數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第8章-脈沖波形的產(chǎn)生和整形課件

1、第8章 脈沖波形的產(chǎn)生與整形本章要點(diǎn) 本章將介紹常用的脈沖波形產(chǎn)生與整形電路施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。重點(diǎn)介紹這三種電路的功能、電路組成、工作原理、主要參數(shù)和應(yīng)用。你知道嗎？ 現(xiàn)代電子系統(tǒng)常常需要不同幅度、寬度以及具有陡峭邊沿的脈沖信號(hào)，如時(shí)序邏輯電路中的時(shí)鐘信號(hào)等等。獲取脈沖信號(hào)的方法通常有兩種：一種是直接產(chǎn)生，一種是利用已有的信號(hào)變換得到。8.1 概述 脈沖信號(hào)：凡是不具有連續(xù)正弦波形狀的信號(hào)，通稱為脈沖信號(hào)。 常見的脈沖信號(hào)波形 數(shù)字電路最常用的脈沖信號(hào)就是矩形脈沖。例如時(shí)鐘信號(hào)(CLK)就是一種典型的矩形波信號(hào)，它在時(shí)序電路中協(xié)調(diào)各種功能部件的工作。 脈沖周期T：周期性重

2、復(fù)的脈沖序列中，兩個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔。 描述矩形脈沖信號(hào)的參數(shù)： 矩形脈沖信號(hào)脈沖頻率f：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的脈沖重復(fù)次數(shù) 。脈沖幅值Vm ：脈沖電壓變化的最大幅度 。脈沖寬度tw ：從脈沖前沿到達(dá)0.5Vm起，到脈沖后沿到達(dá)0.5Vm為止的一段時(shí)間 。上升時(shí)間tr ：脈沖上升沿從0.1Vm上升到0.9Vm所需要的時(shí)間。下降時(shí)間tf ：脈沖下降沿從0.9Vm下降到0.1Vm所需要時(shí)間 。占空比q ：脈沖寬度與脈沖周期的比值，即 q= tw / T。 獲得脈沖信號(hào)的方法通常有2種：1）利用多諧振蕩器直接產(chǎn)生所需的脈沖信號(hào)；2）通過脈沖整形電路變換成所需的脈沖信號(hào)。1. 施密特觸發(fā)器（Schmitt

3、 Trigger）的特點(diǎn)： 施密特觸發(fā)器輸出有兩種穩(wěn)定狀態(tài)0態(tài)和1態(tài)； 施密特觸發(fā)器采用電平觸發(fā)，即它輸出是高電平還是低電平都取決于輸入信號(hào)的電平； 對(duì)于正向和負(fù)向增長(zhǎng)的輸入信號(hào)，電路有不同的閾值電平VT+ 和VT- 。當(dāng)輸入信號(hào)電壓上升時(shí)，與VT+比較，若輸入信號(hào)大于VT+，輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)；當(dāng)輸入信號(hào)電壓下降時(shí)，與VT-比較，當(dāng)輸入信號(hào)小于VT-，輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。這是與普通比較器的區(qū)別。8.2 集成門電路組成的脈沖單元電路8.2.1 由門電路組成的施密特觸發(fā)器及集成的施密特觸發(fā)器 在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，通過電路內(nèi)部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。 施密特觸發(fā)器分同相施密特觸發(fā)器和反相施密特

4、觸發(fā)器兩種 ：同相施密特觸發(fā)器 反相施密特觸發(fā)器 施密特觸發(fā)器主要參數(shù)：上限閾值電壓VT+：輸入信號(hào)電壓vI上升過程中，輸出電壓vO狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值。下限閾值電壓 上限閾值電壓 下限閾值電壓VT-：輸入信號(hào)電壓vI下降過程中，輸出電壓vO狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值。回差電壓UT：VT和VT-之間的差值 ，即UT =VT+-VT-兩次觸發(fā)電平的不一致性稱為施密特觸發(fā)器的回差特性，又叫滯遲特性，這是施密特觸發(fā)器最重要的電氣特性。由于施密特觸發(fā)器具有回差特性，與電壓比較器相比，施密特觸發(fā)器具有較強(qiáng)的抗干擾能力。施密特觸發(fā)器的回差電壓越大，電路的抗干擾能力也越強(qiáng)，但靈敏度會(huì)相應(yīng)降低。

5、 2. 用門電路組成的施密特觸發(fā)器的工作原理： 圖8-4 兩級(jí)CMOS反相器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器 將兩級(jí)反相器串接起來(lái)，同時(shí)通過分壓電阻把輸出端的電壓反饋到輸入端，就構(gòu)成了圖8-4所示的施密特觸發(fā)器電路。設(shè)反相器G1和G2均為CMOS門，其閾值電壓為VTH VDD/2，輸出高低電平分別為VOH VDD， VOL0，且R1 R2工作原理由疊加原理：當(dāng)vI0時(shí)， vo1VOH ， vo VOL0V，此時(shí)G1門的輸入電壓為 0V。當(dāng)輸入信號(hào)vI從0V逐漸升高時(shí)，G1門的輸入電壓 也相應(yīng)升高，但只要 VTH時(shí)，電路狀態(tài)維持在voVOH VDD不變。當(dāng)vI從高電平VDD逐漸下降到 VDD/2，電路的輸出保

6、持vO1 0V、vOVDD不變。而當(dāng) VDD/2 時(shí)，電路又將又將引發(fā)如下正反饋過程，即電路的狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為vO =VOL 0V下限閾值電壓：當(dāng)vI繼續(xù)下降時(shí)，只要 時(shí)，電路輸出保持穩(wěn)態(tài)不變，即vO1VDD， vO0V。電路的回差電壓為：回差電壓可通過調(diào)節(jié)R1、R2而改變，且滿足條件R1V- 時(shí)，其輸出為高電平；反之，當(dāng) V+V- 時(shí)，其輸出為低電平。邏輯符號(hào) （2）分壓器 由3個(gè)阻值為5k的電阻串聯(lián)構(gòu)成分壓器，C1和C2提供參考電壓VR1和VR2。當(dāng)5腳不外接電壓時(shí)，為 若引腳5外接固定電壓VDD時(shí)，為注意：當(dāng)引腳5不加控制電壓時(shí)，一般不可懸空，可通過一個(gè)小電容（如0.01F0.1F）接地，

7、以防止旁路高頻干擾。 （3）基本RS觸發(fā)器 由與非門Gl和G2構(gòu)成SR鎖存器，它的狀態(tài)由兩個(gè)電壓比較器的輸出來(lái)控制。其中，RD是專門設(shè)置的可從外部直接異步置0復(fù)位端，低電平有效。 （4）泄放三極管 三極管TD是集電極開路輸出三極管，為外接電容提供充、放電回路，稱為泄放三極管。G3門輸出1時(shí)TD導(dǎo)通；反之TD截止。 （5）反相器 反相器G4為輸出緩沖反相器，提高帶負(fù)載能力；同時(shí)還可隔離負(fù)載對(duì)定時(shí)器的影響，起整形作用。1接地端，GND；各管腳功能 ：2低電平觸發(fā)端，TR；3輸出端，OUTPUT，輸出電流可達(dá)200mA；4復(fù)位端，RD；5壓控端，CO；6高電平觸發(fā)端，TH；7放電端，DIS；8電源端

8、，VCC，范圍為4.518V；功能表 工作原理 ：當(dāng)RD為高電平時(shí) 當(dāng)vI1VR1且vI2VR2時(shí)，C1的輸出”0”，C2的輸出”1”，SR鎖存器Q = 0，TD導(dǎo)通，輸出為低電平；當(dāng)vI1VR2時(shí)，C1和C2的輸出均為”1”，SR鎖存器保持狀態(tài)不變，故TD和輸出的狀態(tài)也均不變；當(dāng)vI1VR1且vI2 VR1且vI2VR2時(shí)，C1和C2的輸出均為”0”，SR鎖存器Q = Q=1，TD截止，輸出為高電平；628.3.2 555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器 555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路 構(gòu)成： 2腳和6腳連一起接輸入信號(hào)vI； 4腳和8腳連一起接電源電壓VCC； 5腳通過0.01F的電容和1腳一

9、起接地； 7腳懸空，3腳輸出。vIVCC/3工作原理： 輸入信號(hào)vI從0逐漸升高的過程： 輸出高電平VCC/3vI2VCC/3輸出低電平VCC/32VCC/3上限閾值電壓為電壓傳輸特性 輸入信號(hào)vI從vI 2VCC/3逐漸下降的過程： 輸出低電平vI2VCC/3VCC/3vI2VCC/3保持低電平輸出高電平vIVCC/3VCC/32VCC/301導(dǎo)通放電2VCC/3保持穩(wěn)態(tài)時(shí)6腳為低vI為高電平，大于VCC/3 vI下降沿觸發(fā)，電路由穩(wěn)態(tài)(6腳為低)轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)： vI為低電平，小于VCC/301充電電路進(jìn)入暫態(tài)波形圖 VCC/32VCC/3VCC/31導(dǎo)通02VCC/30典型應(yīng)用電路：延遲時(shí)間

10、為：光控照明燈電路15326784CB555Fm01.0VccKR12.2k10kK1EL220VC1C2VDR2R3VLVTL12MFm7.4R42.2k【例1】魚缸水溫自動(dòng)加熱電路如圖所示，RT是正溫度系數(shù)熱敏電阻器。用555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，設(shè)定加熱時(shí)間為11s，試分析該電路的工作原理以及給出R和C的設(shè)計(jì)值。魚缸自動(dòng)加熱電路解：正常溫度，RT較大，2腳輸入高電平，3腳輸出低電平；水溫下降，RT減小，2腳輸入低電平，3腳輸出高電平，VL亮，K線圈通電，觸點(diǎn)K1閉合，加熱；經(jīng)過tW=11s時(shí)間，3腳輸出低電平，線圈斷電，觸點(diǎn)K1斷開，停止加熱。由選R =1M， C =10F8.3.4

11、 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路構(gòu)成： 2腳和6腳接在一起與電容、電阻相接； 4腳和8腳連一起接電源電壓VCC； 5腳通過0.01F的電容和1腳一起接地； 7腳與電阻相接，3腳輸出。工作原理：首次充電過程，設(shè)vC=00充電1輸出高電平充電至2VCC/30截止0導(dǎo)通1放電至VCC/3放電過程再充電過程1電路就在VCC/3和2VCC/3之間不停的進(jìn)行充電和放電，在輸出端產(chǎn)生周期性的矩形波。 參數(shù)估算： 電路的振蕩周期為 振蕩頻率為 注意：通過改變電阻R1 、R2和電容C的大小就可以改變振蕩的頻率。用CB555組成的多諧振蕩器最高振蕩頻率約500kHz。輸出脈沖的占空比 電路輸出脈沖的占空比始終大于50% 占空比可調(diào)的多諧振蕩器電容充電回路電容放電回路3腳輸出方波脈沖占空比q的調(diào)節(jié)范圍 注意：R1和 R2取值越小，占空比調(diào)節(jié)范圍越大。但R1和 R2不能取消。若電位器RP旋到最左或最右的極端位置時(shí)，忽略二極管VD的正向?qū)娮?，理論上占空比可?調(diào)至100%，但事實(shí)上電路會(huì)停振。