数字电路逻辑设计-第10章-脉冲单元电路.ppt

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1、第第1010章章 脉冲单元电路脉冲单元电路 脉冲信号：指突然变化的电压或电流。脉冲电路的研究重点：波形分析。数字电路的研究重点：逻辑功能。获得脉冲波形的方法主要有两种：1利用脉冲振荡电路产生；2是通过整形电路对已有的波形进行整形、变换，使之符合系统的要求。以下主要讨论几种常用脉冲波形的产生与变换电路：（功能、特点及其主要应用简介）1.施密特触发器：主要用以将非矩形脉冲变换成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲；2.单稳态触发器：主要用以将脉冲宽度不符合要求的脉冲变换成脉冲宽度符合要求的矩形脉冲；3.多谐振荡器：多谐振荡器：产生矩形脉冲；4.555定时器1010.1.1 脉冲信号脉冲信号1.常见的脉

2、冲波形 脉冲波形是指突变的电流和电压的波形。图10-1 常见的脉冲波形图 2.矩形波及其参数 图10-2 非周期性和周期性矩形波(a)非周期性 (b)周期性数字电路中用得最多的是矩形波。矩形波有周期性与非周期性两种。图10-3 矩形波的主要参数 周期性矩形波的周期用T表示，有时也用频率f表示（f=1/T）。矩形波的另外几个主要参数：（1）脉冲幅度Um （2）脉冲宽度tw （3）上升时间tr （4）下降时间tf （5）占空比q=t w/T。通常q用百分比表示，如果q=50%，则称为对称方波。10.2集成门构成的脉冲单元电路10.2.110.2.1施密特触发器施密特触发器10.2.210.2.2单

3、稳态触发器单稳态触发器10.2.310.2.3多谐振荡器多谐振荡器1.电路组成 两个CMOS反相器，两个分压电阻。用集成门电路构成的施密特触发器（a）电路 （b）逻辑符号10.2.1施密特触发器施密特触发器 施密特触发器具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。2.工作原理 （1）工作过程 设CMOS反相器的阈值电压UTH=VDD/2，输入信号uI为三角波。当uI=0V时，G1截止、G2导通，输出为UOL，即uO=0V。只要满足uI1UTH，电路就会处于这种状态（第一稳态）。GS(th)GS(th)T)1(21221VVVRRRRR+=+当uI上升，使得uI1=UT

4、H时，电路会产生如下正反馈过程：电路会迅速转换为G1导通、G2截止，输出为UOH，即uO=VDD的状态（第二稳态）。此时的uI值称为施密特触发器的上限触发转换电平UT+。显然，uI继续上升，电路的状态不会改变。如果uI下降，uI1也会下降。当uI1下降到UGS(TH)时，电路又会产生以下的正反馈过程：电路会迅速转换为G1截止、G2导通、输出为UOL的第一稳态。此时的uI值称为施密特触发器的下限触发转换电平UT。uI再下降，电路将保持状态不变。IIDDI1211)(vvVvRRR+-=+DDGS(th)T21221-=+-VVVRRRRR，则，则DD21GS(th)=VV)1(GS(th)T21

5、-=-VVRR（2）工作波形与电压传输特性 施密特触发器将三角波uI变换成矩形波uO。施密特触发器的工作波形及电压传输特性（a）工作波形 （b）电压传输特性3.重要参数 上限触发转换电平UT+下限触发转换电平UT 回差回差UT=UT+UT （通常（通常UT+UT）改变改变R1和和R2的大小可以改变回差的大小可以改变回差UT GS(th)212VRR=(3)特点：电路有两种稳定状态。两种稳定状态的维持和转换完全取决于外加触发信号。触发方式：电平触发。电压传输特性特殊，电路有两个转换电平（上限触发转换电平UT+和下限触发转换电平UT）。状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。1).波形

6、变换 将变化缓慢的波形变换成矩形波（如将三角波或正弦波变换成同周期的矩形波）。3 3施密特触发器的应用施密特触发器的应用整形电路把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲输入输出VT+VT-2).脉冲整形 在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变，或者边沿产生振荡等。通过施密特触发器整形，可以获得比较理想的矩形脉冲波形。波形波形畸变畸变边沿边沿振荡振荡vovIvov vT2v vT1ttt合理选择回差电压消除信号上的干扰合理选择回差电压消除信号上的干扰2).脉冲整形 3)脉冲鉴幅 将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端，只有那些幅度大于UT+的脉冲才会在输出端产生输出信号。可见，施密

7、特触发器具有脉冲鉴幅能力。vovI00ttVth(VT+)10.2.2 单稳态触发器单稳态触发器 单单稳稳态态触触发发器器具具有有稳稳态态和和暂暂态态两两个个不不同同的的工工作作状状态态。在在外外界界触触发发脉脉冲冲作作用用下下，能能从从稳稳态态翻翻转转为为暂暂稳稳态态，维维持持一一段段时时间间后后，电路又能自动地翻转为稳态。电路又能自动地翻转为稳态。一集成门构成的单稳态触发器一集成门构成的单稳态触发器根根据据维维持持暂暂态态的的RC定定时时电电路路的的不不同同接接法法，单单稳稳态态触触发发器器可可以分为以分为微分型微分型和和积分型积分型两大类。两大类。1、微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器

8、&(a)G2G1Cv2RRivO1vO2v1vICi5100pF微分型单稳态触发器及其工作波形反馈线反馈线输入端微分电路输入端微分电路微分型定时电路微分型定时电路&(a)G2G1Cv2RRivO1vO2v1vICi5100pF微分型单稳态触发器及其工作波形vIv1vO1vO2v2(b)3.6V0.3V0.3V1.4V3.6V0.3V3.6V0.3V1.4V-1.5V3.6V0.3Vtw反馈线反馈线(a)0t1为稳定状态。为稳定状态。输输入入端端无无输输入入信信号号触触发发或或触触发发输输入入为为高高电电平平。当当选选取取Ri大大于于3.2k时时，使使vI高高于于开开门门电电平平，vO1=0.3

9、V；选选取取R小小于于0.9k，使使v2低低于于关关门门电电平平，vO2=3.6V。触触发发器器处处于于稳稳定定状状态态（vO1=VOL，vO2=VOH）。）。0t1t2当当t=t1时时，输输入入端端vI下下跳跳变变，v1产产生生一一个个负负尖尖峰峰脉脉冲冲，vO1上上跳跳至至高高电电平平，v2随随之之跳跳变变为为高高电电平平，使使vO2为为低低电电平平，触触发发器器受受触触发发发发生生一一次次翻翻转转，从从而而进进入入暂暂稳稳态态（vO1=VOH，vO2=VOL）。）。&(a)G2G1Cv2RRivO1vO2v1vICi5100pF微分型单稳态触发器及其工作波形vIv1vO1vO2v2(b)

10、3.6V0.3V0.3V1.4V3.6V0.3V3.6V0.3V1.4V-1.5V3.6V0.3Vtw反馈线反馈线0t1t2(b)t1t2暂态过程。暂态过程。触触发发器器进进入入暂暂稳稳态态后后，输输出出低低电电平平通通过过反反馈馈线线维维持持G1继继续续关关闭闭。同同时时，电电容容C充充电电，v2(t)电电压压下下降降。当当t=t2时时，v2下下降降至至Vth，G2关关闭闭，输输出出vO2上上跳跳至至高高电电平平，G1转转为为开开态态，触触发发器器自自动动翻翻 转转 一一 次次，回回 到到 初初 始始 稳稳 定定 状状 态态（vO1=VOL，vO2=VOH）。t1至至t2的的时时间间称称为为

11、暂暂态态时时间间，其其长长短短取取决决于于RC的的充充电电速速度度，因因此此RC称称为为定定时时电电路路，由由它它决决定定输输出出vO1和和vO2的的宽宽度度。暂暂态态时时间间通通常常近近似似估估计计为为&G2G1CRRivICi图10-2-12 带有射极跟随器的 单稳态触发器VCCRETv2由由Vth随随vO1的的下下跳跳而而下下跳跳，电电路路进进入入恢恢复复阶阶段段，电电容容C开开始放电。恢复时间为始放电。恢复时间为在在定定时时电电路路中中，为为调调整整tW，通通常常以以改改变变C作作为为粗粗调调，改改变变R作作为为细细调调。为为了了使使调调节节范范围围加加宽宽，可可在在定定时时电电路路与

12、与G2之之间间加加射射极极跟跟随随器器，一一般般RE应应满满足足64RE1/3VCC当：VTH2/3VCCVTR1/3VCC当：VTH1/3VCC当：VTH2/3VCC10101001111由以上分析列出由以上分析列出555555定时器功能表：定时器功能表：/RVTHVTRRSVOTD0XXXX0导通导通12/3VCC1/3VCC010导通导通12/3VCC1/3VCC101截止截止11/3VCC11保持保持保持保持都大为都大为0 0都小为都小为1 1一小一大是保持。一小一大是保持。2 2、555555定时器典型应用定时器典型应用 用555定时器构成施密特触发器施密特触发器是脉冲波形变换中经常

13、使用的一种电路。它有两个重要特点：施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。它有两个重要特点：输入信号从低电平上升时的转换电平和从高电位下降时的转换电平不同。输入信号从低电平上升时的转换电平和从高电位下降时的转换电平不同。在电路状态转换时，通过内部正反馈使输出电压波形的边沿变得很陡峭。在电路状态转换时，通过内部正反馈使输出电压波形的边沿变得很陡峭。利用这两个特点，可以将变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形利用这两个特点，可以将变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且还可以有效消除叠加在矩形脉冲上的噪声信号。波，而且还可以有效消除叠加在矩形脉冲上的噪声信号。第五脚通过103电容接地

14、，起滤波作用。正常工作时/R（4）接高电平。阈值端VTH(6)和触发端VTR(2)连在一起接输入VI。电路组成：电路组成：0.01fVOVCCVI48351267555555 用555定时器构成施密特触发器 工作原理：工作原理：利用利用555555定时器功能表可以快速画出施密特触发器输出波形。定时器功能表可以快速画出施密特触发器输出波形。VIVO2/3VCC1/3VCC都小为都小为1 1一小一大是保持一小一大是保持。都大为都大为0 0上升转换电平VT+=2/3VCC下降转换电平VT=1/3VCCVT+VT 回差电压VT=VT+-VT-=1/3VCC 如果参考电压由外加电压如果参考电压由外加电压

15、V VCOCO给出给出：VT+=VCOVT=1/2VCOVT=VT+-VT-=1/2VCO改变改变VCO就可以改变就可以改变VT 00tt 用555定时器构成施密特触发器应用举例：应用举例：用用555555定时器构成施密特触发器用作温度控制电路。定时器构成施密特触发器用作温度控制电路。VT+VT 先设定控温范围：VI:被测温度的电压信号（热电偶，传感器）（热电偶，传感器）运行前，先调整第五脚运行前，先调整第五脚V VCOCO电压的电压的大小，使施密特触发器上升转换大小，使施密特触发器上升转换电平电平V VT T+和下降转换电平和下降转换电平V VT T 与与所控制的温度上、下限相对应。所控制的

16、温度上、下限相对应。当：VI VCO,VO=0,T止，保温，VI当：VI 1/2 VCO,VO=1,T导，加热，VI改变改变V VCOCO就可以改变温度的上、下限。就可以改变温度的上、下限。4835126555555JM220V220V 用用555555定时器构成单稳态触发器定时器构成单稳态触发器单稳态触发器触发器特点：单稳态触发器触发器特点：1、有稳态和暂稳态两个不同工作状态。2、在外触发脉冲的作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，再自动返回稳态。3、暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲无关。单稳态触发器电路组成单稳态触发器电路组成单稳态触发器触发器用途：单稳

17、态触发器触发器用途：延时：将输入信号延时TW后再输出。定时：产生一定宽度的方波。R、C 定时元件VI输入触发窄脉冲阈值端VTH(6)与放电端VO(7)接在一起。控制端VCO（5）通过103电容到地，起滤波作用。48351267555RCVCC0.010.01f f5K5K5KVR148562713RSR+-C2G1G2TDG3VCCVOVTRVTH&1+-C1VR2&VCO工作原理工作原理静止期静止期VI=VTR=1假设电容C上的电压已充至稳态，即VC=VTH=1都大为都大为0,TD导通导通，VCTD地放电，VC0工作期工作期（外触发脉冲到来）VTH=VC=0都小为都小为1,TD截止截止，VC

18、CRC充电。V VC C充电三要素：充电三要素：VC(0+)=0VC()=VCC=RC由于C1、C2两个比较器的存在VC不可能充至VCC。当：1/3VCC VC1/3VCCVTH2/3VCCVTR1/3VCC都大为都大为0 0 TD导电容上的电压经TD放电当：VC电压放至1/3VCC时：VTR1/3VCCVTH2/3VCC都小为都小为1 1TD止，电路又重新开始充、放电过程。如此不断重复形成振荡，在VO端得到连续方波。VCC02/3VCC1/3VCCVCVOtt3 3、暂态宽度、暂态宽度T TW1W1、T TW2W2 V VC C充电三要素：充电三要素：第一个周期由于电路没有进入稳定状态，因此

19、不计算暂态时间。VC(0+)=1/3VCCVC()=VCC=(R1+R2)C充电结束转换电压VC(TW1)=2/3VCC充电暂态持续时间TW1为：V VC C放电三要素：放电三要素：VC(0+)=2/3VCCVC()=0=R2 C放电结束转换电压VC(TW2)=1/3VCC放电暂态持续时间TW2为：电路输出周期：电路输出周期：T=tw1+tw2=0.7(R1+2R2)C通过改变R和C可以得到0.1Hz300KHz的振荡频率。VCC0VCVO7 76 62 24 48 83 31 15CR10.01FVOVcc555RwR2D2D1 用555定时器组成的多谐振荡器暂态宽度tw1 tw2，而且占空

20、比是固定不变的。占空比：脉冲宽度与周期之比在实际应用中常常需要频率固定而占空比可调。占空比可调多谐振荡器电路占空比可调多谐振荡器电路改变R1或改变R2都会引起周期T的改变。电路特点：电容C的充、放电通路分别用二极管D1和D2隔离。RW为可调电位器。充电时，只和R1有关，放电时，只和R2有关，通过改变RW,而不改变R1+R2相加之和电路振荡周期T=0.7(R1+R2)C输出方波占空比如果取R1=R2,VO输出为对称方波。50%多谐振荡器应用举例多谐振荡器应用举例1 1、电子琴电路、电子琴电路 S1S8代表八个琴键开关，按下不同的琴键时，振荡器接入不同的电阻，电路产生不同的振荡频率。如果R21R2

21、8阻值选配得当，喇叭便可以发出八个不同音阶。F2、模拟声响电路、模拟声响电路 用两个多谐振荡器用两个多谐振荡器组成模拟声响电路。组成模拟声响电路。适当选择定时元件，使：由于低频振荡器A的输出接高频振荡器B的复位端（4），当VO1输出高电平时，B振荡器才能振荡，VO1输出低电平时，B振荡器置0，停止振荡。因此使扬声器发出1KHZ的间歇声响信号。工作波形 通过这个例子可以作出警笛、救护等声音效果。FFVO1VO2本章介绍了各种产生和变换矩形脉冲的电路。施密特触发器有两种稳态，但状态的维持与翻转受输入信号电平的控制，所以输出脉冲的宽度是由输入信号决定的。单稳态触发器只有一个稳态，在外加触发脉冲作用下，能够从稳态翻转为暂稳态。但暂稳态的持续时间取决于电路内部的元件参数，与输入信号无关。因此，单稳态触发器可以用于产生脉宽固定的矩形脉冲波形。本章小结本章小结多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。两个暂稳态之间的转换，是由电路内部电容的充、放电作用自动进行的，所以它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。555定时器是一种用途很广的集成电路，除了能构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器以外，还可以接成各种应用电路。读者可参阅有关书籍自行设计出所需的电路。作业作业小结本章内容