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10.1 概 述. 在电路基础课程中我们知道，含有惰性元件 C 或 L 的电路存在暂态过程，即有充放电现象。脉冲波形就是利用惰性电路的充放电而形成的。由于 RC 电路用得较多，下面就以 RC 惰性电路为例。我们控制开关位置及时间常数 RC ，即可得到不同的脉冲波形。如图 7.1.1(a) 所示，当时间常数 RC 大大小于开关转换时间 TK, 则组成微分电路，在电阻上可得窄脉冲输出。.
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10.1 概 述 在电路基础课程中我们知道，含有惰性元件C或L的电路存在暂态过程，即有充放电现象。脉冲波形就是利用惰性电路的充放电而形成的。由于RC电路用得较多，下面就以RC惰性电路为例。我们控制开关位置及时间常数RC，即可得到不同的脉冲波形。如图7.1.1(a)所示，当时间常数RC大大小于开关转换时间TK,则组成微分电路，在电阻上可得窄脉冲输出。
图10.1.1(b)组成积分电路，当RC<<TK时，在电容上可得矩形波；而RC>>TK时，在电容上又可得线性扫描的波形。由上可看出脉冲形成电路的组成应有两大部分，惰性电路和开关。开关是用来破坏稳态，使惰性电路产生暂态的。开关可用不同的电子器件来完成，如可用运算放大器，可用分立器件晶体三极管或场效应管，也可以用逻辑门。目前用得较多的是555定时电路。图10.1.1(b)组成积分电路，当RC<<TK时，在电容上可得矩形波；而RC>>TK时，在电容上又可得线性扫描的波形。由上可看出脉冲形成电路的组成应有两大部分，惰性电路和开关。开关是用来破坏稳态，使惰性电路产生暂态的。开关可用不同的电子器件来完成，如可用运算放大器，可用分立器件晶体三极管或场效应管，也可以用逻辑门。目前用得较多的是555定时电路。
惰性电路产生的暂态过程，对一阶问题而言，可用三要素法来描述，获得电压或电流随时间变化的方程，该方程是脉冲波形计算的重要依据。三要素即起始值X(0+)、趋向值X(∞)和时间常数τ，若三要素已知，则得方程惰性电路产生的暂态过程，对一阶问题而言，可用三要素法来描述，获得电压或电流随时间变化的方程，该方程是脉冲波形计算的重要依据。三要素即起始值X(0+)、趋向值X(∞)和时间常数τ，若三要素已知，则得方程 或
10.2 555定时电路 555定时电路是目前应用十分广泛的一种器件，本章仅介绍它在脉冲形成方面的基本电路。555定时电路有TTL集成定时电路和CMOS集成定时电路，功能完全一样，不同之处是前者驱动能力大于后者，我们以CMOS集成定时器CC7555为例进行介绍。
10.2.1 基本组成 555集成电路主要由3个5kΩ电阻组成的分压器、两个高精度电压比较器、一个基本RS触发器、一个作为放电通路的管子及输出驱动电路组成，其结构框图如图10.2.1所示。
1.分压器 由3个5kΩ电阻组成，它为两个比较器提供基准电平。如5脚悬空，则比较器A的基准电平为 ，比较器B的基准电平为 ，改变5脚的接法可 改变A、B的基准电平。
2.比较器 比较器A、B是两个结构完全相同的高精度电压比较器。A的输入端为引脚6高触发端，当 时A端输出为高电平，即逻辑“1”；当 时A输出为低电平，即逻辑“0”。B的输入端为引脚2低触发端，当 时B输出为低电平，即逻辑“0”；当 时B输出为高电平，即逻辑“1”。A、B的输出直接控制基本RS触发器的动作。
3.基本RS触发器 RS触发器由两个或非门组成，它的状态由两个比较器输出控制，根据基本RS触发器的工作原理，就可以决定触发器输出端的状态。 是专门设置的可从外部进行置“0”的复位端，当 时，经反相后将或非门封锁输出为0。 4.开关放电管和输出缓冲级 放电管V，它是N沟道增强型的MOS管，其控制栅为0电平时截止；当为1电平时导通。
两级反相器构成输出缓冲级，反相器的设计考虑了有较大的电流驱动能力，一般可驱动两个TTL门电路。同时，输出级还起隔离负载对定时器影响的作用。两级反相器构成输出缓冲级，反相器的设计考虑了有较大的电流驱动能力，一般可驱动两个TTL门电路。同时，输出级还起隔离负载对定时器影响的作用。
10.2.2 工作原理及特点 综上所述，我们根据图10.2.1所示电路结构图可以很容易得到CC7555定时器的功能表，如表10.2.1所示。 表10.2.1 555定时器功能表
CC7555定时器电路具有静态电流较小(80μA左右)，输入阻抗极高(输入电流仅为0.1μA左右)，电源电压范围较宽(在3V~18V内均正常工作)等特点。最大功耗为300mW，和所有CMOS集成电路一样，在使用时输入电压uI应确保在安全范围之内，即满足下式条件：CC7555定时器电路具有静态电流较小(80μA左右)，输入阻抗极高(输入电流仅为0.1μA左右)，电源电压范围较宽(在3V~18V内均正常工作)等特点。最大功耗为300mW，和所有CMOS集成电路一样，在使用时输入电压uI应确保在安全范围之内，即满足下式条件： USS-0.5V≤UI≤UDD+0.5V 555定时电路除了CMOS型之外，还有TTL型如5G555(NE555)，它的工作原理与CC7555没有本质区别，但其驱动电流可达200mA。
10.3 单稳态电路 单稳态触发器只有一个稳定状态和一个暂稳态，在外界触发脉冲的作用下，电路从稳态翻转到暂态，然后在暂稳态停留一段时间TW后又自动返回到稳态，并在输出端产生一个宽度为TW的矩形脉冲。TW只与电路本身的参数有关，而与触发脉冲无关。通常把TW称为脉冲宽度。
10.3.1 电路组成 图10.3.1(a)是用CC7555构成的单稳态电路，图10.3.1(b)是其工作波形。图中R、C为外接定时元件，输入触发信号uI加至低触发 端，由OUT端给出输出信号，控制端CO不用时一般均通过0.01μF接地，以防干扰。
10.3.2 工作原理 静止期：触发信号uI处于高电平，电路处于稳态，根据555工作原理知道uO为低电平，放电管V导通，定时电容C两端电压uC=0。工作期：外界触发信号uI加进来，要求为负脉冲且低电平应 比较器输出UB为高电平，UA为低电平，使uO为高电平，且放电管截止，电源UDD通过定时电阻R对定时电容充电，这是一个暂态问题，只要写出三要素即可。
由于比较器A、B的存在，uC不可能充至UDD。当uC充至大于 ，但小于 时，UA=UB均为低电平，RS触发器处于保持态，即Q=1、 ,电路仍处于uO=高电平，放电管仍处于截止，电容继续充电；当 时UA=1,UB=0,则Q=0, ,则uO=0,放电管导通，电容通过放电管很快放电，进入恢复期。由于外界触发脉冲加进来，电路uO由低电平变为高电平到再次变为低电平这段时间就是暂稳态时间，其暂稳态时间TW计算如下：
显然改变定时元件R或C即可改变延迟时间TW；通过改变比较器的参考电压也可改变TW。一般是在5脚CO端外接电源或电阻即可改变比较器A、B的参考电压。显然改变定时元件R或C即可改变延迟时间TW；通过改变比较器的参考电压也可改变TW。一般是在5脚CO端外接电源或电阻即可改变比较器A、B的参考电压。 为了使电路能正常工作，要求外加触发脉冲的宽度τCP小于TW。且负脉冲的数值一定要低于 。为此常在输入信号uI和触发电路之间加一微分电路，如图10.3.2所示。
恢复期：当放电管V导通时，定时电容C通过放电管迅速放电，即进入恢复期，恢复到静止期状态。恢复期TR由下式决定恢复期：当放电管V导通时，定时电容C通过放电管迅速放电，即进入恢复期，恢复到静止期状态。恢复期TR由下式决定 TR=(3~5)rd·C 其中rd为放电管导通时呈现的电阻，一般R>>rd,所以恢复期很短。 利用单稳态触发器我们也可以获得线性锯齿波。由上述工作原理和输出波形可看出，在电容C两端可得到按指数规律上升的电压，为获得线性锯齿波，只要对电容C恒流充电即可。故用恒流源代替R即可组成线性锯齿波电路。
图10.3.3为线性锯齿波电路，其中晶体三极管V及电阻Re、Rb1、Rb2组成恒流源，给定时电容提供恒定的充电电流。电容两端电压随时间线性增长图10.3.3为线性锯齿波电路，其中晶体三极管V及电阻Re、Rb1、Rb2组成恒流源，给定时电容提供恒定的充电电流。电容两端电压随时间线性增长 I0为恒定电流。其工作波形如图7.3.3(b)所示。实 际中为了防止负载对定时电路影响，uC输出常常通 过射极输出器输出。
10.4 多谐振荡器 多谐振荡器是一种无稳态电路，它在接通电源后，不需要外加触发信号，电路状态能够自动地不断变换，产生矩形波的输出。由于矩形波中的谐波分量很多，因此又常称为多谐振荡器。 在数字电路中，为了定量地描述多谐振荡器所产生的矩形脉冲波形的特性，经常使用如图10.4.1所示的几个指标，即
脉冲周期：周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲的时间间隔。有时也用频率f=1/T表示，f表示单位时间里脉冲重复的次数。脉冲周期：周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲的时间间隔。有时也用频率f=1/T表示，f表示单位时间里脉冲重复的次数。 脉冲幅度Um:脉冲电压的最大变化幅度。 脉冲宽度TW：从脉冲前沿上升到0.5Um起，到脉冲后沿下降到0.5Um止的一段时间。
上升时间tr：脉冲前沿从0.1Um上升到0.9Um所需的时间。上升时间tr：脉冲前沿从0.1Um上升到0.9Um所需的时间。 下降时间tf:脉冲后沿从0.9Um下降到0.1Um所需的时间。 利用上述指标，就可以把一个矩形脉冲的基本特性大体上表示清楚了。
10.4.1 电路组成 图10.4.2(a)给出用CC7555构成的多谐振荡器。由图可见，除将高电平触发端TH和低电平触发端 短接外，在放电回路中还串接一个电阻R2。电路中R1、R2、C均是定时元件。图10.4.2(b)为工作波形。
10.4.2 工作原理 自由多谐振荡器不具有稳态，只具有两个暂稳态，暂稳态的时间长短由电路的定时元件确定，电路工作就在两个暂稳态之间来回转换，具体工作过程如下： 由于接通电源前，电容器两端电压uC=0,电源刚接通时UB=1,UA=0,所以Q=1， ，经输出缓冲级后uO为高电平，放电管V处于截止。电源电压通过R1R2对C充电，其暂态过程为
由于比较器A、B的存在，电容C不可能充至UDD。过程如下：当 时，UB、UA均为低电平，RS触发器状态不变；但当 时，UA=1,UB=0，则RS触发器状态变为Q=0、 ,输出uO为低电平，放电管V导通，这段时间我们称为第一暂稳态。放电管V导通时，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进入第二暂稳态期，放电过程为 充
放电管V导通时，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进入第二暂稳态期，放电过程为放电管V导通时，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进入第二暂稳态期，放电过程为 放
由于比较器A、B的存在，电容器不可能放电至0。当电容放电时，UA=UB=0,RS触发器处于维持状态，输出也不变；但当C继续放电 时，UB=1、UA=0,则Q=1、 ，输出uO为高电平，放电管截止，UDD再次对电容充电，如此反复，则输出可得矩形波形。该电路的振荡周期计算如下： T=T1+T2 而T1和T2分别为
输出矩形的频率 。显然改变R1、R2和C值即可改变振荡频率。我们也可通过改变5腿电压U5来改变比较器A、B的参考电压，从而达到改变振荡频率的目的。 在实际中常常需要调节T1和T2，引进占空比概念
在图10.4.2中调占空比时将同时改变振荡周期，为此将电路略加改进就得占空比可变的多谐振荡器，如图10.4.3所示，它将充放电回路分开了，充电回路为R1、D1、C,放电回路为C、D2、R2和放电管。改变RW不改变R1+R2值。所以该电路振荡周期为在图10.4.2中调占空比时将同时改变振荡周期，为此将电路略加改进就得占空比可变的多谐振荡器，如图10.4.3所示，它将充放电回路分开了，充电回路为R1、D1、C,放电回路为C、D2、R2和放电管。改变RW不改变R1+R2值。所以该电路振荡周期为 T=(τ充+τ放) ln2=(R1+R2)C×0.7 占空比D为
可利用自由多谐振荡器组成模拟声响电路，如图7.4.4所示，A、B两个555电路均为多谐振荡器。如调节振荡器A振荡频率fA=1Hz，振荡器B振荡频率fB=1kHz,由于A输出接至B的 端，故只有uO1输出为高电平时，B振荡器才振荡，uO1输出为0时，B停止振荡，使扬声器发出1kHz的间歇声响。
10.5 施密特电路 10.5.1 电路组成 将555时基电路2、6端连接，即构成施密特电路，如图10.5.1所示。
10.5.2 工作原理 当 时，UA=0,UB=1,输出uO为高电平； uI增加，满足 时，UA=UB=0，电路维持 不变，即uO=1;uI继续增加，满足 时，UA=1,UB=0,输出uO由高电平变为低电平；之后uI再增加， 只要满足 ，电路不变，如uI下降只要满足 ，由于 UA=UB=0,电路状态仍维持不变。
只有当 时电路才再次翻回uO为高电平，波形如图10.5.1(b)所示。由上可看出uI上升时引起电路状态改变由高电平变为低电平的输入电压为 ;uI下降引起电路由低电平变为高电平的输入电压为 ，这二者之差称为回差电压，即 该电路的电压传输特性如图10.5.1(c)所示。回差电压可通过改变5脚电压达到。一般讲，5脚电压越高，回差电压ΔUT越大，抗干扰能力越强，但是降低了触发灵敏度。
10.5.3 主要应用 施密特电路的主要应用有： 1.波形变换 波形变换可以将非矩形波变换为矩形波。 2.整形 整形可以将一个不规则的矩形波转换为规则的矩形波。如图10.5.2(a)所示。 3.幅值选择 输入是一些随机的脉冲，通过施密特电路可以将幅值大于某值的输入脉冲检测出来。如图105.2(b)所示。
