第 8章 脉冲波形的产生与整形通常,把非正弦波称之为脉冲波 。 按脉冲波形的形式分成矩形波,梯形波,阶梯波,锯齿波等 。 本章主要介绍用多谐振荡器直接产生矩形波和利用整形电路获得矩形波的方法 。
一些概念
8.1 集成 555定时器及应用
8.2 门电路构成的矩形波发生器及整形电路
矩形脉冲波常作为时钟信号。波形的好坏直接关系到电路能否正常工作。为了定量描述矩形脉冲波，通常采用如图所示参数。
tr tf
0.1Vm
0.5Vm
0.9Vm
TW
Vm
T
脉冲波形参数一些基本概念脉冲宽度 Tw—— 从脉冲波形上升沿上升到 0.5Vm起到下降沿下降到 0.5Vm止的时间 。
上升时间 tr—— 脉冲波形的上升沿从 0.1Vm上升到
0.9Vm所需时间 。
下降时间 tf—— 脉冲波形的下降沿从 0.9Vm下降 到
0.1Vm所需时间 。
占空比 q—— 脉冲宽度 Tw与脉冲周期 T之比即
T
Tq w?
tr tf
0.1Vm
0.5Vm
0.9Vm
TW
Vm
T
脉冲波形参数
脉冲周期 T—— 周期性重复的脉冲序列中,
相邻两个脉冲间的时间间隔 。
脉冲频率 f—— 频率 f表示单位时间内脉冲重复的次数,
脉冲幅度 Vm—— 脉冲波形的电压最大变化幅度 。
T
f 1?
8.1 集成 555定时器及应用
集成 555定时器的用途很广，有双极型（型号最后三位为 555）和 CMOS型（型号最后四位为 7555）两类电路。它们的功能、外引线排列完全相同。在测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域得到了广泛的应用。
5G555定时器的电路组成及工作原理
集成 555定时器的应用
8.1.1 电路组成
图 8-1为双极型 5G555定时器的原理电路和引脚排列图。
V-C
1 2 3 4
8 7 6 5
+VCC D TH
GND TL
OUT
R
5G555
3
图 8-1集成 5G555定时器原理图
C
1
+
-
C
2
+
-
R
1
R
2
R
3
V
R 1
V
R 2
V
C 1
(
V
R
)
V
C 1
(
V
S
)
R
R
4
V
-
C
5
T H
6
T L
2
1
T
7
D
Q
Q
R
S
1
2
3
8
5 k
Ω
5 k
Ω
5 k
Ω
Ω
Ω
Ω
电阻分压器比较器基本 RS触发器三极管开关输出缓冲器
555定时器基本结构
C
1
+
-
C
2
+
-
R
1
R
2
R
3
V
R 1
V
R 2
V
C 1
(
V
R
)
V
C 1
(
V
S
)
R
R
4
V
-
C
5
T H
6
T L
2
1
T
7
D
Q
Q
R
S
1
2
3
8
5 k
Ω
5 k
Ω
5 k
Ω
Ω
Ω
Ω
分压器
分压器由三个阻值均为 5kΩ的电阻串联连接构成,
为比较器 C1,C2提供参考电压 VR1,VR2,C1的同相输入端 V+=VR1=2VCC/3 。 C2 的反相输入端 V-
=VR2=VCC/3。 如果在电压控制端 5另加控制电压,可以改变比较器 C1,C2参考电压 VR1,VR2的值 。 若工作中不使用控制端 5时,则控制端 5通过一个 0.01μF
的电容接地,以旁路高频干扰 。
分压器上端 8接 VCC,下端 1接地 。
比较器
C1和 C2是两个比较器 。 分别由集成运算放大器构成 。
C1的同相输入端,+”接到参考电压 VR1端上,即电压控制端 5,反相控制端,-”用 TH表示,称为高触发端 6； C2的反相输入端,-”接参考电压端 VR2端上,
同相输入端,+”用 TL表示,称为低触发端 2。
当同相输入端电压 V+大于反相输入端电压 V-(V+>V-)
时,比较器输出为高电平；若同相输入端电压 V+小于反相输入端电压 V-(V+<V-)时,比较器输出为低电平；
基本 RS触发器
基本 RS触发器由两个与非门构成,是可以从外部进行置,0”的复位端 4,当 =0时,使 Q=0，
=1,工作时,触发器的状态受比较器输出 VC1
和 VC2的控制 。
R
Q
输出缓冲器
输出缓冲器由接在输出端的非门 3构成,
其作用是提高定时器的带负载能力,隔离负载对定时器的影响 。 非门 3的输出为定时器的输出端 3(vo)。
三极管开关
三极管 T在此电路中作为开关使用,其状态受触发器 端控制,当 =0时,T截止,
=1时 T饱和导通 。
5G555定时器有八个引出端,1地端,2低触发端,3输出端,4复位端,5电压控制端,6高触发端,7放电端,8电源端 。
Q
Q
Q
8.1.2 工作原理
分析图 8-1所示原理图，便可以得到 5G555
定时器的功能表。如表 8-1所示。
表 8-1 5G555定时器的功能表
TH TL R VO T
×
＞ 2VCC/3
＜ 2VCC/3
＜ 2VCC/3
×
×
＞ VCC/3
＜ VCC/3
0
1
1
1
0
0
不变
1
导通导通不变截止只要 =0,则 =1,vo=0,T处于导通状态；当
TH>2VCC/3时,即 V->V+,vC1=0,=1,vo=0,T导通；若 TH<2VCC/3,TL>VCC/3时,则 vC1=1,vC2=1，
基本 RS触发器保持原来状态不变,因此输出 vo和三极管 T保持原来状态；当 TH<2VCC/3,TL<VCC/3时,
则 vC1=1,vC2=0,Q=1、
=0,vo=1,三极管 T截止 。
R
Q
Q
Q
8.1.3 集成 555定时器的应用
多谐振荡器
单稳态触发器
施密特触发器
(一 ) 多谐振荡器
多谐振荡器是一种产生矩形脉冲波的自激振荡器。由于矩形波含有丰富的高次谐波，所以矩形波振荡器又称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，不需外加触发信号，当接通电源后，便可以自动地周而复始地产生矩形波输出。
用 555定时器很容易构成多谐振荡器 。 如图 8-2所示 。 图中的
R1,R2和 C是外接电阻和电容,是定时元件 。
VCC
0.01μF
5 8 4 3
7
6
2
1
5G555
D
TH
TL dvC
图 8-2多谐振荡器
C
R1
R2
工作原理分析如下,电路接通电源前，定时电容 C上的电压 vC=0V，
TH,TL的电位为 0，即
vTH=vTL=vd=vC=0V。电路接通电源 VCC开始时，
由于电容器上的电压不能突变，所以 TH,TL
均处于低电位，则 vTH＜
VR1，
2VCC
3
VCC
3
VCC
0
tw1
tw2
VCC
T
图 8-3多谐振荡器工作波形图
0
使比较器 C2输出 vC2=0。
此时，基本 RS触发器处于 1状态,Q=1,=0，定时器输出 vo=1使三极管开关截止，电源 VCC通过 R1、
R2给电容器充电，使 TH、
TL的电位逐渐升高。电路处于暂稳态，定时器输出 vo保持高电平。
Q
2VCC
3
VCC
3
VCC
0
tw1
tw2
VCC
T
图 8-3多谐振荡器工作波形图
0
当电容器 C充电使 vC上升到 2VCC/3时,TH,TL的电位同时也上升到 2VCC/3，
使比较器 C1输出 vC1=0，比较器 C2的输出 vC2=1，此时，
基本 RS触发器置 0,Q=0，
=1，
Q
2VCC
3
VCC
3
VCC
0
tw1
tw2
VCC
T
图 8-3多谐振荡器工作波形图
0
定时器 vo跳变为低电平
(vo=0)，同时使三极管开关 T导通，电容器 C经 R2
和三极管 T放电,TH、
TL的电位逐渐下降，电路处于另一个暂稳态，定时器输出 vo保持低电平。
2VCC
3
VCC
3
VCC
0
tw1
tw2
VCC
T
图 8-3多谐振荡器工作波形图
0
当电容器 C放电使 vC下降到 VCC/3时,TH,TL的电位同时也下降到 VCC/3，
使比较器 C1输出 vC1=1，
比较器 C2的输出 vC2=0，
此时,基本 RS触发器置 1，
Q=1,=0,定时器 vo跳变为高电平 (vo=1)，
Q
2VCC
3
VCC
3
VCC
0
tw1
tw2
VCC
T
图 8-3多谐振荡器工作波形图
0
同时又使三极管开关 T截止，电源 VCC又通过 R1和
R2给电容器 C充电,……
如此周而复始地两个暂稳态不停地相互转换，在定时器的输出端就得到矩形波脉冲信号输出。工作波形如图 8-3所示。
2VCC
3
VCC
3
VCC
0
tw1
tw2
VCC
T
图 8-3多谐振荡器工作波形图
0
振荡周期 T和振荡频率 f的近似计算公式如下：
tw1≈(R1+R2)Cln2≈0.7(R1+R2)C
tw2≈R2Cln2≈0.7R2C
T= tw1+tw2≈0.7(R1+2R2)C
CRRT
f
)2(
43.11
21?
输出脉冲幅度为,Vm≈VCC
图 8-4是用 5G555定时器构成的占空比 (脉冲宽度与周期之比 )可调的多谐振荡器 。 该电路比图 8-2多两个二极管 D1,D2和一个电位器 Rw。
VCC
0.01μF
5 8 4 3
7
6
21
5G55
5
D
TH
TL
D1
vC
图 8-4占空比可调多谐振荡器
D2
C
R1
R2
Rw
当三极管 T截止时,
VCC通过 R1,D1给电容器 C充电；若三极管 T
导通时,电容器 C通过
R2,D2放电 。 因此有：
脉 冲 宽 度
tw1≈0.7R1C
脉 冲 间 隔 时 间
tw2≈0.7R2C
振 荡 周 期
T≈0.7(R1+R2)C
VCC
0.01μF
5 8 4 3
7
6
21
5G55
5
D
TH
TL
D1
vC
图 8-4占空比可调多谐振荡器
D2
C
R1
R2
Rw
VCC
0.01μF
5 8 4 3
7
6
21
5G55
5
D
TH
TL
D1
vC
图 8-4占空比可调多谐振荡器
D2
C
R1
R2
Rw21
1
21
1
21
1
)(7.0
7.0
RR
R
CRR
CR
tt
t
q
ww
w
当调节 Rw时，就改变了 R1、
R2的阻值，也就改变了占空比，而振荡周期保持不变。
占空比
(二 ) 单稳态触发器
单稳态触发器是一种用于整形,延时,定时的脉冲电路 。
整形：把不规则的波形转换成宽度,幅度都相等的矩形脉冲 。
延时：将输入信号延迟一定时间之后输出 。
定时：产生一定宽度的方波 。
单稳态触发器特点
单稳态触发器电路的功能：每触发一次,电路输出一个宽度一定,幅度一定的矩形波 。
单稳态触发器特点：
单稳态触发器虽然有两个工作状态,但其中一个为稳态,而另一个为暂稳态 。 未加触发信号前的状态为稳态,加触发信号后的状态为暂稳态 。
单稳态触发器在外加触发脉冲的作用下,可以从稳态翻转到暂稳态 。 暂稳态维持一段时间后,自动返回到稳态,无需外加触发脉冲 。
暂稳态持续的时间就是单稳态触发器的脉冲宽度的大小 。 只取决于电路本身的参数,而与触发脉冲无关 。
图 8-5是 5G555定时器构成的单稳态触发器,图中 R,C是定时元件；单稳态触发器的输入信号
vI加在低触发端 TL端,3
端是单稳态触发器输出脉冲端 (vO)。 高触发端
TH(6)和放电端 D(7)连接到 C与 R的连接处 d。
VCC
0.01μF
5
8 4 3
7
6
2
1
5G555
D
TH
TL
d
vO
图 8-5单稳态触发器
C
R
vI
稳态时
稳态时,触发脉冲 vI为高电平,基本 RS触发器处于 0状态,=1,三极管导通,TH和 D端处于低电平,输出
vO为低电平 。 其过程为：没有输入触发脉冲,vI=1。
接通电源 VCC时,VCC通过 R给 C充电,vC上升,TH和
D 端 电 位 也 随 之 上 升 。 当上升到 2VCC/3
（ vC=vTH=2VCC/3） 时,使比较器 C1输出 vC1=0,此时,
RS触发器置 0状态,Q=0,=1,定时器输出 （ 单稳态触发器输出 ） vO=0。 同时三极管 T导通,C通过 T放电,
vTH=vC=0,电路处于稳定状态 。
Q
Q
翻转过程
输入窄触发负脉冲到来后,即 vI由高电平跳变到低电平时,单稳态触发器电路状态由稳态翻转到暂态；
vO=1,三极管 T截止,电源 VCC又通过 R给 C充电 。 翻转过程：当 vI由 1变 0,即 vI＜ VR2,使比较器 C2输出
vC2=0,此时基本 RS触发器置 1,Q=1,=0,输出
vO=1。 同时三极管 T截止,电源 VCC又重新通过 R给 C
充电,电路由稳态翻转到暂态,输入负跳变触发脉冲结束,vI由低电平又跳变到为高电平 。
Q
暂态期间
在暂稳态期间,电源 VCC通过 R给 C充电,随着电容器 C充电过程,vC升高,TH和 D端电位也随之升高 。
当 TH端电位上升到 2VCC/3时,使比较器 C1输出
vC1=0,此时基本 RS触发器复 0,Q=0,=1,输出
vO=0。 同时三极管 T导通,电容器 C通过 T放电,电路由暂稳态自动返回到稳态 。 暂稳态时间由 RC电路参数决定 。
Q
单稳态触发器在负脉冲触发作用下,由稳态翻转到暂稳态 。 由于电容器充电,暂稳态自动返回稳态 。 这一转换过程为单稳态触发器的一个工作周期 。 其工作波形图如图 8-6所示 。
VCC
0
2VCC
3
VCC
0
VCC
Tw
vI
vO
图 8-6单稳态触发器工作波形如果忽略三极管的饱和压降,则电容 C从零电平上升到 2VCC/3的时间为暂稳态时间,即输出脉冲宽度 Tw为：
Tw=RCln3=1.1RC
这种单稳态触发器电路要求输入触发脉冲宽度要小于
Tw,而输入 vI的周期要大于
Tw,使 vI的每一个负触发脉冲都起作用 。
VCC
0
2VCC
3
VCC
0
VCC
Tw
vI
vO
图 8-6单稳态触发器工作波形
如果输入负触发脉冲宽度大于输出脉冲宽度
Tw时,可以在输入负触发脉冲和触发器输入端之间接一个 RC微分电路 。 即 vI 通过 RC微分电路接到低触发端
TL上 。
VCC
0
2VCC
3
VCC
0
VCC
Tw
vI
vO
图 8-6单稳态触发器工作波形施密特触发器
施密特触发器是一种具有回差特性的脉冲波形变换电路 。 它有如下特点：
施密特触发器有两个稳定输出状态,属电位触发 。
当输入触发信号电平达到阈值电压时 （ 所加电位信号不得撤去 ）,输出电平会发生突变 。 突变的原因是电路内部正反馈所致 。 这样施密特触发器便可以将缓慢变化的输入信号,变换成矩形波输出 。
施密特触发器具有回差特性。输入信号电平增加时，引起输出电平突变的转换电平称为上限阈值电压，用 VT+表示。输入信号电平减小时，引起输出电平突变的转换电平称为下限阈值电压，用 VT-表示。
VT+和 VT-不等称作回差。
回差电压△ VT=VT+-VT-。
使其抗干扰能力较强。
vI TH
TL
VCC
8 4
6
2
3
1 5
5G555 vO
0.01μF
图 8-7施密特触发器
将 5G555定时器的高触发端 TH和低触发端 TL连接起来就构成了施密特触发器 。 如图 8-7
所示 。
vI TH
TL
VCC
8 4
6
2
3
1 5
5G555 vO
0.01μF
图 8-7施密特触发器
如果输入信号电压 vI是三角波,当 vI＜ VCC/3时比较器 C2输出 vC2=0,基本 RS触发器置 1,Q=1,=0，
输出 vO=1。 当 vI上升到 2VCC/3时,比较器 C1输出
vC1=0,此时基本 RS触发器复 0,Q=0,=1,输出
vO=0。 vI由高电位下降到稍小于 VCC/3后,比较器
C2输出 vC2=0,基本 RS触发器又置 1,Q=1,=0，
输出 vO又跳变为高电平 vO=1。 如此连续变化,在输出端得到矩形波输出,其工作波形如图 8-8所示 。
Q
Q
Q
vI
vO
t
t
0
0
2VCC
3
VCC
3
VT+
VT-
图 8-8施密特触发器工作波形
vO
VOH
VOL
0 VCC
3
2VCC
3
vI
图 8-9施密特触发器电压传输特性图 8-9所示为
vO=f(vI)的关系曲线，是施密特触发器的电压传输特性。
施密特触发器状态的转换由输入信号 vI来触发，同时输出的高、低电平依赖于 vI的高、低电平来维持。输出对输入的这种依赖关系与门电路相同，因此用图 8-10所示的符号表示施密特触发器 (施密特触发的反相器 )。
vOvI
图 8-10施密特触发器逻辑符号
回差电压 △ V越大,
电路的动作电压就越高,抗干扰能力越强 。
施密特触发器常用于进行波形变换及脉冲波形的整形 。
8.2 门电路构成的矩形波发生器及整形电路
多谐振荡器
单稳态触发器
施密特触发器
8.2.1 多谐振荡器
(一 )最简单的环形振荡器
环形振荡器是利用门电路固有的传输延迟时间,将奇数个反相器首尾相接而形成的 。
图 8-11(a)所示的电路是一个最简单的环形振荡器,它由三个反相器首尾相接组成 。 这个电路没有稳定状态 。
vI1 vI2 vI3
vO1 vO2 vO
G1 G2 G3
(a)电路原理图
t
图 8-11 简单的环形振荡器
vO(vI1)
vO1(vI2)
vO2(vI3)
tpd
0
0
0
(b)图工作波形图
t
t
(一 )最简单的环形振荡器
例如由于某种原因使 vI1发生了微小的负跳变以后,
经过 G1的传输延迟时间 tpd之后,vI2产生一个正跳变,
再经过 G2的传输延迟时间 tpd又使 vI3产生一个负跳变,
经过 G3的传输延迟时间 tpd之后,vO产生一个正跳变 。
所以经过 3tpd的传输延迟时间之后在 vI1又出现了一个反方向的电压跳变 。 经过 3tpd之后,又将跳变成低电平,如此周而复始,便产生了自激振荡,输出矩形波 。 图 8-11(b)就是根据以上分析得到的工作波形图 。
由图可见,振荡周期 T=6tpd。
结 论
根据上述原理,将任何大于,等于 3的奇数个反相器首尾相连地串接在一起均可构成环形振荡器,而且振荡频率为
T=2ntpd
其中 n为串联门的个数 。
这种振荡器的突出优点是电路极为简单 。 但是由于门电路的传输延迟时间极短,TTL电路只有几十纳秒,CMOS电路也不过一,二百纳秒,所以难于获得稍低一些的频率,而且频率不易调节 。 为了克服这些缺点,引入了一些改进电路 。
(二 ) RC环形多谐振荡器
在简单环形振荡电路中引进 RC电路作为延时环节,
形成 RC环形多谐振荡器 。 如图 8-12所示 。 图中 RC构成延时环节,RS为限流电阻,对门 3起限流保护作用 。
vI1
vI2 vI3
vO1 vO2 v
O
G1 G2 G3
图 8-12 RC环形振荡器
C
RSR
通常 RC电路产生的延迟时间远大于门电路本身的传输延迟时间 tpd,所以分析时可忽略门电路的传输延迟时间,认为每个门的输入,输出的跳变同时发生,RS的阻值很小 (100Ω),故将 vI3视为门 G3的输入电压 。 当 vI3＞ VT(TTL与非门的阈值电压为 1.4V)时,
vO为低电平； vI3＜ VT时,vO为高电平 。 电容器上的电压不能突跳,使 vI3随 vO1跳变 (vO1和 vI3之间有电容器 C耦合的结果 )。
工作过程
RC环形振荡器的工作过程如下,当 vO由 VOL上跳为
VOH,vO1由 VOH下跳为 VOL,vO2由 VOL上跳为 VOH。
同时 vI3由随 vO1下跳为负值,维持 vO为 1,此为暂态
Ⅰ 。 此时 vO2通过 R给电容器 C充电,使 vI3的电位逐渐上升 。 充电回路为 vO2→ R→v I3→ C→ vO1。 当 vI3上升到大于阈值电压 VT时,G3导通,使 vO由 1下跳为 0，
暂态 Ⅰ 结束,进入暂态 Ⅱ 。 在暂态 Ⅱ 期间,vO1由 0
上跳 1,vO2由 1下跳为 0,vI3随 vO1上跳为很高正值,
维持 vO为 0。
此时 vO1通过 R给电容器 C进行反向充电，使 vI3的电位逐渐下降。充电回路为 vO1→ C→ vI3→ R→ vO2。当
vI3下降到小于阈值电压 VT时,G3截止，使 vO由 0上跳为 1，暂态 Ⅱ 结束，回到暂态 Ⅰ 。同时 vO1由 1下跳为 0,vO2由 0上跳为 1,vI3又随 vO1下跳为负值，维持
vO为 1，电容器 C又进行充电 …… 。如此靠电容器的充放电过程，使两个暂稳态周而复始的转换，在门
G3的输出端 vO得到的就是矩形脉冲波输出。
t
t
t
t
VT
VT-(VOH-VOL)
VT+(VOH-VOL)
VOH
VOL
vO（ vI1）
vO1
vO2
vI3
（ vI2）
0
0
0
0
图 8-13 RC环形振荡器理想工作波形振荡器的暂态时间和周期的近似计算公式为：
tw1≈0.98(R∥ R1)C
tw2≈1.26RC
T=tw1+tw2≈
0.98(R∥ R1)C+1.26RC
式中的 R,C是外接，
R1是 TTL与非门中的
R1。当 R1>>R时,振荡周期为：
T≈2.2RC
上式可用于近似估计振荡周期,使用时应注意它的假定条件是否满足,否则,计算结果会有较大的误差。
t
t
t
t
VT
VT-(VOH-VOL)
VT+(VOH-VOL)
VOH
VOL
vO（ vI1）
vO1
vO2
vI3
（ vI2）
0
0
0
0
图 8-13 RC环形振荡器理想工作波形
(三 ) 石英晶体多谐振荡器
在许多应用场合都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格的要求。例如多谐振荡器作为数字钟的脉冲源使用时，要求频率十分稳定。
上述多谐振荡器中，振荡频率主要取决于门电路的输入电压上升到转换电平（阈值电压）所需要的时间，所以频率的稳定性不可能很高。第一，转换电平本身就不够稳定，容易受电源和温度变化的影响；
第二，电路的工作方式容易受干扰，造成电路状态转换的提前或滞后；第三，在电路状态临近转换时，
电容的充、放电已经比较缓慢，转换电平的微小变化或轻微的干扰都会严重影响振荡周期。因此在对频率要求很高时，必须采取稳频措施。
目前，普遍采用的稳频方法是在多谐振荡器中接入石英晶体组成石英晶体多谐振荡器。图 8-
14 为石英晶体的阻抗频率特性和符号。石英晶体不但频率特性稳定，
而且品质因数很高，有极好的选频特性。
ff0
x
0
电感性电容性符号图 8-14 石英晶体的阻抗频率特性与符号
vI1
vI2 vI3
vO1 vO2
vO
G1 G2 G3
图 8-15 石英晶体环形振荡器
C
RSR
石英晶体
把石英晶体与 RC多谐振荡器中的电容串联起来就构成了石英晶体多谐振荡器。
由石英晶体的电抗频率特性可知，当外加电压的频率为 f0时，其等效阻抗最小，所以频率为 f0的电压信号最容易通过，并在电路中形成正反馈。因此振荡器的工作频率为 f0。
石英晶体振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率 f0，与外接电阻、电容无关。其工作原理与
RC环形多谐振荡器基本相同。
(四 ) 单稳态触发器
单稳态触发器的暂稳态是靠 RC电路的充放电过程来维持的，根据 RC电路的不同接法，可分为微分型和积分型。
以 TTL与非门,RC微分电路构成的单稳态触发器为例说明其工作原理。
1,TTL与非门微分型单稳态触发器
在基本 RS触发器中插入一个 RC微分电路环节就构成了单稳态触发器，如图 8-16所示。
图 8-16 单稳态触发器
0.47kΩvI
vO1 vO
vI2
C
0.01μF R
G1 G2
电路接通电源后,无脉冲触发信号 (vI=1)输入时,电路处于稳态。 G1门开通,vO1=0,G2门关闭 vO=1。
在输入端加入负脉冲信号后,vO1=1。由于 C上电压不能突跳，则 vI2随 vO1上跳并大于 VT (VT=1.4V)值，
使 G2门开通,vO=0。电路由稳态翻转到暂稳态。
在暂稳态期间，由于 vO1不断地给电容器 C充电，电容器上的电压 vC不断升高，而使 vI2逐渐下降。当 vI2下降到小于阈值电压 VT时,G2门又关闭,vO=1。此时输入负触发脉冲早已消失,vI为高电平。则 G1又开始导通,vO1=0,vI2随之下跳为负值，然后 C开始放电，使
vI2恢复到正常的低电平。电路处于稳态。其工作波形如图 8-17所示。
t
t
t
t0
0
0
0
vO
VT
vI2
vO1
vI
图 8-17单稳态触发器工作波形输出脉冲宽度 Tw
近似计算：
Tw≈0.8(RO+R)C
公式中的 RO为与非门的输出电阻，
RO≈100Ω。
2.单稳态触发器的应用
脉冲整形
脉冲定时
脉冲延时脉冲整形
单稳态触发器输出脉冲的幅度和宽度是确定的，利用这一性质，可将宽度和幅度不规则的脉冲串，整形为宽度和幅度一定的脉冲串，如图 8-18所示。
t
vI
0
t
vO
0
图 8-18 脉冲波形脉冲定时
由于单稳态触发器能产生一定宽度 Tw的矩形输出脉冲,利用这个脉冲去控制某电路,使其在 Tw时间内动作 （ 或不动作 ）,起到了定时作用 。 例如,
利用脉冲宽度为 Tw的正矩形脉冲作为门输入的信号 vB,而与门的另一个输入端信号为 vA。 只有当矩形波 vB为 1的 Tw时间内,信号 vA才能通过与门,输出才有脉冲,如图 8-19所示 。
单稳电路
vA
vB
vO
vI
(a)逻辑图
vO
vI
vB
vA
(b)波形图图 8-19 脉冲定时电路
Tw
脉冲延时
Tw 时间,称这个时间为延时 。 逻辑图和波形图如图 8-20 所示 。
单稳电路
Tw
vI
vO
Tw
vI
vO0
0 t
1 t2
t
t
图 8-20脉冲延时
(a)逻辑图 (b)波形图
3,施密特触发器
TTL与非门构成的施密特触发器
图 8-21是三个 TTL与非门和一个二极管构成的施密特触发器门
G1为反相器,门 G2、
G3组成基本 RS触发器，二极管 D起电平偏移作用。
R
S
Q
Q
G1
G2
G3
vI
vO
D
图 8-21 施密特电路下图是 vI为三角波时输出 vO随 vI变化的波形图 。
VOH
VOL
VT+=1.4V
VT-=0.7V
vO
t
t
0
0
图 8-22 工作波形图
4,施密特触发器的应用
波形的变换与整形
幅度鉴别
脉冲展宽电路波形的变换与整形
利用施密特触发器可以将正弦波、三角波变换成矩形波。如图 8-23所示
vI
vO
VT+
VT-
图 8-23波形变换和整形幅度鉴别
施密特触发器的输出状态取决于输入信号 vI的幅度，因此它可以用来作为幅度鉴别电路。只有当脉冲信号 vI的幅度大于
VT+的脉冲，电路才输出一个脉冲，而幅度小于 VT+的脉冲，电路无输出脉冲，其工作波形图如图 8-24所示。
vI
vO
VT+
VT-
图 8-24幅度鉴别波形幅度鉴别脉冲展宽电路
脉冲展宽电路原理图、工作波形图如图
8-25(a),(b)图所示。
VCC
vI v
O
G1
R
C
vC
(a) 原理图
vI
vO
vC V
T+
(b)波形图图 8-25脉冲展开电路
电容器 C与集电极开路反相器的输出端并联到施密特触发器的输入端。当 vI为高电平时，
门 G1输出为低电平，电容器不能充电,vC≈0，
施密特触发器输出为高电平。当 vI为低电平时，门 G1输出为应为高电平，
而 vC不能跳变,VCC通过 R给 C充电,vC按指数曲线上升，当 vC上升到略大于 VT+时，
施密特触发器由高电平下跳为低电平。从而使 vO的波形展宽。 RC决定展宽大小。改变
RC值的大小就可以改变施密特触发器的输出脉冲宽度。
一些概念
8.1 集成 555定时器及应用
8.2 门电路构成的矩形波发生器及整形电路
矩形脉冲波常作为时钟信号。波形的好坏直接关系到电路能否正常工作。为了定量描述矩形脉冲波，通常采用如图所示参数。
tr tf
0.1Vm
0.5Vm
0.9Vm
TW
Vm
T
脉冲波形参数一些基本概念脉冲宽度 Tw—— 从脉冲波形上升沿上升到 0.5Vm起到下降沿下降到 0.5Vm止的时间 。
上升时间 tr—— 脉冲波形的上升沿从 0.1Vm上升到
0.9Vm所需时间 。
下降时间 tf—— 脉冲波形的下降沿从 0.9Vm下降 到
0.1Vm所需时间 。
占空比 q—— 脉冲宽度 Tw与脉冲周期 T之比即
T
Tq w?
tr tf
0.1Vm
0.5Vm
0.9Vm
TW
Vm
T
脉冲波形参数
脉冲周期 T—— 周期性重复的脉冲序列中,
相邻两个脉冲间的时间间隔 。
脉冲频率 f—— 频率 f表示单位时间内脉冲重复的次数,
脉冲幅度 Vm—— 脉冲波形的电压最大变化幅度 。
T
f 1?
8.1 集成 555定时器及应用
集成 555定时器的用途很广，有双极型（型号最后三位为 555）和 CMOS型（型号最后四位为 7555）两类电路。它们的功能、外引线排列完全相同。在测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域得到了广泛的应用。
5G555定时器的电路组成及工作原理
集成 555定时器的应用
8.1.1 电路组成
图 8-1为双极型 5G555定时器的原理电路和引脚排列图。
V-C
1 2 3 4
8 7 6 5
+VCC D TH
GND TL
OUT
R
5G555
3
图 8-1集成 5G555定时器原理图
C
1
+
-
C
2
+
-
R
1
R
2
R
3
V
R 1
V
R 2
V
C 1
(
V
R
)
V
C 1
(
V
S
)
R
R
4
V
-
C
5
T H
6
T L
2
1
T
7
D
Q
Q
R
S
1
2
3
8
5 k
Ω
5 k
Ω
5 k
Ω
Ω
Ω
Ω
电阻分压器比较器基本 RS触发器三极管开关输出缓冲器
555定时器基本结构
C
1
+
-
C
2
+
-
R
1
R
2
R
3
V
R 1
V
R 2
V
C 1
(
V
R
)
V
C 1
(
V
S
)
R
R
4
V
-
C
5
T H
6
T L
2
1
T
7
D
Q
Q
R
S
1
2
3
8
5 k
Ω
5 k
Ω
5 k
Ω
Ω
Ω
Ω
分压器
分压器由三个阻值均为 5kΩ的电阻串联连接构成,
为比较器 C1,C2提供参考电压 VR1,VR2,C1的同相输入端 V+=VR1=2VCC/3 。 C2 的反相输入端 V-
=VR2=VCC/3。 如果在电压控制端 5另加控制电压,可以改变比较器 C1,C2参考电压 VR1,VR2的值 。 若工作中不使用控制端 5时,则控制端 5通过一个 0.01μF
的电容接地,以旁路高频干扰 。
分压器上端 8接 VCC,下端 1接地 。
比较器
C1和 C2是两个比较器 。 分别由集成运算放大器构成 。
C1的同相输入端,+”接到参考电压 VR1端上,即电压控制端 5,反相控制端,-”用 TH表示,称为高触发端 6； C2的反相输入端,-”接参考电压端 VR2端上,
同相输入端,+”用 TL表示,称为低触发端 2。
当同相输入端电压 V+大于反相输入端电压 V-(V+>V-)
时,比较器输出为高电平；若同相输入端电压 V+小于反相输入端电压 V-(V+<V-)时,比较器输出为低电平；
基本 RS触发器
基本 RS触发器由两个与非门构成,是可以从外部进行置,0”的复位端 4,当 =0时,使 Q=0，
=1,工作时,触发器的状态受比较器输出 VC1
和 VC2的控制 。
R
Q
输出缓冲器
输出缓冲器由接在输出端的非门 3构成,
其作用是提高定时器的带负载能力,隔离负载对定时器的影响 。 非门 3的输出为定时器的输出端 3(vo)。
三极管开关
三极管 T在此电路中作为开关使用,其状态受触发器 端控制,当 =0时,T截止,
=1时 T饱和导通 。
5G555定时器有八个引出端,1地端,2低触发端,3输出端,4复位端,5电压控制端,6高触发端,7放电端,8电源端 。
Q
Q
Q
8.1.2 工作原理
分析图 8-1所示原理图，便可以得到 5G555
定时器的功能表。如表 8-1所示。
表 8-1 5G555定时器的功能表
TH TL R VO T
×
＞ 2VCC/3
＜ 2VCC/3
＜ 2VCC/3
×
×
＞ VCC/3
＜ VCC/3
0
1
1
1
0
0
不变
1
导通导通不变截止只要 =0,则 =1,vo=0,T处于导通状态；当
TH>2VCC/3时,即 V->V+,vC1=0,=1,vo=0,T导通；若 TH<2VCC/3,TL>VCC/3时,则 vC1=1,vC2=1，
基本 RS触发器保持原来状态不变,因此输出 vo和三极管 T保持原来状态；当 TH<2VCC/3,TL<VCC/3时,
则 vC1=1,vC2=0,Q=1、
=0,vo=1,三极管 T截止 。
R
Q
Q
Q
8.1.3 集成 555定时器的应用
多谐振荡器
单稳态触发器
施密特触发器
(一 ) 多谐振荡器
多谐振荡器是一种产生矩形脉冲波的自激振荡器。由于矩形波含有丰富的高次谐波，所以矩形波振荡器又称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，不需外加触发信号，当接通电源后，便可以自动地周而复始地产生矩形波输出。
用 555定时器很容易构成多谐振荡器 。 如图 8-2所示 。 图中的
R1,R2和 C是外接电阻和电容,是定时元件 。
VCC
0.01μF
5 8 4 3
7
6
2
1
5G555
D
TH
TL dvC
图 8-2多谐振荡器
C
R1
R2
工作原理分析如下,电路接通电源前，定时电容 C上的电压 vC=0V，
TH,TL的电位为 0，即
vTH=vTL=vd=vC=0V。电路接通电源 VCC开始时，
由于电容器上的电压不能突变，所以 TH,TL
均处于低电位，则 vTH＜
VR1，
2VCC
3
VCC
3
VCC
0
tw1
tw2
VCC
T
图 8-3多谐振荡器工作波形图
0
使比较器 C2输出 vC2=0。
此时，基本 RS触发器处于 1状态,Q=1,=0，定时器输出 vo=1使三极管开关截止，电源 VCC通过 R1、
R2给电容器充电，使 TH、
TL的电位逐渐升高。电路处于暂稳态，定时器输出 vo保持高电平。
Q
2VCC
3
VCC
3
VCC
0
tw1
tw2
VCC
T
图 8-3多谐振荡器工作波形图
0
当电容器 C充电使 vC上升到 2VCC/3时,TH,TL的电位同时也上升到 2VCC/3，
使比较器 C1输出 vC1=0，比较器 C2的输出 vC2=1，此时，
基本 RS触发器置 0,Q=0，
=1，
Q
2VCC
3
VCC
3
VCC
0
tw1
tw2
VCC
T
图 8-3多谐振荡器工作波形图
0
定时器 vo跳变为低电平
(vo=0)，同时使三极管开关 T导通，电容器 C经 R2
和三极管 T放电,TH、
TL的电位逐渐下降，电路处于另一个暂稳态，定时器输出 vo保持低电平。
2VCC
3
VCC
3
VCC
0
tw1
tw2
VCC
T
图 8-3多谐振荡器工作波形图
0
当电容器 C放电使 vC下降到 VCC/3时,TH,TL的电位同时也下降到 VCC/3，
使比较器 C1输出 vC1=1，
比较器 C2的输出 vC2=0，
此时,基本 RS触发器置 1，
Q=1,=0,定时器 vo跳变为高电平 (vo=1)，
Q
2VCC
3
VCC
3
VCC
0
tw1
tw2
VCC
T
图 8-3多谐振荡器工作波形图
0
同时又使三极管开关 T截止，电源 VCC又通过 R1和
R2给电容器 C充电,……
如此周而复始地两个暂稳态不停地相互转换，在定时器的输出端就得到矩形波脉冲信号输出。工作波形如图 8-3所示。
2VCC
3
VCC
3
VCC
0
tw1
tw2
VCC
T
图 8-3多谐振荡器工作波形图
0
振荡周期 T和振荡频率 f的近似计算公式如下：
tw1≈(R1+R2)Cln2≈0.7(R1+R2)C
tw2≈R2Cln2≈0.7R2C
T= tw1+tw2≈0.7(R1+2R2)C
CRRT
f
)2(
43.11
21?
输出脉冲幅度为,Vm≈VCC
图 8-4是用 5G555定时器构成的占空比 (脉冲宽度与周期之比 )可调的多谐振荡器 。 该电路比图 8-2多两个二极管 D1,D2和一个电位器 Rw。
VCC
0.01μF
5 8 4 3
7
6
21
5G55
5
D
TH
TL
D1
vC
图 8-4占空比可调多谐振荡器
D2
C
R1
R2
Rw
当三极管 T截止时,
VCC通过 R1,D1给电容器 C充电；若三极管 T
导通时,电容器 C通过
R2,D2放电 。 因此有：
脉 冲 宽 度
tw1≈0.7R1C
脉 冲 间 隔 时 间
tw2≈0.7R2C
振 荡 周 期
T≈0.7(R1+R2)C
VCC
0.01μF
5 8 4 3
7
6
21
5G55
5
D
TH
TL
D1
vC
图 8-4占空比可调多谐振荡器
D2
C
R1
R2
Rw
VCC
0.01μF
5 8 4 3
7
6
21
5G55
5
D
TH
TL
D1
vC
图 8-4占空比可调多谐振荡器
D2
C
R1
R2
Rw21
1
21
1
21
1
)(7.0
7.0
RR
R
CRR
CR
tt
t
q
ww
w
当调节 Rw时，就改变了 R1、
R2的阻值，也就改变了占空比，而振荡周期保持不变。
占空比
(二 ) 单稳态触发器
单稳态触发器是一种用于整形,延时,定时的脉冲电路 。
整形：把不规则的波形转换成宽度,幅度都相等的矩形脉冲 。
延时：将输入信号延迟一定时间之后输出 。
定时：产生一定宽度的方波 。
单稳态触发器特点
单稳态触发器电路的功能：每触发一次,电路输出一个宽度一定,幅度一定的矩形波 。
单稳态触发器特点：
单稳态触发器虽然有两个工作状态,但其中一个为稳态,而另一个为暂稳态 。 未加触发信号前的状态为稳态,加触发信号后的状态为暂稳态 。
单稳态触发器在外加触发脉冲的作用下,可以从稳态翻转到暂稳态 。 暂稳态维持一段时间后,自动返回到稳态,无需外加触发脉冲 。
暂稳态持续的时间就是单稳态触发器的脉冲宽度的大小 。 只取决于电路本身的参数,而与触发脉冲无关 。
图 8-5是 5G555定时器构成的单稳态触发器,图中 R,C是定时元件；单稳态触发器的输入信号
vI加在低触发端 TL端,3
端是单稳态触发器输出脉冲端 (vO)。 高触发端
TH(6)和放电端 D(7)连接到 C与 R的连接处 d。
VCC
0.01μF
5
8 4 3
7
6
2
1
5G555
D
TH
TL
d
vO
图 8-5单稳态触发器
C
R
vI
稳态时
稳态时,触发脉冲 vI为高电平,基本 RS触发器处于 0状态,=1,三极管导通,TH和 D端处于低电平,输出
vO为低电平 。 其过程为：没有输入触发脉冲,vI=1。
接通电源 VCC时,VCC通过 R给 C充电,vC上升,TH和
D 端 电 位 也 随 之 上 升 。 当上升到 2VCC/3
（ vC=vTH=2VCC/3） 时,使比较器 C1输出 vC1=0,此时,
RS触发器置 0状态,Q=0,=1,定时器输出 （ 单稳态触发器输出 ） vO=0。 同时三极管 T导通,C通过 T放电,
vTH=vC=0,电路处于稳定状态 。
Q
Q
翻转过程
输入窄触发负脉冲到来后,即 vI由高电平跳变到低电平时,单稳态触发器电路状态由稳态翻转到暂态；
vO=1,三极管 T截止,电源 VCC又通过 R给 C充电 。 翻转过程：当 vI由 1变 0,即 vI＜ VR2,使比较器 C2输出
vC2=0,此时基本 RS触发器置 1,Q=1,=0,输出
vO=1。 同时三极管 T截止,电源 VCC又重新通过 R给 C
充电,电路由稳态翻转到暂态,输入负跳变触发脉冲结束,vI由低电平又跳变到为高电平 。
Q
暂态期间
在暂稳态期间,电源 VCC通过 R给 C充电,随着电容器 C充电过程,vC升高,TH和 D端电位也随之升高 。
当 TH端电位上升到 2VCC/3时,使比较器 C1输出
vC1=0,此时基本 RS触发器复 0,Q=0,=1,输出
vO=0。 同时三极管 T导通,电容器 C通过 T放电,电路由暂稳态自动返回到稳态 。 暂稳态时间由 RC电路参数决定 。
Q
单稳态触发器在负脉冲触发作用下,由稳态翻转到暂稳态 。 由于电容器充电,暂稳态自动返回稳态 。 这一转换过程为单稳态触发器的一个工作周期 。 其工作波形图如图 8-6所示 。
VCC
0
2VCC
3
VCC
0
VCC
Tw
vI
vO
图 8-6单稳态触发器工作波形如果忽略三极管的饱和压降,则电容 C从零电平上升到 2VCC/3的时间为暂稳态时间,即输出脉冲宽度 Tw为：
Tw=RCln3=1.1RC
这种单稳态触发器电路要求输入触发脉冲宽度要小于
Tw,而输入 vI的周期要大于
Tw,使 vI的每一个负触发脉冲都起作用 。
VCC
0
2VCC
3
VCC
0
VCC
Tw
vI
vO
图 8-6单稳态触发器工作波形
如果输入负触发脉冲宽度大于输出脉冲宽度
Tw时,可以在输入负触发脉冲和触发器输入端之间接一个 RC微分电路 。 即 vI 通过 RC微分电路接到低触发端
TL上 。
VCC
0
2VCC
3
VCC
0
VCC
Tw
vI
vO
图 8-6单稳态触发器工作波形施密特触发器
施密特触发器是一种具有回差特性的脉冲波形变换电路 。 它有如下特点：
施密特触发器有两个稳定输出状态,属电位触发 。
当输入触发信号电平达到阈值电压时 （ 所加电位信号不得撤去 ）,输出电平会发生突变 。 突变的原因是电路内部正反馈所致 。 这样施密特触发器便可以将缓慢变化的输入信号,变换成矩形波输出 。
施密特触发器具有回差特性。输入信号电平增加时，引起输出电平突变的转换电平称为上限阈值电压，用 VT+表示。输入信号电平减小时，引起输出电平突变的转换电平称为下限阈值电压，用 VT-表示。
VT+和 VT-不等称作回差。
回差电压△ VT=VT+-VT-。
使其抗干扰能力较强。
vI TH
TL
VCC
8 4
6
2
3
1 5
5G555 vO
0.01μF
图 8-7施密特触发器
将 5G555定时器的高触发端 TH和低触发端 TL连接起来就构成了施密特触发器 。 如图 8-7
所示 。
vI TH
TL
VCC
8 4
6
2
3
1 5
5G555 vO
0.01μF
图 8-7施密特触发器
如果输入信号电压 vI是三角波,当 vI＜ VCC/3时比较器 C2输出 vC2=0,基本 RS触发器置 1,Q=1,=0，
输出 vO=1。 当 vI上升到 2VCC/3时,比较器 C1输出
vC1=0,此时基本 RS触发器复 0,Q=0,=1,输出
vO=0。 vI由高电位下降到稍小于 VCC/3后,比较器
C2输出 vC2=0,基本 RS触发器又置 1,Q=1,=0，
输出 vO又跳变为高电平 vO=1。 如此连续变化,在输出端得到矩形波输出,其工作波形如图 8-8所示 。
Q
Q
Q
vI
vO
t
t
0
0
2VCC
3
VCC
3
VT+
VT-
图 8-8施密特触发器工作波形
vO
VOH
VOL
0 VCC
3
2VCC
3
vI
图 8-9施密特触发器电压传输特性图 8-9所示为
vO=f(vI)的关系曲线，是施密特触发器的电压传输特性。
施密特触发器状态的转换由输入信号 vI来触发，同时输出的高、低电平依赖于 vI的高、低电平来维持。输出对输入的这种依赖关系与门电路相同，因此用图 8-10所示的符号表示施密特触发器 (施密特触发的反相器 )。
vOvI
图 8-10施密特触发器逻辑符号
回差电压 △ V越大,
电路的动作电压就越高,抗干扰能力越强 。
施密特触发器常用于进行波形变换及脉冲波形的整形 。
8.2 门电路构成的矩形波发生器及整形电路
多谐振荡器
单稳态触发器
施密特触发器
8.2.1 多谐振荡器
(一 )最简单的环形振荡器
环形振荡器是利用门电路固有的传输延迟时间,将奇数个反相器首尾相接而形成的 。
图 8-11(a)所示的电路是一个最简单的环形振荡器,它由三个反相器首尾相接组成 。 这个电路没有稳定状态 。
vI1 vI2 vI3
vO1 vO2 vO
G1 G2 G3
(a)电路原理图
t
图 8-11 简单的环形振荡器
vO(vI1)
vO1(vI2)
vO2(vI3)
tpd
0
0
0
(b)图工作波形图
t
t
(一 )最简单的环形振荡器
例如由于某种原因使 vI1发生了微小的负跳变以后,
经过 G1的传输延迟时间 tpd之后,vI2产生一个正跳变,
再经过 G2的传输延迟时间 tpd又使 vI3产生一个负跳变,
经过 G3的传输延迟时间 tpd之后,vO产生一个正跳变 。
所以经过 3tpd的传输延迟时间之后在 vI1又出现了一个反方向的电压跳变 。 经过 3tpd之后,又将跳变成低电平,如此周而复始,便产生了自激振荡,输出矩形波 。 图 8-11(b)就是根据以上分析得到的工作波形图 。
由图可见,振荡周期 T=6tpd。
结 论
根据上述原理,将任何大于,等于 3的奇数个反相器首尾相连地串接在一起均可构成环形振荡器,而且振荡频率为
T=2ntpd
其中 n为串联门的个数 。
这种振荡器的突出优点是电路极为简单 。 但是由于门电路的传输延迟时间极短,TTL电路只有几十纳秒,CMOS电路也不过一,二百纳秒,所以难于获得稍低一些的频率,而且频率不易调节 。 为了克服这些缺点,引入了一些改进电路 。
(二 ) RC环形多谐振荡器
在简单环形振荡电路中引进 RC电路作为延时环节,
形成 RC环形多谐振荡器 。 如图 8-12所示 。 图中 RC构成延时环节,RS为限流电阻,对门 3起限流保护作用 。
vI1
vI2 vI3
vO1 vO2 v
O
G1 G2 G3
图 8-12 RC环形振荡器
C
RSR
通常 RC电路产生的延迟时间远大于门电路本身的传输延迟时间 tpd,所以分析时可忽略门电路的传输延迟时间,认为每个门的输入,输出的跳变同时发生,RS的阻值很小 (100Ω),故将 vI3视为门 G3的输入电压 。 当 vI3＞ VT(TTL与非门的阈值电压为 1.4V)时,
vO为低电平； vI3＜ VT时,vO为高电平 。 电容器上的电压不能突跳,使 vI3随 vO1跳变 (vO1和 vI3之间有电容器 C耦合的结果 )。
工作过程
RC环形振荡器的工作过程如下,当 vO由 VOL上跳为
VOH,vO1由 VOH下跳为 VOL,vO2由 VOL上跳为 VOH。
同时 vI3由随 vO1下跳为负值,维持 vO为 1,此为暂态
Ⅰ 。 此时 vO2通过 R给电容器 C充电,使 vI3的电位逐渐上升 。 充电回路为 vO2→ R→v I3→ C→ vO1。 当 vI3上升到大于阈值电压 VT时,G3导通,使 vO由 1下跳为 0，
暂态 Ⅰ 结束,进入暂态 Ⅱ 。 在暂态 Ⅱ 期间,vO1由 0
上跳 1,vO2由 1下跳为 0,vI3随 vO1上跳为很高正值,
维持 vO为 0。
此时 vO1通过 R给电容器 C进行反向充电，使 vI3的电位逐渐下降。充电回路为 vO1→ C→ vI3→ R→ vO2。当
vI3下降到小于阈值电压 VT时,G3截止，使 vO由 0上跳为 1，暂态 Ⅱ 结束，回到暂态 Ⅰ 。同时 vO1由 1下跳为 0,vO2由 0上跳为 1,vI3又随 vO1下跳为负值，维持
vO为 1，电容器 C又进行充电 …… 。如此靠电容器的充放电过程，使两个暂稳态周而复始的转换，在门
G3的输出端 vO得到的就是矩形脉冲波输出。
t
t
t
t
VT
VT-(VOH-VOL)
VT+(VOH-VOL)
VOH
VOL
vO（ vI1）
vO1
vO2
vI3
（ vI2）
0
0
0
0
图 8-13 RC环形振荡器理想工作波形振荡器的暂态时间和周期的近似计算公式为：
tw1≈0.98(R∥ R1)C
tw2≈1.26RC
T=tw1+tw2≈
0.98(R∥ R1)C+1.26RC
式中的 R,C是外接，
R1是 TTL与非门中的
R1。当 R1>>R时,振荡周期为：
T≈2.2RC
上式可用于近似估计振荡周期,使用时应注意它的假定条件是否满足,否则,计算结果会有较大的误差。
t
t
t
t
VT
VT-(VOH-VOL)
VT+(VOH-VOL)
VOH
VOL
vO（ vI1）
vO1
vO2
vI3
（ vI2）
0
0
0
0
图 8-13 RC环形振荡器理想工作波形
(三 ) 石英晶体多谐振荡器
在许多应用场合都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格的要求。例如多谐振荡器作为数字钟的脉冲源使用时，要求频率十分稳定。
上述多谐振荡器中，振荡频率主要取决于门电路的输入电压上升到转换电平（阈值电压）所需要的时间，所以频率的稳定性不可能很高。第一，转换电平本身就不够稳定，容易受电源和温度变化的影响；
第二，电路的工作方式容易受干扰，造成电路状态转换的提前或滞后；第三，在电路状态临近转换时，
电容的充、放电已经比较缓慢，转换电平的微小变化或轻微的干扰都会严重影响振荡周期。因此在对频率要求很高时，必须采取稳频措施。
目前，普遍采用的稳频方法是在多谐振荡器中接入石英晶体组成石英晶体多谐振荡器。图 8-
14 为石英晶体的阻抗频率特性和符号。石英晶体不但频率特性稳定，
而且品质因数很高，有极好的选频特性。
ff0
x
0
电感性电容性符号图 8-14 石英晶体的阻抗频率特性与符号
vI1
vI2 vI3
vO1 vO2
vO
G1 G2 G3
图 8-15 石英晶体环形振荡器
C
RSR
石英晶体
把石英晶体与 RC多谐振荡器中的电容串联起来就构成了石英晶体多谐振荡器。
由石英晶体的电抗频率特性可知，当外加电压的频率为 f0时，其等效阻抗最小，所以频率为 f0的电压信号最容易通过，并在电路中形成正反馈。因此振荡器的工作频率为 f0。
石英晶体振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率 f0，与外接电阻、电容无关。其工作原理与
RC环形多谐振荡器基本相同。
(四 ) 单稳态触发器
单稳态触发器的暂稳态是靠 RC电路的充放电过程来维持的，根据 RC电路的不同接法，可分为微分型和积分型。
以 TTL与非门,RC微分电路构成的单稳态触发器为例说明其工作原理。
1,TTL与非门微分型单稳态触发器
在基本 RS触发器中插入一个 RC微分电路环节就构成了单稳态触发器，如图 8-16所示。
图 8-16 单稳态触发器
0.47kΩvI
vO1 vO
vI2
C
0.01μF R
G1 G2
电路接通电源后,无脉冲触发信号 (vI=1)输入时,电路处于稳态。 G1门开通,vO1=0,G2门关闭 vO=1。
在输入端加入负脉冲信号后,vO1=1。由于 C上电压不能突跳，则 vI2随 vO1上跳并大于 VT (VT=1.4V)值，
使 G2门开通,vO=0。电路由稳态翻转到暂稳态。
在暂稳态期间，由于 vO1不断地给电容器 C充电，电容器上的电压 vC不断升高，而使 vI2逐渐下降。当 vI2下降到小于阈值电压 VT时,G2门又关闭,vO=1。此时输入负触发脉冲早已消失,vI为高电平。则 G1又开始导通,vO1=0,vI2随之下跳为负值，然后 C开始放电，使
vI2恢复到正常的低电平。电路处于稳态。其工作波形如图 8-17所示。
t
t
t
t0
0
0
0
vO
VT
vI2
vO1
vI
图 8-17单稳态触发器工作波形输出脉冲宽度 Tw
近似计算：
Tw≈0.8(RO+R)C
公式中的 RO为与非门的输出电阻，
RO≈100Ω。
2.单稳态触发器的应用
脉冲整形
脉冲定时
脉冲延时脉冲整形
单稳态触发器输出脉冲的幅度和宽度是确定的，利用这一性质，可将宽度和幅度不规则的脉冲串，整形为宽度和幅度一定的脉冲串，如图 8-18所示。
t
vI
0
t
vO
0
图 8-18 脉冲波形脉冲定时
由于单稳态触发器能产生一定宽度 Tw的矩形输出脉冲,利用这个脉冲去控制某电路,使其在 Tw时间内动作 （ 或不动作 ）,起到了定时作用 。 例如,
利用脉冲宽度为 Tw的正矩形脉冲作为门输入的信号 vB,而与门的另一个输入端信号为 vA。 只有当矩形波 vB为 1的 Tw时间内,信号 vA才能通过与门,输出才有脉冲,如图 8-19所示 。
单稳电路
vA
vB
vO
vI
(a)逻辑图
vO
vI
vB
vA
(b)波形图图 8-19 脉冲定时电路
Tw
脉冲延时
Tw 时间,称这个时间为延时 。 逻辑图和波形图如图 8-20 所示 。
单稳电路
Tw
vI
vO
Tw
vI
vO0
0 t
1 t2
t
t
图 8-20脉冲延时
(a)逻辑图 (b)波形图
3,施密特触发器
TTL与非门构成的施密特触发器
图 8-21是三个 TTL与非门和一个二极管构成的施密特触发器门
G1为反相器,门 G2、
G3组成基本 RS触发器，二极管 D起电平偏移作用。
R
S
Q
Q
G1
G2
G3
vI
vO
D
图 8-21 施密特电路下图是 vI为三角波时输出 vO随 vI变化的波形图 。
VOH
VOL
VT+=1.4V
VT-=0.7V
vO
t
t
0
0
图 8-22 工作波形图
4,施密特触发器的应用
波形的变换与整形
幅度鉴别
脉冲展宽电路波形的变换与整形
利用施密特触发器可以将正弦波、三角波变换成矩形波。如图 8-23所示
vI
vO
VT+
VT-
图 8-23波形变换和整形幅度鉴别
施密特触发器的输出状态取决于输入信号 vI的幅度，因此它可以用来作为幅度鉴别电路。只有当脉冲信号 vI的幅度大于
VT+的脉冲，电路才输出一个脉冲，而幅度小于 VT+的脉冲，电路无输出脉冲，其工作波形图如图 8-24所示。
vI
vO
VT+
VT-
图 8-24幅度鉴别波形幅度鉴别脉冲展宽电路
脉冲展宽电路原理图、工作波形图如图
8-25(a),(b)图所示。
VCC
vI v
O
G1
R
C
vC
(a) 原理图
vI
vO
vC V
T+
(b)波形图图 8-25脉冲展开电路
电容器 C与集电极开路反相器的输出端并联到施密特触发器的输入端。当 vI为高电平时，
门 G1输出为低电平，电容器不能充电,vC≈0，
施密特触发器输出为高电平。当 vI为低电平时，门 G1输出为应为高电平，
而 vC不能跳变,VCC通过 R给 C充电,vC按指数曲线上升，当 vC上升到略大于 VT+时，
施密特触发器由高电平下跳为低电平。从而使 vO的波形展宽。 RC决定展宽大小。改变
RC值的大小就可以改变施密特触发器的输出脉冲宽度。
