第六章 脉冲波形的产生和整形
§ 6-1 概述
§ 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
§ 6-2 施密特触发器
§ 6-1 概述获取 矩形脉冲波形 （时钟） 的途径有两种：
2、用整形电路把已有的周期性变化的波形整形产生
1,用 多谐振荡器 直接产生矩形脉冲波形的整形电路 —— 施密特触发器,单稳态触发器。
用门电路可以构成 施密特触发器,单稳态触发器和 多谐振荡器 。
用 555定时器也可以构成 施密特触发器,单稳态触发器和 多谐振荡器 。
§ 6-2 施密特触发器
6-2-1 特点和用途一、特点
1、电平触发,触发信号 UI可以是变化缓慢的模拟信号,UI达某一电平值时，输出电压 U0突变。 U0为脉冲信号。
2、电压滞后传输,输入信号 UI从低电平上升过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与 UI 从高电平下降过程中电路状态转换时对应的输入电平不同。
施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。
利用上述两个特点，施密特触发器不仅能将边沿缓慢变化的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，还可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。
同向输出特性：
VT+
Uo
UIUoL
UoH
二,输出特性
VT
反向输出特性：
VT+
Uo
UIUoL
UoH
UI = VT+时,Uo = UoL
UI = VT- 时,Uo = UoL UI = VT-时,Uo = UoH
VT
UI = VT+ 时,Uo = UoH
0 0
当 UI = 0时,Uo= UoL 当 UI = 0时,Uo= UoH
正向阈值电平 VT+,UI 上升时，引起 Uo 突变时对应的 UI 值。
负向阈值电平 VT-,UI 下降时，引起 Uo 突变时对应的 UI值。
三、用途 整形，构成单稳态触发器，构成多谐振荡器。
UO1UI’UI UO
11
R2
R1
G1 G2
6-2-2 用门电路构成 施密特触发器一、构成
UI UO1 UO 说 明
UI =0 0 0 1 0 同相施密特触发器
UI上升过程中
<VT+ <VTH 1 0
VT+ VTH 1 0 G1,G2门将要翻转
=VT+ =VTH 0 UO突变
UI下降过程中
>VT- >VTH 0 1
0 1
1 0
VT- VTH
=VT- =VTH
G1,G2门将要翻转
UO突变
1
UI’
（用 CMOS非 门）
=> =>
=> =>
二、工作原理
>VT+ >VTH 0 1
1 0<VT- <VTH
三、举例设 UI为缓慢变化的三角波：
UI
t
VTH
VT+
VT-
UO
tUOL
UOH
G1门的阈值电平四、计算回差电压 Δ VT
1、求 VT+
在 UI从 0开始上升时，
UO=UOL。
UOH
1UI
,G1R1
R2
UI G21 UO
UOLVTH VT+
从求 UI,入手求 VT+,
UI,= VTH =UR2 = R2R
1+R2
VT+
∴ VT+ = R
2
R1+R2 V
TH =（ 1+ R2
R1 ） V
TH
在 UI VT+,UI,VTH,G1,G2 门要翻转前的瞬间，=> =>
电路中电流流向和电位情况见图。
2、求 VT-
UOL
1UI
,G1R1
R2
UI G21 UO在 UI从最大值开始下降时,UO=UOH。 UOHVTH VT-
从求 UI,入手求 VT-,
UI,= UTH = UOH – UR2 =
∴ VT- = R
2
R1+R2 V
TH – R2
R1 U
OH
R2
R1+R2UOH –[（ UOH – VT –） ]
又：
故：
UOH = VDD； VTH = VDD12
VT- =（ 1 – ） VTHR1R2
电路中电流流向和电位情况见图。
在 UI VT+,UI,VTH,G1,G2 门要翻转前的瞬间，=> =>
五、电压传输特性
∵ UI =0时,UO=UOL
∴ 是同相施密特特性
UI
UO
VDDVTH
2 VTH
R1
R2
3、求回差电压 ΔVT
Δ VT =VT+ -VT- = 2 VTHR1R
2
= R1R
2
VDD
当 VDD一定时，调 R1,R2,可调 Δ UT,
即可调 VT+ VT-，可调 UO脉宽。
六、逻辑符号
1 1 & ≥1
VT- VT+
6-2-3 集成施密特触发器常用 TTL电路集成施密特触发器有 7413等，
常用 CMOS电路集成施密特触发器有 CC40106等。
6-2-4 施密特触发器的应用一、用于波形变换例：
已知 UI为 半 波,UI m= 9V，
电路的 VT+ =6V,VT-=3V
UOH =VDD,试画 UO波形。
9
6
3
VT+
VT-
VDD
VDD
1
1
UI （ V）
to
t
UO
o
t
UO
o
二、用于脉冲整形
UI
tO
UO
tO
UI
tO
UO
tO
UI
tO
UO
tO
VT+
VT-
VT+V
T-
VT+
VT-
1
1
三、用于脉冲 鉴幅
§ 6-3 单稳态触发器
6-3-1 特点和用途一、特点
1、开机（接通电源），电路出现稳态。
2、外加触发信号，电路翻转为暂态。
暂态维持一段时间，自动返回稳态
3、暂态维持时间的长短，只和电路参数有关，
与触发信号的幅度、电源电压的高低无关。
二、用途
1、整形 → 输出矩形波。
2、定时 → 输出一定宽度的矩形波。
3、延时 → 将输入信号延长一定时间后输出。
6-3-2 用门电路组成单稳态触发器一、微分型单稳态触发器
1、组成 （用 CMOS或非门）
2、工作原理 （用正窄脉冲触发）
UI UO1 UI2 UO 说 明接通 VDD
不触发
VDD UOL
00 1 1 0
稳态,UO=0
C中无电荷触发 1 0 0 1 暂态,UO=1
C充电
UI2↑
↑= VTH 0
00 1 1 0 返回稳态,UO=0
C放电
UI2↓
①
↓ =VDD 0
00 1 1 0
恢复为起始稳态
C中无电荷注释 ①：此时的逻辑电平,1”,
对应的电位为（ VDD+0.7） V。
UI
UO1 UI2
UO
UI，
≥1≥1
VDD
C RG1 G2
UI，
总之：
不触发,UO=0,C中无电荷触发,UO=1
C充电：返回 UO=0
C放电：恢复为起始稳态，
UO=0,C中无电荷
3、电压波形
t
UI
VTH
t
UO1
t
UI2
t
UO
* 为了保证触发时间极短，
通常在 UI端加 RC微分电路：
≥1
G1 U
O1
Cd
Rd
UI Ud t
UI
t
Ud
t
UO
VDD+0.7
注意；第二次触发必须在第一次触发稳定之后进行。
电压波形
4、输出脉宽 TW 和幅度 UOm VTH
t
UI2
t
UO
TW根据一阶 RC电路 暂态过程中，
求任意变量的一般公式：
可得：
t
τA(t)=A(∞)+ [ A(0+)-A(∞) ] e A(∞) -A(∞) -t =τ ln —————
从波形图中看出,TW是 C充电使 UI2从 0上升到 VTH对应的时间,
UI2(∞ )=VDD,UI2(0+)=0,12UI2(TW)=VTH = VDD,τ≈RC
TW = RC ln 1VDD -0
VDD - VDD2
Uom = UOH -UOL ≈VDD
1）求 TW
2）求 Uom
= RC ln2
A(0+)
A(t)
所以,= 0.69 RC
5、分辨时间 Td
Td是指在保证电路正常工作的前提下，两个相邻触发脉冲之间，允许的最小时间间隔。
VTH t
UI2
t
UO
TW
Tre
Td由波形图知,Td = TW + Tre
TW：输出脉冲的宽度
Tre,恢复时间，即 C放电达稳定值 VDD所需的时间 T放 。 RO N D1
G2G1
R
- +
VDD
C由放电回路知：
放电回路
（ D1是 G2 门输入保护电路中的二极管。）
Tre =T放 = (3~5)(RON +R//rD)C
当 D1的等效电阻 rD远远小于 RON 和 R时，
Tre =T放 ≈ (3~5)RON C
二、积分型单稳态触发器
1、组成可用 TTL与非门组成，
门之间用 RC积分 电路耦合。
UA
UB
UO1
UO
UI
2、工作原理 （ 用 正的 宽脉冲触发 ）
UI UA UB UO 说 明接通 VCC
不触发 10 ↑ ≈VCC 0 1 自然稳态,UO=1
触发 1 0 ≈VCC 1 0 暂稳态,UO=0
1 返回稳态,UO=1C放电U
A↓ ↓≤ VTH
恢复为自然稳态
1 0 1
不触发 10 ↑ ≈VCC 0 1 UO=1
R
CG1 G2
& &
UO1
3、电压波形
t
UI
t
UO1
t
UA
t
UO
VTH
TTR Tre Tw
4、输出脉宽 TW 和幅度 UOm
TW ≈ RC ln VOL -UOHV
OL - VTH
Uom = UOH -UOL
5、分辨时间 Td
Td
由波形图知,Td = TTR + Tre
TTR,触发脉冲的宽度
Tre,恢复时间，即 UO1跳到 UOH后，
C充电达稳定值所需的时间 T充 。
+-
C
RUOHRO
+VCC
G1
UA由充电回路知：
充电回路
Tre =T充 = (3~5)(RO+R)C
6-3-3 集成单稳态触发器
1、不可重复触发触发进入暂稳态时，再加触发脉冲无效
tUI
TW
UO
t
2、可重复触发触发进入暂稳态时，再次触发有效，
输出脉冲可再维持一个脉宽。
tUI
UO
tTW
常用 74121,74221,74LS221等都是 不可重复触发 的 单稳态触发器。
其中,74121的电路符号如图：
Cext Rext
Cext Uo
Rint Vcc
GND
B
A2
A1
Uo
3
4
5 1
6
7
10 11 9 14
74121
一、分类二,常用产品举例输 入 输 出
A1 A2 B UO UO
0 X 1 0 1
X 0 1 0 1
X X 0 0 1
1 1 X 0 1
电平触发
1 1
1 1
1
0 X
X 0
脉冲触发集成单稳态触发器 74121的功能表下降沿触发时的接法
1
UI
不利用 Rint 时的接法
Cext Rext
Cext Uo
Rint Vcc
GND
B
A2
A1
Uo
3
4
5 1
6
7
10 11 9 14
74121
+VCC
Cext Rext
Cext Uo
Rint Vcc
GND
B
A2
A1
Uo
3
4
5 1
6
7
10 11 9 14
74121
上升沿触发时的接法
UI
利用 Rint 时的接法
（ Rint≈2 KΩ ）
C R C +VCC
三、应用举例
1、脉冲整形
Cext Rext
Cext Uo
Rint Vcc
GND
B
A2
A1
Uo
3
4
5 1
6
7
10 11 9 14
74121
+VCCC R
UI
t
UI
t
UO
TW = 0.69 RC
2、输出脉冲延时
UI
+VCC
UO2
VCC
UOB
A1
A2
C1 R1
UO
（ 1）
VCC
UOB
A1
A2
C2 R2
UO
（ 2）
t
UI
t
UO1
t
UO2 t
UO1
TW1
TW2
触发后，电路延时 TW1 时间再输出。
TW1 = 0.69 R1C1 TW2 = 0.69 R2C2
3、定时输出
UI UO2
74121 74121
UA
B
A1
A2 UO
74121
& t
UI t
UA
t
UO
TW
只在触发之后的 TW 时间内有 UA 输出。
UO2
t
§ 6-4 多谐振荡器特点：不需要外加触发信号，电路自激振荡，没有稳态。
用途：产生脉冲方波。
6-4-1 用门电路构成多谐振荡器一、对称式多谐振荡器
1、组成（用 TTL门电路） UI1 UO2UO1 UI21 1
C1
C2
G1 G2
RF1 RF2
2、工作原理则，暂态 Ⅰ,UO1=0,UO2=1
接下来,C1充电,C2 放电假设，某一时刻，电路出现 UO1=0,UO2=1的状态，
0 0 11
UI1 UO2UO1 UI21 1
C1
C2
G1 G2
RF1 RF2
+
+
C2放电回路：
UI1 U
OL1 UOH2
RF1
C2+ -
C2+→ RF1 → UOL1 → UOH2 → C2-
C2放电使 UI1↓ 。
C2放电,UI2 UOH2UOL1 R1
VCCG2
RF2
C1
- +
C1充电：
暂态 Ⅰ,UO1=0,UO2=1
C1充电等效回路：
UOH2 → RE1 → C1 → UOL1
（ RE1=RF2∥ R1）
C1充电使 UI2↑ 。
由于 RE1 < RF1（当电路对称时）,所以，充电比放电快。
C1充电 → UI2 = VTH 时 → G2导通 → UO2=0
UI1=0 → UO1=1
暂态 Ⅱ,UO1=1,UO2=0
C2充电 → UI1 = VTH 时 → G1导通 → UO1=0
UI2=0 → UO2=1电路回到暂态 Ⅰ 。
循环往复，直到关机。
总之,UO1 =0U
O2 =1
UO2=0
UO1=1
UO1=1
UO2=0
UO1=0
UO2=1
→ C1充电 → UI2 →
→ C2充电 → UI1 →
→ C2放电 → UI1
→ C1放电 → UI2
t
UI1
t
UO1
t
UO2
t
UI2
VTH
VTH
VIK
VIK
T1
T
4、计算在 RF1=RF2=RF,C1=C2=C 时：
T1≈ RFC ln ———— UOH -U
OH -
如果 G1,G2为 74LS系列反相器，
UOH=3.4V,VIK= -1V,VTH=1.1V
在 RF<<R1时,T1=0.65 RFC
振荡周期,T = 2T1=1.3RFC
振荡频率,f =1/T
占空比,q = (T1/T)100%
3、电压波形
C2放电、充电
C1充电、放电
VTH
VIK
二、环形振荡器
1、组成利用门电路的传输延迟时间 tpd,
将奇数个反相器首尾相接。
UO1 UO2 UO31
G1
1
G2
1
G3
2、工作波形
t
UO1
t
UO2
t
UO3
tpd
3、计算
TW = ntpd ；
T=2TW ； f =1/T
一般,tpd = TTL类几十 nsCMOS类几百 ns （所以，环形振荡器的振荡频率 f 特别高）
为了获得较低的、可调的 f,可在环形回路中增加 RC延时环节。
TW
n是门的数目。
6-4-2 用施密特触发器构成多谐振荡器
1、组成
UI UO
2、工作原理接通 VCC瞬间,C中无电荷，所以：
1） UC=0 →
3、电压波形
2） UO=1 → C充电 → UI,
3） UO=0 → C放电 → UI,
t
UI
t
UI
0
0
VT+
VT-
若是 CMOS电路,
T1 T2
T
1
R
C
+
UI =VT+ → UO=0
UI =VT- → UO=1
T1= RC ln ————VDD -V
DD -
T=T1+T2 ； f =1/T； q =T1/T
UI =0 → UO=1
VT-
VT+
T2= RC ln ——— 0 -0 -VT+V
T-
则：
5、电路改进占空比可调电路如图：
1
C
UI UO
R2
R1
+充电经过 R2,放电经过 R1,
T1= R2C ln ———— VDD-VT-V
DD-VT+
T2= R1C ln —— VT+V
T-
q =T1/T
T=T1+T2
调节 R1 或 R2,即可调节 q
6-4-3 石英晶体 多谐振荡器一、石英晶体许多应用场合。要求多谐振荡器的振荡频率 f十分稳定，
（如数字钟的秒脉冲频率）。上述电路的 f 都达不到要求。
最简便的稳频方法是在多谐振荡器中接入 石英晶体,构成石英晶体多谐振荡器。
石英晶体的固有振荡频率 fo由结晶方向、外形尺寸决定；频率稳定度
（ Δ fo / fo)可达 10-10~10-11 。 fo
电容性电感性
f
X
O
电抗频率特性曲线符号二、石英晶体振荡器
1、组成将石英晶体接到多谐振荡器的正反馈回路中。
当外加电压的频率 f = fo 时,其电抗 X=0 。
UI1 UOUO1 UI21 1
C1
C2
G1 G2
RF1 RF2
2、工作原理当 UO的频率 f = fo 时,
反馈最强，电路才起振。
fo 的稳定度极高，这就解决了多谐振荡器的稳频问题。
3、参数选择各种固有振荡频率 fo的石英晶体已做成成品，可根据所购晶体的 fo选择电路的外接 RF 和 C，
fo一般都很高，应利用分频器将 fo分频为所需频率。
例如，需要频率为 1HZ的秒脉冲，
可选购 fo=32768HZ的 晶振，通过 15次二分频获得 1HZ。
结果,f = fo 。
§ 6-5 555定时器及其应用
555定时器是单片集成电路，用途广，
可构成施密特触发器、
单稳态触发器、
多谐振荡器等。
双极型产品型号的后三位数码为 555。
单极型产品型号的后四位数码为 7555。
其功能和外部引脚的排列完全相同。
6-5-1 555定时器的电路结构与功能一、组成与特点
VR1
VR2
UO
TD
+VCC
CO
U6
U2
1
2
6
5
8 4
3
7
（ TH）
（ TR）
RD
当 CO端不接控制电压 UCO时：
VR2 = VCC,13 VR1 = VCC23
国产 CB555的结构框图：
它由三个 5KΩ 电阻、
比较器 C1和 C2、
基本 RS触发器和放电管 TD 组成。
Q
Q
C1+-
C2+-
Rd
Sd
5KΩ
5KΩ
5KΩ TD
相当于：
C1出 1；
C1出 0。C1将 U6 和 进行比较VCC
2
3
当 U6< 时，VCC23
当 U6> 时，VCC23
U6 和 比较的结果，由 C1反相输出。VCC23
反相同相
U6
U2
RD
UO
TD
Q
Q
Rd
Sd
2
3 VCC
1
3 VCC
放电管 TD的作用：
给外接电容 C提供放电通路。
Q
Q
C1+-
C2+-
Rd
Sd
VR1
VR2
5KΩ
5KΩ
5KΩ
UO
TD
+VCC
CO
U6
U2
1
2
6
5
8 4
3
7
（ TH）
（ TR）
RD
结构图的等效简化电路：
相当于：
C2出 0；
C2出 1。
C2将 U2和 进行 比较VCC13
当 U2< 时，VCC13
当 U2> 时，VCC13
U2 和 比较的结果，VCC13
由 C2同相输出。
二、工作原理输 入 过 渡 输 出
RD U6 U2 Rd Sd Q Q TD状态
0 X X X X 导通
1
2
3 VCC<
> 23 VCC > 13 VCC 导通
1 13 VCC< 截止
1 23 VCC< > 13 VCC 保 持表 1 CB555功能表（ CO端悬空时）
表 1 的主要内容见 表 2：
U6 U2
2
3 VCC<
> 23 VCC > 13 VCC
1
3 VCC<
2
3 VCC< >
1
3 VCC
Q
0
1
保 持工作原理见表 1
表 2 RD =1时的表 1 由表 2可得如下口诀：
大于、大于、出 0；
小于、小于、出 1；
小于、大于、保持
0 1
1 0
1 1
0 1
0 1
1 0
当 CO端接有 UCO 时,12 UCO,VR2 =
三、说明
VR1 =
UCO,换为13 VCC将上述分析中的 换为23 VCC
1
2 UCO,
所有结论仍成立。
四、电路符号
555 定时器的电源电压范围较宽，
CMOS类,VDD为 3~18伏，（ UOH≥ VDD95%,IOm≤ 4mA）
TTL类,VCC为 5~16伏，（ UOH≥ VCC90%）,IOm≈200 mA）
UO
TH
TD
CO
VCC
12
3
4
5
6
7
8
555
TR
RD
GND
UCO,
6-5-2 555定时器接成施密特触发器二、工作原理
（设,UI为模拟三角波）
UI U6 U2 UO
2
3 VCC<
> 23 VCC > 13 VCC
1
3 VCC<
2
3 VCC<
≥ 23 VCC
0 1
0
≤ 13 VCC 13 VCC< 1
三、电压波形一,组成
UI
UO
+VCC
12
3
4
5
6
7
8
555
t
UI
t
UO
1
3 VCC
2
3 VCC
VT+ = 23 VCC VT- = 13 VCC
Δ VT = 13 VCC
0.01uF
从电压波形知：
此为施密特 反相 器 。
6-5-3 555定时器接成单稳态触发器 U
O
+VCC
12
3
4
5
6
7
8
555
0.01uF
R
C
UI
+
-
二、工作原理
U2 = UI,和 比较；13 VCC
U6 = UC，和 比较。23 VCC
要求触发信号为 负 的 窄 脉冲
C UC U6
（ UC）
U2
（ UI）
UO
（ Q） T
D 说 明充电 = 23 VCC > 23 VCC > 13 VCC 0 导通 稳态,UO =0
放电 = 0 23 VCC< > 13 VCC 保 持接通 VCC
不触发
UI=1
0 23 VCC< 13 VCC< 1 截止 暂态,UO =1
充电 = 23 VCC > 23 VCC > 13 VCC 0 导通 返回,UO =0
放电 = 0 23 VCC< > 13 VCC 保 持UI =1
一、
组成无电荷触发总之：不触发,UO=0；
UO=1维持一段时间又返回 UO=0
充电回路,VCC+→ R→ C → VCC-（充电慢）
放电回路,C+→ TD → C -（放电快）
三、电压波形
t
UI
TW
2
3 VCC
t
UO
t
UC
TW≈ RC ln ————— VCC-02
VCC - 3 VCC
TW≈ RC ln3 = 1.1RC
触发,UO=1
注意；第二次触发必须在第一次触发稳定之后进行。
6-5-4 555定时器接成多谐振荡器 U
O
+VCC
12
3
4
5
6
7
8
555
0.01uF
R1
R2
C等效为施密特触发器构成的多谐振荡器，
R1
1
UC
UO
R2
+
R2
电压 UC是施密特触发器的输入电压，
其 VT+ = 23 VCC VT- = 13 VCC
二、工作原理
UC U6 U2 UO TD
起始时 0 23 VCC< 13 VCC< 1 截止
C充电 = 23 VCC > 23 VCC > 13 VCC 0 导通
C放电 23 VCC< 1 截止= 13 VCC 13 VCC<
循环往复，
直到关机。
一、电路组成三、电压波形总之：起始时,UC=0,UO=UOH
UO 在 UOL—— UOH 之间振荡
UC在 —— 之间变化23 VCC
1
3 VCC
2
3 VCC 1
3 VCC t
UC
O
t
UO
O
T1 T2
充电回路,VCC+→ R1→ R2 → C → VCC-（充电慢）
放电回路,C+→ R2 → TD → C -（放电快）
T1 = 0.69(R1+R2)C；
T2 = 0.69R2C；
T= 0.69(R1+2 R2)C；
q = T1/T
以后
T1=(R1+R2)C ln ———— VCC -V
CC -
VT-
VT+
T2= R2C ln ———0 -0 -VT+V
T-
四、电路计算本例,= R1+R2R1+2 R2
555定时器应用举例：
下图是用 555定时器接成的延时报警器。当开关 S断开后，
经过一定的延迟时间后扬声器开始发出声音。试求延迟的时间 TD和扬声器发出声音的频率 f。
UO
1
UO2
解：
（ 1） （ 2）
（ 1）片接成施密特触发器，
U6=U2= UC1 的 电压波形 通过操纵开关 S获得。
（ 2）片不工作。（ 2）片的 RD=0，
（ 2）片接成多谐振荡器。
当 UO1=1时；
当 UO1=0时； （ 2）片自激振荡,喇叭出声。
12
3
4
6
8
555
VCC=12V
1
6
4
2
3
8
555
0.01μF
1 7
5KΩ
5KΩ
100μF
10μF
1MΩ
S +
+
+
C1
工作波形：
S闭合 S断开
2
3 VCC 1
3 VCC
S闭合
VCC
喇叭响
TD
TO2=0.69 (R1+2R2 ) C= 0.69 (5 +2× 5 ) 103 × 0.01× 10-6≈ 103.5μS
fO2 ≈ 9.66KHZ
U6,U2
UO1
t
UO2
t
t
UC1
TO2
VCC-0
VCC -TD= RC ln ————— =10
6× 10 × 10-6 ln —— ≈11 （ S）12
12-823 VCC
§ 6-1 概述
§ 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
§ 6-2 施密特触发器
§ 6-1 概述获取 矩形脉冲波形 （时钟） 的途径有两种：
2、用整形电路把已有的周期性变化的波形整形产生
1,用 多谐振荡器 直接产生矩形脉冲波形的整形电路 —— 施密特触发器,单稳态触发器。
用门电路可以构成 施密特触发器,单稳态触发器和 多谐振荡器 。
用 555定时器也可以构成 施密特触发器,单稳态触发器和 多谐振荡器 。
§ 6-2 施密特触发器
6-2-1 特点和用途一、特点
1、电平触发,触发信号 UI可以是变化缓慢的模拟信号,UI达某一电平值时，输出电压 U0突变。 U0为脉冲信号。
2、电压滞后传输,输入信号 UI从低电平上升过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与 UI 从高电平下降过程中电路状态转换时对应的输入电平不同。
施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。
利用上述两个特点，施密特触发器不仅能将边沿缓慢变化的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，还可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。
同向输出特性：
VT+
Uo
UIUoL
UoH
二,输出特性
VT
反向输出特性：
VT+
Uo
UIUoL
UoH
UI = VT+时,Uo = UoL
UI = VT- 时,Uo = UoL UI = VT-时,Uo = UoH
VT
UI = VT+ 时,Uo = UoH
0 0
当 UI = 0时,Uo= UoL 当 UI = 0时,Uo= UoH
正向阈值电平 VT+,UI 上升时，引起 Uo 突变时对应的 UI 值。
负向阈值电平 VT-,UI 下降时，引起 Uo 突变时对应的 UI值。
三、用途 整形，构成单稳态触发器，构成多谐振荡器。
UO1UI’UI UO
11
R2
R1
G1 G2
6-2-2 用门电路构成 施密特触发器一、构成
UI UO1 UO 说 明
UI =0 0 0 1 0 同相施密特触发器
UI上升过程中
<VT+ <VTH 1 0
VT+ VTH 1 0 G1,G2门将要翻转
=VT+ =VTH 0 UO突变
UI下降过程中
>VT- >VTH 0 1
0 1
1 0
VT- VTH
=VT- =VTH
G1,G2门将要翻转
UO突变
1
UI’
（用 CMOS非 门）
=> =>
=> =>
二、工作原理
>VT+ >VTH 0 1
1 0<VT- <VTH
三、举例设 UI为缓慢变化的三角波：
UI
t
VTH
VT+
VT-
UO
tUOL
UOH
G1门的阈值电平四、计算回差电压 Δ VT
1、求 VT+
在 UI从 0开始上升时，
UO=UOL。
UOH
1UI
,G1R1
R2
UI G21 UO
UOLVTH VT+
从求 UI,入手求 VT+,
UI,= VTH =UR2 = R2R
1+R2
VT+
∴ VT+ = R
2
R1+R2 V
TH =（ 1+ R2
R1 ） V
TH
在 UI VT+,UI,VTH,G1,G2 门要翻转前的瞬间，=> =>
电路中电流流向和电位情况见图。
2、求 VT-
UOL
1UI
,G1R1
R2
UI G21 UO在 UI从最大值开始下降时,UO=UOH。 UOHVTH VT-
从求 UI,入手求 VT-,
UI,= UTH = UOH – UR2 =
∴ VT- = R
2
R1+R2 V
TH – R2
R1 U
OH
R2
R1+R2UOH –[（ UOH – VT –） ]
又：
故：
UOH = VDD； VTH = VDD12
VT- =（ 1 – ） VTHR1R2
电路中电流流向和电位情况见图。
在 UI VT+,UI,VTH,G1,G2 门要翻转前的瞬间，=> =>
五、电压传输特性
∵ UI =0时,UO=UOL
∴ 是同相施密特特性
UI
UO
VDDVTH
2 VTH
R1
R2
3、求回差电压 ΔVT
Δ VT =VT+ -VT- = 2 VTHR1R
2
= R1R
2
VDD
当 VDD一定时，调 R1,R2,可调 Δ UT,
即可调 VT+ VT-，可调 UO脉宽。
六、逻辑符号
1 1 & ≥1
VT- VT+
6-2-3 集成施密特触发器常用 TTL电路集成施密特触发器有 7413等，
常用 CMOS电路集成施密特触发器有 CC40106等。
6-2-4 施密特触发器的应用一、用于波形变换例：
已知 UI为 半 波,UI m= 9V，
电路的 VT+ =6V,VT-=3V
UOH =VDD,试画 UO波形。
9
6
3
VT+
VT-
VDD
VDD
1
1
UI （ V）
to
t
UO
o
t
UO
o
二、用于脉冲整形
UI
tO
UO
tO
UI
tO
UO
tO
UI
tO
UO
tO
VT+
VT-
VT+V
T-
VT+
VT-
1
1
三、用于脉冲 鉴幅
§ 6-3 单稳态触发器
6-3-1 特点和用途一、特点
1、开机（接通电源），电路出现稳态。
2、外加触发信号，电路翻转为暂态。
暂态维持一段时间，自动返回稳态
3、暂态维持时间的长短，只和电路参数有关，
与触发信号的幅度、电源电压的高低无关。
二、用途
1、整形 → 输出矩形波。
2、定时 → 输出一定宽度的矩形波。
3、延时 → 将输入信号延长一定时间后输出。
6-3-2 用门电路组成单稳态触发器一、微分型单稳态触发器
1、组成 （用 CMOS或非门）
2、工作原理 （用正窄脉冲触发）
UI UO1 UI2 UO 说 明接通 VDD
不触发
VDD UOL
00 1 1 0
稳态,UO=0
C中无电荷触发 1 0 0 1 暂态,UO=1
C充电
UI2↑
↑= VTH 0
00 1 1 0 返回稳态,UO=0
C放电
UI2↓
①
↓ =VDD 0
00 1 1 0
恢复为起始稳态
C中无电荷注释 ①：此时的逻辑电平,1”,
对应的电位为（ VDD+0.7） V。
UI
UO1 UI2
UO
UI，
≥1≥1
VDD
C RG1 G2
UI，
总之：
不触发,UO=0,C中无电荷触发,UO=1
C充电：返回 UO=0
C放电：恢复为起始稳态，
UO=0,C中无电荷
3、电压波形
t
UI
VTH
t
UO1
t
UI2
t
UO
* 为了保证触发时间极短，
通常在 UI端加 RC微分电路：
≥1
G1 U
O1
Cd
Rd
UI Ud t
UI
t
Ud
t
UO
VDD+0.7
注意；第二次触发必须在第一次触发稳定之后进行。
电压波形
4、输出脉宽 TW 和幅度 UOm VTH
t
UI2
t
UO
TW根据一阶 RC电路 暂态过程中，
求任意变量的一般公式：
可得：
t
τA(t)=A(∞)+ [ A(0+)-A(∞) ] e A(∞) -A(∞) -t =τ ln —————
从波形图中看出,TW是 C充电使 UI2从 0上升到 VTH对应的时间,
UI2(∞ )=VDD,UI2(0+)=0,12UI2(TW)=VTH = VDD,τ≈RC
TW = RC ln 1VDD -0
VDD - VDD2
Uom = UOH -UOL ≈VDD
1）求 TW
2）求 Uom
= RC ln2
A(0+)
A(t)
所以,= 0.69 RC
5、分辨时间 Td
Td是指在保证电路正常工作的前提下，两个相邻触发脉冲之间，允许的最小时间间隔。
VTH t
UI2
t
UO
TW
Tre
Td由波形图知,Td = TW + Tre
TW：输出脉冲的宽度
Tre,恢复时间，即 C放电达稳定值 VDD所需的时间 T放 。 RO N D1
G2G1
R
- +
VDD
C由放电回路知：
放电回路
（ D1是 G2 门输入保护电路中的二极管。）
Tre =T放 = (3~5)(RON +R//rD)C
当 D1的等效电阻 rD远远小于 RON 和 R时，
Tre =T放 ≈ (3~5)RON C
二、积分型单稳态触发器
1、组成可用 TTL与非门组成，
门之间用 RC积分 电路耦合。
UA
UB
UO1
UO
UI
2、工作原理 （ 用 正的 宽脉冲触发 ）
UI UA UB UO 说 明接通 VCC
不触发 10 ↑ ≈VCC 0 1 自然稳态,UO=1
触发 1 0 ≈VCC 1 0 暂稳态,UO=0
1 返回稳态,UO=1C放电U
A↓ ↓≤ VTH
恢复为自然稳态
1 0 1
不触发 10 ↑ ≈VCC 0 1 UO=1
R
CG1 G2
& &
UO1
3、电压波形
t
UI
t
UO1
t
UA
t
UO
VTH
TTR Tre Tw
4、输出脉宽 TW 和幅度 UOm
TW ≈ RC ln VOL -UOHV
OL - VTH
Uom = UOH -UOL
5、分辨时间 Td
Td
由波形图知,Td = TTR + Tre
TTR,触发脉冲的宽度
Tre,恢复时间，即 UO1跳到 UOH后，
C充电达稳定值所需的时间 T充 。
+-
C
RUOHRO
+VCC
G1
UA由充电回路知：
充电回路
Tre =T充 = (3~5)(RO+R)C
6-3-3 集成单稳态触发器
1、不可重复触发触发进入暂稳态时，再加触发脉冲无效
tUI
TW
UO
t
2、可重复触发触发进入暂稳态时，再次触发有效，
输出脉冲可再维持一个脉宽。
tUI
UO
tTW
常用 74121,74221,74LS221等都是 不可重复触发 的 单稳态触发器。
其中,74121的电路符号如图：
Cext Rext
Cext Uo
Rint Vcc
GND
B
A2
A1
Uo
3
4
5 1
6
7
10 11 9 14
74121
一、分类二,常用产品举例输 入 输 出
A1 A2 B UO UO
0 X 1 0 1
X 0 1 0 1
X X 0 0 1
1 1 X 0 1
电平触发
1 1
1 1
1
0 X
X 0
脉冲触发集成单稳态触发器 74121的功能表下降沿触发时的接法
1
UI
不利用 Rint 时的接法
Cext Rext
Cext Uo
Rint Vcc
GND
B
A2
A1
Uo
3
4
5 1
6
7
10 11 9 14
74121
+VCC
Cext Rext
Cext Uo
Rint Vcc
GND
B
A2
A1
Uo
3
4
5 1
6
7
10 11 9 14
74121
上升沿触发时的接法
UI
利用 Rint 时的接法
（ Rint≈2 KΩ ）
C R C +VCC
三、应用举例
1、脉冲整形
Cext Rext
Cext Uo
Rint Vcc
GND
B
A2
A1
Uo
3
4
5 1
6
7
10 11 9 14
74121
+VCCC R
UI
t
UI
t
UO
TW = 0.69 RC
2、输出脉冲延时
UI
+VCC
UO2
VCC
UOB
A1
A2
C1 R1
UO
（ 1）
VCC
UOB
A1
A2
C2 R2
UO
（ 2）
t
UI
t
UO1
t
UO2 t
UO1
TW1
TW2
触发后，电路延时 TW1 时间再输出。
TW1 = 0.69 R1C1 TW2 = 0.69 R2C2
3、定时输出
UI UO2
74121 74121
UA
B
A1
A2 UO
74121
& t
UI t
UA
t
UO
TW
只在触发之后的 TW 时间内有 UA 输出。
UO2
t
§ 6-4 多谐振荡器特点：不需要外加触发信号，电路自激振荡，没有稳态。
用途：产生脉冲方波。
6-4-1 用门电路构成多谐振荡器一、对称式多谐振荡器
1、组成（用 TTL门电路） UI1 UO2UO1 UI21 1
C1
C2
G1 G2
RF1 RF2
2、工作原理则，暂态 Ⅰ,UO1=0,UO2=1
接下来,C1充电,C2 放电假设，某一时刻，电路出现 UO1=0,UO2=1的状态，
0 0 11
UI1 UO2UO1 UI21 1
C1
C2
G1 G2
RF1 RF2
+
+
C2放电回路：
UI1 U
OL1 UOH2
RF1
C2+ -
C2+→ RF1 → UOL1 → UOH2 → C2-
C2放电使 UI1↓ 。
C2放电,UI2 UOH2UOL1 R1
VCCG2
RF2
C1
- +
C1充电：
暂态 Ⅰ,UO1=0,UO2=1
C1充电等效回路：
UOH2 → RE1 → C1 → UOL1
（ RE1=RF2∥ R1）
C1充电使 UI2↑ 。
由于 RE1 < RF1（当电路对称时）,所以，充电比放电快。
C1充电 → UI2 = VTH 时 → G2导通 → UO2=0
UI1=0 → UO1=1
暂态 Ⅱ,UO1=1,UO2=0
C2充电 → UI1 = VTH 时 → G1导通 → UO1=0
UI2=0 → UO2=1电路回到暂态 Ⅰ 。
循环往复，直到关机。
总之,UO1 =0U
O2 =1
UO2=0
UO1=1
UO1=1
UO2=0
UO1=0
UO2=1
→ C1充电 → UI2 →
→ C2充电 → UI1 →
→ C2放电 → UI1
→ C1放电 → UI2
t
UI1
t
UO1
t
UO2
t
UI2
VTH
VTH
VIK
VIK
T1
T
4、计算在 RF1=RF2=RF,C1=C2=C 时：
T1≈ RFC ln ———— UOH -U
OH -
如果 G1,G2为 74LS系列反相器，
UOH=3.4V,VIK= -1V,VTH=1.1V
在 RF<<R1时,T1=0.65 RFC
振荡周期,T = 2T1=1.3RFC
振荡频率,f =1/T
占空比,q = (T1/T)100%
3、电压波形
C2放电、充电
C1充电、放电
VTH
VIK
二、环形振荡器
1、组成利用门电路的传输延迟时间 tpd,
将奇数个反相器首尾相接。
UO1 UO2 UO31
G1
1
G2
1
G3
2、工作波形
t
UO1
t
UO2
t
UO3
tpd
3、计算
TW = ntpd ；
T=2TW ； f =1/T
一般,tpd = TTL类几十 nsCMOS类几百 ns （所以，环形振荡器的振荡频率 f 特别高）
为了获得较低的、可调的 f,可在环形回路中增加 RC延时环节。
TW
n是门的数目。
6-4-2 用施密特触发器构成多谐振荡器
1、组成
UI UO
2、工作原理接通 VCC瞬间,C中无电荷，所以：
1） UC=0 →
3、电压波形
2） UO=1 → C充电 → UI,
3） UO=0 → C放电 → UI,
t
UI
t
UI
0
0
VT+
VT-
若是 CMOS电路,
T1 T2
T
1
R
C
+
UI =VT+ → UO=0
UI =VT- → UO=1
T1= RC ln ————VDD -V
DD -
T=T1+T2 ； f =1/T； q =T1/T
UI =0 → UO=1
VT-
VT+
T2= RC ln ——— 0 -0 -VT+V
T-
则：
5、电路改进占空比可调电路如图：
1
C
UI UO
R2
R1
+充电经过 R2,放电经过 R1,
T1= R2C ln ———— VDD-VT-V
DD-VT+
T2= R1C ln —— VT+V
T-
q =T1/T
T=T1+T2
调节 R1 或 R2,即可调节 q
6-4-3 石英晶体 多谐振荡器一、石英晶体许多应用场合。要求多谐振荡器的振荡频率 f十分稳定，
（如数字钟的秒脉冲频率）。上述电路的 f 都达不到要求。
最简便的稳频方法是在多谐振荡器中接入 石英晶体,构成石英晶体多谐振荡器。
石英晶体的固有振荡频率 fo由结晶方向、外形尺寸决定；频率稳定度
（ Δ fo / fo)可达 10-10~10-11 。 fo
电容性电感性
f
X
O
电抗频率特性曲线符号二、石英晶体振荡器
1、组成将石英晶体接到多谐振荡器的正反馈回路中。
当外加电压的频率 f = fo 时,其电抗 X=0 。
UI1 UOUO1 UI21 1
C1
C2
G1 G2
RF1 RF2
2、工作原理当 UO的频率 f = fo 时,
反馈最强，电路才起振。
fo 的稳定度极高，这就解决了多谐振荡器的稳频问题。
3、参数选择各种固有振荡频率 fo的石英晶体已做成成品，可根据所购晶体的 fo选择电路的外接 RF 和 C，
fo一般都很高，应利用分频器将 fo分频为所需频率。
例如，需要频率为 1HZ的秒脉冲，
可选购 fo=32768HZ的 晶振，通过 15次二分频获得 1HZ。
结果,f = fo 。
§ 6-5 555定时器及其应用
555定时器是单片集成电路，用途广，
可构成施密特触发器、
单稳态触发器、
多谐振荡器等。
双极型产品型号的后三位数码为 555。
单极型产品型号的后四位数码为 7555。
其功能和外部引脚的排列完全相同。
6-5-1 555定时器的电路结构与功能一、组成与特点
VR1
VR2
UO
TD
+VCC
CO
U6
U2
1
2
6
5
8 4
3
7
（ TH）
（ TR）
RD
当 CO端不接控制电压 UCO时：
VR2 = VCC,13 VR1 = VCC23
国产 CB555的结构框图：
它由三个 5KΩ 电阻、
比较器 C1和 C2、
基本 RS触发器和放电管 TD 组成。
Q
Q
C1+-
C2+-
Rd
Sd
5KΩ
5KΩ
5KΩ TD
相当于：
C1出 1；
C1出 0。C1将 U6 和 进行比较VCC
2
3
当 U6< 时，VCC23
当 U6> 时，VCC23
U6 和 比较的结果，由 C1反相输出。VCC23
反相同相
U6
U2
RD
UO
TD
Q
Q
Rd
Sd
2
3 VCC
1
3 VCC
放电管 TD的作用：
给外接电容 C提供放电通路。
Q
Q
C1+-
C2+-
Rd
Sd
VR1
VR2
5KΩ
5KΩ
5KΩ
UO
TD
+VCC
CO
U6
U2
1
2
6
5
8 4
3
7
（ TH）
（ TR）
RD
结构图的等效简化电路：
相当于：
C2出 0；
C2出 1。
C2将 U2和 进行 比较VCC13
当 U2< 时，VCC13
当 U2> 时，VCC13
U2 和 比较的结果，VCC13
由 C2同相输出。
二、工作原理输 入 过 渡 输 出
RD U6 U2 Rd Sd Q Q TD状态
0 X X X X 导通
1
2
3 VCC<
> 23 VCC > 13 VCC 导通
1 13 VCC< 截止
1 23 VCC< > 13 VCC 保 持表 1 CB555功能表（ CO端悬空时）
表 1 的主要内容见 表 2：
U6 U2
2
3 VCC<
> 23 VCC > 13 VCC
1
3 VCC<
2
3 VCC< >
1
3 VCC
Q
0
1
保 持工作原理见表 1
表 2 RD =1时的表 1 由表 2可得如下口诀：
大于、大于、出 0；
小于、小于、出 1；
小于、大于、保持
0 1
1 0
1 1
0 1
0 1
1 0
当 CO端接有 UCO 时,12 UCO,VR2 =
三、说明
VR1 =
UCO,换为13 VCC将上述分析中的 换为23 VCC
1
2 UCO,
所有结论仍成立。
四、电路符号
555 定时器的电源电压范围较宽，
CMOS类,VDD为 3~18伏，（ UOH≥ VDD95%,IOm≤ 4mA）
TTL类,VCC为 5~16伏，（ UOH≥ VCC90%）,IOm≈200 mA）
UO
TH
TD
CO
VCC
12
3
4
5
6
7
8
555
TR
RD
GND
UCO,
6-5-2 555定时器接成施密特触发器二、工作原理
（设,UI为模拟三角波）
UI U6 U2 UO
2
3 VCC<
> 23 VCC > 13 VCC
1
3 VCC<
2
3 VCC<
≥ 23 VCC
0 1
0
≤ 13 VCC 13 VCC< 1
三、电压波形一,组成
UI
UO
+VCC
12
3
4
5
6
7
8
555
t
UI
t
UO
1
3 VCC
2
3 VCC
VT+ = 23 VCC VT- = 13 VCC
Δ VT = 13 VCC
0.01uF
从电压波形知：
此为施密特 反相 器 。
6-5-3 555定时器接成单稳态触发器 U
O
+VCC
12
3
4
5
6
7
8
555
0.01uF
R
C
UI
+
-
二、工作原理
U2 = UI,和 比较；13 VCC
U6 = UC，和 比较。23 VCC
要求触发信号为 负 的 窄 脉冲
C UC U6
（ UC）
U2
（ UI）
UO
（ Q） T
D 说 明充电 = 23 VCC > 23 VCC > 13 VCC 0 导通 稳态,UO =0
放电 = 0 23 VCC< > 13 VCC 保 持接通 VCC
不触发
UI=1
0 23 VCC< 13 VCC< 1 截止 暂态,UO =1
充电 = 23 VCC > 23 VCC > 13 VCC 0 导通 返回,UO =0
放电 = 0 23 VCC< > 13 VCC 保 持UI =1
一、
组成无电荷触发总之：不触发,UO=0；
UO=1维持一段时间又返回 UO=0
充电回路,VCC+→ R→ C → VCC-（充电慢）
放电回路,C+→ TD → C -（放电快）
三、电压波形
t
UI
TW
2
3 VCC
t
UO
t
UC
TW≈ RC ln ————— VCC-02
VCC - 3 VCC
TW≈ RC ln3 = 1.1RC
触发,UO=1
注意；第二次触发必须在第一次触发稳定之后进行。
6-5-4 555定时器接成多谐振荡器 U
O
+VCC
12
3
4
5
6
7
8
555
0.01uF
R1
R2
C等效为施密特触发器构成的多谐振荡器，
R1
1
UC
UO
R2
+
R2
电压 UC是施密特触发器的输入电压，
其 VT+ = 23 VCC VT- = 13 VCC
二、工作原理
UC U6 U2 UO TD
起始时 0 23 VCC< 13 VCC< 1 截止
C充电 = 23 VCC > 23 VCC > 13 VCC 0 导通
C放电 23 VCC< 1 截止= 13 VCC 13 VCC<
循环往复，
直到关机。
一、电路组成三、电压波形总之：起始时,UC=0,UO=UOH
UO 在 UOL—— UOH 之间振荡
UC在 —— 之间变化23 VCC
1
3 VCC
2
3 VCC 1
3 VCC t
UC
O
t
UO
O
T1 T2
充电回路,VCC+→ R1→ R2 → C → VCC-（充电慢）
放电回路,C+→ R2 → TD → C -（放电快）
T1 = 0.69(R1+R2)C；
T2 = 0.69R2C；
T= 0.69(R1+2 R2)C；
q = T1/T
以后
T1=(R1+R2)C ln ———— VCC -V
CC -
VT-
VT+
T2= R2C ln ———0 -0 -VT+V
T-
四、电路计算本例,= R1+R2R1+2 R2
555定时器应用举例：
下图是用 555定时器接成的延时报警器。当开关 S断开后，
经过一定的延迟时间后扬声器开始发出声音。试求延迟的时间 TD和扬声器发出声音的频率 f。
UO
1
UO2
解：
（ 1） （ 2）
（ 1）片接成施密特触发器，
U6=U2= UC1 的 电压波形 通过操纵开关 S获得。
（ 2）片不工作。（ 2）片的 RD=0，
（ 2）片接成多谐振荡器。
当 UO1=1时；
当 UO1=0时； （ 2）片自激振荡,喇叭出声。
12
3
4
6
8
555
VCC=12V
1
6
4
2
3
8
555
0.01μF
1 7
5KΩ
5KΩ
100μF
10μF
1MΩ
S +
+
+
C1
工作波形：
S闭合 S断开
2
3 VCC 1
3 VCC
S闭合
VCC
喇叭响
TD
TO2=0.69 (R1+2R2 ) C= 0.69 (5 +2× 5 ) 103 × 0.01× 10-6≈ 103.5μS
fO2 ≈ 9.66KHZ
U6,U2
UO1
t
UO2
t
t
UC1
TO2
VCC-0
VCC -TD= RC ln ————— =10
6× 10 × 10-6 ln —— ≈11 （ S）12
12-823 VCC
