数字电路设计脉冲电路与整形电路

若 通 电 后 Q 0 T D 导 通 U D I S 0 U U C C 2 1 1 1 Q 0 保 持
若 通 电 后 Q1 T D 截 止 C 充 电 至 U D IS2 3V C C U C 10 Q0 T D 导 通 C 放 电 U U C C 2 1 1 1 Q 0保 持
2.脉冲电路
脉冲有各种各样的用途，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。
脉冲的原意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.矩形脉冲的基本特性
tr
tf
0.9Um
0.5Um 0.1Um
Um
tw T
（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。
电路的工作波形
uI
2 3 VCC
1 3
VCC
O
t
uO
U OH
U OL
O
t
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
（2）脉冲幅度Um：脉冲电压的最大变化幅度。
（3）脉冲宽度 一段时间。
：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
（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。
电荷，是稳态的标志。
触发时，UI=1，UO1=0，由于电容C两端的电压在触发瞬间不能突变，所以UI2=0， 使UO=1。故有暂态UO=1。 接下来，电容C充电，充电回路为VDD→R→C→UO1 ，充电使UI2升高。当UI2升高 到G2门的阈值电压VTH时，UO突跳为0，电路返回到自然稳态：UO=0。
当UO=0时， =0，UI=0（UI为窄脉冲，触发高电平此时已经消逝）， 所以UO1从“0”突跳为“1”（即上升了VDD）；由于电容C两端的电压 瞬间不能突变，所以UI2也应该从VTH突跳为VTH+VDD，但实际上由于G2 门输入端有钳位二极管，所以UI2实为VDD＋0.7V。
u I↑ uO1↓ u I2↓ uO↑
uI
0.01F
VCC
8
4
5kΩ
U R1 5
＋
－C1
u C1
6
G1
&Q
2 U R2
5kΩ
＋
－C2
5kΩ
&
&
uC2 G2 Q G3
TD
7
1
1
uO
3
G4
VCC
84
uI
6
555 3
uO
2
15 0.01µF
(a)电路图
(b)简化电路图
图 555定时器构成的施密特触发器
电路的电压传输特性曲线
uO
UOH
当
uI
1 3 VCC
第七章 脉冲波形的产生和整形电路
一、本章内容
7.1 概述 7.2 555定时器 7.3 施密特触发器 7.4 单稳态触发器 7.5 多谐振荡器 7.6 用Multisim 分析555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）。
由此可求出上升过程中电路发生转换时的输入电平VT+ 。
U IV T H R 1 R 2 R 2U IR 1 R 2 R 2V T
V TR 1R 2 R 2V TH (1 R R 1 2)V TH
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=UOL≈0。由 此可求出此电路在UI下降过程中的负向阈值电压VT－。
1 3 VCC
uO
TD
0
导通
0
导通
不变 不变
1
截止
1
截止
3 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 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：
一是滞回特性，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。
二是电平触发，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。 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。
U IV T H V D D (D V D V T )R 1 R 2 R 2
V TR1R 2R2V TH R R1 2V DVD UTI+
VT (1R R12)VT H
ΔVT＝VT+-VT－＝ 2
R1 R2
VTH
VT-
UO UOH
t
UOL
0
t
3）电压传输特性
uo
U T UOH
1
uI
u O
U OL
1 .门电路构成的单稳态触发器
1）电路结构
VDD
uI C1 ud
G1 ≥1 uO1 C
R G2
1
uO
R1
- uc+
uI2
微分型单稳态触发器
2） 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。
接通电源VDD，不触发时，UI=0，而UI2=VDD=1，所以UO=0。故有自然稳态：UO=0。 此时 =0，UO1=1≈VDD 。自然稳态时，电容C两端均为VDD ，C中无电荷。C中无
uI 1
uo
uI
UT+
UT-
O
t
uO
uI 1uouI源自UT+UT-
uOO
t
O
(a)
t
O
t
(b)
uI 1
uo
uI
UT+
UT-
0
t
uO
0
t
(c)
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。
（2）输出脉冲幅度Um： U m U O H U O L V D D
（3）恢复时间tre：
tre3~5RC
（4）分辨时间Td
Td tWtre T m in tWtre
（5）最高工作频率：
fmax
1 Tmin
1 tWtre
555定时器构成的单稳态触发器
将555定时器的触发输入端UTR作为触发信号输入端，将由TD和RDIS构 成的反相器输出电压UDIS接至阈值输入端UTH，并在阈值输入端UTH对 地接入电容C。
1
8
2
7
555
3
6
4
5
VCC DISC TH CO
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。
555定时器功能表
输入
输出
RD
0 1 1 1 1
u I1 u I2
×
×
2 3 VCC
2 3 VCC
2 3 VCC
2 3
V
C
C
1 3 VCC
1 3 VCC
1 3 VCC
o
U TH
u VDD I
滞回特性提高 了施密特触发
图 同相输出施密特触发器的电压传输特性和逻辑符号 器的抗干扰能
uo
力
U T
UOH
U OL
o
U TH
u VDD I
1
uI
图 反相输出施密特触发器的电压传输特性和逻辑符号
u O1
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。
2 .555定时器
VC比C 较器 RD
基本RS触发器
8
UCO
uI1
(TH )
u I2
( TR )
U R1 5 6
2 U
R2
5kΩ
＋
C
－
1
5kΩ
＋
－C 2
u
′
O
（DISC） 7
5kΩ TD
1
4 G1
uC1 && Q