第 9 章脉冲波形的产生与变换

9.1 集成 555 定时器

9.2 单稳态触发器

9.4 施密特触发器

9.3 多谐振荡器

第 9 章脉冲波形的产生与变换

美国 Signetics 公司 1972 年研制，用于取代机械式定时器。

流行的产品主要有 4 个：

BJT 两个： 555 ， 556 （含有两个 555 ）；

CMOS 两个： 7555 ， 7556 （含有两 7555 ）。

流行产品 :

9.1 集成 555 定时器

一、 555 定时器的电路结构

9.1 集成 555 定时器

电压比较器的功能： v+> v- ， vO=1

v+< v- ， vO=0

由以下几部分组成：（ 1 ）三个 5kΩ 电阻

组成的分压器。

（ 2 ）两个电压比较器 C1 和 C2 。

C 1v+

£ vvO

C

C

&

&& 1

R

S

G

5k ¦̧

5k ¦̧

5k ¦̧

1

2

V R

v

vv

CC D

IC

I1

I2

O(2)

(6)

(5)

(8) (4)

(3)

电源复位

v阈值输入

控制电压

触发输入

O

(7)v T

,

放电端(1)

（ 3 ）基本 RS 触发器，

（ 4 ）放电三极管 T 及缓冲器 G 。

C

C

&

&& 1

R

S

G

5k ¦̧

5k ¦̧

5k ¦̧

1

2

V R

v

vv

CC D

IC

I1

I2

O(2)

(6)

(5)

(8) (4)

(3)

电源复位

v阈值输入

控制电压

触发输入

O

(7)v T

,

放电端(1)

1

2

6

58 4

3

7Ov,

v I2

I1v

v IC

VCC

vO555

DR

电路符号

二．工作原理（ 1 ） 4 脚为复位输入

端（ RD ），当 RD

为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出 vo 为低电平。

正常工作时，应将其接高电平。

（ 2 ） 5 脚为电压控制端，当其悬空时，比较器 C1 和 C2 的比较

电压分别为 2/3VCC

和 1/3VCC 。

C

C

&

&& 1

R

S

G

5k ¦̧

5k ¦̧

5k ¦̧

1

2

V R

v

vv

CC D

IC

I1

I2

O(2)

(6)

(5)

(8) (4)

(3)

电源复位

v阈值输入

控制电压

触发输入

O

(7)v T

,

放电端(1)

1/3VCC

2/3VCC

（ 3 ） 2 脚为触发输入端， 6 脚为阈值输入端，两端的电位高低控制比较器 C1 和 C2 的输出，从而控制 RS 触发器，决定输出状态。

C

C

&

&& 1

R

S

G

5k ¦̧

5k ¦̧

5k ¦̧

1

2

V R

v

vv

CC D

IC

I1

I2

O(2)

(6)

(5)

(8) (4)

(3)

电源复位

v阈值输入

控制电压

触发输入

O

(7)v T

,

放电端(1)

1/3VCC

2/3VCC阈值输入

阈值输入

复位

输出

vI1 vI2RD vo

×

＜ 2/3VCC

＞ 2/3VCC

＜ 2/3VCC

×

＜ 1/3VCC

＞ 1/3VCC

＞ 1/3VCC

0

1

1

1

0

1

0

不变

功能表

9.2 单稳态触发器单稳态触发器——有一个稳态 (0) 和一个暂稳态 (1) ；在

触发脉冲作用下，由稳态 (0) 翻转到暂稳态 (1) ；暂稳状态维持一段时间后，自动返回到稳态。

（ 1 ）无触发信号输入时电路工作在稳定状态

当 vI=1 时，电路工作在稳定状态，即 vO=0 ， vC=0 。

一．用 555 定时器组成单稳态触发器

1. 电路组成及工作原理

2

6

VCC R D

O

555

3

v I2

I1v

8 4

v7

VCC

C 1 5

vC

vI

R

C0.01

1

¦ÌF

2

6

VCC R D

O

555

3

v I2

I1v

8 4

v7

VCC

C 1 5

vC

vI

R

C0.01

1

¦ÌF

（ 2 ） vI 下降沿触发

当 vI 下降沿到达时， vO 由 0 跳变为 1 ，电路由稳态转入暂稳态。

2

O

v

3 CC

O

t

V

O

t

C

v

O

I

t

v

(3)

v

V

1/3V

CC

SCC

(8)

¦̧&

C &

I2C

(7)¦̧

I

5k

放电端

5k

(1)

C

¦̧

2/3V

G

R

5k

vv

1CR

2

v

(6)CC

1

I1

T

&

(2)

v

(4)

O

（ 3 ）暂稳态的维持时间在暂稳态期间，三极管 T 截止， VCC 经 R 向 C 充电。时间常数 τ1=RC ，

vC 由 0V 开始增大，在 vC 上升到 2/3VCC 之前，电路保持暂稳态不变。

2

6

VCC R D

O

555

3

v I2

I1v

8 4

v7

VCC

C 1 5

vC

vI

R

C0.01

1

¦ÌF

2

O

v

3 CC

O

t

V

O

t

C

v

O

I

t

v

（ 4 ）自动返回时间——当 vC 上升至 2/3VCC 时， vO 变 0 ，电路由暂稳态重新转入稳态。

（ 5 ）恢复过程——当暂稳态结束后， C 通过饱和导通的 T 放电，时间常数 τ2=RCESC ，由于 RCES 很小，所以放电很快。 C 放电完毕，恢复过程结束。

2

O

v

3 CC

O

t

V

O

t

C

v

O

I

t

v

2. 主要参数估算(1) 输出脉冲宽度 Tw （用三要素法计算）

reW ttTf

11

minmax

CRVV

V

tvv

vvt

CCCC

CC

WCC

CCW 1.1

32

0ln

)()(

)0()(ln 11

（ 2 ）恢复时间 tre

tre= （ 3 ～ 5 ） τ2

（ 3 ）最高工作频率 fmax

vI 周期的最小值：

Tmin= tW ＋ tre

最高工作频率 :

T

TW

二．集成单稳态触发器 74121A1 、 A2 是下降沿有效的触发信号输入端， B 是上升沿有效的触发信号输入端。

A

A

B

vo

vo

extC R int

C ext

extR VCC

GND

10 11 149

1

6

3

4

5

1

2

7

74121

保持稳态0 1

0 1

0 1

0 1

0 × 1

× 0 1

× × 0

1 1 ×

下沿触发1 ↓ 1

↓ 1 1

↓ ↓ 1

上沿触发

工作特征vO vO

输出

0 × ↑

× 0 ↑

A1 A1 B

输入74121 功能

表

集成单稳态触发器 74121 的外部元件连接方法 :

（ b ）使用内部电阻 Rint 且电路为上升沿触发的连接方式。

A

A

Bov

ov

extC intR

ext

ext

C

R CCV

GND

10 11 149

1

6

3

4

5

1

2

7

74121

CCVextR

1

vI

C ext

(a)

A

A

Bov

ov

extC intR

ext

ext

C

R CCV

GND

10 11 149

1

6

3

4

5

1

2

7

74121

vI

C ext CCV

(b)

（ a ）使用外部电阻 Rext 且电路为下降沿触发的连接方式。

74121 的主要参数 (1) 输出脉冲宽度 tW

使用外接电阻： tW ≈0.7RextC

使用内部电阻： tW ≈0.7RintC

74121 内部电阻 =2kΩ ，外接电阻 Rext 可在 1.4 ～ 40kΩ 之间选择，

外接电容 C 可在 10pF ～ 10μF 之间选择，

（ 2 ）输入触发脉冲最小周期 Tmin

Tmin= tW ＋ tre

（ 3 ）周期性输入触发脉冲占空比 q

定义： q = tW/T

最大占空比： qmax= tW/ Tmin

所以，当 R=2kΩ 时，最大占空比 qmax 为 67% ；

当 R=40kΩ 时，最大占空比 qmax 可达 90% 。

三．单稳态触发器的应用1. 延时与定时（ 1 ）延时图中， v/

O 的下降沿比 vI 的下

降沿滞后了时间 tW 。

（ 2 ）定时当 v/

O=1 时，与门打开，

vO= vF 。当 v/O=0 时，

与门关闭， vO 为低电平。

与门打开的时间是单稳

输出脉冲 v/O 的宽度 tW 。

1 &v I

v O

单稳与门v F

Ov

v I

t Wv O

v F

Ov

2. 整形单稳态触发器能够把不规则的输入信号 vI ，整形成为幅度和宽度

都相同的标准矩形脉冲 vO 。 vO 的幅度取决于单稳态电路输出的高、

低电平，宽度 tW 决定于暂稳态时间。

Iv

v Ot W

3. 触摸定时控制开关

555 定时器构成单稳态触发器。只要用手触摸一下金属片 P ，由于人体感应电压相当于在触发

输入端（管脚 2 ）加入一个负

脉冲， 555 输出端输出高电平，

灯泡（ RL ）发光，当暂稳态

时间（ tW ）结束时， 555 输出

端恢复低电平，灯泡熄灭。

该触摸开关可用于夜间定时

照明，定时时间可由 RC 参数

调节。

8 4

7

6

2

1 5

35 5 5

+V CC

R L

R100k

C100¦Ì C 1

0.01¦Ì

(+6V)

P

4. 触摸、声控双功能延时灯

555 和 T1 、 R3 、 R2 、 C4 组成单稳定时电路，定时（即灯亮）时间约为 1 分钟。当击掌声传至压电陶瓷片时， HTD 将声音信号转换成电信号，经 T2 、T1 放大，触发 555 ，使 555 输出高电平，触发导通晶闸管 SCR ，电灯亮；

同样，若触摸金属片 A 时，人体感应电信号经 R4 、 R5 加至 T1 基极，也能使T1 导通，触发 555 ，达到上述效果。

8 4

7

6

2

1 5

3

C 447¦Ì

C0.01¦Ì

55 5NE

A

~220V

R 3

R1M

2

20k

SCR

MCR100

4.7M

4.7M

R 4

R 5

R 6R 7

1M10k

5C0.022¦Ì

T T12

9014

9013

HTD

C 3

220¦Ì

D

1N4004 C 1

0.56¦Ì/400V

1R330

0.01¦ÌC 2

VDD £¨+6V£©

DW2CW13

0

vc

t

vo

0 t

9.3 多谐振荡器多谐振荡器——能产生矩形脉冲波的自激振荡器。一．用 555 定时器构成的多谐振荡器1. 电路组成及工作原理

2

6

VCC R D

O555

3

v I2

I1v

8 4

v7

R

R

VCC

1

2

C 1 5

0.01 ¦ÌFC 1

vC

P

2/3VCC

1/3VCC

(6)

放电端

(2)

5k1

R

T

5k

&

C

¦̧

&

&1

G

S

C

2

5k

¦̧

¦̧

(4)

O

(3)

(7)

v

(1)

(8)

CCV

v

v

C

1

P

R

R

C

I2

2 vI1

2/3V

1/3V

CC

CC

2. 振荡频率的估算（ 1 ）电容充电时间 T1 ：（用三要素法计算）

（ 2 ）电容放电时间 T2

（ 3 ）电路振荡周期 T

T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C

（ 5 ）输出波形占空比 q

)()(

)0()(ln

111 Tvv

vvT

CC

CC

CRR )(7.0 21 CCCC

CCCC

VV

VV

3231

ln1

CRT 22 7.0

CRRTf

)2(

43.11

21

21

211

2RR

RR

T

Tq

（ 4 ）电路振荡频率 f

T

T1 T2

0

vc

t

vo

0 t

2/3VCC

1/3VCC

二．占空比可调的多谐振荡器电路利用二极管的单向导电性，把电容 C充电和放电回路隔离

开，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器。

可计算得： T1=0.7R1C

T2=0.7R2C

占空比：

21

1

21

1

21

11

7.07.0

7.0

RR

R

CRCR

CR

TT

T

T

Tq

2

6

VCC R D

O

555

3

v I2

I1v

8 4

v

7

VCC

C1 5

0.01 ¦ÌFC 1

vC

D

D1

2

1R

2R

9.4.2 集成施密特触发器集成施密特触发器

9.4.1 特性与原理特性与原理

9.4 9.4 施密特触发器施密特触发器

9.4.3 应用举例应用举例

9.2.1 施密特触发器施密特触发器特性与原理特性与原理


基础知识基础知识







施密特触发器是具有滞后特性的数字传输门。

①电路具有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压，二者的差值称为回差。输出电平的变化滞后于输入，形成回环。

②与双稳态触发器和单稳态触发器不同，施密特触发器属于“电平触发”型电路，不依赖于边沿陡峭的脉冲。

特点：










电路举例一

由 555 电路组成的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

1

2

6

5

VCC R D

O555 3

Ov7

v

v

I2

I1v

IC

8 4

1

2

Iv

CCV VCC 2

R

v

v I

t

O1v

t

1/3VCC

2/3VCC

OVIV

电路符号

C

v

5k

S

1

(2)

2/3V

(7)

(6)

v

&

放电端

I1

(3)

G

V

&

v

O1

¦̧

CC

¦̧

(4)

T

CC

¦̧

C

I2

(8)

5k

5k

2

RCC

(1)

&1

1/3VV

O2

1R

vI

v

CC2

2. 电压滞回特性和主要参数

（ 2 ）主要静态参数（ a ）上限阈值电压 VT+

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+=2/3VCC 。

（ b ）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—=1 /3VCC 。

（ 3 ）回差电压 ΔVT

ΔVT= VT+－ VT—=1 /3VCC

（ 1 ）电压滞回特性

1/3VCC

Vo

Vi0

传输特性VOH

VOL

2/3VCC

v I

t

O1v

t

1/3VCC

2/3VCCVT+

VT —

ΔVT

VT+VT —

ΔVT

OVIV

电路符号

C

v

5k

S

1

(2)

2/3V

(7)

(6)

v

&

放电端

I1

(3)

G

V

&

v

O1

¦̧

CC

¦̧

(4)

T

CC

¦̧

C

I2

(8)

5k

5k

2

RCC

(1)

&1

1/3VV

O2

1R

vI

v

CC2

O2v

t

O1v

t

VCC2

1

2

6

5

VCC R D

O555 3

Ov7

v

v

I2

I1v

IC

8 4

1

2

Iv

CCV VCC 2

R

v

vO1

二．集成施密特触发器

2. TTL 集成施密特触发器 74LS14

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

1A

1Y

2A

2Y

3A

3Y

4A

4Y

5A

5Y

6A

6Y

V

V

DD

SS

CC40106

1. CMOS 集成施密特触发器 CC40106

1

2

3

4

5

6

7

1A

1Y

2A

2Y

3A

3Y

GND

8

9

10

11

12

13

14

4A

4Y

5A

5Y

6A

6Y

VCC

74LS14

三．施密特触发器的应用举例

1. 用作整形电路——把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。

输入

输出

VT+

VT-

2. 用于脉冲鉴幅——从一系列幅度不同的脉冲信号中，选出那些幅度大于 VT+ 的输入脉冲。

VI OV1

I

t

V

T-T+

V

0

V

OV

0 t

3. 电动窗帘

本章小结1 ．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。用 555 定时器可以组成多谐振荡器，用石英晶体也定时器可以组成多谐振荡器。石英晶体振荡器的特点是 fo的稳定性极好。

2 ．施密特触发器和单稳态触发器，虽然不能自动地产生矩形脉冲，但却可以把其它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。

3 ． 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。

4 ．除了 555 定时器外，目前还有 556 （双定时器）和 558 （四定时器）等。

第 9 章习题

9.2.3 9.4.1 9.4.3 9.4.5 9.4.6

Documents

第 9 章 脉冲波形的产生与变换

第 9 章脉冲波形的产生与变换