4 脉冲信号产生电路
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占空比D——D = tw/T
555定时器
555定时器是电子工程领域中广泛使用的一种中规模集成电路，它将模拟与逻辑功能巧妙地组合在一起，具有结构简单、使用电压范围宽、工作速度快、定时精度高、驱动能力强等优点。555定时器配以外部元件，可以构成多种实际应用电路。广泛应用于产生多种波形的脉冲振荡器、检测电路、自动控制电路、家用电器以及通信产品等电子设备中。
其中：T1=0.7(R1+R2)C（正脉冲宽度）
T2=0.7R2C（负脉冲宽度）
T=0.7(R1+2R2)C
555电路要求R1与R2均应大于或等于1KΩ，但R1+R2应小于或等于3.3MΩ。
在上图4-7中接入部分元件，可以构成下述电路：
①若在电阻R2上并接一只二极管（2AP3），并取R1≈R2，电路可以输出接近方波的信号。
（2）观察并记录输入、输出的工作波形；
（3）用通用计数器实测电路输出的正脉冲宽度tw值。
4.4
1．实验目的。
2．实验设备。
3．整理实验数据及相应电路的波形。
4．画出任务1与任务2、3联调实验电路图。
5．写出实验中各电路脉宽估算值，并与实验结果对照分析。
4.5
1．逻辑实验仪1台
2．双踪示波器1台
3．万用表1只
（3）电路振荡周期T
T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C
（4）电路振荡频率f
（5）输出波形占空比q
定义：q=T1/T，即脉冲宽度与脉冲周期之比，称为占空比。
二． 占空比可调的多谐振荡器电路
在上述电路中，由于电容C的充电时间常数τ1=（R1+R2）C，放电时间常数τ2=R2C，所以T1总是大于T2，vO的波形不仅不可能对称，而且占空比q不易调节。利用半导体二极管的单向导电特性，把电容C充电和放电回路隔离开来，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器，如图所示。
4．器材
74LS123 2片
555定时器2片
电阻、电容若干
第六章脉冲产生、整形电路
教学目标、要求：掌握555定时器构成的多谐振荡器、石英晶体多谐振荡器及其应用；掌握555定时器构成的施密特触发器及其应用；熟悉集成施密特触发器；掌握555定时器构成的单稳态触发器及其应用；熟悉集成单稳态触发器。
内容提要：多谐振荡器；施密特触发器；单稳态触发器。
器件的电源电压VCC可以是+5V~+15V，输出的最大电流可达200mA，当电源电压为+5V时，电路输出与TTL电路兼容。555电路能够输出从微秒级到小时级时间范围很广的信号。
（1）组成单稳态触发器
555电路按图4-6连接，即构成一个单稳态触发器，其中R、C是外接定时元件。单稳态触发器的输出脉冲宽度tw≈1.1RC。
要求：
（1）画出实验电路。
（2）用示波器测量并按同一时间坐标画出所设计的单稳态触发器的输入、输出波形。
3．使用任务1输出的矩形波上升沿，驱动一个由集成单稳态触发器（74LS123）组成的单稳态电路，要求输出一个正脉冲宽度tw=20μs的矩形波信号。
（1）取外接定时电容C=0.1μF，计算外接电阻器阻值（取标称值），画出电路图；
③组成施密特触发器
利用控制输入端CT接入一个稳定的直流电压。被变换的信号同时从TR和TH端输入，即可输出整形后的波形（电路的正向阈值电压与CT端电压相等，负向阈值电压是CT端电压的1/2。）。
4.3
1．使用555时基电路组成图4-7所示电路，取R1=R2=4.7KΩ，C=C0=0.01μF。
（1）用示波器观察并记录触发输入端TR和输出端F的工作波形，读出输出信号的周期T和正脉冲宽度tw的值；
图4-3
图4-4
2．555时基电路及其应用
555时基电路是一种将模拟功能和数字逻辑功能巧妙地结合在同一硅片上的新型集成电路，又称集成定时器，它的内部电路框图如图4-5所示。
图4-5
电路主要由两个高精度比较器C1、C2以及一个RS触发器组成。比较器的参考电压分别是2/3VCC和1/3VCC，利用触发器输入端TR输入一个小于1/3VCC信号，或者阈值输入端TH输入一个大于2/3VCC的信号，可以使触发器状态发生变换。CT是控制输入端，可以外接输入电压，以改变比较器的参考电压值。在不接外加电压时，通常接0.01μF电容到地，DISC是放电输入端，当输出端的F=0时，DISC对地短路，当F=1时，DISC对地开路。RD是复位输入端，当RD=0时，输出端有F=0。
图4-6
（2）组成自激多谐振荡器
图4-7自激多谐振荡器电路
按图4-7连接，即连成一个自激多谐振荡器电路，此电路的工作过程与单稳态触发器工作过程不同之处，是电路没有稳态，仅存在两个暂稳态。电路不需要外加触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端DISC放电，使电路产生振荡。输出信号的时间参数是：T=T1+T2
2.振荡频率的估算
（1）电容充电时间T1。电容充电时，时间常数τ1=（R1+R2）C，起始值vC（0+）= ，终了值vC（∞）=VCC，转换值vC（T1）= ，带入RC过渡过程计算公式进行计算：
（2）电容放电时间T2
电容放电时，时间常数τ2=R2C，起始值vC（0+）= ，终了值vC（∞）=0，转换值vC（T2）= ，带入RC过渡过程计算公式进行计算：
1.石英晶体的选频特性
有两个谐振频率。当f=fs时，为串联谐振，石英晶体的电抗X=0；
当f=fp时，为并联谐振，石英晶体的电抗无穷大。
由晶体本身的特性决定：fs≈fp≈f0（晶体的标称频率）
石英晶体的选频特性极好，f0十分稳定，其稳定度可达10-10～10-11。
石英晶体的电抗频率特性和符号
图4-2
74LS123的使用方法：
（1）有A和B两个输入端，A为下降沿触发，B为上升沿触发，只有AB=1时电路才被触发。
（2）连接Q和A或Q与B，可使器件变为非重触发单稳态触发器。
（3）CLR=0时，使输出Q立即变为0，可用来控制脉冲宽度。
（4）按图4-3、3-5-4连接电路，可组成一个矩形波信号发生器，利用开关S瞬时接地，使电路起振。
以单时基双极型国产5G555定时器为例，其功能如表所示。
5G555定时器功能表
UTH
T的状态
0
×
×
0
导通
1
0
导通
1
保持原状态不变
不变
1
1
截止
① =0时， =1， =0，T饱和导通。
② =1、 、 时，C1=0、C2=1， =1、 =0， =0，T 、 不变， 不变，T状态不变。
（2）用通用计数器测量与记录输出信号的T与tw值；
（3）将上述两种测试结果与理论计算值比较，分析实验误差。
本实验电路保留勿拆，将作为下面实验任务的信号源使用。
2．用555定时器设计一个单稳态触发器，要求其输出脉冲宽度为600μs，选择定时电容C=0.1μF，选择任务1的输出信号VO作为触发输入信号，确定并通过调整定时电阻，使实际电路符合设计要求。
4 脉冲信号产生电路
4.1
1．了解集成单稳态触发器的基本功能及主要应用。
2．掌握555定时器的基本工作原理及其性能。
3．掌握用555定时器构成多谐振荡器、单稳态触发器的工作原理、设计及调试方法。
4.2
1．集成单稳态触发器及其应用
在数字电路的时序组合工作中，有时需要定时、延时电路产生定时、展宽延时等脉冲，专门用于完成这种功能的IC，就是“单稳延时多谐振荡器”，也称“单稳触发器”。其基本原理是利用电阻、电容的充放电延时特性以及电平比较器对充放电电压检测的功能，实现定时或延时，只需按需要灵活改变电阻、电容值大小，就可以取得在一定时间范围的延时或振荡脉冲输出。常用的器件有LS121/122、LS/HC123、LS/HC221、LS/HC423、HC/C4538及CC4528B等。
1. 555定时器的分类
555定时器又称时基电路。555定时器按照内部元件分有双极型（又称TTL型）和单极型两种。双极型内部采用的是晶体管；单极型内部采用的则是场效应管。
555定时器按单片电路中包括定时器的个数分有单时基定时器和双时基定时器两种。
常用的单时基定时器有双极型定时器5G555（管脚排列如图6.2所示）和单极型定时器CC7555。双时基定时器有双极型定时器5G556和单极型定时器CC7556。
控制输入
输出
CLR
A
B
Q
0
×
×
0
1
×
1
×
0
1
×
×
0
0
1
1
0
↑
正
负
1
↓
1
↑
0
1
正
负
集成单稳态触发器有非重触发和可重触发两种，74LS123是一种双可重触发的单稳态触发器。它的逻辑符号及功能表如图4-1、表4-1所示。
在表4-1中“正”为正脉冲，“负”为负脉冲。
LS/HC123的特点是，复位端CLR也具有上跳触发单稳态过程发生的功能。
在Cext>1000pF时，输出脉冲宽度tw≈0.45RextCext。
器件的可重触发功能是指在电路一旦被触发（即Q=1）后，只要Q还未恢复到0，电路可以被输入脉冲重复触发，Q=1将继续延长，直至重复触发的最后一个触发脉冲的到来后，再经过一个tw（该电路定时的脉冲宽度）时间，Q才变为0，如图4-2所示：
在许多数字系统中，都要求时钟脉冲频率十分稳定，例如在数字钟表里，计数脉冲频率的稳定性，就直接决定着计时的精度。在上面介绍的多谐振荡器中，由于其工作频率取决于电容C充、放电过程中，电压到达转换值的时间，因此稳定度不够高。这是因为第一，转换电平易受温度变化和电源波动的影响；第二，电路的工作方式易受干扰，从而使电路状态转换提前或滞后；第三，电路状态转换时，电容充、放电的过程已经比较缓慢，转换电平的微小变化或者干扰，对振荡周期影响都比较大。一般在对振荡器频率稳定度要求很高的场合，都需要采取稳频措施，其中最常用的一种方法，就是利用石英谐振器—简称石英晶体或晶体，构成石英晶体多谐振荡器。
555定时器
555定时器是电子工程领域中广泛使用的一种中规模集成电路，它将模拟与逻辑功能巧妙地组合在一起，具有结构简单、使用电压范围宽、工作速度快、定时精度高、驱动能力强等优点。555定时器配以外部元件，可以构成多种实际应用电路。广泛应用于产生多种波形的脉冲振荡器、检测电路、自动控制电路、家用电器以及通信产品等电子设备中。
其中：T1=0.7(R1+R2)C（正脉冲宽度）
T2=0.7R2C（负脉冲宽度）
T=0.7(R1+2R2)C
555电路要求R1与R2均应大于或等于1KΩ，但R1+R2应小于或等于3.3MΩ。
在上图4-7中接入部分元件，可以构成下述电路：
①若在电阻R2上并接一只二极管（2AP3），并取R1≈R2，电路可以输出接近方波的信号。
（2）观察并记录输入、输出的工作波形；
（3）用通用计数器实测电路输出的正脉冲宽度tw值。
4.4
1．实验目的。
2．实验设备。
3．整理实验数据及相应电路的波形。
4．画出任务1与任务2、3联调实验电路图。
5．写出实验中各电路脉宽估算值，并与实验结果对照分析。
4.5
1．逻辑实验仪1台
2．双踪示波器1台
3．万用表1只
（3）电路振荡周期T
T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C
（4）电路振荡频率f
（5）输出波形占空比q
定义：q=T1/T，即脉冲宽度与脉冲周期之比，称为占空比。
二． 占空比可调的多谐振荡器电路
在上述电路中，由于电容C的充电时间常数τ1=（R1+R2）C，放电时间常数τ2=R2C，所以T1总是大于T2，vO的波形不仅不可能对称，而且占空比q不易调节。利用半导体二极管的单向导电特性，把电容C充电和放电回路隔离开来，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器，如图所示。
4．器材
74LS123 2片
555定时器2片
电阻、电容若干
第六章脉冲产生、整形电路
教学目标、要求：掌握555定时器构成的多谐振荡器、石英晶体多谐振荡器及其应用；掌握555定时器构成的施密特触发器及其应用；熟悉集成施密特触发器；掌握555定时器构成的单稳态触发器及其应用；熟悉集成单稳态触发器。
内容提要：多谐振荡器；施密特触发器；单稳态触发器。
器件的电源电压VCC可以是+5V~+15V，输出的最大电流可达200mA，当电源电压为+5V时，电路输出与TTL电路兼容。555电路能够输出从微秒级到小时级时间范围很广的信号。
（1）组成单稳态触发器
555电路按图4-6连接，即构成一个单稳态触发器，其中R、C是外接定时元件。单稳态触发器的输出脉冲宽度tw≈1.1RC。
要求：
（1）画出实验电路。
（2）用示波器测量并按同一时间坐标画出所设计的单稳态触发器的输入、输出波形。
3．使用任务1输出的矩形波上升沿，驱动一个由集成单稳态触发器（74LS123）组成的单稳态电路，要求输出一个正脉冲宽度tw=20μs的矩形波信号。
（1）取外接定时电容C=0.1μF，计算外接电阻器阻值（取标称值），画出电路图；
③组成施密特触发器
利用控制输入端CT接入一个稳定的直流电压。被变换的信号同时从TR和TH端输入，即可输出整形后的波形（电路的正向阈值电压与CT端电压相等，负向阈值电压是CT端电压的1/2。）。
4.3
1．使用555时基电路组成图4-7所示电路，取R1=R2=4.7KΩ，C=C0=0.01μF。
（1）用示波器观察并记录触发输入端TR和输出端F的工作波形，读出输出信号的周期T和正脉冲宽度tw的值；
图4-3
图4-4
2．555时基电路及其应用
555时基电路是一种将模拟功能和数字逻辑功能巧妙地结合在同一硅片上的新型集成电路，又称集成定时器，它的内部电路框图如图4-5所示。
图4-5
电路主要由两个高精度比较器C1、C2以及一个RS触发器组成。比较器的参考电压分别是2/3VCC和1/3VCC，利用触发器输入端TR输入一个小于1/3VCC信号，或者阈值输入端TH输入一个大于2/3VCC的信号，可以使触发器状态发生变换。CT是控制输入端，可以外接输入电压，以改变比较器的参考电压值。在不接外加电压时，通常接0.01μF电容到地，DISC是放电输入端，当输出端的F=0时，DISC对地短路，当F=1时，DISC对地开路。RD是复位输入端，当RD=0时，输出端有F=0。
图4-6
（2）组成自激多谐振荡器
图4-7自激多谐振荡器电路
按图4-7连接，即连成一个自激多谐振荡器电路，此电路的工作过程与单稳态触发器工作过程不同之处，是电路没有稳态，仅存在两个暂稳态。电路不需要外加触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端DISC放电，使电路产生振荡。输出信号的时间参数是：T=T1+T2
2.振荡频率的估算
（1）电容充电时间T1。电容充电时，时间常数τ1=（R1+R2）C，起始值vC（0+）= ，终了值vC（∞）=VCC，转换值vC（T1）= ，带入RC过渡过程计算公式进行计算：
（2）电容放电时间T2
电容放电时，时间常数τ2=R2C，起始值vC（0+）= ，终了值vC（∞）=0，转换值vC（T2）= ，带入RC过渡过程计算公式进行计算：
1.石英晶体的选频特性
有两个谐振频率。当f=fs时，为串联谐振，石英晶体的电抗X=0；
当f=fp时，为并联谐振，石英晶体的电抗无穷大。
由晶体本身的特性决定：fs≈fp≈f0（晶体的标称频率）
石英晶体的选频特性极好，f0十分稳定，其稳定度可达10-10～10-11。
石英晶体的电抗频率特性和符号
图4-2
74LS123的使用方法：
（1）有A和B两个输入端，A为下降沿触发，B为上升沿触发，只有AB=1时电路才被触发。
（2）连接Q和A或Q与B，可使器件变为非重触发单稳态触发器。
（3）CLR=0时，使输出Q立即变为0，可用来控制脉冲宽度。
（4）按图4-3、3-5-4连接电路，可组成一个矩形波信号发生器，利用开关S瞬时接地，使电路起振。
以单时基双极型国产5G555定时器为例，其功能如表所示。
5G555定时器功能表
UTH
T的状态
0
×
×
0
导通
1
0
导通
1
保持原状态不变
不变
1
1
截止
① =0时， =1， =0，T饱和导通。
② =1、 、 时，C1=0、C2=1， =1、 =0， =0，T 、 不变， 不变，T状态不变。
（2）用通用计数器测量与记录输出信号的T与tw值；
（3）将上述两种测试结果与理论计算值比较，分析实验误差。
本实验电路保留勿拆，将作为下面实验任务的信号源使用。
2．用555定时器设计一个单稳态触发器，要求其输出脉冲宽度为600μs，选择定时电容C=0.1μF，选择任务1的输出信号VO作为触发输入信号，确定并通过调整定时电阻，使实际电路符合设计要求。
4 脉冲信号产生电路
4.1
1．了解集成单稳态触发器的基本功能及主要应用。
2．掌握555定时器的基本工作原理及其性能。
3．掌握用555定时器构成多谐振荡器、单稳态触发器的工作原理、设计及调试方法。
4.2
1．集成单稳态触发器及其应用
在数字电路的时序组合工作中，有时需要定时、延时电路产生定时、展宽延时等脉冲，专门用于完成这种功能的IC，就是“单稳延时多谐振荡器”，也称“单稳触发器”。其基本原理是利用电阻、电容的充放电延时特性以及电平比较器对充放电电压检测的功能，实现定时或延时，只需按需要灵活改变电阻、电容值大小，就可以取得在一定时间范围的延时或振荡脉冲输出。常用的器件有LS121/122、LS/HC123、LS/HC221、LS/HC423、HC/C4538及CC4528B等。
1. 555定时器的分类
555定时器又称时基电路。555定时器按照内部元件分有双极型（又称TTL型）和单极型两种。双极型内部采用的是晶体管；单极型内部采用的则是场效应管。
555定时器按单片电路中包括定时器的个数分有单时基定时器和双时基定时器两种。
常用的单时基定时器有双极型定时器5G555（管脚排列如图6.2所示）和单极型定时器CC7555。双时基定时器有双极型定时器5G556和单极型定时器CC7556。
控制输入
输出
CLR
A
B
Q
0
×
×
0
1
×
1
×
0
1
×
×
0
0
1
1
0
↑
正
负
1
↓
1
↑
0
1
正
负
集成单稳态触发器有非重触发和可重触发两种，74LS123是一种双可重触发的单稳态触发器。它的逻辑符号及功能表如图4-1、表4-1所示。
在表4-1中“正”为正脉冲，“负”为负脉冲。
LS/HC123的特点是，复位端CLR也具有上跳触发单稳态过程发生的功能。
在Cext>1000pF时，输出脉冲宽度tw≈0.45RextCext。
器件的可重触发功能是指在电路一旦被触发（即Q=1）后，只要Q还未恢复到0，电路可以被输入脉冲重复触发，Q=1将继续延长，直至重复触发的最后一个触发脉冲的到来后，再经过一个tw（该电路定时的脉冲宽度）时间，Q才变为0，如图4-2所示：
在许多数字系统中，都要求时钟脉冲频率十分稳定，例如在数字钟表里，计数脉冲频率的稳定性，就直接决定着计时的精度。在上面介绍的多谐振荡器中，由于其工作频率取决于电容C充、放电过程中，电压到达转换值的时间，因此稳定度不够高。这是因为第一，转换电平易受温度变化和电源波动的影响；第二，电路的工作方式易受干扰，从而使电路状态转换提前或滞后；第三，电路状态转换时，电容充、放电的过程已经比较缓慢，转换电平的微小变化或者干扰，对振荡周期影响都比较大。一般在对振荡器频率稳定度要求很高的场合，都需要采取稳频措施，其中最常用的一种方法，就是利用石英谐振器—简称石英晶体或晶体，构成石英晶体多谐振荡器。
