第六章 脉冲产生与波形转换
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VI VT+ V1TV2TO V1O t
t O V2O t O
脉冲整形
第三节.单稳态触发器
单稳态触发器是数字系统中又一种常用的脉冲整形电路。它的特点是： 只有一个稳态，另外还有一个暂稳态。
在单稳态触发器中，在没有外加触发信号作用时，电路始终处于稳态； 只有在外加触发信号的作用下，电路能从稳态转换到暂稳态，经过一段 时间后，又能自动回到稳态。电路处于暂稳态的时间长短通常取决于电 路中电容的充电和放电时间，这个时间是单稳态触发器的输出脉冲宽度 tPO。
三极管为外电路提供放电的通路；当
通路被截断。
三、 555定时器的功能
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 RU 0 1 UTH × > 2U DD
3 2 U DD 3 2 U DD 3
U TR
× >1 U DD
3
3
OUT 0 0
放电路D 与地导通 与地导通
各点的波形如图
VO1 C VO1 VO2
VI1
G1
&
1 G2 VI2 R
VI2
VTH VOH-VOL
VI1
VO2
tPO
3．主要参数计算
（1）输出脉冲宽度tPO 输出脉冲宽度tPO是指输出VO脉冲上升沿0.5Vm处至下降沿 0.5Vm处之间的时间间隔 （2）恢复时间tre 暂稳态结束后，需要一段恢复时间，以便电容C在暂稳态期 间所充的电荷放完，使电路恢复到初始状态。 V
2 U DD 3
TTL型 5G555 4.5~16 10 1
2 U DD 3
高电平触发断电压UTH
高电平触发端电流IU TH 低电平触发端电压
TR
V
uA V
0· 000 05
1 U DD 3
0· 1
1 U DD 3
续表（2）
参数 复位端复位电压 单位 V CMOS型 CC7555 1 TTL型 5G555 1
当VI继续下降达到VI'≤VT时，门G1截止 ，门G2导通，输出VO=0，电路 又一次翻转。此时，VI' 称为施密特触发器的下限转换电平VT-，也称为 负向阈值电压。 R1 (V DD v I ) v I ≤VT R1 R2 可求得 R R R R VT- = 1 2 VT 1 VDD (1 1 )VTH
因而加快了电路进入暂稳态的过程
在暂稳态期间，即使输入端的VI负脉冲消失门G1输出VO1也可维持在 高电平。暂稳态是一个不能长期保持的状态。随着C的充电VI2的电位 会逐渐下降，暂稳态期间的充电回路是经电容C、电阻R到地，充电时 间常数τ1 = RC（忽略与非门输出电阻）按指数曲线下降，当VI2下降到 门坎电平VT=1.4V时，产生正反馈过程（注意：此时VI输入端的负脉冲 必须消失）： VI2↓→VO2↑→VO1↓
VO2
微分单稳态触发器
2．工作原理 设与非门的电压传输特性很好，TTL与非门的门坎电平VT =1.4V。
VI高电平时，电路和处于稳态：VO1=0，VO2=1（因为R<ROFF，在稳定 状态下，门G2处于截止状态，输出VO2为高电平，此时门G1输入全为高， 因此处于饱和导通状态，输出VO1为低电平。 当输入端VI有负的触发脉冲时，门G1由饱和导通状态转为截止状态， VO1由低变高。由于电容C两端电压不能突变，因此，VI2的正跳变的幅 度几乎与VO1正跳变的幅度相等，这样门G2由截止状态转向饱和导通状 态，VO2由高电平变为低电平，即VO1=１， VO2=０。同时，由于VO2的 低电平接回到G1的输入端，从而导致下面的正反馈过程 VI↓→VO1↑→VI2↑→VO2↓
1
1
<
<
> 1 U DD 保持原状态不变 保持原状态不变
< 1 U DD
3
1
与地断开
四、 555定时器的主要参数
5G555(单时基双极型定时器）和CC7555（单时基CMOS型定
时器）的主要参数对比如表所示。 5G555和CC7555的主要参数 参数 电源电压UDD 静态电源电流IDD 定时精度 单位 V mA % CMOS型 CC7555 3~18 0· 12 2
所以
R1 + R 2 VTH+VD VT+= R2
当输入VI由高电平逐渐下降时，只要降至VI ≤ VTH，门G1由导通转 为截止；门G2由截止转为导通。同时，由于有正反馈的作用，电路迅速 返回VO=VOL的状态。因此，触发器再次发生翻转，VI下降时的转换电平 为VT- =VTH。由此可求出电路的回差电压为： ΔVT= VT+ - VT-=
R2 R2 R2
可知：
R VT VT (1 1 )VTH (1 R2
R1 R )VTH 2 1 VTH R2 R2
我们将VT+与VT- 之差定义为回差电压Δ VT，即： Δ VT= VT+ - VT-
VO
VOH
(2R1/R2)VTH
VO
(2R2/R1)VTH
O
VTH
当正反馈过程结束时，电路的输出也自动返回初始状态，VO1 = 0， VO2 =1即稳态。自动返回后，输出虽回到了稳态，但由于在正反馈过程 中，电容C两端电压 VC 不会发生突变，因此，VO1 负跳后，VI2 也产生 负跳变 ，其结果使 VI2 比稳态值要低得多 ，所以需要通过 RC的充放电 回路，使 VI2 经过时间常数τ2=(R1∥R)C，恢复到稳态时的初值，通常将 这个阶段称为恢复阶段。
：当
U TR＞UR2，集成运放A2输出Uo2=1；当 U TR＜UR2， 集成运放A2输出
3. 基本RS触发器
当RS=01时，Q=0， Q =1;当RS=10时，Q=1， Q =0。
4. 开关及输出
放电开关由一个晶体三极管组成，其基极受基本RS触发器输 出端
Q 控制。当 Q =1时，三极管导通，放电端D通过导通的 Q =0， 三极管截止，放电
R1 R2
VTH + VD
3.施密特触发器的应用
(1)波形变换。将任何符合特定条件的输入信号 变为对应的矩形波输出信号。 (2)幅度鉴别。 (3)脉冲整形。
VT+ VT+ O
t
VO
O
波形变换
t
ui UT H UT R o uo
干扰
ui UT H
t
o uo t
o
t
o
t
脉冲整形
幅度鉴别
有些测量装置输出信号经放大后，可能是不规则的波形，如图所示，将它 接在施密特电路的输入端，如果电路的回差较小，为如图中V10所示电路的 回差为ΔV= VT+ - V1T-时，输出波形如图所示。若输入波形顶部的脉动是由 干扰造成的，则会产生不良的后果，输出信号就变成了三个脉冲。若适当的 增加电路的回差，即ΔV= VT+ - V2T-，输出波形为图V20所示，实现了整形 作用，因此在这种情况下，适当的增加回差，可以提高电路的抗干扰能力。
(低电平触发端) TR
②
1. 分压器
分压器由三个等值的电阻串联而成，将电源电压UDD分为三等份， 作用是为比较器提供两个参考电压UR1、UR2，若控制端S悬空或通过 电容接地，则:
2 U R1 U DD 3 1 U R 2 U DD 3
UR1=US
若控制端S外加控制电压US则:
U R2
第二节.施密特触发器
施密特触发器是一种脉冲波形变换电路，在性能上有两个特点：
1．特触发器属于电平触发，缓慢变化的信号也可作触发输入信号，当 输入信号达到某一特定的阈值，输出电平会发生突变，即施密特触发器 会从一个稳态转换到另一个稳态。 2．对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平VT+和 VT-，也就是引起输出电平突变的输入电平不同 ，即滞后电压传输特性，
5G556和单极型定时器CC7556。
二、555定时器的电路组成
5G555定时器内部电路如图所示, 一般由分压器、比较器、触 发器和开关及输出等四部分组成。
＋UD OD O ⑧ (高电平触发端) TH (控制端) S 5 k ⑥ ⑤ 5 k UR 2 5 k (放电端) D ⑦ 1 00 ① － ∞ U o2 A2 ＋ （S ） ＋ & G2 Q ③ OUT UR 1 － ∞ （R） A1 ＋ Uo 1 ＋ & G1 Q ④ R（外部复位端）
此特性又称回差特性。
VO VOH
VOL O
定性符号
VTVT+ VI
滞后电压传输特性
1．用CMOS门电路组成的施密特触发器 R2 VI R1 VI ' 1 G1 VO1 VO G2 V'O
VI VI
VO
V'O
1
G1G2为CMOS门，输出VOH=VDD。VTH=1/2VDD R2 R1 VI=0 1 VO1 VO=VOL V'O VI'↑→VO1↓→VO↑
复位端复位电流 放电端放电电流
输出端驱动电流 最高工作频率
uA mA
mA kHz
0· 1 10~50
1~20 500
400 200
200 500
从上表可见： (1) 二者的工作电源电压范围不同。 (2) 双极型定时器输入输出电流较大Hale Waihona Puke Baidu驱动能力强， 可直 接驱动负载，适宜于有稳定电源的场合使用。 (3) 单极型定时器输入阻抗高，工作电流小，功耗低且精 度高，多用于需要节省功耗的领域。
US 2
2. 比较器
比较器是由两个结构相同的集成运放A1、A2构成。A1用来比较参 考电压UR1和高电平触发端电压UTH: 当UTH> UR1，集成运放A1输出 Uo1=0; 当UTH<UR1，集成运放A1输出Uo1=1。 A2用来比较参考电压UR2和低电平触发端电压 U Uo2=0。
TR
一、555定时器分类
555定时器又称时基电路。 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为单时基定时器和
双时基定时器。
常用的单时基定时器有双极型定时器5G555(其管脚排列如图 7.2所示)和单极型定时器CC7555。双时基定时器有双极型定时器
1. 由门电路构成的单稳态触发器 单稳态触发器的暂态通常是由RC电路的充放电过程 来决定的。根据RC电路的不同接法（即接成微分电路形 式或积分电路形式），把单稳态触发器又分为微分型电路 和积分型电路两种。
1．电路组成 VO1 C VO1 G1 & & G2 VI2 R VI1 R G2 C VI2 VT1 VO2 VCC R1 VT2 VT4 VD VT3
1
Vi
'
R2 (VI VOL ) VOL R R1 2
当Vi上升到使Vi’=VTH时，电路输出迅速的VO=VOH≈ VDD，此时Vi 就是VT+则可以求出Vi为： 由
i' VTH
R1 VT R1 R2
R1 V ( 1 )VTH 得： T R2
VT+ 称为正向阈值电压 反过来，若Vi从高电平缓慢下降，同样存在一个正反馈过程
同相输出
VDD
VI
O
VTH
反相输出
VDD
VI
2．用TTL门电路组成的施密特触发器
R2 VI R1 VI '
&
G1
VO1
1 G2
VO V'O
假定门电路的阈值电压为VTH，输出的低电平VOL=０，当VI从０逐步 上升至VTH时，由于门G1的另一个输入端的电平VI'仍低于VTH，因此电路 状态并不改变。当VI继续升高，并使VI'＝VTH时，门G1由截止转为导通， 而且由于G1、G2间存在着正反馈，所以电路迅速转换为G1导通，G2截 止的状态，使VO=VOH。触发器发生一次翻转，此时对应的输入电平就 是VT+。如果忽略VI'＝VTH时，门G1的输入电流，则可得到 VI'=VTH=（VT+ - VT-）
I
（3）最高工作频率 f m ax < 设触发信号VI的时间间隔为T，为了使单稳态触发器能正常地 工作，通常应满足：t>tPO+ tre 即最小时间间隔Tmin= tPO+tre ，因此单稳态触发器的最高工作频率为
1 t po + t re
1 fmax Tmin t po tre
1
第四节. 555定时器
第五节. 555定时器的基本应用电路
1. 施密特触发器
施密特触发器是一种脉冲号变换电路，用来实现整形和鉴波。 它可以将符合特定条件的输入信号变为对应的矩形波，这个特定
条件是：输入信号的最大幅度Umax要大于施密特触发器中555定
时器的参考电压UR1。当定时器控制端S悬空或通过电容接地时， UR1=2/3VDD ；当定时器控制端S外接控制电压US时，则UR1=US。
一. 电路结构
由555定时器构成的施密特触发器如图所示, VI由低逐渐升高
t O V2O t O
脉冲整形
第三节.单稳态触发器
单稳态触发器是数字系统中又一种常用的脉冲整形电路。它的特点是： 只有一个稳态，另外还有一个暂稳态。
在单稳态触发器中，在没有外加触发信号作用时，电路始终处于稳态； 只有在外加触发信号的作用下，电路能从稳态转换到暂稳态，经过一段 时间后，又能自动回到稳态。电路处于暂稳态的时间长短通常取决于电 路中电容的充电和放电时间，这个时间是单稳态触发器的输出脉冲宽度 tPO。
三极管为外电路提供放电的通路；当
通路被截断。
三、 555定时器的功能
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 RU 0 1 UTH × > 2U DD
3 2 U DD 3 2 U DD 3
U TR
× >1 U DD
3
3
OUT 0 0
放电路D 与地导通 与地导通
各点的波形如图
VO1 C VO1 VO2
VI1
G1
&
1 G2 VI2 R
VI2
VTH VOH-VOL
VI1
VO2
tPO
3．主要参数计算
（1）输出脉冲宽度tPO 输出脉冲宽度tPO是指输出VO脉冲上升沿0.5Vm处至下降沿 0.5Vm处之间的时间间隔 （2）恢复时间tre 暂稳态结束后，需要一段恢复时间，以便电容C在暂稳态期 间所充的电荷放完，使电路恢复到初始状态。 V
2 U DD 3
TTL型 5G555 4.5~16 10 1
2 U DD 3
高电平触发断电压UTH
高电平触发端电流IU TH 低电平触发端电压
TR
V
uA V
0· 000 05
1 U DD 3
0· 1
1 U DD 3
续表（2）
参数 复位端复位电压 单位 V CMOS型 CC7555 1 TTL型 5G555 1
当VI继续下降达到VI'≤VT时，门G1截止 ，门G2导通，输出VO=0，电路 又一次翻转。此时，VI' 称为施密特触发器的下限转换电平VT-，也称为 负向阈值电压。 R1 (V DD v I ) v I ≤VT R1 R2 可求得 R R R R VT- = 1 2 VT 1 VDD (1 1 )VTH
因而加快了电路进入暂稳态的过程
在暂稳态期间，即使输入端的VI负脉冲消失门G1输出VO1也可维持在 高电平。暂稳态是一个不能长期保持的状态。随着C的充电VI2的电位 会逐渐下降，暂稳态期间的充电回路是经电容C、电阻R到地，充电时 间常数τ1 = RC（忽略与非门输出电阻）按指数曲线下降，当VI2下降到 门坎电平VT=1.4V时，产生正反馈过程（注意：此时VI输入端的负脉冲 必须消失）： VI2↓→VO2↑→VO1↓
VO2
微分单稳态触发器
2．工作原理 设与非门的电压传输特性很好，TTL与非门的门坎电平VT =1.4V。
VI高电平时，电路和处于稳态：VO1=0，VO2=1（因为R<ROFF，在稳定 状态下，门G2处于截止状态，输出VO2为高电平，此时门G1输入全为高， 因此处于饱和导通状态，输出VO1为低电平。 当输入端VI有负的触发脉冲时，门G1由饱和导通状态转为截止状态， VO1由低变高。由于电容C两端电压不能突变，因此，VI2的正跳变的幅 度几乎与VO1正跳变的幅度相等，这样门G2由截止状态转向饱和导通状 态，VO2由高电平变为低电平，即VO1=１， VO2=０。同时，由于VO2的 低电平接回到G1的输入端，从而导致下面的正反馈过程 VI↓→VO1↑→VI2↑→VO2↓
1
1
<
<
> 1 U DD 保持原状态不变 保持原状态不变
< 1 U DD
3
1
与地断开
四、 555定时器的主要参数
5G555(单时基双极型定时器）和CC7555（单时基CMOS型定
时器）的主要参数对比如表所示。 5G555和CC7555的主要参数 参数 电源电压UDD 静态电源电流IDD 定时精度 单位 V mA % CMOS型 CC7555 3~18 0· 12 2
所以
R1 + R 2 VTH+VD VT+= R2
当输入VI由高电平逐渐下降时，只要降至VI ≤ VTH，门G1由导通转 为截止；门G2由截止转为导通。同时，由于有正反馈的作用，电路迅速 返回VO=VOL的状态。因此，触发器再次发生翻转，VI下降时的转换电平 为VT- =VTH。由此可求出电路的回差电压为： ΔVT= VT+ - VT-=
R2 R2 R2
可知：
R VT VT (1 1 )VTH (1 R2
R1 R )VTH 2 1 VTH R2 R2
我们将VT+与VT- 之差定义为回差电压Δ VT，即： Δ VT= VT+ - VT-
VO
VOH
(2R1/R2)VTH
VO
(2R2/R1)VTH
O
VTH
当正反馈过程结束时，电路的输出也自动返回初始状态，VO1 = 0， VO2 =1即稳态。自动返回后，输出虽回到了稳态，但由于在正反馈过程 中，电容C两端电压 VC 不会发生突变，因此，VO1 负跳后，VI2 也产生 负跳变 ，其结果使 VI2 比稳态值要低得多 ，所以需要通过 RC的充放电 回路，使 VI2 经过时间常数τ2=(R1∥R)C，恢复到稳态时的初值，通常将 这个阶段称为恢复阶段。
：当
U TR＞UR2，集成运放A2输出Uo2=1；当 U TR＜UR2， 集成运放A2输出
3. 基本RS触发器
当RS=01时，Q=0， Q =1;当RS=10时，Q=1， Q =0。
4. 开关及输出
放电开关由一个晶体三极管组成，其基极受基本RS触发器输 出端
Q 控制。当 Q =1时，三极管导通，放电端D通过导通的 Q =0， 三极管截止，放电
R1 R2
VTH + VD
3.施密特触发器的应用
(1)波形变换。将任何符合特定条件的输入信号 变为对应的矩形波输出信号。 (2)幅度鉴别。 (3)脉冲整形。
VT+ VT+ O
t
VO
O
波形变换
t
ui UT H UT R o uo
干扰
ui UT H
t
o uo t
o
t
o
t
脉冲整形
幅度鉴别
有些测量装置输出信号经放大后，可能是不规则的波形，如图所示，将它 接在施密特电路的输入端，如果电路的回差较小，为如图中V10所示电路的 回差为ΔV= VT+ - V1T-时，输出波形如图所示。若输入波形顶部的脉动是由 干扰造成的，则会产生不良的后果，输出信号就变成了三个脉冲。若适当的 增加电路的回差，即ΔV= VT+ - V2T-，输出波形为图V20所示，实现了整形 作用，因此在这种情况下，适当的增加回差，可以提高电路的抗干扰能力。
(低电平触发端) TR
②
1. 分压器
分压器由三个等值的电阻串联而成，将电源电压UDD分为三等份， 作用是为比较器提供两个参考电压UR1、UR2，若控制端S悬空或通过 电容接地，则:
2 U R1 U DD 3 1 U R 2 U DD 3
UR1=US
若控制端S外加控制电压US则:
U R2
第二节.施密特触发器
施密特触发器是一种脉冲波形变换电路，在性能上有两个特点：
1．特触发器属于电平触发，缓慢变化的信号也可作触发输入信号，当 输入信号达到某一特定的阈值，输出电平会发生突变，即施密特触发器 会从一个稳态转换到另一个稳态。 2．对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平VT+和 VT-，也就是引起输出电平突变的输入电平不同 ，即滞后电压传输特性，
5G556和单极型定时器CC7556。
二、555定时器的电路组成
5G555定时器内部电路如图所示, 一般由分压器、比较器、触 发器和开关及输出等四部分组成。
＋UD OD O ⑧ (高电平触发端) TH (控制端) S 5 k ⑥ ⑤ 5 k UR 2 5 k (放电端) D ⑦ 1 00 ① － ∞ U o2 A2 ＋ （S ） ＋ & G2 Q ③ OUT UR 1 － ∞ （R） A1 ＋ Uo 1 ＋ & G1 Q ④ R（外部复位端）
此特性又称回差特性。
VO VOH
VOL O
定性符号
VTVT+ VI
滞后电压传输特性
1．用CMOS门电路组成的施密特触发器 R2 VI R1 VI ' 1 G1 VO1 VO G2 V'O
VI VI
VO
V'O
1
G1G2为CMOS门，输出VOH=VDD。VTH=1/2VDD R2 R1 VI=0 1 VO1 VO=VOL V'O VI'↑→VO1↓→VO↑
复位端复位电流 放电端放电电流
输出端驱动电流 最高工作频率
uA mA
mA kHz
0· 1 10~50
1~20 500
400 200
200 500
从上表可见： (1) 二者的工作电源电压范围不同。 (2) 双极型定时器输入输出电流较大Hale Waihona Puke Baidu驱动能力强， 可直 接驱动负载，适宜于有稳定电源的场合使用。 (3) 单极型定时器输入阻抗高，工作电流小，功耗低且精 度高，多用于需要节省功耗的领域。
US 2
2. 比较器
比较器是由两个结构相同的集成运放A1、A2构成。A1用来比较参 考电压UR1和高电平触发端电压UTH: 当UTH> UR1，集成运放A1输出 Uo1=0; 当UTH<UR1，集成运放A1输出Uo1=1。 A2用来比较参考电压UR2和低电平触发端电压 U Uo2=0。
TR
一、555定时器分类
555定时器又称时基电路。 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为单时基定时器和
双时基定时器。
常用的单时基定时器有双极型定时器5G555(其管脚排列如图 7.2所示)和单极型定时器CC7555。双时基定时器有双极型定时器
1. 由门电路构成的单稳态触发器 单稳态触发器的暂态通常是由RC电路的充放电过程 来决定的。根据RC电路的不同接法（即接成微分电路形 式或积分电路形式），把单稳态触发器又分为微分型电路 和积分型电路两种。
1．电路组成 VO1 C VO1 G1 & & G2 VI2 R VI1 R G2 C VI2 VT1 VO2 VCC R1 VT2 VT4 VD VT3
1
Vi
'
R2 (VI VOL ) VOL R R1 2
当Vi上升到使Vi’=VTH时，电路输出迅速的VO=VOH≈ VDD，此时Vi 就是VT+则可以求出Vi为： 由
i' VTH
R1 VT R1 R2
R1 V ( 1 )VTH 得： T R2
VT+ 称为正向阈值电压 反过来，若Vi从高电平缓慢下降，同样存在一个正反馈过程
同相输出
VDD
VI
O
VTH
反相输出
VDD
VI
2．用TTL门电路组成的施密特触发器
R2 VI R1 VI '
&
G1
VO1
1 G2
VO V'O
假定门电路的阈值电压为VTH，输出的低电平VOL=０，当VI从０逐步 上升至VTH时，由于门G1的另一个输入端的电平VI'仍低于VTH，因此电路 状态并不改变。当VI继续升高，并使VI'＝VTH时，门G1由截止转为导通， 而且由于G1、G2间存在着正反馈，所以电路迅速转换为G1导通，G2截 止的状态，使VO=VOH。触发器发生一次翻转，此时对应的输入电平就 是VT+。如果忽略VI'＝VTH时，门G1的输入电流，则可得到 VI'=VTH=（VT+ - VT-）
I
（3）最高工作频率 f m ax < 设触发信号VI的时间间隔为T，为了使单稳态触发器能正常地 工作，通常应满足：t>tPO+ tre 即最小时间间隔Tmin= tPO+tre ，因此单稳态触发器的最高工作频率为
1 t po + t re
1 fmax Tmin t po tre
1
第四节. 555定时器
第五节. 555定时器的基本应用电路
1. 施密特触发器
施密特触发器是一种脉冲号变换电路，用来实现整形和鉴波。 它可以将符合特定条件的输入信号变为对应的矩形波，这个特定
条件是：输入信号的最大幅度Umax要大于施密特触发器中555定
时器的参考电压UR1。当定时器控制端S悬空或通过电容接地时， UR1=2/3VDD ；当定时器控制端S外接控制电压US时，则UR1=US。
一. 电路结构
由555定时器构成的施密特触发器如图所示, VI由低逐渐升高