脉冲波形的产生与变换
脉冲信号是数字电路中最常用的工作信号。脉冲信号的获得经常采用两种方法：一是利用振荡电路直接产生所需的矩形脉冲。这一类电路称为多谐振荡电路或多谐振荡器；二是利用整形电路,将已有的脉冲信号变换为所需要的矩形脉冲。这一类电路包括单稳态触发器和施密特触发器。这些脉冲单元电路可以由集成逻辑门构成,也可以用集成定时器构成。下面先来介绍由集成门构成的脉冲信号产生和整形电路。
9.1 多谐振荡器
自激多谐振荡器是在接通电源以后,不需外加输入信号,就能自动地产生矩形脉冲波。由于矩形波中除基波外,还含有丰富的高次谐波,所以习惯上又把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。多谐振荡器通常由门电路和基本的RC电路组成。多谐振荡器一旦振荡起来后,电路没有稳态,只有两个暂稳态,它们在作交替变化,输出矩形波脉冲信号,因此它又被称作无稳态电路。
9.1.1门电路组成的多谐振荡器
多谐振荡器常由TTL门电路和CMOS门电路组成。由于TTL门电路的速度比CMOS门电路的速度快, 故TTL门电路适用于构成频率较高的多谐振荡器,而CMOS门电路适用于构成频率较低的多谐振荡器。
(1)由TTL门电路组成的多谐振荡器
由TTL门电路组成的多谐振荡器有两种形式：一是由奇数个非门组成的简单环形多谐振荡器；二是由非门和RC延迟电路组成的改进环形多谐振荡器。
①简单环形多谐振荡器
uo
(a) (b)
图9－1 由非门构成的简单环形多谐振荡器把奇数个非门首尾相接成环状,就组成了简单环形多谐振荡器。图9－1（ａ）为由三个非门构成的多谐振荡器。若uo的某个随机状态为高电平,经过三级倒相后,uo跳转为低电平,考虑到传输门电路的平均延迟时间tpd,uo输出信号的周期为6tpd。图9－1（ｂ）为各点波形图。
简单环形多谐振荡器的振荡周期取决于tpd,此值较小且不可调,所以,产生的脉冲信号频率较高且无法控制,因而没有实用价值。改进方法是通过附加一个RC延迟电路,不仅可以降低振荡频率,并能通过参数 R、C控制振荡频率。
② RC环形多谐振荡器
如图9－2所示,RC环形多谐振荡器由3个非门（G1、G2、G3）、两个电阻（R、RS）和一个电容C组成。电阻RS是非门G3的限流保护电阻,一般为100Ω左右；R、C为定时器件,R 的值要小于非门的关门电阻,一般在700Ω以下,否则,电路无常工作。此时,由于RC的值较大,从u2到u4的传输时间大大增加, 基本上由RC的参数决定,门延迟时间tpd可以忽略不计。
图9－2 RC环形多谐振荡器
ａ.工作原理
设电源刚接通时,电路输出端uo为高电平,由于此时电容器C尚未充电,其两端电压为零,则u2、u4为低电平。电路处于第1暂稳态。随着u3高电平通过电阻R对电容C充电,u4电
位逐渐升高。当u4超过Ｇ3的输入阀值电平UTH 时,G3翻转,u0＝u1变为低电平,使G1也翻转,u2变为高电平,由于电容电压不能突变,u4也有一个正突跳,保持G3输出为低电平,此时电路进入第2暂稳态。随着u2高电平对电容C 并经电阻R 的反向充电,u4电位逐渐下降,当u4低于UTH 时,G3再次翻转,电路又回到第1暂稳态。如此循环,形成连续振荡。电路各点的工作波形如图9－3所示。
图9－3 RC 环形多振荡器工作波形
b.脉冲宽度tW 及周期T 的估算
脉冲宽度分为充电时间（tW1）和放电时间（tW2）两部分,根据RC 电路的基本工作原理,利用三要素法,可以得到充电时间tW1:
tW1＝τln
)
()()
0()(14444t u u u u -∞+-∞＝RCln TH
OH TH OH U U U U -+
同理,求得放电时间tW2:
tW2＝τln
)
()()0()(24444t u u u u -∞+-∞＝RCln
TH
OL TH OH OL U U U U U -+-)(
其中: τ＝RC,UOH 和UOL 分别为非门输出的高电平电压和低电平电压。设UOH ＝3V 、UOL
U
＝0.3V、UTH＝1.4V,故脉冲周期T
T＝tW1＋tW2≈0.6RC＋1.3RC≈1.9RC
从以上分析看出,要改变脉宽和周期,可以通过改变定时元件R和C来实现。
c.改进形式
由于电阻R不能取得过大（700Ω以下）,这就限制了频率的调节围。如果在环形振荡器中增加一级射级跟随器,可使R的可调围增大,在图9－4所示电路中,R的取值可以达到10KΩ,若将晶体三极管改为均效应管,R的取值可以达到20MΩ,这样,振荡频率的调节围就很宽。
图9－4 改进的RC环形多谐振荡器
(2) CMOS门电路构成的多谐振荡器
由于CMOS门电路的输入阻抗高(＞108Ω),对电阻R的选择基本上没有限制,不需要大容量电容就能获得较大的时间常数,而且CMOS门电路的阀值电压UTH比较稳定,因此常用来构成振荡电路,尤其适用于频率稳定度和准确度要求不太严格的低频时钟振荡电路。
①电路组成及工作原理
图9－5所示为一个由CMOS反相器与R、C元件构成的多谐振荡器。接通电源VDD后,电路中将产生自激振荡,因RC串联电路中电容C上的电压随电容充放电过程不断变化,从而使两个反相器的状态不断发生翻转。
图9－5 CMOS 多谐振荡器
接通电源后,假设电路初始状态ui1＝0,门G1截止,u01＝1,门G2导通,u02＝0,这一状态称为第1暂稳态。此时,电阻R 两端的电位不相等,于是电源经门G1、电阻R 和门G2对电容C 充电,使得ui1的电位按指数规律上升,当ui1达到门G1的阀值电压UTH 时,门G1由截止变为导通,电路发生如下正反馈过程:
即门G1导通,门G2截止,u01＝0,u02＝1,这称为电路的第2暂稳态。
这个暂稳态也不能稳定保持下去。电路进入该状态的瞬间,门G 2的输出电位u 02由0上跳
至1,幅度约为VDD 。由于电容两极极间电位不能突变,使得ui1的电压值也上跳VDD 。由于CMOS 门电路的输入电路中二极管的钳位作用,使ui1略高于VDD 。此时电阻两端电位不等,电容通过电阻R 、门G1及门G2放电,使得ui1电位不断下降,当ui1下降到UTH 时,电路发生如下正反馈过程:使得门G1截止,门G2导通,即u01＝1,u02＝0,电路发生翻转,又回到第1
暂稳态。此后,电容C 重复充电、放电,在输出
端即获得矩形波输出。工作波形见图9－6。
uo2
uo2
t
t
V t
图9－6 CMOS 多谐振荡器工作波形
考虑到CMOS 门电路输入端钳位二极管的限幅作用,门G1的ui1的值在发生正跳变时峰值不可能超过 VDD ＋VF （其中VF 为钳位二极管的导通压降）,发生负跳变时峰值不可能超过－VF 。
②振荡周期T 和振荡频率f 的计算
在CMOS 电路中,若VF ≈0V,且UTH ＝21
VDD,则第1暂稳态时间和第2暂稳态时间相等为
t,门G2的输出u02为方波。
振荡周期:
T ＝2t ＝2RCln
)
()()
0()(11111t u u u u i i i i -∞+-∞＝2RCln
DD
DD DD V V V 210
--＝2RCln2≈1.4RC
振荡频率f ＝T 1＝RC 4.11
【例9－1 】 在图9－5的CMOS 多谐振荡器中,已知VDD ＝10V,UTH ＝5V,VF ＝1V,R ＝100K Ω,C ＝0.001μf, 试计算电路的振荡频率。
解: T ＝tW1＋tW2＝RCln TH
F
DD U V V +＋RCln
TH
DD FF DD U V V V -+
＝100×103×0.001×10－6
×ln 5
110+＋100×103
×0.001×10－6
×ln 5101
10-+
＝1.577×10－4
(S)
振荡频率f ＝T 1
＝6.3(KHz)