内容发布更新时间 : 2024/5/18 10:07:18星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

第五章 脉冲波形的产生与整形

在数字系统中，常常需要各种边沿陡峭且对脉冲宽度、幅度有一定要求的脉冲信号，获取这些脉冲信号的方法通常有两种： 1. 利用脉冲振荡器直接产生；

2. 对已有的信号进行整形处理，使之符合系统要求；

5.1 多谐振荡器

多谐振荡器又称为无稳电路，在数学系统中常常用以产生矩形脉冲，作为时钟脉冲信号源。通常在f稳定性和准确性要求不高的场合，可以采用TTL或CMOS门电路构成的多谐振荡器，当对f稳定性要求高时，可在多谐振荡器电路中接入石英晶体，组成石英晶体振荡器。 5.1.1 环形振荡器

环形振荡器就是将奇数个与非门首尾相接利用门电路固有的传输时间而构成的震荡电路。

1. 最简单环形振荡器

图5-1（a）是三个反相器组成的最简单的环形振荡器，图5-1（b）为电路的工作波形图。

设每个门电路的传输延迟时间为tpd，由工作波形图容易分析出此电路的震荡周期为T=6tpd，显然，这种方法形成的环形振荡器的振荡频率为f=1/2ntpd(n=3,5,7…) 这种振荡器的优点是电路简单，缺点是门的tpd很小，TTL电路tpd一般为几十纳秒，COMS电路的tpd为100~200ns，所以振荡频率太高而且不可调节。 2. 带RC延迟电路的环形振荡器

在实际引用中多采用RC积分型环形振荡器，如图5-2所示，在电路中接入RC电路后，不仅增大了G2的传输延迟时间可以获得较低的振荡频率，而且通过改变R和C的数值，还可以容易的实现对频率的调节，其中Rs为限流电阻，作用是保护门的输入级。

当ui1跳变到高电平VH时，G1导通，ui2跳变到低电平Vl时，G2截止，uo2跳变到高电平VH，由于电容C两端的电压不能突变，ui3将随ui2跳变到低电平VL，G3截止。这是电路的一个暂稳状态，在此期间，uo2通过电阻R向电容C充电，使ui3的电位按指数规律上升，当ui3上升到阀值电压VTH时，G3导通，uo为低电平，ui1产生负跳变，G1截止，G2导通，电路翻转到另一暂稳态。电容C充电结束，并开始通过R和G2放电，ui3的电位按指数规律下降，当ui3下降到VTH时，G3截止，G2导通，G1截止，电路又转换到前暂稳态。

如此反复，电路就形成了振荡，在门G3的输出端就不断有矩形的脉冲波形输出，波形图如图5-3所示。

5.1.2 石英晶体多谐振荡器

在许多数字系统中，都要求时钟脉冲频率十分稳定，例如在数字钟表中，计数脉冲频率的稳定性，就直接决定了计时的精度。上面介绍的多谐振荡器中，由于其工作频率取决于电容C充、放电过程中，电压达到转换值的时间，因此稳定度不高。这是因为：

1. 转换电平易受温度变化和电源波动的影响；

2. 电路的工作方式易受干扰，从而使电路的状态转换提前或滞后；

3. 电路状态转换时，电容充、放电的过程已经比较缓慢，转换电平的微小变化或

干扰，对振荡周期影响比较大。

一般对振荡频率稳定度要求高的场合，都需要采用稳频措施，其中最常用的一

种方法，就是利用石英谐振器—简称石英晶体或晶体，构成石英晶体多谐振荡器。

1. 石英晶体的选频特性

石英晶体有两个谐振频率，当f=fs时，为串联谐振，石英晶体的电抗X=0,；当f=fp时，为并联谐振，石英晶体的电抗为无穷大。如图5-4所示为石英晶

体的电抗频率特性和符号。

由晶体本身的特性决定：fs=fp=fo(晶体的标称频率)。 石英晶体的选频特性极好，fo十分稳定。 2. 石英晶体多谐振荡器

1） 串联式振荡器

如图5-5所示为石英晶体串联式多谐振荡器。R1、R2的作用是使两个反相器在静态时都工作在转折区，成为具有很强放大能力的放大电路。对TTL门，常取R1=R2且范围为0.7~2千欧，若是COMS门则常取R1=R2且范围为10~100兆欧；C1=C2是耦合电容。

石英晶体工作在串联谐振频率f0下，只有频率为f0的信号才能通过，满足振荡条件。因此，电路的振荡频率为f0，与外接元件R、C无关，所以这种电路振荡频率饿稳定度很高。 2） 并联式振荡器

如图5-6所示为石英晶体并联式多谐振荡器。Rf是偏置电阻，保证在静

态时使G1工作在转折区，构成一个反相放大器。反相器G2在电路中起整形缓冲作用，同时G2还可以隔离负载对振荡电路工作的影响。 晶体工作在fs与fp之间，等效一电感，与C1、C2共同构成电容三点式振荡电路。电路的振荡频率f=f0。

5.2施密特触发器

凡是输出和输入信号电压如图5-8（b）所示的滞后电压传输特性电路称为秘密特触发器。其符号见图5-8（a）。 其特点是

当输入信号由小变大达到或超过正向阀值电平VT+时，电路输出由一种状态翻转到另一种状态：当输入信号由大到小达到或小于负向阈值电平VT-时，其输出有一种状态翻转到另一种状态。正向阈值电平与负向阈值电平的差称为回差电平。 1. CMOS集成施密特触发器 2. TTL集成施密特触发器

TTL施密特触发器与非门和缓冲器具有以下特点：

a. 输入信号边沿的变化即使非常缓慢，电路也能正常工作； b. 对于阈值电压和滞回电压均有温度补偿； c. 带负载能力和抗干扰能力都很强。

集成施密特触发器不仅可以做成单输入端反相缓冲器形式，还可以做成多输入端与非门形式，

如COMS四2输入与非门CC4093，TTL四2输入与非门74LS132和双4输入与非门74LS13等。 5.3单稳态触发器 单稳态具有以下特点：

1. 它有一个稳定状态和一个暂稳状态；

2. 在外来脉冲作用下，能由稳定状态翻转到暂稳状态； 3. 暂稳状态维持一段时间后，将激动返回稳定状态。

暂稳态时间的长短与触发脉冲无关，仅决定与电路本身的参数。单稳态触发器按定时原件的不同分为积分型和微分型两类，可由TTL或COMS门电路与RC电路构成。

但稳态触发器在数字系统和装置中，一般用于定时、整形以及延时等。 1. COMS或非门组成的微分型单稳态触发器

图5-13是由CMOS或非门组成的微分型单稳态触发电路，其中u1是外来触发信号输入端，G1G2是CMOS或非门。 1） 稳态

ui=0(无触发信号)，电源VDD通过R对C充电达到稳定值，故ui2=VDD,uo=0，因此uo1=VDD，电容两端电压接近0。 2） 外加触发信号，电路由稳态翻转为暂稳态

当触发正脉冲上升沿到来后，uo1由VH跳变为VL，并反馈到G1输入端。这时即使高电平撤销，uo1仍能维持输出低电平，但是该状态不能一直保持，所以称为暂稳态。

3） 由暂稳态自动恢复到稳态