第六章脉冲信号的产生与整形

第六章脉冲信号的产生与整形6.1概述6.2时基集成电路的结构和工作原理6.3施密特触发器6.4单稳态触发器6.5多谐振荡器内容提要本章限于介绍矩形脉冲波形的产生和整形电路。在脉冲整形电路中，介绍了最常用的两类整形电路-施密特触发器和单稳态触发器电路。在脉冲振荡电路中，介绍了多谐振荡器电路的几种常见形式-对称式和非对称式多谐振荡器、环形振荡器、施密特触发器构成的多谐振荡器、石英晶体震荡器以及压控振荡器。6.1概述数字电路中的信号都是脉冲信号，这种信号的产生、整形与变换电路的作用是产生各种不同脉宽和幅值的脉冲波形，或者对不同脉宽和幅值的脉冲波形进行整形和变换，或者完成连续模拟信号与脉冲信号之间的相互变换等。数字电路中使用脉冲信号大多是矩形脉冲波，矩形脉冲波波形的好坏，将直接影响数字电路的正常工作。矩形脉冲波的波形图如图6.1.1所示。为了描述矩形波的波形好坏，对矩形波定义了下列一些描述参数。图6.1.1描述矩形脉冲波的主要参数①脉冲幅值Vm：脉冲波形变化时电路幅值变化的最大值。②脉冲宽度tw：从脉冲波形的上升沿上升至0.5Vm开始，到下降沿下降至0.5Vm为止的时间间隔。③上升时间tr：在脉冲波的上升沿，从0.1Vm上升至0.9Vm所需要的时间。④下降时间tf：在脉冲波形的下降沿，从0.9Vm到0.lVm所需的时间。⑤脉冲周期T：在周期性重复的脉冲序列中，相邻两脉冲的时间间隔。⑥脉冲频率f：在周期性重复的脉冲序列中，单位时间内脉冲重复的次数，即f=1/T。⑦占空比D：脉冲波形的脉冲宽度tw与脉冲周期T之比，即D=tw/T。此外，在将脉冲整形或产生电路用于具体的数字系统时，有时还可能有一些特殊的要求，例如脉冲周期和幅度的稳定性等等。这时还需要增加一些相应的参数来说明。6.2时基集成电路的结构和工作原理6.2.1555时基电路的特点和封装555时基电路大量应用于电子控制、电子检测、仪器仪表、家用电器、音响报警、电子玩具等诸多方面。可用作振荡器、脉冲发生器、延时发生器、定时器、方波发生器、单稳态触发振荡器、双稳态多谐振荡器、自由多谐振荡器、锯齿波发生器、脉宽调制器、脉位调制器等等。555时基电路之所以得到这样广泛的应用，在于它具有如下几个特点：①555在电路结构上是由模拟电路和数字电路组合而成，它将模拟功能与逻辑功能兼容为一体，能够产生精确的时间延迟和振荡。它拓宽了模拟集成的应用范围。②该电路采用单电源。双极型555的电压范围为4.5V~15V；而CMOS型的电源适应范围更宽，为2V~18V。这样，它就可以和模拟运算放大器和TTL或CMOS数字电路共用一个电源。③555可独立构成一个定时电路，且定时精度高。④555的最大输出电流大达200mA,+带负载能力强。可直接驱动小电机、喇叭、继电器等负载。6.2.2555时基电路的工作原理一、双极型555时基电路的工作原理下图6.2.3是美国无线电公司生产的CA555时基电路的内部等效电路图。从上图中可看到，VT1~VT4、VT5、VT7组成上比较器A1，VT7的基极电位接在由三个5kΩ电阻组成的分压器的上端，电压为2/3Vcc;VT9~VT13组成下比较器A2，VT13的基极接分压器的下端，参考电位为1/3Vcc。在电路设计时，要求组成分压器的三个5kΩ电阻的阻值严格相等，以便给出比较精确的两个参考电位1/3Vcc和2/3Vcc。VT14~VT17与一个R10(4.7kΩ)的正反馈电阻组合成一个双稳态触发电路。VT18~VT21组成一个推挽式功率输出级，能输出约200mA的电流.VT8为复位放大级，VT6是一个能承受50mA以上电流的放电晶体三极管。双稳态触发电路的工作状态由比较器A1、A2的输出决定。555时基电路的工作过程如下：当2端加进电位低于1/3Vcc的触发信号时，则VT9、VT11导通，给VT14提供一偏流,使VT14饱和导通，它的饱和压降Vces钳制VT15的基极处于低电平，使VT15截止，VT17饱和导通，从而使VT18截止,VT19导通，VT20完全饱和导通，VT21截止。因此，输出端3端输出高电平。触发信号消失后，VT9、VT11截止，VT14因无偏流而截止，此时若6端无触发输入，则VT17的Vces饱和压降通过4.7kΩ电阻维持VT15截止,使VT17饱和稳态不变，故输出端3端仍维持高电平。同时，VT18的截止使VT6也截止。当触发信号加到6端时，且电位高于2/3Vcc时，则VT1、VT2、VT3皆导通。此时，若2脚无外加触发信号使VT9、VT14截止，则VT3的集电极电流供给VT15偏流，导致VT17截止，进而VT18导通，VT19、VT20都截止，VT21饱和导通,故3端输出低电平。当触发信号消失后，VT1、VT2、VT3皆截止，使VT15得不到偏流。此时，若2端仍无触发信号，则VT15维持饱和导通，VT17处于截止的稳态，使3端输出端维持在低电平状态。同时，VT18的导通，使放电级VT6饱和导通。总结：只要2端有触发信号加入，必使输出端3为高电平；而当6端有触发信号加进时，且同时2端电位高于1/3Vcc，3端有低电平输出。4端为复位端。当在该端加有触发信号，即其电位低于导通的饱和压降0.3V时，VT8导通，其发射极电位低于1V，因有VD3接入，VT17为截止状态，VT18、VT21饱和导通，输出端3为低电平。此时，不管2端、6端为何电位，均不能改变这种状态。因VT8的发射极通过VD3及VT17的发射极到地，故VT8的发射极电位任何情况下不会比1.4V电压高。因此，当复位端4端的电位高于1.4V时，VT8处于反偏状态而不起作用，也就是说，此时输出端3端的电平只取决于2端、6端的电位。555电路可简化为下图6.2.4所示的等效功能电路。显然555电路内含两个比较器A1和A2、一个触发器、一个驱动器和一个放电晶体管。从图6.2.4可见，三个5kΩ电阻构成的分压器，使内部的两个比较器构成一个电平触发器，上触发电平为2/3Vcc，下触发电平为1/3Vcc。在5端控制端外接一个参考电源Vcc，可以改变上、下触发电平值。加到比较器A1同相端6端的触发信号，只有当电位高于反相端5端的电位时，RS触发器才翻转；而加到比较器A2反相端2端的触发信号，只有当电位低于A2同相端的电位1/3Vcc时，RS触发器才翻转。通过上面对图6.2.3和图6.2.4的分析，可得出555各功能端的真值表，如下表6.2.1所示。由表6.2.1可看出，S、R、MR的输入不一定是逻辑电平，可以是模拟电平，因此，该集成电路兼有模拟和数字电路的特色。引脚2(S)2(R)2(MR)2(V0)2(Q)电平≤1/3Vcc*＞1.4V高电平悬空状态电平＞1/3Vcc≥2/3Vcc＞1.4V低电平低电平电平＞1/3Vcc＜2/3Vcc＞1.4V保持电平保持电平**＜0.3V低电平低电平二、CMOS型555时基电路的工作原理CMOS型555时基电路在大多数应用场合，都可以直接代换标准的双极型的555。它与所有CMOS型电路一样，具有输入阻抗高、功耗极小、电源适应范围宽等一系列优点，特别适用于低功耗、长延时等场合。但它的输出驱动能力较低，不能直接驱动要求较大的电流的电感性负载。图6.2.5是5G7556（ICM7556）的内部等效电路图。图6.2.55G7556CMOS时基电路内部等效电路图为简化电路，作为偏置用的电流源在图中用双圈表示。当阀值电位端R的电位高于的栅极电位2/3Vcc时，N1漏极电位下降，使P5管电流加大,与非门2输入为高电平“1”，经与非门1的正反馈作用，使与非门2的输入维持高电平“1”，经与非门3和P6后，输出端V0为低电平“0”。同理，当置位端S为低电位时，P4漏极电位升高，进而使N7电流加大，与非门2输入电位为“0”，并经与非门1正反馈维持与非门2输入为低电平，经与非门3后，使输出为低电平“0”。当MR为“0”电平时，输出V0为低电平“0”;在强制复位状态，不管P5和N7的栅极电位如何变化，电路的输出V0不发生改变。当MR回复为高电平“1”时，R和S的输入变化才继续影响电路的状态。通过前面的分析，可画出CMOS型555时基电路的等效功能方框图，如图6.2.6所示。图6.2.6CMOS型555等效功能方框图当上比较器A1的同相输入端R的电位高于反相输入端电位2/3Vcc时，A1输出为高电平，RS触发器翻转，输出端V0为逻辑“0”电平。即当VTH2/3Vcc时，V0为“0”电平，处于复位状态；而当置位触发端S的电位，即Vs≤1/3Vcc时，A2输出为“1”，RS触发器置位，输出端V0为“1”电平。可见，图6.2.6所示的功能框图相当于一个置位-复位触发器。CMOS型555/556的四种工作状态情况，与表6.2.1所示类同。6.2.3双极型555和CMOS型555的性能比较双极型555和CMOS型555的共同点：①二者的功能大体相同，外形和管脚排列一致，在大多数应用场合可直接替换。②均使用单一电源，适应电压范围大，可与TTL、HTL、CMOS型数字逻辑电路等共用电源。③555的输出为全电源电平，可与TTL、HTL、CMOS型等电路直接接口。④电源电压变化对振荡频率和定时精度的影响小。对定时精度的影响仅0.05％/V，且温度稳定性好，温度漂移不高于50ppm/oC。双极型555与CMOS型555的差异：①CMOS型555的功耗仅为双极型的几十分之一，静态电流仅为300µA左右，为微功耗电路.②CMOS型555的电源电压可低至2~3V；各输入功能端电流均为pA(微微安)量级。③CMOS型555的输出脉冲的上升沿和下降沿比双极型的要陡，转换时间短。④CMOS型555在传输过渡时间里产生的尖峰电流小，仅为2~3mA；而双极型555的尖峰电流高达300~400mA。⑤CMOS型555的输人阻抗比双极型的要高出几个数量级，高达1010Ω。⑥CMOS型555的驱动能力差，输出电流仅为1~3mA，而双极型的输出驱动电流可200mA.6.3施密特触发器施密特触发器是一种特殊的双稳态时序电路，与一般双稳态触发器比较，它具有两个明显的特点：1.施密特触发器，是一种优良的波形整形电路，只要输入信号电平达到触发电平，输出信号就会从一个稳态转变到另一个稳态。2.对正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阀值电平。这是施密特触发器的滞后特性或回差特性，提高了干扰能力。施密特触发器的逻辑符号和电压传输特性如图6.3.1(a)和(b)所示。实际上它是一个具有滞后特性的反相器。图中，VT+称为正向阈值电平或上限触发电平；VT-称为负向阈值电平或下限触发电平。它们之间的差值称为回差电压(滞后电压)，用△VT表示。即有△VT=VT+-VT-图6.3.1施密特触发器方框图和电压传输特性图6.3.1集成施密特触发器早期的施密特触发器是由分立元件构成的。如下图6.3.2所示。下面简单说明其工作原理：当触发器输入端不加输入信号，或者输入v1的电位较低时，只要使vBEl0.7V则VT1截止，其集电极输出vc1为高电平，通过电阻R1和R2分压，使VT2饱和，VT2集电极输出v0为低电平，这是一种稳定工作状态。当输入v1高于某一个电平时，只要使VT1饱和，vc1输出为低电平，通过R1和R2分压，使VT2截止，VT2集电极输出v0为高电平。这是另一种稳定工作状态。一、TTL集成施密特触发器74137413是带施密特触发器的双4输入与非门，其中每个与非门的电路结构如图6.3.3所示。由图可见，每个与非门由四部分构成。①二极管VD1～VD4和电阻R1构成与门输入级，实现与逻辑功能。VD5～VD8是阻尼二极管，防止负脉冲干扰。②VT1、VT2和R2～R4构成施密特触发器，VT1和VT2通过射极电阻R4耦合实现正反馈，加速状态转换。③VT3、VD9、R5、R6构成电平偏移级，其主要作用是在VT2饱和时，利用VBE3和VD9的电平偏移，保证VT4截止。④VT4、VT5、VT6、VD10和R7~R9，构成有推拉输出级结构，既实现逻辑非的功能，又增强其带负载的