第七章 脉冲电路.ppt
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1、第七章第七章 脉冲电路脉冲电路 脉冲脉冲就是在极短时间内出现的电压或电就是在极短时间内出现的电压或电流的变化。它可以是周期性地重复出现,也流的变化。它可以是周期性地重复出现,也可以不定期地出现。可以不定期地出现。脉冲可分为两大类:一类是脉冲可分为两大类:一类是视频脉冲视频脉冲,或是先单调地上升,然后单调地下降,称为或是先单调地上升,然后单调地下降,称为正脉冲,或是先下降,后上升称为负脉冲;正脉冲,或是先下降,后上升称为负脉冲;另一类是另一类是射频脉冲射频脉冲,在极短时间内出现的高,在极短时间内出现的高频振荡。这两类脉冲在医学仪器中都有广泛频振荡。这两类脉冲在医学仪器中都有广泛的应用。的应用。主
2、要内容主要内容第一节第一节 脉冲电路的基本知识脉冲电路的基本知识第二节第二节 晶体管反相器晶体管反相器第三节第三节 脉冲发生器脉冲发生器第四节第四节 脉冲的整形与鉴别脉冲的整形与鉴别第五节第五节 脉冲的调制与解调脉冲的调制与解调第一节第一节 脉冲电路的基本知识脉冲电路的基本知识一一.脉冲的主要参数脉冲的主要参数脉冲幅度脉冲幅度脉冲上升时间脉冲上升时间脉冲下降时间脉冲下降时间脉冲宽度脉冲宽度脉冲周期、脉冲频率脉冲周期、脉冲频率 上图是几种脉冲的波形:尖形脉冲、梯形脉上图是几种脉冲的波形:尖形脉冲、梯形脉冲、实际尖脉冲和矩形脉冲。冲、实际尖脉冲和矩形脉冲。神经放电脉冲和核医学中的神经放电脉冲和核医
3、学中的射线转换的脉射线转换的脉冲都接近尖脉冲,前者的宽度为数十毫秒,后者冲都接近尖脉冲,前者的宽度为数十毫秒,后者的宽度不到的宽度不到1微秒,而且都是前沿比后沿陡峭得微秒,而且都是前沿比后沿陡峭得多。多。二二.RC分压电路分压电路 在脉冲电路中,常常在脉冲电路中,常常要将脉冲信号经过电阻分要将脉冲信号经过电阻分压后传输到下一级,而在压后传输到下一级,而在下一级电路中存在着各种下一级电路中存在着各种形式的电容,这就相当于形式的电容,这就相当于在输出端接上一个等效电在输出端接上一个等效电容容Co,如图,如图(a)所示。而所示。而Co对输出波形的影响如图对输出波形的影响如图(b)所示。所示。当输入信
4、号当输入信号Ui由零上跳变到最大值由零上跳变到最大值Um的瞬的瞬间,电容间,电容Co上的电压将按指数规律上升,上的电压将按指数规律上升,最后达到最后达到Um,即输出电压,即输出电压Uo具有一定的上具有一定的上升时间,不能紧跟随输入电压同步上跳变,升时间,不能紧跟随输入电压同步上跳变,使输出波形的边沿变坏。使输出波形的边沿变坏。为了克服这一缺为了克服这一缺点,改善输出波形,点,改善输出波形,使输出电压能紧跟随使输出电压能紧跟随输入电压一起上跳变。输入电压一起上跳变。所采取的措施是在电所采取的措施是在电阻阻R1上并联一个电容上并联一个电容Cj,构成图示的电路,构成图示的电路,Cj称为称为加速电容。
5、加速电容。如果选择合适的如果选择合适的Cj值,就可以克服等值,就可以克服等效电容效电容Co的影响,使的影响,使输出波形紧跟输入波输出波形紧跟输入波形一起上跳变。形一起上跳变。当输入电压当输入电压Ui突然上跳时,输出电压由突然上跳时,输出电压由Cj和和Co的分压决定。输出电压为:的分压决定。输出电压为:当电容充电结束后,输出电压将由当电容充电结束后,输出电压将由R1和和R2分压分压决定,即:决定,即:当当Cj选择合适时,输出波形的起始值选择合适时,输出波形的起始值Uo等于终等于终止值止值Uo,即:,即:此电路称为此电路称为RC分压电路,分压电路,亦称脉冲分压电路。在电路亦称脉冲分压电路。在电路中
6、,只要中,只要Cj取值合适,保证取值合适,保证RC分压比例成立,就是两分压比例成立,就是两段电路的时间常数相同,即段电路的时间常数相同,即R1Cj=R2Co,Cj加快输出电加快输出电压的改变,就可以改善输出压的改变,就可以改善输出波形。但由于波形。但由于Co实际是很难实际是很难预测的,必须通过实验测试预测的,必须通过实验测试来确定来确定Cj的最佳值。的最佳值。若若Cj太太小,加速作用不足,输出波小,加速作用不足,输出波形的边沿仍不好;若形的边沿仍不好;若Cj过大,过大,加速作用过强,压倒了加速作用过强,压倒了Co的的延缓作用,输出波形出现超延缓作用,输出波形出现超过稳态值的尖顶过冲,过稳态值的
7、尖顶过冲,如图如图所示。所示。实验证明:工作频率实验证明:工作频率100kHzf 10MHz时,时,Cj可取可取10100pF。三三.脉冲的微分脉冲的微分微分电路由电阻微分电路由电阻R和和电容电容C串联组成。串联组成。输入的矩形波输入的矩形波电路输出的尖电路输出的尖脉冲波脉冲波R上的电上的电压按指压按指数下降数下降R上的反向电上的反向电压按指数下降压按指数下降 可见,在可见,在RC电路输入端输入一矩形脉冲电路输入端输入一矩形脉冲波时,在输出端得到一对正、负尖脉冲,它波时,在输出端得到一对正、负尖脉冲,它们分别对应输入矩形波的上升沿和下降沿。们分别对应输入矩形波的上升沿和下降沿。由于此由于此RC
8、电路的输出电压电路的输出电压Uo只是反映了输入只是反映了输入电压电压Ui的突变部分,而对于输入电压的恒定的突变部分,而对于输入电压的恒定部分,输出为零。在数学中微分是反映变化部分,输出为零。在数学中微分是反映变化的快慢,这就是说,的快慢,这就是说,Uo和和Ui的微分近似成正的微分近似成正比,因此该比,因此该RC电路称为微分电路。电路称为微分电路。要获得尖脉冲,微分电路的参数必须满要获得尖脉冲,微分电路的参数必须满足足=RCtw。四四.计数率计电路计数率计电路泵电路泵电路 在上图所示的积分电路中,在上图所示的积分电路中,积分电容积分电容C中积累中积累的电量与的电量与单位时间、累积脉冲单向传输电量
9、的单位时间、累积脉冲单向传输电量的输入输入脉冲数成正比脉冲数成正比,故称此电路为计数率计电路或泵电,故称此电路为计数率计电路或泵电路,它被广泛应用在核医学中路,它被广泛应用在核医学中脉冲的计数率和监脉冲的计数率和监护仪中的心率等。护仪中的心率等。当当nRC11时,可得时,可得 UonRC1Um 即即Uo与计数率与计数率n成正比成正比。为了使电容。为了使电容C在每在每次脉冲充电时电压不发生显著变化,电容次脉冲充电时电压不发生显著变化,电容C应当远大于应当远大于C1。这个公式也适用于随机。这个公式也适用于随机出现的脉冲,这时,出现的脉冲,这时,n表示平均计数率。表示平均计数率。此电路中,由于此电路
10、中,由于Uo与与n成正比的线性范围成正比的线性范围受到条件受到条件nRC11的限制,则的限制,则UoIbs,三极管进入,三极管进入饱和区饱和区。此时集射极电压。此时集射极电压Uce接近于零,接近于零,Ib基本上失去了对基本上失去了对Ic的控制能力,的控制能力,相当于开相当于开关接通关接通。三极管由截止转变为饱和导通所需的时三极管由截止转变为饱和导通所需的时间称为间称为开启时间开启时间,即在基区逐渐积累电荷,即在基区逐渐积累电荷,使电流由小变大所需时间。由饱和导通转变使电流由小变大所需时间。由饱和导通转变为截止所需的时间称为为截止所需的时间称为关闭时间关闭时间,即在基区,即在基区通过中和逐渐清除
11、电荷,使电流逐渐变小所通过中和逐渐清除电荷,使电流逐渐变小所需时间。需时间。通常通常关闭时间比开启时间要长很多倍关闭时间比开启时间要长很多倍,这主要是射极输入的载流子在基区中积累电这主要是射极输入的载流子在基区中积累电荷比基区中载流子中和这些电荷要快得多,荷比基区中载流子中和这些电荷要快得多,普通开关管的开启时间约为普通开关管的开启时间约为1030ns,关闭,关闭时间约为时间约为100200ns,高频管的开关速度比,高频管的开关速度比普通开关管慢得多。对于生物电脉冲,它的普通开关管慢得多。对于生物电脉冲,它的前沿约为数毫秒,也可以用高频管代替开关前沿约为数毫秒,也可以用高频管代替开关管。管。二
12、二.反相器反相器 在脉冲电路中,把一个在脉冲电路中,把一个工作在饱和区和截止区的单工作在饱和区和截止区的单级晶体三极管放大器称为反级晶体三极管放大器称为反相器相器(inverter)。常用的反相器如图。电常用的反相器如图。电容容C是加速电容,基极电阻是加速电容,基极电阻R1、R2及外加负偏压及外加负偏压(-EB)构成偏置电路,与输入电压构成偏置电路,与输入电压Ui共同决定三极管的工作状共同决定三极管的工作状态,保证三极管能够可靠地态,保证三极管能够可靠地截止与饱和。截止与饱和。若输入电压若输入电压Ui为低电平,三为低电平,三极管可靠截止,极管可靠截止,Rc上的压降近似上的压降近似值为零,输出电
13、压值为零,输出电压UoEc,为高,为高电平。显然输出电平。显然输出Uo与输入与输入Ui反相;反相;若输入电压若输入电压Ui为高电平,元件参为高电平,元件参数选择合适,可使三极管饱和导数选择合适,可使三极管饱和导通,输出电压通,输出电压Uo0.3V,输出为,输出为低电平。显然输出低电平。显然输出Uo与输入与输入Ui反反相。相。可见,可见,输入脉冲信号经过反输入脉冲信号经过反相器后将其极性变反相器后将其极性变反,见图。这,见图。这里忽略了三极管开关的延迟时间,里忽略了三极管开关的延迟时间,将三极管当作理想的开关元件,将三极管当作理想的开关元件,所以输出的波形是理想的矩形波。所以输出的波形是理想的矩
14、形波。反相器能稳定工作的前提条件是,三反相器能稳定工作的前提条件是,三极管处于可靠截止状态,或处于可靠饱和极管处于可靠截止状态,或处于可靠饱和状态。这就要求合理选择电路的元件,经状态。这就要求合理选择电路的元件,经理论与实践证明:满足三极管可靠截止的理论与实践证明:满足三极管可靠截止的条件是条件是UbeIbs,其中三极管基极饱和电流,其中三极管基极饱和电流Ibs=Ec/Rc。上图是利用三极管反相作用构成的上图是利用三极管反相作用构成的正脉冲延时正脉冲延时电路电路。该电路在无输入时三极管处于饱和状态,输。该电路在无输入时三极管处于饱和状态,输出信号出信号Uo接近于零;当输入一个正脉冲波时,输出接
15、近于零;当输入一个正脉冲波时,输出端在输入脉冲结束时输出一个正脉冲信号。输出脉端在输入脉冲结束时输出一个正脉冲信号。输出脉冲的宽度基本上由电路元件参数决定,与输入脉冲冲的宽度基本上由电路元件参数决定,与输入脉冲宽度无关。宽度无关。其工作原理是:当输入脉其工作原理是:当输入脉冲上升时,冲上升时,Ui向电容向电容C充电,充电,充电电流增加了基极电流,晶充电电流增加了基极电流,晶体管饱和程度加深,输出信号体管饱和程度加深,输出信号Uo仍然为零。如果充电的时间仍然为零。如果充电的时间常数常数(R1+rbe)C小于脉冲宽度,小于脉冲宽度,电容电容C在正脉冲持续期间在正脉冲持续期间(输输入高电平入高电平)
16、得到完全充电,其得到完全充电,其电压电压(左正右负左正右负)接近于输入脉接近于输入脉冲的幅度电压冲的幅度电压Um。当输入脉。当输入脉冲下降时,电容冲下降时,电容C开始放电,开始放电,迫使基极电位下降到迫使基极电位下降到-Um,三,三极管截止,输出信号极管截止,输出信号 Uo上升上升到接近于到接近于Ec。Uo为高电平的持续时间由电容放电的时间常数为高电平的持续时间由电容放电的时间常数(R1+RB)C决定。电容放电完毕后,三极管开始导通,决定。电容放电完毕后,三极管开始导通,并立即重新进入饱和状态,并立即重新进入饱和状态,Uo回到零电平。回到零电平。输出的延时脉冲宽度可以这样估算:电容放电输出的延
17、时脉冲宽度可以这样估算:电容放电开始时,电阻开始时,电阻R1和和R2上的电压为上的电压为Ec+Um,放电结束,放电结束时为时为Ec,所以脉冲宽度,所以脉冲宽度T为:为:第三节第三节 脉冲发生器脉冲发生器 能产生脉冲信号的电路称为能产生脉冲信号的电路称为脉冲发生器脉冲发生器。这种电路是由正反馈放大器构成的,其特点是,这种电路是由正反馈放大器构成的,其特点是,电路工作过程分两个阶段:一是电路工作过程分两个阶段:一是“紧张紧张”阶段,阶段,即形成正反馈的连锁反应,使状态产生急速变即形成正反馈的连锁反应,使状态产生急速变化的阶段;二是化的阶段;二是“松弛松弛”阶段,即一管进入截阶段,即一管进入截止,另
18、一管进入饱和后,电路状态变化缓慢,止,另一管进入饱和后,电路状态变化缓慢,甚至稳定不变的阶段。电路在一定条件下,通甚至稳定不变的阶段。电路在一定条件下,通过一张一弛,使状态来回转换,形成振荡。所过一张一弛,使状态来回转换,形成振荡。所以这类电路也称为以这类电路也称为张弛振荡电路张弛振荡电路。脉冲发生器按产生脉冲信号的方式可分脉冲发生器按产生脉冲信号的方式可分为两大类:一类是通过波形变换电路产生脉为两大类:一类是通过波形变换电路产生脉冲信号,如单稳态触发器、双稳态触发器;冲信号,如单稳态触发器、双稳态触发器;另一类是通过电路自激振荡产生脉冲信号,另一类是通过电路自激振荡产生脉冲信号,如多谐振荡器
19、、单结晶体管振荡器和间歇振如多谐振荡器、单结晶体管振荡器和间歇振荡器等。下面的介绍从分立元件构成的多谐荡器等。下面的介绍从分立元件构成的多谐振荡器入手,分析其工作原理。振荡器入手,分析其工作原理。一一.多谐振荡器多谐振荡器1.分立元件组成的多谐振荡器分立元件组成的多谐振荡器 由于方波含有极丰富的谐波,由于方波含有极丰富的谐波,所以将产生方波的电路称为多谐振所以将产生方波的电路称为多谐振荡器荡器(multivibrator)。右图为多。右图为多谐振荡器电路,两个三极管的集电谐振荡器电路,两个三极管的集电极通过电容接到对方的基极,构成极通过电容接到对方的基极,构成正反馈环路,所以将该电路称为正反馈
20、环路,所以将该电路称为集集基耦合多谐振荡器基耦合多谐振荡器。由于两边都有电容的充放电,由于两边都有电容的充放电,所以这种电路没有稳态,两个三极所以这种电路没有稳态,两个三极管将自动交替饱和或截止,形成两管将自动交替饱和或截止,形成两个暂稳态。故这种电路又叫做无稳个暂稳态。故这种电路又叫做无稳态电路,它不需要外加触发脉冲就态电路,它不需要外加触发脉冲就能获得方波输出。能获得方波输出。在电路参数对称情况下,即在电路参数对称情况下,即RB1=RB2=RB,C1=C2=C,方波的周期,方波的周期T近似为:近似为:T1.4RBC 多谐振荡器主要用途是产生方波,该电多谐振荡器主要用途是产生方波,该电路结构
21、简单,但由于电容的充放电,导致方路结构简单,但由于电容的充放电,导致方波前沿波形不好,抗干扰能力差等缺点。波前沿波形不好,抗干扰能力差等缺点。2.集成运放组成的多谐振集成运放组成的多谐振荡器荡器 从由集成运放组成的多谐从由集成运放组成的多谐振荡器的电路结构可看出,它振荡器的电路结构可看出,它是在比较器的基础上,从输出是在比较器的基础上,从输出引入适当的正反馈到同相输入引入适当的正反馈到同相输入端作为参考电压端作为参考电压UR,同时输出,同时输出电压又经电阻电压又经电阻RF与电容与电容C组成组成的积分电路,把另一反馈电压的积分电路,把另一反馈电压加到反相输入端作为信号电压加到反相输入端作为信号电
22、压Us,构成自激多谐振荡器。与,构成自激多谐振荡器。与分类元件的多谐振荡器相比,分类元件的多谐振荡器相比,该电路也是个正反馈放大器,该电路也是个正反馈放大器,但只需一个充放电电容。但只需一个充放电电容。图中图中R1和和R2组成了电组成了电压串联正反馈电路,压串联正反馈电路,反馈系数反馈系数F为:为:F=R2/(R1+R2)。多谐振荡器的输出多谐振荡器的输出电压电压Uo及电容电压及电容电压Uc的的波形如图所示。波形如图所示。由于该电路充放电由于该电路充放电时间常数相等,均为时间常数相等,均为T=RFC,故,故T1=T2=T/2,则输出波形为对称方波,则输出波形为对称方波,占空比为占空比为0.5。
23、经理论推导,可得经理论推导,可得振荡器的振荡周期振荡器的振荡周期T为:为:振荡周期振荡周期T只与只与RF、C以及以及R2/R1的比值的比值有关,而与输出电压有关,而与输出电压 Uo无关,所以在实际应无关,所以在实际应用中,可通过改变电阻用中,可通过改变电阻RF值来改变振荡周期。值来改变振荡周期。但该电路对但该电路对Uo的要求是保持其值的稳定,的要求是保持其值的稳定,这是由于电路中的参考电压这是由于电路中的参考电压UR是由电路输出是由电路输出的正、负饱和值的正、负饱和值UOH决定的,如果由于偶然原决定的,如果由于偶然原因因(如电源电压波动或温度变化如电源电压波动或温度变化)而引起而引起UOH的的
24、变化,则变化,则UR也随之变化,造成振荡周期不稳也随之变化,造成振荡周期不稳定。定。为了提高振荡周期的稳定性,可在运放输出端并联两个为了提高振荡周期的稳定性,可在运放输出端并联两个背靠背的硅稳压二极管,则运放输出的正、负饱和值就被稳背靠背的硅稳压二极管,则运放输出的正、负饱和值就被稳定在稳压二极管的稳压值定在稳压二极管的稳压值Uz上,从而保证了上,从而保证了UR的稳定,上述的稳定,上述缺点就得到克服。缺点就得到克服。在这个电路中,如果用上图中的两条并联支路代替电阻在这个电路中,如果用上图中的两条并联支路代替电阻RF,则把电容,则把电容C充电和放电回路分开,使其充电与放电的时充电和放电回路分开,
25、使其充电与放电的时间常数不同,就可以得到不对称的方波,也就是各种占空系间常数不同,就可以得到不对称的方波,也就是各种占空系数的方波,即矩形波。数的方波,即矩形波。由于集成运放组成的多谐振荡器的输出波形良好、频率由于集成运放组成的多谐振荡器的输出波形良好、频率可调范围大、可靠性高、体积小,所以在医疗仪器中获得了可调范围大、可靠性高、体积小,所以在医疗仪器中获得了广泛应用。广泛应用。二二.单稳态触发器单稳态触发器1.分立元件组成的单稳态触发分立元件组成的单稳态触发器器(monostable multivibrator)集基耦合集基耦合 该电路与集基耦合多谐振该电路与集基耦合多谐振荡器不同的是:荡器
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- 第七章 脉冲电路 第七 脉冲 电路
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