電子技術(shù)（十一五國家規(guī)劃）第9章

第9章脈沖波形的產(chǎn)生和整形

內(nèi)容提要本章主要介紹3種脈沖波形的產(chǎn)生、變換與整形電路，即，施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器；著重介紹了由分立元件構(gòu)成，由門電路及555定時器構(gòu)成的各種電路的結(jié)構(gòu)、工作原理及其應(yīng)用。返回9.1施密特觸發(fā)器9.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器9.3多諧振蕩器

在數(shù)字系統(tǒng)中，常常要用到不同頻率的脈沖數(shù)字信號，如時鐘信號等。通常脈沖信號可以由兩種方式獲得，一種方法是通過施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等整形電路將已有的波形整形得到，另一種方法是由多諧振蕩器等脈沖產(chǎn)生電路得到。

9.1施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器能夠?qū)⒆兓浅＞徛妮斎朊}沖波形，整形為所需要的矩形脈沖信號，它在脈沖的產(chǎn)生和整形電路中有十分廣泛的用途。

9.1.1施密特觸發(fā)器的電路組成及工作原理1.施密特觸發(fā)器的電路組成如圖9.1（a）所示為由一個非門、兩個與非門和一個二極管組成的施密特觸發(fā)器電路。顯然，與門G1和G3構(gòu)成了一個基本RS觸發(fā)器。

圖9.1施密特觸發(fā)器（a）邏輯電路；（b）工作波形2．施密特觸發(fā)器的工作原理設(shè)輸入信號ui是三角波信號，如圖9.1（b）上方的波形所示。（1）當(dāng)ui=0時，=0.7V，即：=1，=0，則根據(jù)基本RS觸發(fā)器的功能原理可知，輸出uo為高電平，如圖9.1（b）下方的波形所示，這是第一種穩(wěn)態(tài)。（2）當(dāng)ui=UD=0.7V時，端電壓為1.4V，即：=1，=1，基本RS觸發(fā)器處于保持功能，這樣，輸出uo仍為高電平，電路仍維持在第一種穩(wěn)態(tài)。（3）若ui繼續(xù)上升到ui=1.4V時，由于非門的作用，=0，端電壓為2.1V，即：=1，RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出uo為低電平，這是第二種穩(wěn)態(tài)。之后ui再上升，電路狀態(tài)不變。（4）當(dāng)ui上升到最大值后下降時，若ui下降到1.4V之前，電路都將保持不變，=0，=1，若ui下降到低于1.4V，高于0.7V時，由于非門的作用，=1，端電位大于1.4V，即：=1，RS觸發(fā)器繼續(xù)保持原來狀態(tài)，電路仍維持在第二種穩(wěn)態(tài)不變。（5）ui繼續(xù)下降到ui=UD=0.7V時，則有：=1，=0，RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，uo為高電平，電路返回到第一種穩(wěn)態(tài)。如圖9.1（b）所示下方的波形就是其相應(yīng)的工作波形。

3．施密特觸發(fā)器的傳輸特性由施密特觸發(fā)器工作原理可以看到，當(dāng)ui在上升過程中，在上升至1.4V之前，輸出uo一直為高電平，電路維持在這種穩(wěn)態(tài)。當(dāng)上升到1.4V時，施密特觸發(fā)器才翻轉(zhuǎn)到第二種穩(wěn)態(tài)（低電位），并且一直保持到其下降到0.7V才重新翻轉(zhuǎn)到第一種穩(wěn)態(tài)。我們把1.4V稱為上限閾值電壓，把0.7V稱為下限閾值電壓，分別用UT+和UT-表示，并把兩次觸發(fā)電壓之差定義為回差電壓（滯后電壓），即：

UT=UT+-UT-。這樣，施密特觸發(fā)器的回差電壓為：UT=UT+-UT-=UT-(UT-UD)=UD=0.7V。通常情況，把這種特性稱為施密特觸發(fā)器的傳輸特性，它是施密特觸發(fā)器的固有特性。如圖9.2（a）所示的是施密特觸發(fā)器的傳輸特性曲線示意圖；圖9.2（b）是其邏輯符號。圖9.2施密特觸發(fā)器的傳輸特性和邏輯符號

（a）傳輸特性；（b）邏輯符號9.1.2施密特觸發(fā)器的應(yīng)用施密特觸發(fā)器的應(yīng)用很廣，主要有以下幾個方面的應(yīng)用。1．波形變換及整形利用施密特觸發(fā)器可以將正弦波、三角波等各種周期性的不規(guī)則輸入波形變換成為邊沿陡峭的矩形脈沖信號，如時鐘脈沖信號。如圖9.3（a）所示的是利用施密特觸發(fā)器將正弦信號轉(zhuǎn)換為矩形脈沖信號的工作波形示意圖。如圖9.3（b）所示的是將畸形的波形整形成為規(guī)則的矩形波的工作波形示意圖。其工作原理與前面介紹的由與非門組成的施密特觸發(fā)器的工作原理相似。圖9.3施密特觸發(fā)器的波形變換及整形（a）正弦信號轉(zhuǎn)換為矩形脈沖信號；（b）畸形波形整形矩形波2．脈沖幅度鑒別在信號的傳輸過程中，有時會受到噪聲信號的干擾，為達(dá)到去除噪聲信號的目的，使施密特觸發(fā)器的上限閾值電壓UT+等于規(guī)定的鑒幅電壓，只有大于UT+的電壓才能使電路翻轉(zhuǎn)，從而有相應(yīng)的低電平脈沖輸出，達(dá)到通過鑒別信號幅度大小而去除噪聲的目的。如圖9.4所示的是其工作波形示意圖。圖9.4施密特觸發(fā)器的脈沖幅度鑒別工作波形示意圖3．構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器利用施密特觸發(fā)器可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（如圖9.5所示）和多諧振蕩器（如圖9.6所示）。具體工作原理同學(xué)們在學(xué)完后續(xù)內(nèi)容后可自己分析。

圖9.5單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖9.6多諧振蕩器返回

9.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器9.2.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路組成及工作原理單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是具有一個穩(wěn)定狀態(tài)（穩(wěn)態(tài)）和一個暫穩(wěn)狀態(tài)的電路，在觸發(fā)信號沒加入之前，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)；在外加觸發(fā)脈沖作用下，電路轉(zhuǎn)換為一個只能暫時維持的狀態(tài)（暫態(tài)），經(jīng)過一定時間后，電路將自動返回到穩(wěn)態(tài)。1．單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路組成如圖9.7（a）所示的是由與非門組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，由于RC電路組成的是微分電路，故又稱微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。圖9.7單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

（a）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路；（b）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形2．單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理（1）沒有觸發(fā)信號時電路工作在穩(wěn)態(tài)。當(dāng)沒有觸發(fā)信號時，ui懸空，為高電平。因?yàn)镚2門的輸入端A經(jīng)電阻R接至地，UA為低電平，因此uo為高電平；G1門的兩個輸入均為1，其輸出uo1為低電平，電容C兩端的電壓接近為0。這是電路的穩(wěn)態(tài)，在觸發(fā)信號到來之前，電路一直處于這個狀態(tài)：uo1=0，uo=1。如圖9.7（b）所示的是其對應(yīng)的工作波形。（2）外加觸發(fā)信號使電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫態(tài)。當(dāng)負(fù)觸發(fā)脈沖ui到來時，G1門輸出uo1由0變?yōu)?。由于電容的耦合作用，uA也隨之跳變到高電平，使G2門的輸出uo變?yōu)?。但是電路的這種狀態(tài)是不能長久保持的，所以稱為暫態(tài)。暫態(tài)時，uo1=1，uo=0。（3）電容充電使電路由暫態(tài)自動返回到穩(wěn)態(tài)。在暫態(tài)期間，uo1經(jīng)R對C充電，隨著充電的進(jìn)行，C上的電荷逐漸增多，使充電電流變小，導(dǎo)致電阻R上的電壓逐步降低，當(dāng)降到閾值電壓UT時，uA也隨之跳變到低電平，uo=1，并反饋到G1，由于ui已經(jīng)變?yōu)楦唠娖?，所以G1又返回到穩(wěn)定的低電平輸出。這樣，使電路退出暫態(tài)而進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，此時uo1=0，uo=1。這個狀態(tài)將一直保持到下一個負(fù)脈沖ui到來。在上述的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，其輸出脈沖寬度：

tp≈0.7RC。除了采用如前所述的集成門電路來構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器之外，還可以采用555集成定時器來構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，555集成定時器是一種中規(guī)模集成電路，只要在外部配上適當(dāng)?shù)脑骷?，就可以方便地?gòu)成脈沖產(chǎn)生和整形電路。下面我們先介紹555集成定時器的電路組成和工作原理。1．555集成定時器的電路組成和基本功能（1）電路組成。如圖9.8所示的是555集成定時器電路，其中C1和C2構(gòu)成電壓比較器，G1和G2構(gòu)成基本RS觸發(fā)器，晶體管VT構(gòu)成開關(guān)，非門G3構(gòu)成輸出緩沖器，由3個5kΩ的電阻構(gòu)成分壓器，555集成定時器也由此命名；分別為電壓控制端、高電平觸發(fā)端、低電平觸發(fā)端和復(fù)位端。9.2.2由555集成定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖9.8555集成定時器電路UTHUoT××0低電平導(dǎo)通>2UCC/3>UCC/31低電平導(dǎo)通<2UCC/3>UCC/31不變不變×<UCC/31高電平截止（2）基本功能。555集成定時器的基本功能列于表9.1。表9.1555集成定時器的基本功能2．由555集成定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（1）電路組成。如圖9.9（a）所示的是用555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其中R，C是定時元件，ui是輸入觸發(fā)信號，下降沿有效，uo是輸出信號。

圖9.9555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（a）電路組成；（b）工作波形（2）工作原理。①沒有觸發(fā)信號時，即ui為高電平時，由如圖9.8所示的555定時器電路的工作原理可知，Q=0，=1，

uo為低電平，電路工作在穩(wěn)態(tài)。②接通UCC后瞬間，UCC通過R對C充電，當(dāng)uC上升到2UCC/3時，比較器C1輸出為0，將觸發(fā)器置0，uo=0。這時=1，放電管VT導(dǎo)通，C通過VT放電，電路保持穩(wěn)態(tài)。③當(dāng)ui下降沿到來時，因?yàn)閡i＜UCC/3，使C2=0，觸發(fā)器置1，uo又由0變?yōu)?，電路進(jìn)入暫態(tài)。由于此時=0，放電管VT截止，UCC經(jīng)R對C充電。雖然此時觸發(fā)脈沖已消失，比較器C2的輸出變?yōu)?，但充電繼續(xù)進(jìn)行，直到uc上升到2UCC/3時，比較器C1輸出為0，將觸發(fā)器置0，電路輸出uo=0，VT導(dǎo)通，C放電，電路恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

④恢復(fù)過程結(jié)束后，電路返回到穩(wěn)定狀態(tài)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又可以接收新的觸發(fā)信號。如圖9.9（b）所示的是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形，輸出脈沖寬度tp≈1.1RC。9.2.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不能自動地產(chǎn)生矩形脈沖，但卻可以把其他形狀的信號變換整形成為矩形波，同時也常用于延時和定時，用途很廣。1.整形單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能把不規(guī)則的波形變換成為幅度和寬度都相等的脈沖波形。如圖9.10所示的是輸入波形ui

經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器后輸出uo的波形，可用于整形。圖9.10單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用于整形2.延時和定時如圖9.11（a）所示，由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能產(chǎn)生一定脈寬tp的脈沖波形，所以，用此脈沖去控制與非門，那么只有在tp期間輸入A信號才有效，才有正常的輸出，顯然，這起到了延時和定時作用。如圖9.11（b）所示為工作波形。圖9.11單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用于延時和定時

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9.3多諧振蕩器多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，當(dāng)電路接好后，只要接通電源，在其相應(yīng)的輸出端就會輸出矩形脈沖。由于矩形脈沖中除了基波之外還含有高次諧波，故稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器的電路形式有很多。下面介紹由集成門電路和555定時器電路構(gòu)成的多諧振蕩器。

9.3.1多諧振蕩器的電路組成及工作原理1．電路組成如圖9.12（a）所示的是用3個非門和2個電阻構(gòu)成的多諧振蕩器，電路形成了一個閉環(huán)。其中R,C為定時元件，決定多諧振蕩器的振蕩周期和頻率；Rs具有限流作用。

2．工作原理（1）第一暫態(tài)及自動翻轉(zhuǎn)的工作過程。設(shè)接通電源后，輸出端uo為低電平，它直接送到輸入端ui1使ui2為高電平，這樣，一方面使uo2為低電平，另一方面通過C的耦合，使ui3為高電平，從而保證輸出uo為低電平。這是第一暫態(tài)，如圖9.12（b）所示。在這個暫穩(wěn)態(tài)期間，ui2（高電平）通過電阻R對電容C充電，使ui3逐漸下降。在t1時刻，ui3下降到門電路的閾值電壓UT，使uo（ui1）由0變?yōu)?，ui2由1變?yōu)?，uo2由0變?yōu)?。同樣由于電容電壓不能躍變，故ui3發(fā)生跳變，使uo保持為1。至此，第一個暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路進(jìn)入第二個暫穩(wěn)態(tài)。（2）第二暫態(tài)及其自動翻轉(zhuǎn)的工作過程。在第二暫態(tài)期間，uo2的高電位通過R,C對電容C反向充電為低電平，隨著放電的進(jìn)行，ui3逐漸升高。在t2時刻，ui3升高到UT，使uo（ui1）又由1變?yōu)?，第二個暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路返回到第一個暫穩(wěn)態(tài)，又開始重復(fù)前面的過程。在上述電路中，振蕩周期為：T≈2.2RC，顯然，通過調(diào)節(jié)R,C的數(shù)值，可以達(dá)到改變振蕩頻率的目的。通常電容C用于粗調(diào)，而電阻R用于細(xì)調(diào)。圖9.12多諧振蕩器9.3.2由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器

1.電路組成如圖9.13（a）所示的是用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，其中電阻R1和R2以及C作為振蕩器的定時元件，決定輸出矩形波正、負(fù)脈沖的寬度。圖9.13由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器（a）電路；（b）工作波形2.工作原理由555定時器（見圖9.8）構(gòu)成的多諧振蕩器的工作波形如圖9.13（b）所示。下面分析其具體工作原理。（1）第一暫態(tài)及自動翻轉(zhuǎn)的工作過程。接通電源前，電容C上無電荷，故接通電源的一瞬間，C來不及充電，使得uc=0，比較器C1的輸出為1，C2的輸出為0，基本RS觸發(fā)器Q=1，=0，uo為高電平，VT截止。這是電路的第一暫態(tài)。接通UCC后，UCC經(jīng)R1和R2對C充電。當(dāng)uc上升到2UCC/3時，比較器C1的輸出變?yōu)?，基本RS觸發(fā)器自動翻轉(zhuǎn)為Q=0，=1，uo為低電平，VT導(dǎo)通。uc從UCC/3充電上升到2UCC/3所需的時間，即第一個暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度tp1≈0.7(R1+R2)C。（2）第二暫態(tài)及其自動翻轉(zhuǎn)的工作過程。第一暫態(tài)翻轉(zhuǎn)后，電容C通過R2和VT放電，uc逐漸下降。當(dāng)uc下降到UCC/3時，比較器C2輸出跳變?yōu)?，基本RS觸發(fā)器立即翻轉(zhuǎn)到1狀態(tài)，Q=1，=0，uo又由0變?yōu)?，VT截止，返回到第一暫態(tài)。之后，UCC又經(jīng)R1和R2對C充電，如此重復(fù)上述過程，在輸出端uo產(chǎn)生了連續(xù)的矩形脈沖。第二個暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度tp2，即uC從2UCC/3放電下降到UCC/3所需的時間：tp2≈0.7R2C。這樣，電路的振蕩周期為：T=tp1+tp2≈0.7(R1+2R2)C，脈沖寬度與重復(fù)周期之比（占空比）為

9.3.3多