第六章 脉冲波形的产生与整形 6.1 集成555定时器 6.2 施密特触发器 6.3 多谐振荡器 6.4 单稳态触发器

6.1 集成555定时器 一、555定时器的电路结构 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。 电压比较器的功能： v+> v-，vO=1 v+< v-，vO=0

（3）基本RS触发器， （4）放电三极管T及缓冲器G。 电路符号

二．工作原理 （1）4脚为复位输入端（ RD ），当RD为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出vo为低电平。正常工作时，应将其接高电平。 （2）5脚为电压控制端，当其悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3VCC 和1/3VCC 。 2/3VCC 1/3VCC

（3）2脚为触发输入端，6脚为阈值输入端，两端的电位高低控制比较器C1和C2的输出，从而控制RS触发器，决定输出状态。 功能表 2/3VCC 阈值 输入 复位 输出 vI1 vI2 RD vo × ＜2/3VCC ＞2/3VCC ＜1/3VCC ＞1/3VCC 1 不变 1/3VCC

6.2 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。 一. 用555定时器构成的施密特触发器 1. 电路组成及工作原理 2/3VCC 1/3VCC

电路符号

2. 电压滞回特性和主要参数 Vo 传输特性 （1）电压滞回特性 （2）主要静态参数 Vi VOH VOL （a）上限阈值电压VT+ 传输特性 VOH VOL （1）电压滞回特性 （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 2/3VCC 1/3VCC ΔVT 1/3VCC 2/3VCC VT — VT+ VT+ ΔVT VT —

电路符号 vO1 O2 v t O1 VCC2

二． 集成施密特触发器 1. CMOS集成施密特触发器CC40106 2. TTL集成施密特触发器74LS14

三． 施密特触发器的应用举例 VT+ VT- 1. 用作接口电路——将缓慢变化的输入信号，转换成为符合TTL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。 输入 VT+ VT- 输出

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。

8.3 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． 用555定时器构成的多谐振荡器 vc t vo 1. 电路组成及工作原理 vc t vo 2/3VCC 1/3VCC

EWB演示——555组成多谐振荡器

2. 振荡频率的估算 （1）电容充电时间T1：（用三要素法计算） vc t vo T （2） 电容放电时间T2 vc t vo 2/3VCC 1/3VCC （2） 电容放电时间T2 （3）电路振荡周期T T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C （4）电路振荡频率f T T1 T2 （5）输出波形占空比q

二． 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：

三． 石英晶体多谐振荡器 1.石英晶体的选频特性 X 感性 容性 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。 X 感性 容性

2. 石英晶体多谐振荡器 （1）串联式振荡器 R1、R2：使两个反相器都工作在转折区，成为具有高放大倍数的放大器。 对于TTL门，常取R1=R2=0.7～2kΩ，对于CMOS门，常取R1=R2=10～100MΩ；C1=C2是耦合电容。 石英晶体工作在串联谐振频率f0下，只有频率为f0的信号才能通过，满足振荡条件。因此，电路的振荡频率= f0，与外接元件R、C无关，所以这种电路振荡频率的稳定度很高。

（2）并联式振荡器 RF是偏置电阻，保证在静态时使G1工作转折区，构成一个反相放大器。 晶体工作在略大于fS与 fP之间，等效一电感，与C1、C2共同构成电容三点式振荡电路。电路的振荡频率= f0。 反相器G2起整形缓冲作用，同时G2还可以隔离负载对振荡电路工作的影响。

四．多谐振荡器应用实例 1. 简易温控报警器

2. 双音门铃。

3. 秒脉冲发生器 CMOS石英晶体多谐振荡器产生f=32768Hz的基准信号，经T/触发器构成的15级异步计数器分频后，便可得到稳定度极高的秒信号。 这种秒脉冲发生器可做为各种计时系统的基准信号源。

8.4 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。 一． 用555定时器组成单稳态触发器 1. 电路组成及工作原理 （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。

（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。

（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。 （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=RC， 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。 （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RCES很小，所以放电很快。C放电完毕，恢复过程结束。

2. 主要参数估算 T (1) 输出脉冲宽度Tw（用三要素法计算） （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

二．集成单稳态触发器74121 74121功能表 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。 vO vO 保持稳态 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

集成单稳态触发器74121的外部元件连接方法: （a）使用外部电阻Rext且电路为下降沿触发的连接方式。 （b）使用内部电阻Rint且电路为上升沿触发的连接方式。

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%。

三．单稳态触发器的应用 1. 延时与定时 （1）延时 （2）定时 图中，v/O的下降沿比vI的下 降沿滞后了时间tW。 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。

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。

3. 触摸定时控制开关 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。

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。

练习一：8.4.3 图题8.4.3为一心律失常报警电路，图中vI是经过放大后的心电信号，其幅值vIm=4V。 （1）对应vI分别画出图中vo1、vo2、vo三点的电压波形； （2）说明电路的组成及工作原理。

8.2.1 如图所示，555构成的施密特触发器，当输入信号为图示周期性心电波形时，试画出经施密特触发器整形后的输出电压波形。

8.3.5 一过压监视电路如图所示，试说明当监视电压vx超过一定值时，发光二极管D将发出闪烁的信号。 提示：当晶体管T饱和时，555的管脚1端可认为处于地电位。

练习二：间歇振荡器 EWB演示——555组成间歇振荡器

练习三：报警器 EWB演示——555组成报警器

本章小结 1．多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。用555定时器可以组成多谐振荡器，用石英晶体也定时器可以组成多谐振荡器。石英晶体振荡器的特点是fo的稳定性极好。 2．施密特触发器和单稳态触发器，虽然不能自动地产生矩形脉冲，但却可以把其它形状的信号变换成为矩形波，为数字系统提供标准的脉冲信号。 3．555定时器是一种用途很广的集成电路，除了能组成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器以外，还可以接成各种灵活多变的应用电路。 4．除了555定时器外，目前还有556（双定时器）和558（四定时器）等。