第10章脉冲波形的产生

10.4.3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,其实只 要负反馈足够强,利用闭合回路中的延迟负反馈作用也能 产生自激振荡。
图10.4.10 最简单的环形振荡器
不难看出，这个电路是没有稳态的。因为在静态（假定没有 振荡）时任何一个反相器的输入和输出都不可能稳定在高电平 或低电平，而只能处于高、低电平之间，即处于放大状态。
VC（0）=VOH，VC（∞）=VOL， =（R+RO）C
VC(t)=VC （）- [VC（ ） -VC （0）]e-t/
VC（tw）=VTH=VOL-（VOL-VOH） e-t/
tW
(
R
RO
)C
ln
VOL VOL
VOH VTH
输出脉冲幅度：Vm=VOH-VOL 图10.3.7 图10.3.5电路中电容C的放电回路和vA的波形
C充电 Vi2
VO
Vi1
VO1
结果使G1迅速截止，G2很快导通，电路回到稳态。 VO1=1，VO=0
假设输入波形已知，根据以上的分析可画出图10.3.1电路 中各点的电压波形，如下：
为了定量描述单稳态触发器 的性能，经常使用输出脉冲 宽度tW 、输出脉冲幅度VM、 恢复时间tre和分辨时间td等 参数。
10.4.1对称式多谐振荡器
1.电路组成及工作原理
RF取值 0.5~1.9K
图10.4.1 对称式多谐振荡 图10.4.2 TTL反相器
器电路
（7404）的电压传输特性
图10.4.1 对称式多谐 振荡器电路
图10.4.5 图10.4.1电路中各点电 压的波形
在 RF1= RF2= RF、C1= C2=C的条件下，电路 的振荡周期为：
门G1~G4组成的输入控制电路用于实现上升沿触发或下降沿触 发的控制。
输入
输出
电路处于 稳定状态
A1
A2
0
X
X
0
X
X
B
vO
vO’
1
0
1
1
0
1
0
0
1
1
1
X
0
1
电路由下 降沿触发
1
↓
1
↓
1
1
电路由 上升沿 触发
↓
↓
1
0
X
↑
X
0
↑
表10.3.1 集成单稳态触发器74121的功能
图10.3.10 集成单稳态触发器74121的 工作波形图
假定电路中CMOS反相器的阈值电压Vth=VDD/2,R1<R2,输入信 号VI为三角波,分析工作过程:
根据叠加原 理可写出:
Vi1=
R2
R1+R2
VI + R1 V0 R1+R2
*10.2.2 集成施密特触发器
由于施密特触发器的应用非常广泛，所以无论是在TTL电路 中还是在MOS电路中，都有单片集成的施密特触发器产品。
图10.4.11 图6.4.10电路的工作波形图 振荡周期为： T=6tpd
基于上述原理可知，将任何大于、等于3的奇数个 反相器首尾相连接成环形电路，都能产生自激振荡， 而且振荡周期为：T=2ntpd
用这种方法构成的振荡器虽然很简单，但不实用。 因为门电路的传输延迟时间极短，TTL电路只有几 十纳秒，CMOS电路也只有一二百纳秒，所以想获 得稍低一些的振荡频率很困难，而且频率不易调节。
为了保证VO1为低电平时VA在VTH 以下，R的阻值不能取得太大。
稳态时，由于VI=0，所以 VO=VOH，VA=VO1=VOH。
当输入正脉冲以后，VO1跳变为 低电平，但由于电容C上的电压 不能突变，所以在一段时间里VA 仍在VTH以上。G2两个输入为1， 使vO跳变为0，电路进入暂态。
暂稳时间tW为从电容开始放电到VA下降至VTH所需的时间。 所以有：
图10.3.2 图10.3.1电路的电压波形图
二、积分型单稳态触发器
电路进入暂态后，电容C开始放 电，VA电位开始下降，当下降到 VTH时，VO回到高电平。待VI返 回低电平以后，VO1又重新变成 高电平，并向C充电，VA恢复为 高电平，电路回到稳态。
该电路是用TTL与非门和反相
器以及RC积分电路组成的。
图中RP为CMOS电路的保护电阻
图10.4.6 非对称式多谐振荡器电路
由于RF跨接在G1的输入和输出之间，又CMOS电路输入
电流在正常的输入高、低电平范围内几乎等于零，所以RF
上没有压降， G1必然工作在vo1=vI1状态。因此，表示vo1=vI1
的直线与电压传输特性的交点就是G1的静态工作点，如图
图10.2.3 带与非功能的TTL集成施密特触发器—7413 因为在电路的输入部分附加了与的逻辑功能，同时
输出端附加了反相器，所以它也叫施密特触发的与非 门，集成电路手册中将其归入与非门类。
图10.2.4 集成施密特触发器7413的 电压传输特性
图10.2.5 CMOS集成施密特触发器 CC40106
输出脉冲宽度： tW=RextCextln2=0.69RextCext
通常Rext的取值在2~30K之间，Cext的取值在10pF~10µF 之间，得到tW可达20ns~200ms。内置电阻Rint=2K 。
图10.3.11 集成单稳态触发器74121的外部连接方 法（a）使用外接电阻Rext （下降沿触发）
V0 VOH
(1) 属于电平触发,当输入信号达到某一定 电压值时,输出电压会发生突变;
（2）输入信号增加和减少时，电路有不同
的v阈i1 值电压。
0
VT- VT+
利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢 VI 的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而
电压传输特性
且可以将叠加在脉冲信号高低电平上的噪
10.2.1门电路组成的施声密有特效触地发清器除。
图10.4.12 带RC延迟电路的环形振荡器
（a）原理性电路（b）实用的改进电路
10.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器
施密特触发器的电压传输特性有一个滞回区。由此可以设想， 若能使它的输入电压在VT+和VT-之间不停的往复变化，那么在它 的输出端就可以得到矩形脉冲，即实现了多谐振荡的功能。
实现上述设想的方法，只需在施密特触发器的反相输出端经 RC积分电路接回输入端即可，如图10.4.15所示。
10.4.7所示。
通常CMOS门的VTH=1/2VDD，
这时静态工作点P刚好处在电
压传输特性的中点，即
vo1=vI1=1/2VDD的地方。因为 vO1=vI2，所以这时G2的静态 工作点也在电压传输特性的
中点。
由于流过RF上静态电流基本 等于零，所以对RF阻值没有 严格地限制。 图10.4.7 图10.4.6电路中CMOS反相器静态工作点的确定
图10.2.6 集成施密特触发器CC40106的特性
（ a）电压传输特性（b）VDD对VT＋、VT－的影响
10.2.3施密特触发器的应用
一、用于波形变换 利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用,可
以把边沿缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉 冲信号。
V0 VOH
0 VT- VT+ VI
图10.2.7 用 施密特触发器实 现波形变换
图10.4.15 用施密特触 发器构成的多谐振荡器
占空比q——脉冲宽度与脉
冲周期的比值，即q=tw/T
上升时间tr——脉冲前沿从 0.1VM上升到0.9VM所需要 的时间。
下降时间tf——脉冲后沿从
图10.1.1 描述矩形脉冲特0的性.9时的VM间主下。要降到参0数.1VM所需要
10.2施密特触发器（Schmitt Trigger）
它是脉冲波形变换中经常使用的一种电路具有下述特点:
假定由于某种原因使vi1产生了微小的正跳变，则经过G1的传 输延迟时间tpd之后vi2产生一个幅度更大的负跳变，再经过G2的 传输延迟时间tpd使vi3得到更大的正跳变。可以推想，再经过3 tpd 以后vi1又将跳变为高电平。如此周而复始，就产生了自激振荡。
稳定振荡后，可以假设各门电路的输入、输出电平均为高、 低电平。于是可画出上述自激振荡的工作波形图。
（b）使用内部电阻Rint （上升沿触发）
74121、74221、74LS221都是不可重复触发的单稳态触 发器。74122、74123等是可重复触发的单稳态触发器。
*二、CMOS集成单稳态触发器
10.4多谐振荡器 Astable Multivibrator
多谐振荡器是一种自激振荡电路，该电路在电源接通后，无需 外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形波或方波。
（a）放电回路 （b） vA的波形
恢复时间是从VO1跳变为高电平后电容C充电至VOH所经过的时 间。若取充电时间常数的3~5倍，则得tre=（3~5）辨时间为：td=tTR+tre 与微分型单稳态触发器相比，积分型单稳态触发器具有抗干 扰能力强的优点。同时这也是这种电路的缺点，因为它不适应 窄脉冲触发。
10.3.2 集成单稳态触发器 一、TTL集成单稳态触发器
微分型单稳 态触发器
输入控 制电路
输出缓冲电路
图10.3.9 集成单稳态触发器74121简化的逻辑图
如果把G5和G6合在一起视为一个具有施密特触发特性的或非门， 则这个电路与前面所讨论的微分型单稳态触发器基本相同。它用
门G4给出的正脉冲触发，暂稳时间由Rext和Cext决定。
（2）当外加触发信号时，电路由稳态翻转到暂态暂
当Vi正跳变来时，在Rd、Cd组成的微分电路输出端得到很窄的 正脉冲，使 G1输出V01由高变为低电平，经电容C耦合，使Vi2 为D低电平，于是G2的输出变为高电平。即，VO1=0，VO=1。 由于G2的输出与G1的输入端相连，这时即使触发信号再变为 低电平，G1输出暂时也不会变回高电平。即，维持暂态。 （3）电容C充电，电路由暂态自动返回稳态 在暂稳期间，电源经G1的导通管及电阻R对电容充电。随着电 容两端的电压的增长，当Vi2上升到G2的阈值电压Vth时，电路 发生下述正反馈过程：