数字电路设计脉冲电路和整形电路专家讲座.pptx

第第七七章章 脉冲波形产生和整形电路脉冲波形产生和整形电路数字电路设计脉冲电路和整形电路第1页一、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定时器应用电路定时器应用电路数字电路设计脉冲电路和整形电路第2页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脉冲信号。脉冲信号之间时间间隔称为周期；而将在单位时间（如1秒）内所产生脉冲个数称为频率。频率是描述周期性循环信号（包含脉冲信号）在单位时间内所出现脉冲数量多少计量名称；频率标准计量单位是Hz（赫兹）。脉冲原意被延伸出来即隔一段相同时间发出波等机械形式，学术上把脉冲定义为在短时间内突变，随即又快速返回其初始值物理量称之为脉冲。数字电路设计脉冲电路和整形电路第3页（1）脉冲周期T：周期性重复脉冲序列中，两个相邻脉冲之间时间间隔。有时也用频率 表示单位时间内脉冲重复次数。（2）脉冲幅度Um：脉冲电压最大改变幅度。（3）脉冲宽度：从脉冲前沿上升到0.5Um处开始，到脉冲后沿下降到0.5Um为止一段时间。（4）上升时间：脉冲上升沿从0.1Um上升到0.9Um所需要时间。（5）下升时间：脉冲下降沿从0.9Um下降到0.1Um所需要时间。（6）占空比：脉冲宽度与脉冲周期比值。1.矩形脉冲基本特征数字电路设计脉冲电路和整形电路第4页 脉冲有各种各样用途，有对电路起开关作用控制脉冲，有起统帅全局作用时钟脉冲，有做计数用计数脉冲，有起触发开启作用触发脉冲等等。这些脉冲波形获取，通常采取两种方法：一个是利用脉冲信号产生器直接产生；另一个则是对已经有信号进行整形，使之满足系统要求。脉冲电路是专门用来产生电脉冲和对电脉冲进行放大、变换和整形电路。家用电器中定时器、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.脉冲电路数字电路设计脉冲电路和整形电路第5页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输出三极管输出三极管数字电路设计脉冲电路和整形电路第6页输 入输 出00导通10导通1不变不变11截止11截止555定时器功效表数字电路设计脉冲电路和整形电路第7页3 施密特触发器施密特触发器 施密特触发器是一个惯用脉冲波形整形电路，能够将施密特触发器是一个惯用脉冲波形整形电路，能够将边缘改变迟缓脉冲信号波形整形为边缘陡峭矩形波。它含有边缘改变迟缓脉冲信号波形整形为边缘陡峭矩形波。它含有以下两个特点：以下两个特点：一是滞回特征，一是滞回特征，即对于正向和负向改变输入信号，分别即对于正向和负向改变输入信号，分别有不一样临界阈值电压。有不一样临界阈值电压。二是电平触发，二是电平触发，即当输入信号到达一定电压值时，输出即当输入信号到达一定电压值时，输出电压会发生突变。这一特点对于迟缓改变信号依然适用。所电压会发生突变。这一特点对于迟缓改变信号依然适用。所以施密特触发器是一个受输入信号电平直接控制双稳态电路。以施密特触发器是一个受输入信号电平直接控制双稳态电路。数字电路设计脉冲电路和整形电路第8页VT 1VTuo0ui传输特征逻辑符号在此，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，施密特触发器正向和负向阈值电压是。显然，施密特触发器正向和负向阈值电压是不等，定义二者之差不等，定义二者之差VT为回差电压，即为回差电压，即VT=VT+VT。数字电路设计脉冲电路和整形电路第9页1.门电路组成施密特触发器门电路组成施密特触发器1）电路结构）电路结构假定图中假定图中CMOS反相器阈值电压为反相器阈值电压为VTH 1/2VDD，设电阻，设电阻R1R2。图 CMOS反相器组成施密特触发器数字电路设计脉冲电路和整形电路第10页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逐步上升到逐步上升到 =VTH时，时，G1进入电压特征转折区，进入电压特征转折区，所以电路将发生以下正反馈：所以电路将发生以下正反馈：UO1UO 使电路快速跳使电路快速跳变到变到 UO=VOH VDD。由此可求出上升过程中电路发生转换时输入电平由此可求出上升过程中电路发生转换时输入电平VT+。数字电路设计脉冲电路和整形电路第11页 当UI从高电平下降时，也下降；当UI下降使 趋于G1门阈值电压VTH时，G1门和G2门又处于要翻转边缘；当UI下降使 =VTH时，UO1=UOH，UO=UOL0。由此可求出此电路在UI下降过程中负向阈值电压VT。VTVT+-VT数字电路设计脉冲电路和整形电路第12页3）电压传输特征图 同相输出施密特触发器电压传输特征和逻辑符号图 反相输出施密特触发器电压传输特征和逻辑符号滞回特征提升了施密特触发器抗干扰能力数字电路设计脉冲电路和整形电路第13页2.用555定时器组成施密特触发器 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，就能够组成施密特触发器。(a)电路图(b)简化电路图图 555定时器组成施密特触发器数字电路设计脉冲电路和整形电路第14页时，比较器C1输出uC1=1，C2输出uC2=0，基本RS触发器置1，输出uO为高电平。电路电压传输特征曲线当当当时，比较器C1和C2输出均为1，基本RS触发器保持原状态不变，输出uO维持高电平不变时，比较器C1输出为0，C2输出为1，基本RS触发器置0，输出uO为低电平 假如uI从高于电压逐步下降，当时，比较器C1 和C2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下降到时，比较器C1输出为1，C2输出为0，基本RS触发器置1，输出uO为高电平。所以施密特触发器回差电压为：数字电路设计脉冲电路和整形电路第15页电路工作波形施密特触发器输出电平是由输入信号电平决定。“触发”含义是指当uI由低电平上升到UT+、或由高电平下降到UT-时，会引发电路内部正反馈过程，从而使uO发生跳变。数字电路设计脉冲电路和整形电路第16页施密特触发器应用1.用于波形变换利用施密特触发器回差特征，能够将正弦波、三角波等一些迟缓改变周期性非矩形脉冲波变换成边缘陡峭矩形脉冲波。如图所表示图 施密特触发器应用于波形变换数字电路设计脉冲电路和整形电路第17页2.用于波形整形在数字系统中，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，矩形波上升沿和下降沿都会显著地被延缓，如图（a）所表示。当传输线较长，且接收端阻抗与传输线阻抗不匹配，则在波形上升沿和下降沿会产生阻尼振荡，如图（b）所表示。当其它脉冲波经过导线间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噪声，如图（c）所表示。数字电路设计脉冲电路和整形电路第18页3.用于脉冲鉴幅 施密特触发器输出状态与输入信号幅值相关。依据这一特点，可将施密特触发器作为幅度判别电路。比如，在施密特触发器输入端输入一系列幅度不等矩形脉冲，依据施密特触发器特点，只有那些幅度大于 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 脉冲，施密特触发器不发生翻转，输出端没有输出信号。所以，施密特触发器能将幅度大于 脉冲选出来，到达幅度判别目标。如图所表示。数字电路设计脉冲电路和整形电路第19页 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，在外加输入信号作用下电路由稳态）和一个暂稳态，在外加输入信号作用下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稳态。单稳态翻转到暂稳态，保持一段时间后又自动返回原来稳态。单稳态触发器输出通常为宽度恒定脉冲信号，而暂稳态时间仅取决态触发器输出通常为宽度恒定脉冲信号，而暂稳态时间仅取决于电路本身相关参数。于电路本身相关参数。数字电路设计脉冲电路和整形电路第20页1 .门电路组成单稳态触发器门电路组成单稳态触发器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=VDD=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，是稳态标志电荷，是稳态标志。触发时，触发时，UI=1，UO1=0，因为电容，因为电容C两端电压在触发瞬间不能突变，所以两端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门阈值电压门阈值电压VTH时，时，UO突跳为突跳为0，电路返回到自然稳态：，电路返回到自然稳态：UO=0。数字电路设计脉冲电路和整形电路第21页当当UO=0时，时，=0，UI=0（UI为窄脉冲，触发高电平此时已经消逝），所为窄脉冲，触发高电平此时已经消逝），所以以UO1从从“0”突跳为突跳为“1”（即上升了（即上升了VDD）；因为电容）；因为电容C两端电压瞬间不两端电压瞬间不能突变，所以能突变，所以UI2也应该从也应该从VTH突跳为突跳为VTH+VDD，但实际上因为，但实际上因为G2门输入门输入端有钳位二极管，所以端有钳位二极管，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，确保中无电荷），电路稳定，确保UO=0。数字电路设计脉冲电路和整形电路第22页微分型单稳态触发器工作波形主要参数估算：（1）输出脉冲宽度tW：数字电路设计脉冲电路和整形电路第23页（2）输出脉冲幅度Um：（3）恢复时间tre：（4）分辨时间Td（5）最高工作频率：数字电路设计脉冲电路和整形电路第24页 555定时器组成单稳态触发器定时器组成单稳态触发器将将555定时器触发输入端定时器触发输入端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组成组成反相器输出电压反相器输出电压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对地接对地接入电容入电容C。(a)电路图(b)简化电路图数字电路设计脉冲电路和整形电路第25页数字电路设计脉冲电路和整形电路第26页暂稳态输出宽度与触发脉冲宽度和幅度无与触发脉冲宽度和幅度无关关触发脉冲宽度要小于输出触发脉冲宽度要小于输出脉冲宽度脉冲宽度加微分电路加微分电路不可重复不可重复数字电路设计脉冲电路和整形电路第27页单稳态触发器应用单稳态触发器应用1.延时与定时（a）电路图（b）波形图图 脉冲信号延时与定时控制数字电路设计脉冲电路和整形电路第28页2.整形单稳态触发器能够把输入不规则脉冲信号整形为含有一定幅度和一定宽度边缘陡峭矩形脉冲波形。如图所表示，幅度仅取决于单稳态电路输出高、低电平，宽度tW只与R、C相关。图 波形整形数字电路设计脉冲电路和整形电路第29页5.多谐振荡器多谐振荡器1）门电路组成多谐振荡器 多谐振荡器也称自激振荡器，是产生矩形脉冲波经典电路，惯用来做脉冲信号源。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，它们交替改变，输出连续矩形脉冲信号，所以又称它为无稳态电路。a）电路图（b）充电时等效电路（c）放电时等效电路数字电路设计脉冲电路和整形电路第30页从图中能够看出，电容C1同时经过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阈值电压，即UI2变为高电平，经过正反馈回路作用，使UO2快速跳变为低电平，UO1快速跳变为高电平，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还未充电，电路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）所表示。伴随充电时间增加，uI值不停上升，当uI到达G1门阈值电压UTH时，电路将发生一个正反馈过程这一正反馈过程使G1门快速导通，G2门快速截止，电路进入第二暂稳态，uO1=UOL，uO=UOH。同时电容C开始放电，如图7-19（c）所表示。伴随电容C放电时间增加，uI值不停下降，当uI降到G1门阈值电压UTH时，电路将发生另一个正反馈过程数字电路设计脉冲电路和整形电路第31页工作电压波形工作电压波形电路振荡周期为：数字电路设计脉冲电路和整形电路第32页施密特触发器组成多谐振荡器在接通电源瞬间，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。随即电容C又经R进行放电，下降，当放电至 时，施密特触发器又发生翻转，输出uO又变为高电平，电容C又被重新充电。这么周而复始，电路形成振荡，输出端就能够得到较理想矩形脉冲。因为施密特触发器有 和 两个不一样阈值电压，将施密特触发器输出端经RC积分电路接回其输入端，就能够使电路输出电压在 和 之间不停地重复改变，这么在它输出端就得到矩形脉冲波，即利用施密特触发器组成了多谐振荡器。图 施密特触发器组成多谐振荡器数字电路设计脉冲电路和整形电路第33页石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 若在石英晶片两极加上一个电场，晶片将会产生机械变形。若在晶片上施加机械压力，则在晶片对应方向上会产生一定电场，这种物理现象称为压电效应。所以，当在晶片两极加上交变电压时，晶片将会产生机械变形振动，同时晶片机械振动又会产生交变电场。在普通情况下，晶片机械振动振幅和交变电场振幅都非常微小，只有在外加交变电压频率为某一特定频率时，振幅才会突然增加，比普通情况下振幅要大得多，这种现象称为压电谐振。这和LC回路谐振现象十分相同，因化，石英晶体又称为石英谐振器。上述特定频率称为晶体固有频率或谐振频率。数字电路设计脉冲电路和整形电路第34页以下列图给出了石英晶体电抗频率特征和符号。它有一个极其稳定串联谐振频率f0，且等效品质因数Q值很高。只有频率为f0信号最轻易经过，而其它频率信号均会被晶体所衰减。石英晶体不但选频特征极好，而且谐振频率f0十分稳定，其稳定度可达10-1010-11。（a）电抗频率特征（b）符号电路中R1、R2作用是确保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含有很强放大能力放大电路。图 石英晶体电抗频率特征和符号图 石英晶体多谐振荡器数字电路设计脉冲电路和整形电路第35页555定时器组成多谐振荡器定时器组成多谐振荡器先利用555定时器组成施密特触发器，然后将施密特触发器输出端经RC积分电路接到施密特触发器输入端。为了减轻555定时器输出缓冲器负载，在电容C较大时不宜直接由输出端提供电容充电电流和放电电流，经常采取方法是将TD和RDIS组成反相器输出电压UDIS经RC积分电路接到UTR端。图 555定时器组成多谐振荡器数字电路设计脉冲电路和整形电路第36页电容C充电时，充电时间常数1=（R1+R2）C，初始值UC（0+）=1/3 VCC，稳定值UC（）=VCC，转换值UC（T1）=2/3 VCC，电容C放电时，放电时间常数2=R2C，初始值UC（0+）=2/3VCC，稳定值UC（）=0，转换值UC（T2）=1/3VCC，振荡频率：振荡周期：谐波振荡器输出脉冲占空比：数字电路设计脉冲电路和整形电路第37页充电时间：放电时间：电路振荡周期：输出脉冲占空比：图 555定时器组成占空比可调多谐振荡器时电路可输出方波信号。当数字电路设计脉冲电路和整形电路第38页6.用用Multisim分析分析555定时器应用电路定时器应用电路1）555定时器组成施密特触发器仿真分析定时器组成施密特触发器仿真分析图 555定时器组成施密特触发器仿真电路数字电路设计脉冲电路和整形电路第39页仿真结果仿真结果 数字电路设计脉冲电路和整形电路第40页2）555定时器组成多谐振荡器仿真分析定时器组成多谐振荡器仿真分析图 5555定时器组成多谐振荡器仿真电路数字电路设计脉冲电路和整形电路第41页仿真结果仿真结果数字电路设计脉冲电路和整形电路第42页本章要求本章要求（1）熟悉555定时器基本电路结构、工作原理及特点；（2）掌握施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器工作原理，以及电路参数和性能定性关系；（3）掌握555定时器组成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器方法；（4）了解施密特触发器、单稳态触发器经典应用；（5）了解用Multisim分析555定时器应用电路方法。数字电路设计脉冲电路和整形电路第43页