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第6章 脉冲信号的产生和整形
6.1 脉冲信号的基本参数
6.2 施密特触发器
6.3 单稳态触发器
6.4 多谐振荡器
6.5 555定时器及其应用
6.1 概 述
数字电路常常需要用到各种幅度、宽度以及具有陡
峭边沿的脉冲信号，如触发器就需要时钟脉冲（CP）。
获取这些脉冲信号的方法通常有两种：①直接产生；
②利用已有信号整形或变换得到。
脉冲信号产生要用多谐振荡器。
脉冲信号整形则要用单稳态触发器和施密特触发器
本章将介绍常用的施密特触发器、单稳态触发器和
多谐振荡器，同时介绍一种多用途的定时电路——555
定时器。
6.1 概 述
1.脉冲信号的定义
按非正弦规律变化的信号均可称脉冲信号。
方波：
（对称方波）
（不对称方波）
三角波：
锯齿波：
6.1 概 述
2.脉冲信号的参数
v
Tw
0
Vm
T
Vm 幅值
T 脉冲周期
f=1/T 频率
Tw 脉冲宽度
q=TW/T 占空比
t
6.2.1 施密特触发器的基本概念
1. 什么是施密特触发器？
施密特触发器是具有滞后特性的数字传输门。
2.施密特触发器特点：
（1）输出有两种状态（输出为数字信号）；
（2）输入采用电平触发;
（3）对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值
电平（VT+和VT-）。
6.2.1 施密特触发器的基本概念
3. 逻辑符号
1
1
vI
vI
vO
同相传输
vO
反相传输
4.施密特触发器的电压传输特性
vO
vO
VOH
VOH
VOL
0
VOL
0
VT  VT 
vI
VT  VT 
vI
6.2.1 施密特触发器的基本概念
5.施密特触发器与电压比较器
vI
(a)
VT+
VT
VTt
vO
(b)
0
t
vO
(c)
0
t
6.2.2 由CMOS门构成的施密特触发器
1.电路构成
R2
vI
0
G1
vI’ 1 vO1
R1
0
1
G2
1
vO
0
G1、G2为CMOS门电路。电路中R1＜R2 。
2.工作原理分析
（1） 当vI=0V时，vO1 ≈ VDD ， vO ≈ 0V， vI＇ ≈ 0V；
 思考：为什么要求R1<R2？
6.2.2 由CMOS门构成的施密特触发器
（2）当vI升高时，vI’ 也升高。当vI’ 达到1/2VDD时，G1、G2
输出状态将发生翻转。此时对应的vI值称为VT+。
R2
vI
G1
vI’ 1 vO1
R1
0↑
VT+
0↑
=VDD/2
v I ’
R1 vI’
1 / 2VDD
0V
vO
0 →1
1 →0
R2
VT 
G2
1
VT
R1  R 2
VT 
1
2
 R2 
V DD (1 
R1
1
2
V DD
)
R2
（3）当vI大于VT+时，电路转到另一稳态：vO1 ≈ 0V ，vO ≈ VDD 。
6.2.2 由CMOS门构成的施密特触发器
（4）当vI由高变低时，vI ’ 也由高变低。当vI’ ≤1/2VDD时
，电路又将发生转换。此时对应的vI称为VT-。
R2
↓
vI
VT-
G1
vI’ 1 vO1
R1
↓
G2
1
0 →1
=1/2VDD
R2
v I ’
VT 
1→0
(V DD  V T - )  R 1
R1 vI’
1 / 2VDD
VDD
vO
VT- 
R1  R 2
1
2
V DD (1 
 VT- 
R1
)
R2
（5）当vI小于VT-时，电路转到另一稳态：vO1≈ VDD ，
vO ≈ 0V。
1
2
V DD
6.2.2 由CMOS门构成的施密特触发器
3.工作波形
vI
0
VT+
VTt
vO1
0
t
vO
0
t
6.2.3 施密特触发器的应用
1.用于脉冲整形
1
vI
vI
0
vO
0
1
vO
vI
vO
vI
VT+
VTt
t
0
VT+
VTt
vO
0
t
6.2.3 施密特触发器的应用
2.用于脉冲鉴幅
vI
0
1
vI
vO
vO
0
VT+
VTt
t
6.2.3 施密特触发器的应用
3.用于构成多谐振荡器
vC
R
vC
VT+
VT-
1
vO
0
vO
t
C
0
t
6.2.3 施密特触发器的应用
4.用于冰箱温控系统
方案一：采用电压比较器构成的温度控制系统
温度
传感器
1V/oC
实际温控波形
vt
+C
-
vO
冰箱
压缩机
4V(4oC)
vt
4V
0
t
0
t
vO
6.2.3 施密特触发器的应用
 方案二：采用施密特触发器构成的温度控制系统
温度
传感器
vt
1
vO
冰箱
压缩机
1V/oC
实际温控波形
vt
6V (6℃）
0
2V (2℃）
t
0
t
vO
6.2.3 施密特触发器的应用
思考题
试举出施密特触发器在实际生活中的应
用实例，并尽可能说明其原理。
6.3.1 由CMOS门构成的微分型单稳态触发器
1.什么是单稳态触发器？
例子——楼道灯控制系统
有两种状态：0态和1态，但只有一种状态能长久保持，
故名单稳态触发器。
单稳态触发器的特点：
（1）有稳态和暂稳态两种状态；
（2）平时处于稳态，在外部触发脉冲作用下，由稳态进入
暂稳态；
（3）暂稳态维持一定时间后自动回到稳态。
6.3.1 由CMOS门构成的微分型单稳态触发器
单稳态触发器主要有两类：
（1）微分型单稳态触发器
（2）积分型单稳态触发器
6.3.1 由CMOS门构成的微分型单稳态触发器
1.电路组成
门电路+RC微分电路→微分型单稳态触发器
RC微
分电路
VDD
触发脉冲
R
vI
C
≥1
v O1
G1
1
vI2
vO
G2
G1、G2为CMOS或非门，vO1、vO分别为G1、G2的输出
，vI2为G2输入。
6.3.1 由CMOS门构成的微分型单稳态触发器
2.工作原理分析
（1）单稳态触发器的稳态
稳态时，无触发脉冲输入，vI 为低电平，C 没有充放电
，相当于断开。
VDD
vI
R
0
≥1
0
G1
C 1
1
v O1
vI2
1
0
vO
G2
∴触发器的稳态为 vO1 ≈ VDD，vO ≈ 0V。此时，电容
两端的电压相等，无充放电。
6.3.1 由CMOS门构成的微分型单稳态触发器
（2）当vI 加一正脉冲时，由稳态进入暂稳态。
VDD
vI
0
0
R
1
1
≥1
1 0C 1
v O1
vI2
G1
0
1
0
1
vO
G2
暂稳态：vO1≈ 0V，vO ≈ VDD
这里有一正反馈现象：
vI
作用：改善vO1、 vO边沿。
vO1
vI2
vO
6.3.1 由CMOS门构成的微分型单稳态触发器
（3） 暂稳态自动回到稳态
VDD
vI
VT
R
0
≥1
0
0 1C 0
v O1
vI2
G1
1
1
1
0
vO
G2
随着VDD通过电阻向电容C的充电，vI2 逐渐上升，当vI2
上升到VDD/2时，vO ≈ 0V ，vO1 ≈ VDD ，电路回到稳态。
正反馈现象：
作用：改善vO1、 vO边沿。
vI2
vO
vO1
6.3.1 由CMOS门构成的微分型单稳态触发器
VDD
3.工作波形分析
R
vI
C
≥1
v O1
G1
1
vO
vI2
G2
vI
0
v O1
0
v I2
0
vO
0
t
t
VT
t
t
6.3.1 由CMOS门构成的微分型单稳态触发器
4. 参数计算
（1）暂稳态维持时间tw
电容C充电电压方程：
VT
v C ( t )  V C (  )  [V C (  )  V C ( 0 )] e

t

Tw
Tre
将VC（0）≈0V，VC（∞）≈VDD，τ=RC 代入上式得 ：
v C ( t ) V
DD
(1  e

t
RC
)
当vC（t）=VT=1/2VDD时，t=T w，代入上式可求得 ：
T w  RC ln2  0.7 RC
6.3.1 由CMOS门构成的微分型单稳态触发器
（2）恢复时间Tre
Tre≈（3～5）RC
（3）最高工作效率fmax
在暂稳态期间Tw 和恢复时间Tre 内，电路不得响应触发
信号。因此，2个触发信号之间的最小时间间隔为：
Td=Tw+Tre
fmax=
1
Td
6.3.1 由CMOS门构成的微分型单稳态触发器
5. 思考题
（1）若触发脉冲宽度大于Tw 时，电路能否正常工作？
如何解决？
（2）下图中静态时a、b、d、e各点的电位如何？
VDD
Cd
vI
Rd
a
C
≥1
b
G1
R
1
e
d
G2
vO
6.3.2 集成单稳态触发器
1.74LS121的原理框图
微分型单稳
态触发器
VDD
A1
A2
B
控制
电路
G1
≥1
R
C
vO＇
G2
1
1
1
G3
G4
vO
输出缓冲
控制电路用于产生窄脉冲。当输入满足以下条件时，
控制电路产生窄脉冲：
（1）若A1、A2中至少有一个为0时，B由0↗1；
（2）若B=1，A1、A2中至少有一个由1↗0。
6.3.2 集成单稳态触发器
2.74LS121内部结构和逻辑符号
Cext
Rext/Cext
10
A1
A2
B
3
4
5
11
Rext
9
1
2kΩ
控制
电路
≥1
G1
3
4
5
1
1
1
G2
G3
G4
10 11 9 14
Cext
Rint VCC
Rext/Cext
6
v
A1
O
74LS121
A2
vO＇ 1
B
GND
7
6
vO＇
vO
6.3.2 集成单稳态触发器
3.74LS121的功能表
B A2 A1
Q
Q
0
× ×
0
1
×
1
0
1
1
↑ × 0
↑
0 ×
1
1 ↓
1
↓ 1
1
↓ ↓
功
能
保持（处于稳态）
用B正边沿触发
用A负边沿触发
6.3.2 集成单稳态触发器
4.两种不同接法
+5V
C
R
10 11 9 14
Cext
Rint VCC
Rext/Cext
5
vO 6
B
74LS121
3
A1
vO＇ 1
4
A2
GND
7
正脉冲触发
+5V
C
10 11 9 14
Cext
Rint VCC
R /C
3
A1 ext ext
vO 6
4
A2 74LS121
vO＇ 1
5
+5V
B
GND
7
负脉冲触发
6.3.3 单稳态触发器的应用
1.用于整形
vI
0
t
vO
0
t
6.3.3 单稳态触发器的应用
2.用于定时—楼道灯延时开关
零
火
~220V
F2 0.5A
灯
R7
R8
C5
56Ω
6
1
56Ω 5
BTA12
2
0.47μF
F1
0.1A
R1
1MΩ
MOC3061 R5
620Ω
R6
300Ω
T1 9012
R4 22kΩ
C1
Q
0.68μF/400V
VD1~VD4
IN4007×4
+ C2
C3
220μF
0.1μF
VDZ
G &
R2 1
100kΩ
10V/1W
S
&
G2
+
C4 100μF
R3
3MΩ
6.4.1 由CMOS门构成多谐振荡器
1.什么是多谐振荡器？
多谐振荡器就是方波发生器。由于方波中除基波外
还包含了许多高次谐波，因此，又称为多谐振荡器。
多谐振荡器不需要外加信号，只要一上电就会产生
方波信号。
6.4.1 由CMOS门构成多谐振荡器
2.电路组成及工作原理
G1
vO1
1
1
R1
G2
1
0
0
1
vO2
R
C
vI1
（1） 设电路的初态为vO1=1, vO2=0，这种状态下不可能持
久维持；
（2）通过vO1→R→C→vO2向C充电，使vI1不断上升；
（3）当vI1＞VT时，G1输出低电平，G2输出高电平，即
vO1=0， vO2=1。
6.4.1 由CMOS门构成多谐振荡器
3.工作原理
G1
1
R1
0
1
vO1
G2
1
1
0
vO2
R
C
vI1
（4） vO1=0， vO2=1这个状态也不能持久；
（5）通过vO2→C→R→vO1对电容C反向充电，vI1逐步减少；
（6）当vI1＜VDD/2时，G1输出高电平， G2输出低电平，即又
回到vO1=1，vO2=0的状态。
（7）周而复始产生方波。
6.4.1 由CMOS门构成多谐振荡器
4.工作波形
vO1
G1
1
R1
vO1
G2
0
1
vI1
R
C
vO2
T1
T2
0
t
t
vO2
vI1
0
T1、T2的计算公式推导参考教材P246
t
1
V DD
2
6.4.2 CMOS石英晶体振荡器
1.石英晶体振荡器
（1） 石英晶体的等效电路
X
L
CP
C
f0
fP
0
R
(a)电路符号
(b)等效电路
(c)阻抗频率特性
f
6.4.2 CMOS石英晶体振荡器
（2） 石英晶体振荡器原理图
vO
晶体
Rf
1MHz
10MΩ
vI
C1
10pF
1
V DD
2
R1
1
2kΩ
vO
C2
10pF
0
1
V DD
2
vI
6.5.1 555定时器的工作原理
1. 7555定时器的内部结构及逻辑符号
比较器RD
VDD
2VDD/3
⑤
VCO
vI1 ⑥
（TH）
vI2
②
（TR）
⑧
④
5kΩ
VTH
+
R
C1
5kΩ
VTL
RD
R
S
基本SR锁存器
G
1
③
⑦
C2
+
S
5kΩ
GND ①
VDD/3
N1
vO
8 VDD
GND 1
DISC
7
DISC
3
6
vI1
4
5 VCO
vI2
2
vO
RD
7555
6.5.1 555定时器的工作原理
2.555定时器的功能表
2VDD/3
vI1 ⑥
－
C1
R
+
输
VDD/3
vI2②
入
+ C2
－
S
输 出
RD
vI1
vI2
S
R
vO
N1状态
0
×
×
×
×
0
导通
1
＜2 VDD /3
＜VDD /3
1
0
1
截止
1
＞2 VDD /3
＞VDD /3
0
1
0
导通
1
＜2 VDD /3
＞VDD /3
0
0
不变
不变
1
＞2 VDD /3
＜VDD /3
1
1
1
截止
6.5.2
555构成的施密特触发器
1.电路结构
VDD
RD
4
vI1
vI
vI2
8
1
7
6 555
3
2
1
5
VCO
0.01μF
vO
vI
vO
6.5.2
555构成的施密特触发器
2.原理分析
vI
2VDD/3
VDD/3
0
vO
0
2VDD/3
vI ⑥
－
C1
+
R
+ C2
S
t
VDD/3
vI ②
－
t
（1）当vI＜VDD/3时， R=0，S=1，Q=1，vO=1；
（2）当VDD/3＜ vI＜2VDD/3时， R=0，S=0，Q=1，vO=1；
（3）当 vI＞2VDD/3时，R=1，S=0，Q=0，vO=0；
（4）当VDD/3＜ vI＜2VDD/3时， R=0，S=0，Q=0，vO=0；
（5）当vI＜VDD/3时， R=0，S=1，Q=1，vO=1；
6.5.2
555构成的施密特触发器
3.主要参数
1. 阀值电平
VT+=2VDD/3
VT-=VDD/3
2. 回差电压= VT+－ VT-=VDD/3
思考：如何调节阈值电压？
6.5.3 555构成的多谐振荡器
1.电路结构
VDD
R2
R
vC
1
4
vI1
vO
vI2
C
C
R1
8
7
555
6
2
3
1
DISC
vO
5
0.01μF
VDD
R1
RD
R2
DISC
4 8
7
vI1
6 555 3
vI2
2
1 5
vC
C
0.01μF
vO
6.5.3 555构成的多谐振荡器
2.工作原理
2VDD/3
－
C1
vC ⑥
+
R
VDD/3
+ C2
S
VDD
R1
RD
R2
DISC
4 8
7
vI1
6 555 3
vI2
2
1 5
vC
C
0.01μF
vC②
vO
－
（1）上电时，vC=0，得R=0，
S=1，Q=1，N1管截止,vO=1。
（2）当VDD通过R1、R2向C充
电，vC 逐渐上升;
（3）当vC ＞2VDD/3时，R=1，S=0，基本SR锁存器被置0，
Q=0，N1管导通，vO=0。
6.5.3 555构成的多谐振荡器
2VDD/3
VDD
R1
RD
R2
DISC
4 8
7
vI1
6 555 3
vI2
2
1 5
vC
C
vO
－
C1
vC ⑥
+
R
VDD/3
+ C2
S
vC ②
－
0.01μF
（4）电容C将通过R2和N1管放电，
vC逐渐下降；
（5）当vC下降到vC ＜VDD/3时，R=0，S=1，SR 锁存器置成
1态，Q=1，T1管截止， vO=1。对电容C充电又重新开始。
6.5.3 555构成的多谐振荡器
3.工作波形
vC
2VDD/3
VDD/3
0
T1
vO
t
T2
t
0
4.主要参数计算
通过vC的暂态方程，求得：
T1=0.7(R1+R2)C
T2=0.7R2C
T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C
q 
T1
T

R1  R 2
R1  2 R 2
从占空比q 的表达式可知，占空比始终大于50﹪ 。
6.5.3 555构成的多谐振荡器
5.占空比任意可调的多谐振荡器
VDD

R

R1
2
7
VD1
VD2
C
T1=0.7R1C
4
6
vC
8
555 3
2
1
5
0.01μF
T2=0.7R2C
vo
6.5.3 555构成的多谐振荡器
6.思考题
如图所示是一个由555定时器构成的防盗报警电路，
a、b两端被一细铜丝接通，此铜丝置于盗窃者必经
之路，当盗窃者闯入室内将铜丝碰断后，扬声器即
发出报警声。说明本报警电路的工作原理。
+6V
5.1kΩ
100kΩ
0.01μF
8Ω
vI1
vI2
8
7
4
6 555
2
50kΩ
+
a
3
1
b
5
0.01μF
6.5.4 555构成的单稳态触发器
1.电路结构
④
⑧
VDD
R
⑥
②
vI
⑦
C
①
+
C1
C2
+
N1
R
S
R
1R
1S
Q
1
③
vO
6.5.4 555构成的单稳态触发器
2.工作原理分析
④
⑧
R
⑥
vI
0 ≥2VDD/3
→0②
1
⑦
C
①
VDD
+
（1）什么是稳态？
0 →1 →0
C1
C
+ 2
R
R
1R
1S
Q
S
0 →0 →0
N1
导通
截止 →导通
1
③
vO
10→0
0
→1
1
接通电源时R=0,
S=0；
假设SR锁存器
初态为0；
vO=0V，此状
态能长久保持；
假设SR锁存器初态为1；最后又回vO=0V 。
结论：接通电源后，不管起始状态如何，最终触发器处
于稳态 vO=0。
6.5.4 555构成的单稳态触发器
VDD
④
⑧
C1
R
R
≥2VDD/3
1 →0
vI
- +
+
⑥
0→0
②
⑦
∞ 0 →0 →1 →0
R
∞
R
1R
1S
Q
- +
0 →1→0 →0
+
R
1
③
vO
0 →1 →0
1→0→1
C2
C
①
导通 →截止 →导通
（2）当vI加一个负脉冲，电路进入暂稳态，vO=VDD ；
（3）触发器自动回到稳态，vO=0
6.5.4 555构成的单稳态触发器
3.工作波形
vI
VDD
R
4
0
8
7
6 555
vI
3
vO
2
1
C
t
vC
2/3VDD
0
5
0.01μF
t
vO
TW
0
4.主要参数
TW  RC ln 3  1 . 1 RC
t
6.5.4 555构成的单稳态触发器
5.可重触发单稳态触发器
（1）何谓可重触发？
重触发脉冲
vI
vC
不可重触发工作波形
vO
vI
vC
vO
可重触发工作波形
tW
tW
6.5.4 555构成的单稳态触发器
（2）可重触发单稳态触发器原理图
VDD
R
4
8
7
6 555
vI
3
vO
2
1
T
5
C
0.01μF
（3）可重触发单稳态触发器应用——失落脉冲检测电路
vI
vO
tW
小
结
1. 基本SR锁存器具有两个稳态、单稳态触发器具有
一个稳态，而多谐振荡器没有稳态。
2. 无论电路的具体结构如何，凡是含有RC元件的
脉冲电路，分析的关键就是电容的充放电，而关键
连接点就是与电容相连的门电路的输入端。
3. 555定时器是一种应用广泛的集成电路，它是早
期模拟电路和数字电路结合的典范。