第6章 脉冲波形的产生与整形思考题与习题题解

思考题与习题

6-1选择题

（1） TTL单定时器型号的最后几位数字为（ A ）。

A.555

B.556

C.7555

D.7556

（2）用555定时器组成施密特触发器，当输入控制端CO外接10V电压时，回差电压为(B )。

A.3.33V

B.5V

C.6.66V

D.10V

（3）555定时器可以组成(ABC )。

A.多谐振荡器

B.单稳态触发器

C.施密特触发器

D.JK触发器

（4）若图6-43中为TTL门电路微分型单稳态触发器，对R1和R的选择应使稳态时：（ B）

图6-43

A.与非门G1、G2都导通（低电平输出）；

B.G1导通，G2截止；

C.G1截止，G2导通；

D.G1、G2都截止。

（5）如图6-44所示单稳态电路的输出脉冲宽度为t WO=4μs，恢复时间tre=1μs,则输出信号的最高频率为（C）。

图6-44

A.fmax=250kHz;

B.fmax≥1MHz;

C.fmax≤200kHz。

（6）多谐振荡器可产生（ B ）。

A.正弦波

B.矩形脉冲

C.三角波

D.锯齿波

（7）石英晶体多谐振荡器的突出优点是（C）。

A.速度高

B.电路简单

C.振荡频率稳定

D.输出波形边沿陡峭

（8）能将正弦波变成同频率方波的电路为（B）。

A.稳态触发器

B.施密特触发器

C.双稳态触发器

D.无稳态触发器

（9）能把2 kHz 正弦波转换成 2 kHz 矩形波的电路是（B）。

A.多谐振荡器

B.施密特触发器

C.单稳态触发器

D.二进制计数器

（10）能把三角波转换为矩形脉冲信号的电路为（D）。

A.多谐振荡器

B.DAC

C. ADC

D.施密特触发器

（11）为方便地构成单稳态触发器，应采用（C）。

A.DAC

B.ADC

C.施密特触发器

D.JK 触发器

（12）用来鉴别脉冲信号幅度时，应采用（D）。

A.稳态触发器

B.双稳态触发器

C.多谐振荡器

D.施密特触发器

（13）输入为2 kHz 矩形脉冲信号时，欲得到500 Hz矩形脉冲信号输出，应采用（D）。

A.多谐振荡器

B.施密特触发器

C.单稳态触发器

D.二进制计数器

（14）脉冲整形电路有（BC ）。

A.多谐振荡器

B.单稳态触发器

C.施密特触发器

D.555定时器

（15）以下各电路中，（B）可以产生脉冲定时。

A.多谐振荡器

B.单稳态触发器

C.施密特触发器

D.石英晶体多谐振荡器6-2判断题（正确打√，错误的打×）

（1）当微分电路的时间常数τ=RC<

（2）积分电路也是一个RC串联电路，它是从电容两端上取出输出电压的。（√）（3）微分电路是一种能够将输入的矩形脉冲变换为正负尖脉冲的波形变换电路。（√）（4）施密特触发器可用于将三角波变换成正弦波。（×）

（5）施密特触发器有两个稳态。（√）

（6）施密特触发器的正向阈值电压一定大于负向阈值电压。（√）

（7）单稳态触发器的暂稳态时间与输入触发脉冲宽度成正比。（×）

t表示，与电路中RC成正比。（×）

（8）单稳态触发器的暂稳态维持时间用

W

（9）多谐振荡器的输出信号的周期与阻容元件的参数成正比。（√）

（10）石英晶体多谐振荡器的振荡频率与电路中的R、C成正比。（×）

6-3填空题

（1）555定时器的最后数码为555的是TTL单产品，为7555的是CMOS单产品。（2）图6-45是由555定时器构成的_ 施密特 _ 触发器，它可将缓慢变化的输入信号变换为_ 矩形。由于存在回差电压；所以该电路的_ 抗干扰能力提高了，回差电压约为1/3VDD。

图6-45

（3）施密特触发器有___2个阀值电压，分别称作上限阀值电压和下限阀值电压。（4）施密特触发器具有回差现象，又称电压滞后特性；单稳触发器最重要的参数为脉宽。

（5）某单稳态触发器在无外触发信号时输出为0态，在外加触发信号时，输出跳变为1态，因此，其稳态为0 态，暂稳态为1态。

（6）单稳态触发器有 _1_个稳定状态；多谐振荡器有0 个稳定状态。

（7）占空比q 是指矩形波高电平持续时间与其周期之比。

（8）施密特触发器能将缓慢变化的非矩形脉冲变换成边沿陡峭的矩形脉冲。（9）常见的脉冲产生电路有多谐振荡器，常见的脉冲整形电路有单稳态触发器、施密特触发器。

（10）为了实现高的频率稳定度，常采用石英晶体振荡器；单稳态触发器受到外触发时进入暂稳态。

6-4试用555定时器组成—个施密特触发器，要求：

（1）画出电路接线图。

（2）画出该施密特触发器的电压传输特性。

（3）若电源电压V CC为6V，输入电压是以v i＝6sinωt(V)为包络线的单相脉动波形，试画出相应的输出电压波形。

解：（1）由555定时器组成的施密特触发器如图题解6-4（a）所示。

（2）图解6-4（a）所示施密特触发器的电压传输特性如图题解6-4（b）所示。

（3）与输入电压v i对应的输出电压v o的波形如图题解6-4（c）所示。

图解6-4（a）

图题解6-4（b）图解6-4（c）

6-5图6-46所示，555构成的施密特触发器，当输入信号为图示周期性心电波形时，试画出经施密特触发器整形后的输出电压波形。

v

I

图6-46 题 6-5图

解：经施密特触发器整形后的输出电压波形如图题解6-5所示。

V

V I o

T+V T-V

图题解6-5

6-5 图6-47示出了555定时器构成的施密特触发器用作光控路灯开关的电路图。分析其工作原理。

图6-47 题 6-5图

解: 图中，R L 是硫化镉(CdS)光敏电阻，有光照射时，阻值在几十k Ω左右；无光照射时阻值在几十M Ω左右。V D 是续流二极管，起保护555的作用。K A 是继电器，由线圈和触 点组成，线圈中有电流流过时，继电器吸合，否则不吸合。

图6．20可以看出，555定时器的阈值输入端TH(6脚)和触发输入端TR (2脚)连在了一起，作施密特触发器使用。白天光照比较强，光敏电阻R L 的阻值比较小(几十k Ω)，远远小于电阻RP(2M Ω)，使得触发器输入端电平较高，大于上限阈值电压8V(V T+＝2／3V CC ，Vcc ＝12V ，所以V T+＝8V)，输出V o 为低电平，线圈中没有电流流过，继电器不吸合，路灯HL 不亮；随着夜幕的降临，天逐渐变暗，光敏电阻R L 的阻值逐渐增大(可与电阻RP 的值相比拟)，触发器输入端的电平也将随之降低，当小于下限阈值电压4V(V T —＝1／3V CC ，Vcc ＝l 2V ，所以V T —＝4V)时，输出V o 变为高电平，线圈中有电流流过，继电器吸合，路灯HL 点亮。实现了光控路灯开关的作用。

6-6 由7555构成的单稳态电路如图6-48 a ）所示，试回答下列问题：

1）该电路的暂稳态持续时间t WO =?

2）根据t WO 的值确定图6-48 b ）中，哪个适合作为电路的输入触发信号，并画出与其相对应的u c 和u o 波形。

a) b)

图6-48 题6-6图

解：1)t WO ≈1.1RC =33μs

2)u 12适合作为单稳态电路的输入脉冲，与u I2相应的u c 和u o 波形如图示：

图题解6-6

6-7

在使用图6-49由555定时器组成的单稳态触发器电路时对触发脉冲的宽度有无限制？当输入脉冲的低电平持续时间过长时，电路应作何修改？

图6-49 题6-7图

解： 对输入触发脉冲宽度有限制，负脉冲宽度应小于单稳态触发器的暂态时间Tw ，当输入低电平时间过长时，可在输入端加一微分电路，将宽脉冲变为尖脉冲如图解6.5所示，以υI ′做为单稳态电路触发器脉冲。

图题解6-7

6-8用555定时器设计一个多谐振荡器，要求振荡周期T＝1～10s，选择电阻、电容参数，并画出连线图。

解：电路图如图题解6．10所示，其振荡周期T＝0．7(R l+2R2)C。如果选择R lmin＝R2＝3．9kΩ，C＝100μF，则

T＝0．7(R l+2R2)C

＝0．7×(3．9+R+2×3．9)×100

＝1～10(s)

所以可变电位器的阻值范围为

R=[(1～10s)/70]-11.7＝2.58～131(kΩ)

故选择R＝150kΩ即可满足使用。最小振荡周期为：

T min＝0．7×(3．9+2×3．9)×100＝819(ms)

图题解6-8

6-9图6-50为一通过可变电阻R W实现占空比调节的多谐振荡器，图中R W=R W1+R W2，

试分析电路的工作原理，求振荡频率f 和占空比q的表达式。

O

R R R

图6-50 题6-9图

解：工作原理：当多谐振荡器输出端v o 为高电平时，放电三极管截止，V CC 经R 1、R W1、D 以及R W2、R 2支路向电容C 充电，由于二极管导通电阻很小，可以忽略R W2、R 2支路的影响，充电时间常数为（R 1+ R W1）C ，电容C 上的电压v C 伴随着充电过程不断增加。当电容电压v C 增大至CC 3

2V 时，多谐振荡器输出端v o 由高电平跳变为低电平，放电三极管由截止转为导通，电容C 经R 2、R W2、放电三极管集电极（7脚）放电，放电时间常数为(R 2+R W2) C ，此后，电容C 上的电压v C 伴随着放电过程由CC 3

2V 点不断下降。当电容电压v C 减小至

CC 3

1

V 时，多谐振荡器输出端v o 由低电平跳变为高电平，放电三极管由导通转为截止，放电过程结束。此后，重复前述过程。

振荡频率： f =C

R R R )(7.01

W 21++

占空比： q =

W

21W1

1R R R R R +++

6-10 图6-51为由一个555定时器和—个4位二进制加法计数器组成的可调计数式定时器

原理示意图。试解答下列问题：

（1） 电路中555定时器接成何种电路?

（2）

若计数器的初态Q 4Q 3Q 2Q 1＝0000，当开关S 接通后大约经过多少时间发光二

极管D 变亮(设电位器的阻值R 2全部接入电路)?

图6-51 题 6-10图

解 ： （1）555定时器和电阻R l 、R 2以及电容C 接成多谐振荡电路。 (2 )定时器输出波形即是计数器输入脉冲波形，该波形的周期为：

min

14.29174843

.1105001022101(43

.1)2(66621==???+?=+=

-s s C

R R T ）

当计数器输出为1111时， 发光二极管变亮，计数器需加1 5个脉冲，故二极管变亮所需时间为：

t =15T =15×1748s=7.283h

6-11 图6-52是用两个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，扬声器开始发声。如果在延迟时间内开关S 重新闭合，扬声器不会发出声音。在图中给定参数下，试求延迟时间的具体数值和扬声器发出声音的频率。图中G 1是CMOS 反相器，输出的高、低电平分别为V OH =12V ，V OL ≈0V 。

图6-52 题 6-11图

解：1. 工作原理：图6.21由两级555电路构成，第一级是施密特触发器，第二级是多谐振荡器。施密特触发器的输入由R 1、C 1充放电回路和开关S 控制，V C 相当于施密特触发器的输入信号；施密特触发器的输出经反相器G 1去控制多谐振荡器的复位端R D 。

当S 闭合时，V C =0V ，施密特触发器输出高电平，经反相器使R D 端为0，多谐振荡器复位，扬声器不会发出声响。当开关S 断开后，R 1、C 1充放电回路开始充电，V C 随之上升，

但在达到CC T 3

2

V V =

+之前，施密特触发器的输出仍为高电平时，R D =0，扬声器仍不发声，这一段时间即为延迟时间。一旦V C 达到CC T 3

2

V V =+，施密特触发器触发翻转，输

出低电平，R D =1，多谐振荡器工作，扬声器开始发声报警。其工作原理的示意图参见图解6.10。

2. 求电路参数：

延迟时间：延迟时间由R 1、C 1充放电回路的充电过程决定：

τ

t

e

v v v v -+∞-+∞=)]()0([)(C C C C

将V 12)(CC C ==∞V v ，)0(C +

v =0V

，

R 1C 1代入上式，得：)1(1

1CC C C R t

e

V v --=

t=t 1时，CC C 3

2

V v =

代入上式，整理得延迟时间： t 1= R 1C 1ln3≈1.1 R 1C 1=1.1×106×10×10-6=11s

扬声器发声频率：

kHz

5.91001.010157.01

)2(7.0163232≈????=+=

-C R R f

1

图题解6-11

6-12 图6-53是救护车扬声器发声电路。在图中给定的电路参数下，设V CC =12V 时，555定时器输出的高、低电平分别为11V 和0.2V ，输出电阻小于100Ω，试计算扬声器发声的高、低音的持续时间。

R R

图6-53 题 6.12图

解：两级555电路均构成多谐振荡器，由第一级的输出去控制第二级的5端（控制电压端）。而第一级多谐振荡器的充放电时间常数远大于第二级，这意味着第一级的振荡周期远大于第二级。当第一级电路的输出为低电平时，通过5端去影响第二级555定时器的比较电压，致使第二级振荡器的振荡频率较高，扬声器发出高音。当第一级电路的输出为高电平时，致使第二级振荡器的振荡频率较低，扬声器发出低音。

扬声器发出低音的持续时间：0.7(R 1+R 2)C 1=1.12s 扬声器发出高音的持续时间：0.7R 2C 1=1.05s

6-13 图6-54所示为TTL 与非门组成的微分型单稳态电路，试对应输入波形，画出a ，b ，d ，e 各点电压波形，并估算输出脉冲宽度t w 。

图6-54 题6-13图

解：单稳态电路可分为5个阶段来分析。 (1)稳态阶段

无输入信号时，即v i 为高电平时，因为R ＜R OFF ，所以门G 2关闭，G l 开启，v d 为高电平，v o ＝0，电路处于稳态。

(2)触发器翻转阶段

在输入v i 负脉冲作用下，门G 1关闭，a 点电位升高，由于电容器两端电压不能突变，所以b 点电位也等量上升，当高于门G 2阈值电压时，门G 2开启，v d ＝0，v o 输出高电平。此后进入暂稳态阶段。

(3)暂稳态阶段

进入暂稳态阶段时，G 1关闭，G 2开启，输出v o ＝l 。但这个阶段不能持久的。因为随着电容C 充电b 点电位在下降，充电的快慢决定于时间常数τ＝(R 0+R)C ，其中，R 0为TTL 与非门输出高电平时的输出电阻，一般R 0＝100Ω。

(4)自动返回

当v b 下降到1．4V 门G 2阈值电平时，又发生正反馈连锁反应，使门G 2由开启变为关闭，门G l 由关闭变为开启，v d ＝l ，v o ＝0。

(5)恢复阶段

尽管门G 1，G 2返回到稳定状态，但电容上电压还没有恢复到稳态值，所以还需要电容将暂稳态期间充电所得的电荷放掉。放电时间常数τ2=(R 1//R)C ，其中，R 1为TTL 与非门VT 1管的基极电阻。当v b 上升到稳态值时，恢复过程便告结束。

以上各阶段电压波形如图题解6-13(b)所示。

图题解6-13

6-14 在图6-55 a ）所示的施密特触发器电路中，已知Ω=k R 101，Ω=k R 302。G 1和G 2为CMOS 反相器，V DD =15Ｖ。

（1）试计算电路的正向阈值电压ＶＴ＋、负向阈值电压ＶＴ－和回差电压△V T 。

（2）若将图6-55 b）给出的电压信号加到6-55 a）电路的输入端，试画出输出电压的波形。

图6-55 题 6-14图

解：

(1)

V

V

V

R

R

V

TH

T

10

2

15

30

10

1

1

2

1=

??

?

?

?

?

+

=

??

?

?

?

?

+

=

+

V

V

V

R

R

V

TH

T

5

2

15

30

10

1

1

2

1=

??

?

?

?

?

-

=

??

?

?

?

?

-

=

-

V

V

V

V

T

T

T

5

=

-

=

?

-

+

(2)图题解

6-14

图题解6-14

6-15在图6-56电路中，己知CMOS集成施密特触发器的电源电压V DD=15V，V T+ = 9V，V T-- = 4V。试问：

（1）为了得到占空比为q=50%的输出脉冲，R 1与R 2的比值应取多少？

（2）若给定R 1=3kΩ，R 2 =8.2kΩ，电路的振荡频率为多少？输出脉冲的占空比是多少？

图6-56 题 6-15图

解：（１）q=50%，则t1 / t2 =1，即

43

49ln 611

ln

1ln ln

2

112≈

=∴=---

+

+-R R V V C R V V V V C R T T T DD T DD

（２）-+

+-+--=+=T T T DD T DD V V

C R V V V V C R t t T ln ln 1221 ms 37.049

ln 1005.0103611ln

1005.0102.86363≈???+???=--

f =1 / T ≈2.7 k Hz ， q = t 1 / T ≈0.67

6-16 在图6-57的整形电路中，试画出输出电压υ0的波形。输入电压υI 的波形如图中所示，假定它的低电平持续时间比R 、C 电路的时间常数大得多。

图6-57 题 6-16图

解：稳态时，υI ˊ=1，υO =0，当υI 上跳，经RC 微分电路υI ˊ亦上跳，之后回到稳态；当υI 下跳，υI ˊ亦下跳（υO

上跳为1），之后回到稳态，当υI ˊ≥ V T+时，υ

O

回0。如

图题解6-16所示。

图题解6-16

6-17 图6-58所示电路为一个回差可调的施密特触发电路，它是利用射极跟随器的发射极电阻来调节回差的。试求：

（1）分析电路的工作原理；

（2）当R e1在50～100Ω的范围内变动时，回差电压的变化范围。

v I

O1

O2

图6-58 题 6-17图

解：图6-58的电路是利用射极跟随器的射极电阻来改变回差电压的施密特触发器。设R e2两端的电压为V e2，三极管发射极对地的电压为V e ，门电路的转折电压为V th 。 当V I 足够低时，V e

对应的V I 为上限触发电平V T+，显然BE e2e1e2

th

T )(V R R R V V ++=

+。当V I 下降，使V e2

降至V th 时，，R 又由0回到1，而V e 仍大于V th ，所以S 仍为1，这时V o2维持低电平，V o1维持高电平。只有当V e 也降至V th 时，S 才由1转向0，触发器发生又一次翻转，V o2回到高电平，

V o1回到低电平。这时对应的V I 为下限触发电平V T －，显然V T －=V th +V BE 。电路的回差电压

th e2

e1

T V R R V V V T T =

-=?-+ 当R e1在50～100Ω的范围内变动时，回差电压的变化范围为th th ~2

1V V 。 描述此施密特触发器工作原理的波形如图题解6-17所示。

V I V V 图题解6-17

6-18 图6-59是用COMS 反相器组成的对称式多谐振荡器。若R F1 = R F2= 10 k Ω，C 1 =C 2 = 0.01 μF ，R P1 = R P2 = 33k Ω，试求电路的振荡频率，并画出v I 1、v O1、v I 2、v O2各点的电压波形。

图6-59 题6-18图

解：在R P1、R P2足够大的条件下，反相器的输入电流可以忽略不计，在电路参数对称的情况下，电容的充电时间和放电时间相等，据此画出的各点电压波形如图6-18(a)所示。图6-18（b）是电容充、放电的等效电路。由等效电路求得振荡周期为

T = 2R F C ln3 = 2×10×103×10-8×1.1s =2.2×10-4s

故得振荡频率为

55

.4

1

=

=

T

f

kHz，、

图题解6-18

6-19在图6-60非对称式多谐振荡器电路中，若G1、G2为CMOS反相器R1 =9.1 kΩ，C = 0.001μF，R P=100kΩ，V DD=5V，V TH=2.5V，试计算电路的振荡频率。

图6-60 题6-19图

解：T1 = R F C ln3，T2 = R F C ln3

T = T1+ T2 ≈2.2R F C = 2.2×9.1×103×10-9 = 20.02×10-6 s

∴f = 1 / T = 50 kHz

6-20图6-61是用反相器接成的环形振荡器电路。某同学在用示波器观察输出电压v o的波形时发现，取n=3和n=5所测得的脉冲频率几乎相等，试分析其原因。

图6-61 题6-20图

解：当示波器的输入电容和接线电容所造成的延迟时间远大于每个门电路本身的传输延迟时间时，就会导致这种结果。

6-21 在图6-62所示环形振荡器电路中，试说明：

（1）R 、C 、R S 各起什么作用？

（2）为降低电路的振荡频率可以调节哪能些电路参数？是加大还是减小？ （3）R 的最大值有无限制？

图6-62 题6-21图

解：（1）当R <

（2）增大R 、C 数值可使振荡频率降低。

（3）根据反相器的输入端负载特性可知，R 不能过大。否则由于R 和R S 上的压降过大。

当v O2为低电平时v I 3将被抬高到逻辑1电平。

6-22 图6-63是用两个集成电路单稳态触发电器74121所组成的脉冲变换电路，外接电阻

和外接电容的参数如图中所示。试计算在输入触发信号I υ作用下01υ、

02υ输出脉冲的宽度，并画出与I υ波形相对应的01υ、02υ的电压波形。I υ的波形如图中所示。

图6-63 题6-22图

解： 01υ、02υ输出脉冲的宽度T W1、T W2分别为

T W1 = 0.69×22×103×0.13×10-6s ≈2ms T W2 = 0.69×11×103×0.13×10-6s ≈1ms

01υ、02υ的波形如图解6-22所示。

图题解6-22

本章实验

6.1 555定时器的应用

一、实验目的

1．掌握555时基电路的功能。

2．学会用555时基电路设计的应用电路。

二、实验设备和元器件

电子实验箱，双踪示波器，集成电路：7556、74HC192、6.8Kω、2200Pf、100kΩ×2、10kΩ×２、4.7μF，22Μf、0.01μF×2、0.1μF，元器件手册。

三、实验内容和步骤

1．利用555时基电路构成一个多谐振荡器，并画出电路图。取R1=6.8kΩ，R2=10kΩ，C=2200pF。测量电路振荡频率、占空比。并与计算值进行比较，分析误差原因。

２．按如图6-64组建单稳态触发器。输入200Hz的脉冲信号，用示波器观察并记录u I、u C、u O的波形，并测出、记录输出脉冲的宽度。如果把电容C改为0.1μF，试观察并记录波形，再分析结果。

图6-64 555定时器构成的单稳态触发器

３．如图6-65所示为一报警电路，试分析该电路的工作原理，并计算报警时间和报警振荡频率。实现该电路，并使用双踪示波器观察和记录输出波形。

图6-65 报警电路