第八章 脉冲波形的产生与整形在数字电路或系统中，常常需要各种脉冲波形，例如时钟脉冲、控制过程的定时信号等。

这些脉冲波形的获取，通常采用两种方法：一种是利用脉冲信号产生器直接产生；另一种则是通过对已有信号进行变换，使之满足系统的要求。

本章以中规模集成电路555定时器为典型电路，主要讨论555定时器构成的施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器以及555定时器的典型应用。

8.1 集成555定时器555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。

该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。

因而在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域中都得到了广泛的应用。

目前生产的定时器有双极型和CMOS 两种类型，其型号分别有NE555（或5G555）和C7555等多种。

通常，双极型产品型号最后的三位数码都是555，CMOS 产品型号的最后四位数码都是7555，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，并可承受较大的负载电流。

双极型定时器电源电压范围为5～16V ，最大负载电流可达200mA ；CMOS 定时器电源电压变化范围为3～18V ，最大负载电流在4mA 以下。

一． 555定时器的电路结构与工作原理 1．555定时器内部结构：（1）由三个阻值为5k Ω的电阻组成的分压器； （2）两个电压比较器C 1和C 2：v +＞v －，v o =1； v +＜v －，v o =0。

（3）基本RS 触发器；（4）放电三极管T 及缓冲器G 。

2．工作原理。

当5脚悬空时，比较器C 1和C 2的比较电压分别为cc V 32和cc V 31。

（1）当v I1>cc V 32，v I2>cc V 31时，比较器 C 1输出低电平，C 2输出高电平，基本RS 触发器被置0，放电三极管T 导通，输出端v O 为低电平。

（2）当v I1<cc V 32，v I2<cc V 31时，比较器 C 1输出高电平，C 2输出低电平，基本RS 触发器被置1，放电三极管T 截止，输出端v O 为高电平。

（3）当v I1<cc V 32，v I2>cc V 31时，比较器 C 1输出高电平，C 2也输出高电平，即基本RS触发器R =1，S =1，触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。

v v v ICI1I2OOv ,复位12658437Ov ,v I2v I1v v IC V C C v O555(a)(b)D R图8.1—1 555定时器的电气原理图和电路符号(a)原理图 （b ）电路符号由于阈值输入端(v I1) 为高电平（>cc V 32）时，定时器输出低电平，因此也将该端称为高触发端（TH ）。

因为触发输入端(v I2)为低电平（<cc V 31）时，定时器输出高电平，因此也将该端称为低触发端（TL ）。

如果在电压控制端（5脚）施加一个外加电压（其值在0～V CC 之间），比较器的参考电压将发生变化，电路相应的阈值、触发电平也将随之变化，并进而影响电路的工作状态。

另外，R D 为复位输入端，当R D 为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出v o 为低电平，即R D 的控制级别最高。

正常工作时，一般应将其接高电平。

二．555定时器的功能表表8.1—1 555定时器功能表阈值输入(v I1) 触发输入(v I2) 复位(R D ) 输出(v O ) 放电管T× × 0 0 导通<cc V 32 <cc V 311 1 截止 >cc V 32 >cc V 311 0 导通 <cc V 32 >cc V 311 不变 不变8.2 施密特触发器施密特触发器——具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。

一． 用555定时器构成的施密特触发器 1. 电路组成及工作原理O O 12Iv tv IO v 123C C V C C1V 3(a)电路图(b)波形图v图8.2—1 555定时器构成的施密特触发器（1） v I =0V 时，v o1输出高电平。

（2）当v I 上升到cc V 32时，v o1输出低电平。

当v I 由cc V 32继续上升，v o1保持不变。

（3）当v I 下降到cc V 31时，电路输出跳变为高电平。

而且在v I 继续下降到0V 时，电路的这种状态不变。

图中，R 、V CC2构成另一输出端v o2，其高电平可以通过改变V CC2进行调节。

2. 电压滞回特性和主要参数 电压滞回特性v V V IoOHOLV V V v C C C CC C1230Iv v o(a)(b)电路符号电压传输特性图8.2—2 施密特触发器的电路符号和电压传输特性主要静态参数（1） 上限阈值电压V T+——v I 上升过程中，输出电压v O 由高电平V OH 跳变到低电平V OL 时，所对应的输入电压值。

V T+=cc V 32。

（2）下限阈值电压V T ———v I 下降过程中， v O 由低电平V OL 跳变到高电平V OH 时，所对应的输入电压值。

V T —=cc V 31。

（3）回差电压ΔV T回差电压又叫滞回电压，定义为ΔV T = V T+－V T — =cc V 31若在电压控制端V IC （5脚）外加电压V S ，则将有V T+=V S 、V T —=V S /2、ΔV T = V S /2，而且当改变V S 时，它们的值也随之改变。

二． 集成施密特触发器施密特触发器可以由555定时器构成，也可以用分立元件和集成门电路组成。

因为这种电路应用十分广泛，所以市场上有专门的集成电路产品出售，称之为施密特触发门电路。

集成施密特触发器性能的一致性好，触发阈值稳定，使用方便。

1. CMOS 集成施密特触发器图8.2—3（a ）是CMOS 集成施密特触发器CC40106（六反相器）的引线功能图，表8.2—1所示是其主要静态参数。

12345678910111213141A 1Y 2A 2Y 3A 3Y 4A 4Y5A 5Y 6A 6Y V V DD SS2Y 2A 16251Y GND73Y1A 343A V 912C C 136Y 11106A 4A 85Y 5A 4Y14(a)(b)CC4010674LS14图8.2—3 集成施密特触发器CC40106和74LS14外引线功能图表8.2—1 集成施密特触发器CC40106的主要静态参数电源电压V DD V T+最小值 V T+最大值 V T －最小值 V T －最大值 ΔV T 最小值 ΔV T 最小值 单位 5 2.2 3.6 0.9 2.8 0.3 1.6 V 10 4.6 7.1 2.5 5.2 1.2 3.4 V 15 6.8 10.8 4 7.4 1.6 5 V2. TTL 集成施密特触发器图8.2—3（b ）所示是TTL 集成施密特触发器74LS14外引线功能图，其几个主要参数的典型值如表8.2—2所示。

TTL 施密特触发与非门和缓冲器具有以下特点：（1）输入信号边沿的变化即使非常缓慢，电路也能正常工作。

（2）对于阈值电压和滞回电压均有温度补偿。

（3）带负载能力和抗干扰能力都很强。

表8.2—2 TTL 集成施密特触发器几个主要参数的典型值器件型号 延迟时间（ns ） 每门功耗（mW ） V T+（V ） V T －（V ） ΔV T （V ）74LS14 15 8.6 1.6 0.8 0.8 74LS132 15 8.8 1.6 0.8 0.8 74LS13 16.5 8.75 1.6 0.8 0.8集成施密特触发器不仅可以做成单输入端反相缓冲器形式，还可以做成多输入端与非门形式，如CMOS 四2输入与非门CC4093，TTL 四2输入与非门74LS132和双4输入与非门74LS13等。

三． 施密特触发器的应用举例1. 用作接口电路——将缓慢变化的输入信号，转换成为符合TTL 系统要求的脉冲波形。

2. 用作整形电路——把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。

1MOS CMOS正弦波1振荡器输入输出V V T+T-图8.2—4 慢输入波形的TTL 系统接口 图8.2—5 脉冲整形电路的输入输出波形3. 用于脉冲鉴幅——将幅值大于V T+的脉冲选出。

V V IOV IOV V V T+T-tt1图8.2—6 用施密特触发器鉴别脉冲幅度8.3 多谐振荡器多谐振荡器——产生矩形脉冲波的自激振荡器。

多谐振荡器一旦起振之后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们做交替变化，输出连续的矩形脉冲信号，因此它又称作无稳态电路，常用来做脉冲信号源。

一． 用555定时器构成的多谐振荡器 1. 电路组成及工作原理O(a)(b)C21C3V V C C v C C3tv OtOOt t t C CV 012T T T120图8.3—1 用施密特触发器构成的多谐振荡器2. 振荡频率的估算（1）电容充电时间T 1。

电容充电时，时间常数τ1=（R 1+R 2）C ，起始值v C （0+）=cc V 31，终了值v C （∞）=V CC ，转换值v C （T 1）=cc V 32，带入RC 过渡过程计算公式进行计算：CR R V V V V T v v v v T CCCC CCCC C C C C )(7.02ln 3231ln)()()0()(ln2111111+==--=-∞-∞=+τττ（2） 电容放电时间T 2电容放电时，时间常数τ2=R 2C ，起始值v C （0+）=cc V 32，终了值v C （∞）=0，转换值v C （T 2）=cc V 31，带入RC 过渡过程计算公式进行计算：C R T 227.0=（3）电路振荡周期TT =T 1+T 2=0.7(R 1+2R 2)C（4）电路振荡频率f CR R T f )2(43.1121+≈= （5）输出波形占空比q定义：q =T 1/T ，即脉冲宽度与脉冲周期之比，称为占空比。

2121212112)2(7.0)(7.0R R R R CR R CR R TT q ++=++==二． 占空比可调的多谐振荡器电路在图8.3—1所示电路中，由于电容C 的充电时间常数τ1=（R 1+R 2）C ，放电时间常数τ2=R 2C ，所以T 1总是大于T 2，v O 的波形不仅不可能对称，而且占空比q 不易调节。

利用半导体二极管的单向导电特性，把电容C 充电和放电回路隔离开来，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器，如图8.3.2所示。