第6章脉冲波形的产生与整形
内容提要
现代电子系统常常需要不同幅度、宽度以及具有陡峭边沿的脉冲信号，如时序逻辑电路中的时钟信号（CP）等等。获取脉冲信号的方法通常有两种：一种是直接产生，一种是利用已有的信号变换得到。
本章将介绍常用的脉冲波形产生与整形电路——施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器。重点介绍这三种电路的功能、电路组成、工作原理、主要参数和应用。
6.1 脉冲信号的基本参数
是按非正弦规律变化的信号均可称脉冲信号。常见的脉冲信号有以下几种：
1．矩形波
矩形波也称为方波。其波形如图6.1-1所示。
（a）（b）
图6.1-1 方波波形
（a）对称方波（b）非对称方波
2．三角波
上升/下降都是线性变化的波形称为三角波，其波形如图6.1-2所示。
3．锯齿波
锯齿波是三角波的特例，它是从零电压开始上升，到达一定电压后迅速返回到零。其波形如图6.1-3所示。
图6.1-2 三角波波形图6.1-3 矩齿波
数字电路最常用的脉冲信号就是方波信号。如时序逻辑电路中的时钟信号就是典型的方波信号。为了描述方波信号的特性，这里对方波信号的主要参数进行描述。如图 6.1-4
6.2 施密特触发器 267
所示，方波信号的参数有：
图6.1-4 方波信号的主要参数
（1）脉冲周期T ：两个相邻脉冲之间的时间间隔。有时也使用频率T
f 1=表示单位时间内脉冲的重复次数；
（2）脉冲幅值V m ：脉冲电压变化的最大幅度；
（3）脉冲宽度t W ：从脉冲前沿到达0.5V m 起到脉冲后沿到达0.5V m 为止的一段时间；
（4）上升时间t r ：脉冲上升沿从0.1V m 上升到0.9V m 所需要时间；
（5）下降时间t f ：脉冲下降沿从0.9V m 下降到0.1V m 所需要时间；
（6）占空比q ：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q =T W /T 。
理想方波信号的上升时间t r 和下降时间t f 均为0。
获取方波信号的途径不外乎两种：一种是直接用各种形式的多谐振荡器直接产生，另一种是利用整形电路将已有的周期性变化波形变换为符合要求的方波信号。本章内容主要介绍脉冲波形产生和整形的三种典型电路：施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。
6.2 施密特触发器（Schmitt Trigger ）
6.2.1 施密特触发器的基本概念
施密特触发器是具有滞后特性的数字传输门，它具有以下特点：
（1）施密特触发器输出有两种状态：0态和1态 ，也就是说，它输出的是数字信号，要么是高电平，要么是低电平；
（2）施密特触发器采用电平触发，也就是说，它输出是高电平还是低电平取决于输入信号的电平；
（3）对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平V T+和V T -。也就是说，输入信号电压上升时，与V T+比较，大于V T+，输出状态翻转；输入信号电压下降时，与V T -比较，小于V T -，输出状态翻转。
最后一条是施密特触发器最主要的特点，是与电压比较器的区别所在。
施密特触发器分同相施密特触发器和反相施密特触发器两种，其符号图6.2-1所示。
268 第6章 脉冲波形的产生与整形
（a ） （b ）
图6.2-1 施密特触发器的电路符号
（a ）同相施密特触发器 （b ）反相施密特触发器
同相施密特触发器和反相施密特触发器的电压传输特性如图6.2-2所示。
（a ） （b ）
图6.2-2 施密特触发器的电压传输特性
（a ）同相施密特触发器传输特性 （b ）反相施密特触发器传输特性
施密特触发器可将缓慢变化的模拟信号整形成方波信号，例如，将一正弦信号加到反相施密特触发器的输入端，可得到频率相同的方波信号。图6.2-3所示为施密特触发器的输入和输出波形。
图6.2-3 正弦输入信号和对应输出波形
与电压比较器相比，施密特触发器具有较强的抗干扰能力。
6.2.2 由CMOS 门构成的施密特触发器
1．电路组成
将两个CMOS 反相器级连起来，通过分压电阻将输出端的电压反馈到输入端，就构成了施密特触发器，如图6.2-4所示。
I v O v
图6.2-4 CMOS 反相器构成的施密特触发器
6.2 施密特触发器 269
2．工作原理分析
G 1、G 2为CMOS 门电路，其阈值电压为V DD /2。为了使电路正常工作，电路中要求R 1＜R 2。
（1） 当v I =0V 时，由于R 1＜R 2，不难分析得到G1输出高电平，v O1≈V DD ， v O ≈0V 。注意，如果R 1＞R 2，则有可能出现v O1≈0V ， v O ≈V DD 的结果，所以电路必须要求R 1＜R 2。
（2） 当v I 升高时，G 1门的输入电压v I ＇也升高。当v I ＇达到V DD /2时， G 1、G 2输出状态将翻转，此时对应的v I 值就是施密特触发器的正向阈值电压V T+。由于CMOS 门电路输入阻抗非常大，其输入端相当于开路，因此可以得到图6.2-5所示的求取V T+的电路模型。
图6.2-5 求取V T + 的电路模型
DD 221T I 2
1V R R R V v =?+=′+
得：
)1(212
1DD T R R V V +=+ （6.2-1） （3）当v I 大于V T+时，电路迅速转到另一稳态：v O1≈0， v O ≈V DD 。在状态转换过程中将引发如下正反馈现象：
（4）当v I 由高变低时，v I ＇也由高变低。当v I ＇≤V DD /2时，电路又将发生转换，此时对应的v I 就是施密特触发器的反向阈值电压V T －。利用如图6.2-6所示的电路模型可以求得V T －。
图6.2-6 求取V T - 的电路模型
DD T 211
T DD 2
1)(V V R R R V V =++???? 得：
270 第6章 脉冲波形的产生与整形
1(212
1DD T R R V V ?=? （6.2-2） （5）当v I 小于V T －时，电路迅速转到另一稳态：v O1≈V DD ， v O ≈0V 。 这时，电路同样存在正反馈现象：
（6）回差电压
回差电压=DD 2121DD 2
1DD T T )1(21)1(21V R R R R V R R V V V =??+=??+ （6.2-3） 从上式可知，回差电压可通过R 1、R 2改变。
从上述原理分析中可知，施密特触发器输出状态发生改变时存在正反馈现象，该正反馈可使v O1和v O 的上升沿和下降沿变陡，从而使施密特触发器的输出波形更接近于理想的方波信号。图6.2-4所示的施密特触发器既可以当作同相施密特触发器，也可当作反相施密特触发器。当用v O 作为输出信号时，为同相施密特触发器；当用v O1作为输出信号时，为反相施密特触发器。
6.2.3 施密特触发器的应用
施密特触发器除了可用于波形变换之外，还有以下几方面用途：
1．用于脉冲整形
在数字系统中，矩形脉冲经过传输以后，往往会产生波形畸变。如当传输线上电容较大时，矩形波的上升沿和下降沿将变坏，如图6.2-7（a ）所示。当传输线较长，而且接收端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象，如图6.2-7（b ）所示。这两种情况都可通过施密特触发器整形而获得较为理想的矩形脉冲信号（方波信号）。
（a ） （b ）
图6.2-7 施密特触发器对脉冲整形
6.2 施密特触发器271
2．用于脉冲鉴幅
若将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端，只有幅值大于V T+的脉冲才会在输出端产生输出信号，因此，施密特触发器还可用于脉冲鉴幅。如图6.2-8所示。
图6.2-8 施密特触发器用于脉冲鉴幅
3．用于构成多谐振荡器
用施密特触发器构成的多谐振荡器的原理图如图6.2-9（a）所示。
（a）（b）
图6.2-9 由施密特触发器构成的多谐振荡器
（a）原理图（b）工作波形
刚上电时，电容C上无电荷，v C=0 V，施密特触发器输出高电平，该高电平通过电阻R向电容C充电，v C按指数规律上升。当v C上升到V T+ 时，施密特触发器输出低电平，这时，电容C进入放电状态，v C按指数规律下降。当v C下降到V T- 时，施密特触发器输出高电平。如此周而复始，就在电路输出端产生方波，其工作波形如图6.2-9（b）所示。
4．用于冰箱温度控制系统
冰箱温度控制系统是一个典型的反馈控制系统。当温度传感器检测到的实际温度值与设定的温度值作比较，如果实际温度值高于设定值，则启动冰箱压缩机进行制冷，否则，停止压缩机。显然，采用电压比较器构成的冰箱温度控制系统原理图如图6.2-10（a）所示。假设温度传感器输出电压与温度之间的关系为1V/℃，4V电压相当于温度设定值为4℃。
272 第6章脉冲波形的产生与整形
（a）（b）
图6.2-10 采用电压比较器的温度控制系统
（a）原理图（b）工作波形
当温度高于设定值，比较器就会启动压缩机，使温度下降。温度微小的降低，就会使比较器输出发生跃变。结果压缩机被频繁地启动和停止。其工作波形如图6.2-10（b）所示。
虽然上述温度控制系统能获得精确的温度控制，但对家用电冰箱来说，没有必要对温度进行这么精确的调节。只需将温度控制在一定的范围，就能得到满意的食品保存效果。而且，压缩机被频繁地启动和停止将大大缩短压缩机的使用寿命，发出的噪音也令人难以接受。因此，在实际的冰箱温度控制系统中，一般采用施密特触发器作为温度比较器。假设同相施密特触发器的V T+=6V，V T-=2V，采用如图6.2-11（a）所示的温控系统可将冰箱温度控制在2℃~6℃之间。工作波形如图6.2-11（b）所示。从工作波形可知，冰箱压缩机启动间隔明显加长，因此，在冰箱压缩机通断控制中利用施密特触发器可以避免压缩机过于频繁的通断工作。
（a）（b）
图6.2-11 采用施密特触发器的温度控制系统
（a）原理图（b）工作波形
6.3 单稳态触发器
6.3.1单稳态触发器的基本概念
前面学过的基本RS触发器有两种状态：0态或1态，而且这两种状态都能长久保持，有时也称它为双稳态触发器。单稳态触发器则不同，它虽然也有两种状态：0态和1态，但只有一种状态能长久保持，实际上一种为稳态，一种为暂稳态，故名单稳态触发器。
稳态：能够长久保持的状态。
6.3 单稳态触发器273
暂稳态：不能长久保持的状态。
单稳态触发器的特点：
（1）它有稳态和暂稳态两种状态；
（2）平时处于稳态，在外部触发脉冲作用下，由稳态进入暂稳态；
（3）暂稳态维持一定时间后自动回到稳态。
单稳态触发器在实际生活中也有应用的例子。如楼道灯控制系统，平时楼道灯不亮，当按了按钮（相当于外部加了一个触发信号）时，楼道灯点亮，过了一定时间后自动熄灭。显然，楼道灯有两种状态，暗的状态为稳态，亮的状态为暂稳态。
从电路结构来看，单稳态触发器主要有两类：微分型单稳态触发器和积分型单稳态触发器。微分型单稳态触发器电路中含有RC微分电路，而积分型单稳态触发器电路中含有RC积分电路。
6.3.2 由CMOS门构成的微分型单稳态触发器
1．电路组成
微分型单稳态触发器由门电路和RC微分电路组成。微分型单稳态触发器中的门电路既可以是与非门，也可以由或非门，既可以是CMOS门电路，也可以是TTL门电路。图6.3-1 所示的是由CMOS或非门构成的单稳态触发器。
v
v
O
图6.3-1 由CMOS或非门构成的单稳态触发器
图中，G1、G2为CMOS或非门（G1可以看成是输入端连在一起的或非门），R、C构成微分电路。v I为输入触发器脉冲，v O1、v O分别为G1、G2的输出电压，v I2为G2输入电压。由或非门构成的单稳态触发器采用正脉冲触发，而由与非门构成的单稳态触发器采用负脉冲触发。
2．工作原理分析
分析单稳态触发器的工作原理一般应解决三个问题：①什么是稳态？②如何在外部触发脉冲作用下，由稳态进入暂稳态？③暂稳态如何自动地回到稳态？
（1）单稳态触发器的稳态
单稳态触发器处于稳态时，输入端无触发脉冲，因此v I为低电平（因为是高电平触发），同时，电容C无充放电存在，因此电容C相当于断开。根据这些条件，首先可以确定G2输出为低电平然后可以确定G1输出为高电平。可以得到单稳态触发器的稳态为v O1≈V DD，
274 第6章 脉冲波形的产生与整形
v O ≈0V 。
（2）当v I 加一正脉冲时，由稳态进入暂稳态。
当变为高电平时，G 1输出立即变为低电平，由于电容两端的电压不能突变，所以也立即变为低电平，G 2的输出变为高电平，电路进入暂稳态：v O1≈0V ，v O ≈V DD 。这里有一正反馈现象，其作用是改善v O1、 v O 边沿。
（3）暂稳态自动回到稳态。
进入暂稳态后，v O1为低电平，V DD 经过R 向电容C 充电，v I2逐渐上升，当v I2上升到V DD /2时，G 2输出低电平v O ≈0 V 。如果触发脉冲已经消失，即v I 已由高电平回到低电平，v O1≈V DD ，电路回到稳态。这里也有正反馈现象，其作用是改善v O1、 v O 边沿。
回到稳态后，电容C 处于放电的过程，由G 1门的输出级导通管、电阻R 构成放电回路，v I2逐步趋向V DD ，此时，单稳态触发器完整的工作过程完成，其工作波形如图6.3-2所示。
需要指出的是，在暂稳态结束时， v O1则由0 V 上跳变到高电平V DD ，由于电容C 两端的电压不能突变，所以理论上讲，v I2将在V DD /2的基础上上跳V DD ，达到3V DD /2，但由于CMOS 门输入保护电路中对电源端的保护二极管的钳位作用，使v I2最大只能达到V DD +0.7V ，所以v I2波形中只有1个“小尖”。
DD 2
1V
图6.3-2 单稳态触发器的工作波形
3．主要参数及计算
为了定量地描述单稳态触发器的性能，经常使用以下4个参数：
（1）暂稳态维持时间t W （输出脉冲宽度）
6.3 单稳态触发器 275
由以上分析可知，暂稳态维持时间t W 就是电容C 开始充电至电压升高到V DD /2所需要的时间。因此，只要求出电容C 充电过程的电压方程，即可求得t W 。由图6.3-2可知，C 的充电波形就是v I2的指数上升段波形，如果以触发信号到达、电容C 开始充电为时间0点，则电容C 的充电过程可用下式表示：
T t
e
V V V t v ??∞?∞=)]0()([)()(C C C C 将V C （0）≈0V ，V C （∞）≈V DD ，T=RC 代入上式得： )1()(DD C RC t
e V t v ??=
当v C （t ）=V T =V DD /2时，t =T w ，代入上式可求得：
T W =RC ln2≈0.7RC
（7.3-1） 由上式可知，T W 与R 、C 有关，与触发脉冲宽度无关。
（2）恢复时间T re
恢复时间T re 是电容C 放电所需的时间。一般认为，经过3~5倍于电路时间常数的时间以后，RC 电路已基本达到稳态。根据单稳态触发器的工作原理分析，可以画出电容C 放电的等效电路如图6.3-3。如果D 1的正向导通电阻比R 和门G 1的输出电阻R ON 小得多，则恢复时间为
T re ≈（3～5）R ON C （7.3-2）
图6.3-3 电容C 放电等效电路
（3）最高工作效率f max
在暂稳态期间T w 和恢复时间T re 内，电路不响应触发信号，因此，2个触发信号之间的最小时间间隔为
T d =T w +T re （7.3-3）
T d 称为分辩时间。
f max =d
T 1 （7.3-4） （4）输出脉冲幅度V m
V m =V OH －V OL ≈V DD （7.3-5）
276 第6章 脉冲波形的产生与整形
4. 触发脉冲宽度对单稳态触发器工作的影响
前面在分析单稳态触发器得工作原理时作了一个假设，即当暂稳态回到稳态时，触发脉冲已由高电平转换成低电平，也就是说，触发脉冲v I 的脉冲宽度小于暂稳态维持时间。如果触发脉冲v I 的宽度大于暂稳态维持时间T W ，虽然电路也能工作，但由于G 2输出v O 由高电平向低电平跳变时，v I 仍为高电平，无法形成正反馈而使v O 下降沿变差。其工作波形如图6.3-4所示。
v
v O
v I
v I2
V T =DD 21V
图6.3-4 宽脉冲触发时的工作波形
为了在输入宽脉冲的情况下也能正常工作，通常在如图6.2-12所示的单稳态触发器前面加一微分电路，如图6.3-5（a ）所示。当宽脉冲通过由C d 和R d 组成的微分电路就可以得到很窄的正、负脉冲，如图6.3-5（b ）所示。注意，v I ＇中的负脉冲对单稳态触发器不起作用，只有正脉冲对单稳态触发器起作用。
（a ） （b ）
图6.3-5 输入端具有微分电路的单稳态触发器
（a ）电路图 （b ）输入级微分电路工作波形
6.3.3 集成单稳态触发器
用门电路组成单稳态触发器虽然电路结构简单，但存在着触发方式单一、输出脉宽稳定性差，调节范围小的缺点。在TTL 和CMOS 集成电路中，生产了多种型号的单片集成触发器。这些器件使用时只需外接很少的元件和连线，使用十分方便。这里介绍最常用的集成单稳态触发器74LS121，其简化的原理图如图6.3-6所示。
6.3 单稳态触发器277
图6.3-6 集成单稳态触发器74LS121简化原理图
74LS121内部电路由控制电路、微分型单稳态触发器和输出缓冲电路几部分组成。控制电路根据A1、A2、B的输入状态产生窄脉冲（该窄脉冲宽度非常窄，可以理解为其宽度肯定小于暂稳态维持时间）。当出现以下几种情况时，控制电路将产生窄脉冲：（1）若A1、A2中至少有一个接低电平时，同时在B端输入一上升沿；
（2）若B端接高电平时，A1、A2中至少有一个输入下降沿。
可见，74LS121既可以上升沿触发，也可以下降沿触发。一旦控制电路产生窄脉冲，单稳态触发器立即进入暂稳态，Q及Q输出互补的脉冲。输出缓冲电路G3、G4用于提高电路带负载能力。集成单稳态触发器74LS121的功能表如表6.3-1所示。
表6.3-1 74LS121功能表
74LS121的暂稳态维持时间由R、C值决定。为了使暂稳态维持时间能外部调节，C、R应通过外部引脚外接。由此得到74LS121的内部框图和逻辑符号如图6.3-7所示。
（a）（b）
图6.3-7 74LS121的内部框图和逻辑符号
（a）内部逻辑框图（b）逻辑符号
278 第6章脉冲波形的产生与整形
74LS121在使用时，要在芯片10、11引脚之间接电容，根据输出脉宽的要求，定时电阻R可采用外接电阻或芯片内部的电阻。图6.3-8所示为74LS121的两种典型接法。
（a）（b）
图6.3-8 74LS121的两种典型接法
（a）采用外接电阻，上升沿触发（b）采用内部电阻，下降沿触发
6.3.4 单稳态触发器的应用
1．整形
把脉冲宽度不一致的波形变成脉冲宽度一致的波形，如图6.3-9所示。
图6.3-9 脉冲整形
2．定时（或延时）
由于单稳态触发器一经触发，电路进入暂稳态，暂稳态的时间由外接元件RC决定。调节RC可产生比触发脉冲宽度长得多的暂稳态维持时间。因此，单稳态触发器常用于定时或延时。图6.3-10所示为一实际的楼道灯延时开关电路。
电路组成及工作过程如下：电路由C1、R1、VD1~VD4、C2、C3和VD Z组成电容降压、桥式整流、电容滤波、稳压管稳压电路，以提供10V电源电压。由CD4011两个与非门G1、G2构成单稳态触发器，T1（9012）和光耦MOC3061组成对双向可控硅BTA12的控制电路。当S没被按下时，单稳态电路处于稳态，Q输出高电平，T1截止，BTA12不导通，
6.3 单稳态触发器279
灯不亮。当按一下开关S时，单稳态触发器进入暂稳态，Q输出低电平，T1导通，光耦1脚为高电平，BTA12导通，灯亮。单稳态的维持时间t W=0.7RC约为3分钟。
图6.3-10 楼道灯延时开关电路
6.4 多谐振荡器
多谐振荡器又称方波发生器。由于方波中除基波外还包含了许多高次谐波，因此，方波发生器又称为多谐振荡器。多谐振荡器不需要外加信号，只要一上电就会产生方波信号。
6.4.1 由CMOS非门构成的多谐振荡器
1．电路组成
CMOS非门组成的多谐振荡器如图6.4-1所示，它由两个CMOS非门和电阻、电容组成。由于CMOS非门的输入端加有二极管保护电路，如果将v I1直接加到G1的输入端上，输入保护二极管将对v I1进行限幅，会对振荡电路的工作产生很大影响，因此，在电路中加了一只去耦电阻R1。R1＞＞R，实际中取R1≈10R。
图6.4-1 由CMOS非门构成的多谐振荡器
2．工作原理分析
280 第6章脉冲波形的产生与整形
（1）设电路的初态为v O1≈V DD, v O2≈0V，这种状态不可能持久维持，因为v O1的高电平必然通过v O1→R→C→v O2路径向C充电，充电时的等效电路如图6.4-2（a）所示。充电使v I1不断上升，当v I1＞V DD/2时，G1输出低电平，G2输出高电平，即v O1≈0V，v O2≈V DD。由于电容C上的电压不能瞬时改变，所以，v O2的阶跃变化使v I2由V DD/2变为3V DD/2，如图6.4-3所示。
（a）（b）
图6.4-2 振荡电路充放电等效电路
（a）充电等效电路（b）放电等效电路
（2）v O1≈0V，v O2≈V DD这个状态也不能持久，因为v O2的高电平必然通过v O2→C →R→v O1使电容C放电，放电时的等效电路如图6.4-2（b）所示。放电使v I1逐步减少，当v I1＜V T时，G1输出高电平，即又回到v O1≈V DD，v O2≈0V的状态。由于电容C上的电压不能瞬时改变，所以，v I2的阶跃变化使由V DD/2变为- V DD/2，如图6.4-3所示。
（3）电容C周而复始地充放电使输出端源源不断地产生方波。多谐振荡器的工作波形如图6.4-3所示。
DD
图6.4-3多谐振荡器的工作波形
3．振荡周期T的计算
振荡周期由T1、T2两部分组成，参见图6.4-3标示。在计算振荡周期时，R ON(N)和R ON(P)可忽略不计。v I1充电波形的方程为：
6.4 多谐振荡器 281
τt
e
v v v t v ?+∞?+∞=)()0([)()(I1I1I11I
其中τ=RC ，v I1（0）= - V DD /2， v I1（∞）=V DD ，
()DD DD DD 11I 21231V e V V T v RC T =??=? RC .RC V V V RC T 113ln 2
123ln DD DD DD 1=?=?= （6.4-1） 同理可求得
T 2=RC ln3=1.1RC （6.4-2）
T= T 1 + T 2=2.2RC （6.4-3）
由于T 1= T 2 ，所以图6.4-1所示多谐振荡器输出信号为对称方波。
【例6.4-1】在红外遥控发射电路中，为了提高传输信号的抗干扰能力，需要将编码信号调制在较高频率的载波上发射。由CD4011（4二输入与非门CMOS 集成电路）构成的编码调制电路如图6.4-4所示。当v I 为高电平时，v O 输出一定频率的方波（载波），当v I 为低电平时，v O 输出低电平。试计算其载波的振荡频率。
（a ） （b ）
图6.4-4 由CMOS 与非门构成的调制电路
（a ）原理图 （b ）输入输出波形
解：当v I 为高电平时，图6.4-4（a ）所示电路就是等同于如图6.4-1所示的多谐振荡电路。根据公式（6.4-1），其振荡周期计算如下
T= T 1 + T 2=2.2RC=（2.2×12×103×1000×10-12）S=26.4ms
kHz 3842611≈==S
.T f μ 当v I 加一高低电平组成的数字编码信号时，v O 就可以得到载波频率38kHz 的编码调制波形，如图6.4-4（b ）所示。
6.4.2 CMOS 石英晶体振荡器
前述的多谐振荡器由于阻容元件及门电路阈值电压随外界条件（主要是温度）变化较
282 第6章 脉冲波形的产生与整形
大，其频率稳定度一般很难优于10-3。如要产生频率稳定的方波，就要采用由石英晶体组成的晶体振荡器。
石英晶体等效电路、符号和电抗频率特性如图6.4-5所示。从石英晶体的电抗频率特性可知，当外加电压的频率为f 0时，它的阻抗最小，等效品质因素Q 值也很高。只有频率为f 0的信号最容易通过，其他频率的信号均会被晶体所衰减。因此，石英晶体的选频特性非常好。石英晶体的谐振频率f 0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。
（a ） （b ） （c ）
图6.4-5 石英晶体谐振器
（a ）等效电路 （b ）电路符号 （c ）频率特性
由CMOS 反相器构成的石英晶体振荡器原理图如图6.4-6（a ）所示。
DD 2
1V
DD 2V
（a ） （b ）
图6.4-6 石英晶体振荡器
（a ）原理图 （b ）反相器静态工作点
CMOS 反相器和电阻R f 构成高增益放大器。其原理是，在反相器G 1的两端跨接了一个反馈电阻R f ，由于CMOS 门电路的输入电流几乎等于零，所以R f 上没有压降，静态时G 1必然工作在v I =v O 的状态，如图6.4-6（b ）所示的直线与电压传输特性的交点就是反相器的静态工作点，v I =v O =V T =V DD /2。由于CMOS 门极低的输入电流，所以R f 可以取得很大，一般为10M Ω~100M Ω。
v I 极微小的变化就会使v O 输出发生跳变，包含石英晶体的反馈网络将输出信号指定的一部分返回到输入端，使得由石英晶体设定的一个频率上再放大以维持振荡。图6.4-6（a ）
6.4 多谐振荡器283
中的可调电容C2还可对振荡器的频率进行微调。R1和C2的作用是为了有助于实现适当的衰减和相位，同时提供一个低通滤波器的作用，防止晶体高次谐波振荡。
CMOS晶体振荡器可以很容易达到10-6/℃（每摄氏度百万分之一）量级的稳定度。目前，大部分的单片机芯片内部含有与图6.4-6（a）类似的石英晶体振荡器。
石英晶体秒脉冲源由CD4060和晶体、电阻、电容网络构成，电路如图6.4-7所示。CD4060内部含有构成振荡器的门电路。通过外接元件构成了一个振荡频率为32.768kHz 的典型石英振荡器。该脉冲源的输出直接接到14级计数器，在输出端Q A可以得到0.5s脉冲（32768/214=2Hz）。这种电路常用于电子表、电子钟及其它定时设备。
图6.4-7 石英晶体秒脉冲源
6.5 555定时器及应用
集成555定时器是一种将模拟电路的功能与数字电路的功能巧妙地结合在同一硅片上的多用途集成电路，设计新颖，构思奇巧。自从美国Signetics 公司在1972年生产出第一片555定时器后，世界上主要的半导体公司相继生产了各自的555定时器产品，型号繁多。555定时器产品也分为双极型和CMOS型，双极型产品型号最后3位数码都是555，CMOS 产品型号最后4位数码都是7555。不管是双极型还是CMOS型，555定时器芯片的功能和引脚排列都完全相同。
6.5.1 CMOS集成定时器7555的电路结构和工作原理
1．7555定时器的电路结构
7555定时器的内部由分压器、电压比较器C1和C2、基本SR锁存器、放电三极管N1和缓冲器G组成。其内部电路结构和引脚排列如图6.5-1所示。每一部分的电路说明如下：
284 第6章 脉冲波形的产生与整形
）TR D
R
（a ） （b ）
图6.5-1 7555定时器内部结构图
（a ）内部结构图 （b ）引脚排列
（1）分压器由三个完全相同电阻R 组成的，最早出品的555集成电路采用3个误差极小的5 k Ω电阻，这也是555名称的由来。三个电阻产生两个分压值：V TH =2V DD /3，V TL = V DD /3，为C 1和C 2提供基准电压。为了实现附加的灵活性，用户可以通过第5管脚V CO 自行调整V TH 的值。无论V TH 的值为多少，总是有V TL =V TH /2。
（2）两个电压比较器C 1和C 2。比较器有两个输入，称正向电压输入和反相电压输入。当正向电压高于反相电压时，比较器输出高电平，否则，输出为低电平。
（2）基本SR 锁存器由两个或非门组成，D R 为外部复位端。其功能表如表6.5-1所示：
表6.5-1 基本RS 锁存器功能表
（4）放电管N 1为一漏极开路的NMOS 管，接在DISC 端的电容可以通过导通的N 1管放电，所以N 1管也称放电管。
（5）缓冲器G 由低阻的CMOS 反相器构成，用以提高定时器的负载能力并隔离负载对定时器的影响。
2．7555定时器的功能描述
当D R 为低电平时，基本SR 锁存器输出Q 为高电平，N 1管导通，v O 输出低电平，。
6.5 555定时器及应用 285 当D R 为高电平时，电路有4种工作状态：
（1）当v I1＜2V DD /3，v I1＜V DD /3时，比较器C 1输出低电平，R = 0，比较器C 2输出高电平，S =1。基本SR 锁存器置为1态， Q 输出低电平，N 1管截止，同时v O 输出高电平；
（2）当v I1＞2V DD /3，v I1＞V DD /3时，比较器C 1输出高电平，R =1，比较器C 2输出低电平，S =0。基本SR 锁存器置为0态， Q 输出高电平，N 1管导通，同时v O 输出低电平；
（3）当v I1＜2V DD /3，v I1＞V DD /3，比较器C 1输出低电平，R =0，比较器C 2输出低电平，S =0。基本SR 锁存器状态维持不变， N 1管和v O 输出保持原来状态不变；
（4）当v I1＞2V DD /3，v I1＜V DD /3时，比较器C 1输出高电平，R =1，比较器C 2输出高电平，S =1。基本SR 锁存器中两个或非门均输出低电平， Q 输出低电平，N 1管截止，同时v O 输出高电平。
根据以上分析，可得到555定时器的功能如表6.5-2所示。
表6.5-2 7555功能表
6.5.2 555定时器构成的施密特触发器
将555定时器的v I1和v I2输入端连在一起就构成如图6.5-2所示施密特触发器。
v I v O v 2V DD /3V DD /3v O 0
（a ） （b ）
图6.5-2 555定时器构成的施密特触发器
（a ）电路原理图 （b ）工作波形
自我检测题 1．集成单稳触发器，分为可重触发及不可重触发两类，其中可重触发指的是在 暂稳态期间，能够接收新的触发信号，重新开始暂稳态过程。 2．如图T6.2所示是用CMOS 或非门组成的单稳态触发器电路， v I 为输入触发脉冲。指出稳态时a 、b 、d 、 e 各点的电平高低；为加大输出脉冲宽度所采取的下列措施哪些是对的，哪些是错的。如果是对的，在（ ）内打√，如果是错的，在（ ）内打×。 （1）加大R d （ ）； （2）减小R （ ）； （3）加大C （ ）； （4）提高V DD （ ）； （5）增加输入触发脉冲的宽度（ ）。 v I v O V 图 P6.2 解：（1）×（2）×（3）√（4）×（5）× 3．四个电路输入v I 、输出v O 的波形如图T6.3所示，试写出分别实现下列功能的最简电路类型（不必画出电路）。 （a ）二进制计数器；（b ）施密特触发器； （c ）单稳态触发器；（d ）六进制计数器。 t t v I v t t （a ） v v （b ） t t v I v （c ）v I v （d ）
图 T6.3 4．单稳态触发器的主要用途是。 A ．整形、延时、鉴幅 B ．延时、定时、存储 C ．延时、定时、整形 D ．整形、鉴幅、定时 5．为了将正弦信号转换成与之频率相同的脉冲信号，可采用。 A ．多谐振荡器 B ．移位寄存器 C ．单稳态触发器 D ．施密特触发器 6．将三角波变换为矩形波，需选用。 A ．单稳态触发器 B ．施密特触发器 C ．多谐振荡器 D ．双稳态触发器 7．滞后性是的基本特性。 A ．多谐振荡器 B ．施密特触发器 C ．T 触发器 D ．单稳态触发器 8．自动产生矩形波脉冲信号为。 A ．施密特触发器 B ．单稳态触发器 C ．T 触发器 D ．多谐振荡器 9．由CMOS 门电路构成的单稳态电路的暂稳态时间t w 为 。 A . 0.7RC B . RC C . 1.1RC D . 2RC 10．已知某电路的输入输出波形如图T6.10所示，则该电路可能为。 A ．多谐振荡器 B ．双稳态触发器 C ．单稳态触发器 D ．施密特触发器 1 v I v o V DD R C G 1 G 2C d R d 图T6.10 11．由555定时器构成的单稳态触发器，其输出脉冲宽度取决于。 A ．电源电压 B ．触发信号幅度 C ．触发信号宽度 D ．外接R 、C 的数值 12．由555定时器构成的电路如图T6.12所示，该电路的名称是。 A ．单稳态触发器 B ．施密特触发器 C ．多谐振荡器D ．SR 触发器 R C v v O 图 T6.12 习题
第八章脉冲波形的产生与整形参考答案 一、填空题 1.由脉冲振荡器产生利用整形电路将已有的周期性变化信号变换成矩形脉 冲 2.脉冲宽度脉冲周期 3. a ，b 4. 滞回 1 5. 多谐振荡器单稳态触发器施密特触发器 6. 石英晶体暂稳态 7. 定时整形延时 8. 脉冲鉴幅器电平比较器 9.无稳态电路 10.开关器件，高、低电平，反馈网络，延迟环节，延时 11.稳态，稳态，暂稳态，暂稳态，稳态 二、选择题 1．C 2．B 3．C 4．B 5．D 6．B 7．B 8. A 9. B 10.C 三、判断题 1.对 2.对 3.错 4错 5.对 6. 对 7. 错 8. 错 9. 对 10.错 11.对 12.错 13.对 14.错 15.对 16.错 17.对
四、简答题 1. （10-4中）555定时器3个5 k Ω电阻的功能是什么？ 参考答案： 电阻分压器包括三个5k Ω电阻，对电源U DD 分压后，确定比较器（C 1、C 2）的参考电压分别为DD R132U U = ，DD R23 1U U =。（如果C-U 端外接控制电压U C ，则C R1U U =，C R221U U =）。 2.（10-4难） 由555定时器组成的施密特触发器具有回差特性，回差电压△U T 的大小对电路有何影响？ 参考答案： 回差电压越大，施密特触发器的抗干扰能力越强，但灵敏度越低。 3.（10-4难） 用555定时器组成的施密特触发器电路如图（a ）所示，若输入信号u I 如图(b)所示，请画出u O 的波形。 参考答案： U0的波形如图所 示
4.（10-4易）图示是555定时器组成的何种电路？ 参考答案：图示是由555定时器组成的单稳态触发器。 5.（10-3中）单稳态触发器的特点有哪些？ 参考答案： 1. 电路中有一个稳态，一个暂稳态。 2. 在外来触发信号作用下，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，由于电路中RC延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间取决于RC 电路的参数值。 6.（10-3中）施密特触发器具有什么特点？ 参考答案： 1. 施密特触发器属于电平触发，对于缓慢变化的信号仍然适用，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。 2. 输入信号增加和减少时，电路有不同的阈值电压。 7.（10-4难）看图回答问题：图示是占空比可调的方波发生器，试简单说明起工作过程。 参考答案： 接通电源后，电容C被充电，v C上升，当v C上升到大于2/3V CC时，触发器被复位，放电管T 导通，此时v0为低电平，电容C通过R2和T放电，使v C下降。当v C下降到小于1/3V CC时，触发器被置位，v0翻转为高电平。电容器C放电结束, 当C放电结束时，T截止，V CC将通过R1、R2向电容器C充电，v C由1/3V CC上升到2/3V CC，当v C上升到2/3V CC时，触发器又被复位
脉冲波形的产生与变换 脉冲信号是数字电路中最常用的工作信号。脉冲信号的获得经常采用两种方法：一是利用振荡电路直接产生所需的矩形脉冲。这一类电路称为多谐振荡电路或多谐振荡器；二是利用整形电路,将已有的脉冲信号变换为所需要的矩形脉冲。这一类电路包括单稳态触发器和施密特触发器。这些脉冲单元电路可以由集成逻辑门构成,也可以用集成定时器构成。下面先来介绍由集成门构成的脉冲信号产生和整形电路。 9.1 多谐振荡器 自激多谐振荡器是在接通电源以后,不需外加输入信号,就能自动地产生矩形脉冲波。由于矩形波中除基波外,还含有丰富的高次谐波,所以习惯上又把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。多谐振荡器通常由门电路和基本的RC电路组成。多谐振荡器一旦振荡起来后,电路没有稳态,只有两个暂稳态,它们在作交替变化,输出矩形波脉冲信号,因此它又被称作无稳态电路。 9.1.1门电路组成的多谐振荡器 多谐振荡器常由TTL门电路和CMOS门电路组成。由于TTL门电路的速度比CMOS门电路的速度快, 故TTL门电路适用于构成频率较高的多谐振荡器,而CMOS门电路适用于构成频率较低的多谐振荡器。 (1)由TTL门电路组成的多谐振荡器 由TTL门电路组成的多谐振荡器有两种形式：一是由奇数个非门组成的简单环形多谐振荡器；二是由非门和RC延迟电路组成的改进环形多谐振荡器。 ①简单环形多谐振荡器
(a) (b) 图9－1 由非门构成的简单环形多谐振荡器把奇数个非门首尾相接成环状,就组成了简单环形多谐振荡器。图9－1（ａ）为由三个非门构成的多谐振荡器。若uo的某个随机状态为高电平,经过三级倒相后,uo跳转为低电平,考虑到传输门电路的平均延迟时间tpd,uo输出信号的周期为6tpd。图9－1（ｂ）为各点波形图。 简单环形多谐振荡器的振荡周期取决于tpd,此值较小且不可调,所以,产生的脉冲信号频率较高且无法控制,因而没有实用价值。改进方法是通过附加一个RC延迟电路,不仅可以降低振荡频率,并能通过参数 R、C控制振荡频率。 ② RC环形多谐振荡器 如图9－2所示,RC环形多谐振荡器由3个非门（G1、G2、G3）、两个电阻（R、RS）和一个电容C组成。电阻RS是非门G3的限流保护电阻,一般为100Ω左右；R、C为定时器件,R 的值要小于非门的关门电阻,一般在700Ω以下,否则,电路无常工作。此时,由于RC的值较大,从u2到u4的传输时间大大增加, 基本上由RC的参数决定,门延迟时间tpd可以忽略不计。 图9－2 RC环形多谐振荡器 ａ.工作原理 设电源刚接通时,电路输出端uo为高电平,由于此时电容器C尚未充电,其两端电压为零,则u2、u4为低电平。电路处于第1暂稳态。随着u3高电平通过电阻R对电容C充电,u4电
脉冲波形的产生和整形 【本章主要内容】本章主要介绍矩形脉冲波形的产生和整形电路。在脉冲整形电路中，介绍两类最常用两类整形电路─施密特触发器和单稳态触发器；在脉冲振荡电路中，介绍多谐振荡电路。上述电路可以采用门电路构成，也可以采用555集成定时器构成。重点讨论555集成定时器的工作原理及其应用。 【本章学时分配】本章共分2讲，每讲2学时。 第二十八讲用门电路组成的脉冲波形产生与整形电路 一、主要内容 1、基础知识 脉冲在数字电路中应用极为普遍，它的获取和分析是数字电路的一个组成部分。 1）矩形脉冲的获取方法 a.利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲； b.通过各种整形电路把已有的周性变化波形变换为符合要求的矩形脉冲。 2）矩形脉冲的主要参数 为了定量描述矩形脉冲的特性，通常为了定量描述矩形脉冲的特性，通常给出P308图9.1中所标注的几个主要参数。这些参数是： 脉冲周期T—周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔。有时也使用频率f=1/T表示单位时间内脉冲重复的次数。 脉冲幅度V m—脉冲电压的最大变化幅度。 脉冲宽度t w—从脉冲前沿到达0.5V m起，到脉冲后沿到达0.5V m为止的一段时间。 上升时间t r——脉冲上升沿从0.1V m升到0.9V m所需要的时间。 t f——脉冲下降沿从0.9V m下降到0.1V m所需要的时间。 下降时间 t w／T。 占空比q——脉冲宽度与脉冲周期的比值，亦即q＝ 2、用门电路组成的施密特触发器 1）施密特触发器的工作特点 a.输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。电路有不同的阈值电压，即具有滞后的电压传输特性。 b.在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。 利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。 2）滞后的电压传输特性 滞后的电压传输特性，即输入电压上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入电压的下降过程中对应的输入转换电平不同（阈值电平不同），这是施密特触发器固有的特性。 上升时的阈值电压V T+称为正向阈值电压，下降时的阈值电压V T—称为负向阈值电压，它 们之间的差值称为回差电压△V T。 3）用门电路组成的施密特触发器的工作原理 将两级反相器串接起来，同时通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端，就构成了P309图9.2（a）所示的施密特触发器电路。 a.分析v I从0逐渐升高并达到v’I=V T+引发的正反馈过程；
第6章脉冲波形的产生与整形 教学目标 ●理解脉冲波形的产生与整形的原理 ●理解555定时器的结构框图和工作原理 ●掌握555定时器的应用电路及其工作原理 ●熟悉单稳态、多谐振荡器以及施密特电路，并能掌握其应用 本章节是以555设计制作振荡电路为项目，通过对555理论知识的简介，从实际使用目标出发，最终设计并制作出振荡电路。并在设计制作振荡电路的过程中能够正确使用万用表、示波器等仪表仪器。 6.1 555定时器 555定时器又称时基电路，是一种将模拟功能和数字功能巧妙结合在一起的中规模集成电路。因其电路功能灵活，只要外接少许的阻容元件局就可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等电路。故在信号的产生于整形、自动检测及控制、报警电路、家用电器等方面都有广泛的应用。 6.1.1 电路组成 图555定时器按照内部元件为双极型（又称TTL型）和单极型两种。双极型内部采用的是TTL晶体管；单极型内部采用的则是CMOS场效应管。功能完全一样，区别是TTL定时器驱动能力大于CMOS定时器。下面，以TLL集成定时器NE555为例进行介绍。 NE555集成定时器内部电路如图6.1所示，主要由3个电阻R组成的分压器、2个高精度电压比较器C1和C2、1个基本RS触发器、1个作为放电的三极管V及输出驱动G3组成。
数字电子技术基础 2 图6.1 NE555集成定时器内部电路 图6.2所示为555定时器的逻辑符号和管脚图。 图6.2 555逻辑符号和管脚 1.分压器 分压器由3个阻值相等的电阻串联而成，将电源电压DD V 分为三等份，其作是为比较器C 1和C 2提供2个参考电压V +1（比较器C1同相输入端，管脚5）、V -2（比较器C 2反相输入端），若控制电压端C O 悬空或通过电容接地，则有： DD V V 3 12 =- 如果在TH 端外接电压可改变比较器C 1和C2的参考电压。
第10章脉冲波形的产生与变换 教学重点 1. 了解脉冲波形的主要参数及常见脉冲波形。 2. 了解非门组成的多谐振荡器的电路形式和工作原理。 3. 了解石英晶体多谐振荡器电路的构成。 4. 掌握单稳态触发器的工作特点。 5. 掌握施密特触发器的工作特点。 6. 会测试集成施密特触发器的主要参数。 7. 了解555时基电路的电路框图和引脚功能，掌握555时基电路的逻辑功能。 8. 掌握555时基电路构成的多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器的电路构成，理解其工作原理。教学难点 1. 用集成门电路搭接多谐振荡器。 2. 集成单稳态触发器的功能及其应用。 3. 集成施密特触发器的功能及其应用。 4. 555时基电路的典型应用；学时分配 10.1 常见的脉冲产生电路 10.1.1 脉冲的基本概念 1．脉冲的概念
脉冲是指一种瞬间突变、持续时间极短的电压或电流信号。它可以是周期性变化的，也可以是非周期性的或单次变化的。常见的几种脉冲波形，如图所示。 2. 矩形脉冲波的参数（1）理想矩形波 脉冲幅值V m 、脉冲重复周期T 和脉冲宽度t w （2）实际的矩形波 脉冲幅值V m ；脉冲上升时间t r ； 脉冲下降时间t f ；脉冲宽度t w ；脉冲周期T ；其倒数为脉冲的频率f ，f =占空比D ， D = t w T 1T 。 ，占空比为50%的矩形波即为方波。 10.1.2 多谐振荡器 不需要外加触发信号，便能产生一定频率和一定宽度的矩形波脉冲。
1．集成门电路组成的多谐振荡器 两个非门接成RC 耦合正反馈电路，使之产生振荡。R C 的另一个重要作用是组成定时电路，决定多谐振荡器的振荡频率和脉冲宽度。 振荡周期的估算：T ≈1.4RC 在实际应用中，常通过调换电容C 的容量来粗调振荡周期，通过改变电阻R 的值来细调振荡周期，使电路的振荡频率达到要求。
第八章脉冲波形的产生和变换 一、填空题 1.(10-1中)矩形脉冲的获取方法通常有两种：一种是________________；另一种是________________________。 2.（10-1易）占空比是_________与_______的比值。 3．（10-4中）555定时器的最后数码为555的是（a.T T L,b.C M O S）产品，为7555的是（a.T T L, b.C M O S）产品。 4．（10-3中）施密特触发器具有现象；单稳触发器只有个稳定状态。 5．（易，中）常见的脉冲产生电路有，常见的脉冲整形电路有、。 6．（中）为了实现高的频率稳定度，常采用振荡器；单稳态触发器受到外触发时进入。 7.（10-3易）在数字系统中，单稳态触发器一般用于______、 ______、______等。 8.（10-3中）施密特触发器除了可作矩形脉冲整形电路外，还可以作 为________、_________。 9.（10-2易）多谐振荡器在工作过程中不存在稳定状态，故又称为________。 10.（10-2中）由门电路组成的多谐振荡器有多种电路形式，但它们均具有如下共同特点: 首先，电路中含有________，如门电路、电压比较器、BJT 等。这些器件主要用来产生________；其次，具有________, 将输出电压器恰当的反馈给开关器件使之改变输出状态；另外，还有，利用RC电路的充、放电特性可实现_______，以获得所需要的振荡频率。在许多实用电路中，反馈网络兼有_____作用。 11.（10-3易）单稳态触发器的工作原理是：没有触发信号时，电路处于一种_______。外加触发信号，电路由_____翻转到_____。电容充电时，电路由______自动返回至______。 二、选择题 1．（10-2中）下面是脉冲整形电路的是（）。 A.多谐振荡器 B.J K触发器 C.施密特触发器 D.D触发器 2．（10-2中）多谐振荡器可产生（）。
第10章 脉冲波形的产生与整形电路内容提要： 本章主要介绍多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器的电路结构、工作原理及其应用。它们的电路结构形式主要有三种：门电路外接RC电路、集成电路外接RC电路和555定时器外接RC电路。 10.1概述 导读: 在这一节中，你将学习： ?多谐振荡器的概念 ?单稳态触发器的概念 ?施密特触发器的概念 在数字系统中，经常需要各种宽度和幅值的矩形脉冲。如时钟脉冲、各种时序逻辑电路的输入或控制信号等。有些脉冲信号在传送过程中会受到干扰而使波形变坏，因此还需要整形。 获得矩形脉冲的方法通常有两种：一种是用脉冲产生电路直接产生，产生脉冲信号的电路称为振荡器；另一种是对已有的信号进行整形，然后将它变换成所需要的脉冲信号。 典型的矩形脉冲产生电路有双稳态触发电路、单稳态触发电路和多谐振荡电路三种类型。 （1）双稳态触发电路又称为触发器，它具有两个稳定状态，两个稳定状态之间的转换都需要在外加触发脉冲的作用下才能完成。 （2）单稳态触发电路又称为单稳态触发器。它只有一个稳定状态，另一个是暂时稳定状态（简称“暂稳态”），在外加触发信号作用下，可从稳定状态转换到暂稳态，暂稳态维持一段时间后，电路自动返回到稳态，暂稳态的持续时间取决于电路的参数。 （3）多谐振荡器能够自激产生连续矩形脉冲，它没有稳定状态，只有两个暂稳态。其状态转换不需要外加触发信号触发，而完全由电路自身完成。若对该输出波形进行数学分析，可得到许多各种不同频率的谐波，故称“多谐”。 脉冲整形电路能够将其它形状的信号，如正弦波、三角波和一些不规则的波形变换成矩形脉冲。施密特触发器就是常用的整形电路，它利用其著名的回差电压特性来实现。 自测练习 1．获得矩形脉冲的方法通常有两种：一种是（）；另一种是（）。 2．触发器有（）个稳定状态，分别是（）和（）。 3．单稳态触发器有（）个稳定状态。 4．多谐振荡器有（）个稳定状态。
上次课内容及要求： 1、反馈置数法及应用。（熟悉） 2、时序逻辑电路的应用举例。（了解） 3、时序逻辑电路一章小结。 本次上课内容（2学时） 第六章 脉冲信号的产生与整形 两种方法：利用脉冲振荡器直接产生脉冲；对已有的波形进行整形变换。 能实现该功能的电路有：单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器及定时器。 §6-1 单稳态触发器 单稳态触发器有3个特点：①电路有一个稳态,一个暂稳态；②在外来触发信号的作用下，电路可由稳态翻转到暂稳态；③暂稳态不是一个能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。 单稳态触发器的结构类型：与非门构成；微分型、积分型；TTL 、CMOS ：单片集成。 6-1-1 微分型CMOS 单稳态触发器 一、电路组成及工作原理 如图1：、为CMOS 或非门，通过RC 微分电路耦合。设1G 2G T OFF ON V V V ==，V 称为门坎电平。 T 1、稳态 无触发信号，即0=i V 时，CMOS 门的输入端不 取电流，电容C 在稳定状态又相当于开路，则为低电平，为高电平，使电容两端的电压接近为0，这是电路的稳态。 02V 01 V 图1 微分型单稳态触发器 2、外加触发信号，电路由稳态转入暂态。 当正跳上升到时，的输出变为低电平，经电容C 耦合，使为低电平，则门的输出为高电平。但电路的这种状态是不能长久保持的，故称之为暂态。 i V T V 1G R V 2G 02V 3、由暂稳态自动返回稳态 电路进入暂稳态后，经电阻R 及门的输出电阻对电容C 充电，不断上升， DD V 1G R V
当上升到时，产生如下的正反馈过程（假定这时触发信号已消失） ： R V T V ↑↓→↑→→0102V V V C R 充电 电路迅速退出暂态。 暂稳态结束，电容C 通过电阻R 放电，使C 上的电压恢复到触发前的初始值，即为电路的恢复过程。电路各点的工作波形如图2所示。图中，由于CMOS 门的输入端有保护二极管存在，所以，V 波形的最大值为V R D DD V +，而不是V 。 T DD V +二、电路主要参数 1、输出脉冲宽度 po t 图2 电路各点波形 输出脉冲宽度t （暂态的维持时间）可根据V 的波形计算得 R po ) ()() 0()(ln 2t V V V V t R R R R po ?∞+?∞=τ 由于V =0，)0(+R DD R V V =∞)(，RC =τ，V T R V t =)(2，得 T DD DD po V V V RC t ?=ln 如果DD T V V ，则 2 1= RC t po 7.0≈ 2、最高工作频率 max f 设触发信号V 的时间间隔为T ，则应满足。为恢复时间，即为暂稳态结束后电容C 放电到0V 所需时间，一般约为i re po t t T +>re t re t d τ3，d τ为放电时间常数。这样，最小时间间隔re po t t T +=min 。因此，单稳态触发器的最高工作频率为： re po t t T f += = 1 1min max 常用的集成单稳态触发器属TTL 型的有74LS121、74LS123等，属CMOS 型的有
第八章 脉冲波形的变换与产生 555定时器及其应用 1.电路结构及工作原理 555定时器内部由分压器、 电压比较器、RS 锁存器（触发器）和 集电极开路的三极管T 等三部分组成， 其内部结构及示意图如图22a)、22b) 所示。 在图22b ）中，555定时器是 8引脚芯卡，放电三极管为外接电 路提供放电通路，在使用定时 器时，该三极管集电极 （第7脚）一般要接上拉电阻， 1C 为反相比较器，2C 为同相 比较器，比较器的基准电压由 电源电压CC V 及内部电阻分压 比决定，在控制CO V （第5脚） 3 V cc 触发输入VI2 阀值输入VI1 控制电压VCO 12345 6 7 8 GND 触发 输出 复位 控制电压 阀值放电V cc 555 图22b) 引脚图
悬空时，CC R V V 321=、CC R V V 31 2=; 如果第5脚外接控制电压， 则=1R V CO V 、2 1 2= R V CO V ，d R 端（第4脚）是复位端，只要d R 端加上低电平，输出端（第3脚）立即被置成低电平，不受其它输入状态的影响，因此正常工作时必须使d R 端接高电平。 由图22a)，1G 和2G 组成的RS 触发器具有复位控制功能，可控制三极管T 的导通和截止。 由图22a)可知， 当1i V >1R V （即1i V >CC V 32 ）时，比较器1C 输出0=R V 当2i V >2R V （即>2i V CC V 31 ）时，比较器2C 输出1=S V RS 触发器Q ＝0 3G 输出为高电平，三极管T 导通，输出为低电平（0=o V ） 当1i V <1R V （即1i V