知识资料第二十三章脉冲电路(一)(新版)

朽木易折，金石可镂。千里之行，始于足下。第页/共页第23章脉冲电路大纲要求：了解TTL与非门多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器的结构、工作原理、参数计算和应用23.1门电路组成的脉冲电路（多谐振荡器）多谐振荡器是一种自激振荡器电路，该电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波。因为矩形脉冲中含有丰盛的高次谐波，故称为多谐振荡器。另外多谐振荡器在工作过程中不存在稳定状态，故又称为无稳态电路。

由门电路组成的多谐振荡器有多种电路形式，但它们均具有如下共同特点:首先，电路中含有开关器件，如门电路、电压比较器、BJT等。这些器件主要用来产生高、低电平；第二，具有反馈网络,将输出电压恰当地反馈给开关器件使之改变输出状态；另外，还有延迟环节，利用RC电路的充、放电特性可实现延时，以获得所需要的振荡频率。在许多实用电路中，反馈网络兼有延时作用。

一种由CMOS门电路组成的多谐振荡器如下图所示。其原理图和工作波形分离如图(a)、(b)所示。图(a)中D1、D2、D3、D4均为保护二极管。

图由CMOS门电路组成的多谐振荡器

(a)多谐振荡器原理图（b)多谐振荡器波形图为了研究方便，在电路分析中，假定门电路的电压传输特性曲线为理想化的折线，即开门电平(VON)和关门电平(VOFF)相等，这个理想化的开门电平或关门电平称为门槛电平(或阈值电平)，记为Vth且设Vth=VDD/2。(1)第一暂稳态及电路自动翻转的过程

假定在t=0时接通电源，电容C尚未充电，电路初始状态为vO1=VOH，

v1=vO2=VOL状态，即第一暂稳态。此时，电源VDD经G1的TP管、R和G2的TN管给电容C充电，如图(a)所示。随着充电时光的增强，v1的值不断升高，当v1达到Vth时，电路发生下述正反馈过程:这一正反馈过程眨眼完成，使vO1=VOL

vO2=VOH，电路进入第二暂稳态。(2)第二暂稳态及电路自动翻转的过程

电路进入第二暂稳态眨眼，v02由0V上跳至VDD，因为电容两端电压不断突变，则v1也将上跳VDD，本应升至VDD+Vth，但因为保护二极管的钳位作用，v1仅上跳至VDD+△V+。随后，电容C通过G2的TP、电阻R和G1的TN放电，使v1下降，当v1降至Vth后，电路又产生如下正反馈过程：从而使电路又回到第一暂稳态，vO1=VOH，vO2=VOL。此后，电路重复上述过程，周而复始的从一个暂稳态翻转到另一个暂稳态，在G2的输出端得到方波。

由上述分析不难看出，多谐振荡器的两个暂稳态的转换过程是通过电容C充、放电作用来实现的。

在振荡过程中，电路状态的转换主要取决于电容的充、放电，而转换时刻则取决于v1的数值。按照以上分析所得电路在状态转换时v1的几个特征值，可以计算出图(b)中的T1、T2的值。

(1)T1的计算

对应于第一暂稳态，将图(b)中T1、T2作为时光起点，T1=t2-t1v1(0+)=-△V-≈0V,v1(∞)=VDD,τ=RC。按照RC电路瞬态响应的分析，有

(2)T2的计算

对应于图(b)，在第二暂稳态，将t2作为时光起点，则有v1(0+)=VDD+△V+≈VDD，v1(∞)=0，τ=RC，由此可求出T2=RC,所以将Vth=VDD/2代入，上式变为T=RCln4≈1.4RC23.2集成定时器组成的脉冲电路555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。电路结构图如下：图555定时器的电路结构图包括电阻分压器，比较器C1和C2，RS触发器，放电管V。①Vss－接地端，②－触发端，③OUT－输出端，④－复位端，⑤C-V－电压控制端，⑥TH－阈值输入端，⑦D－放电端，⑧VDD－电源端。（1）电阻分压器：由3个阻值相同的电阻R串联构成分压电路，提供两个参考电压，一个是C1的反相输入端电压，为VDD，一个是C2的同相输入端电压，为VDD。（2）电压比较器C1和C2：当U+>U-时，比较器的输出为高电平1。当U+<U-时，比较器的输出为低电平0。（3）RS触发器：基本RS触发器又两个或非门组成，电压比较器的输出是基本RS触发器的输入信号，触发器的输出信号Q和将随着比较器输出的改变而改变。（4）复位电路：是复位端，低电平有效。当为低电平时，输出端OUT为0。（5）放电管V和输出缓冲器：当复位端是高电平时，若基本RS触发器的＝0，则放电管V截止；若＝1，则放电管V导通，通过放电端D与外接电路形成放电回路。输出部分由反相器构成输出缓冲器，以提高输出驱动能力。555集成定时器功能状态表

23.2.25G555构成多谐振荡器由555定时器组成的多谐振荡器如左图所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如右图所示。设电容的初始电压＝０，t＝０时接通电源，因为电容电压不能突变，所以高、低触发端＝＝０<ＶＣＣ，比较器Ａ1输出为高电平，Ａ２输出为低电平，即，（1表示高电位，0表示低电位），触发器置１，定时器输出此时，定时器内部放电三极管截止，电源经，向电容Ｃ充电，逐渐升高。当升高到时，输出由０翻转为１，这时，触发顺保持状态不变。所以0<t<期间，定时器输出为高电平１。时刻，升高到，比较器的输出由１变为０，这时，，触发器复０，定时器输出。期间，，放电三极管Ｔ导通，电容Ｃ通过放电。按指数逻辑下降，当时比较器输出由０变为１，Ｒ－Ｓ触发器的，Ｑ的状态不变，的状态仍为低电平。时刻，下降到，比较器输出由1变为0，RS触发器的1，0，触发器处于1，定时器输出。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出，电容放电时，0，电容不断地举行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。由右图可知，振荡周期。为电容充电时光，为电容放电时光。充电时光放电时光矩形波的振荡周期因此改变、和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。对于矩形波，除了用幅度，周期来衡量外，还有一个参数：占空比q，q=（脉宽）/（周期T），指输出一个周期内高电平所占的时光。左图所示电路输出矩形波的占空比。23.2.35G555构成单稳态触发器利用单稳态触发器的特性可以实现脉冲整形，脉冲定时等功能。单稳态触发器单稳态触发器波形（1）如图所示，其中R、C为单稳态触发器的定时元件，它们的衔接点Vc与定时器的阀值输入端（6脚）及输出端Vo'（7脚）相连。单稳态触发器输出脉冲宽度。

Ri、Ci构成输入回路的微分环节，用以使输入信号Vi的负脉冲宽度tpi限制在允许的范围内，普通tpi>5RiCi，通过微分环节，可使Vi'的尖脉冲宽度小于单稳态触发器的输出脉冲宽度tw。若输入信号的负脉冲宽度tpi本来就小于tpo，则微分环节可省略。

定时器复位输入端（4脚）接高电平，控制输入端Vm通过0.01uF接地，定时器输出端Vo（3脚）作为单稳态触发器的单稳信号输出端。（2）工作原理当输入Vi保持高电平时，Ci相当于断开。输入Vi'因为Ri的存在而为高电平Vcc。此时，①若定时器原始状态为0，则集电极输出（7脚）导通接地，使电容C放电、Vc=0，即输入6脚的信号低于2/3Vcc，此时定时器维持0不变。

②若定时器原始状态为1，则集电极输出（7脚）对地断开，Vcc经R向C充电，使Vc电位升高，待Vc值高于2/3Vcc时，定时器翻转为0态。结论：单稳态触发器正常工作时，若未加输入负脉冲，即Vi保持高电平，则单稳态触发器的输出Vo一定是低电平。（3）单稳态触发器的工作过程分为下面三个阶段来分析：①触发翻转阶段：输入负脉冲Vi到来时，下降沿经RiCi微分环节在Vi'端产生下跳负向尖脉冲，其值低于负向阀值（1/3Vcc）。因为稳态时Vc低于正向阀值（2/3Vcc），定时器翻转为1，输出Vo为高电平，集电极输出对地断开，此时单稳态触发器进入暂稳状态。②暂态维持阶段：因为集电极开路输出端（7脚）对地断开，Vcc通过R向C充电，Vc按指数逻辑升高并趋向于Vc