第8章脉冲信号的产生与整形.

第8章脉冲信号的产生与整形本章主要内容（1）脉冲信号波形的特性参数（2）单稳态触发器（3）多谐振荡器（4）施密特触发器（5)555定时器8.1脉冲信号波形的特性参数所谓脉冲信号，是指在短时间内出现的阶跃电压或电流信号。在各种类型的脉冲信号中，最常见的是矩形脉冲。理想的矩形脉冲是一种无上升和下降时间，在持续时间内电压(或电流)保持不变的脉冲信号。如图8.1(a)所示。(a)理想矩形脉冲（b）矩形脉冲特性参数图8.1矩形脉冲脉冲信号波形的主要特性参数：①脉冲周期T——周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲间的时间间隔。周期T的倒数即单位时间内出现的脉冲数弥为重复频率f，即f=1/T。②脉冲幅度Vm——脉冲电压的最大变化幅度。③脉冲宽度Tw——从脉冲前沿上升到0.5Vm开始，到脉冲后沿下降到0.5Vm为止的一段时间(即脉冲幅度50％处的持续时间)。④上升时间tr——脉冲前沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需要的时间。⑤下降时间tf——脉冲后沿从0.9Vm下降到0.1Vm所需要的时间。脉冲的获得在数字系统中，常常采用以下两种方法来获得所需符合要求的脉冲信号：利用振荡器直接产生所需要的脉冲波形。不需外加触发信号，只要电路电源电压、电路参数选取合适，电路就会自动产生脉冲信号（自激振荡）。这一类电路称多谐振荡电路或多谐振荡器。利用变换电路将已有的性能不符合要求的脉冲信号变换成符合要求的矩形脉冲信号。变换电路本身不能产生脉冲信号，它仅仅起变换作用而已。这类电路包括单稳态触发器和施密特触发器。前面介绍的触发器电路，它有两种稳定状态，在外界触发信号作用下，可以从一种稳定状态翻转到另一种稳定状态。所以，也称触发器为双稳态电路。触发器之所以具有这种特点，是由触发器电路的内部结构决定的。如果将基本RS触发器的两条交叉耦合支路的其中一条改为RC耦合(电阻电容耦合)，则电路的工作情况就大不一样。这种电路平时总是处于一种稳定状态。在外来触发信号的作用下，它能翻转成新的状态，但这种状态是不稳定的，只能维持一定时间，因而称之为暂稳态。8.2单稳态触发器单稳态触发器在数字电路中一般用于定时（产生一定宽度的矩形波）、整形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）以及延时（把输入信号延迟一定时间后输出）等。单稳态触发器具有下列特点：（1）电路有一个稳态和一个暂稳态。（2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。（3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。8.2.1微分型单稳电路1.电路组成微分型单稳电路如图8.2所示。图中G1、G2是CMOS“或非”门。电阻R和电容C组成微分延时电路。图8.2微分型单稳电路（1）没有触发信号时电路工作在稳态当没有触发信号时，VI1为低电平。因为门G2的输入端经电阻R接至VDD，VI2为高电平，因此vo2为低电平；门G1的两个输入均为0，其输出vo1为高电平，电容C两端的电压接近为0。这是电路的稳态，在触发信号到来之前，电路一直处于这个状态：vo1＝1vo2＝0。01012.工作原理（2）外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态当正触发脉冲vI1到来时，门G1输出Vo1由1变为0。由于电容电压不能跃变，VI2也随之跳变到低电平，使门G2的输出VO2变为1。这个高电平反馈到门G1的输入端，此时即使vI1的触发信号撤除，仍能维持门G1的低电平输出。但是电路的这种状态是不能长久保持的，所以称为暂稳态。暂稳态时，Vo1＝0，Vo2＝1。0101（3）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态在暂稳态期间，VDD经R和G1的导通工作管对C充电，随着充电的进行，C上的电荷逐渐增多，使VI2升高。当VI2上升到阈值电压UT时，G2的输出Vo2由1变为0。由于这时G1输入触发信号已经过去，G1的输出状态只由Vo2决定，所以G1又返回到稳定的高电平输出。VI2随之向正方向跳变，加速了G2的输出向低电平变化。最后使电路退出暂稳态而进入稳态，此时Vo1＝1，Vo2＝0。1001这种单稳态电路各点工作波形如图8.3所示。图8.3微分型单稳电路工作波形由上述单稳电路的工作过程，可以得出输出脉冲宽度（即暂稳态时间）tw的估算公式如下：tw=(R+Ro)ClnVDD/(VDD－VT)若VT=1/2VDD，则tw=(R+Ro)Cln2≈0.7(R+Ro)C其中Ro为G1门的输出电阻。例如，若R=1kΩ，Ro=0.2kΩ，C=150pF，则单稳电路的输出脉冲宽度tw=0.7（1kΩ+0.2kΩ）×150pF=126nS。输出脉冲的幅度近似等于VDD。另外，为使单稳电路可靠工作，应让电容在暂稳态之后能够充分恢复到稳态时的电压。为此，触发脉冲周期应大于tw+3τ。τ称为电容充、放电时间常数。在本电路中，τ即为（R+Ro）C。8.2.2积分型单稳电路1.电路组成积分型单稳电路如图8.4所示。G1、G2为CMOS“或非”门，R、C构成积分型延时电路，容易看出，与微分型单稳电路相比，其中的R、C刚好互易位置。图8.4积分型单稳电路2.工作原理如图8.4所示，该电路的输入触发脉冲为负脉冲。稳态时，VI1为高电平，G1和G2导通，所以Vo1为低电平，VI2为低电平，Vo2也为低电平。当负触发脉冲到来时，VI1由高电平跳到低电平，G1截止，Vo1由低电平跳到高电平。但由于电容上的电压不能突变，所以此刻VI2仍为低电平，故G2由导通变为截止，Vo2由低电平跳变到高电平，电路进入暂稳态。此后电容C通过R和Ro（G1的输出电阻）放电，VI2呈指数规律上升，当上升到VT时（假定VI1仍为低电平），G2导通，Vo2跳变到低电平。当VI1跳变到高电平后，G1导通，电容C开始充电，直至电路恢复到稳定状态。其工作波形如图8.5所示。图8.5积分型单稳电路工作波形脉冲宽度tw的估算公式为：tw=(R+Ro)ClnVDD/(VDD－VT)典型情况下VT=1/2VDD，则tw≈0.7(R+Ro)C另外，这种电路要求触发信号VI1的脉冲宽度(低电平时间)应大于输出脉冲Vo2的宽度tw，否则该电路就成了反相器，失去了单稳电路的基本特性和功能。8.3多谐振荡器在数字电路中，经常需要有能够自己产生脉冲信号的电路。多谐振荡器就是不需要外加触发信号，自身就可以产生脉冲信号的矩形波发生器。这种自身就可以产生信号的电路称为“自激振荡器”。又由于矩形波或方波都包含有多次谐波，所以这种电路又称“自激多谐振荡器”，简称“多谐振荡器”。双稳态电路和单稳态电路有一个共同特点，就是必须在外界触发信号的作用下才能引起电路工作状态的翻转。多谐振荡器不需要外加触发信号，自身就能够反复不停地翻转、产生矩形脉冲。单稳电路的两条交叉耦合支路中的一条为RC耦合，因而出现一个暂稳态，一次自动翻转。如果把两条耦合支路都改为RC耦合，且耦合电阻选择得恰当，这时电路就没有稳态，即只有两个暂稳态。在电源接通后，电路就能不停地在两个暂稳态间来回翻转，即电路产生振荡，输出一定脉冲宽度和重复周期的矩形脉冲信号。多谐振荡器的类型及电路组成形式较多，这里主要介绍环形多谐振荡器及石英晶体多谐振荡器。8.3.1环形多谐振荡器环形多谐振荡器，是一种由奇数个门电路首尾相联而构成的闭环电路多谐振荡器。图8.6所示即为一个由三块TTL“与非”门构成的环形多谐振荡器及各点电压波形。图8.6环形多谐振荡器由于每个门电路都有一定的传输延迟时间，所以在电源接通后，电路的输入输出关系按“1-0-1-0”的规律变化，即这种联结形式的电路一定没有稳定状态。例如当VI1突然跳变到VI1=1时，那么经过G1门延迟tpd以后，VI2=0；然后经过G2门延迟tpd，使VI3=1；再经过G3门延迟tpd,使Vo=0=VI1。即VI1经过3tpd之后，又变成了低电平。可以推断，再经过3tpd之后，Vo=VI1又会变成高电平。如此周而复始，电路形成振荡，输出如图8.6（b）所示的矩形脉冲。由波形图容易看出，振荡周期T=2×3tpd=6tpd，振荡频率f为：f=1/（2×3tpd）式中，3为门电路数，tpd为单个门电路的传输延迟时间。这种振荡器的电路结构简单，但由于门电路的传输延迟时间tpd很短，所以这种电路的振荡频率很高，而且不可调，因此应用范围有限。8.3.2RC环形振荡器由TTL“与非”门组成的RC环形振荡器如图8.7所示。其中的R、C为主要的定时元件，由它们决定电路的振荡频率，调节R，可以改变振荡频率。图8.7RC环形振荡器0(a)电路图11ui1ui2uo2ui3uoRRSCuo(ui1)uo2ui3tttt(b)波形图000G1G21G3ui2(uo1)UTt1t2t3在t1时刻，ui1（uo）由0变为1，于是uo1（ui2）由1变为0，uo2由0变为1。由于电容电压不能跃变，故ui3必定跟随ui2发生负跳变。这个低电平保持uo为1，以维持已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间，uo2（高电平）通过电阻R对电容C充电，使ui3逐渐上升。在t2时刻，ui3上升到门电路的阈值电压UT，使uo（ui1）由1变为0，uo1（ui2）由0变为1，uo2由1变为0。同样由于电容电压不能跃变，故ui3跟随ui2发生正跳变。这个高电平保持uo为0。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。第一暂稳态及其自动翻转的工作过程0(a)电路图11ui1ui2uo2ui3uoRRSCuo(ui1)uo2ui3tttt(b)波形图000G1G21G3ui2(uo1)UTt1t2t3第二暂稳态及其自动翻转的工作过程在t2时刻，uo2变为低电平，电容C开始通过电阻R放电。随着放电的进行，ui3逐渐下降。在t3时刻，ui3下降到UT，使uo（ui1）又由0变为1，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态，又开始重复前面的过程。造成振荡器自动翻转的原因是电容C的充放电。省略具体的推算过程，下面直接给出这种电路的振荡周期为：T=0.98(R//R1)C+1.26RC当R1≥R时，振荡周期的估算公式也可表示为：T≈2.2RC例如,若R=5kΩ,C=4μF,则振荡周期T=2.2×5kΩ×4μF=44mS。8.3.3石英晶体多谐振荡器为了得到频率稳定度很高的时钟脉冲，可以采用的一种有效方法是在多谐振荡器电路中接入石英晶体，组成石英晶体多谐振荡器。石英晶体的频率稳定性很高，而且其选频特性也非常好。图8.9给出了石英晶体的符号表示及阻抗频率特性曲线。图8.9石英晶体的符号及阻抗频率特性一个TTL“与非”门石英晶体多谐振荡器电路如图8.10所示。其中VI为控制端，VI=1时，电路振荡；VI=0时，电路不振荡。8.10石英晶体多谐振荡器这种电路的振荡频率只决定于石英晶体本身的谐振频率f0，而与电路中的R、C数值无关。图8.11是CMOS石英晶体多谐振荡器电路。它的振荡频率主要由石英晶体的谐振频率决定。电容C用作频率微调。图8.11CMOS石英晶体多谐振荡器8.4施密特触发器施密特触发器能够把变化缓慢的输入信号整形成适合数字电路需要的矩形脉冲。因此，施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中得到广泛应用。8.4.1电路组成图8.12表示了施密特触发器的电路组成及符号表示。容易看出，它是由两极反相器组成的。在耦合方式上，它通过电阻R1和R2分压，将T1管集电极同T2管基极耦合；同时再通过发射极电阻Re完成T2管与T1管的耦合，所以也有人称此电路为“射极耦合触发器”。图8.12施密特触发器34用门电路构成的施密特触发器1.电路组成两个CMOS反相器，两个分压电阻。用集成门电路构成的施密特触发器（a）电路（b）逻辑符号2019/12/19352.工作原理（1）工作过程设CMOS反相器的阈值电压UTH=VDD/2，输入信号uI为三角波。36当uI=0V时，G1截止、G2导通，输出为UOL，即uO=0V。只要满足uI1＜UTH，电路就会处于这种状态（第一稳态）。当uI