第10章脈沖波形的產(chǎn)生

獲取矩形脈沖波形的途徑不外乎有兩種:用多諧振蕩器產(chǎn)生;通過整形電路把已有的周期性變化的波形變換為符合要求的矩形脈沖。第十章脈沖波形的產(chǎn)生與整形10.1概述圖10.1.1描述矩形脈沖特性的主要參數(shù)脈沖周期T——周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個相鄰脈沖之間的時間間隔。脈沖幅度VM——脈沖電壓的最大變化幅度。脈沖寬度tw——從脈沖前沿到達(dá)0.5VM起，到脈沖后沿到達(dá)0.5VM為止的一段時間。占空比q——脈沖寬度與脈沖周期的比值，即q=tw/T上升時間tr——脈沖前沿從0.1VM上升到0.9VM所需要的時間。下降時間tf——脈沖后沿從0.9VM下降到0.1VM所需要的時間。電壓傳輸特性10.2施密特觸發(fā)器（SchmittTrigger）

它是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路具有下述特點:

(1)屬于電平觸發(fā),當(dāng)輸入信號達(dá)到某一定電壓值時,輸出電壓會發(fā)生突變;（2）輸入信號增加和減少時，電路有不同的閾值電壓。V0VIVT-VT+VOH0假定電路中CMOS反相器的閾值電壓Vth=VDD/2,R1<R2,輸入信號VI為三角波,分析工作過程:根據(jù)疊加原理可寫出:Vi1=R2R1+R2VI

+R1R1+R2V0利用這兩個特點不僅能將邊沿變化緩慢的信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以將疊加在脈沖信號高低電平上的噪聲有效地清除。10.2.1門電路組成的施密特觸發(fā)器vi1當(dāng)Vi=0V時，G1門截止，G2門導(dǎo)通，輸出端V0=0V。此時Vi1=0V。輸入從0V電壓逐漸增加，只要Vi1<Vth，則電路保持V0=0V。當(dāng)Vi上升使得Vi1=Vth時，電路產(chǎn)生如下正反饋過程：Vi1Vo1Vo結(jié)果是使V0很快變?yōu)閂DD正向閾值電壓：輸入電壓Vi由小變大使電路輸出發(fā)生突變所對應(yīng)的值。Vi1=Vth=R2R1+R2.VT+所以VT+=(1+R1R2)Vth當(dāng)Vi1>Vth時,電路狀態(tài)維持VO=VDD不變。Vit0VT+VT-tVO0VOH工作波形Vi繼續(xù)上升至最大值后開始下降,當(dāng)Vi1=Vth時,電路產(chǎn)生如下正反饋過程:Vi1VO1VO結(jié)果VO迅速回0Vi1=Vth=R2R1+R2.VT-+R1R1+R2.VDD將VDD=2Vth代入可得VT-=(1-R1R2)VthVIt0VT+VT-tVO0VOH工作波形VOVI0VT+VT-傳輸特性回差電壓：△VT=VT+-VT-*10.2.2集成施密特觸發(fā)器由于施密特觸發(fā)器的應(yīng)用非常廣泛，所以無論是在TTL電路中還是在MOS電路中，都有單片集成的施密特觸發(fā)器產(chǎn)品。圖10.2.3帶與非功能的TTL集成施密特觸發(fā)器—7413因為在電路的輸入部分附加了與的邏輯功能，同時輸出端附加了反相器，所以它也叫施密特觸發(fā)的與非門，集成電路手冊中將其歸入與非門類。圖10.2.4集成施密特觸發(fā)器7413的電壓傳輸特性圖10.2.5CMOS集成施密特觸發(fā)器CC40106圖10.2.6集成施密特觸發(fā)器CC40106的特性（a）電壓傳輸特性（b）VDD對VT＋、VT－的影響10.2.3施密特觸發(fā)器的應(yīng)用一、用于波形變換利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋作用,可以把邊沿緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。圖10.2.7用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)波形變換V0VIVT-VT+VOH0二、用于脈沖波形的整形圖10.2.8用施密特觸發(fā)器對脈沖整形三、用于脈沖鑒幅圖10.2.9用施密特觸發(fā)器鑒別脈沖幅度10.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(Monostable

Multivibrator)具有下述特點：1、電路有一個穩(wěn)態(tài)、一個暫穩(wěn)態(tài)；2、在外來觸發(fā)信號作用下，電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)；經(jīng)過一段時間后，電路會自動返回穩(wěn)態(tài)。3、暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長短取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度無關(guān)。6.3.1門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖為用CMOS門電路和RC微分電路構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。一、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CMOS門電路可以近似認(rèn)為；VOH=VDD、VOL=0，Vth=（1/2）VDD

。（1）在穩(wěn)態(tài)下vi=0，vi2=VDD，故vO=0，vO1=1沒有觸發(fā)時，電路處于穩(wěn)態(tài)，電容C上沒有電壓。當(dāng)Vi正跳變來時，在Rd、Cd組成的微分電路輸出端得到很窄的正脈沖，使G1輸出V01由高變?yōu)榈碗娖剑?jīng)電容C耦合，使Vi2為D低電平，于是G2的輸出變?yōu)楦唠娖?。即，VO1=0，VO=1。由于G2的輸出與G1的輸入端相連，這時即使觸發(fā)信號再變?yōu)榈碗娖?，G1輸出暫時也不會變回高電平。即，維持暫態(tài)。（3）電容C充電，電路由暫態(tài)自動返回穩(wěn)態(tài)在暫穩(wěn)期間，電源經(jīng)G1的導(dǎo)通管及電阻R對電容充電。隨著電容兩端的電壓的增長，當(dāng)Vi2上升到G2的閾值電壓Vth時，電路發(fā)生下述正反饋過程：結(jié)果使G1迅速截止，G2很快導(dǎo)通，電路回到穩(wěn)態(tài)。C充電Vi2VOVi1VO1VO1=1，VO=0（2）當(dāng)外加觸發(fā)信號時，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫態(tài)暫圖10.3.2圖10.3.1電路的電壓波形圖假設(shè)輸入波形已知，根據(jù)以上的分析可畫出圖10.3.1電路中各點的電壓波形，如下：為了定量描述單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的性能，經(jīng)常使用輸出脈沖寬度tW

、輸出脈沖幅度VM、恢復(fù)時間tre和分辨時間td等參數(shù)。在RON＜＜R的情況下，等效電路可簡化為簡單的RC串聯(lián)電路。該電路的過度過程可用三要素法求解。主要參數(shù)的計算三要素：VC（0）=0，VC（）=VDD，=RC，VC（tw）=Vth=1/2（VDD）=VDD-VDDe-tw/RCtw=RCln2=0.7RCVC(t)=VC（）-[VC（）-VC

（0）]e-t/（1）輸出脈沖寬度tw輸出脈沖寬度tw等于從電容C開始充電到vi2上升至VTH的這段時間。(3).恢復(fù)時間tre暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后,還需要一段恢復(fù)時間,以便電容C在暫穩(wěn)期間所充的電荷釋放完,使電路恢復(fù)初始狀態(tài)。一般要經(jīng)過3d（d=RONC為放電時間常數(shù)）的時間。C放電的等效電路如上。(4).分辨時間td

是指在保證電路正常工作的前提下，允許兩個相鄰觸發(fā)脈沖之間的最小時間間隔，td=tw+tre

，即最高工作頻率fMAX=1/td1fMAX=td<1tw+tre

（2）輸出脈沖的幅度：VM=VOH-VOL≈VDD二、積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器該電路是用TTL與非門和反相器以及RC積分電路組成的。為了保證VO1為低電平時VA在VTH以下，R的阻值不能取得太大。穩(wěn)態(tài)時，由于VI=0，所以VO=VOH，VA=VO1=VOH。當(dāng)輸入正脈沖以后，VO1跳變?yōu)榈碗娖剑捎陔娙軨上的電壓不能突變，所以在一段時間里VA仍在VTH以上。G2兩個輸入為1，使vO跳變?yōu)?，電路進(jìn)入暫態(tài)。電路進(jìn)入暫態(tài)后，電容C開始放電，VA電位開始下降，當(dāng)下降到VTH時，VO回到高電平。待VI返回低電平以后，VO1又重新變成高電平，并向C充電，VA恢復(fù)為高電平，電路回到穩(wěn)態(tài)。圖10.3.7圖10.3.5電路中電容C的放電回路和vA的波形

（a）放電回路（b）

vA的波形暫穩(wěn)時間tW為從電容開始放電到VA下降至VTH所需的時間。所以有：VC（0）=VOH，VC（∞）=VOL，=（R+RO）CVC(t)=VC（）-[VC（）-VC

（0）]e-t/VC（tw）=VTH=VOL-（VOL-VOH）e-t/輸出脈沖幅度：Vm=VOH-VOL恢復(fù)時間是從VO1跳變?yōu)楦唠娖胶箅娙軨充電至VOH所經(jīng)過的時間。若取充電時間常數(shù)的3~5倍，則得tre=（3~5）（R+RO1）C這個電路的分辨時間為：td=tTR+tre與微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器相比，積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點。同時這也是這種電路的缺點，因為它不適應(yīng)窄脈沖觸發(fā)。窄脈沖輸入的情況說明，當(dāng)輸入脈沖窄于電路暫穩(wěn)時間時，電路輸出將隨輸入脈沖變，已失去了單穩(wěn)態(tài)的意義。另外，該電路與微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器相比存在的缺點是輸出波形的邊沿比較差，這是因為該電路沒有正反饋作用。改進(jìn)的積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器——窄脈沖觸發(fā)的積分型單穩(wěn)G3G1G2RCVo1Vo3VoVI由圖可以看出這個電路就是在原積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的基礎(chǔ)上加了一個與非門G3和輸出至G3的反饋線而形成的。該電路為負(fù)脈沖觸發(fā)，即平時VI為高電平。穩(wěn)態(tài)時，Vo3=0，Vo1=1，Vo=1。當(dāng)負(fù)脈沖來時，Vo3跳變?yōu)?，Vo1跳變?yōu)?，VO跳變?yōu)?，電路進(jìn)入暫態(tài)，電容C開始通過G1放電。

由于VO反饋到了輸入端，所以即使這時負(fù)觸發(fā)脈沖消失了，在暫穩(wěn)態(tài)期間vO3的高電平也將繼續(xù)維持。直到RC電路放電到Vc=VTH以后，VO才返回高電平，電路回到穩(wěn)態(tài)。可見這一電路可以實現(xiàn)窄脈沖觸發(fā)。10.3.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一、TTL集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖10.3.9集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121簡化的邏輯圖微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出緩沖電路輸入控制電路如果把G5和G6合在一起視為一個具有施密特觸發(fā)特性的或非門，則這個電路與前面所討論的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器基本相同。它用門G4給出的正脈沖觸發(fā)，暫穩(wěn)時間由Rext和Cext決定。

門G1~G4組成的輸入控制電路用于實現(xiàn)上升沿觸發(fā)或下降沿觸發(fā)的控制。輸入輸出A1A2BvOvO’0X101X0101XX00111X011↓1↓11↓↓10X↑X0↑表10.3.1集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的功能電路處于穩(wěn)定狀態(tài)電路由下降沿觸發(fā)電路由上升沿觸發(fā)圖10.3.10集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的工作波形圖輸出脈沖寬度：tW=RextCextln2=0.69RextCext通常Rext的取值在2~30K之間，Cext的取值在10pF~10μF之間，得到tW可達(dá)20ns~200ms。內(nèi)置電阻Rint=2K。圖10.3.11集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的外部連接方法（a）使用外接電阻Rext

（下降沿觸發(fā)）

（b）使用內(nèi)部電阻Rint

（上升沿觸發(fā)）74121、74221、74LS221都是不可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。74122、74123等是可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。*二、CMOS集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，該電路在電源接通后，無需外接觸發(fā)信號就能產(chǎn)生一定頻率和幅值的矩形波或方波。10.4.1對稱式多諧振蕩器1.電路組成及工作原理10.4多諧振蕩器Astable

Multivibrator圖10.4.1對稱式多諧振蕩器電路圖10.4.2TTL反相器（7404）的電壓傳輸特性RF取值0.5~1.9K圖10.4.1所示的對稱式多諧振蕩器，是由兩個反相器G1和G2經(jīng)耦合電容C1和C2連接起來的正反饋振蕩電路。為了產(chǎn)生自激振蕩，電路不能有穩(wěn)定狀態(tài)。也就是說要保證環(huán)路放大倍數(shù)大于1，即使反相器工作在放大狀態(tài)（傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)）。為此，在反相器的兩端接入了反饋電阻RF1和RF2。這樣只要G1或G2的輸入端有及小的擾動，就會被正反饋回路放大而引起振蕩。

下面具體分析一下接通電源后的工作情況。

假定由于某種原因使vI1有微小的正跳變，則必然引起如下正反饋過程：vI1↑→vO1↓→vI2↓→vO2↑結(jié)果使vO1迅速跳變?yōu)榈碗娖?、vO2迅速跳變?yōu)楦唠娖剑娐愤M(jìn)入第一暫穩(wěn)態(tài)。同時電容C1開始充電而C2開始放電。由于TTL電路輸入端接有保護(hù)二極管，即負(fù)向電壓不大，致使vI2首先上升到G2的域值電壓VTH（此時放電的初始值較大放電速度即使與充電相同，vI1也要落后與vI2降至VTH），并引起如下正反饋過程：vI12↑→vO2↓→vI1↓→vO1↑從而使vO2迅速跳變至低電平而vO1迅速跳變至高電平，電路進(jìn)入第二個暫穩(wěn)態(tài)。同時C2開始充電而C1開始放電。由于電路的對稱性，這一過程與上面的分析完全一致。圖10.4.5圖10.4.1電路中各點電壓的波形圖10.4.1對稱式多諧振蕩器電路

在RF1=RF2=RF、C1=C2=C的條件下，電路的振蕩周期為：10.4.2非對稱式多諧振蕩器分析圖10.4.1所示的對稱式多諧振蕩器電路可知，只要靜態(tài)時保證了G1工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，如果把G2直接接到G1的輸出端，G2便可得到一個介于高、低電平之間的靜態(tài)偏置電壓，從而使G2的靜態(tài)工作點也處于電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)上。因此，可以把C1和RF2去掉，使電路進(jìn)一步簡化，就得到了圖10.4.6所示的非對稱式多諧振蕩器電路。圖10.4.6非對稱式多諧振蕩器電路圖中RP為CMOS電路的保護(hù)電阻由于RF跨接在G1的輸入和輸出之間，又CMOS電路輸入電流在正常的輸入高、低電平范圍內(nèi)幾乎等于零，所以RF上沒有壓降，G1必然工作在vo1=vI1狀態(tài)。因此，表示vo1=vI1的直線與電壓傳輸特性的交點就是G1的靜態(tài)工作點，如圖10.4.7所示。圖10.4.7圖10.4.6電路中CMOS反相器靜態(tài)工作點的確定通常CMOS門的VTH=1/2VDD，這時靜態(tài)工作點P剛好處在電壓傳輸特性的中點，即vo1=vI1=1/2VDD的地方。因為vO1=vI2，所以這時G2的靜態(tài)工作點也在電壓傳輸特性的中點。由于流過RF上靜態(tài)電流基本等于零，所以對RF阻值沒有嚴(yán)格地限制。10.4.3環(huán)形振蕩器圖10.4.10最簡單的環(huán)形振蕩器利用閉合回路中的正反饋作用可以產(chǎn)生自激振蕩,其實只要負(fù)反饋足夠強(qiáng),利用閉合回路中的延遲負(fù)反饋作用也能產(chǎn)生自激振蕩。

不難看出，這個電路是沒有穩(wěn)態(tài)的。因為在靜態(tài)（假定沒有振蕩）時任何一個反相器的輸入和輸出都不可能穩(wěn)定在高電平或低電平，而只能處于高、低電平之間，即處于放大狀態(tài)。

假定由于某種原因使vi1產(chǎn)生了微小的正跳變，則經(jīng)過G1的傳輸延遲時間tpd之后vi2產(chǎn)生一個幅度更大的負(fù)跳變，再經(jīng)過G2的傳輸延遲時間tpd使vi3得到更大的正跳變?？梢酝葡耄俳?jīng)過3tpd以后vi1又將跳變?yōu)楦唠娖?。如此周而?fù)始，就產(chǎn)生了自激振蕩。

穩(wěn)定振蕩后，可以假設(shè)各門電路的輸入、輸出電平均為高、低電平。于是可畫出上述自激振蕩的工作波形圖。圖10.4.11圖6.4.10電路的工作波形圖

振蕩周期為：T=6tpd

基于上述原理可知，將任何大于、等于3的奇數(shù)個反相器首尾相連接成環(huán)形電路，都能產(chǎn)生自激振蕩，而且振蕩周期為：T=2ntpd

用這種方法構(gòu)成的振蕩器雖然很簡單，但不實用。因為門電路的傳輸延遲時間極短，TTL電路只有幾十納秒，CMOS電路也只有一二百納秒，所以想獲得稍低一些的振蕩頻率很困難，而且頻率不易調(diào)節(jié)。圖10.4.12帶RC延遲電路的環(huán)形振蕩器

（a）原理性電路（b）實用的改進(jìn)電路10.4.4用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器

施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性有一個滯回區(qū)。由此可以設(shè)想，若能使它的輸入電壓在VT+和VT-之間不停的往復(fù)變化，那么在它的輸出端就可以得到矩形脈沖，即實現(xiàn)了多諧振蕩的功能。

實現(xiàn)上述設(shè)想的方法，只需在施密特觸發(fā)器的反相輸出端經(jīng)RC積分電路接回輸入端即可，如圖10.4.15所示。圖10.4.15用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器振蕩周期：

若使用的是CMOS施密特觸發(fā)器，而且VOH≈VDD，VOL≈0，則用三要素法很容易計算出振蕩周期。充電時：VC（0）=VT-，VC（∞）=VDD，=RC，VC（T1）=VT+VC(t)=VC（）-[VC（）-VC

（0）]e-t/VC(T1)=VT+=VDD-[VDD–VT-]e-T1/RC[VDD–VT-]e-T1/RC=VDD-VT+

eT1/RC=T1=RCln放電時：VC（0）=VT+，VC（∞）=0，=RC，VC（T1）=VT-VC(T2)=VT-=0-[0–VT+]e-T2/RC圖10.4.17脈沖占空比可調(diào)的多諧振蕩器石英晶體的電路符號及阻抗頻率特性感性容性0fXfSfP

C用于兩個反相器的耦合.10.4.5石英晶體振蕩器圖中R的作用是使G1和G2工作在線性放大區(qū)。對TTL電路取1K~2K之間；對CMOS門取10~100M。

555定時器有雙極型和CMOS兩種類型，其型號分別有NE555（NE565雙555）和C7555等多種。雙極型定時器電源電壓范圍為5~16V，最大負(fù)載電流可達(dá)200mA；CMOS定時器電源電壓范圍為3~18V，最大負(fù)載電流在4mA以下。10.5.1555定時器結(jié)構(gòu)及工作原理R’D（4）V0（3）VCC（8）（1）放電（7）觸發(fā)輸入VI2（2）閾值輸入VI1（6）控制電壓VIC（5）R&&&1+-+-C1C25k5k5kST10.5555定時器及其應(yīng)用當(dāng)VI1>23VCC，VI2>13VCC時，比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出低電平，基本RS觸發(fā)器被置1，放電三極管T截止，輸出端V0為高電平。當(dāng)VI1<23VCC，VI2<13VCC時，比較器C1輸出高電平，比較器C2輸出高電平，基本RS觸發(fā)器被置0，放電三極管T導(dǎo)通，輸出端V0為低電平。當(dāng)VI1<23VCC，VI2>13VCC時，比較器C1輸出高電平，比較器C2輸出高電平，基本RS觸發(fā)器狀態(tài)不變。

T

導(dǎo)通截止導(dǎo)通不變

V0

010

不變RD

0111VI1VI2

XX<

<>><>輸出

輸入23VCC13VCC23VCC13VCC23VCC13VCC6.5.2定時器應(yīng)用舉例1.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器R&&&1+-+-C1C25k5k5kSTVCCRCVIV0t0twVC(0)=0,VC()=VCC,=RCVC(tw)=23VCC=VCC+(0–VCC)e-tw/RCtw=RCln3=1.1RC23VCt0VCCtVI0這種電路產(chǎn)生的脈沖寬度可從幾個微妙到數(shù)分鐘,精度可達(dá)0.1%。由555定時器構(gòu)成可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)電路tw報警847635210.01FCTVIVCCV0R放電該電路與前面的電路不同的地方就是在電容兩端并接了一個三極管T。這樣，當(dāng)VI在單穩(wěn)暫態(tài)期間連續(xù)觸發(fā)時，由于T導(dǎo)通能將電容C上的電荷放掉，使6端電壓達(dá)不到2/3VCC，從而實現(xiàn)重復(fù)觸發(fā)。該電路，只有兩次觸發(fā)時間大于tw時，電路才會回到穩(wěn)態(tài)。t0Vt0Vt0VVIVCV02.由555定時器構(gòu)成多諧振蕩器0.01FC8476