第 6 章脉冲波形的产生与变换

本章学习要求 第6章脉冲波形的产生与变换了解常用脉冲波形掌握555定时器电路结构特点及功能；掌握555定时器构成的施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的电路及功能；了解555定时器的应用。

本章内容 • 6.1 常用的脉冲波形 • 6.2 555定时器电路及其功能 • 6.3 施密特触发器 • 6.4 单稳态触发器 • 6.5 多谐振荡器 • 6.6 555定时器的应用 • 6.7 知识拓展 • 小结

6.1 常用的脉冲波形 脉冲波形是指突变的电流和电压的波形。常见的有矩形波、尖峰波、锯齿波、梯形波和阶梯波等。常见的脉冲波形如图所示。常见的脉冲波形图

6.1 常用的脉冲波形 数字电路中用得最多的是矩形波。矩形波有周期性与非周期性两种。周期性矩形波的周期用T表示，有时也用频率（f）表示（f =1/T）。矩形波的参数表示如图所示。矩形波的参数表示

6.2 555定时器电路及功能 555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，可广泛应用于波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域。根据其内部组成的不同，555定时器可分为双极型（称为555，如NE555或5G555）和CMOS（称为7555，如C7555S）两种类型，它们的结构、工作原理以及外部引脚排列基本相同。一般双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时电路具有低功耗、输入阻抗高等优点。 555定时器工作的电源电压很宽，可承受较大的负载电流。双极型定时器的电源电压范围为5～16 V，最大负载电流可达200 mA；CMOS定时器的电源电压变化范围为3～18 V，最大负载电流在4mA以下。

6.2.1 555定时器的电路结构与工作原理 555定时器是目前应用最多的一种时基电路。 1．555定时器内部结构 2．工做原理图10-1 555定时器的电气原理图和电路符号

6.2.2 555定时器的功能

6.3 施密特触发器 施密特触发器（Schmitt Trigger）是经常使用的脉冲波形变换电路，是一种双稳态触发器，具有0和1两个稳定状态，具有两个重要的特性： • 施密特触发器是一种电平触发器，它能将变化缓慢的信号（如正弦波、三角波及各种周期性的不规则波形）变换为边沿陡峭的矩形波； • 输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的触发转换电平（阈值电平），与输入信号从高电平下降的过程中对应的触发转换电平是不同的，即电路具有回差特性。

1．施密特触发器的电路组成及工作原理 555定时器构成施密特触发器的电路如图（a）所示，将两个输入端vI1和vI2接在一起作为触发电平输入。其工作波形如图（b）所示。 555定时器构成的施密特触发器

2．施密特触发器的电压滞回特性和主要参数 施密特触发器的电路符号和电压滞回特性分别如图所示。施密特触发器的电路符号施密特触发器的电压滞回特性

施密特触发器的主要静态参数： （1）上限阈值电压VT+ 在vI上升过程中，输出电压vO由高电平VOH跳变到低电平VOL时所对应的输入电压值， VT+= 。（2）下限阈值电压VT- vI下降过程中，vO由低电平VOL跳变到高电平VOH时，所对应的输入电压值。 VT-= 。（3）回差电压ΔVT 回差电压又叫滞回电压，定义为ΔVT=VT+−VT-= 。若在电压控制端VIC（5脚）外加电压VS，则将有VT+=VS、VT-=VS/2、ΔVT=VS/2，而且当VS的值改变时，它们的值也随之改变

3．集成施密特触发器 引脚图

4．施密特触发器的应用 施密特触发器广泛应用在接口电路、整形电路、脉冲鉴幅等方面。（1）接口电路施密特触发器可以用来将缓慢变化的输入信号转换成符合TTL系统要求的脉冲波形，如图所示。慢输入波形的TTL系统接口

（2）整形电路 施密特触发器可以用来将不规则的输入信号整形成矩形脉冲，如图所示。脉冲整形电路的输入输出波形

（3）脉冲鉴幅 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，只有那些幅度大于VT+的脉冲才会在输出端产生输出信号。可见，施密特触发器具有脉冲鉴幅能力，如图所示。用施密特触发器鉴别脉冲幅度

6.4 单稳态触发器 单稳态触发器被广泛用于脉冲整形、延时（产生滞后于触发脉冲的输出脉冲）以及定时（产生固定时间宽度的脉冲信号）等方面。单稳态触发器的暂稳态通常是靠RC电路的充、放电过程来维持的，RC电路可接成两种形式：微分电路和积分电路。单稳态触发器的工作特性如下： • 电路有一个稳定状态和一个暂稳状态； • 在外加触发信号的作用下，电路才能从稳定状态翻转到暂稳态； • 暂稳态维持一段时间后，电路将自动返回到稳定状态。暂稳态的持续时间与外加触发信号无关，仅取决于电路本身的参数

1．单稳态触发器的电路组成及工作原理 如图所示为用555定时器组成单稳态触发器的电路及工作波形。该电路主要特点是引脚2要输入负触发脉冲。用555定时器构成的单稳态触发器

2．单稳态触发器的主要参数 （1）输出脉冲宽度tW 输出脉冲宽度是暂稳态的维持时间，也就是定时电容的充电时间。单稳态触发器输出脉冲宽度tW仅取决于定时元件R、C的取值，与输入触发信号和电源电压无关，调节R、C的取值，即可方便的调节tW。（2）恢复时间tre 一般取tre=（3～5）τ2，即认为经过3～5倍的时间常数电容就放电完毕。（3）最高工作频率fmax 若输入触发信号vI是周期为T的连续脉冲，单稳态触发器的最高工作频率应为： Tmin为vI周期的最小值，Tmin=tW＋tre

3．集成单稳态触发器 74121的电路符号

3．集成单稳态触发器 使用外部电阻（Rext）且使用内部电阻（Rint）且电路为下降沿触发电路为上升沿触发

4．单稳态触发器的应用 （1）延时与定时单稳态触发器用于脉冲的延时与定时选通，如图所示。单稳态触发器用于脉冲的延时与定时选通

4．单稳态触发器的应用 （2）整形单稳态触发器用于波形的整形

4．单稳态触发器的应用 （3）触摸式定时控制开关触摸式定时控制开关电路

6.5 多谐振荡器 • 多谐振荡器是一种自激振荡器，没有稳定状态，不需要外加触发信号，只要接通电源就能自动产生矩形脉冲信号。因此它又称作无稳态电路，常用做脉冲信号源。

1．多谐振荡器的电路组成及工作原理 如图所示为用555定时器组成多谐振荡器时的电路及工作波形。该电路主要特征是无输入信号。用555定时器构成的多谐振荡器

2．振荡频率的估算 （1）电容充电时间T1 电容充电时，时间常数τ1=（R1+R2）C，起始值 vC（0+= ，终了值vC（∞）=VCC，转换值vC（T1= ，带入RC过渡过程计算公式进行计算：

（2）电容放电时间T2 电容放电时，时间常数τ2=R2C，起始值vC（0+）= ，终了值vC（∞）=0，转换值vC（T2）= ，带入RC过渡过程计算公式进行计算：。（3）电路振荡周期T T=T1+T2=0.7（R1+2R2）C （4）电路振荡频率f （5）输出波形占空比q q=T1/T，即脉冲宽度与脉冲周期之比，称为占空比。

3．占空比可调的多谐振荡器 图10-7 占空比可调的多谐振荡器

用多谐振荡器构成的电子双音门铃电路

6.6 555定时器的应用 555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。图10-8 多谐振荡器用作简易温控报警电路

6.7 知识拓展—集成门电路构成的脉冲整形电路用集成门电路构成的施密特触发器微分型单稳态触发器

6.7 知识拓展—集成门电路构成的脉冲整形电路积分型单稳态触发器对称式多谐振荡器

6.7 知识拓展—集成门电路构成的脉冲整形电路非对称式多谐振荡器石英晶体振荡器

6.7 知识拓展—集成门电路构成的脉冲整形电路秒脉冲发生器

小结 ① 常见的脉冲波形有矩形波、尖峰波、锯齿波、梯形波和阶梯波等。 ② 555定时器是一种用途很广的集成电路，除了能组成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器以外，还可以接成各种灵活多变的应用电路。除了555定时器外，目前还有556（双定时器）和558（四定时器）等。 ③ 施密特触发器是一种双稳态触发器，常用于脉冲整形。 ④ 单稳态触发器与施密特触发器一样，可以把其他形状的信号变换成为矩形波，为数字系统提供标准的脉冲信号。 ⑤ 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。

第 6 章脉冲波形的产生与变换