第9章

脈沖單元電路9.1脈沖信號9.2脈沖電路本章要求：1了解脈沖信號了解雙穩電路，單穩電路，多諧振蕩器了解脈沖電路的應用了解555電路(a)(b)(c)(d)(e)脈沖波形脈沖信號狹義地說，脈沖波形是指一種持續時間極短的電壓或電流波形；廣義上，凡不具有連續正弦波形狀的信號，幾乎都可以通稱為脈沖波形。trtfVmtwT0.9Vm0.5Vm0.1Vm圖9-1-2實際的矩形脈沖波形脈沖休止期脈寬周期上升時間(前沿)下降時間(后沿)脈沖電路

脈沖電路是用來產生和處理脈沖信號的電路。脈沖電路可以用分立晶體管、場效應管作為開關和RC或RL電路構成，也可以由集成門電路或集成運算放大器和RC充、放電電路構成。脈沖電路包括脈沖波形的產生、變換、整形等電路，如雙穩態觸發器、單穩態觸發器、自激多諧振蕩器、射極耦合雙穩態觸發器,及鋸齒波電路。集成門構成的脈沖單元電路9.2.1施密特觸發器9.2.2單穩態觸發器9.2.3多諧振蕩器施密特觸發器(雙穩態電路)雙穩態觸發器具有二個穩定狀態。只有在外界觸發脈沖作用下，才能從一個穩態翻轉為另一個穩態，如果沒有外部條件的變化,觸發器會一直保持不變。vIR111G1G2vOvOv'IR2圖兩級CMOS反相器

構成施密特觸發器１．用兩級CMOS反相器構成的施密特觸發器vOvIVT－VT+VGS(th)2VGS(th)R1R2施密特觸發器電壓傳輸特性從電壓傳輸特性上看,只有當輸入Vi變化以后,輸出V0才可能變化---雙穩態電路圖9-2-4CMOS集成施密特觸發器電路TP2TN1vITP1TN2TP3vO'●TN3VDDTP4TN5TP5TN6vO''vOVDDTP6施密特觸發器整形(a)緩沖輸出vIvO(b)1３．集成施密特觸發器圖中TP4、TP5及TN4、TN5構成兩個首尾相連的反相器，用來改善輸出波形(整形)；TP6和TN6組成輸出緩沖級，以提高電路的帶負載能力，同時起隔離作用。vItOvOtOVT－VT＋圖9-2-6用施密特觸發器實現波形變換４．施密特觸發器的應用(1)波形變換(將其它類型的波轉為矩形波)將輸入的正弦波、三角波、鋸齒波等變換成矩形波輸出。vItOvOtOVT－VT＋圖9-2-7用施密特觸發器實現波形整形(a)vItOvOtOVT－VT＋(b)vItOvOtOVT－VT＋(c)(2)脈沖整形(將變形的矩形波整回標準矩形波)當矩形脈沖經過傳輸后因以下原因發生畸變，可通過施密特觸發器的整形獲得滿意的矩形脈沖波形。圖9-2-8用施密特觸發器實現脈沖鑒幅vItOvOtOVT－VT＋(3)脈沖鑒幅(將大于某一幅度的波形挑出)只有當輸入脈沖信號的幅度大于施密特觸發器上限觸發電平時，在輸出端才產生輸出信號。9.2.2單穩態觸發器單穩態觸發器具有穩態和暫態兩個不同的工作狀態。在外界觸發脈沖作用下，能從穩態翻轉為暫穩態，維持一段時間后，電路又能自動地翻轉為穩態。暫穩態維持時間的長短取決于電路本身的參數，與外界觸發脈沖無關。１．集成門構成的單穩態觸發器根據維持暫態的RC定時電路的不同接法，單穩態觸發器可以分為微分型和積分型兩大類。(1)微分型單穩態觸發器(vI下降沿觸發單穩態)&&(a)G2G1Cv2RRivO1vO2v1vICi5100pF圖9-2-9微分型單穩態觸發器

及其工作波形反饋線輸入端微分電路微分型定時電路&&G2G1Cv2RRivO1vO2v1vICi5100pF圖9-2-9微分型單穩態觸發器

及其工作波形vIv1vO1vO2v2(b)0.3V0.3V1.4V3.6V0.3V3.6V0.3V1.4V-1.5V3.6V0.3Vtw反饋線(a)t2～

t3為穩定狀態。

觸發器處于穩定狀態（vO1=VOL，vO2=VOH）。0t1t2

當輸入端vI下跳變，v1產生一個負尖峰脈沖，vO1上跳至高電平，v2隨之跳變為高電平，使vO2為低電平，觸發器受觸發發生一次翻轉，進入暫穩態（vO1=VOH，vO2=VOL）。t3電容特性:電容上的電壓不能突變.暫穩態穩態Cv2RvO1圖9-2-10電容充電等效電路RO3.6Vi(b)t1～t2暫態過程。

觸發器進入暫穩態后，電容C充電，V2值呈指數下降，當下降到閾值電壓時，輸出vO2上跳至高電平，觸發器自動翻轉，回到初始穩定狀態。G1的輸出電阻

t1至t2的時間tW稱為暫態時間，其長短取決于RC的充電速度.暫態時間通常近似估計為單穩態電路在外界負脈沖作用下，進入暫穩態，然后在電路自身作用下，經過一個時間tw，能夠自動回到穩態。&&G2G1Cv2RvO1vO2vIvIvO1vO2v21.4Vtw(a)圖9-2-13積分型單穩態

觸發器及其工作波形0.3V3.6V3.6V0.3V3.6V0.3Vt1t2(b)(2)積分型單穩態觸發器(電阻在前)0

(a)t2～t3穩定狀態。輸入vI為低電平，兩個門的輸出均為高電平。電容C充電結束，觸發器處于穩定狀態。當t=t1時，vI上跳變，兩個門的狀態同時改變，觸發器翻轉一次，進入暫穩態。

(b)t1～t2暫穩定狀態。輸入vI為高電平，vO1,v02輸出均為低電平，電容C放電。當t=t2時，電壓v2下降至Vth，G2狀態發生翻轉，vO2上跳至高電平，觸發器狀態自動翻轉一次。t3

單穩態觸發器通用邏輯符號1圖9-2-17非可重觸發單穩

態觸發器波形vItOvOtOtWtWABCD２．集成單穩態觸發器集成單穩態觸發器分為非可重觸發和可重觸發兩種類型。

非可重觸發單穩態觸發器，是指在暫穩態定時時間tW之內，若有新的觸發脈沖輸入，電路不會產生任何響應。只有在電路返回到穩態后，電路才受輸入脈沖信號作用。輸出信號脈沖的寬度為tW。輸入脈沖暫穩態定時時間OtTR-twOTR+OvAOQttttwtwt1t2t3t4t5t6圖9-2-23CC14528可重觸發

單穩態工作波形tΔt7工作波形：可重觸發單穩態電路:在暫穩態定時時間tW之內，若有新的觸發脈沖輸入，電路隨時可進入暫穩態。輸出的脈寬是不定的。9.2.3多諧振蕩器多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源后，不需要外加觸發信號，能自動地產生矩形脈沖，優于矩形波形中含有豐富的高次諧波，故習慣稱為多諧振蕩器。它是常用的矩形脈沖產生電路。１．電容正反饋多諧振蕩器&G1CRd電容正反饋多諧振蕩器&G2abtw1t1t2t3tw2充電放電ΔV1.4V0.3V0.3V3.6Vvdvbva(a)(b)設某時刻d為低電平,a為高電平，G1關態，G2開態，電容C充電。這段時間稱為暫態Ⅱ。當vd上升至vd≥Vth時，G1由關態變為開態，G2由開態變為關態。以后電容C放電，vd電位逐漸下降，在vd下降至Vth之前，這段時間稱為暫態Ⅰ，即圖中t1～t2期間的波形。當vd下降至Vth時，G1由開態變為關態，G2由關態變為開態，電路又一次自動翻轉到暫態Ⅱ。以后不斷重復上述過程，從而形成周期振蕩，在輸出端獲得矩形波vb。

振蕩周期２．帶有RC定時電路的環形振蕩器&G2CR圖9-2-26帶RC電路的環形多諧

振蕩器及工作原理&G3vOt1t2t3tw2(a)(b)&G1RS●●●v3v2v1OvOtOv1tOv2tOv3tVmVmVtht4tw1

基本工作原理是利用電容C的充、放電過程，控制電壓v3，從而控制與非門的自動開閉。根據分析，可求得（忽略TTL門輸出電阻的影響）可見，通過調節電容C和電阻R可以調節振蕩器的頻率。&G2R圖9-2-28晶體穩頻的多諧振蕩器&G1R●&G3vO３．晶體穩頻的多諧振蕩器晶體穩頻多諧振蕩器是在耦合支路中串接了石英晶體構成的。石英晶體具有一個極其穩定的串聯諧振頻率fs，在該頻率的兩側，晶體的阻抗迅速增大。在反饋支路中串入石英晶體，振蕩器只有在頻率滿足fs的起振條件時才起振。振蕩的波形經過G3整形后即輸出矩形脈沖波。所以，多諧振蕩器的振蕩頻率決定于晶體的振蕩頻率，這就是晶體的穩頻作用。CRvOvC圖9-2-29施密特觸發器構成

的多諧振蕩器1vCtO(a)(b)tOvOtw1tw2４．由施密特觸發器構成的多諧振蕩器若采用CMOS施密特觸發器，則振蕩周期為9.3

555定時器及其應用9.3.1555定時器的電路結構9.3.2用555定時器構成施密特觸發器9.3.4用555定時器構成多諧振蕩器9.3.3用555定時器構成單穩態觸發器555定時器的作用是可以通過不同的接法，實現三種電路。+-+-&&1VCCRvCOvI1vI2vO'vO8456271TDG2G1G33R2VREF2VREF1●R1C2C1圖9-3-1555定時器電路結構9.3.1555定時器的電路結構電壓比較器，若v+>v-，則輸出為高電平，反之輸出為低電平?；居|發器置0端，低電平有效泄放三極管，為外接電容提供充、放電回路。輸出緩沖器，起整形和提高負載的作用。REF1，REF2為VCC(8)R(4)vco(5)vI1(6)vI2(2)v'O(7)vO圖9-3-2用555定時器構成施密特觸發器(1)(3)vIVCC用555定時器構成施密特雙穩觸發器vIOtvOOt圖9-3-3圖10-3-2所示電路工作波形由分析可知，該電路可以完成波形變換等功能，其上限觸發電平為下限觸發電平為回差為VCC(8)R(4)vco(5)vI1(6)vI2(2)v'O(7)vO圖9-3-4用555定時器構成單穩態觸發器(1)(3)vIVCCRC●用555定時器構成單穩態觸發器TD三極管的集電極輸出v'O(7)端通過電阻R接VCC，構成反相器。TD反相器輸出端v'O(7)接電容C到地，同時v'O(7)和vI1(6)端連接在一起，構成積分型單穩態觸發器。vCOtvOOt圖9-3-5單穩態觸發器工作波形vIOt

當vI下降沿到達時，vI=0，vC2輸出低電平，使得輸出vO為高電平。電路受觸發發生一次翻轉。

由于G1輸出低電平，使TD截止，VCC通過R對C充電，電路進入暫穩態。電容充電使得vC(vI1)電位上升。

當vC(vI1)≥(2/3)VCC時