第十章脉冲波形的产生和整形

第十章脉冲波形的产生和整形内容提要本章主要介绍矩形波的产生和整形电路。在矩形波产生电路中介绍几种常用的多谐振荡器－对称式和非对称多谐振荡器、环形振荡器以及用施密特触发器和555定时器构成的多谐振荡器等。此外对几种不同类型的压控振荡器也做了介绍。在整形电路中，介绍了施密特触发器和单稳态触发器。本章也讨论了最常用的555定时器及其所构成的施密特触发器、单稳态触发器及多谐振荡器的电路及工作原理。本章内容10.1概述10.2施密特触发器10.3单稳态触发器10.4多谐振荡器10.5555定时器及其应用10.1概述一、产生矩形脉冲的途径1.利用各种形式的多谐振荡器电路；2.通过各种整形电路把已有的周期性变化波形变换成符合要求的矩形脉冲。二、矩形脉冲特性的描述通常的矩形脉冲波形如图10.1.1所示。图10.1.1图10.1.1其中：10.1概述脉冲周期T：周期行重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔。有时也用频率f＝1/T表示单位时间内脉冲重复的次数脉冲幅度Vm：脉冲电压的最大变化幅度。☻上升时间tr：脉冲上升沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需要的时间图10.1.1☻脉冲宽度tW：从脉冲前沿到达0.5Vm起，到脉冲后沿到达0.5Vm为止的一段时间。☻下降时间tf：脉冲下降沿从0.9Vm下降到0.1Vm所需要的时间10.1概述占空比q：脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q＝tw/T图10.1.110.1概述注：在脉冲整型或产生电路用于数字系统时，有时对脉冲有些特殊要求，如脉冲周期和幅度的稳定性等，这时需要另增加一些参数来描述脉冲。10.2施密特触发器（SchmittTrigger）第一输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同；第二在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。注：利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢地信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形波脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。施密特触发器时脉冲波形变换中经常使用的一种电路，它具有下面两个性能特点：10.2.1用门电路组成的施密特触发器将两极反相器串接起来，通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端就够成施密特触发器电路，其电路及其图形符号如图10.2.1所示。图10.2.1设反相器G1和G2均为CMOS门，其阈值电压为VTH＝VDD/2，输出高低电平分别为VOH＝VDD，VOL＝0，且R1<R21.其工作原理10.2.1用门电路组成的施密特触发器①当vI＝0时，vo1＝VOH，vo＝VOL≈0，此时G1门的输入电压为10.2.1用门电路组成的施密特触发器②当vI从0逐渐升高到使得vA＝VTH时，反相器进入电压传输特性的放大区（转折区），故vA的增加，会引起下面的正反馈，即使电路迅速跳变到vo＝VOH≈VDD由叠加原理得10.2.1用门电路组成的施密特触发器设施密特触发器在输入信号vI正向增加时的门槛电压（阈值电压）为VT＋，称为正向阈值电压，此时vo＝0，G1门的输入电压为当vA>VTH时，电路状态维持在vo＝VOH＝VDD不变10.2.1用门电路组成的施密特触发器③当vI从高电平VDD逐渐下降到vA＝VTH时，由于也存在正反馈，即使电路迅速跳变到vo＝VOL≈0此时施密特触发器在vI下降时对应输出电压由高电平转为低电平时的输入电压为VT－，称为负向阈值电压，此时vo＝VDD，G1门的输入电压为10.2.1用门电路组成的施密特触发器由于VTH＝VDD/2，故只要vI<VT-，vo≈0将VT＋和VT－之间的差值定义为回差电压，用△VT表示，即10.2.1用门电路组成的施密特触发器施密特触发器的电压传输特性为图10.2.2所示图10.2.2施密特触发器的两个输出电压传输特性为图10.2.3所示10.2.1用门电路组成的施密特触发器10.2.1用门电路组成的施密特触发器图10.2.3(a)是以vo做为输出的，vo和vI同相位；而图10.2.3(b)是以vA做为输出的，vA和vI反相位。另通过调节R1和R2的比值，可调节VT＋、VT－和回差电压△VT的大小。利用施密特触发器可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲2.施密特触发器的主要特点：10.2.1用门电路组成的施密特触发器输入信号在上升和下降过程中，电路状态转换的输入电平不同电路状态转换时有正反馈过程，使输出波形边沿变陡3.施密特触发器的应用(1)用于波形变换利用施密特触发器将一系列幅度不同的脉冲信号，其中幅度大于正向阈值电压的幅度鉴别出来。二、用于鉴幅10.2.1用门电路组成的施密特触发器三、用于脉冲整形10.2.1用门电路组成的施密特触发器在数字系统中，经常出现干扰信号，使得信号波形变差，这样可通过施密特触发器整型获得比较理想的波形。例10.2.1由CMOS反相器构成的施密特触发器如图10.2.2所示，设VTH＝3V，VDD＝6V，输入电压为峰－峰值6V的三角波。试画出输出电压vo的波形，注明VT＋和VT－的大小，并求回差电压△VT。10.2.1用门电路组成的施密特触发器图10.2.2解：阈值电压为回差电压为△VT＝VT＋－VT－

＝4.5-1.5=3V其输出波形如图10.2.3所示10.2.1用门电路组成的施密特触发器10.3单稳态触发器特点：第一它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；第二在外界触发脉冲的作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳态；第三暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。应用：脉冲整形、延时、定时等10.3.1用门电路组成的单稳态触发器单稳态触发器的暂稳态通常是靠RC电路的充放电过程来维持的，根据RC的电路不同接法，把单稳态触发器分成微分型和积分型。一、微分型单稳态触发器图10.3.1是由CMOS门电路G1、G2和Rd、Cd微分电路构成的单稳态触发器。图10.3.1设VOH≈VDD，VOL≈0，且CMOS门的转折电压为VTH≈VDD/2，a.无触发信号时，电路处于稳态，vo=010.3.1用门电路组成的单稳态触发器图10.3.1在稳态下vI=0，vI2=VDD，故vo=0，vo1=VDD，电容C两端无电压，vc=0b.外加触发信号时，电路由稳态翻转到暂稳态当输入信号vI加触发脉冲时，在Rd、Cd组成的微分电路输出端得到很窄的正负脉冲vd，如图10.3.2波形所示。图10.3.210.3.1用门电路组成的单稳态触发器当vI上升，vd也随之上升，当上升到VTH后，此时存在下列正反馈：图10.3.2则vo1迅速跳变为低电平，由于电容电压不能跃变，故vI2同时为低电平，使得输出翻转为高电平，此时电路进入暂态，电容随后开始充电暂态c.电容充电，电路由暂稳态自动返回至稳态10.3.1用门电路组成的单稳态触发器图10.3.2电源VDD通过R和G1门的输出电路给电容C充电C充电电路10.3.1用门电路组成的单稳态触发器随着vI2的增加，当增加到vI2＝VTH，产生另一正反馈，即图10.3.2此时vo1和vI2迅速跳变为高电平，电路马上翻为稳态，即vo＝010.3.1用门电路组成的单稳态触发器此时电容C通过R和G2门的输入保护电路很快放电，知道电容电压为0，电路恢复到稳态。图10.3.2C放电电路C放电10.3.1用门电路组成的单稳态触发器输出的脉冲宽度为注：微分型单稳态触发器可以用窄脉冲触发，但输出脉冲的下降沿较差。图10.3.2二、积分型单稳态触发器图10.3.3为由TTL与非门、反相器及RC积分电路构成的积分型单稳态触发器。用于正脉冲触发。a.无触发信号时，电路处于稳态10.3.1用门电路组成的单稳态触发器图10.3.3当vI＝0时，输出电压vo＝VOH为高电平,vo1＝VOH，vo1通过R很快给电容C充电到vA＝VOH（R值比较小）b.当有正脉冲输入后，电路进入暂稳态当vI由低电平转为高电平时，vo1＝VOL。由于电容不能突变，vA仍保持高电平，使得输出vo＝VOL为低电平，电路进入暂态过程，此时电容C放电C放电回路图10.3.4其输出波形如图10.3.4所示10.3.1用门电路组成的单稳态触发器稳态暂态电容放电c.电容放电，电路回到稳态随着电容C的放电，vA下降到G2门的开启电压VTH时，输出翻转为高电平，回到稳定状态（“1”）。当vI回到低电平后，vo1重新为低电平，并向电容C充电。输出的脉冲宽度为10.3.1用门电路组成的单稳态触发器图10.3.4C放电回路微分型单稳态触发器输出波形比较理想，前后沿比较陡，因为有正反馈存在，但抗干扰能力差；积分型单稳态触发器抗干扰能力强，但输出波形边沿比较差，而且要求输入触发脉冲的宽度要大于输出脉冲宽度。10.3.1用门电路组成的单稳态触发器微分型单稳态触发器积分型单稳态触发器两种单稳态触发器的比较：10.3.2集成单稳态触发器（74121)集成单稳态触发器74121是在普通微分型单稳态触发器的基础上，附加了输入控制电路和输出缓冲电路，是TTL逻辑电路。其简化逻辑电路如图10.3.5所示。图10.3.5其中：A1和A2为下降沿触发端，此时B＝1，B为上升沿触发端，此时A1和A2当中至少要有一个接低电平其图形符号和功能表如图10.3.6所示10.3.2集成单稳态触发器（74121)Cext和Rext为外接电容和外接电阻,通常Rext取值在2KΩ～30KΩ之间，Cext的取值在10pF～10μF之间，得到的脉冲宽度tW的范围为20ns～200ms。10.3.2集成单稳态触发器（74121)输出脉冲宽度可由下面公式计算：Rint为内置电阻，可以代替外接电阻，但阻值不大，约为2KΩ。10.3.2集成单稳态触发器（74121)其典型外部连线方式如图10.3.7所示10.3.2集成单稳态触发器（74121)（a）（b）图10.3.7集成单稳态触发器74121的典型外部连接方法（a）使用外接电阻（下降沿触发）（b）使用内部电阻（上升沿触发）图10.3.8为74121在触发脉冲作用下的波形图10.3.2集成单稳态触发器（74121)图10.3.8目前使用的单稳态触发器有不可重复触发型和重复触发型两种。其波形如图10.3.9所示。10.3.2集成单稳态触发器（74121)**不可重复触发的单稳态触发器一旦被触发进入暂稳态后，再加入触发脉冲也不会影响电路的工作工程，必须在暂稳态结束后，它才能接受下一个触发脉冲而转入暂稳态。如图6.3.8（a）所示。10.3.2集成单稳态触发器（74121)**可重复触发的单稳态触发器在电路被触发进入暂稳态后，若再次加入触发脉冲，电路将重新被触发，使输出脉冲再继续维持一个tW的脉冲宽度，如图6.3.8(b）所示。**74121、74221、74LS221都属于不可重复触发的单稳态触发器；而74122、74LS122、74123、74LS123等都属于可重复触发的单稳态触发器；有些还设有复位端，如74221、74122、74123等例10.3.1由集成单稳态触发器74121组成的电路如图10.3.10所示，试定性画出输出端Q1和Q2的波形，并说明电路的功能。10.3.2集成单稳态触发器（74121)解：第一片的A1＝A2＝v

I，B＝Q

2，第二片的A1＝A2＝Q

1，B＝v

I10.3.2集成单稳态触发器（74121)当vI＝0时，第一片A1＝A2＝1，其输出Q1＝0；第二片的B＝0，A1＝A2＝0，其输出Q2＝0，Q2＝110.3.2集成单稳态触发器（74121)当vI跳变为高电平时，如图10.3.11所示，则第一片的A1、A2出现下降沿，而B＝Q2＝1，故在Q1端输出一个正脉冲。10.3.2集成单稳态触发器（74121)图10.3.11而第二片B＝vI＝1，A1＝A2＝Q1，则在Q1的下降沿，Q2输出正脉冲。而第一片的B＝Q2，则A1＝A2＝0，在Q2上升沿的作用下，Q1输出一个正脉冲，电路不断振荡下去10.3.2集成单稳态触发器（74121)图10.3.1110.4多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号，便能自动产生矩形波形。由于矩形波中含有高次谐波故把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。10.4.1对称式多谐振荡器图10.4.1为对称式多谐振荡器的典型电路。1.构成：它是由两个反相器G1、G2经耦合电容C1、C2连接起来的正反馈电路。图10.4.12.产生自激振荡的条件：由图10.4.2所示TTL反相器电压传输特性可知，若静态时G1和G2工作在转折区或线性区，它们即工作在放大状态，其电压放大倍数为10.4.1对称式多谐振荡器为了产生自激振荡，电路不能有稳定状态，即静态（未振荡）时应是不稳定的图10.4.2此时只要输入电压有微小的波动，就会被正反馈回路放大而引起振荡故为了使反相器工作在放大状态，则要给它们设置适当的偏置电压，其数值在高、低电平之间。这个偏置电压可以由RF来设定。10.4.1对称式多谐振荡器由反相器的输入电路（图10.4.3)和叠加原理可得图10.4.3在反相器的电压传输特性上做出此直线，交点P即为反相器的静态工作点，如图10.4.2所示。计算标明，对于74系列的门电路而言，RF1的阻值应取0.5KΩ～1.9KΩ。此式是输出与输入的线性关系方程。10.4.1对称式多谐振荡器图10.4.23.工作情况分析假使当电路接通电源后，由于电冲击，使得输入有微小的正跳变，则由于下列正反馈：10.4.1对称式多谐振荡器此正反馈使得vo1迅速跳变为低电平，vo2翻转成高电平，电路进入第一个暂稳态。同时C1充电，而C2放电C1充电回路C2放电回路由于充电的速度比放电速度快，故vI2首先达到阈值电压VTH，并有下面的正反馈：C1充电回路C2放电回路10.4.1对称式多谐振荡器vo2迅速跳变为低电平，而vo1跳变为高电平，电路进入第二个暂稳态，同时C1放电C2充电。由于电路对称，过程与前相似，C2充电的速度比C1充电快，很快vI1首先达到阈值电压VTH，使得vo1迅速跳变为低电平，而vo2跳变为高电平，又回到第一暂稳态电路中各处的电压波形如图10.4.3所示。若取RF1=RF2＝RF，C1＝C2=C，则振荡周期为10.4.1对称式多谐振荡器图10.4.310.4.2非对称式多谐振荡器将对称式多谐振荡器的C1和RF2去掉，两个反相器仍工作在电压传输特性的转折区上，输出仍然没有稳定状态。这就是非对称式多谐振荡器，其电路如图10.4.5所示，反相器为CMOS门。1.自激振荡的条件：若反相器为CMOS反相器，则为了使电路静态不稳定，工作点仍在电压传输特性的转折区，且工作点恰好在转折区的中点，对RF的选择没有严格限制。图10.4.5

vo22.工作情况分析10.4.2非对称式多谐振荡器当vI1由于某种原因产生正跳变时，存在下面的正反馈这样使得vo1迅速跳变为低电平，vo2跳变为高电平，电路进入第一暂稳态，同时电容放电图10.4.5

vo2电容放电电路10.4.2非对称式多谐振荡器随着C放电，vI1下降，当vI1＝VTH时，产生下面正反馈图10.4.5

vo2这样使得vo1迅速跳变为高电平，vo2跳变为低电平，电路进入第二暂稳态，同时电容充电，vI1增加，当升到阈值电压VTH时，电路又迅速调到第一暂稳态电容充电电路其各处波形如图10.4.6所示其振荡周期为其振荡频率为10.4.2非对称式多谐振荡器图10.4.610.4.3环形振荡器利用闭合回路中的正反馈作用可以产生自激振荡，而利用闭合回路中的延迟负反馈作用也可以产生自激振荡，但需要负反馈信号足够强。环形振荡器就是利用延迟负反馈产生振荡的。它是利用门电路的传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接而构成的。1.最简单的环形振荡器电路如图10.4.7所示。图10.4.710.4.3环形振荡器vI1由于某种原因产生一微小正跳变，则经过G1门的传输时间tpd后，vI2产生幅度增大的负跳变，再经过G2门的传输时间tpd后，vI3产生幅度增大的正跳变，再经过G3门的传输时间tpd后，vo（vI1）产生幅度更大的负跳变，同理再经过3tpd后vI1跳变为高电平。周而复始，产生振荡。工作原理：图10.3.8输出波形如图10.3.8所示振荡周期为其中tpd为反相器的传输延迟时间图10.3.810.4.3环形振荡器同理若将任何大于、等于3的奇数个反相器首尾相联成环形电路，都你能产生自激振荡，且周期为其中n为串联反相器的个数改进电路如图10.4.8所示，其中增加了RC积分环节，加大了第二节的延迟时间图10.4.7所示的环形振荡器电路虽然简单，但由于门电路的传输时间很小，故振荡频率很高，频率很难调节。10.4.3环形振荡器2.实用的环形振荡器图10.4.7图10.4.8但RC电路的充、放电的持续时间很短，为了获取更大的延迟，将C的接地端改到G1的输出端，如图10.4.9所示图10.4.810.4.3环形振荡器图10.4.9其中Rs为保护电阻各处的波形如图10.4.9所示10.4.3环形振荡器图10.4.9其振荡周期可由下式估算注：上式成立的条件应满足R1+RS>>R.，VOL≈0vo26.4.4用施密特触发器构成的多谐振荡器电路如图10.4.10所示。其工作原理如下图10.4.10其输出波形如图10.4.11所示其振荡周期的计算公式为6.4.4用施密特触发器构成的多谐振荡器图10.4.11图10.4.10为了可调节占空比，电路可修改为图10.4.12所示的电路。电容充电是通过R2进行，电容放电是通过R1进行，故只要改变R1和R2的比值即可改变占空比。6.4.4用施密特触发器构成的多谐振荡器图10.4.1210.4.5石英晶体多谐振荡器前面介绍的多谐振荡器的振荡周期或频率不仅与时间常数RC有关，而且还取决于门电路的阈值电压VTH。VTH容易受温度、电源电压及干扰的影响，故频率的稳定性很差，不能适应对频率稳定性要求较高的场合。１９２２年美国卡第提出用石英压电效应调制电磁振荡的频率。巴黎广播电台首先用严济慈制作的石英振荡片实现了无线电播音中的稳频，随后各国相继采用，使无线广播振荡电磁回路稳频成为压电晶体的最重要应用之一。为了提高振荡频率的稳定性，目前普遍采用的一种稳频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图10.4.12给出了石英晶体的外形、符号和电抗频率特性。10.4.5石英晶体多谐振荡器图10.4.12由电抗频率特性可知，当外加电压频率为fo时，其阻抗最小，此频率的信号最易通过，其他频率被衰减，故振荡器的工作再频率fo处。图10.4.13为对称式石英晶体多谐振荡器由于振荡器的频率只取决于石英晶体的固有频率fo，与外接电容、电阻和门电路的阈值电压无关，其固有频率fo是由石英晶体本身特性决定，故石英晶体多谐振荡器的频率稳定性极高，到达10-10～10-11。目前石英晶体已被制成标准化和系列化出售。10.4.5石英晶体多谐振荡器图10.4.1310.5.1555定时器的电路结构与功能10.5555定时器555定时器是一种多用途的数字－模拟混合的集成电路。它可以很方便地构成多谐振荡器、单稳态触发器和多谐振荡器。555定时器为双极型产品，7555为CMOS型的产品，为了实际需求，又出现了双极型556和CMOS型7556.尽管厂家不同，但各种；类型的555定时器的功能及外部引脚排列都是相同的。一、电路结构图10.5.1为国产双极型定时器CB555的电路结构图它由电压比较器（C1，C2）触发器输出缓冲器（G3，G4）OC输出的三极管（TD）组成图10.5.1其图形符号和功能表如图10.5.2所示10.5.1555定时器的电路结构与功能2.各管脚的名称和功能1－接地端2－低电平触发端3－输出端，输出电流可达200mA，直接驱动继电器、发光二极管、扬声器、指示灯等，输出电压约低于电源电压1－3V。10.5.1555定时器的电路结构与功能4－复位端，若此端输入一负脉冲，而使触发器直接复位。不用时加以高电平。5－电压控制端，此端可外加一电压以改变比较器的参考电压，不用是可悬空或通过0.01μF的电容接地。10.5.1555定时器的电路结构与功能8－电源端，可在5－18V范围内使用。6－高电平触发端7－放电端，当触发器的Q＝0时，TD导通，外接电容C通过此管放电。10.5.1555定时器的电路结构与功能10.5.2用555定时器接成的施密特触发器电路如图10.5.3所示图10.5.3其电压传输特性如图10.5.4所示。由图可知，这是个典型的反相输出的施密特触发器。图10.5.310.5.2用555定时器接成的施密特触发器工作原理：10.5.2用555定时器接成的施密特触发器图10.5.3（1）当vI<VCC/3，Q=1（vo＝VOH），Q=0；当vI增加时，2VCC/3>vI>VCC/3，Q=1，Q=0，触发器保持原态；当vI>2VCC/3时，Q=0（vo＝VOL），Q=1。图10.5.310.5.2用555定时器接成的施密特触发器（2）当vI>2VCC/3时，Q=0，Q=1；当vI减少时，2VCC/3>vI>VCC/3，Q=0，Q=1，触发器保持原态；当vI减少到vI<VCC/3，Q=1（vo＝VOH），Q=0；故其正向阈值电压为VT＋＝2VCC/3，负向阈值电压为VT－＝VCC/3，故电路的回差电压为△VT＝VCC/3。若改变回差电压的大小，则可通过5脚外接电压VCO来改变。图10.5.310.5.2用555定时器接成的施密特触发器10.4.3用555定时器接成的单稳态触发器其电路如图10.5.5所示图10.5.5R波形如图10.5.6所示其工作