脉冲波形的产生与整形

第六章 脉冲波形的产生与整形

6..1三种电路功能介绍

6.1.1施密特触发器

一、主要用途：可用作波形变换、整形、幅度鉴别和脉冲展宽等电路。

二、工作特点：

1、施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变化的信号，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。

2、电路有两个阈值电压。 输入信号增加和减少时，电路的阈值电压不同，出现滞回。电路具有如下图所示的传输特性（同相与反相）。

施密特触发器的逻辑符号如下图所示。

三、由门电路构成的施密特触发器

由与非门和二极管可以构成施密特触发器，如下图。

UiUo&&&RSVD

工作波形如下图。 ui/Vuott001.40.7UT+UT-

施密特触发器的正向阈值电压UT+和负向阈值电压UT-之差称为回差电压，用ΔUT表示，即ΔUT＝UT+—UT-。

实际应用中，施密特触发器的回差电压是可根据设计需求调整的。

6.1.2单稳态触发器

一、主要用途：用于波形整形、定时及延时。

二、工作特点：

1、它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。

2、在外加脉冲作用下，触发器能从稳态翻转到暂稳态。

3、在暂稳态维持一段时间后，将自动返回稳态，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与外加触发信号无关。

三、由门电路构成的单稳态触发器

1、电路组成及工作原理

暂稳态是靠RC电路的充放电过程来维持的，由于图示电路的RC电路接成微分电路形式，故该电路又称为微分型单稳态触发器。

由集成门电路构成的单稳态触发器如下图所示。

（1）输入信号uI为0时，电路处于稳态。

uI2=VDD，uO=UOL =0，uO1＝UOH =VDD。

（2）外加触发信号，电路翻转到暂稳态。

当uI产生正跳变时，uO1产生负跳变，经过电容C耦合，使uI2产生负跳变，G2输出uO产生正跳变；uO的正跳变反馈到G1输入端，从而导致如下正反馈过程： 该正反馈过程使电路迅速变为G1导通、G2截止的状态，此时，电路处于uO1=UOL、uO=uO2=UOH的状态。然而这一状态是不能长久保持的，故称为暂稳态。

（3）电容C充电，电路由暂稳态自动返回稳态。

在暂稳态期间，VDD经R对C充电，使uI2上升。当uI2上升达到G2的UTH时，电路会发生如下正反馈过程：

该正反馈过程使电路迅速由暂稳态返回稳态，uO1=UOH、uO= uO2=UOL。

从暂稳态自动返回稳态之后，电容C将通过电阻R放电，使电容上的电压恢复到稳态时的初始值。

2、单稳态触发器的工作波形如下：

3、主要参数

（1）输出脉冲宽度tw

输出脉冲宽度tw，就是暂稳态的维持时间。根据uI2的波形可以计算出：

tw ≈0.7RC

（2）恢复时间tre

暂稳态结束后，电路需要一段时间恢复到初始状态。一般，恢复时间tre为（3~5）放电时间常数（通常放电时间常数远小于RC）。

（3）最高工作频率fmax（或最小工作周期Tmin） 设触发信号的时间间隔为T，为了使单稳态触发器能够正常工作，应当满足T＞tw +tre的条件，即Tmin= tw +tre。

因此，单稳态触发器的最高工作频率为fmax = 1/ Tmin = 1/（tw +tre）

4、对输入触发脉冲宽度的要求

在使用微分型单稳态触发器时，输入触发脉冲uI的宽度tw1应小于输出脉冲的宽度tw，即tw1＜tw，否则电路不能正常工作。

如出现tw1＞tw的情况时，可在触发信号源uI和G1输入端之间接入一个RC微分电路。

四、集成单稳态触发器74LS121

用集成门电路构成的单稳态触发器虽然电路简单，但输出脉冲宽度的稳定性较差，调节范围小，而且触发方式单一。因此实际应用中常采用集成单稳态触发器。

1、 单稳态触发器输入脉冲的触发方式（不可重复触发型与可重复触发型）

图（a）为不可重复型触发单稳态触发器，该电路在触发进入暂稳态期间如再次受到触发，对原暂稳态时间没有影响，输出脉冲宽度tw仍从第一次触发开始计算。

图（b）为可重复触发型单稳态触发器，该电路在触发进入暂稳态期间如再次被触发，则输出脉冲宽度可在此前暂稳态时间的基础上再展宽tw。

因此，采用可重复触发单稳态触发器时能比较方便地得到持续时间更长的输出脉冲宽度。

2、TTL集成单稳态触发器电路74121的功能

74121是一种不可重复触发的单稳态触发器，它既可采用上升沿触发，又可采用下降沿触发，其内部还设有定时电阻Rint(约为2kΩ)。

74121的逻辑符号和功能表如下图所示。

74121有两种触发方式：

a、若B=1，可以利用1A或者2A实现下降沿触发。

b、若1A和2A中有0，可以利用B实现上升沿触发。

74121定时元件接法：

可以利用Rext、Rint两种接法进行定时，如下图所示。

图(a)中外接电阻R=Rext（1.4~40kΩ），图(b)中用内部电阻R＝Rint (约为2kΩ)。

输出脉冲uO的宽度：tw ≈ 0.7RCext。外接电容Cext一般取值范围为10 pF～10μF，在要求不高的情况下最大值可达1000μF。

6.1.3多谐振荡器

一、主要用途：用以输出周期性的脉冲信号，因含有丰富的谐波分量，称作多谐振荡器。

二、工作特点：

1、多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。

2、通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，无需外触发。

三、由门电路构成的多谐振荡器

1、最简单的环形多谐振荡器

如a图所示，由奇数个非门首尾相接，构成环形，利用门电路的传输时延，产生自激振荡，获得连续的脉冲信号。工作波形如b图所示，可以得出输出波形的周期为6tpd。

这种最简单的环形振荡器结构很简单，但是振荡频率固定，且周期很短，为ns级。

2、 RC环形多谐振荡器

最简单的环形振荡器构成十分简单，但是并不实用。因为集成门电路的延迟时间tpd极短，而且振荡周期不便调节。

增加RC延迟环节，即可组成RC环形振荡器电路。

RC环形多谐振荡器电路结构如下图。

RS是限流电阻（保护G3），通常选100Ω左右。利用电容C的充放电，改变uI3的电平(因为RS很小,在分析时往往忽略它)来控制G3周期性的导通和截止，在输出端产生矩形脉冲。

RC环形振荡器的工作波形如下图所示。

电路的振荡周期为T≈2.2RC

R不能选得太大（一般1kΩ左右），否则电路不能正常振荡。

3、 石英晶体多谐振荡器

上面介绍的多谐振荡器的一个共同特点就是振荡频率不稳定，容易受温度、电源电压波动和RC参数误差的影响。

在数字系统中，矩形脉冲信号常用作时钟信号来控制和协调整个系统的工作。因此，控制信号频率不稳定会直接影响到系统的工作，显然，前面讨论的多谐振荡器是不能满足要求的，必须采用频率稳定度很高的石英晶体多谐振荡器。

石英晶体具有很好的选频特性。当振荡信号的频率和石英晶体的固有谐振频率fo相同时，石英晶体呈现很低的阻抗，信号很容易通过，而其它频率的信号则被衰减掉。

石英晶体的电抗频率特性如下图。

因此，将石英晶体串接在多谐振荡器的回路中就可组成石英晶体振荡器，这时，振荡频率只取决于石英晶体的固有谐振频率fo，而与RC无关。

在对称式多谐振荡器的基础上，串接一块石英晶体，就可以构成一个石英晶体振荡器电路，如下图所示。该电路将产生稳定度极高的矩形脉冲，其振荡频率由石英晶体的串联谐振频率fo决定。

目前，家用电子钟几乎都采用具有石英晶体振荡器的矩形波发生器。由于它的频率稳定度很高，所以走时很准。

通常选用振荡频率为32768HZ的石英晶体谐振器，因为32768＝215，将32768HZ经过15次二分频，即可得到1HZ的时钟脉冲作为计时标准。

6..2由555构成的三种电路

6.2.1由555构成的施密特触发器

一、555定时器介绍

555定时器是数字——模拟混合集成电路，可产生精确的时间延迟和振荡，内部有3个5KΩ的电阻分压器，故称555。555在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。

不同公司生产的555定时器的逻辑功能与外引线排列都完全相同。双极型与CMOS型555区别如下表所示。

双极型产品 CMOS产品

单555型号的最后几位数码 555 7555

双555型号的最后几位数码 556 7556

优点 驱动能力较大 低功耗、高输入阻抗

电源电压工作范围 5~16V 3~18V

负载电流 可达200mA 可达4mA

1、电路组成

555内部电路及外围引脚如下图所示。

（1）电阻分压器

由3个5kΩ的电阻R组成，为电压比较器C1和C2提供基准电压。

（2）电压比较器C1和C2

当U＋＞U－时， UC输出高电平，反之则输出低电平。

CO为控制电压输入端。

当CO悬空时，UR1＝2/3VCC，UR2＝1/3VCC。

当CO＝UCO时，UR1＝UCO，UR2＝1/2UCO 。

TH称为高触发端，TR称为低触发端。

（3）基本RS触发器

其置0和置1端为低电平有效触发。

R是低电平有效的复位输入端。正常工作时，必须使R处于高电平。

（4）放电管T

T是集电极开路的三极管。相当于一个受控电子开关。输出为0时，T导通，输出为1时，T截止。

（5）缓冲器

缓冲器由G3和G4构成，用于提高电路的负载能力。

2、工作原理

555定时器的功能表如下表所示。

输入 输出

TH TR R OUT T

X X 0 0 导通

>UR1 > UR2 1 0 导通

< UR1 > UR2 1 不变 不变

< UR1 < UR2 1 1 截止

TH接至反相输入端，当TH＞UR1时，UC1输出低电平，使触发器置0，故称为高触发端（有效时置0）。

TR接至同相输入端，当TR＜UR2时，UC2输出低电平，使触发器置1，故称为低触发端（有效时置1）。

二、由555构成施密特触发器

施密特触发器有回差特性：上升过程和下降过程有不同的转换电平UT+＋和UT-－，而555内部比较器有两个不同的基准电压UR1和UR2，因此两者有内在的联系。

1、 电路构成

将第2脚、第6脚并接，作为信号输入端即可，如下图所示。

若要改变正向和负向的阈值电压，可以在第5脚上加控制电压，使得UT+=UCO，