信息與通信數(shù)字電路與邏輯電路設(shè)計(jì)脈沖波形產(chǎn)生與整形

信息與通信數(shù)字電路與邏輯電路設(shè)計(jì)脈沖波形產(chǎn)生與整形第1頁(yè)/共57頁(yè)

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。①脈沖周期T：周期性重復(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)②脈沖頻率f：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的脈沖重復(fù)次數(shù)。③脈沖幅值Vm

：脈沖電壓變化的最大幅度。④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。第2頁(yè)/共57頁(yè)⑤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。⑥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。⑦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)的方法通常有兩種：一種方法是利用多諧振蕩器直接產(chǎn)生所需的脈沖信號(hào)；另一種方法是通過(guò)脈沖整形電路變換成所需的脈沖信號(hào)。第3頁(yè)/共57頁(yè)P(yáng)roteusISIS是英國(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。它運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)是：具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真和分析相結(jié)合ProteusISIS程序d的用戶界面第4頁(yè)/共57頁(yè)7.2555定時(shí)器555定時(shí)器是一種兼容模擬和數(shù)字電路于同一硅片的混合中規(guī)模集成電路。國(guó)外典型的產(chǎn)品型號(hào)有NE555、LM555、XR555、CA555、RC555、LC555等，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品型號(hào)有CB555、SL555、FX555、FD555等。7.2.1555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)管腳圖內(nèi)部電路第5頁(yè)/共57頁(yè)555定時(shí)器組成：①電壓比較器C1和C2是兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的高精度電壓比較器。當(dāng)比較器的V+>V-

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)第6頁(yè)/共57頁(yè)②分壓器

由3個(gè)阻值為5kΩ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(guò)一個(gè)小電容（如0.01μF~0.1μF）接地，以防止旁路高頻干擾。第7頁(yè)/共57頁(yè)（3）SR鎖存器

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(kāi)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。第8頁(yè)/共57頁(yè)1－接地端，GND；各管腳功能：7.2.2555定時(shí)器的管腳用途及工作原理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，VCC，范圍為4.5~18V；第9頁(yè)/共57頁(yè)功能表工作原理：當(dāng)RD為高電平時(shí)①當(dāng)vI1>VR1且vI2>VR2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；第10頁(yè)/共57頁(yè)②當(dāng)vI1<VR1且vI2>VR2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；③當(dāng)vI1<VR1且vI2<VR2時(shí)，C1的輸出為”1”，C2的輸出為“0”，SR鎖存器Q=1，TD截止，輸出為高電平；第11頁(yè)/共57頁(yè)④當(dāng)vI1>VR1且vI2<VR2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；第12頁(yè)/共57頁(yè)555定時(shí)器能在很寬的電源電壓范圍內(nèi)工作，并可承受較大的負(fù)載電流，可直接驅(qū)動(dòng)繼電器、發(fā)光二極管、揚(yáng)聲器、指示燈等，但其靜態(tài)功耗較大。CMOS型7555定時(shí)器的電源電壓2~18V，靜態(tài)功耗小，但最大的負(fù)載電流是在4mA以下。型號(hào)供電電流工作電壓上升、下降沿時(shí)間3腳驅(qū)動(dòng)電流755560~300μA2~18V40ns2mA5553~5mA4.5~18V100ns200mA555和7555定時(shí)器性能比較555定時(shí)器的應(yīng)用十分廣泛，由它可構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器等脈沖單元電路。第13頁(yè)/共57頁(yè)7.3施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器（SchmittTrigger）是具有回差特性的數(shù)字傳輸門，其特點(diǎn)：①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)；②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；③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。第14頁(yè)/共57頁(yè)

施密特觸發(fā)器分同相施密特觸發(fā)器和反相施密特觸發(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)：①上限閾值電壓VT+：輸入信號(hào)電壓vI上升過(guò)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。上限閾值電壓第15頁(yè)/共57頁(yè)②下限閾值電壓VT-：輸入信號(hào)電壓vI下降過(guò)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③回差電壓△VT：VT＋和VT-之間的差值，即△VT=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。第16頁(yè)/共57頁(yè)7.3.1555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：①2腳和6腳連一起接輸入信號(hào)vI；②4腳和8腳連一起接電源電壓VCC；③5腳通過(guò)0.01μF的電容和1腳一起接接地；④7腳懸空，3腳輸出。第17頁(yè)/共57頁(yè)vI<VCC/3工作原理：①輸入信號(hào)vI從0逐漸升高的過(guò)程：101vI<VCC/301輸出高電平第18頁(yè)/共57頁(yè)VCC/3<vI<2VCC/311101保持高電平VCC/3<vI<2VCC/3vI>2VCC/3vI>2VCC/301010輸出低電平第19頁(yè)/共57頁(yè)VCC/32VCC/3上限閾值電壓為電壓傳輸特性第20頁(yè)/共57頁(yè)②

輸入信號(hào)vI從vI>2VCC/3逐漸下降的過(guò)程：010vI>2VCC/310輸出低電平vI>2VCC/3第21頁(yè)/共57頁(yè)VCC/3<vI<2VCC/311010保持低電平VCC/3<vI<2VCC/3vI<VCC/3vI<VCC/310101輸出高電平第22頁(yè)/共57頁(yè)下限閾值電壓為VCC/32VCC/3電壓傳輸特性電路的回差電壓為反向施密特觸發(fā)器第23頁(yè)/共57頁(yè)VCC/32VCC/3波形圖第24頁(yè)/共57頁(yè)7.3.2集成施密特觸發(fā)器

集成施密特觸發(fā)器應(yīng)用廣泛，它有TTL和CMOS兩大系列。TTL的集成施密特觸發(fā)器的型號(hào)較多，如74LS13/7413、74LS18/7418、74LS19/7419、74LSl4/7414等等，COMS的集成施密特觸發(fā)器的型號(hào)有40106、4093、4584等。管腳圖邏輯符號(hào)輸出邏輯式：第25頁(yè)/共57頁(yè)7.3.3施密特觸發(fā)器的應(yīng)用1．波形變換

利用施密特觸發(fā)器的回差特性，可以將輸入三角波、正弦波、鋸齒波等緩慢變化的周期信號(hào)變換成矩形脈沖輸出。利用施密特觸發(fā)器將正弦波變換成方波第26頁(yè)/共57頁(yè)2．脈沖整形

在數(shù)字系統(tǒng)中，當(dāng)矩形脈沖在傳輸過(guò)程中發(fā)生畸變或受到干擾而變得不規(guī)則時(shí)，可利用施密特觸發(fā)器的回差特性將其整形，進(jìn)而獲得比較理想的矩形脈沖波。利用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)脈沖整形第27頁(yè)/共57頁(yè)3．脈沖鑒幅

由于施密特觸發(fā)器的狀態(tài)取決于輸入信號(hào)電平的高低，因此可通過(guò)調(diào)整電路的VT+

和VT–來(lái)鑒別輸入脈沖的幅度。利用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)脈沖鑒幅第28頁(yè)/共57頁(yè)4．用于自動(dòng)控制系統(tǒng)

施密特觸發(fā)器的輸出狀態(tài)有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)可以由輸入狀態(tài)來(lái)控制。同時(shí)有兩個(gè)不同的觸發(fā)門限VT+

和VT–

，這樣可以避免控制系統(tǒng)在一個(gè)比較門限臨界點(diǎn)頻繁地跳變。所以施密特觸發(fā)器被經(jīng)常使用在簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。光控照明燈電路繼電器的線圈第29頁(yè)/共57頁(yè)7.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（one-shotmonostablemultivibrator），又稱單穩(wěn)態(tài)振蕩器（MonostableMultivibrator），是廣泛應(yīng)用于脈沖整形、延時(shí)和定時(shí)的常用電路。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點(diǎn)：①

有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個(gè)不同的工作狀態(tài)；②

在外界觸發(fā)脈沖的作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時(shí)間以后，再自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)；③暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長(zhǎng)短取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無(wú)關(guān)。第30頁(yè)/共57頁(yè)

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有下列主要參數(shù)：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸入、輸出波形（1）輸出脈沖寬度tW

輸出電壓維持暫穩(wěn)態(tài)的時(shí)間。此時(shí)間由電路本身的參數(shù)，而與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無(wú)關(guān)。（2）最小工作周期Tmin

由于在暫穩(wěn)態(tài)期間，電路不響應(yīng)觸發(fā)信號(hào)。因此。兩個(gè)觸發(fā)信號(hào)之間的最小時(shí)間間隔為觸發(fā)信號(hào)的最小工作周期，且Tmin>tw。Tmin第31頁(yè)/共57頁(yè)7.4.1555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路構(gòu)成：①2腳輸入觸發(fā)信號(hào)vI；②4腳和8腳連一起接電源電壓VCC；③5腳通過(guò)0.01μF的電容和1腳一起接接地；④6腳和7腳接在一起與電容、電阻相接，3腳輸出。第32頁(yè)/共57頁(yè)工作原理：①無(wú)觸發(fā)輸入信號(hào)（vI為高電平）時(shí)電路的工作狀態(tài)：vI為高電平，大于VCC/3101導(dǎo)通若輸出為低電平0放電11保持第33頁(yè)/共57頁(yè)若輸出為高電平vI為高電平，大于VCC/31110截止充電，至2VCC/30010導(dǎo)通放電第34頁(yè)/共57頁(yè)②

vI下降沿觸發(fā)，電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)：vI為低電平，小于VCC/3001101截止充電電路進(jìn)入暫態(tài)波形圖第35頁(yè)/共57頁(yè)③

vI暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間：充電，至2VCC/31001導(dǎo)通波形圖脈沖寬度放電至0通常R的取值在幾百歐姆到幾兆歐姆之間，電容的取值范圍在幾百皮法到幾百微法。第36頁(yè)/共57頁(yè)7.4.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

由于脈沖整形、延時(shí)和定時(shí)的需要，出現(xiàn)TTL和CMOS的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。除了定時(shí)電阻和定時(shí)電容外接之外，整個(gè)單穩(wěn)電路都集成在一個(gè)芯片之中。它具有定時(shí)范圍寬、穩(wěn)定性好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用。

集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器根據(jù)電路及工作狀態(tài)的不同，分為非可重觸發(fā)和可重觸發(fā)兩種類型非可重復(fù)觸發(fā)型可重復(fù)觸發(fā)型74121、7422174122、74123第37頁(yè)/共57頁(yè)非重復(fù)觸發(fā)器的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121簡(jiǎn)介管腳圖功能表說(shuō)明：74121為A下降沿和B上升沿都可以觸發(fā)，其輸出脈沖的寬度為：取2~30kΩ取10pF~10μF200ns~200ms第38頁(yè)/共57頁(yè)注意：74121的內(nèi)部設(shè)置得電阻Rint（約為2kΩ）可取代外接的Rext。使用外接電阻的74121的外部連線圖使用內(nèi)接電阻的74121的外部連線圖上升沿觸發(fā)下升沿觸發(fā)第39頁(yè)/共57頁(yè)7.4.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用1．脈沖整形

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能夠把不規(guī)則的輸入信號(hào)vI，整形成為幅度和寬度都相同的標(biāo)準(zhǔn)矩形脈沖vO。vO的幅度取決于單穩(wěn)態(tài)電路輸出的高、低電平，寬度決定于暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間tW。利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)脈沖整形第40頁(yè)/共57頁(yè)2．延時(shí)或定時(shí)

由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一經(jīng)觸發(fā)，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)的時(shí)間由外接元件R、C決定。調(diào)節(jié)R、C可產(chǎn)生比觸發(fā)脈沖寬度長(zhǎng)得多的暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間。因此，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器常用于定時(shí)或延時(shí)。光控照明燈電路延遲時(shí)間為：第41頁(yè)/共57頁(yè)【例1】魚(yú)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(yú)缸自動(dòng)加熱電路解：①正常溫度，RT較大，2腳輸入高電平，3腳輸出低電平；②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；③經(jīng)過(guò)tW=11s時(shí)間，3腳輸出低電平，線圈斷電，觸點(diǎn)K1斷開(kāi)，停止加熱。由選R=1MΩ，C=10μF第42頁(yè)/共57頁(yè)7.5多諧振蕩器

多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源后，不需要外加觸發(fā)信號(hào)，便能自動(dòng)產(chǎn)生矩形波形。由于矩形波中含有高次諧波故把矩形波振蕩器叫做多諧振蕩器。特點(diǎn)：①

電路的輸出高電平和低電平的切換是自動(dòng)進(jìn)行的，不需要外界的觸發(fā)信號(hào)；②多諧振蕩器工作時(shí)沒(méi)有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，屬于無(wú)穩(wěn)態(tài)電路。多諧振蕩器主要參數(shù)①

電路振蕩周期T和頻率f；②輸出信號(hào)的占空比q。第43頁(yè)/共57頁(yè)7.5.1555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：①2腳和6腳接在一起與電容、電阻相接；②4腳和8腳連一起接電源電壓VCC；③5腳通過(guò)0.01μF的電容和1腳一起接接地；④7腳與電阻相接，3腳輸出。第44頁(yè)/共57頁(yè)工作原理：①首次充電過(guò)程，設(shè)vC=0波形圖001101截止充電輸出高電平第45頁(yè)/共57頁(yè)②放電過(guò)程充電至2VCC/301010導(dǎo)通放電輸出低電平第46頁(yè)/共57頁(yè)③再充電過(guò)程放電至VCC/301101輸出高電平截止充電電路就在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。第47頁(yè)/共57頁(yè)參數(shù)估算：①電路的振蕩周期為②振蕩頻率為

注意：通過(guò)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。第48頁(yè)/共57頁(yè)③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)的多諧振蕩器第49頁(yè)/共57頁(yè)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?，理論山占空比可?調(diào)至100%，但事實(shí)上電路會(huì)停振。為預(yù)防在極端位置時(shí)電路停振，設(shè)置小電阻R1、R2與RP串聯(lián)第50頁(yè)/共57頁(yè)【例】如圖所示是用兩片555定時(shí)