第第 66 章 脉冲信号章 脉冲信号的产生与变换的产生与变换

第第 66 章 脉冲信号章 脉冲信号的产生与变换的产生与变换

学习要点：• 555 定时器的工作原理及逻辑功能•由 555 定时器构成单稳、多谐、施密特触 发器的方法

第第 66 章 脉冲信号章 脉冲信号的产生与整形的产生与整形

第第 66 章 脉冲信号章 脉冲信号的产生与整形的产生与整形

6.1 6.1 施密特触发器施密特触发器

6.2 6.2 单稳态触发器单稳态触发器

6.3 6.3 多谐振荡器多谐振荡器

退出退出

6.1 施密特触发器

6.1.1 6.1.1 由门电路构成的施密特触发器由门电路构成的施密特触发器

6.1.2 6.1.2 由由 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

6.1.3 6.1.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用

退出退出

6.1.1 由门电路构成的施密特触发器施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。

0

0

1

1

0

1

1

1

1

1

0

0

0

1

1

0

（4）ui上升到最大值后下降时，若ui下降到UT，R＝1。S=1，RS触发器不翻转，电路仍维持在第二种稳态。

0

0

1

1

（4）ui上升到最大值后下降时，若ui下降到UT，R＝1。S=1，RS触发器不翻转，电路仍维持在第二种稳态。

uoui

(b) 逻辑符号(a) 传输特性

ui

uo

UT－ UT+0

下限阈值电压 上限阈值电压

回差电压（滞后电压）：ΔUT ＝ UT ＋－ UT －

前面介绍的施密特触发器的回差电压为：ΔUT ＝ UT ＋－ UT －＝ UT － (UT － UD) ＝ UD ＝ 0.7V

缺点是回差太小，且不能调整。

(a) 40106的引脚排列图

14 13 12 11 10 9 8

40106

1 2 3 4 5 6 7

VDD 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y

1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y VSS

14 13 12 11 10 9 8

4093

1 2 3 4 5 6 7

(b) 4093的引脚排列图

VDD 3A 3B 3Y 4Y 4B 4A

1A 1B 1Y 2Y 2B 2A VSS

(a) 7414的引脚排列图

14 13 12 11 10 9 8

7414

1 2 3 4 5 6 7

VCC 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y

1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND

14 13 12 11 10 9 8

74132

1 2 3 4 5 6 7

(b) 74132的引脚排列图

VCC 3A 3B 3Y 4A 4B 4Y

1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND

集成施密特触发

集成施密特触发

器器

6.1.2 由 555 定时器构成的施密特触发器

R

ui

8 4

6 7

555 3

2 5

1

uo1

+VCC ui

uo

t

t

0

0

(a) 电路 (b) 工作波形

+VCC1

uo

uCO

UT+

UT－

2VCC/3VCC/3

控制电压调节回差

（1）当ui＝0时，由于比较器C1=1、C2=0，触发器置1，即Q＝1、0Q，uo1＝uo＝1。ui升高时，在未到达2VCC/3以前，uo1＝uo＝1的状态不会改变。

R

ui

8 4

6 7

555 3

2 5

1

uo1

+VCC ui

uo

t

t

0

0

(a) 电路 (b) 工作波形

+VCC1

uo

uCO

UT+

UT－

2VCC/3VCC/3

控制电压调节回差

（1）当ui＝0时，由于比较器C1=1、C2=0，触发器置1，即Q＝1、0Q，uo1＝uo＝1。ui升高时，在未到达2VCC/3以前，uo1＝uo＝1的状态不会改变。

（2）ui升高到2VCC/3时，比较器C1输出为0、C2输出为1，触发器置0，即

Q＝0、1Q，uo1=uo=0。此后，ui上升到VCC，然后再降低，但在未到达VCC/3以前，uo1＝uo＝0的状态不会改变。

R

ui

8 4

6 7

555 3

2 5

1

uo1

+VCC ui

uo

t

t

0

0

(a) 电路 (b) 工作波形

+VCC1

uo

uCO

UT+

UT－

2VCC/3VCC/3

控制电压调节回差

（1）当ui＝0时，由于比较器C1=1、C2=0，触发器置1，即Q＝1、0Q，uo1＝uo＝1。ui升高时，在未到达2VCC/3以前，uo1＝uo＝1的状态不会改变。

（2）ui升高到2VCC/3时，比较器C1输出为0、C2输出为1，触发器置0，即

Q＝0、1Q，uo1=uo=0。此后，ui上升到VCC，然后再降低，但在未到达VCC/3以前，uo1＝uo＝0的状态不会改变。

（3）ui下降到2VCC/3时，比较器C1输出为1、C2输出为0，触发器置1，

即Q＝1、0Q，uo1=uo=1。此后，ui继续下降到0，但uo1＝uo＝1的状态不会改变。

6.1.3 施密特触发器的应用

本节小结：

　　施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。而且由于具有滞回特性，所以抗干扰能力也很强。　　施密特触发器可以由分立元件构成，也可以由门电路及 555 定时器构成。　　施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很广。

6.2 单稳态触发器

6.2.1 6.2.1 由门电路构成的单稳态触发器由门电路构成的单稳态触发器

6.2.2 6.2.2 由由 555555定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器

6.2.3 6.2.3 单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用

退出退出

　　单稳态触发器在数字电路中一般用于定定时时（产生一定宽度的矩形波）、整形整形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）以及延时延时（把输入信号延迟一定时间后输出）等。　　单稳态触发器具有下列特点：（ 1 ）电路有一个稳态和一个暂稳态。（ 2 ）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。（ 3 ）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。

6.2.1 由门电路构成的单稳态触发器

（ 1 ）没有触发信号时电路工作在稳态当没有触发信号时， ui 为低电平。因为门 G2 的输入端经电阻 R接至 VDD ， VA 为高电平，因此 uo2 为低电平；门 G1 的两个输入均为 0 ，其输出 uo1 为高电平，电容 C 两端的电压接近为 0 。这是电路的稳态，在触发信号到来之前，电路一直处于这个状态：uo1 ＝ 1 ， uo2 ＝ 0 。

0 01 1

1 10

（ 2 ）外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态当正触发脉冲 ui 到来时，门 G1 输出 uo1 由 1 变为 0 。由于电容电压不能跃变， uA 也随之跳变到低电平，使门 G2 的输出 uO2 变为1 。这个高电平反馈到门 G1 的输入端，此时即使 ui 的触发信号撤除，仍能维持门 G1 的低电平输出。但是电路的这种状态是不能长久保持的，所以称为暂稳态。暂稳态时， uo1 ＝ 0 ， uo2 ＝ 1 。

0 01 1

（ 3 ）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态在暂稳态期间， VDD 经 R 和 G1 的导通工作管对 C 充电，随着充电的进行， C 上的电荷逐渐增多，使 uA 升高。当 uA 上升到阈值电压 UT 时， G2 的输出 uo2 由 1 变为 0 。由于这时 G1 输入触发信号已经过去， G1 的输出状态只由 uo2 决定，所以 G1 又返回到稳定的高电平输出。 uA 随之向正方向跳变，加速了 G2 的输出向低电平变化。最后使电路退出暂稳态而进入稳态，此时 uo1 ＝ 1 ，uo2 ＝ 0 。

脉冲宽度： tp=0.7RC

ui C

uA≥ 1 ≥ 1

uo2R

G1 G2

uo1

VDD

C1

R1

电路的改进

当 ui 的宽度很宽时，可在单稳态触发器的输入端加一个 RC 微分电路，否则，在电路由暂稳态返回到稳态时，由于门 G1 被 ui 封住了，会使 uo2 的下降沿变缓。

　　稳态时， ui ＝ 1 ， G1 、 G2 均导通。 uo1 ＝ 0 ， uA ＝ 0 ， uo

2 ＝ 0 。　　 ui 负跳变到 0 时， G1 截止， uo1 随之跳变到 1 。由于电容电压不能跃变， uA 仍为 0 ，故门 G2 截止， uo2 跳变到 1 。在 G1 、G2 截止时， C 通过 R 和 G1 的导通管放电，使 uA 逐渐上升。当 u

A 上升到管子的开启电压 UT 时，如果 ui 仍为低电平， G2 导通，uo2 变为 0 。当 ui 回到高电平后， G1 导通， C 又通过 R 和 G1 的导通管充电，电路恢复到稳定状态。

TR-A 、 TR-B 是两个下降沿有效的触发信号输入端， TR+

是上升沿有效的触发信号输入端。 Q 和是两个状态互补的输出端。 Rext/Cext 、 Cext 是外接定时电阻和电容的连接端，外接定时电阻 R （ R=1.4kΩ ～ 40kΩ ）接在 VCC 和 Rext/Cext 之 间 ， 外 接 定 时 电 容 C（ C=10pF ～ 10μF ）接在 Cex

t （正）和 Rext/Cext 之间。 74121 内部已设置了一个 2kΩ 的定时电阻， Rin 是其引出端，使用时只需将 Rin 与 VCC 连接起来即可，不用时则应将 Rin

开路。

74121 的输出脉冲宽度：tp≈0.7RC

TR-A 、 TR-B 是 两 个 下 降 沿有效的触发信号输入端， TR+A 、 TR+B 是两个上升沿有效的触发信号输入端。 Q和是两个状态互补的输出端。Rext/Cext 、 Cext 、 Rin3 个引出端是供外接定时元件使用的，外 接 定 时 电 阻 R （ R=5kΩ ～ 50kΩ ）、电容 C （无限制）的接法与 74121 相同。RD 为直接复位输入端，低电平有效。当定时电容 C ＞ 1000pF 时，74122 的输出脉冲宽度：

tp≈0.32RC

6.2.2 由 555 定时器构成的单稳态触发器

　　接通 VCC 后瞬间， VCC 通过 R 对 C 充电，当 uc 上升到 2VCC/3时，比较器 C1 输出为 0 ，将触发器置 0 ， uo ＝ 0 。这时 Q=1 ，放电管 T 导通， C 通过 T 放电，电路进入稳态。　　 ui 到来时，因为 ui ＜ VCC/3 ，使 C2 ＝ 0 ，触发器置 1 ， uo

又由 0 变为 1 ，电路进入暂稳态。由于此时 Q=0 ，放电管 T 截止，VCC 经 R 对 C 充电。虽然此时触发脉冲已消失，比较器 C2 的输出变为 1 ，但充电继续进行，直到 uc 上升到 2VCC/3 时，比较器 C1

输出为 0 ，将触发器置 0 ，电路输出 uo ＝ 0 ， T 导通， C 放电，电路恢复到稳定状态。

uo&

ui

uA

u'o

(a) 电路示意图 (b) 波形图

单稳态触发器

uo

u'o

ui

uA

tp

6.2. ３ 单稳态触发器的应用

ui

uo tp

延迟与定时延迟与定时

整整形形

本节小结：

　　单稳态触发器具有一个稳态。由门电路构成的单稳态触发器和基本 RS 触发器在结构上也极为相似，只有用于反馈的耦合网络不同。　　单稳态触发器可以由门电路构成，也可以由 555 定时器构成。在单稳态触发器中，由一个暂稳态过渡到稳态，其“触发”信号也是由电路内部电容充（放）电提供的，暂稳态的持续时间即脉冲宽度也由电路的阻容元件决定。　　单稳态触发器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，用途很广。

6.3 多谐振荡器

6.3.1 6.3.1 由门电路构成的多谐振荡器由门电路构成的多谐振荡器

6.3.2 6.3.2 由由 555555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器

6.3.3 6.3.3 多谐振荡器的应用多谐振荡器的应用

退出退出

6.3.1 由门电路构成的多谐振荡器

能产生矩形脉冲的自激振荡电路叫做多谐振荡器。

1 、 RC 环形多谐振荡器

0

(a) 电路图

& &ui1 ui2 uo2 ui3 uo

R RS

C

uo(ui1)

uo2

ui3

t

t

t

t

(b) 波形图

0

0

0

G1 G2

&

G3

ui2(uo1)

UT

t1 t2 t3

在 t1 时刻， ui1 （ uo ）由 0 变为 1 ，于是 uo1 （ ui2 ）由 1 变为 0 ，uo2 由 0 变为 1 。由于电容电压不能跃变，故 ui3必定跟随 ui2 发生负跳变。这个低电平保持 uo 为 1 ，以维持已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间， uo2 （高电平）通过电阻 R 对电容 C 充电，使 ui3 逐渐上升。在 t2 时刻， ui3 上升到门电路的阈值电压 UT ，使 uo （ ui1 ）由 1 变为 0 ， uo1 （ ui2 ）由 0 变为 1 ， uo2 由 1 变为0 。同样由于电容电压不能跃变，故 ui3跟随 ui2 发生正跳变。这个高电平保持 uo 为 0 。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。

第一暂稳态及其自动翻转的工作过程

第二暂稳态及其自动翻转的工作过程

在 t2 时刻， uo2 变为低电平，电容 C 开始通过电阻 R 放电。随着放电的进行， ui3 逐渐下降。在 t3 时刻， ui3 下降到 UT ，使 uo

（ ui1 ）又由 0 变为 1 ，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态，又开始重复前面的过程。

振荡周期为：T≈ 2.2RC

2 、 CMOS 多谐振荡器

在 t1 时刻， uo 由 0 变为 1 ，由于电容电压不能跃变，故 ui1必定跟随 uo 发生正跳变，于是 ui2 （ uo1 ）由 1 变为 0 。这个低电平保持 uo 为 1 ，以维持已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间，电容 C 通过电阻 R 放电，使 ui1 逐渐下降。在 t2 时刻， ui1 上升到门电路的开启电压 UT ，使 uo1 （ ui2 ）由 0 变为 1 ， uo 由 1变为 0 。同样由于电容电压不能跃变，故 ui1跟随 uo 发生负跳变，于是 ui2 （ uo1 ）由 0 变为 1 。这个高电平保持 uo 为 0 。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。

第一暂稳态及其自动翻转的工作过程

第二暂稳态及其自动翻转的工作过程

在 t2 时刻， uo1 变为高电平，这个高电平通过电阻 R 对电容 C 充电。随着放电的进行， ui1 逐渐上升。在 t3 时刻， ui1 上升到 UT ，使 uo （ ui1 ）又由 0 变为 1 ，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态，又开始重复前面的过程。

若 UT＝0.5VDD，振荡周期为：T≈ 1.4RC

& &

R1 C2 R2

C1uo

f

(a) 石英晶体多谐振荡器 (b) 石英晶体阻抗频率特性

0

X

f0电容性

电感性

3 、石英晶体多谐振荡器

电阻 R1 、 R2 的作用是保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区。对 TTL 反相器，常取 R1 ＝ R2 ＝ R ＝ 0.7 kΩ ～ 2kΩ ，而对于 CMOS 门，则常取 R1 ＝ R2 ＝ R ＝ 10kΩ ～ 100kΩ ；C1 ＝ C2 ＝ C 是耦合电容，它们的容抗在石英晶体谐振频率 f0

时可以忽略不计；石英晶体构成选频环节。振荡频率等于石英晶体的谐振频率 f0 。

6.3.2 由 555 定时器构成的多谐振荡器1 、 555 定时器

低低电平触发端

高高电平触发端

电压控制端

复位端低低电平有效

放电端

4.5 ～ 16V

0

0

1

①R=0 时， Q=1 ， uo=0 ， T 导通。

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

1

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

0

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

R1

uc

8 4

7 3

6 555

2 5

1 0.01μ F

uo

VCC

R2

uc

uo

t

ttP1 tP2

0

VCC/3

2VCC/3

0

(a) 电路 (b) 工作波形

2 、由 555 定时器构成的多谐振荡器

接通 VCC 后， VCC 经 R1 和 R2 对 C 充电。当 uc 上升到 2VCC/3 时，uo=0 ， T 导通， C 通过 R2 和 T 放电， uc 下降。当 uc 下降到 VCC/3 时， uo 又由 0 变为 1 ， T 截止， VCC 又经 R1 和 R2 对 C 充电。如此重复上述过程，在输出端 uo 产生了连续的矩形脉冲。

C

R1

uc

8 4

7 3

6 555

2 5

1 0.01μ F

uo

VCC

R2

uc

uo

t

ttP1 tP2

0

VCC/3

2VCC/3

0

(a) 电路 (b) 工作波形

第二个暂稳态的脉冲宽度 tp2，即 uc从 2VCC/3放电下降到 VCC/3所需的时间：tp2≈ 0.7R2C

振荡周期：T＝tp1＋tp2≈ 0.7(R1＋2R2)C

& &

R1 C2 R2

C1&

f0 f1 f2 f14 f32768Hz 16384Hz 8192Hz 2Hz 1Hz

C1 C1 C1 C1

FF1 FF2 FF14 FF15 Q1 Q2 Q14 Q15

6.3.3 多谐振荡器的应用

秒信号发生

秒信号发生

器器

多谐振荡

器

分频电

路

C1

R1uo1

8 4

7 3

6 555Ⅰ

2 5

10.01μ F

uo1

VCC

R2

(a) 电路(b) 工作波形

C2

R3

uo2

8 4

7 3

6 555Ⅱ

2 5

10.01μ F

uo2

R4C

模拟声响电路模拟声响电路

将振荡器Ⅰ的输出电压 uo1 ，接到振荡器Ⅱ中 555 定时器的复位端（ 4脚），当 uo1 为高电平时振荡器Ⅱ振荡，为低电平时555 定时器复位，振荡器Ⅱ停止震荡。

本节小结：

　　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。　　多谐振荡器可以由门电路构成，也可以由 555 定时器构成。由门电路构成的多谐振荡器和基本 RS 触发器在结构上极为相似，只是用于反馈的耦合网络不同。RS 触发器具有两个稳态，多谐振荡器没有稳态，所以又称为无稳电路。　　在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个暂稳态，其“触发”信号是由电路内部电容充（放）电提供的，因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡周期与电路的阻容元件有关。　　 555 定时器是一种应用广泛、使用灵活的集成器件，多用于脉冲产生、整形及定时等。