数字电路设计 脉冲电路与整形电路

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。
R2
G1
uI
R1
1
uA
G2
1
uO
u O1
图 CMOS反相器构成的施密特触发器
2）工作原理
R2
R1
UI
UI G1
UO1
G2
UO
当输入UI为0V时，G1截止、G2导通，输出UO为0V， ≈0 。 当输入电压UI逐渐上升到 =VTH时，G1进入电压特性的转折 区，所以电路将发生如下正反馈： U I↑→UO1↓→UO↑ 使电路迅 速跳变到 UO=VOH ≈ VDD。
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 HR 1R 2 R 2U IR 1R 2 R 2V T
V TR1R 2R2V TH (1 R R1 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
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
V
CC
2 3 VCC
2 3 VCC
1 3 VCC
1 3
V
C
C
1 3 VCC
时，比较器C1的输出uC1=1，C2 的输出uC2=0，基本RS触发器
置1，输出uO为高电平。
UOL 0
31VCC 32VCC
uI
当
1 3VCC uI
2 3VCC
时，比较器C1和C2的输出均 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
当u I
2 3 VCC
时，比较器C1输出为0，C2的输出为1，基本RS触发器置0，输出uO为低电平
触 发 时 U I
只 要 U I降 至 1 3V C C ,则 U U C C 2 1 1 0 Q 1 ,T D 截 止 C 开 始 充 电
当 U D I S 充 至 2 3 V C C 时 （ 假 定 此 时 U I 已 经 回 到 高 于 1 3 V C C ） 则 U U C C 1 2 0 1 Q 0 ,T D 导 通 C 开 始 放 电 至 0 U U C C 2 1 1 1 Q 0 保 持
如果uI从高于 2 3
V
CC
的电压逐渐下降，当 13VCC uI 23VCC
时，比较器C1 和C2的输出均为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u I
1 3
V
C
C
时，比较器C1输出为1，C2的输出为0，基本RS触发器置1，输出 uO为高电平。
所以施密特触发器的回差电压为： U T U T U T 2 3 V C C 1 3 V C C1 3 V C C
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。
接下来，电容C开始放电，放电回路有两条，分别为UI2→R→VDD和 UI2→G2→VDD ，放电使UI2下降，当UI2下降到等于VDD时（此时，C两端 均为VDD，C中无电荷），电路稳定，保证UO=0。
uI2↑ u O↓ uO↑1
微分型单稳态触发器的工作波形
UTH
主要参数估算： （1）输出脉冲宽度tW： tW R C lnV V D D D D U 0 T HR C ln20 .6 9 R C
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↑
uo 1
0 VT－ VT＋ ui 传输特性
逻辑符号
在此，称VT+为正向阈值电压，VT－为负向阈值电 压。显然，施密特触发器的正向和负向阈值电压
是不等的，定义二者之差ΔVT为回差电压，即 ΔVT= VT+－VT－。
1.门电路构成的施密特触发器 1）电路结构
假定图中CMOS反相器的阈值电压为VTH ≈1/2VDD，设电阻 R1＜R2。
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）。
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。
（2）输出脉冲幅度Um： U mU O HU O LV D D
（3）恢复时间tre：
tre 3~5RC
（4）分辨时间Td
Td tWtre Tm 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。
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
uI 1
uo
uI
UT+
UT-
O
t
uO
uI 1
uo
uI
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。
uI
UT+
UT-
O
t
uI
1
uo
uo
O
t
图 施密特触发器应用于波形变换
2.用于波形的整形
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，矩形波的上升沿和下降沿都会明显地被延缓，如图（a）所示。当传输线较 长，且接收端的阻抗与传输线的阻抗不匹配，则在波形上升沿和下降沿会产生阻 尼振荡，如图（b）所示。当其它脉冲波通过导线间的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的噪声，如图（c）所示。
Vcc
R
8
4
5KΩ
uR1
5
＋ uC1
C1
＆Q
－
6
G1
5KΩ
uI
0.01μF
2
uR2
＋ uC2
－C2
5KΩ
uC 7
TD
＆
＆
Q G2
G3
C1
1
uO
3 G4
R VCC
7 84
uC
6
C
555 3
uO
uI
2 51
0.01µF
(a)电路图
(b)简化电路图
如 果 没 有 触 发 信 号 时 U I 1 ( 1 3 V C C 即 可 ， U C 2 1 )
1 3
V
C
C
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。
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 TD截 止 C充 电 至 UD IS2 3V CC U C10 Q0 TD 导 通 C放 电 U U C C 2 1 1 1 Q0保 持
那 么 稳 态 时 ： U C 1 U C 2 1 , Q 0 , U O 0 , T D 导 通
U IV T H V D D (V D D V T )R 1 R 2 R 2
VTR1R 2R2VTH R R1 2VDD VUTI+
VT (1RR12)VTH
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
o
U TH
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 Leabharlann Baidu2
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
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。
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
&&
&&
uC2 G2 Q G3
输出缓
冲器
GND
11
uO TR
3
OUT
G4
RD
OC输出的三极管
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。
uI
UT+
UT-
uI
1
uO
0
t
uO
O
t
4.单稳态触发器
施密特触发器是双稳态电路，有0、1两个稳态，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 （0态或1态）和一个暂稳态，在外加输入信号的作用下电路由 稳态翻转到暂稳态，保持一段时间后又自动返回原来的稳态。 单稳态触发器的输出通常为宽度恒定的脉冲信号，而暂稳态的 时间仅取决于电路自身的相关参数。