脈衝信號的產生、交換、整形以及利用脈衝進行控製的電路稱為脈衝電路。數字電路中出現的信號都是脈衝信號。
常用的脈衝電路有雙穩態觸發器、單穩態觸發器、無穩態觸發器(多諧振蕩器)、施密特觸發器等。本章將分別介紹這些單元電路。
脈衝單元電路的組成,可以采用分立元件,也可采用集成門和集成運算放大器。集成門構成的脈衝電路,具有外加阻容元件少、結構簡單、頻率髙、輸出電平容易和其它同類門電路相配合等優點。集成運算放大器具有髙增益、輸入阻抗大,輸出阻抗小、失調小和溫漂小等一係列優點,因而集成運算放大器構成的脈衝電路其精度高、穩定性好。
脈衝電路在電子計算機、自動控製、多路通訊、測量技術等方麵被廣泛的應用。
第一節 衝參
一、脈衝信號
脈衝是指作用時間很短和具有突變部分的電壓或電流。脈衝信號的波形種類繁多,但常用的脈衝波形。
這些脈衝波形的共同點就是具有突變部分或變化很迅速的部分。山於脈衝信號波形的不同,用途也不同,如矩形波,常作為電子開關的控製信號,或用來產生尖脈衝;尖頂波,常作為觸發信號;鋸形波,可作為掃描信號;階梯波可作為測量晶體管特性曲線的控製信號等等。實際上脈衝波形遠不止以上幾種。
二、矩形脈衝的主要參數
列出的幾種脈衝波形都是理想的,實際波形總是和它們有所差別。如矩形波可能。
定量地描述矩形脈衝的特性,經常用下麵幾個主要參數。
(1)脈衝幅度脈衝信號變化的最大值。
(2)脈衝上升沿指脈衝信號從上升到0.9所需要的財間。
(3)脈衝下降沿指脈衝信號從0.91下降到0.1。所需要的時間。
(4)脈衝寬度從脈衝上升沿上升到0.5-7B開始,到脈衝下降沿下降到0.5為止,所需要的時間。
(5)脈衝周期:周期性重複的脈衝序列中,兩個相鄰脈衝的前沿(或後沿)之間的時間間隔。
脈衝頻率指每秒鍾脈衝波形出現的個數。它是脈衝周期的倒數。
利用這些量可大致表示一個矩形脈衝的基本特性。
第二節 RC微分電路和積分電路
在脈衝電路中,常常用組成的微分、積分電路來換脈衝波形。
一、RC微分電路
微分電路,是指在一定條件下,輸出電壓與輸入電壓的微分成正比的脈衝電路。
微分電路的作用,是把輸入的矩形脈衝(或方波)變換成尖脈衝。
是一個由RC串聯組成的,從電阻R兩端取輸出的微分電路及其波形。
若輸入電壓為方波,脈衝寬度為則隻有在的上升沿和下降沿時有輸出,且輸出是尖頂波,其波。
波形可以看到微分電路是把矩形波轉換為尖頂波的電路。
若上麵電路不滿足條件時,輸出和輸入的關係就不再是微分關係,輸入矩形波,輸出就不是尖頂波。當R、C較大時,輸出波形將和輸入波形相似,電路就為耦合電路了。
二、RC積分電路
積分電路,就是電路的輸出電壓與輸入電壓的積分成正比。
電路的作用:能將輸入的矩形脈衝變換成鋸齒波或三角波。能將矩形脈衝的上升沿和下降沿變換得變化緩慢些。
當電路不滿足條件時,則輸出電壓和輸入電壓的關係便不是積分關係。輸入為矩形波,輸出便不是三角波。當RC很小時,輸出電壓波形將和輸入電壓波形相似。
電路具有兩個輸入端,一個是信號輸入端、一個是控製端。在控製端加不同的電位時,便可控製二極管的導通與截止,從而決定輸入信號能否通過電位脈衝門。即利用控製端的電位來控製“門”的“開”和“關”。
綜上所述,盛一個電位脈衝門,當控製端信號為0時,門打開,能輸出一列負尖脈衝;當控製端信號為正電位時,且時,電位脈衝門關閉,無脈衝輸出。
第三節 分立元件組成的雙穩態觸發器
第十章中介紹的RS觸發器,都屬於雙穩態觸發器,它們都是由集成與非門組成。本節將介紹由分立元件組成的雙穩態觸發器。它們在數字儀表和晶體管繼電保護裝置中得到應用。
我們知道,雙穩態觸發器具有兩個穩定狀態,在無觸發信號作用時,電路將永遠保持原來的穩足狀態。在合適的外加觸發信號作用下,電路翻轉,並永遠保持翻轉後的另一穩定狀態。
—、基本電路的構成
分元件雙穩態觸發器是由兩個晶體管反相器組成。實際上,它是一個具有正反饋的兩級直接耦合的放大電路。它的習慣畫法,一般設計時,使電路對稱,兩個晶體管和要求特性盡樣。使用同一個正電源和負電源。
二、工作原理
1.無外加觸發信號時
電路處於某一穩態。不是飽和、截止,便是T1截止、T2飽和。所謂穩態,是指電路會長期保持在這種狀態,決不會自行改變。假定電路處於飽和、T2截止狀態,那末由於的飽和,由T1組成的反相器的輸入端左側)處在這樣低的電位(0.3V),必然會被反偏而截止。反過來,T1的截止必然會使這樣髙的電位又必然使左側反相器的了:處於飽和導通狀態。飽和為截止創造了條件,截止又為飽和創造了條件,兩個反相器交叉耦合後形成的正反饋,使電路處於—種穩態,並且無法自行改變狀態,隻能長期保持下去。
那末電路剛合閘通電時,會不會由於兩邊對稱,都同時逐漸進入飽和狀態呢?根據反相器的工作原理,我們知道不可能出現這種情況。通電的結果,一定是一個進入,另一個處於截止狀態。實際上電路不會完全對稱,通電後兩管電流一旦有差別,由於反饋,隻會使差別愈來愈大,直至一個管子飽和、另一個截止,並長期維持下去。比方說,剛合閘時增長得比較快些,則會引起下列正反饋過程:
2.外加觸發脈衝使電路翻轉為另一穩態
在電路處於某一穩壓後,在飽和管的基極上,輸入一個幅值足夠的負脈衝,如原來穩態為飽和、截止,就在管的基極上。於是“便下降,基極電流減小,產生下麵正反饋過程:
迅速截止,迅速飽和。使電路從原狀態(T1飽和,T1截止)翻轉為另一狀態截止,飽和)。隻要負脈衝的幅值足以使飽和管的電流減小到退出飽和,上述正反饋過程便產生,並且時間很短。在畫波形時,是不考慮翻轉過程的時間。翻轉後的狀態也是穩態,再無觸發脈衝輸入時,將永遠保持這個狀態。狀態的維持還是靠兩個管互相維持。因此,這種雙穩觸發器也具有記憶功能。這是區別於反相器的。
如果需要使觸發器恢複到原態,就必須在新的穩態的飽和管的雄極上加負脈衝。輸入的外加觸發脈衝,采用作用時間很短的尖頂脈衝就可以了。