电子技术第三版课件

第9章脉冲波形的产生和整形

内容提要本章主要介绍3种脉冲波形的产生、变换与整形电路，即，施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器；着重介绍了由分立元件构成，由门电路及555定时器构成的各种电路的结构、工作原理及其应用。2024-11-089.1施密特触发器9.2单稳态触发器9.3多谐振荡器2024-11-08

在数字系统中，常常要用到不同频率的脉冲数字信号，如时钟信号等。通常脉冲信号可以由两种方式获得，一种方法是通过施密特触发器和单稳态触发器等整形电路将已有的波形整形得到，另一种方法是由多谐振荡器等脉冲产生电路得到。2024-11-08

9.1施密特触发器

施密特触发器最重要的特点是输入信号从低电平上升时的转换电平和从高电平下降时的转换电平不同，利用这个特点，施密特触发器能够将变化非常缓慢的输入脉冲波形，整形为所需要的矩形脉冲信号，它在脉冲的产生和整形电路中有十分广泛的用途。9.1.1施密特触发器的电路组成及工作原理1.施密特触发器的电路组成如图9.1（a）所示为由一个非门、两个与非门和一个二极管组成的施密特触发器电路。显然，与门G1和G3构成了一个基本RS触发器。2024-11-08

图9.1施密特触发器（a）逻辑电路；（b）工作波形2024-11-08

2．施密特触发器的工作原理设输入信号ui是三角波信号，如图9.1（b）上方的波形所示。（1）当ui=0时，=0.7V，即：=1，=0，则根据基本RS触发器的功能原理可知，输出uo为高电平，如图9.1（b）下方的波形所示，这是第一种稳态。（2）当ui=UD=0.7V时，端电压为1.4V，即：=1，=1，基本RS触发器处于保持功能，这样，输出uo仍为高电平，电路仍维持在第一种稳态。（3）若ui继续上升到ui=1.4V时，由于非门的作用，=0，端电压为2.1V，即：=1，RS触发器翻转，输出uo为低电平，这是第二种稳态。之后ui再上升，电路状态不变。2024-11-08

（4）当ui上升到最大值后下降时，若ui下降到1.4V之前，电路都将保持不变，=0，=1，若ui下降到低于1.4V，高于0.7V时，由于非门的作用，=1，端电位大于1.4V，即：=1，RS触发器继续保持原来状态，电路仍维持在第二种稳态不变。（5）ui继续下降到ui=UD=0.7V时，则有：=1，=0，RS触发器翻转，uo为高电平，电路返回到第一种稳态。如图9.1（b）所示下方的波形就是其相应的工作波形。2024-11-08

3．施密特触发器的传输特性由施密特触发器工作原理可以看到，当ui在上升过程中，在上升至1.4V之前，输出uo一直为高电平，电路维持在这种稳态。当上升到1.4V时，施密特触发器才翻转到第二种稳态（低电位），并且一直保持到其下降到0.7V才重新翻转到第一种稳态。我们把1.4V称为上限阈值电压，把0.7V称为下限阈值电压，分别用UT+和UT-表示，并把两次触发电压之差定义为回差电压（滞后电压），即：

UT=UT+-UT-。这样，施密特触发器的回差电压为：

UT=UT+-UT-=UT-(UT-UD)=UD=0.7V。通常情况，把这种特性称为施密特触发器的传输特性，它是施密特触发器的固有特性。如图9.2（a）所示的是施密特触发器的传输特性曲线示意图；图9.2（b）是其逻辑符号。2024-11-08图9.2施密特触发器的传输特性和逻辑符号

（a）传输特性；（b）逻辑符号2024-11-08

9.1.2由555集成定时器组成的施密特触发器555集成定时器是一种模拟-数字混合式中规模集成电路，只要在外部配上适当的元器件，就可以方便地构成脉冲产生和整形电路，如施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器等，它在工业控制、自动定时、电子仿声、安全报警等方面获得了广泛的应用。555定时器的产品有TTL型和CMOS型两类，虽然它们的工作电压和输出电流不同，但它们的功能和外引线排列完全相同，只是TTL型号最后三位数码是555（典型产品有NE555、5G1555等），CMOS型号最后四位数码是7555（典型产品有CC7555、CC7556等）。下面我们先介绍双极型555集成定时器的电路组成和工作原理。2024-11-08

1.555集成定时器的电路组成和基本功能（1）电路组成。如图9.3所示的是555集成定时器电路，其中C1和C2构成电压比较器，G1和G2构成基本RS触发器，晶体管VT构成开关，非门G3构成输出缓冲器，由3个5kΩ的电阻构成分压器，555集成定时器也由此命名；分别为电压控制端、高电平触发端、低电平触发端、复位端和放电端。图9.4所示为555定时器的外引线排列。2024-11-08图9.3555集成定时器电路2024-11-08图9.4555定时器的外引线排列

2024-11-08（2）基本功能。555集成定时器的基本功能列于表9.1。表9.1555集成定时器的基本功能

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表中“×”表示任意情况，“保持”表示555定时器保持原来的状态，“导通”和“截止”指555定时器内晶体管VT的工作状态。VT的集电极和发射极分别接在7脚和1脚间，VT“导通”意味着7脚和1脚间相当于开关闭合，VT“截止”意味着7脚和1脚间相当于开关断开。表9.1逻辑功能表说明如下：复位端=0时，不论UTH、取什么值，定时器输出为0，VT饱和导通。当=1时，若UTH，，则定时器输出为0，VT饱和导通。当=1时，若UTH，，则定时器输出和VT继续保持原来状态。当=1时，若，则定时器输出为1，VT截止。2024-11-08

555定时器有以下特点：（1）电源电压范围宽。TTL型的UCC=4.5~18V，CMOS型的UDD=3~18V。（2）输出电流大。TTL型的输出电流IOL=100~200mA，能直接驱动继电器等负载。CMOS型输出电流较小，最大负载电流在4mA以下，功耗低。（3）能提供与TI'L、CMOS电路相兼容的逻辑电平。2024-11-08

2.由555集成定时器构成的施密特触发器（1）电路组成。图9.5（a）示出了由555定时器构成的施密特触发器，6端和2端连在一起，作为输入端，5端经0.01

F的电容接地。（2）工作原理。若输入信号ui如图9.5（b）所示，结合定时器的功能表可知，当ui

时，定时器输出为高电平；随着ui上升，当时，定时器保持原状态不变，输出仍为高电平；当ui

时，定时器状态改变，输出变为低电平。随着ui下降，当时，定时器保持原状态不变，输出仍为低电平；当ui

时，定时器状态改变，输出变为高电平。2024-11-08图9.5555定时器构成的施密特触发器及工作波形2024-11-08

9.1.3施密特触发器的应用施密特触发器的应用很广，主要有以下几个方面的应用。

1.波形变换及整形利用施密特触发器可以将正弦波、三角波等各种周期性的不规则输入波形变换成为边沿陡峭的矩形脉冲信号，如时钟脉冲信号。如图9.6（a）所示的是利用施密特触发器将正弦信号转换为矩形脉冲信号的工作波形示意图。如图9.6（b）所示的是将畸形的波形整形成为规则的矩形波的工作波形示意图。其工作原理与前面介绍的由与非门组成的施密特触发器的工作原理相似。2024-11-08图9.6施密特触发器的波形变换及整形（a）正弦信号转换为矩形脉冲信号；（b）畸形波形整形矩形波2024-11-08

2．脉冲幅度鉴别在信号的传输过程中，有时会受到噪声信号的干扰，为达到去除噪声信号的目的，使施密特触发器的上限阈值电压UT+等于规定的鉴幅电压，只有大于UT+的电压才能使电路翻转，从而有相应的低电平脉冲输出，达到通过鉴别信号幅度大小而去除噪声的目的。如图9.7所示的是其工作波形示意图。2024-11-08图9.7施密特触发器的脉冲幅度鉴别工作波形示意图2024-11-08

3．构成单稳态触发器和多谐振荡器利用施密特触发器可以构成单稳态触发器（如图9.8所示）和多谐振荡器（如图9.9所示）。具体工作原理同学们在学完后续内容后可自己分析。

图9.8单稳态触发器图9.9多谐振荡器2024-11-08

4.路灯自动控制电路图9.10所示为路灯自动控制电路，RG为光敏电阻。此电路输出的是开关量，只需要根据环境的暗亮来控制路灯的开与关，而不必考虑调光。白天受到光照，光敏电阻阻值变小，555定时器输出为低电平，不足以使继电器动作，路灯不亮；夜间无光照或光照减弱，光敏电阻阻值增大，ui

，555定时器输出高电平，VT饱和导通，继电器吸合，开关接通，路灯亮。2024-11-08图9.10路灯自动控制电路

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9.2单稳态触发器

9.2.1单稳态触发器的电路组成及工作原理单稳态触发器是具有一个稳定状态（稳态）和一个暂稳状态的电路，在触发信号没加入之前，电路处于稳定状态；在外加触发脉冲作用下，电路转换为一个只能暂时维持的状态（暂态），经过一定时间后，电路将自动返回到稳态。

1.单稳态触发器的电路组成如图9.11（a）所示的是由与非门组成的单稳态触发器，由于RC电路组成的是微分电路，故又称微分型单稳态触发器。2024-11-08图9.11单稳态触发器

（a）单稳态触发器电路；（b）单稳态触发器工作波形2024-11-08

2．单稳态触发器的工作原理（1）没有触发信号时电路工作在稳态。当没有触发信号时，ui悬空，为高电平。因为G2门的输入端A经电阻R接至地，UA为低电平，因此uo为高电平；G1门的两个输入均为1，其输出uo1为低电平，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=0，uo=1。如图9.11（b）所示的是其对应的工作波形。（2）外加触发信号使电路由稳态翻转到暂态。当负触发脉冲ui到来时，G1门输出uo1由0变为1。由于电容的耦合作用，uA也随之跳变到高电平，使G2门的输出uo变为0。但是电路的这种状态是不能长久保持的，所以称为暂态。暂态时，uo1=1，uo=0。2024-11-08

（3）电容充电使电路由暂态自动返回到稳态。在暂态期间，uo1经R对C充电，随着充电的进行，C上的电荷逐渐增多，使充电电流变小，导致电阻R上的电压逐步降低，当降到阈值电压UT时，uA也随之跳变到低电平，uo=1，并反馈到G1，由于ui已经变为高电平，所以G1又返回到稳定的低电平输出。这样，使电路退出暂态而进入稳态，此时uo1=0，uo=1。这个状态将一直保持到下一个负脉冲ui到来。在上述的单稳态触发器中，其输出脉冲宽度：

tp≈0.7RC。2024-11-08

9.2.2由555集成定时器组成的单稳态触发器（1）电路组成。如图9.12（a）所示的是用555定时器组成的单稳态触发器，其中R，C是定时元件，ui是输入触发信号，下降沿有效，uo是输出信号。

图9.12555定时器组成的单稳态触发器（a）电路组成；（b）工作波形2024-11-08

（2）工作原理。①没有触发信号时，即ui为高电平时，由555定时器电路的工作原理可知，Q=0，，

uo为低电平，电路工作在稳态。②接通UCC后瞬间，UCC通过R对C充电，当uC上升到2UCC/3时，比较器C1输出为0，将触发器置0，uo=0。这时=1，放电管VT导通，C通过VT放电，电路保持稳态。2024-11-08

③当ui下降沿到来时，因为ui＜UCC/3，使C2输出为0，触发器置1，uo又由0变为1，电路进入暂态。由于此时=0，放电管VT截止，UCC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2UCC/3时，比较器C1输出为0，将触发器置0，电路输出uo=0，VT导通，C放电，电路恢复到稳定状态。④恢复过程结束后，电路返回到稳定状态，单稳态触发器又可以接收新的触发信号。如图9.12（b）所示的是单稳态触发器的工作波形，输出脉冲宽度tp≈1.1RC。2024-11-08

9.2.3单稳态触发器的应用单稳态触发器不能自动地产生矩形脉冲，但却可以把其他形状的信号变换整形成为矩形波，同时也常用于延时和定时，用途很广。1.整形单稳态触发器能把不规则的波形变换成为幅度和宽度都相等的脉冲波形。如图9.13所示的是输入波形ui

经过单稳态触发器后输出uo的波形，可用于整形。2024-11-08图9.13单稳态触发器用于整形2024-11-08

2.延时和定时如图9.14（a）所示，由于单稳态触发器能产生一定脉宽tp的脉冲波形，所以，用此脉冲去控制与非门，那么只有在tp期间输入A信号才有效，才有正常的输出，显然，这起到了延时和定时作用。如图9.14（b）所示为工作波形。2024-11-08图9.14单稳态触发器用于延时和定时

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9.3多谐振荡器

多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定状态，是一种自激振荡电路，当电路接好后，只要接通电源，在其相应的输出端就会输出一定频率和幅度的矩形脉冲信号。由于矩形脉冲中除了基波之外还含有高次谐波，故称为多谐振荡器。前面讨论触发器和时序逻辑电路时的CP时钟信号可以由它产生。9.3.1多谐振荡器的电路组成及工作原理

1.电路组成如图9.15（a）所示的是用3个非门和2个电阻构成的多谐振荡器，电路形成了一个闭环。其中R,C为定时元件，决定多谐振荡器的振荡周期和频率；Rs具有限流作用。2024-11-08

2．工作原理（1）第一暂态及自动翻转的工作过程。设接通电源后，输出端uo为低电平，它直接送到输入端ui1使ui2为高电平，这样，一方面使uo2为低电平，另一方面通过C的耦合，使ui3为高电平，从而保证输出uo为低电平。这是第一暂态，如图9.15（b）所示。在这个暂稳态期间，ui2（高电平）通过电阻R对电容C充电，使ui3逐渐下降。在t1时刻，ui3下降到门电路的阈值电压UT，使uo（ui1）由0变为1，ui2由1变为0，uo2由0变为1。同样由于电容电压不能跃变，故ui3发生跳变，使uo保持为1。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。2024-11-08

（2）第二暂态及其自动翻转的工作过程。在第二暂态期间，uo2的高电位通过R,C对电容C反向充电为低电平，随着放电的进行，ui3逐渐升高。在t2时刻，ui3升高到UT，使uo（ui1）又由1变为0，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。在上述电路中，振荡周期为：T≈2.2RC，显然，通过调节R,C的数值，可以达到改变振荡频率的目的。通常电容C用于粗调，而电阻R用于细调。2024-11-08图9.15多谐振荡器2024-11-08

9.3.2由555定时器构成的多谐振荡器1.电路组成如图9.16（a）所示的是用555定时器构成的多谐振荡器，其中电阻R1和R2以及C作为振荡器的定时元件，决定输出矩形波正、负脉冲的宽度。2024-11-08图9.16由555定时器构成的多谐振荡器（a）电路；（b）工作波形2024-11-08

2.工作原理由555定时器构成的多谐振荡器的工作波形如图9.16（b）所示。下面分析其具体工作原理。（1）第一暂态及自动翻转的工作过程。接通电源前，电容C上无电荷，故接通电源的一瞬间，C来不及充电，使得uc=0，比较器C1的输出为1，C2的输出为0，基本RS触发器Q=1，=0，uo为高电平，VT截止。这是电路的第一暂态。接通UCC后，UCC经R1和R2对C充电。当UCC上升到2UCC/3时，比较器C1的输出变为0，基本RS触发器自动翻转为Q=0，=1，uo为低电平，VT导通。uc从UCC/3充电上升到2UCC/3所需的时间，即第一个暂稳态的脉冲宽度tp1≈0.7(R1+R2)C。2024-11-08

（2）第二暂态及其自动翻转的工作过程。第一暂态翻转后，电容C通过R2和VT放电，uc逐渐下降。当uc下降到UCC/3时，比较器C2输出跳变为0，基本RS触发器立即翻转到1状态，Q=1，=0，uo又由0变为1，VT截止，返回到第一暂态。之后，UCC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。第二个暂稳态的脉冲宽度tp2，即uC从2UCC/3放电下降到UCC/3所需的时间：tp2≈0.7R2C。这样，电路的振荡周期为：T=tp1+tp2≈0.7(R1+2R2)C，脉冲宽度与重复周期之比（占空比）为

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9.3.3多谐振荡器的应用

1.分频电路如图9.17所示的是多谐振荡器用做分频电路的示意图，多谐振荡器产生频率为f0=32768Hz的基准信号，经触发器构成的15级异步计数器分频后，便可以得到稳定度很高的频率为1Hz的信号。2024-11-08图9.17分频电路示意图2024-11-08

2．模拟声响电路如图9.18（a）所示的是采用两个由555定时器组成的多谐振荡器构成的模拟声响电路。如图9.18（b）所示的是其工作波形图。适当调节振荡器555Ⅰ的振荡频率为1Hz，振荡器555Ⅱ的振荡频率为1kHz，当uo1为高电平时，振荡器555Ⅱ振荡，有1kHz的音频信号输出，可以从扬声器中听到间隙的“呜呜”声，而当uo1为低电平时，由于振荡器555Ⅰ的输出电压uo1，接到振荡器555Ⅱ中555定时器的复位端（4脚），555定时器复位，振荡器555Ⅱ停止振荡。2024-11-08图9.18模拟声响电路（a）电路；（b）工作波形

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