第10章脉冲波形的产生

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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。
(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)(R+RO1)C
这个电路的分辨时间为: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。
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。
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:
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:
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
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。
第十章脉冲波形的产生与脉整冲形周期T——周期性重复
10.1 概述
的脉冲Biblioteka Baidu列中,两个相邻 脉冲之间的时间间隔。
获取矩形脉冲波形的途径不外脉乎冲幅有度两V种M—:用—多脉谐冲电振压 荡器产生;通过整形电路把已有的的最周大期变性化幅变度化。的波
形变换为符合要求的矩形脉冲。脉冲宽度tw——从脉冲前沿
到达0.5VM起,到脉冲后沿 到达0.5VM为止的一段时间。
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)
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
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。
由图可以看出这个电路就是在原积分型单稳态触发器的 基础上加了一个与非门G3和输出至G3的反馈线而形成的。 该电路为负脉冲触发,即平时VI为高电平。稳态时,Vo3=0, Vo1=1,Vo=1。当负脉冲来时,Vo3跳变为1,Vo1跳变为0, VO跳变为0,电路进入暂态,电容C开始通过G1放电。
由于VO反馈到了输入端,所以即使这时负触发脉冲消 失了,在暂稳态期间vO3的高电平也将继续维持。直到 RC电路放电到Vc=VTH以后,VO才返回高电平,电路回 到稳态。可见这一电路可以实现窄脉冲触发。
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。
T
2
RF
C
ln
VOH VOH
VIK VTH
1.3RF C
10.4.2 非对称式多谐振荡器
分析图10.4.1所示的对称式多谐振荡器电路可知,只要静态 时保证了G1工作在电压传输特性的转折区,如果把G2直接接到 G1的输出端, G2便可得到一个介于高、低电平之间的静态偏 置电压,从而使G2 的静态工作点也处于电压传输特性的转折 区上。因此,可以把C1和RF2去掉,使电路进一步简化,就得 到了图10.4.6所示的非对称式多谐振荡器电路。
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
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:
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
3、暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参 数,与触发脉冲的宽度无关。
6.3.1门电路组成的单稳态触发器
一、微分型单稳态触发器
图为用CMOS门电路和RC微分电 路构成的微分型单稳态触发器。
(1)在稳态下 vi=0,vi2= VDD, 故vO=0, vO1= 1
CMOS门电路可 以近似认为; VOH=VDD、 VOL=0,Vth= (1/2 )VDD 。没有触发时,电路处于稳态,电容C上没有电压。
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。
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
窄脉冲输入的情况说明,当 输入脉冲窄于电路暂稳时间 时,电路输出将随输入脉冲 变,已失去了单稳态的意义。
另外,该电路与微分型单稳态触 发器相比存在的缺点是输出波形 的边沿比较差,这是因为该电路 没有正反馈作用。
改进的积分型单稳态触发器——窄脉冲触发的积分型单稳
Vo3
Vo1 R
VI G3
G1
C
G2 Vo
(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:
(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。
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10.2.3 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
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。
二、用于脉冲波形的整形 图10.2.8 用施密特触发器对脉冲整形
三、用于脉冲鉴幅 图10.2.9 用施密特触发器鉴别脉冲幅度
10.3单稳态触发器 (Monostable Multivibrator)
具有下述特点:1、电路有一个稳态、一个暂稳态; 2、在外来触发信号作用下,电路由稳态转到暂 稳态;经过一段时间后,电路会自动返回稳态。
图10.4.15 用施密特触 发器构成的多谐振荡器
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