脉冲波形的产生与变换

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 THOH TH OH U U U U -+同理,求得放电时间tW2:tW2＝τln)()()0()(24444t u u u u -∞+-∞＝RClnTHOL 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 、UOLU＝0.3V、UTH＝1.4V,故脉冲周期TT＝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。

uo2uo2ttV 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 ＝21VDD,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 -∞+-∞＝2RClnDDDD 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 THFDD U V V +＋RClnTHDD FF DD U V V V -+＝100×103×0.001×10－6×ln 5110+＋100×103×0.001×10－6×ln 510110-+＝1.577×10－4(S)振荡频率f ＝T 1＝6.3(KHz)9.1.2 石英晶体多谐振荡器在多谐振荡器中,输出信号振荡频率的稳定性主要由电路达到转换电平的时间来决定。

由于转换电平受温度变化有一些影响,受外界干扰后,电路转换时间发生变化的影响及电容充放电速度变缓后,转换电平微小变化对振荡周期的影响等原因,使电路振荡频率稳定性较差,因此,在对频率稳定性要求较高的数字设备系统中,需要稳频措施。

其常用方法是在多谐振荡器的反馈回路中串进石英晶体,构成石英晶体振荡器,如图9－7所示。

图中,R1.、R2保证G1.、G2正常工作,电容器C1、C2起到频率微调及耦合的作用。

图9－7 石英晶体多谐振荡器石英晶体具有很好的选频特性如图9—8所示。

把石英晶体对称接入反馈回路后,只有当信号频率为晶体固有的谐振频率f0时,晶体的等效阻抗最小,信号最容易通过,而其他频率的信号均被晶体严重衰减。

因此,电路的振荡频率只取决于与晶体结构有关的谐振频率f0,与R和C的大小无关,所以,它的输出信号频率稳定度很高。

在调试使用中,若因故停振,可以适当调节R1、R2。

图9－8 石英晶体阻抗频率特性9.2 单稳态触发器单稳态触发器就是只有一个稳态和一个暂稳态的触发器。

所谓稳态是在无外加信号的情况下,电路能长久保持的状态,稳态时,电路中电流和电压是不变的。

暂稳态是一个不能长久保持的状态,暂稳态期间,电路中一些电压和电流会随着电容器的充电和放电发生变化。

单稳态的触发器的特点是：没有外加触发信号的作用,电路始终处于稳态；在外加触发器信号的作用下,电路能从稳态翻转到暂稳态,经过一段时间后,又能自动返回原来所处的稳态。

电路处于暂稳态的时间通常取决于RC电路的充、放电的时间,这个时间等于单稳态触发器输出脉冲的宽度tW,与触发信号无关。

所以,单稳态触发器在外加触发脉冲信号的作用下,能够产生具有一定宽度和一定幅度的矩形脉冲信号。

单稳态触发器属于脉冲整形电路,常用于脉冲波形的整形,定时和延时。

单稳态触发器可以由TTL或CMOS门电路与外接RC电路组成,也可以通过单片集成单稳态电路外接RC电路来实现。

其中RC电路称为定时电路。

根据RC电路的不同接法,可以将单稳态触发器分为微分型和积分型两种。

9.2.1CMOS门电路构成的微分型单稳态触发器(1) 电路的组成图9－9所示为CMOS或非门组成的单稳态触发器电路,由两个或非门和RC电路连接而成。

门G1的一个输入端作为整个电路的信号输入ui1,门G2的输出端作为整个电路的信号输出u02,RC环节构成微分电路,故称为微分型单稳态触发器。

uo2图9－9 CMOS 或非门微分型单稳态触发器(2)工作原理假定CMOS 或非门的电压传输特性曲线为理想化折线,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阀值电压UTH （一般UTH ＝21VDD ）,当输入ui≥UTH 时,输出uo ＝0；当ui ＜UTH 时, uo ＝VDD ＝1。

① 稳态接通电源,无触发信号（ui1＝0）,电路处于稳态,电源VDD 通过电阻R 对C 充电达到稳态值, 故ui2＝VDD ＝1,门G ２导通,输出uo2＝0,门G1截止,输出uo1＝VDD ＝1,电容C 上的电压为0。