2022年醫(yī)學(xué)專題-脈沖波形的產(chǎn)生與變換

6.1概述含有惰性元件(yuánjiàn)C或L的電路存在暫態(tài)過程，即有充放電現(xiàn)象。脈沖波形就是利用惰性電路的充放電而形成的。第一頁，共三十二頁。用控制(kòngzhì)開關(guān)位置及時(shí)間常數(shù)RC的方法，可得到不同的脈沖波形。如下圖（a）所示，當(dāng)時(shí)間常數(shù)RC遠(yuǎn)小于開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間TS時(shí)，便組成微分電路，在電阻上可獲得窄脈沖輸出。圖(b)組成積分電路，當(dāng)RC<<TS時(shí)。在電容上可得矩形波；而當(dāng)RC>>TS時(shí)，在電容上又可得線性掃描的波形。（a）（b）第二頁，共三十二頁。脈沖形成電路的組成應(yīng)有兩大部分：惰性電路和開關(guān)。開關(guān)是用來(yònɡlái)破壞穩(wěn)態(tài)，使惰性電路產(chǎn)生暫態(tài)的。開關(guān)可用不同的電子器件來完成，如可用運(yùn)算放大器，分立器件晶體三極管或場效應(yīng)管，也可以用邏輯門。目前用得較多的是555定時(shí)電路。第三頁，共三十二頁。惰性電路產(chǎn)生的暫態(tài)過程，對一階問題而言，可用三要素法來描述，獲得電壓(diànyā)或電流隨時(shí)間變化的方程第四頁，共三十二頁。6.2555定時(shí)電路6.2.1基本組成555集成電路主要由3個(gè)5kΩ電阻組成的分壓器、兩個(gè)高精度電壓比較(bǐjiào)器A和B、一個(gè)基本RS觸發(fā)器、一個(gè)作為放電通路的管子及輸出驅(qū)動(dòng)電路組成。

第五頁，共三十二頁。1．分壓器

分壓器由3個(gè)5kΩ電阻R組成，它為兩個(gè)電壓比較器提供基準(zhǔn)電平。2．比較器

比較器A、B是兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的高精度電壓比較器。3．基本RS觸發(fā)器

RS觸發(fā)器由兩個(gè)或非門組成，它的狀態(tài)由兩個(gè)比較器輸出控制，根據(jù)基本RS觸發(fā)器的工作原理，就可以決定觸發(fā)器輸出端的狀態(tài)。4．開關(guān)放電管和輸出緩沖級放電管V是N溝道增強(qiáng)型的MOS管，其控制柵為0電平時(shí)截止，為1電平時(shí)導(dǎo)通。兩級反相器構(gòu)成輸出緩沖級，反相器的設(shè)計(jì)考慮了有較大(jiàodà)的電流驅(qū)動(dòng)能力，一般可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)TTL門電路。同時(shí)，輸出級還起隔離負(fù)載對定時(shí)器影響的作用。第六頁，共三十二頁。6.2.2工作(gōngzuò)原理及特點(diǎn)THROUTDXX低（L）低（L）接通>2/3UDD>1/3UDD高（H）低（L）接通<2/3UDD>1/3UDD高（H）低（L）原狀態(tài)X<1/3UDD高（H）高（H）關(guān)斷第七頁，共三十二頁。6.3單穩(wěn)態(tài)電路(diànlù)6.3.1由CC7555構(gòu)成的電路

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，在外界觸發(fā)脈沖的作用下，電路從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫態(tài)，然后在暫穩(wěn)態(tài)停留一段時(shí)間TW后又自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)，并在輸出端產(chǎn)生一個(gè)寬度為TW的矩形脈沖。TW只與電路本身的參數(shù)有關(guān)，而與觸發(fā)脈沖無關(guān)。我們通常把TW稱為脈沖寬度。圖6-3CC7555構(gòu)成(gòuchéng)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第八頁，共三十二頁。6.3.2工作原理靜止期：觸發(fā)信號(hào)處于高電平，電路處于穩(wěn)態(tài)，根據(jù)555工作原理可知為低電平，放電管V導(dǎo)通，定時(shí)電容C兩端電壓為0。工作期：外界觸發(fā)信號(hào)加進(jìn)來，要求為負(fù)脈沖且低電平應(yīng)小于，比較器輸出(shūchū)UB為高電平，UA為低電平，使為高電平，且放電管截止，電源通過定時(shí)電阻R對定時(shí)電容充電，這是一個(gè)暫態(tài)問題，只要寫出三要素即可。三要素如下：

第九頁，共三十二頁。為了使電路能正常工作，要求外加觸發(fā)脈沖的寬度TIW<TW，且負(fù)脈沖的數(shù)值一定要低。為此(wéicǐ)，常在輸入信號(hào)和觸發(fā)電路之間加一微分電路，如圖6-4所示。第十頁，共三十二頁?；謴?fù)期：TR由下式?jīng)Q定：

TR=(3～5)rd·C

其中rd為放電管導(dǎo)通時(shí)呈現(xiàn)的電阻(diànzǔ)。一般R>>rd，所以恢復(fù)期很短。圖6-4具有微分(wēifēn)環(huán)節(jié)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第十一頁，共三十二頁。6.3.3由門電路構(gòu)成(gòuchéng)的單穩(wěn)態(tài)電路1.微分(wēifēn)型單穩(wěn)電路(1)電路(diànlù)組成

門1、門2是CMOS或非門，R、C組成微分延時(shí)環(huán)節(jié)。第十二頁，共三十二頁。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，門1輸出高電平，門2輸出低電平，vi1=vi＝0，v01＝VDD、vi2＝VDD、vO2＝0。當(dāng)vi由0上升到VTH

(CMOS或非門的開啟(kāiqǐ)電壓)時(shí)，將引起下列正反饋過程使電路快速翻轉(zhuǎn)到門1輸出低電平時(shí)，門2輸出高電平的暫穩(wěn)狀態(tài)。隨之VDD通過R及門1的輸出電阻(驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通電阻)對電容C充電(chōngdiàn)，vi2逐漸升高，當(dāng)vi2上升到VTH時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生下列反饋過程(假設(shè)此時(shí)vi已回到低電平)(2)工作(gōngzuò)原理第十三頁，共三十二頁。TW估算公式(gōngshì)如下：

典型(diǎnxíng)情況下第十四頁，共三十二頁。2.積分(jīfēn)型單穩(wěn)態(tài)電路(1)電路組成門1、門2是COMS或非門，R、C構(gòu)成積分型延時(shí)環(huán)節(jié)。第十五頁，共三十二頁。(2)工作原理(yuánlǐ)穩(wěn)態(tài)時(shí)門1、門2輸出低電平。vi=1、vO1=0、vi2=0、vO=0。當(dāng)vi負(fù)跳變到0時(shí)，vO1隨之跳變到高電平，但由于電容(diànróng)上電壓不能突變，vi2仍為0，故門2也截止，vO正跳變到高電平VDD，進(jìn)入暫態(tài)；此時(shí)，電容通過R0(門1的輸出電阻)和R充電，vi2逐漸上升，當(dāng)上升到VT時(shí)，門2導(dǎo)通，vO變成低電平，回到穩(wěn)態(tài)；當(dāng)vi回到高電平后，門1導(dǎo)通，電容放電，電路保持穩(wěn)狀態(tài)不變。第十六頁，共三十二頁。

脈沖寬度TW的估算公式和微分型電路(diànlù)相同，但這種電路(diànlù)要求輸入信號(hào)vi的脈沖寬度大于輸出脈沖vO

的寬度TW

，否則就成了反相器。第十七頁，共三十二頁。6.4多諧振蕩器多諧振蕩器是一種無穩(wěn)態(tài)電路，它在接通電源后，不需要外加觸發(fā)信號(hào)，電路狀態(tài)能夠自動(dòng)地不斷變換(biànhuàn)，產(chǎn)生矩形波的輸出。由于矩形波中的諧波分量很多，因此這種振蕩器冠以“多諧”二字。第十八頁，共三十二頁。脈沖周期T：周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個(gè)相鄰脈沖的時(shí)間間隔。有時(shí)(yǒushí)也用頻率f=1/T表示，f表示單位時(shí)間里脈沖重復(fù)的次數(shù)。脈沖幅度Um：脈沖電壓的最大變化幅度。脈沖寬度Tw：從脈沖前沿上升到0．5Um起，到脈沖后沿下降到0．5Um止的一段時(shí)間。上升時(shí)間tr：脈沖前沿從0．1Um上升到0．9Um所需的時(shí)間。下降時(shí)間tf：脈沖后沿從0．9Um下降到0．1Um所需的時(shí)間。第十九頁，共三十二頁。6.4.1電路組成圖(a)是用CC7555構(gòu)成的多諧振蕩器。除將A的高電平觸發(fā)端TH和B的低電平觸發(fā)端短接外，在放電回路中還串接一個(gè)(yīɡè)電阻R2。電路中R1、R2、C均是定時(shí)元件。圖(b)為工作波形。第二十頁，共三十二頁。6.4.2工作原理(yuánlǐ)

自由多諧振蕩器不具有穩(wěn)態(tài)，只具有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)的時(shí)間長短由電路的定時(shí)元件確定，電路工作就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換。其具體工作過程如下：第一(dìyī)暫穩(wěn)態(tài)期第二(dìèr)暫穩(wěn)態(tài)期第二十一頁，共三十二頁。該電路的振蕩周期計(jì)算(jìsuàn)如下：第二十二頁，共三十二頁。在實(shí)際(shíjì)中常常需要調(diào)節(jié)T1和T2。于是引進(jìn)了占空比D的概念。圖6-11占空比可調(diào)振蕩器第二十三頁，共三十二頁。6.4.3與非門對稱(duìchèn)多諧振蕩器（1）電路組成當(dāng)與非門工作在轉(zhuǎn)折(zhuǎnzhé)區(qū)時(shí)，對輸入信號(hào)有很強(qiáng)的放大作用，因此，只要把靜態(tài)時(shí)工作在轉(zhuǎn)折(zhuǎnzhé)區(qū)的兩個(gè)與非門用電容耦合起來，就可以組成多諧振蕩器。圖中vK是控制端，當(dāng)vK為高電平時(shí)，振蕩器振蕩；vK為低電平時(shí)，振蕩器停止振蕩。第二十四頁，共三十二頁。（2）工作原理假定接通電源后，門Ⅰ、門Ⅱ都工作在轉(zhuǎn)折區(qū)，那么只要有一點(diǎn)小的干擾，就會(huì)引起振蕩。例如，由于某種原因使vI1增加(zēngjiā)了一點(diǎn)點(diǎn)，就會(huì)引起下列正反饋過程從而使門Ⅰ迅速飽和導(dǎo)通，門Ⅱ迅速截止，電路進(jìn)入一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。同時(shí)，電容C1開始充電，C2開始放電(fàngdiàn)。由于C1同時(shí)通過R1和RF2兩個(gè)支路充電，充電速度很快，所以vI2首先升高到閾值電壓VT,從而引起下列正反饋過程-ˉ?ˉ?-?vvvv1OI12O2I第二十五頁，共三十二頁。因而(yīnér)門Ⅰ迅速截止，門Ⅱ迅速導(dǎo)通，電路進(jìn)入另一個(gè)暫穩(wěn)狀態(tài)。這時(shí)電容C2，C1放電。根據(jù)同樣的理由，C2充電較快，所以vI1較快地升高到閾值電壓VT,并引起下次正反饋過程，使電路重新回到門Ⅰ導(dǎo)通、門Ⅱ截止的暫穩(wěn)態(tài)。因此，電路將不停地振蕩。據(jù)此，可畫出振蕩器各點(diǎn)電壓的近似波形，如右圖所示。第二十六頁，共三十二頁。振蕩器周期的計(jì)算：假設(shè)(jiǎshè)C1=C2=C，RO<<RF1=RF2=RF<<Ri，可估算得振蕩周期如果(rúguǒ)取VOH=3.4V、VOL=0.2V，VT=1.1V代入上式，則可得第二十七頁，共三十二頁。6.4.4石英晶體多諧振蕩器在對稱多諧振蕩器的C1支路串聯(lián)一個(gè)石英晶體就構(gòu)成(gòuchéng)石英晶體多諧振蕩器，其振蕩頻率為石英晶體的固有頻率，具有很高的頻率穩(wěn)定性。第二十八頁，共三十二頁。6.5施密特電路(diànlù)施密特電路具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，其最主要的應(yīng)用是，將變化緩慢的輸入波形，整形成為適合于數(shù)字電路需要(xūyào)的矩形脈沖。由于該電路具有滯回特性，因此抗干擾能力較強(qiáng)。

6.5.1電路組成將555時(shí)基電路2、6端連接，即構(gòu)成施密特電路。電壓傳輸特性如圖（c）。第二十九頁，共三十二頁。6.5.2工作(gōngzuò)原理回差電壓(diànyā)

回差電壓(diànyā)可通過改變5管腳電壓(diànyā)達(dá)到。一般來講，5管腳電壓(diànyā)越高，回差電壓(diànyā)△UT越大，抗干擾能力越強(qiáng)，但是降低了觸發(fā)靈敏度。6.5.3主要應(yīng)用1．波形變換通過波形變換可以將非矩形波變換為矩形波。2．整形通過整形可以將一個(gè)不規(guī)則的矩形波轉(zhuǎn)換為規(guī)則的矩形波。如圖6-16(a)所示。第三十頁，共三十二頁。3．幅值選擇對于輸入是一些(yīxiē)隨機(jī)的脈沖，可以通過施密特電路將幅值大于某值的輸入脈沖檢測出來。如圖6-16