实验七 脉冲波的产生与 555 应用

一、实验目的1 、掌握石英晶体振荡器及集成分频器的应用方法2、熟悉 555 电路的工作原理及分析方法。3、掌握 555 集成定时器构成脉冲电路的方法及设计过程。4、掌握定时元件 RC对振荡周期和脉冲宽度的影响及 tW

计算。二、实验器材 数字电路实验箱、双踪示波器、频率计各一台； CD4060 、 32.768KHz 晶振、 NE555 各一只；10K 、 100K 电阻； 1uF 、 0.1uF 电容；电位器。

三、实验原理1 、脉冲波的获得 在数字系统中，常需要各种不同频率的脉冲信号，或者

需要一定宽度和幅度的脉冲信号，来完成各种不同的控制要求。有如下两种方法获得脉冲波：

1 ）自激多谐振荡器 多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源以后，不需

要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。

常用门电路和单片集成电路组成多谐振荡器、环形振荡器和石英振荡器，它不需要外接输入信号。

2 ）脉冲整形电路 它是把外界输入信号（如正弦波等）变换成为脉冲波。

常用门电路和单片集成电路组成单稳态触发器和施密特触发器。

下面给出了三种由 TTL门构成的多谐振荡器电路

1 、对称式多谐振荡器电路 2、非对称多谐振荡器电路 3、最简单的环形振荡器 • 这种由门电路构成的几种多谐振荡器电路难以满足要求。因为在这些多谐振荡器中振荡频率主要取决于门电路输入电压在充、放电过程中达到转换电平所需要的时间，所以频率稳定性不可能很高。

因为：• （ 1）这些振荡器中门电路的转换电平 VTH本身就不够稳定，容易受电源电压和温度变化的影响；

• （ 2） 这些电路的工作方式容易受干扰，造成电路状态转换时间的提前或滞后；

• （ 3） 在电路状态临近转换时电容的充、放电已经比较缓慢，在这种情况下转换电平微小的变化或轻微的干扰都会严重影响振荡周期。

所以： TTL 门多谐振荡器只适用于对频稳度要求不高的场合。

· 在许多应用场合下都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格的要求。例如在将多谐振荡器作为数字钟的脉冲源使用时，它的频率稳定性直接影响着计时的准确性。

• 对频率稳定度有较高要求时，必须采取稳频措施。目前普遍采用的一种稳频方法是在多谐振荡器电路中接入石英晶体，组成石英晶体多谐振荡器。

2 、石英晶体多谐振荡器• 石英晶体的谐振频率由石英晶体的结晶方向和外形尺寸所决定，具有极高的频率稳定性。它的频率稳定度 (△fo ／ fo)可达 10-6～ 10-11，足以满足大多数数字系统对频率稳定度的要求。

• 石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率 fo，而与外接电阻，电容无关。

图示电路中，若取 TTL 电路 74LS04 用作 G1 和 G2 两个反相器，RF=1KΩ,C=0.01µF，则其工作频率可达几十 MHz，频率稳定度可保证频率偏差在数十 Hz以下。

3 、集成振荡 /分频集成电路 CD4060

• CD4060是 CMOS14 位二进制串行计数／分频器，工作电压范围 3-15V 。

• CD4060片内集成了振荡电路，在其外引脚上只需接一个晶振和两个电容、一个电阻即可很容易地起振。

右图中 Q4 、 Q5 、…… Q14 分别对应于晶振频率的 2n分频方波频率输出；

Reset 为复位端，高电平复位，使用时接低电平；

Clock与 OUT1 是外部振荡电路输入端， OUT2 为振荡反向输出端。

CD4060 的外引脚图。

CD4060 内部结构详图

从图中可见，最大 214 分频实际上是通过 14位异步计数器级联实现的。（ CD4060 内部未将 21 、 22 、23 分频引出）

CD4060构成振荡器典型电路

• RC 振荡器

• 晶体振荡器

从图中可见 CLOCK、 OUT1 、 OUT2 的内部连接与外引脚关系

• 555 定时器是一种多用途的数字 - 模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。

• 由于使用灵活、方便，所以 555 定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。

4 、 555 定时器

（ 1） 用 555 定时器接成的施密特触发器 将 555定时器的 UI1和 UI2 两个输入端连在一起 （ 2脚与 6脚）作为 UI信号输入端，即构成施密特触发器。

• 电路的回差电压为

• 如果参考电压由外接的电压 VCC供给，则不难看出这时：

• 通过改变 VCO值可以调节回差电压的大小。

1

3T T T CCV V V V

T COV V 1

2T COV V

1

2T COV V

（ 2）用 555 定时器接成的单稳态触发器

若以 555定时器的 UI2端作为触发信号的输入端，并将由 TD和 R组成的反相器输出电压 UC接至 UI1端，同时在 UI1对地接入电容 C，就构成了单稳态触发器。

电压波形图

输出脉冲的宽度 tw等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于外接电阻 R和电容 C的大小。由电压波形图可知， tw等于电容电压在充电过程中

从 0上升到 所需要的时间，因此得到：

2

3 CCV

0ln

23

ln3 1.1

CCw

CC CC

Vt RC

V V

RC RC

通常 R的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间，电容的取值范围为几百皮法到几百微法， tw的范围为几微秒到几分钟。但必须注意，随着 tw的宽度增加它的精度和稳定度也将下降。

（ 3）用 555 定时器接成的多谐振荡器 将 555 定时器的 UI1和 UI2连在一起接成施密特触发器，然后再将 UO经 RC积分电路接回输入端就构成了多谐振荡器。

分析电路可知，电容上的电压 UC 将在 VT+与 VT-之间往复振荡， UC 和 UO的波形如图所示。

C 由 的波形求得电容 C的充电时间 T1 和放电时间 T2 各为：

1 1 2

1 2

( ) ln

( ) ln 2

CC T

CC T

V VT R R C

V V

R R C

2 2

2

0ln0

ln 2

T

T

VT R C

V

R C

故电路的振荡周期为：1 2 1 2( 2 ) ln 2T T T R R C

振荡频率为：

1 2

1 1

( 2 ) ln 2fT R R C

通过改变 R和 C的参数即可改变振荡频率。

输出脉冲的占空比为：

1 1 2

1 22

T R Rq

T R R

四、实验内容1 、晶体振荡器及分频实验 在实验箱上完成下图电路连接

CD4060外引脚图 CD4060振荡电路连接图

测试内容：（ 1）用示波器依次观察 Q4 、 Q5……Q14 输出端波形，记录周期，并计算出频率；并画出 Q4 、 Q5端波形

（ 2）用频率计依次测量 Q4 、 Q5……Q14 输出信号的频率，并与前面的计算值比较；

（ 3） Q14 输出端所接的 D触发器构成二分频电路，在其输出接 LED， Q14、 Q13分别接 2个 LED，观察并定性记录实验现象。

（ 4）通过计算，得出 CD4060各输出端理论上的输出频率，与前面的测试值列表比较。

注意：示波器在测试很低的频率时，扫描线呈闪烁状，此时估算周期即可。

想想这是为什么？

2 、 555 多谐振荡器(1) 对照下图接线，输出端 3 接 LED和示波器；(2) 接通电源，仔细调整 47KΩ电位器 RW ，使 555起振，这

时可看到 LED发光管闪烁，调节 RW的值，可从示波器上观测到脉冲波形的周期发生变化；

(3) 向两个方向分别调节 RW，在示波器上读出使电路起振时所对应的信号波形的最大周期与最小周期，并计算出此振荡器所对应的频率。

(4) 调节 RW使占空比 为 50%, 记录此时 的波形周期，计算 频率。

3 、 555 施密特触发器(1) 对照下图接线。其中 555 的 2和 6 脚接在一起，用函数

信号发生器提供 Vp-p为 5V，频率为 1KHz的三角波， UI和 UO端接双踪示波器。

(2) 接线无误后，接通电源，在示波器的跟踪下，将输入三角波加适当的直流偏移使其为单极性三角波；

(3) 调节 RW，观察示波器输出波形的变化。观察并画出输入、输出波形的形状。

注意：由于函数信号发生器输出的三角波为双极性的，而 555 为单电源供电，因此需要给输出三角波加直流偏移，使其恰好为单极性三角波，才能提供给 555 做整形用，否则回出现底部切顶现象。

4 、 555 单稳态触发器(1) 按下图接线， UI接 1KHz 连续脉冲，输出 UO接示波器。(2) 调节 10kΩ电位器，在电位器的两个临界位置点，观察并画出输入、输出波形，标明脉宽，由此计算相应的占空比。

五、预习要求

1. 复习 555 定时器的结构和工作原理；2. 计算实验电路中 555 定时器应用时的理论值 tw；

3. 掌握 555 定时器的管脚排列；4. 用 EWB 软件对电路进行仿真。

六、实验报告要求1. 整理并画出实验电路，标上引脚和元件值。2. 画出各实验波形，标上幅度和时间。3. tw理论计算值和实际测得值的误差为多少？4. 对测试的数据进行讨论和误差分析。

七、思考题

1. 555 定时器构成的振荡器，其振荡周期和占空比的改变与哪些因素有关？若只需改变周期，而不改变占空比应调整哪个元件参数？

2. 555 定时器构成的单稳态触发器输出脉宽和周期由什么决定？

3. 用示波器观测很低频率的信号波形时，屏幕上扫描线呈闪烁状，这正常吗？为什么？