7.5 7.5 多谐振荡器多谐振荡器

7.4 7.4 单稳态触发器单稳态触发器

7.3 7.3 施密特触发器施密特触发器

退出退出

7.1 7.1 概述概述

7.2 7.2 集成集成 555555 定时器定时器

第 7 单元 脉冲波形的产生和变换

通过这一单元的学习，主要掌握如下知识：

多谐振荡器、单稳态电路和施密特触发器的工作原理。能够运用 555 电路设计多谐振荡器、单稳态电路和施密特触发器。

学习内容

1 ．常见脉冲波形 :

2 ．常用的脉冲参数 :

7.1 概述

7.2 集成 555 定时器 1 ． 555 定时器的电路结构

低电平触发端

高电平触发端

电压控制端

复位端低电平有效

放电端

4.5 ～ 16V

一、 555 定时器的电路结构

7.2 集成 555 定时器

电压比较器的功能： v+> v- ， vO=1

v+< v- ， vO=0

由以下几部分组成：（ 1 ） 三 个 5k 电 阻

组成的分压器。

（ 2 ）两个电压比较器 C1 和 C2 。

C 1v+

£ vvO

电源 复位，低电平有效

高电平触发端

电压控制端

低电平触发端

放电端

C

C

&

&& 1

R

S

G

5k Ω

5k Ω

5k Ω

1

2

V R

TH

v

CC D

(2)

(6)

(5)

(8) (4)

(3)

O(7)

v T,

(1)

TR

CO

（ 3 ）基本 RS 触发器，

（ 4 ）放电三极管 T 及缓冲器 G 。

电路符号

1

2

6

58 4

3

7Ov,

TH

vIC

VCC

vO555

DR

TR

电源 复位，低电平有效

高电平触发端

电压控制端

低电平触发端

放电端

C

C

&

&& 1

R

S

G

5k Ω

5k Ω

5k Ω

1

2

V R

TH

v

CC D

(2)

(6)

(5)

(8) (4)

(3)

O(7)

v T,

(1)

TR

CO

0

0

1

①R=0 时， Q=1 ， uo=0 ， T 导通。

C

C

&

& & 1

R

S

G

5kΩ

5kΩ

5k Ω

1

2

V R

TH

v

CC D

(2)

(6)

(5)

(8) (4)

(3)

O(7)

v T,

(1)

TR

CO

①R=0 时， Q=1 ， uo=0 ， T 饱和导通。②R=1 、 UTH ＞ 2VCC/3 、 UTR ＞ VCC/3 时， C1=0 、 C2

=1 ， Q=1 、 Q=0 ， uo=0 ， T 饱和导通。

＞ 2VCC/3

＞ VCC/3

0 0

01

1C

C

&

& & 1

R

S

G

5kΩ

5kΩ

5k Ω

1

2

V R

TH

v

CC D

(2)

(6)(5)

(8) (4)

(3)

O(7)

v T,

(1)

TR

CO

①R=0 时， Q=1 ， uo=0 ， T 饱和导通。②R=1 、 UTH ＞ 2VCC/3 、 UTR ＞ VCC/3 时， C1=0 、 C2

=1 ， Q=1 、 Q=0 ， uo=0 ， T 饱和导通。

＜ 2VCC/3

＞ VCC/3

1 0

01

1

③R=1 、 UTH ＜ 2VCC/3 、 UTR ＞ VCC/3 时， C1=1 、 C2

=1 ， Q 、 Q 不变， uo 不变， T 状态不变。

1

1

0C

C

&

&& 1

R

S

G

5kΩ

5kΩ

5kΩ

1

2

V R

TH

v

CC D

(2)

(6)

(5)

(8) (4)

(3)

O(7)

v T,

(1)

TR

CO

①R=0 时， Q=1 ， uo=0 ， T 饱和导通。②R=1 、 UTH ＞ 2VCC/3 、 UTR ＞ VCC/3 时， C1=0 、 C2

=1 ， Q=1 、 Q=0 ， uo=0 ， T 饱和导通。

＜ 2VCC/3

＜ VCC/3

1 1

10

0

③R=1 、 UTH ＜ 2VCC/3 、 UTR ＞ VCC/3 时， C1=1 、 C2

=1 ， Q 、 Q 不变， uo 不变， T 状态不变。④R=1 、 UTH ＜ 2VCC/3 、 UTR ＜ VCC/3 时， C1=1 、 C2

=0 ， Q=0 、 Q=1 ， uo=1 ， T 截止。

C

C

&

&& 1

R

S

G

5k Ω

5k Ω

5k Ω

1

2

V R

TH

v

CC D

(2)

(6)

(5)

(8) (4)

(3)

O(7)

v T,

(1)

TR

CO

2 ．工作原理

想一想： 555 电路的主要功能是什么，放电端如果并联在充放电回路上的电容两端可能会出现什么现象？

77..3.13.1 用用 555555 定时器构成的施密特触发器定时器构成的施密特触发器

77..3.3 3.3 施密特触发器的应用举例施密特触发器的应用举例

退出退出

7.3.2 7.3.2 集成施密特触发器集成施密特触发器

7.3施密特触发器

7.3 施密特触发器施密特触发器——具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的

电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。7.3.1 用 555 定时器构成的施密特触发器1. 电路组成及工作原理

v I

t

O1v

t

1/3VCC

2/3VCC

1

2

6

5

VCC RD

O555 3

Ov7v

TR

IC

8 4

1

2

Iv

CCV VCC2

R

vTR

OVIV

电路符号

2/3V

放电端

1/3V

C

v

5k

S

1

(2)

(7)

(6)&

(3)

G

V

&

TR

O1

Ω

CC

Ω

(4)

T

CC

Ω

C

(8)

5k

5k

2

RCC

(1)

&1

V

O2

1R

vI

v

CC2

TR

2. 电压滞回特性和主要参数

（ 2 ）主要静态参数 （ a ）上限阈值电压 VT+

vI 上升过程中，输出电压 vO 由高

电平 VOH 跳变到低电平 VOL 时，所

对应的输入电压值。 VT+=2/3VCC 。

（ b ）下限阈值电压 VT —

vI 下降过程中， vO 由低电平 VOL

跳变到高电平 VOH 时，所对应的输

入电压值。 VT—=1 /3VCC 。

（ 3 ）回差电压 ΔVT

ΔVT= VT+ － VT—=1 /3VCC

（ 1 ）电压滞回特性

1/3VCC

Vo

Vi0

传输特性VOH

VOL

2/3VCC

ΔVT

v I

t

O1v

t

1/3VCC

2/3VCC

OVIV

电路符号

2/3V

放电端

1/3V

O2v

t

O1v

t

VCC2

vO1

1

2

6

5

VCC RD

O555 3

Ov7v

TH

IC

8 4

1

2

Iv

CCV VCC 2

R

vTR

C

v

5k

S

1

(2)

(7)

(6)&

(3)

G

V

&

O1

Ω

CC

Ω

(4)

T

CC

Ω

C

(8)

5k

5k

2

RCC

(1)

&1

V

O2

1R

vI

v

CC2TR

TH

7.3.2 集成施密特触发器

2. TTL 集成施密特触发器 74LS14

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

1A

1Y

2A

2Y

3A

3Y

4A

4Y

5A

5Y

6A

6Y

V

V

DD

SS

CC40106

1. CMOS 集成施密特触发器 CC40106

1

2

3

4

5

6

7

1A

1Y

2A

2Y

3A

3Y

GND

8

9

10

11

12

13

14

4A

4Y

5A

5Y

6A

6Y

VCC

74LS14

7.3.3 施密特触发器的应用举例

1. 用作接口电路——将缓慢变化的输入信号，转换成为符合 TT

L 系统要求的脉冲波形。

2. 用作整形电路——把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。

正弦波振荡器1

VO

输入

输出

VT+

VT-

3. 用于脉冲鉴幅——从一系列幅度不同的脉冲信号中，选出那些幅度大于 VT+ 的输入脉冲。

VI OV1

I

t

V

T-T+

V

0

V

OV

0 t

7.4.1 7.4.1 用用 555555 定时器的单稳态触发器定时器的单稳态触发器

7.4.3 7.4.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用

退出退出

7.4.2 7.4.2 集成单稳态触发器集成单稳态触发器

7.4 7.4 单稳态触发器单稳态触发器

7.4 单稳态触发器 单稳态触发器——有一个稳态和一个暂稳态；在触发脉

冲作用下，由稳态翻转到暂稳态；暂稳状态维持一段时间后，自动返回到稳态。

（ 1 ）无触发信号输入时电路工作在稳定状态

当 vI=1 时，电路工作在稳定状态，即 vO=0 ， vC=0 。

7.4.1 用 555 定时器组成单稳态触发器

1. 电路组成及工作原理

2

6

VCC RD

O

555

3TH

8 4

v7

VCC

C 1 5

vC

vI

R

C0.01

1

μF

TR

（ 2 ） vI 下降沿触发

当 vI 下降沿到达时， vO 由 0 跳变为 1 ，电路由稳态转入暂稳态。

2

O

v

3 CC

O

t

V

O

t

C

v

O

I

t

v

2

6

VCC RD

O

555

3TH

8 4

v7

VCC

C 1 5

vC

vI

R

C0.01

1

μF

TR

(3)

V

1/3V

CC

SCC

(8)

Ω&

C &

C

(7)Ω

I

5k

放电端

5k

(1)

C

Ω

2/3V

G

R

5k

vv

1CR

2

v

(6)CC

1

T

&

(2)

TH

(4)

O

TR

（ 3 ）暂稳态的维持时间在暂稳态期间，三极管 T 截止， VCC 经 R 向 C 充电。时间常数 τ1=R

C ，vC 由 0V 开始增大，在 vC 上升到 2/3VCC 之前，电路保持暂稳态不变。

2

O

v

3 CC

O

t

V

O

t

C

v

O

I

t

v

（ 4 ）自动返回时间——当 vC 上升至 2/3VCC 时， vO 变 0 ，电路由暂稳态重新转入稳态。

（ 5 ）恢复过程—— 当暂稳态结束后， C 通过饱和导通的 T 放电，时间常数 τ2=RCESC ，由于 R

CES 很小，所以放电很快。C 放电完毕，恢复过程结束。

2

O

v

3 CC

O

t

V

O

t

C

v

O

I

t

v

2. 主要参数估算(1) 输出脉冲宽度 Tw （用三要素法计算）

reW ttTf

11

minmax

CRVV

V

tvv

vvt

CCCC

CC

WCC

CCW 1.1

32

0ln

)()(

)0()(ln 11

（ 2 ）恢复时间 tre

tre= （ 3 ～ 5 ） τ2

（ 3 ）最高工作频率 fmax

vI 周期的最小值：

Tmin= tW ＋ tre

最高工作频率 :

T

TW

7.4.2 集成单稳态触发器 74121

A1 、 A2 是下沿有效的触发信号输入端， B 是上沿有效的触发信号输入端。

A

A

B

vo

vo

extC R int

C ext

extR VCC

GND

10 11 149

1

6

3

4

5

1

2

7

74121

保持稳态0 1

0 1

0 1

0 1

0 × 1

× 0 1

× × 0

1 1 ×

下沿触发1 ↓ 1

↓ 1 1

↓ ↓ 1

上沿触发

工作特征vO vO

输 出

0 × ↑

× 0 ↑

A1 A1 B

输 入74121 功能

表

1. TTL 集成单稳态触发器 74121 的逻辑功能和使用方法

集成单稳态触发器 74121 的外部元件连接方法 :

（ b ）使用内部电阻 Rint 且电路为上升沿触发的连接方式。

A

A

Bov

ov

extC intR

ext

ext

C

R CCV

GND

10 11 149

1

6

3

4

5

1

2

7

74121

CCVextR

1

vI

C ext

(a)

A

A

Bov

ov

extC intR

ext

ext

C

R CCV

GND

10 11 149

1

6

3

4

5

1

2

7

74121

vI

C ext CCV

(b)

（ a ）使用外部电阻 Rext 且电路为下降沿触发的连接方式。

2. 74121 的主要参数 (1) 输出脉冲宽度 tW

使用外接电阻： tW ≈0.7RextC

使用内部电阻： tW ≈0.7RintC

74121 内部电阻 =2kΩ ，外接电阻 Rext 可在 1.4 ～ 40kΩ 之间选择，

外接电容 C 可在 10pF ～ 10μF 之间选择，

（ 2 ）输入触发脉冲最小周期 Tmin

Tmin= tW ＋ tre

（ 3 ）周期性输入触发脉冲占空比 q

定义： q = tW/T

最大占空比： qmax= tW/ Tmin

所以，当 R=2kΩ 时， 最大占空比 qmax 为 67% ；

当 R=40kΩ 时，最大占空比 qmax 可达 90% 。

3. 关于集成单稳态触发器的重复触发问题

集成单稳有不可重复触发型和可重复触发型两种。不可重复触发的单稳一旦被触发进入暂稳态以后，再加入触发脉冲不会影响电路的工作过程，必须在暂稳态结束以后，它才能接受下一个触发脉冲而转入下一个暂稳态。而可重复触发的单稳态在电路被触发而进入暂稳态以后，如果再次加入触发脉冲，电路将重新被触发，使输出脉冲再继续维持一个 tW 宽度。

74121 、 74221 、 74LS221 都是不可重复触发的单稳态触发器。属于可重复触发的触发器有 74122 、 74LS122 、74123 、 74LS123 等。

7.4.3 单稳态触发器的应用1. 延时与定时（ 1 ）延时图中， v/

O 的下降沿比 vI 的下

降沿滞后了时间 tW 。

（ 2 ）定时当 v/

O=1 时，与门打开，

vO= vF 。当 v/O=0 时，

与门关闭， vO 为低电平。

与门打开的时间是单稳

输出脉冲 v/O 的宽度 tW 。

1 &v I

v O

单稳 与门v F

Ov

v I

t Wv O

v F

Ov

2. 整形 单稳态触发器能够把不规则的输入信号 vI ，整形成为幅度和宽度

都相同的标准矩形脉冲 vO 。 vO 的幅度取决于单稳态电路输出的高、

低电平，宽度 tW决定于暂稳态时间。

Iv

v Ot W

555 定时器构成单稳态触发器。只要用手触摸一下金属片 P ，由于人体感应电压相当于在触发

输入端（管脚 2 ）加入一个负

脉冲， 555 输出端输出高电平，

灯泡（ RL ）发光，当暂稳态

时间（ tW ）结束时， 555 输出

端恢复低电平，灯泡熄灭。

该触摸开关可用于夜间定时

照明，定时时间可由 RC 参数

调节。

3. 触摸定时控制开关

8 4

7

6

2

1 5

3555

+VCC

RL

R100k

C100μ C1

0.01μ

(+6V)

P

4. 触摸、声控双功能延时灯

555 和 T1 、 R3 、 R2 、 C4 组成单稳定时电路，定时（即灯亮）时间约为 1分钟。当击掌声传至压电陶瓷片时， HTD 将声音信号转换成电信号，经 T2 、 T1

放大，触发 555 ，使 555 输出高电平，触发导通晶闸管 SCR ，电灯亮；同样，若触摸金属片 A 时，人体感应电信号经 R4 、 R5 加至 T1 基极，也能使

T1 导通，触发 555 ，达到上述效果。

8 4

7

6

2

1 5

3

C 447¦Ì

C0.01¦Ì

55 5NE

A

~220V

R 3

R1M

2

20k

SCR

MCR100

4.7M

4.7M

R 4

R 5

R 6R 7

1M10k

5C0.022¦Ì

T T12

9014

9013

HTD

C 3

220¦Ì

D

1N4004 C 1

0.56¦Ì/400V

1R330

0.01¦ÌC 2

VDD £¨+6V£©

DW2CW13

77..5.15.1 用用 555555 定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器

77..5.2 5.2 多谐振荡器应用实例多谐振荡器应用实例

退出退出

7.5 7.5 多谐振荡器多谐振荡器

0

vc

t

vo

0 t

7.5.1 7.5.1 用 555 定时器构成的多谐振荡器多谐振荡器——能产生矩形脉冲波的自激振荡器。

一．电路组成及工作原理

2

6

VCC RD

O555

3TH

8 4

v7

R

R

VCC

1

2

C 1 5

0.01μFC1

vC

P

2/3VCC

1/3VCC

TR

放电端

2/3V

1/3V

EWB演示——555组成多谐振荡器

(6)

(2)

5k1

R

T

5k

&

C

Ω

&

&1

G

S

C

2

5k

Ω

Ω

(4)

O

(3)

(7)

v

(1)

(8)

CCV

v

C

1

P

R

R

C

2 TH

CC

CC

TR

2. 振荡频率的估算（ 1 ）电容充电时间 T1 ：（用三要素法计算）

（ 2 ） 电容放电时间 T2

（ 3 ）电路振荡周期 T

T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C

（ 5 ）输出波形占空比 q

)()(

)0()(ln

111 Tvv

vvT

CC

CC

CRR )(7.0 21 CCCC

CCCC

VV

VV

3231

ln1

CRT 22 7.0

CRRTf

)2(

43.11

21

21

211

2RR

RR

T

Tq

（ 4 ）电路振荡频率 f

T

T1 T2

0

vc

t

vo

0 t

2/3VCC

1/3VCC

3 ． 占空比可调的多谐振荡器电路 利用二极管的单向导电性，把电容 C 充电和放电回路隔离

开，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器。

可计算得： T1=0.7R1C

T2=0.7R2C

占空比：

21

1

21

1

21

11

7.07.0

7.0

RR

R

CRCR

CR

TT

T

T

Tq

2

6

VCC RD

O

555

3TH

8 4

v

7

VCC

C1 5

0.01 μFC1

vC

D

D1

2

1R

2R

TR

7 ． 5 ． 2 多谐振荡器应用实例1. 简易温控报警器

2

6

VCC RD

5553TH

8 47

R

R

VCC

1

2

C 1 5

0.01C1

10μ/10VC2

20k

100k

0.013R2k

（ +6V ）T

3AX31

μ

μ

TR

2. 步进脉冲产生电路

本单元学习指导

本章学习的重点是双稳态电路、单稳态电路、多谐振荡器、和施密特电路的特点。重点介绍了 555定时器的应用。本章的难点是对多谐振荡器的工作原理、施密特触发器的回差特性的理解以及对常用脉冲电路输出波形的分析。施密特触发器和单稳态触发器是最常用的两种脉冲

整形电路。其输出脉冲的宽度由输入信号决定。它的输出波形的边沿陡峭。单稳态触发器输出信号主要参数是脉宽与输入信号无关。输出信号只起触发作用。因此，单稳态触发器可用于产生固定宽度的脉冲信号。

本单元学习指导 多谐振荡器是一种常用的自激脉冲振荡电路。它没

有稳态，只有两个暂稳态。无需外加输入信号，只要接通电源，就能自动产生矩形脉冲。其主要参数是重复周期。它主要用于脉冲信号源和电子自动开关等。

555 定时器应用广泛，使用方便，除了构成单稳、多谐和施密特电路外，还可以接成其它各种应用电路。使用时应注意的是 CMOS 、 555/556 型在绝大多数场合可直接代替双极型 555/556 型使用，且多数参数得以改善。但 CMOS 型的驱动电流较双极型的要小，替换时必须注意查阅有关器件手册。

实验七 时基电路 一、实验目的

1. 掌握 555时基电路的结构和工作原理，学会对此芯片的正确使用。

2. 学会分析和测试用 555时基电路构成的多谐振荡器，单稳态触发器，施密特触发器等三种典型电路。

二、实验仪器及材料 1. 双踪示波器2 ．数字电路实验箱3. 器件 :

NE556 ，（或 LM556， 5G556等）双时基电路 1片 二极管 1N4148 2 只电位器 22K 、 1K 2 只电阻、电容 若干扬声器 一只KD-9300 系列音乐集成块 一块小型无锁按键开关9013 型硅NPN三极管，要求 β≥100。

三、实验内容 1. 555 时基电路构成的多谐振荡器

电路如图所示。 （ 1 ）按图接线。图中元件参数如下：R1=15KΩ R2=5K1Ω C1=0.33uf C2=0.047uf（ 2 ）用示波器或指示灯观察并测量OUT端波形的频率，并和理论估算值比较，算出频率的相对误差值。

（ 3 ）若将电阻值改为 R1=15KΩ ， R2=10KΩ ，电容 C不变，上述的数据有何变化？（ 4 ）根据上述电路的原理，充电回路的支路是 R1R2C1 ，放电回路的支路是 R2C1 ，将电路略作修改，增加一个电位器 RW和两个引导二极管，构成图 7.28所示的占空比可调的多谐振荡器。其占空比 q为 :

改变 RW的位置，可调节q值。合理选择元件参数？（电位器选用 22K），使电路的占空比 q=0.2 ，且正脉冲宽度为 0.2ms。

调试电路，测出所用元件的数值，估算电路的误差。

1. 555 时基电路构成的多谐振荡器

2. 555构成的单稳态触发器

单稳态触发器电路

实验电路

（ 1 ）图中 R=10K， C1=6200PF， VI 是频率约为 10KHz 左右的方波时，用双踪示波器观察 OUT端相对于 Vi的波形，并测出输出脉冲的宽度 TW。

（ 2 ）调节 Vi的频率，分析并记录观察到的 OUT端波形的变化。

（ 3 ）若想使 TW = 10us，怎样调整电路？测出此时各有关的参数值。

3. 应用电路

用时基电路组成警铃电路

（ 1 ）上图所示用 556 的两个时基电路构成低频对高频调制的救护车警铃电路。

①参考实验内容 2确定图中未定元件参数。②按图接线，注意扬声器先不接。③用示波器观察输出波形并记录。④接上扬声器，调整参数到声响效果满意。

（ 2 ）用 555电路构成音乐传花游戏机电路。

①555电路的③脚先不与音乐集成块的 VDD相连，接通电源。观察 LED发不发光。②按一下 SB按键，随即放开，观察发光二极管LED的发光现象。若电路装焊正常，则当按下 SB 按键时， LED将会发光，经一段时间后，自动熄灭。否则，检查电路是否存在安装焊接的错误。③长时间按压 SB不放，观察 LED的发光现象，想想原因。断开电源，把 555电路的③脚与音乐集成块的 VDD相连。④接通电源，按一下 SB按键，正常应见到 LED发光，同时，嗽叭发出音乐声，经一段时间后，LED不再发光，喇叭不再发声 .调节RP的位置，观察发光二极管发光和喇叭发声的现象有何变化，想想原因。

4 ． 时基电路使用说明

555 定时器的电源电压范围较宽，可在 +5 ~ +16V范围内使用（若为 CMOS 的 555 芯片则电压范围在 +3 ~ +18V内）。 电路的输出有缓冲器，因而有较强的带负载能力，双极性定时器最大的灌电流和拉电流都在 200mA 左右，因而可直接推动 TTL或 CMOS 电路中各种电路，包括能直接推动蜂鸣器等器件。 本实验所使用的电源电压 VCC = +5V。

四、实验报告 1. 按实验内容各步要求整理实验数据。

2. 画出实验内容 1 和 2 中的相应波形。

3. 画出实验内容 3 最终调试满意的电路图并标出各元件参数。

4. 总结时基电路基本电路及使用方法。

5 ．在音乐传花游戏机中长时间按压 SB按键开关不放时，会出现什么情况，为什么？

五、想想做做 1 ．触摸自熄电路

8 4 7

6

2

1 5

3

C 4 47μ

C 0.01μ

5 5 5 NE

A

~220V

R 3

R 1M

2

20k

SCR MCR100

4.7M

4.7M

R 4

R 5

R 6 R 7 1M

10k

5 C 0.022μ

VT VT 1 2

9014

9013

HTD

C 3 220μ

D

1N4004 C 1

0.56μ/400V

1 R 330

0.01μ C 2

V DD （+6V）

DW 2CW13

触摸自熄电路如图

2 ．简易电子琴电路 用 555电路设计一个简易电子琴电路，当按压不同键时，会对应产生 1 ， 2 ， 3 ， 4 ，5， 6， 7 的音调。

在普通台灯上增加少量电子元件，可使台灯具有触摸自熄功能。使用时，只要用手摸一下台灯上的金属装饰件，台灯就能自动点燃，几分钟后，它又自动熄灭。 为了保证使用者的绝对安全， R4 、 R5采用了高阻值电阻器，最好用 RJ-1/4W型金属膜电阻器， R1 、 R2 、 R3 可用普通 RTS-1/8W碳膜电阻器；其他元器件的选择见上图。

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