計算電路基礎(chǔ)計電二版第8章ppt課件

1、計算機(jī)電路根底(第二版) 第第8章章 脈沖與脈沖電路脈沖與脈沖電路 n本章提要本章提要n脈沖和脈沖電路是數(shù)字電路的根底。本章脈沖和脈沖電路是數(shù)字電路的根底。本章首先引見脈沖波形及其參數(shù)，繼而討論首先引見脈沖波形及其參數(shù)，繼而討論RC電路的充放電規(guī)律及其運(yùn)用，最后討論了電路的充放電規(guī)律及其運(yùn)用，最后討論了晶體管的開關(guān)特性以及非正弦信號頻譜。晶體管的開關(guān)特性以及非正弦信號頻譜。n脈沖信號是指短暫的時間間隔內(nèi)作用于電脈沖信號是指短暫的時間間隔內(nèi)作用于電路的電壓或電流。廣義而言，凡按非正弦路的電壓或電流。廣義而言，凡按非正弦規(guī)律變化的電壓和電流都可稱為脈沖波。規(guī)律變化的電壓和電流都可稱為脈沖波。8.1

2、 脈沖波形及其參數(shù)脈沖波形及其參數(shù)n脈沖波形多種多樣，準(zhǔn)確地描畫一個脈沖波形比描畫正弦波需求更多的參數(shù)。n1常見的脈沖波形n一個不斷開合的電鍵，會在負(fù)載上產(chǎn)生一串矩型脈沖電壓波形見圖8-1。脈形波形很多，常見的還有方波、梯形波、鋸齒波、三角波等，如圖8-2所示。EKRuRtU0t1t2t3t4t5t5 圖8-1 簡單的脈沖電路 a電路；b脈沖波形a b(a) (b) (c) (d) 圖8-2 幾種常見脈沖波形a方波；b梯形波；c鋸齒波；d三角波n2波形的主要參數(shù)波形的主要參數(shù)n理想的脈沖波形只需三個參數(shù)，如圖理想的脈沖波形只需三個參數(shù)，如圖8-3a所示，所示，即脈沖幅度即脈沖幅度E，脈沖周期，

3、脈沖周期T和脈沖寬度和脈沖寬度TW。 ETWTTW tr tf E0.1E0.5E0.9ETa b 圖8-3 脈沖波形的參數(shù) a理想脈沖波形；b實踐脈沖波形及其參數(shù)n實踐的脈沖波形要復(fù)雜一些，描畫它的參數(shù)有以下幾種，參見圖8-3。n1脈沖幅值E脈沖從起始值到峰值之間的變化量稱為脈沖幅值。n2脈沖上升時間tr指脈沖由起始值上升到峰值所需時間，但較嚴(yán)厲的定義是由0.1E上升到0.9E所需求的時間，tr愈短，脈沖上升得越快。n3脈沖下降時間tf指脈沖在脈沖后沿由0.9E下降至0.1E所需時間，tf愈短，脈沖下降得越快。n4脈沖周期T對于周期性反復(fù)脈沖，指前后相鄰脈 沖的間隔時間，其倒數(shù)為脈沖反復(fù)的頻

4、率。n5脈沖寬度TW指脈沖前沿與脈沖后沿的0.5E處兩 點(diǎn)間的時間間隔，又稱脈沖繼續(xù)期。n6占空比指脈沖寬度TW與脈沖周期T的比值，有=TW/ Tn 7前沖指脈沖前沿越過E的部分。n8后沖指脈沖后沿低過起始值的部分。n普通希望和越小越好。8.2 RC電路的過渡過程電路的過渡過程 利用RC電路的充放電過程，可以對脈沖波形進(jìn)變換。8.2.1 電容的充放電景象電容的充放電景象n如圖8-4所示電容充放電電路，設(shè)開關(guān)S在位置“2時，電容C未儲存電荷，兩端電壓uc= 0，當(dāng)開關(guān)S從“2位置轉(zhuǎn)換到位置“1時，電路接通，電源G對電容C充電。其動態(tài)過程是：當(dāng)電路接通電源瞬間，t = 0+由于電容C上無電荷，其兩

5、端電壓uC為零，相當(dāng)于短路，此時，充電電流ic(t)最大，為ic(t)= (E uC)/R，E為電源G的電動勢，電阻兩端電壓uR=E。隨著時間的推移，電容器上電荷逐漸積累，其兩端電壓uC也逐漸升高，充電電流ic(t)=卻隨之下降，同時uR也隨之下降。待到電容電荷充溢，電容兩端電壓到達(dá)最大值，即uC=E，充電電流降為零，uR也為零，電容充電終了，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。以上過程的充電曲線見圖8-4b。充電過程可以用數(shù)學(xué)作以下的描畫 R uc uc S E E 1 2 C G 0 t 0 ta b c 圖圖8-4 電容充放電電路和充放電曲線電容充放電電路和充放電曲線a電容充放電電路；電容充放電電路；b充電曲

6、線；充電曲線；c放電曲線放電曲線n E = Ri(t) + uc(t)n而i(t) =，故有微分方程n 8-1n分別變量得n 解得n n t0)1(cRCteEuRCteREtuCtidd)(cc) 0(cRtEeuEuRCtEutuCRccddtRCEuEud1)()(dccn電容器充電終了后，假設(shè)把開關(guān)S轉(zhuǎn)換到位置“2，那么電容會經(jīng)過電阻R放電，電容放電電流和充電電流方向相反。仿照上述分析方法分析放電過程可得n t0 8-2nuct隨t變化的曲線，稱為放電曲線，見圖8-4c。n充電過程和放電過程都是動態(tài)過程，也稱為過渡過程。nRC稱為充放電時間常數(shù)，用表示,越大，充電或放電時間越長。普通為

7、34。8.2.2 RC電路的運(yùn)用nRC電路是脈沖波形變換的根本電路，堅持脈沖波形在傳輸過程中減少失真也常用到RC電路。下面對此作一簡介。n1RC微分電路n如圖8-5a所示的RC電路，輸入端加一理想方波，輸出電壓uo由電阻兩端取出。假設(shè)時間常數(shù)t1電容上電壓按指數(shù)規(guī)律快速上升，輸出電壓電容上電壓按指數(shù)規(guī)律快速上升，輸出電壓uo隨之按指數(shù)規(guī)隨之按指數(shù)規(guī)律相應(yīng)地下降。當(dāng)時間經(jīng)過律相應(yīng)地下降。當(dāng)時間經(jīng)過34時，電容充電已滿，電容時，電容充電已滿，電容電壓接近穩(wěn)態(tài)值電壓接近穩(wěn)態(tài)值um，輸出電壓，輸出電壓uo相應(yīng)地下降為零。相應(yīng)地下降為零。RC的值愈小，上述過程進(jìn)展得越快，輸出的正尖脈沖也愈窄。的值愈小，

8、上述過程進(jìn)展得越快，輸出的正尖脈沖也愈窄。n當(dāng)當(dāng)t =t2時，輸入電壓時，輸入電壓uI由由um向下跳變到向下跳變到0，這樣，整個電路，這樣，整個電路在輸入端忽然被短路，電容兩端電壓全部加到電阻在輸入端忽然被短路，電容兩端電壓全部加到電阻R上，此上，此時電容的正端恰好接地，那么時電容的正端恰好接地，那么uo=-um。接著電容沿。接著電容沿RC回路回路放電，其端電壓放電，其端電壓uc按指數(shù)規(guī)律減小，輸出電壓按指數(shù)規(guī)律減小，輸出電壓uo那么按指數(shù)那么按指數(shù)規(guī)律上升，同樣，經(jīng)過時間規(guī)律上升，同樣，經(jīng)過時間34，放電終了，輸出端得到，放電終了，輸出端得到一個負(fù)的尖脈沖。一個負(fù)的尖脈沖。n要將輸入端矩形波

9、變?yōu)榧饷}沖，要求= 0.1Tw0.2Tw。n比較輸出與輸入電壓間的關(guān)系，顯然有nuo(t)由于當(dāng)uI從0跳到Vm，那么，即構(gòu)成正向沖激尖脈沖，當(dāng)uI又從um降到0時，n那么-，構(gòu)成負(fù)向沖激尖脈沖。這就是“微分電路稱謂的來由。n2RC積分電路積分電路n假設(shè)將假設(shè)將RC電路的輸出取自電容兩端，如圖電路的輸出取自電容兩端，如圖8-6a所示，而所示，而且且 Tw，那么稱此電路為積分電路，它能將輸入矩形脈沖，那么稱此電路為積分電路，它能將輸入矩形脈沖變?yōu)殇忼X波。變?yōu)殇忼X波。n在在t=t1時，輸入電壓時，輸入電壓uI由由0突變到突變到um，類似前面的分析。電容，類似前面的分析。電容兩端電壓不能突變，兩端電

10、壓不能突變，uc0=0。當(dāng)。當(dāng)Tw+t1t t1時，電容充時，電容充電，由于電，由于 Tw,Uc雖按指數(shù)規(guī)律上升，但速度緩慢，近似于雖按指數(shù)規(guī)律上升，但速度緩慢，近似于一斜升直線。在一斜升直線。在t=t2時，電容器上電荷尚未充溢，時，電容器上電荷尚未充溢，ucTW，在t1 t2期間，uc變化很小一個，而uo只上升一個，VoE。n當(dāng)tt2時，ui又從0上跳到E，uo也隨之上跳，添加了E幅值，Vo，輸出波形出現(xiàn)幅度為的上沖，二極管VD又導(dǎo)通，C又很快充電終了，uo迅速接指數(shù)規(guī)律下降為0。n以后再周期性的反復(fù)，輸出波形構(gòu)成鉗位于零電平的矩形波。n放電回路電阻R愈大，放電時間常數(shù)愈長，輸出波形上構(gòu)成的

11、上沖幅度V愈小，波形失真也愈小。n從以上分析可知：n1二極管導(dǎo)通時起鉗位作用，二極管截止時，電路起耦協(xié)作用。n2輸出波形和輸入波形相比略有失真，這是由于電路中電容的充、放電引起的，產(chǎn)生了的偏向，充越小，放愈大，這種失真就越小。n從以上分析可知：n1二極管導(dǎo)通時起鉗位作用，二極管截止時，電路起耦協(xié)作用。n2輸出波形和輸入波形相比略有失真，這是由于電路中電容的充、放電引起的，產(chǎn)生了的偏向，充越小，放愈大，這種失真就越小。 8.3.3 三極管開關(guān)特性n我們已在第三章中討論了晶體三極管。晶體三極管有三個任務(wù)區(qū)域，即截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。在脈沖與數(shù)字電路中，常用三極管作為開關(guān)器件，利用它所具有的截止與

12、飽和任務(wù)形狀，使電路進(jìn)展快速換接，在電路的轉(zhuǎn)換過程中所表達(dá)出來的特性就是三極管的開關(guān)特性。n只需三極管的輸入電壓小于晶體管的開關(guān)電壓VT鍺管為0.1V，硅管為0.5V，就任務(wù)在截止形狀。n當(dāng) = 時，n bIB7 . 0RVicsIccc3.0RVuII 0umR1-VBBRb2Cj uo-VOHVOL+-RLVCCVCGVD圖8-14 加鉗位電平的反相器晶體管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均正偏，處于飽和導(dǎo)通形狀。在脈沖信號作用下，作為開關(guān)電路的晶體三極管，在輸入高電平常飽和導(dǎo)通，在輸入低電平常截止。并且輸出信號為與輸入信號反相的脈沖波形，為了保證三極管在輸入低電平?？煽康亟刂梗诨鶚O與地之間加接一個電阻

13、Rb2和電源 -VBB 相串聯(lián)電路，如圖8-14所示；為了提高任務(wù)速度，減少波形失真，又加了加速電容Cj，以及鉗位電路二極管VD和電源VCG，VCG普通取1/51/3VCC。8.3.4 場效應(yīng)管的開關(guān)特性n我們在第3章中已討論過場效應(yīng)管，場效應(yīng)管作開關(guān)運(yùn)用時，可以以MOS管為例，畫出其等效電路如8-15b所示。uIRVDDuouIVDDuoKDGss a b圖8-15 場效應(yīng)管等效開關(guān)原理aPMOS管；ba圖的等效電路n下面我們討論其開關(guān)特性：n1當(dāng)NMOS管uGSUTN或PMOS管uGSUTP時，圖8-15b中開關(guān)K斷開，D、S之間相當(dāng)于斷開的開關(guān)。n2當(dāng)NMOS管uGSUTN或PMOS管u

14、GSUTP時，圖8-15b中開關(guān)K閉合，D、S之間導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻相當(dāng)于rDS，約為幾百歐姆。n我們假設(shè)讓uI為一序列脈沖，那么場效應(yīng)管就可起開關(guān)作用，其幅度在0 VT，VT|VTN|或|VTP|，那么，uo端就會輸出類似的序列脈沖。8.4 非正弦信號的頻譜及選頻網(wǎng)絡(luò) 非正弦信號，不論能否為周期信號，均可按照傅里葉級數(shù)，分解為一系列不同頻率的正弦量又稱諧波分量之和。將各次諧波分量的振幅依其頻率變化的順序陳列起來，就可以得到信號的振幅頻譜。從振幅的頻譜上可以清楚看到構(gòu)成信號的各次諧被分量及其振幅的相對大小。相應(yīng)的，信號還有相位頻譜及能量頻譜。8.4.1 非正弦周期信號的頻譜分析n非正弦周期函數(shù)頻譜

15、中的一切頻率都是基波頻率的倍數(shù)。如圖8-16所示。圖8-16a中的矩形脈沖的頻譜如圖8-16b中粗線所示。矩形脈沖的傅里葉展開式為n 式中，An表示各次諧波的振幅。a/2為直流分量。n 普通地，恣意非正弦信號，可以按傅里葉級數(shù)展開為0nsin25sin513sin31sin22ntAatttaatf 0n0n0cossinnntnBtnAAtfn在工程技術(shù)中，大量遇到的是非周期函數(shù)。對于非周期函數(shù)，其周期T趨于無窮大，其基頻趨于零，因此頻率是延續(xù)變化的，其頻譜圖形是一條延續(xù)曲線，稱為延續(xù)頻譜。對應(yīng)的級數(shù)展開式變?yōu)榉e分變換式，稱為傅里葉變換。這里不予詳述。t0 0f(t)aAn/a0.52/2/

16、32/52/ 7（ a）（ b）圖8-16 矩形脈沖及其頻譜n下面討論非正弦周期波的平均功率的計算。n實際和實際證明，非正弦周期信號作用的電路，其平均功率應(yīng)為直流分量、基波以及每一高次諧波單獨(dú)產(chǎn)生的平均功率的總和。詳細(xì)說，假設(shè)非正弦周期電壓，電流為nu(t)=V0 + Vm1sint +Vm2sin2t+Vmnsin nt +ni(t)=I0+Im1sin(t +1)+ Im2sin (2t +2) +Imnsin (nt + n)n那么總的平均功率為n P = P0 + P1 + P2+Pn+ 8-4n式中P0 V0I0，為直流分量單獨(dú)產(chǎn)生的功率；PnVnIncosn= 1/2 VmnImn

17、cosn為基波n =1或n次諧波n =2，3，各分量單獨(dú)產(chǎn)生的功率n 1，2，。n再依交流電的有效值的定義和疊加原理，可得非正弦周期電壓電流的有效值的計算公式n n 8-5n 8-6 222120IIII222120UUUU8.4.2 RC低通、高通濾波網(wǎng)絡(luò)n從非正弦周期信號中選出有用的頻率成分的電路，稱為選頻從非正弦周期信號中選出有用的頻率成分的電路，稱為選頻網(wǎng)絡(luò)或濾波網(wǎng)絡(luò)。前面講過的網(wǎng)絡(luò)或濾波網(wǎng)絡(luò)。前面講過的RC微分電路和微分電路和RC積分電路就積分電路就是最簡單的選頻網(wǎng)絡(luò)。從物理意義上來講，是容易了解的。是最簡單的選頻網(wǎng)絡(luò)。從物理意義上來講，是容易了解的。由于電容的容抗由于電容的容抗c1

18、/C，故頻率越高，故頻率越高，越大，容抗越大，容抗越小，因此，當(dāng)有非正弦周期信號輸入時，對于微分電路，越小，因此，當(dāng)有非正弦周期信號輸入時，對于微分電路，高頻分量容易經(jīng)過；對于積分電路，低頻分量容易經(jīng)過，高高頻分量容易經(jīng)過；對于積分電路，低頻分量容易經(jīng)過，高頻分量被電容短路。故頻分量被電容短路。故RC微分電絡(luò)為高通網(wǎng)絡(luò)，微分電絡(luò)為高通網(wǎng)絡(luò)，RC積分電積分電路為低通網(wǎng)絡(luò)。路為低通網(wǎng)絡(luò)。n較為理想的選頻網(wǎng)絡(luò)為RC雙T選頻網(wǎng)絡(luò)，如圖8-17所示，它由兩個RC的T型網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)而成，具有較好的選頻特性，在一個較窄的頻帶內(nèi)具有顯著的濾波作用。它可以使頻率為01RC的信號完全被“吸收，無輸出，而釋放出其他頻率的信號，又稱為“陷波電路。uORCCR2CZ1 2CuI2CuIuOR/2R/2Z2Z3 a b 圖8-17 雙T選頻網(wǎng)絡(luò)及其等效電路a雙T選頻網(wǎng)絡(luò)；ba圖的等效電路n利用Y-變換可得雙T網(wǎng)絡(luò)的等效電路，如圖8-17b所示。其中n雙T選頻網(wǎng)絡(luò)的特性，可結(jié)合圖8-17a作如下物理上的解釋：當(dāng)信號0時，低頻信號可以從阻抗較小的兩個串聯(lián)電阻R上經(jīng)過；當(dāng)0時，高頻信號可以從阻抗較小的兩個串聯(lián)電容C上經(jīng)過；對信號中01/RC的分量，由圖8-17b和