第 7章 脉冲波形的产生与整形
授课计划
教学内容
教学小结
一、授课计划
1、教学目标
1,掌握 555定时器的结构框图、应用电路及其工作原理。
2,掌握施密特触发器的工作原理特点、电压传 输特性、
回差的概念、应用。
3,掌握多谐振荡器的常用电路形式、工作原理、参数
计算。
4,了解石英晶体振荡器的特点。
5,掌握单稳态触发器的常用电路形式、工作特点，集成
单稳态触发器的参数计算、应用。
6,通过 555定时器应用电路的学习，巩固三种脉冲电路
（施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器）知识。
2、重点与难点
1、重点：多谐振荡器，施密特触发器和单
稳态触发器在波形处理方面的应
用。
2、难点：用 555定时器、门电路芯片构成
满足指定功能的电路。
3、学时分配：共 4学时
?第 1,2学时,555时基集成电路
?第 3,4学时,555时基集成芯片的应用
7.1 集成 555定时器 （第 1,2学时）
7.1.1 555时基集成电路的分类
555时基集成电路按内部元件分类，可分为 TTL
型 555（电源电压为 4.5V~＋ 5V）和 CMOS型 555
（电源电压为 2V~18V）两大类，按芯片内包含的
定时器的个数可分为单时基定时器 555和双时基定
时器 556两种类型。按封装分类又可分为 8脚 T0~99
型,8脚双列直插型（见图） 和 14脚双列直插
型三种（见图）
由以下几部分组成：
（ 1） 三个阻值为 5kΩ的电阻组成的分压器 。
（ 2） 两个电压比较器 C1和 C2。
7.1.2 555定时器的电路 的组成
电压比较器的功能：
v+> v-,vO=1
v+< v-,vO=0
（ 3） 基本 RS触发器,
（ 4） 放电三极管 T及缓冲器 G。
7.1.3 555时基集成电路的功能
555定 时器功能表
（ 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 。
（ 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。
比较 TTL型 555和 CMOS555,从表 7.2可以看出两者的差异是：
1,CMOS型 555的功耗权为 TTL型 555的几十分之一, 静态电流仅为
120μ A左右, 为微功耗器件；
2,CMOS型 555的电源电压可低到 2~3V，高至 18V，各输入功能端
电流均为 PA量级；
3,CMOS型 555的输入阻抗比 TTL型 555要高出几个数量级, 高达
1010Ω；
4,CMOS型 555的输出脉冲的上升沿和下降沿比 TTL型要陡, 转换时
间短；
5,CMOS型 555的驱动功能力差, 输出电流仪为 1~3mA,而 TTL型
555的输出 驱动电流可达 200mA。
一般说来, 在要求定时长, 功耗小, 负载轻的场合, 宜选用 CMOS
型的 555,而在负载重, 要求驱动电流大, 电压高的场合, 宜选用 TTL
型 555。
CMOS型 555的输入阻抗高达 1010Ω数量级远比 TTL型高, 非常适合于
做长时间的延时电路, RC时间常数一般很大 。
7.2 555时基集成芯片的应用 （第 3,4学时）
7.2.1 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
（ 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
2,电压滞回特性和主要参数
（ 1）电压滞回特性
二, 集成施密特触发器
1,CMOS集成施密特触发器 CC40106
2,TTL集成施密特触发器 74LS14
三,施密特触发器的应用举例
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 。
1.用作整形电路 —— 把不规则的输入信号整
形成为矩形脉冲 。
7.2.2 单稳态触发器
单稳态触发器 —— 有一个稳态和一个暂稳态；在触发脉冲
作用下，由稳态翻转到暂稳态；暂稳状态维持一段时间后，
自动返回到稳态。
一,用 555定时器组成单稳态触发器
1,电路组成及工作原理
（ 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。
（ 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 。
（ 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 。
（ 4）自动返回（暂稳态结束）时间
当 vC上升至 2/3VCC时,vO由 1跳变 0，三极管 T由截止转为饱和导通，
电容 C经 T迅速放电，电压 vC迅速降至 0V，电路由暂稳态重新转入稳态。
（ 5） 恢复过程
当暂稳态结束后, 电容 C通过饱和导通的放电三极管 T放电, 时间常
数 τ2=RCESC,经过 （ 3～ 5） τ2后, 电容 C放电完毕, 恢复过程结束 。
2,主要参数估算
(1) 输出脉冲宽度 Tw（ 用三要素法计算 ）
上式说明, 单稳态触发器输出脉冲宽度 tW仅决定于定时元件
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
tre=（ 3～ 5） τ2
（ 3） 最高工作频率 fmax
vI周期的最小值,Tmin= tW＋ tre
因此, 单稳态触发器的最高工作频率应为,
单稳态触发器的应用
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 。
显然与门打开的时间是
恒定不变的, 就是单稳
输出脉冲 v/O的宽度 tW。
1,延时与定时
（ 1） 延时
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 。
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 。
举例,下 图题为一心律失常报警电路，图中 vI是经过放大后的心电信号，
其幅值 vIm=4V。
（ 1）对应 vI分别画出图中 vo1,vo2,vo三点的电压波形；
（ 2）说明电路的组成及工作原理 。
7.2.3 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
多谐振荡器
波形
2,振荡频率的估算
（ 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
（ 1） 电容充电时间 T1,（ 用三要素法计算 ）
（ 2） 电容放电时间 T2
二,占空比可调的多谐振荡器电路
可计算得,T1=0.7R1C
T2=0.7R2C
占空比：
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 。
石英晶体多谐振荡器
1.石英晶体的选频特性
有两个谐振频率 。 当 f=fs时, 为串联谐振, 石英晶体的电抗 X=0；
当 f=fp时, 为并联谐振, 石英晶体的电抗无穷大 。
由晶体本身的特性决定,fs≈fp≈f0（ 晶体的标称频率 ）
石英晶体的选频特性极好, f0十分稳定, 其稳定度可达 10-10～ 10-11。
2,石英晶体多谐振荡器
R1,R2的作用 —— 使两个反相器在静态时都工作在转折区, 成为具
有很强放大能力的放大电路 。
对于 TTL 门, 常取 R1=R2=0.7 ～ 2kΩ, 若是 CMOS 门 则常 取
R1=R2=10～ 100MΩ ； C1=C2是耦合电容 。
石英晶体工作在串联谐振频率 f0下, 只有频率为 f0的信号才能通过,
满足振荡条件 。 因此, 电路的振荡频率 = f0,与外接元件 R,C无关,
所以这种电路振荡频率的稳定度很高 。
（ 1） 串联式振荡器
（ 2）并联式振荡器
RF是偏置电阻,保证在静态时使 G1工作转折区，构成一个反相放
大器。
晶体工作在略大于 fS与 fP之间, 等效一电感, 与 C1,C2共同构成
电容三点式振荡电路 。 电路的振荡频率 =f0。
反相器 G2起整形缓冲作用, 同时 G2还可以隔离负载对振荡电路
工作的影响
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 。
课后作业
T7.3 555时基集成芯片应用可以归类为哪三种基本电路？
T7.7 试用 CMOS555时基集成芯片构成一个电路, 实现图 P7.7所求的
波形变换, 电源电压
有 18V,15V,10V,6V可选用 。 请画出接线原理图,并标明选用
的电源电压值 。
T7.8 电路如图 P7.8所示, 设外接二极管为理想二极管, 试求占空比
q和工作频率 fO。
T7.9 图 P7.9是用两个 555时基集成电路接成的延迟时间报警器 。 细
金属丝 S放在小偷必经之处, S断后, 经过一定的延迟时间后扬声
器开始发出报警的声音 。 若在延时时间内 S重新闭合, 扬声器不
会发出声音 。 在图中给定的参数下, 试求延尽时间 △ t的具体数值
和扬声器发出报警声音的频率 。 图中的 G1是 CMOS反相器, 输出
的高电平 UOH=12V,输出的低电平 UOL=OV。
作业图
授课计划
教学内容
教学小结
一、授课计划
1、教学目标
1,掌握 555定时器的结构框图、应用电路及其工作原理。
2,掌握施密特触发器的工作原理特点、电压传 输特性、
回差的概念、应用。
3,掌握多谐振荡器的常用电路形式、工作原理、参数
计算。
4,了解石英晶体振荡器的特点。
5,掌握单稳态触发器的常用电路形式、工作特点，集成
单稳态触发器的参数计算、应用。
6,通过 555定时器应用电路的学习，巩固三种脉冲电路
（施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器）知识。
2、重点与难点
1、重点：多谐振荡器，施密特触发器和单
稳态触发器在波形处理方面的应
用。
2、难点：用 555定时器、门电路芯片构成
满足指定功能的电路。
3、学时分配：共 4学时
?第 1,2学时,555时基集成电路
?第 3,4学时,555时基集成芯片的应用
7.1 集成 555定时器 （第 1,2学时）
7.1.1 555时基集成电路的分类
555时基集成电路按内部元件分类，可分为 TTL
型 555（电源电压为 4.5V~＋ 5V）和 CMOS型 555
（电源电压为 2V~18V）两大类，按芯片内包含的
定时器的个数可分为单时基定时器 555和双时基定
时器 556两种类型。按封装分类又可分为 8脚 T0~99
型,8脚双列直插型（见图） 和 14脚双列直插
型三种（见图）
由以下几部分组成：
（ 1） 三个阻值为 5kΩ的电阻组成的分压器 。
（ 2） 两个电压比较器 C1和 C2。
7.1.2 555定时器的电路 的组成
电压比较器的功能：
v+> v-,vO=1
v+< v-,vO=0
（ 3） 基本 RS触发器,
（ 4） 放电三极管 T及缓冲器 G。
7.1.3 555时基集成电路的功能
555定 时器功能表
（ 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 。
（ 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。
比较 TTL型 555和 CMOS555,从表 7.2可以看出两者的差异是：
1,CMOS型 555的功耗权为 TTL型 555的几十分之一, 静态电流仅为
120μ A左右, 为微功耗器件；
2,CMOS型 555的电源电压可低到 2~3V，高至 18V，各输入功能端
电流均为 PA量级；
3,CMOS型 555的输入阻抗比 TTL型 555要高出几个数量级, 高达
1010Ω；
4,CMOS型 555的输出脉冲的上升沿和下降沿比 TTL型要陡, 转换时
间短；
5,CMOS型 555的驱动功能力差, 输出电流仪为 1~3mA,而 TTL型
555的输出 驱动电流可达 200mA。
一般说来, 在要求定时长, 功耗小, 负载轻的场合, 宜选用 CMOS
型的 555,而在负载重, 要求驱动电流大, 电压高的场合, 宜选用 TTL
型 555。
CMOS型 555的输入阻抗高达 1010Ω数量级远比 TTL型高, 非常适合于
做长时间的延时电路, RC时间常数一般很大 。
7.2 555时基集成芯片的应用 （第 3,4学时）
7.2.1 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
（ 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
2,电压滞回特性和主要参数
（ 1）电压滞回特性
二, 集成施密特触发器
1,CMOS集成施密特触发器 CC40106
2,TTL集成施密特触发器 74LS14
三,施密特触发器的应用举例
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 。
1.用作整形电路 —— 把不规则的输入信号整
形成为矩形脉冲 。
7.2.2 单稳态触发器
单稳态触发器 —— 有一个稳态和一个暂稳态；在触发脉冲
作用下，由稳态翻转到暂稳态；暂稳状态维持一段时间后，
自动返回到稳态。
一,用 555定时器组成单稳态触发器
1,电路组成及工作原理
（ 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。
（ 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 。
（ 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 。
（ 4）自动返回（暂稳态结束）时间
当 vC上升至 2/3VCC时,vO由 1跳变 0，三极管 T由截止转为饱和导通，
电容 C经 T迅速放电，电压 vC迅速降至 0V，电路由暂稳态重新转入稳态。
（ 5） 恢复过程
当暂稳态结束后, 电容 C通过饱和导通的放电三极管 T放电, 时间常
数 τ2=RCESC,经过 （ 3～ 5） τ2后, 电容 C放电完毕, 恢复过程结束 。
2,主要参数估算
(1) 输出脉冲宽度 Tw（ 用三要素法计算 ）
上式说明, 单稳态触发器输出脉冲宽度 tW仅决定于定时元件
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
tre=（ 3～ 5） τ2
（ 3） 最高工作频率 fmax
vI周期的最小值,Tmin= tW＋ tre
因此, 单稳态触发器的最高工作频率应为,
单稳态触发器的应用
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 。
显然与门打开的时间是
恒定不变的, 就是单稳
输出脉冲 v/O的宽度 tW。
1,延时与定时
（ 1） 延时
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 。
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 。
举例,下 图题为一心律失常报警电路，图中 vI是经过放大后的心电信号，
其幅值 vIm=4V。
（ 1）对应 vI分别画出图中 vo1,vo2,vo三点的电压波形；
（ 2）说明电路的组成及工作原理 。
7.2.3 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
多谐振荡器
波形
2,振荡频率的估算
（ 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
（ 1） 电容充电时间 T1,（ 用三要素法计算 ）
（ 2） 电容放电时间 T2
二,占空比可调的多谐振荡器电路
可计算得,T1=0.7R1C
T2=0.7R2C
占空比：
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 。
石英晶体多谐振荡器
1.石英晶体的选频特性
有两个谐振频率 。 当 f=fs时, 为串联谐振, 石英晶体的电抗 X=0；
当 f=fp时, 为并联谐振, 石英晶体的电抗无穷大 。
由晶体本身的特性决定,fs≈fp≈f0（ 晶体的标称频率 ）
石英晶体的选频特性极好, f0十分稳定, 其稳定度可达 10-10～ 10-11。
2,石英晶体多谐振荡器
R1,R2的作用 —— 使两个反相器在静态时都工作在转折区, 成为具
有很强放大能力的放大电路 。
对于 TTL 门, 常取 R1=R2=0.7 ～ 2kΩ, 若是 CMOS 门 则常 取
R1=R2=10～ 100MΩ ； C1=C2是耦合电容 。
石英晶体工作在串联谐振频率 f0下, 只有频率为 f0的信号才能通过,
满足振荡条件 。 因此, 电路的振荡频率 = f0,与外接元件 R,C无关,
所以这种电路振荡频率的稳定度很高 。
（ 1） 串联式振荡器
（ 2）并联式振荡器
RF是偏置电阻,保证在静态时使 G1工作转折区，构成一个反相放
大器。
晶体工作在略大于 fS与 fP之间, 等效一电感, 与 C1,C2共同构成
电容三点式振荡电路 。 电路的振荡频率 =f0。
反相器 G2起整形缓冲作用, 同时 G2还可以隔离负载对振荡电路
工作的影响
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 。
课后作业
T7.3 555时基集成芯片应用可以归类为哪三种基本电路？
T7.7 试用 CMOS555时基集成芯片构成一个电路, 实现图 P7.7所求的
波形变换, 电源电压
有 18V,15V,10V,6V可选用 。 请画出接线原理图,并标明选用
的电源电压值 。
T7.8 电路如图 P7.8所示, 设外接二极管为理想二极管, 试求占空比
q和工作频率 fO。
T7.9 图 P7.9是用两个 555时基集成电路接成的延迟时间报警器 。 细
金属丝 S放在小偷必经之处, S断后, 经过一定的延迟时间后扬声
器开始发出报警的声音 。 若在延时时间内 S重新闭合, 扬声器不
会发出声音 。 在图中给定的参数下, 试求延尽时间 △ t的具体数值
和扬声器发出报警声音的频率 。 图中的 G1是 CMOS反相器, 输出
的高电平 UOH=12V,输出的低电平 UOL=OV。
作业图
