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1、7.1 脉冲波形发生器及整形电路7.1.1 施密特触发器 施密特触发器(Schmitt Trigger)是一种经常使用的脉冲波形变换电路。它具有两个重要的特性： 施密特触发器是一种电平触发器，它能将变化缓慢的信号(如正弦波、三角波及各种周期性的不规则波形)变换为边沿陡峭的矩形波；输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的触发转换电平(阀值电平)，与输入信号从高电平下降的过程中对应的触发转换电平是不同的，即电路具有回差特性。由于施密特触发器的广泛应用，所以无论是在 TTL 还是 CMOS 电路中，都有集成施密特触发器产品。下面以典型的 TTL 集成施密特触发器 SN7413 为例，分析施
2、密特触发器。1电路结构及工作原理 (1)电路结构典型的 TTL 集成施密特触发器 SN7413 的逻辑电路如 图 7-1-l(a)所示，图 7-1-1(b)为逻辑符号图。该电路由四部分组成：输入级 由二极管与门电路构成，可完成对输入信号逻辑与的功能。施密特电路 由 VTl 和 VT2 管构成的射极耦合触发电路。倒相放大级 由 VT3、 VD5、VT4 管构成，完成电平的偏移和倒相。输出级由 VT5 和 VT6 构成推拉输出级。图 7-1-1 SN7413 集成施密特触发器电路的输入级附加了与逻辑功能：在电路的输出级附加了反相的逻辑功能，所以它又称施密特触发器与非门。 (2)电路的工作原理 从电
3、路的组成可以看出，整个电路的核心部分是由 VTl、VT2、R2、R3 和 R4 组成的施密电路，设电路的输入电压为三角波，如 图 7-l-2(a)所示。其工作原理如下： 当输入电压 Ui 为低电平时，电路中 Pl 点为低电平，VTl 管截止，VT2 管饱和导通，VT2 管的发射极电流在电阻 R4 上的电压 UR4Ie2R4，即为 P2 点的电压，VT2 管的集电极电压Uc2(Uces2 十 Ie2R4)使 VT3、VT4、和 VT 6 管均截止，电路的输出 Uo 为高电平。当输入电压 Ui 由低电平逐渐上升，并使 VTl 管的 Ubel0.7V 时，VT1 管转为导通。电路发生如下所示的正反馈
4、链锁反应过程Ui Up1 ic1 Uc1 ic2 Up2 Ub1 |_|导致电路迅速翻转到 VTl 管导通，VT2 管截止的状态。 此时，流过 R3 的电流使 VT2 管饱和导通，ie2 在 R6 上的压降足以使 VT4、VT6 管饱和导通。所以此时电路的输出电压为低电平。由以上分析可知，电路的上限触发阀值电平为 Ie2 R4若输入电压继续土升，电路的状态不会改变，输出电压仍为低电平。输入电压 Ui 达最高值后开始下降，当下降到 Ui=UT(+)，时，电路的状态仍保持不变，这是因为此时 VTl管饱和导通, VT2 截止的状态，使电路依旧处于输出为低电平的状态。当输入电压飘继续下降到 UiUT(
5、-) =Ie1 R4 时，电路又发生另一个正反馈链锁反应过程：Ui Up1 ic1 Uc1 ic2 Up2 Ub1 |_|导致电路迅速返回到 VTl 管截止，VT2 管导通的状态，电路的输出电压 U。由低电平跃跳到高电平。若 Ui 继续下降，电路仍然保持在这种状态。(3)电路的滞后特性 电路的滞后特性又称为回差特性。由上述分析可知，输入电压 Ui 在上升和下降过程中，电路发生状态转换的阀值电平的值是不同的，则称电路有滞后电压传输特性，如图 7-l-2(b)所示，其滞后电压为UTU T(十) 一 UT()I e2R4一 Ie1 R4此关系曲线就是施密特触发器的电压传输特性，施密特触发器的状态转换
6、要由输入信号来触发，同时输出的高、低电平也依赖输入信号的高、低电平来维持：有时也用图 7-1-2(c)表示施密特触发器的逻辑符号。2施密特触发器的应用 (1)用于波形变换施密特触发器能将正弦波、三角波及各种周期性的不规则波形变换为边沿陡峭的矩形 脉冲输出。图 7-1-3 所示, 就是将由直流分量和三角波叠加的信号，经施密特触发器变换成同频率的矩形脉冲信号的例子。(2)用于脉冲整形若施密特触发器的输入信号是一种在脉冲的顶部和前后沿均受到严重干扰、发生畸变的电路的抗干扰能力，收到满意的整形效果。(3)用于脉冲信号的鉴幅当施密特触发器的输入信号是一串幅度不等的脉冲时，可通过调整电路的 UT(+)，和
7、 UT(-)，使只有当输入信号的幅度超过 UT(+)的脉冲时才能使施密特触发器的状态翻转，从而得到所需的矩形脉冲信号。施密特触发器能将幅度大于 UT(+)的脉冲选出，具有脉冲鉴幅的能力。施密特触发器用于脉冲幅度鉴别；7.1.2 单稳态触发器 单稳态触发器的工作特性如下电路有一个稳定状态和一个暂稳状态。在外加触发信号的作用下，电路才能从稳定状态翻转到暂稳态。暂稳态维持一段时间后，电路将自动返回到稳定状态。暂稳态的持续时间与外加触发信号无关，仅取决于电路本身的参数。集成单稳态触发器作为一个标准器件，将元、器件集成于同一芯片上，并且在电路上采取了温漂补偿措施，所以电路的稳定度高。器件内部通常附加上升
8、沿和下降沿的控制和置零等功能，同时可对外接电阻和电容进行调节，使用非常方便。常用的集成单稳态触发器，TTL 型有 SN74121，CMOS 型有 CC4098 和 CCl4528 等产品。下面我们以 TTL 集成单稳态触发器 SN74121 为例，分析单稳态触发器。1电路结构及工作原理 (1)电路结构 典型的集成 TTL 单稳态触发器，TTL 74121 的逻辑电路如 图 7-1-6 所示。电路由四部分组成： 触发输入 由 G1 和 G2 组成的电路用于实现上升沿触发或下降沿触发的控制。 窄脉冲形成 G3 和 G4 组成的 RS 触发展是一个触发窄脉冲形成电路。 基本单稳态触发器 由 G5、G
9、6、G7 和外接电阻 RexT(或内部的定时电阻 Rint)、外接电容 CexT组成。 输出级 由 G8 和 G9 组成的电路用于提高电路的带负载能力。脉冲的宽度由定时电路的元件决定，定时电路的元件是外接的。定时电容连接在芯片的 10 和 11 引脚之间。定时电阻有两种选择方式：利用芯片内部的定时电阻 Rint，(Rint 的阻值不能太大，约为 2k)。此时，芯片的9 号引脚应连接到电源 Ucc 端(14 号引脚)。利用外接电阻(阻值应在 1.440k 之间)，此电阻应接在 11 号和 14 号引脚之间，9号引脚应悬空。 (2)电路工作原理 ：电路的稳定状态 当没有触发信号输入时，电路处于稳定
10、状态。故电路的输出 Q0。 电路经触发翻转到暂稳态SN74121 集成单稳态触发器有 3 个触发输入端(A1、A2 和 B)，只要有如下两种触发方式，电路均可由稳定状态翻转到暂稳状态。Al 和 A2 有 1 个(或两个)为低电平，B 产生 0 到 1 的正跳变。A 和 B 均为高电平，A 中有 1 个(或两个)产生 1 到 0 的负跳变。电路经触发，芯片内的基本单稳态触发器由稳定态翻转到暂稳态(即 Q 由 Ol) 1，而由 10) 。由此可见，芯片内的 RS 触发器是一个触发窄脉冲形成电路。Q 电路自动返回到初始稳态电路经触发进入暂稳态后，外接定时电容 CexT充电，经 0.7RexT Cex
11、T时间后，电路自动返回到初始稳定状态(Q0)。SN74121 集成单稳态触发器的功能如 表 7-l-1 所示. 2.单稳态触发器应用 单稳态触发器是数字系统中最常用的单元电路，常用于以下几方面；(1)脉冲展宽由 SN7412l 集成单稳态触发器构成的脉冲展宽电路如 图 7-l-7(a)所示，图 7-1-7(b)为其工作波形。 由图可见，触发输入端 AlA20，在触发输入端 B 加一个正向窄脉冲 Ui，在电路的输出端 Q 就可得到一个宽脉冲。其简要工作过程是：当 Ui 由 0 跳变到 l 时，单稳态电路被触发进入暂稳态，经 07RextCext 时间后，电路将自动返回到初始稳定状态。输出端 Q
12、输出一个脉宽可由外接元件 Rext、Cext 调节的脉冲信号，其脉冲宽度为： ”tw =0.7 RexT CexT (2)脉冲延迟由 CC4098 单稳态触发器构成的脉冲延迟电路如 图 7-l-8(a)所示，其工作波形如图 7-l-8(b)所示。CC4098 有两组独立的单稳态触发器，每组触发器有两个触发输入端，上升沿触发输入端 A 和下降沿触发输入端 B，R 端为清 0 端。当输入脉冲 Ui 家道单稳态触发器的上升沿触发输入端 A，在 Ql 端得到一个展宽的正向脉冲，脉冲宽度为 tw1， ，在 twl 下降沿(B)又触发另一个单稳态触发器，在 Q2 端输出一个脉宽为 tw2 的正向脉冲，该电
13、路对输入脉冲认的延迟时间为：tw1 十 tw2 二 0.7Rextl CexTl 十 0.7RexT2 CexT2可通过调节外接电阻和电容的值来调节延迟时间。 (3)脉宽鉴别由 SN74121 集成单稳态触发器构成的脉宽鉴别电路(俗称噪声消除电路)如 图 7-l-9(a)所示。 输入信号 Ut 加到单稳态触发器输入端 B、D 触发器的数据端和置“0”端。调节外接定时元件 RexT和 CexT，使单稳态触发器的输出脉冲宽度略大于噪声脉冲的宽度而小于信号脉冲的宽度。当带有噪声的输入信号认的上升沿触发单稳态触发器时，在其输出端输出一个脉宽大于噪声脉冲宽度而小于信号脉冲宽度的负脉冲，作为 D、触发器的
14、时钟信号。这样，当 Q 上升沿来到时，若有信号输入，D 触发输出端 Uo1，当信号消失，D 触发器被置 0(即 Uo0)。 若信号中含有噪声尖脉冲，其尖脉冲上升沿触发单稳电路。由于单稳态触发器产生的输出脉冲的宽度大于噪声脉冲宽度，所以当单稳电路 端输出上Q升沿时，噪声脉冲消失，从而消除了信号中的噪声成分，其工作波形如图 7-l-9(b)所示。图 7-1-9 单稳态噪声消除电路。单稳态触发器还可用于构成定时电路、方波产生电路等等。7.1.3 多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器，没有稳定状态，不需要外加触发信号，只要接通电源就能自动产生矩形脉冲信号。由于矩形波含有丰富的谐波分量，所以习惯上称这种
15、自激振荡器为多谐振荡器。下面扼要介绍多谐振荡器的工作原理。1环形振荡器最简单的环形振荡器是利用门电路的传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接而构成的，从任何一个门的输出端都可得到高、低电平交替出现的方波。 图 7-l-10(a)所示的电路是由 3 个反相器组成的环形振荡器，图 7-1-10(b)所示是该电路的工作波形图。 设 3 个反相器的特性完全一致，传输延迟时间均为 tpd。假定由于某种原因 G1 由高电平跳变为低电平，经过 Gl 门的传输延迟时间 tpd后，Ui2 由低电平跳变为高电平，再经过G2 门的传输延迟时间 tpd 后，Uis 由高电平跳变为低电平，经过 G3 门的传输延迟时间 tpd后，输出 Uo 由低电平跳变为高电平，同时输入 Gl 也自动由低电平跳变为高电平。门Gl、G2、G3 将依次翻转，经过 3tpd 的时间以后，输出比由高电平跳变为低电平，同时输入 Gl 也自动由高电平跳变为低电平。再经过 3tpd 以后，输入 Gl 又自动由高电平跳变为低电平，周而复始，产生了自激振荡，形成矩形波形。由图 7-1-10(b)可见，其振荡周期了6tpd。门电路的传输延迟时间很短，TTL 电路只有几十纳秒，CMOS 电路也不过一二百纳秒，所以使用环形振荡器获得低一些的振
