(qiáng)，使用靈活方便，由它組成的各種應(yīng)用電路變化無窮。555定時(shí)器可分為TTL電路和CMOS電路兩種類型。TTL電路型號有NE555和NE556（雙），電源電壓5V～16V，輸出最大負(fù)載電流200mA；CMOS電路型號有C7555和C7556（雙），電源電壓3V～18V，輸出最大負(fù)載電流4mA。通常，TTL定時(shí)器具有較大的驅(qū)動能力，而CMOS定時(shí)器具有低功耗、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)。第五十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4.5.1555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)及功能1．555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)TTL型555定時(shí)器電路結(jié)構(gòu)、邏輯符號和外引線圖如圖4-22所示。它由三個分壓電阻（5kΩ），兩個電壓比較器（C1、C2），基本RS觸發(fā)器（G1、G2），反相緩沖器（G3）及放電管（V）組成。整個芯片組8個引腳，各引腳名稱如圖上所標(biāo)。第五十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-22555定時(shí)器電路結(jié)構(gòu)、邏輯符號和外引線圖第五十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2．555定時(shí)器工作原理及功能

定時(shí)器的主要功能取決于比較器，比較器的輸出控制RS觸發(fā)器和放電管V的狀態(tài)。由圖可知，當(dāng)5腳懸空時(shí)，由三個5kΩ電阻組成的分壓網(wǎng)絡(luò)為兩個電壓比較器提供了兩個參考電壓，即C1的同相輸入端電壓uI1+=2/3VCC和C2的反相輸入端電壓uI2-=1/3VCC。表4-4是555定時(shí)器的功能表。如果在5腳控制電壓端CO外加一控制電壓VCO，則二個電壓比較器的參考電壓將變?yōu)椋谖迨彭?，共九十三頁，編輯?023年，星期五表4-4555定時(shí)器的功能表輸入輸出TH復(fù)位輸出Q放電管V狀態(tài)××00導(dǎo)通>2/3VCC>1/3VCC10導(dǎo)通

<2/3VCC

<

1/3VCC11截止

<2/3VCC>

1/3VCC1不變不變>

2/3VCC<

1/3VCC1禁止第六十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4.5.2定時(shí)器應(yīng)用舉例

1．由555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器（1）電路組成由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路如圖4-23(a)所示。R1、R2和C為外接定時(shí)元件，復(fù)位控制端與置位控制端相連并接到定時(shí)電容上，R1和R2的接點(diǎn)與放電端相連，控制電壓端不用，通常外接0.01μF電容。第六十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五（2）工作原理接通電源后，VCC通過R1、R2對C充電，uC上升。當(dāng)uC<1/3VCC時(shí)，復(fù)位控制端u6<2/3VCC，置位控制端u2<1/3VCC，定時(shí)器置位，

Q=1，=0，放電管截止。隨后uC升高，當(dāng)uC上升到2/3VCC時(shí)，控制端u6>2/3VCC，置位控制端u2>1/3VCC，定時(shí)器復(fù)位，Q=0，=1，放電管飽和導(dǎo)通，C通過R2經(jīng)7腳內(nèi)的三極管V放電，uC下降。如此反復(fù)，形成振蕩波形，如圖4-23（b）所示。

第六十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-23由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器第六十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖中tW1是充電時(shí)間，tW2是放電時(shí)間，可用下列式估算則多諧振蕩器的振蕩周期T為第六十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2．由555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（1）電路組成由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路如圖4-24（a）所示。R和C為外接定時(shí)元件，復(fù)位控制端與放電端相連并連接定時(shí)元件，置位控制端作為觸發(fā)輸入端，同樣，控制電壓端不用，通常外接0.01μF電容。第六十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五（2）工作原理靜態(tài)時(shí)，觸發(fā)輸入ui高電平，VCC通過R對C充電，uC上升。當(dāng)uC上升到2/3VCC時(shí)，復(fù)位控制端u6>2/3VCC，而ui高電平使置位控制端u2>1/3VCC，定時(shí)器復(fù)位，Q=0，=1，放電管飽和導(dǎo)通，C經(jīng)V放電，uC迅速下降。由于ui高電平使u2>1/3VCC，所以即使uC<2/3VCC，定時(shí)器也仍保持復(fù)位，Q=0，=1，放電管始終飽和導(dǎo)通，C可以將電放完，uC≈0，電路處于穩(wěn)態(tài)。當(dāng)觸發(fā)輸入ui低電平，即使置位控制端u2<1/3VCC，而此時(shí)uC≈0又使復(fù)位控制端u6<2/3VCC，則定時(shí)器置位，Q=1，=0，放電管截止，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。之后，VCC通過R對C充電。當(dāng)上升到2/3VCC時(shí)，復(fù)位控制端u6>2/3VCC,置位控制端u2>1/3VCC，Q=0，=1，放電管又導(dǎo)通，C經(jīng)三極管V再放電，電路恢復(fù)結(jié)束，電路回到穩(wěn)態(tài)。第六十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-24由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第六十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五此單穩(wěn)態(tài)電路的暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間可按下式估算第六十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五3．由555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器（1）電路組成由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路如圖4-25（a）所示。復(fù)位控制端與置位控制端相連并作為輸入端，3腳為輸出端。第六十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-25由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路第七十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五（2）工作原理設(shè)輸入為三角波電壓信號如圖4-25（b）所示。由電路可知，當(dāng)輸入uI<1/3VCC時(shí)，u2=u6<1/3VCC，定時(shí)器置位，輸出u0為高電平。當(dāng)1/3VCC<uI<2/3VCC時(shí)基本RS觸發(fā)器處于保持狀態(tài)，輸出Q保持高電平不變。當(dāng)輸入uI<2/3VCC時(shí)，u2=u6>2/3VCC，定時(shí)器復(fù)位，輸出u0為低電平。可以看出，此電路的正、負(fù)向閾值電壓分別為，回差電壓為第七十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4.6綜合設(shè)計(jì)——震動報(bào)警器4．6．1設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求1．利用555定時(shí)器組成一個震動報(bào)警器。2．震動報(bào)警器發(fā)出間隔1s、響1s的報(bào)警聲，持續(xù)5～8min。3．畫出電路接線圖，并用Multisim仿真。4．選擇元器件，對電路進(jìn)行組裝調(diào)試。第七十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4．6．2震動報(bào)警器電路組成及工作原理震動報(bào)警器電路如圖4-26所示，采用壓電陶瓷蜂鳴片B作為震動傳感器，集成運(yùn)放IC1A為電壓放大器，C3、R5、IClB等組成延時(shí)電路，時(shí)基電路IC2、IC3分別組成超低頻振蕩器和音頻振蕩器，圖4-27所示為電路原理方框圖。壓電陶瓷蜂鳴片是利用壓電效應(yīng)原理工作的，當(dāng)對其施加交變電壓時(shí)它會產(chǎn)生機(jī)械振動。反之，對其施加機(jī)械作用力時(shí)它也會產(chǎn)生電壓信號。因此壓電陶瓷蜂鳴片可以作為震動傳感器使用。

第七十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-26震動報(bào)警器電路的原理圖圖4-27震動報(bào)警器電路原理方框圖第七十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)震動等機(jī)械力作用于壓電陶瓷蜂鳴片B時(shí)，由于壓電效應(yīng)，壓電蜂鳴片B輸出電壓信號，從③腳進(jìn)入IC1A進(jìn)行電壓放大，放大后的信號電壓由①腳輸出。C2、VD1、VD2等組成倍壓整流電路，將放大后的信號電壓整流為直流電壓，使C3迅速充滿電。由于集成運(yùn)放IClB的輸入阻抗很高，C3主要經(jīng)R5緩慢放電，可延時(shí)數(shù)分鐘。在此期間，IClB輸出端(⑦腳)為高電平（即由555定時(shí)器IC2等構(gòu)成的多諧振蕩器的直接復(fù)位端為高電平），使超低頻振蕩器IC2起振，輸出方波信號，其周期為第七十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五時(shí)基電路IC3等構(gòu)成音頻振蕩器，振蕩頻率約為800Hz，經(jīng)C6驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)聲。IC3的復(fù)位端(④腳)受IC2輸出的方波信號控制，振蕩1s，間歇1s（IC2的周期約為2s）。綜上所述，當(dāng)有震動發(fā)生時(shí)，震動報(bào)警器即發(fā)出間隔1s響1s的報(bào)警聲，持續(xù)5～8min。圖4-28所示為電路各點(diǎn)工作波形。集成運(yùn)放IClA為單電源運(yùn)用，R1、R2將其“+”輸入端(③腳)偏置在1/2Vcc處。電路放大倍數(shù)A=R4/R3=100倍，可通過改變R4或R3予以調(diào)節(jié)。第七十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-28震動報(bào)警器電路各點(diǎn)工作波形第七十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4．6．3主要元器件選擇ICl選用集成運(yùn)算放大器LMl58，內(nèi)含兩個獨(dú)立的高增益運(yùn)算放大器，可在單電源狀態(tài)下工作。LMl58引腳功能如圖4-29所示。IC2和IC3選用雙極型時(shí)基電路NE555，其引腳功能如圖4-30所示。CMOS時(shí)基電路因驅(qū)動電流太小不適用。第七十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-29LMl58引腳功能圖圖4-30NE555引腳功能圖第七十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4.6.4應(yīng)用Multisim對震動報(bào)警器電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)

在Multisim文件中，畫出震動報(bào)警器電路。如圖4-31所示。1．仿真內(nèi)容（1）放大延時(shí)電路測試：用示波器測量IC1B輸出電壓持續(xù)時(shí)間，并用直流電壓表測量放大延時(shí)電路的輸出電壓。（2）低頻與音頻電路的測試：用雙蹤示波器觀察振蕩器IC2、IC3的輸出波形，并測量輸出信號頻率。第八十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖4-31震動報(bào)警器放大延時(shí)電路測試第八十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2．仿真結(jié)果（1）放大延時(shí)電路測試結(jié)果：IC1B輸出電壓超過6V，其持續(xù)時(shí)間約為5～8min，即在此期間，IC2的復(fù)位端為高電平，低頻振蕩器可以產(chǎn)生振蕩。（2）低頻與音頻電路的測試結(jié)果：測試結(jié)果如圖4-32所示，由圖中波形可計(jì)算出輸出信號頻率約為8kHz。第八十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五（a）IC2輸出波形（b）IC3輸出波形圖4-32低頻與音頻電路測試結(jié)果第八十三頁，共九十三頁，編輯于2023年