数字电路设计第7章 脉冲电路及整形电路

1、第第七七章章 脉冲波形的产生和整形电路脉冲波形的产生和整形电路一、本章内容一、本章内容7.1 概述概述7.2 555定时器定时器7.3 施密特触发器施密特触发器 7.4 单稳态触发单稳态触发器器 7.5 多谐振荡器多谐振荡器7.6 用用Multisim 分析分析555定时器的应用电路定时器的应用电路1.概述 在电子技术中，脉冲信号是一个按一定电压幅度，一定时间间隔连续发出的脉冲信号。脉冲信号之间的时间间隔称为周期；而将在单位时间（如1秒）内所产生的脉冲个数称为频率。频率是描述周期性循环信号（包括脉冲信号）在单位时间内所出现的脉冲数量多少的计量名称；频率的标准计量单位是Hz（赫兹）。 脉冲的原意

2、被延伸出来即隔一段相同的时间发出的波等机械形式，学术上把脉冲定义为在短时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量称之为脉冲。 （1）脉冲周期T：周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔。有时也用频率 表示单位时间内脉冲重复的次数。（2）脉冲幅度Um：脉冲电压的最大变化幅度。（3）脉冲宽度 ：从脉冲的前沿上升到0.5Um处开始，到脉冲后沿下降到0.5Um为止的一段时间。（4）上升时间 ：脉冲的上升沿从0.1Um上升到0.9Um所需要的时间。（5）下升时间 ：脉冲的下降沿从0.9Um下降到0.1Um所需要的时间。（6）占空比 ：脉冲宽度与脉冲周期的比值。1.矩形脉冲的基本特性 脉冲有各种

3、各样的用途，有对电路起开关作用的控制脉冲，有起统帅全局作用的时钟脉冲，有做计数用的计数脉冲，有起触发启动作用的触发脉冲等等。这些脉冲波形的获取，通常采用两种方法：一种是利用脉冲信号产生器直接产生；另一种则是对已有信号进行整形，使之满足系统的要求。 脉冲电路是专门用来产生电脉冲和对电脉冲进行放大、变换和整形的电路。家用电器中的定时器、报警器、电子开关、电子钟表、电子玩具以及电子医疗器具等，都要用到脉冲电路。2.脉冲电路2 .555定时器组成部分：基本RS触发器、电压比较器、分压器、放电三极管 TD、输出缓冲器 G4。比较器比较器基本基本RS触发器触发器输出缓输出缓冲器冲器OC输出的三极管输出的三

4、极管DRCC13VCC23VCC13VCC23V输 入输 出00导通10导通1不变不变11截止11截止I1uI2uOuDTCC13VCC23VCC13VCC23V555定时器功能表3 施密特触发器施密特触发器 施密特触发器是一种常用的脉冲波形整形电路，能够施密特触发器是一种常用的脉冲波形整形电路，能够将边沿变化缓慢的脉冲信号波形整形为边沿陡峭的矩形波。将边沿变化缓慢的脉冲信号波形整形为边沿陡峭的矩形波。它具有如下两个特点：它具有如下两个特点： 一是滞回特性，一是滞回特性，即对于正向和负向变化的输入信号，分即对于正向和负向变化的输入信号，分别有不同的临界阈值电压。别有不同的临界阈值电压。 二是电

5、平触发，二是电平触发，即当输入信号达到一定的电压值时，输即当输入信号达到一定的电压值时，输出电压会发生突变。这一特点对于缓慢变化的信号仍然适用。出电压会发生突变。这一特点对于缓慢变化的信号仍然适用。因此施密特触发器是一种受输入信号电平直接控制的双稳态因此施密特触发器是一种受输入信号电平直接控制的双稳态电路。电路。VT 1VTuo0ui传输特性逻辑符号在此，称在此，称VT+为正向阈值电压为正向阈值电压，VT为负向阈值电为负向阈值电压压。显然，施密特触发器的正向和负向阈值电压。显然，施密特触发器的正向和负向阈值电压是不等的，定义二者之差是不等的，定义二者之差VT为回差电压，即为回差电压，即VT=

6、VT+VT。1.门电路构成的施密特触发器门电路构成的施密特触发器1）电路结构）电路结构假定图中假定图中CMOS反相器的阈值电压为反相器的阈值电压为VTH 1/2VDD，设电阻，设电阻R1R2。 图 CMOS反相器构成的施密特触发器2）工作原理）工作原理当输入当输入UI为为0V时，时，G1截止、截止、G2导通，输出导通，输出UO为为0V， 0 。当输入电压当输入电压UI逐渐上升到逐渐上升到 =VTH时，时，G1进入电压特性的转折进入电压特性的转折区，所以电路将发生如下正反馈：区，所以电路将发生如下正反馈： UO1UO 使电路迅使电路迅速跳变到速跳变到 UO=VOH VDD。由此可求出上升过程中电

7、路发生转换时的输入电平由此可求出上升过程中电路发生转换时的输入电平VT+ 。T212I212THIVRRRURRRVUTH21TH221T)VRR(1VRRRVIU 当UI从高电平下降时， 也下降；当UI下降使 趋于G1门的阈值电压VTH时，G1门和G2门又处在要翻转的边缘；当UI下降使 =VTH时，UO1=UOH，UO=UOL0。由此可求出此电路在UI下降过程中的负向阈值电压VT。 212TDDDDTHIRRR)V(VVVUDD21TH221TVRRVRRRVTH21T)VRR(1VVTVT+-VTTH21VRR23）电压传输特性图 同相输出施密特触发器的电压传输特性和逻辑符号图 反相输出施

8、密特触发器的电压传输特性和逻辑符号滞回特性提高了施密特触发器的抗干扰能力2.用555定时器构成施密特触发器 将阈值输入端UTH和触发输入端UTR连接在一起，作为信号输 入端，就可以构成施密特触发器。(a)电路图 (b)简化电路图图 555定时器构成的施密特触发器ICC13uV时，比较器C1的输出uC1=1，C2的输出uC2=0，基本RS触发器置1，输出uO为高电平。 电路的电压传输特性曲线当CCICC1233VuV当当时，比较器C1和C2的输出均为1，基本RS触发器保持原状态不变，输出uO维持高电平不变ICC23uV时，比较器C1输出为0，C2的输出为1，基本RS触发器置0，输出uO为低电平

9、如果uI从高于CC23V的电压逐渐下降，当CCICC1233VuV时，比较器C1 和C2的输出均为1，基本RS触发器保持原状态不变，输出uO仍为低电平。当uI下降到ICC13uV时，比较器C1输出为1，C2的输出为0，基本RS触发器置1，输出uO为高电平。所以施密特触发器的回差电压为：TTTCCCCCC211333UUUVVV电路的工作波形施密特触发器的输出电平是由输入信号电平决定的。 “触发”的含义是指当uI由低电平上升到UT+、或由高电平下降到UT-时，会引起电路内部的正反馈过程，从而使uO发生跳变。施密特触发器的应用1.用于波形的变换利用施密特触发器的回差特性，可以将正弦波、三角波等一些

10、缓慢变化的周期性非矩形脉冲波变换成边沿陡峭的矩形脉冲波。如图所示图 施密特触发器应用于波形变换2.用于波形的整形在数字系统中，矩形波经过传输后，波形往往会发生畸变。当传输线上电容较大时，矩形波的上升沿和下降沿都会明显地被延缓，如图（a）所示。当传输线较长，且接收端的阻抗与传输线的阻抗不匹配，则在波形上升沿和下降沿会产生阻尼振荡，如图（b）所示。当其它脉冲波通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲波上，则波形上将出现附加的噪声，如图（c）所示。3.用于脉冲鉴幅 施密特触发器的输出状态与输入信号的幅值有关。根据这一特点，可将施密特触发器作为幅度鉴别电路。例如，在施密特触发器的输入端输入一系列

11、幅度不等的矩形脉冲，根据施密特触发器的特点，只有那些幅度大于 的脉冲才能使施密特触发器翻转，才会在输出端产生输出信号；而对于幅度小于 的脉冲，施密特触发器不发生翻转，输出端没有输出信号。因此，施密特触发器能将幅度大于 的脉冲选出来，达到幅度鉴别的目的。如图所示。 4.单稳态触发器单稳态触发器 施密特触发器是双稳态电路，有施密特触发器是双稳态电路，有0、1两个稳态，状态改变两个稳态，状态改变受外加信号控制。而单稳态触发器是单稳态电路，有一个稳态受外加信号控制。而单稳态触发器是单稳态电路，有一个稳态（0态或态或1态）和一个暂稳态，在外加输入信号的作用下电路由态）和一个暂稳态，在外加输入信号的作用下

12、电路由稳态翻转到暂稳态，保持一段时间后又自动返回原来的稳态。稳态翻转到暂稳态，保持一段时间后又自动返回原来的稳态。单稳态触发器的输出通常为宽度恒定的脉冲信号，而暂稳态的单稳态触发器的输出通常为宽度恒定的脉冲信号，而暂稳态的时间仅取决于电路自身的相关参数。时间仅取决于电路自身的相关参数。1 .门电路构成的单稳态触发器门电路构成的单稳态触发器1）电路结构）电路结构微分型单稳态触发器 2） 工作原理工作原理 此电路用负脉冲触发无效，只有在正的窄脉冲触发时，电路才有响应。此电路用负脉冲触发无效，只有在正的窄脉冲触发时，电路才有响应。接通电源接通电源VDD，不触发时，不触发时，UI=0，而，而UI2=V

13、DD=1，所以，所以UO=0。故有自然稳态：。故有自然稳态：UO=0。此时此时 =0，UO1=1VDD 。自然稳态时，电容。自然稳态时，电容C两端均为两端均为VDD ，C中无电荷。中无电荷。C中无中无电荷，是稳态的标志电荷，是稳态的标志。触发时，触发时，UI=1，UO1=0，由于电容，由于电容C两端的电压在触发瞬间不能突变，所以两端的电压在触发瞬间不能突变，所以UI2=0，使使UO=1。故有暂态。故有暂态UO=1。接下来，电容接下来，电容C充电，充电回路为充电，充电回路为VDDRCUO1 ，充电使，充电使UI2升高。当升高。当UI2升高升高到到G2门的阈值电压门的阈值电压VTH时，时，UO突跳

14、为突跳为0，电路返回到自然稳态：，电路返回到自然稳态：UO=0。当当UO=0时，时， =0，UI=0（UI为窄脉冲，触发高电平此时已经消逝），为窄脉冲，触发高电平此时已经消逝），所以所以UO1从从“0”突跳为突跳为“1”（即上升了（即上升了VDD）；由于电容）；由于电容C两端的电压两端的电压瞬间不能突变，所以瞬间不能突变，所以UI2也应该从也应该从VTH突跳为突跳为VTH+VDD，但实际上由于，但实际上由于G2门输入端有钳位二极管，所以门输入端有钳位二极管，所以UI2实为实为VDD0.7V。接下来，电容接下来，电容C开始放电，放电回路有两条，分别为开始放电，放电回路有两条，分别为UI2RVDD

15、和和UI2G2VDD ，放电使，放电使UI2下降，当下降，当UI2下降到等于下降到等于VDD时（此时，时（此时，C两端均两端均为为VDD，C中无电荷），电路稳定，保证中无电荷），电路稳定，保证UO=0。微分型单稳态触发器的工作波形主要参数估算：（1）输出脉冲宽度tW：DDWDDTH0lnln20.69VtRCRCRCVU（2）输出脉冲幅度Um：mOHOLDDUUUV（3）恢复时间tre：re3 5tRC（4）分辨时间TddWreTttmi nWr eTtt（5）最高工作频率：maxminWre11fTtt 555定时器构成的单稳态触发器定时器构成的单稳态触发器将将555定时器的触发输入端定时器

16、的触发输入端UTR作为触发信号输入端，将由作为触发信号输入端，将由TD和和RDIS构构成的反相器输出电压成的反相器输出电压UDIS接至阈值输入端接至阈值输入端UTH，并在阈值输入端，并在阈值输入端UTH对对地接入电容地接入电容C。1T TD D5K5K5K172658Vcc43G4G3G2G1C1C2QQ0.01FRCuIuOR1uR2uCuC1uC2u (a)电路图 (b)简化电路图ICCC21U1 (VU1)3如果没有触发信号时即可，C1DDISC2U10TU00U1QQ若通电后导通保持DDISCCC1C1DC221TCUV3U1U00TC0U1QQQ 若通电后截止充电至导通放电保持C1C

17、2ODUU1,0,U0,TQ那么稳态时：导通IC1ICCDC2UU11UV,1,TCU03Q触发时只要降至则截止开始充电DISCCICC21UVUV33当充至时（假定此时已经回到高于）C1C1DC2C2U0U10,TC00U1U1QQ则导通开始放电至保持暂稳态输出的宽度与触发脉冲的宽度和幅度与触发脉冲的宽度和幅度无关无关IU对的宽度有何要求？IU若的宽度过宽？是否可以重复触发？触发脉冲宽度要小于输触发脉冲宽度要小于输出脉冲宽度出脉冲宽度加微分电路加微分电路不可重复不可重复CCWCCCC011 31.123VtRC nRC nRCVV单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用1.延时与定时（a）电路图

18、 （b）波形图图 脉冲信号的延时与定时控制2.整形单稳态触发器能够把输入的不规则脉冲信号整形为具有一定幅度和一定宽度的边沿陡峭的矩形脉冲波形。如图所示， 的幅度仅取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度tW只与R、C有关。图 波形的整形5.多谐振荡器多谐振荡器1）门电路构成的多谐振荡器 多谐振荡器也称自激振荡器，是产生矩形脉冲波的典型电路，常用来做脉冲信号源。多谐振荡器没有输入端，接通电源便自激振荡。多谐振荡器起振之后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们交替变化，输出连续的矩形脉冲信号，因此又称它为无稳态电路。a）电路图（b）充电时的等效电路（c）放电时的等效电路从图中可以看出，电容C1同时经过

19、R1和RF2两条支路充电，电容C2经过RF1放电，所以电容C1充电速度较快，UI2首先上升到G2的阈值电压，即UI2变为高电平，经过正反馈回路作用，使UO2迅速跳变为低电平，UO1迅速跳变为高电平，即电路进入第二个暂稳态：UO1=1、UO2=0。此时，电容C1开始放电、C2 开始充电。 假定在t=0时接通电源，电容C尚未充电，电路的初始状态称为第一暂稳态，uO1=UOH，uI=uO=UOL。这时，电源VDD对电容C充电，如图7-19（b）所示。随着充电时间的增加，uI的值不断上升，当uI达到G1门的阈值电压UTH时，电路将发生一个正反馈过程这一正反馈过程使G1门迅速导通，G2门迅速截止，电路进

20、入第二暂稳态，uO1=UOL， uO=UOH。同时电容C开始放电，如图7-19（c）所示。随着电容C放电时间的增加，uI的值不断下降，当uI降到G1门的阈值电压UTH时，电路将发生另一个正反馈过程工作电压波形工作电压波形DDDDTH1DDTHlnln3 VVUTRCRCVUDDTH2TH0lnln30VUTRCRCU122ln3 2.2 T T TRCRC电路的振荡周期为：施密特触发器构成的多谐振荡器在接通电源的瞬间，电容C上初始电压为0，输出uO为高电平，uO经R向电容C充电，当充至 时，施密特触发器翻转，输出uO变为低电平。随后电容C又经R进行放电， 下降，当放电至 时，施密特触发器又发生

21、翻转，输出uO又变为高电平，电容C又被重新充电。这样周而复始，电路形成振荡，输出端就可以得到较理想的矩形脉冲。ITuU由于施密特触发器有 和 两个不同的阈值电压，将施密特触发器的输出端经RC积分电路接回其输入端，就可以使电路的输出电压在 和 之间不停地反复变化，这样在它的输出端就得到矩形脉冲波，即利用施密特触发器构成了多谐振荡器。TUT-UTUT-U图 施密特触发器构成多谐振荡器石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 若在石英晶片的两极加上一个电场，晶片将会产生机械变形。若在晶片上施加机械压力，则在晶片相应的方向上会产生一定的电场，这种物理现象称为压电效应。因此，当在晶片的两极加上交变电压时，晶

22、片将会产生机械变形振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片的机械振动的振幅和交变电场的振幅都非常微小，只有在外加交变电压的频率为某一特定频率时，振幅才会突然增加，比一般情况下的振幅要大得多，这种现象称为压电谐振。这和LC回路的谐振现象十分相似，因化，石英晶体又称为石英谐振器。上述特定频率称为晶体的固有频率或谐振频率。如下图给出了石英晶体的电抗频率特性和符号。它有一个极其稳定的串联谐振频率f0，且等效品质因数Q值很高。只有频率为f0的信号最容易通过，而其他频率的信号均会被晶体所衰减。石英晶体不仅选频特性极好，而且谐振频率f0十分稳定，其稳定度可达10-1010-11。（a）电

23、抗频率特性 （b）符号电路中R1、R2的作用是保证两个反相器在静态时能工作在转折区，使每个反相器都成为具有很强放大能力的放大电路。图 石英晶体的电抗频率特性和符号图 石英晶体多谐振荡器555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器先利用555定时器构成施密特触发器，然后将施密特触发器的输出端经RC积分电路接到施密特触发器的输入端。为了减轻555定时器输出缓冲器的负载，在电容C较大时不宜直接由输出端提供电容的充电电流和放电电流，经常采用的方法是将TD和RDIS构成的反相器输出电压UDIS经RC积分电路接到UTR端。 1TDK5K5K5172658Vcc43ouG2C21Cu2CuQQ1Ru2RuF01. 0R1CR2CuC1G1G3G4图 555定时器构成的多谐振荡器