数字电路与逻辑设计基础第8章-脉冲波形的产生和整形课件.ppt

1、本章要点本章要点 本章将介绍常用的脉冲波形产生与整形电路本章将介绍常用的脉冲波形产生与整形电路施密施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。重点介绍这三种特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。重点介绍这三种电路的功能、电路组成、工作原理、主要参数和应用。电路的功能、电路组成、工作原理、主要参数和应用。你知道吗？你知道吗？现代电子系统常常需要不同幅度、宽度以及具有陡现代电子系统常常需要不同幅度、宽度以及具有陡峭边沿的脉冲信号，如时序逻辑电路中的时钟信号等等。峭边沿的脉冲信号，如时序逻辑电路中的时钟信号等等。获取脉冲信号的方法通常有两种：一种是直接产生，一获取脉冲信号的方法通常有两种：一种是直接产生，

2、一种是利用已有的信号变换得到。种是利用已有的信号变换得到。8.1 8.1 概述概述 脉冲信号：凡是不具有连续正弦波形状的信号，通称为脉冲脉冲信号：凡是不具有连续正弦波形状的信号，通称为脉冲信号。信号。常见的脉冲信号波形常见的脉冲信号波形 数字电路最常用的脉冲信号就是矩形脉冲。例如时钟信号数字电路最常用的脉冲信号就是矩形脉冲。例如时钟信号(CLK)就是一种典型的矩形波信号，它在时序电路中协调各种功就是一种典型的矩形波信号，它在时序电路中协调各种功能部件的工作。能部件的工作。脉冲周期脉冲周期T：周期性重复的脉：周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔。的时间间隔

3、。描述矩形脉冲信描述矩形脉冲信号的参数：号的参数：矩形脉冲信号矩形脉冲信号脉冲频率脉冲频率f：单位时间内的脉冲重：单位时间内的脉冲重复次数复次数。脉冲幅值脉冲幅值Vm：脉冲电压变化的最大幅度：脉冲电压变化的最大幅度。脉冲宽度脉冲宽度tw：从脉冲前沿到达：从脉冲前沿到达0.5Vm起，到脉冲后沿到达起，到脉冲后沿到达0.5Vm为止的一段时间为止的一段时间。上升时间上升时间tr：脉冲上升沿从：脉冲上升沿从0.1Vm上升到上升到0.9Vm所需要的时所需要的时间。间。下降时间下降时间tf：脉冲下降沿从：脉冲下降沿从0.9Vm下降到下降到0.1Vm所需要时间所需要时间。占空比占空比q：脉冲宽度与脉冲周期：

4、脉冲宽度与脉冲周期的比值，即的比值，即 q=tw/T。获得脉冲信号的方法通常有获得脉冲信号的方法通常有2种：种：1）利用多谐振荡器直接产生所需的脉冲信号；）利用多谐振荡器直接产生所需的脉冲信号；2）通过脉冲整形电路变换成所需的脉冲信号。）通过脉冲整形电路变换成所需的脉冲信号。1.1.施密特触发器（施密特触发器（Schmitt TriggerSchmitt Trigger）的特点：）的特点：施密特触发器输出有两种稳定状态施密特触发器输出有两种稳定状态0态和态和1态；态；施密特触发器采用电平触发，即它输出是高电平还是低电施密特触发器采用电平触发，即它输出是高电平还是低电平都取决于输入信号的电平；平

5、都取决于输入信号的电平；对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平VT+和和VT-。当输入信号电压上升时，与。当输入信号电压上升时，与VT+比较，若输入信比较，若输入信号大于号大于VT+，输出状态翻转；当输入信号电压下降时，与，输出状态翻转；当输入信号电压下降时，与VT-比较，当输入信号小于比较，当输入信号小于VT-，输出状态翻转。这是与普通比较，输出状态翻转。这是与普通比较器的区别。器的区别。8.2 8.2 集成门电路组成的脉冲单元电路集成门电路组成的脉冲单元电路8.2.1 8.2.1 由门电路组成的施密特触发器及集成的施密特由门电路

6、组成的施密特触发器及集成的施密特触发器触发器 在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。波形的边沿变得很陡。施密特触发器分同相施密特触发器和反相施密特施密特触发器分同相施密特触发器和反相施密特触发器两种触发器两种：同相施密特触发器同相施密特触发器 反相施密特触发器反相施密特触发器 施密特触发器主要参数：施密特触发器主要参数：上限阈值电压上限阈值电压VT+：输入信号电压：输入信号电压vI上升过程中，输出电压上升过程中，输出电压vO状态翻转时，所对应的输入电压值。状态翻转时，所对应的输入电压值。下限阈值电压下限阈值电

7、压 上限阈值电压上限阈值电压 下限阈值电压下限阈值电压VT-：输入信号电压：输入信号电压vI下降过程中，输出电压下降过程中，输出电压vO状态翻转时，所对应的输入电压值。状态翻转时，所对应的输入电压值。回差电压回差电压UT：VT和和VT-之间的差值之间的差值，即，即UT=VT+-VT-两次触发电平的不一致性称为施密特触发器的回差特性，又两次触发电平的不一致性称为施密特触发器的回差特性，又叫滞迟特性，这是施密特触发器最重要的电气特性。由于施叫滞迟特性，这是施密特触发器最重要的电气特性。由于施密特触发器具有回差特性，与电压比较器相比，施密特触发密特触发器具有回差特性，与电压比较器相比，施密特触发器具

8、有较强的抗干扰能力。施密特触发器的回差电压越大，器具有较强的抗干扰能力。施密特触发器的回差电压越大，电路的抗干扰能力也越强，但灵敏度会相应降低。电路的抗干扰能力也越强，但灵敏度会相应降低。2.2.用门电路组成的施密特触发器的工作原理：用门电路组成的施密特触发器的工作原理：图图8-4 两级两级CMOS反相器构成的施密反相器构成的施密特触发器特触发器 将两级反相器串接起来，同时通过分压电阻把输出端的将两级反相器串接起来，同时通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端，就构成了图电压反馈到输入端，就构成了图8-4所示的施密特触发器电路。所示的施密特触发器电路。设反相器设反相器G1和和G2均为均为CMOS

9、门，门，其阈值电压为其阈值电压为VTH VDD/2，输出，输出高低电平分别为高低电平分别为VOH VDD，VOL0，且，且R1 R2工作原理工作原理21IIO1212RRvvvRRRR 由叠加原理：由叠加原理：当当vI0时，时，vo1VOH，vo VOL0V，此时，此时G1门的输入电压门的输入电压为为 0V。当输入信号。当输入信号vI从从0V逐渐升高时，逐渐升高时，G1门的输入电压门的输入电压 也相应升高，但只要也相应升高，但只要 VTH时，电路状态维持在时，电路状态维持在voVOH VDD不变。不变。Iv当当vI从高电平从高电平VDD逐渐下降到逐渐下降到 VDD/2，电路的输出保持电路的输出

10、保持vO1 0V、vOVDD不变。不变。而当而当 VDD/2 时，电路又将又将引发如时，电路又将又将引发如下正反馈过程，即下正反馈过程，即IvIv电路的状态迅速转换为电路的状态迅速转换为vO=VOL 0V11T-THDD221(1)(1)2RRVVVRR下限阈值电压：下限阈值电压：当当vI继续下降时，只要继续下降时，只要 时，时，电路输出保持稳态不变，即电路输出保持稳态不变，即vO1VDD，vO0V。IT-vV 1111TTTTHTHTHDD2222(1)(1)2RRRRUVVVVVVRRRR电路的回差电压为：电路的回差电压为：回差电压可通过调节回差电压可通过调节R1、R2而改变，且满足条件而

11、改变，且满足条件R1V-时，其输出为高电平；反之，当时，其输出为高电平；反之，当 V+V-时，其输时，其输出为低电平。出为低电平。逻辑符号逻辑符号（2）分压器）分压器 由由3个阻值为个阻值为5k的电阻串的电阻串联构成分压器，联构成分压器，C1和和C2提供参提供参考电压考电压VR1和和VR2。当。当5脚不外接脚不外接电压时，为电压时，为 若引脚若引脚5外接固定电压外接固定电压VDD时，时，为为CCRVV32=1CCRVV31=2注意：当引脚注意：当引脚5 5不加控制电压时，一般不可悬空，可不加控制电压时，一般不可悬空，可通过一个小电容（如通过一个小电容（如0.01F0.1F）接地，以防止旁）接地

12、，以防止旁路高频干扰。路高频干扰。DDRVV=1DDRVV21=2（3 3）基本）基本RSRS触发器触发器 由与非门由与非门Gl和和G2构成构成SR锁存锁存器，它的状态由两个电压比较器器，它的状态由两个电压比较器的输出来控制。其中，的输出来控制。其中，RD是专门是专门设置的可从外部直接异步置设置的可从外部直接异步置0复复位端，低电平有效。位端，低电平有效。（4 4）泄放三极管）泄放三极管 三极管三极管TD是集电极开路输出是集电极开路输出三极管，为外接电容提供充、放三极管，为外接电容提供充、放电回路，称为泄放三极管。电回路，称为泄放三极管。G3门门输出输出1时时TD导通；反之导通；反之TD截止。

13、截止。（5 5）反相器）反相器 反相器反相器G4为输出缓冲反相器，提高带负载能力；为输出缓冲反相器，提高带负载能力；同时还可隔离负载对定时器的影响，起整形作用。同时还可隔离负载对定时器的影响，起整形作用。1接地端，接地端，GND；各管脚功能各管脚功能 ：2低电平触发端，低电平触发端，TR；3输出端，输出端，OUTPUT，输，输出电流可达出电流可达200mA；4复位端，复位端，RD；5压控端，压控端，CO；6高电平触发端，高电平触发端，TH；7放电端，放电端，DIS；8电源端，电源端，VCC，范围为，范围为4.518V；功能表功能表 工作原理工作原理 ：当当RD为高电平时为高电平时 当当vI1V

14、R1且且vI2VR2时，时，C1的输出的输出”0”，C2的输的输出出”1”，SR锁存器锁存器Q=0，TD导通，输出为低电平；导通，输出为低电平；当当vI1VR2时，时，C1和和C2的输出均为的输出均为”1”，SR锁存器锁存器保持状态不变，故保持状态不变，故TD和输出的状态也均不变；和输出的状态也均不变；当当vI1VR1且且vI2 VR1且且vI2VR2时，时，C1和和C2的输出均为的输出均为”0”，SR锁存器锁存器Q=Q=1，TD截止，输出为高电平；截止，输出为高电平；628 8.3.3.2 2 555 555定时器构成的施密特触发器定时器构成的施密特触发器 555定时器构成的施密特触发器电路

15、定时器构成的施密特触发器电路 构成：构成：2脚和脚和6脚连一起接输入信号脚连一起接输入信号vI；4脚和脚和8脚连一起接电源电压脚连一起接电源电压VCC；5脚通过脚通过0.01F的电容和的电容和1脚一起接地；脚一起接地；7脚悬空，脚悬空，3脚输出。脚输出。vIVCC/3工作原理：工作原理：输入信号输入信号vI从从0逐渐升高的过程：逐渐升高的过程：输出高电平输出高电平VCC/3vI2VCC/3输出低电平输出低电平OvIvVCC/32VCC/3T23CCVV上限阈值电压为上限阈值电压为电压传输特性电压传输特性 输入信号输入信号vI从从vI 2VCC/3逐渐逐渐下降的过程：下降的过程：输出低电平输出低

16、电平vI2VCC/3VCC/3vI2VCC/3保持低电平保持低电平输出高电平输出高电平vIVCC/3VCC/32VCC/301导通导通放电放电2VCC/3保持保持稳态时稳态时6脚为低脚为低vI为高电平，大于为高电平，大于VCC/3 vI下降沿触发，电路由稳态下降沿触发，电路由稳态(6脚为低脚为低)转入暂稳态：转入暂稳态：vI为低电平，小于为低电平，小于VCC/301充电充电电路进入电路进入暂态暂态波形图波形图 VCC/32VCC/3VCC/31导通导通02VCC/30典型应用电路：典型应用电路：s34.10107.41021.11.166RCtW延迟时间为：延迟时间为：光控照明灯电路光控照明灯

17、电路15326784CB555Fm01.0VccKR12.2k10kK1EL220VC1C2VDR2R3VLVTL12MFm7.4R42.2k【例例1】鱼缸水温自动加热电路如图所示，鱼缸水温自动加热电路如图所示，RT是正温度系数热敏是正温度系数热敏电阻器。用电阻器。用555定时器构成的单稳态触发器，设定加热时间为定时器构成的单稳态触发器，设定加热时间为11s，试分析该电路的工作原理以及给出试分析该电路的工作原理以及给出R和和C的设计值。的设计值。鱼缸自动加热电路鱼缸自动加热电路解：解：正常温度，正常温度，RT较大，较大，2脚输入高电平，脚输入高电平，3脚脚输出低电平；输出低电平；水温下降，水温

18、下降，RT减小，减小，2脚输入低电平，脚输入低电平，3脚脚输出高电平，输出高电平，VL亮，亮，K线圈通电，触点线圈通电，触点K1闭合，加热；闭合，加热；经过经过tW=11s时间，时间，3脚输出低电平，线圈断电，触点脚输出低电平，线圈断电，触点K1断开，停止断开，停止加热。加热。s111.1RCtW由由选选R=1M，C=10F8 8.3.3.4 4 555 555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器 555定时器构成的多谐振荡器电路定时器构成的多谐振荡器电路构成：构成：2脚和脚和6脚脚接在一起与电容、电阻相接接在一起与电容、电阻相接；4脚和脚和8脚连一起接电源电压脚连一起接电源电压VCC

19、；5脚通过脚通过0.01F的电容和的电容和1脚一起接地；脚一起接地；7脚与电阻相接，脚与电阻相接，3脚输出。脚输出。工作原理：工作原理：首次充电过程，设首次充电过程，设vC=00充电充电1输出高输出高电平电平充电至充电至2VCC/30截止截止0导通导通1放电放电至至VCC/3放电过程放电过程再充电过程再充电过程1电路就在电路就在VCC/3和和2VCC/3之间不停的进行充电之间不停的进行充电和放电，在输出端产生周期性的矩形波。和放电，在输出端产生周期性的矩形波。参数估算：参数估算：电路的振荡周期为电路的振荡周期为 CRRCRRTTT)2+(69.02ln)2+(=+=212121振荡频率为振荡频

20、率为 注意：注意：通过改变电阻通过改变电阻R R1 1、R R2 2和电容和电容C C的大小就可以的大小就可以改变振荡的频率。用改变振荡的频率。用CB555CB555组成的多谐振荡器最高组成的多谐振荡器最高振荡频率约振荡频率约500kHz500kHz。2ln)2(1121CRRTf输出脉冲的占空比输出脉冲的占空比 212112RRRRTTq电路输出电路输出脉冲的占脉冲的占空比始终空比始终大于大于50%占空比可调的多谐振荡器占空比可调的多谐振荡器电容充电回路电容充电回路电容放电回路电容放电回路3脚输出方波脉冲占空比脚输出方波脉冲占空比q的调节范围的调节范围 211min+=RRRRqP211ma

21、x+=RRRRRqPP注意：注意：R1和和 R2取值越小，占空比调节范围越大。但取值越小，占空比调节范围越大。但R1和和 R2不能取不能取消。若电位器消。若电位器RP旋到最左或最右的极端位置时，忽略二极管旋到最左或最右的极端位置时，忽略二极管VD的的正向导通电阻，理论上占空比可从正向导通电阻，理论上占空比可从0调至调至100%，但事实上电路会停，但事实上电路会停振。为预防在极端位置时电路停振，设置小电阻振。为预防在极端位置时电路停振，设置小电阻R1、R2与与RP串联串联【例例】如图所示是用两片如图所示是用两片555定时器接成的触摸报警电路。当触定时器接成的触摸报警电路。当触摸到金属片后，扬声器开始发出声音。试分析摸到金属片后，扬声器开始发出声音。试分析555定时器定时器IC1和和IC2分别是什么电路，并计算扬声器发出声音的时间分别是什么电路，并计算扬声器发出声音的时间tW和扬声器和扬声器发出声音的频率。发出声音的频率。解解:IC1构成了单稳态电路构成了单稳态电路,IC2构成了多谐振荡电路。构成了多谐振荡电路。s5.271050105001.11.16311CRtWIC1的暂稳时间为的暂稳时间为IC2的振荡周期为的振荡周期为s207101010)10210(69.02ln)2(933221CRRTTT扬声器发声的频率为扬声器发声的频率为z6kH8.41020711Tf