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《数字电子技术基础》
第9章 脉冲单元电路
脉冲产生与整形电路
施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器
电路结构、工作原理与应用。
555定时器，构成施密特触发器、单稳态触发器
、多谐振荡器的方法与原理。
三大脉冲电路：施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器
施密特触发器：有两个稳定状态，有外触发输入，
一个稳定状态
另一个稳定状态由外输入触发，没有电容。
单稳态触发器：有一个稳态和一个暂稳态，有外触发输入；
从稳定状态
暂稳态由外输入触发，
电容充电使暂稳态
稳态，有电容。
多谐振荡器：无稳态，电容充电使一个暂稳态转为另一个暂稳态，
正反馈电路，振荡电路没有外输入信号，有电容。
正向阈值电压VT+
负向阈值电压VT-
回差电压△VT = VT+ - VT同相施密特触发器
反相施密特触发器
施密特触发器波形
多谐振荡器
单稳态触发器
9.4
555定时器及其应用
• 555定时器是数字、模拟混合集成电路，电路结构简单、使用方便灵活，
配接几个阻容元件可构成施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器。
• 555定时器用在脉冲波形的产生变换、测量控制、仪器仪表等领域。
9.4.1 555定时器的电路结构及其功能
• 电路由电压比较器C1、C2； G1 G2基
本RS触发器，集电极开路的放电管VT
和输出缓冲器G3组成。
• 3个5 kΩ电阻组成分压器，为电
压比较器C1、C2提供参考电压。
控制电压输入端VCO悬空时，电源
VCC经过3个电阻分压
2
1
VA  VCC
VB  VCC
3
3
•
• vI1是比较器C1的信号输入端，称
为阈值输入端（TH）；
• vI2是比较器C2的信号输入端，称
为触发输入端（TR）。
• 控制电压输入端外接固定电压VCO
时，VA =VCO、
1
VB  VCO
2
• RD 是直接复位端，低电平清0，正常工作时，RD为高电平1。
v I 2  VB ，vC1  0 vC2  1 ，基本RS触发器置0，
Q  0 Q  1 输出 vO =0，VT的基极为高电平，VT导通。
当 vI1  VA vI2  VB ，vC1  1 vC2  0 ，基本RS触发器被置1，
Q  1 Q  0 vO = 1，VT截止。
当 vI1  VA vI2  VB ，
vC1  1 vC2  1
• 基本RS触发器保持，VT状态不变。
• 当 vI1  VA vI2  VB ，
•
•
•
•
•
当 v I1  VA
vC1  0 vC2  0
• 基本RS触发器状态 Q  Q  1
• vO =1，VT截止。
9.4.2
555定时器构成的施密特触发器
• 将阈值输入端TH和触发输入端TR连
在一起，作为触发信号的输入端，
构成了反相输出的施密特触发器。
• VCO接了一个0.01μF的滤波电容提
高比较器参考电压的稳定性。
• 当 v  1V v  1 v  0
I
3
CC
C1
C2
• 基本RS触发器置1，Q  1 Q  0
• 施密特触发器的输出 vO  VOH
2
• 当1
VCC  vI  VCC vC1  1 vC2  1
3
3
• 基本RS触发器保持，vO  VOH
2
• 当
v 1
vI≥ VCC
3
vC1  0
C2
• 基本RS触发器置0， Q  0 Q  1
• 输出 vO 由高电平跳变为低电平。
• 当vI上升到 2 V 输出状态跳变 v  V
O
OL
CC
3
2
VT   VCC
• 施密特触发器的正向阈值电压
3
• vI再增大，对电路的输出状态没有影响。
• 当vI由高电平逐渐下降，1 V  v  2 V
3
CC
I
3
CC
• 电压比较器输出 vC1  1 vC2  1
• 基本RS触发器保持原状态不变，vO  VOL
• 当 v ≤1V
vC1  1 vC2  0
I
CC
3
• 基本RS触发器置1，Q  1 Q  0
1
• 输出vO由低电平VOL跳变为高电平VOH。vI下降到 VCC ，电路输出状态又发
3
生另一次跳变，
1
• 电路的负向阈值电压 VT  VCC
1
3
VCC

V

V

V

• 施密特触发器的回差电压
T
T
T
3
1
• 如果控制电压输入端外接固定电压VCO时，则VT+=VCO、 V  1 V

V

VCO
TCO
T
2
2
• 改变的值可以调节回差电压的大小。
9.4.3
555定时器构成的单稳态触发器
• 单稳态触发器将TR端作为触发信号
的输入端，VT的集电极通过电阻R
接VCC组成了一个反相器；集电极通
过电容C接地，R和C为定时元件。
• 没有触发信号vI为高电平。接通电
源后，VCC经电阻R对电容C充电，电
容C上的电压
，
2
vC≥ VCC
3
• 电压比较器vC1  0 ，vI为高电平，
1
• vI  VCC 电压比较器 vC2  1 ，
3
• 基本RS触发器置0，Q=0、Q =1，单
稳态触发器的输出vO=VOL。
• 三极管VT导通，电容C经VT迅速放
完电，vC  0，电压比较器 vC1  1
基本RS触发器的两个输入信号都为
高电平1，保持0状态不变。
• 在稳定状态 vC  0 vO  VOL
1
当vI由高电平跳变到低电平，< VCC
3
vC2  0，∵ vC  0 ，vC1  1
基本RS触发器被置1，Q=1、Q =0，
输出vO由低电平VOL跳变为高电平VOH
三极管VT截止，电源VCC经R对C充电
电路进入暂稳态。
在暂稳态期间输入电压vI回到高电平
2
电容C充电，vC逐渐升高。当vC上升到 vC≥ VCC
3
比较器vC1=0，vI已为高电平，比较器vC2=1，
基本RS触发器置0，Q=0、Q =1，
单稳态触发器vO由高电平VOH跳变为VOL。
三极管VT导通，电容C经VT迅速放电，vC≈0，电路返
回稳定状态。
• 单稳态触发器输出的脉冲宽度tW为暂稳态
维持的时间，电容C上的电压由0充到 2
VCC
所需时间：
3
tW  RC ln
VCC  0
 RC ln 3  1.1RC
2
VCC  VCC
3
• 通常R的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间，
电容C的取值范围为几百皮法到几百微法，
tW的范围为几微秒到几分钟。
• 必须注意随着tW宽度的增加，电路的精度
和稳定度也将下降。
9.4.4
555定时器构成的多谐振荡器
• 在施密特触发器基础上改成多谐振
荡器
• 将VT集电极经R1接到VCC上，组成了
反相器；反相器输出接R2、C积分
电路，积分电容C再接施密特触发
器的输入（TH和TR），组成了多谐
振荡器。R1、R2、C为定时元件。
• 接通电源后，VCC经电阻R1和R2对电
容C进行充电，电压vC由0按指数规
律上升。
2
v
≥
VCC （V ）时，
• 当电容电压 C
T+
3
• 电压比较器输出为vC1=0、vC2=1，
基本RS触发器置0，Q=0、 Q =1，
• 多谐振荡器的输出vO=VOL。
• 三极管VT导通，电容C经电阻R2和
VT放电，电路进入一个暂稳态。
• 电容C放电，vC随之下降。当vC下降
到
1 （VT-）时
vO ≤ VCC
3
• 电压比较器vC1=1、vC2=0，
• 基本RS触发器置1，Q=1、Q =0，输
出vO由低电平VOL跳变为高电平VOH。
•
Q =0，放电管VT截止，电源VCC经
电阻R1和R2对电容C进行充电。
• 电路进入另一个暂稳态。
• 电容C上的电压vC在VT+和VT-之间来
回充电和放电，电路产生振荡，输
出矩形脉冲。
• 工作波形
• tW1为电容C的电压由VT-充到VT+所需的时间
，充电回路的时间常数为(R1+R2)C。
tw1  ( R1  R2 )C ln
VCC  VT 
 ( R1  R2 )C ln 2
VCC  VT+
• tW2为电容C的电压由VT+下降到VT-所需的时
间，放电回路的时间常数R2C。
0  VT 
tw2  R2 C ln
 R2 C ln 2
0  VT 
• 多谐振荡器的振荡周期T为
T  tw1  tw2  (R1  2R2 )Cln2
• 振荡频率为
1
1
f


•
T (R1  2R2 )Cln2
• 输出脉冲的占空比为
tw1
(R1  R2 )Cln2
R1  R2
q
 100% 
 100% 
 100%
T
(R1  2R2 )Cln2
R1  2R2
• 输出脉冲占空比可调的多谐振荡器。在放电管VT截止时，电源VCC经R1
和VD1对电容C充电；
• 当VT导通时，C经VD2、R2和放电管VT放电。调节电位器RP可改变R1和
R2的比值。也改变输出脉冲的占空比 q 。
tw1  R1C ln 2
tw2  R2C ln 2
• 振荡周期T为 T  t  t  (R  R )Cln2
w1
w2
1
2
• 占空比为
R1
q
 100%
R1  R2
• 当R1=R2时，q  50%
• tW1=tW2，多谐振荡器输出方波。
作 业 答 案
• 9.11 图9.44所示为由555定时器构成的施密特触发器，若电源 VCC  9 V
，则不考虑VCO影响的情况下，求其正、负向阈值电压VT+、VT-及回
差电压ΔVT。
• 答9.11 VT+=6V；VT-=3V；ΔVT=3V。
2
VT   VCC
3
1
VT   VCC
3
VT  VT   VT  
1
VCC
3
• 9.12 画出由555定时器构成的施密特触发器电路的电路图。若输入
波形如图9.45所示，VCC=15V，试画出对应的输出波形。如5脚改接的 10 kΩ
电阻，再画出输出波形。
• 10k//10k=5k VCO=7.5V
• 1/2VCO=3.75V
• 9.13
VCC
图9.46所示为由555定时器组成的单稳态触发器。已知
 10 V RL  33 k
R  10 k C  0.1 F
• 试求输出脉冲的宽度 t w ，并画出VI、VC和VO的波形。
tW  RC ln
VCC  0
 RC ln 3  1.1RC
2
VCC  VCC
3
• 9.16
图9.49所示为由555定时器构成的多谐振荡器。已知
VCC  10 V
R1  20 k
R2  8 k
C  0.1 F
• 试求：
• （1）多谐振荡器的振荡周期；
• （2）在vI的输入波形下，画出它对应的vC、vO输出波形
• 答9.16 （1）T = 2.52ms；
• （2）见图P9.16。
T  tw1  tw2  (R1  2R2 )Cln2
• 9.17 请说明图9.50所示的由555定时器构成的电路是哪一种脉冲电
路，画出输出电压vO和电容C2两端电压vC2的波形。在vC2的波形中应
该标明转折点的信号值。
• 答9.17 多谐振荡器，见图P9.17。