数字电子技术 第10章 脉冲波形的产生电路

第10章

脉冲波形的产生与整形电路内容提要：

本章主要介绍多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器的电路结构、工作原理及其应用。它们的电路结构形式主要有三种：门电路外接RC电路、集成电路外接RC电路和555定时器外接RC电路。

10.1概述

导读:

在这一节中，你将学习：

⏹多谐振荡器的概念

⏹单稳态触发器的概念

⏹施密特触发器的概念

在数字系统中，经常需要各种宽度和幅值的矩形脉冲。如时钟脉冲、各种时序逻辑电路的输入或控制信号等。有些脉冲信号在传送过程中会受到干扰而使波形变坏，因此还需要整形。

获得矩形脉冲的方法通常有两种：一种是用脉冲产生电路直接产生，产生脉冲信号的电路称为振荡器；另一种是对已有的信号进行整形，然后将它变换成所需要的脉冲信号。

典型的矩形脉冲产生电路有双稳态触发电路、单稳态触发电路和多谐振荡电路三种类型。

（1）双稳态触发电路又称为触发器，它具有两个稳定状态，两个稳定状态之间的转换都需要在外加触发脉冲的作用下才能完成。

（2）单稳态触发电路又称为单稳态触发器。它只有一个稳定状态，另一个是暂时稳定状态（简称“暂稳态”），在外加触发信号作用下，可从稳定状态转换到暂稳态，暂稳态维持一段时间后，电路自动返回到稳态，暂稳态的持续时间取决于电路的参数。

（3）多谐振荡器能够自激产生连续矩形脉冲，它没有稳定状态，只有两个暂稳态。其状态转换不需要外加触发信号触发，而完全由电路自身完成。若对该输出波形进行数学分析，可得到许多各种不同频率的谐波，故称“多谐”。

脉冲整形电路能够将其它形状的信号，如正弦波、三角波和一些不规则的波形变换成矩形脉冲。施密特触发器就是常用的整形电路，它利用其著名的回差电压特性来实现。

自测练习

1．获得矩形脉冲的方法通常有两种：一种是（）；另一种是（）。

2．触发器有（）个稳定状态，分别是（）和（）。

3．单稳态触发器有（）个稳定状态。

4．多谐振荡器有（）个稳定状态。

10.2 多谐振荡器

导读:

在这一节中，你将学习：

⏹ 门电路构成多谐振荡器的工作原理 ⏹ 石英晶体多谐振荡器电路及其优点 ⏹ 秒脉冲信号产生电路的构成方法

多谐振荡器是一种无稳态电路，它不需外加触发信号，在电源接通后，就可自动产生一定频率和幅度的矩形波或方波。

10.2.1 门电路构成的多谐振荡器

利用门电路的传输延迟时间，将奇数个非门首尾相接就构成一个简单的多谐振荡器。如图10-1所示，它由三个非门首尾相连而成，这个电路没有稳定状态。从任何一个非门的输出端都可得到高、低电平交替出现的方波。该电路的输出波形如图10-2所示。

图10-1 奇数个非门构成的多谐振荡器

假设三个非门的传输延迟时间均为t pd ，在某一时刻输出u o 由低电平0跳变为高电平1

（如图中u o 波形的箭头所示），则G 1门、G 2门和G 3门将依次翻转，经过三级门的传输延迟时间3t pd 后，使输出u o 又由高电平1跳变为低电平0。如此循环跳变而形成矩形波。由图10-2可见，其振荡周期为6t pd 。这种简单的多谐振荡器周期小，频率高，且频率不易调整和不稳定，所以在实际电路中很少使用。

图10-2 图10-1电路的输出波形

u o u I

u u u o2 t t t

为了克服上述多谐振荡器的缺点，可在图10-1电路中引入RC 延迟环节，构成如图10-3所示电路。图中R s 为限流电阻，对G 3门起保护作用。由于R s 一般较小（100欧左右），u A 仍可看作为G 3门的输入电压。通常RC 电路产生的延迟时间远远大于门电路本身的传输延迟时间，所以分析时可以忽略t pd 。下面对该电路的工作原理进行简单的定性分析。

图10-3 带RC 延迟的多谐振荡器

设在t 0时刻，u I =u o 为低电平，则u o1为高电平，u o2为低电平。此时u o1经电容C 、电阻R 到u o2形成电容的充电回路。随着充电过程的进行，电容C 上的电压逐渐增大，A 点的电压相应减小，当接近门电路的阈值电压U TH 时，形成下述正反馈过程：

u A ↓→u o ↑→u o1↓

正反馈的结果，使电路在t 1时刻，u I =u o 变为高电平，则u o1为低电平，u o2为高电平。考虑到电容电压不能突变，在u o1由高电平变为低电平时，A 点电压出现下跳，其幅度与u o1的变化幅度相同。此时u o2经电阻R 、电容C 到u o1形成电容的放电回路。随着放电过程的进行，A 点的电压逐渐增大，当接近门电路的阈值电压时，形成下述正反馈过程：

u A ↑→u o ↓→u o1↑

正反馈的结果，使电路在t 2时刻，返回到u I =u o 为低电平，u o1为高电平，u o2为低电平的状态，同样考虑到电容电压不能突变，在u o1由低电平变为高电平时，A 点电压出现上跳，其幅度与u o1的变化幅度相同。此后，电路重复上述过程，周而复始地从一个暂稳态转换到另一个暂稳态，从而在G 3门的输出端得到连续的方波。该电路的工作波形如图10-4所示。

由上述分析可看出，多谐振荡器的两个暂稳态之间的转换过程是通过电容C 的充、放电作用来实现的。电容C 的充、放电作用又集中反映在图10-3中电压u A 的变化上，因此A 点电压的变化是决定电路工作状态的关键。

通过定量计算（在此略去计算过程）可得该电路的振荡周期为：

2ln(

)TH OH TH OH

TH OH TH

U U U U T RC U U U -+≈⋅- （10.1）

u I

图10-4 图10-3电路的工作波形

10.2.2 采用石英晶体的多谐振荡器

上述多谐振荡器的振荡周期或频率不仅与时间常数RC 有关，而且还取决于门电路的阈值

电压U TH 。由于U TH 本身易受温度、电源电压及干扰的影响，因此频率稳定性较差，不能适应频率稳定性要求较高的电路。

在对频率稳定性要求较高的电路中，通常采用频率稳定性很高的石英晶体振荡器。 石英晶体的选频特性非常好，具有一个极为稳定的串联谐振频率s f 。而s f 只由石英晶体的结晶方向和外尺寸所决定。目前，具有各种谐振频率的石英晶体（简称“晶振”）已被制成标准化和系列化的产品出售。

图10-5给出了两种常见的石英晶体振荡器电路。图10-5（a ）中，电阻R 的作用是使反相器工作在线性放大区，对于TTL 门电路，其值通常在0.5～2K Ω之间；对于CMOS 门电路，其值通常在5～100M Ω之间。电容C 用于两个反相器之间的耦合，电容C 的大小选择应使其在频率为s f 时的容抗可以忽略不计。该电路的振荡频率即为s f ，而与其它参数无关。 在图10-5（b ）中，反相器G 1用于振荡，10M Ω电阻为反相器G 1提供静态工作点。石英晶体和两个电容C 1、C 2构成了一个π型网络，用于完成选频功能。电路的振荡频率仅取决于石英晶体的谐振频率s f 。为了改善输出波形，增强带负载能力，通常在该振荡器的输出端再接一个反相器G 2。

石英晶体振荡器的突出优点是具有极高的频率稳定度，且工作频率范围非常宽，从几百赫兹到几百兆赫兹，多用于要求高精度时基的数字系统中。

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