2022年醫(yī)學(xué)專(zhuān)題-第6章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與變換素材

第6章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生(chǎnshēng)與變換6.1概述(ɡàishù)6.2555定時(shí)器6.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（MonostableMultivibrator）6.4施密特觸發(fā)器（Schmitttrigger）6.5多諧振蕩器（Multividrator）第一頁(yè)，共三十五頁(yè)。6.1概述(ɡàishù)數(shù)字電路中的信號(hào)大多數(shù)是矩形脈沖信號(hào)。將在較短時(shí)間間隔內(nèi)作用于電路的電壓或電流信號(hào)，稱(chēng)為脈沖信號(hào)。這個(gè)時(shí)間間隔可以和電路過(guò)渡過(guò)程持續(xù)時(shí)間（3τ～5τ）相比擬。數(shù)字電路中常見(jiàn)的脈沖信號(hào)波形(bōxínɡ)如下第二頁(yè)，共三十五頁(yè)。上圖中所示的矩形脈沖信號(hào)波形是理想的，即波形的上升沿與下降沿均是跳變(tiàobiàn)的且波形幅度保持不變，一直保持幅度為。而實(shí)際的矩形脈沖信號(hào)波形無(wú)理想跳變(tiàobiàn)、頂部也不平坦。具體波形如下第三頁(yè)，共三十五頁(yè)。為衡量實(shí)際矩形脈沖信號(hào)的優(yōu)劣，經(jīng)常(jīngcháng)使用以下參數(shù)對(duì)其進(jìn)行描述。

1.脈沖幅度

2.上升時(shí)間（RiseTime）

3.下降時(shí)間（FallTime）

4.脈沖寬度

5.脈沖周期T6.脈寬比，也稱(chēng)為占空比。

數(shù)字電路中，獲得矩形脈沖信號(hào)的方法主要有兩種：一種是利用各種形式的多諧振蕩電路，直接產(chǎn)生所需要的周期性矩形脈沖信號(hào)；另一種是利用脈沖信號(hào)的變換電路，將現(xiàn)有的脈沖信號(hào)變換成所需要的矩形脈沖信號(hào)。在這種方法中，電路本身不產(chǎn)生脈沖信號(hào)，而僅僅起脈沖波形的變換作用。第四頁(yè)，共三十五頁(yè)。6.2555定時(shí)器6.2.1555電路結(jié)構(gòu)

555電路的邏輯圖、外引線功能(gōngnéng)圖、內(nèi)部等效電路圖如下

第五頁(yè)，共三十五頁(yè)。555電路主要由以下幾部分構(gòu)成：

1.一個(gè)(yīɡè)RS觸發(fā)器

2.兩個(gè)電壓比較電路

3.放電開(kāi)關(guān)與反相輸出6.2.2555定時(shí)器功能描述555集成電路端口介紹

管腳表示方法作用2觸發(fā)輸入端決定電壓比較器C2的反相輸入電壓

5電壓控制端CO

決定電壓比較器C1的反相輸入電壓

6閾值輸入端TH

決定電壓比較器C1的同相輸入電壓7放電端口D

作為VT的集電極開(kāi)路輸出，并提供放電通路

第六頁(yè)，共三十五頁(yè)。

555定時(shí)器功能表

閾值電壓TH

觸發(fā)輸入復(fù)位放電管VT輸出OUT

××0導(dǎo)通01導(dǎo)通01原狀態(tài)原狀態(tài)×1截止1第七頁(yè)，共三十五頁(yè)。6.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（MonostableMultivibrator）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是具有一個(gè)穩(wěn)態(tài)的觸發(fā)器。它具有兩種狀態(tài)：一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。電路暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，與外加觸發(fā)脈沖信號(hào)的寬度沒(méi)有關(guān)系，僅取決于電路本身定時(shí)元件的參數(shù)值。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以由分立元件構(gòu)成；也可以通過(guò)門(mén)電路和RC元件構(gòu)成；或通過(guò)集成單穩(wěn)態(tài)電路外接RC元件來(lái)實(shí)現(xiàn)；也可以使用555定時(shí)器電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。其中，RC元件組成的電路部分(bùfen)稱(chēng)為定時(shí)電路，由電容的充放電時(shí)間決定單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短。根據(jù)RC電路連接方式的不同，單穩(wěn)態(tài)電路分為微分型單穩(wěn)和積分型單穩(wěn)。若根據(jù)電路及工作狀態(tài)的不同，單穩(wěn)態(tài)電路又分為非可重觸發(fā)電路和可重觸發(fā)電路兩種。第八頁(yè)，共三十五頁(yè)。6.3.1555電路(diànlù)構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路接通后，觸發(fā)輸入信號(hào)(xìnhào)為高電平（），這時(shí)沒(méi)有有效觸發(fā)輸入信號(hào)(xìnhào)，電路工作于穩(wěn)態(tài)。觸發(fā)輸入信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。隨著放電管VT的導(dǎo)通，電路恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。

第九頁(yè)，共三十五頁(yè)。6.3.2集成(jíchénɡ)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有溫度特性好、抗干擾能力強(qiáng)、電源穩(wěn)定性好、輸出脈寬調(diào)節(jié)范圍大、外圍元件少等優(yōu)點(diǎn)。集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分為(fēnwéi)兩大類(lèi)：可重觸發(fā)單穩(wěn)電路和不可重觸發(fā)單穩(wěn)電路。1.電路介紹

74121是一種典型的TTL集成不可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第十頁(yè)，共三十五頁(yè)。74121功能表

輸入輸出A1A2BQ0×101×0101××00111×011↓1↓11↓↓10×↑×0↑第十一頁(yè)，共三十五頁(yè)。該電路觸發(fā)方式可以概括為以下三種：①在A1或A2端使用觸發(fā)脈沖信號(hào)的下降沿觸發(fā)。此時(shí)，另外(lìnɡwài)兩個(gè)觸發(fā)輸入端必須為高電平；②在A1、A2端同時(shí)使用觸發(fā)脈沖信號(hào)的下降沿觸發(fā)。要求B端為高電平；③在B端用觸發(fā)脈沖信號(hào)的上升沿觸發(fā)，且A1、A2所加信號(hào)中至少有一個(gè)是低電平。74121的工作波形如下：第十二頁(yè)，共三十五頁(yè)。2.電路(diànlù)連接方式

74121的輸出脈沖寬度取決于電路中定時(shí)元件RC值。根據(jù)想要獲得脈沖寬度的不同，可以外接定時(shí)電阻，以獲得較寬輸出脈沖信號(hào)；也可以使用電路內(nèi)部固定的定時(shí)電阻。如下圖所示。

第十三頁(yè)，共三十五頁(yè)。6.3.3單穩(wěn)態(tài)電路(diànlù)的應(yīng)用1.脈沖信號(hào)整形(zhěngxíng)2.脈沖信號(hào)延時(shí)3.脈沖信號(hào)定時(shí)第十四頁(yè)，共三十五頁(yè)。6.3.4門(mén)電路構(gòu)成(gòuchéng)的單穩(wěn)態(tài)電路利用門(mén)電路和RC定時(shí)元件構(gòu)成的。根據(jù)RC元件的接法不同，可以(kěyǐ)分為微分型與積分型兩類(lèi)。第十五頁(yè)，共三十五頁(yè)。6.4施密特觸發(fā)器（Schmitttrigger）6.4.1555電路(diànlù)構(gòu)成施密特觸發(fā)器第十六頁(yè)，共三十五頁(yè)。工作(gōngzuò)過(guò)程電路接通電源(diànyuán)后，由于TH<，<，放電管VT截止，觸發(fā)器置1，電路輸出高電平。隨著輸入電壓vi的上升，當(dāng)輸入電壓在<vi<范圍內(nèi)變化時(shí)，電路仍維持原狀態(tài)，輸出保持高電平不變。當(dāng)輸入電壓vi>時(shí)，VT導(dǎo)通，觸發(fā)器置0，電路輸出變?yōu)榈碗娖?，狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。隨著輸入電壓的變化，在其由高電平向下變化的過(guò)程中，當(dāng)<vi<時(shí)，電路維持原態(tài)，仍然輸出低電平。隨輸入電壓下降，當(dāng)vi<時(shí)，VT截止，觸發(fā)器再次置1，電路輸出又變?yōu)楦唠娖健?/p>

第十七頁(yè)，共三十五頁(yè)。輸入電壓vi由低電平向高電平變化的過(guò)程中，當(dāng)vi>時(shí)，會(huì)引起電路狀態(tài)的變化，將此時(shí)的輸入電壓稱(chēng)為上限觸發(fā)電平，用表示(也可以稱(chēng)為正向閾值電壓或高電平閾值電壓)。所以，該電路的。輸入電壓由高電平向低電平變化的過(guò)程中，當(dāng)vi<，電路狀態(tài)并不發(fā)生變化，只有當(dāng)vi<時(shí)，電路的狀態(tài)才會(huì)再次發(fā)生變化。將此時(shí)的輸入電壓稱(chēng)為下限觸發(fā)電平，用表示(也可以稱(chēng)為負(fù)向閾值電壓或低電平閾值電壓)。所以，該電路的。可見(jiàn)，對(duì)施密特觸發(fā)器電路而言，上限觸發(fā)電平不等于下限觸發(fā)電平，即導(dǎo)致電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入信號(hào)的值大小不相等。將該電路的定義為施密特觸發(fā)器電路的回差電壓。施密特觸發(fā)器所具有(jùyǒu)的≠的特性，稱(chēng)為回差特性或者回滯特性。第十八頁(yè)，共三十五頁(yè)。施密特觸發(fā)器電路的電壓傳輸特性曲線(qūxiàn)，也稱(chēng)為回差特性曲線(qūxiàn)，如下圖所示。帶有施密特觸發(fā)器的反相器和與非門(mén)電路符號(hào)如下。

第十九頁(yè)，共三十五頁(yè)。6.4.2集成(jíchénɡ)施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器應(yīng)用比較廣泛(guǎngfàn)，在數(shù)字集成電路中，多種產(chǎn)品帶有施密特觸發(fā)器。下圖為帶施密特觸發(fā)器的四2輸入與非門(mén)電路74LS132。第二十頁(yè)，共三十五頁(yè)。6.4.3施密特觸發(fā)器的應(yīng)用(yìngyòng)1.波形(bōxínɡ)變換2.波形整形第二十一頁(yè)，共三十五頁(yè)。3.信號(hào)(xìnhào)鑒幅4.構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第二十二頁(yè)，共三十五頁(yè)。6.4.4門(mén)電路構(gòu)成(gòuchéng)的施密特觸發(fā)器圖（a）為由TTL門(mén)電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路。該電路；。其中，為二極管VD的正向?qū)妷?，為門(mén)電路的閾值電壓。所以，該電路的回差電壓為。通過(guò)改變電阻的值，可以方便的調(diào)節(jié)(tiáojié)回差電壓的大小。圖（b）為利用CMOS反相器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器。第二十三頁(yè)，共三十五頁(yè)。6.5多諧振蕩器（Multividrator）6.5.1555定時(shí)器構(gòu)成(gòuchéng)多諧振蕩器第二十四頁(yè)，共三十五頁(yè)。電路接通電源后，由于電容C兩端電壓較低，放電管VT截止，555電路輸出高電平，處于第一暫穩(wěn)態(tài)。隨著電源電壓對(duì)C充電的進(jìn)行(jìnxíng)，當(dāng)時(shí)，放電管VT導(dǎo)通，觸發(fā)器置0，輸出變?yōu)榈碗娖剑娐愤M(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)。此時(shí)，電容C開(kāi)始通過(guò)電阻和導(dǎo)通的放電管VT放電，vc下降，當(dāng)時(shí)，觸發(fā)器又被置1，VT重新截止，電路輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，回到第一暫穩(wěn)態(tài)。又開(kāi)始對(duì)電容C充電，重復(fù)以上過(guò)程。通過(guò)上述分析可知，電路穩(wěn)定工作時(shí)，兩種暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時(shí)間分別是電容C充電和放電持續(xù)的時(shí)間。電容C充電的時(shí)間；電容C放電的時(shí)間：電路輸出矩形脈沖信號(hào)的周期為。第二十五頁(yè)，共三十五頁(yè)。若要輸出方波信號(hào)，需要對(duì)上述電路進(jìn)行改進(jìn)，組成輸出脈沖信號(hào)的占空比可以調(diào)整的多諧振蕩器。555定時(shí)器電路構(gòu)成的多諧振蕩器，優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，但存在振蕩頻率較低、振蕩頻率穩(wěn)定性不高、容易受到溫度等外界因素的干擾等缺點(diǎn)。而在許多場(chǎng)合對(duì)電路振蕩頻率的穩(wěn)定性都有嚴(yán)格的要求，如在數(shù)字(shùzì)時(shí)鐘電路中，脈沖基準(zhǔn)信號(hào)來(lái)源的頻率穩(wěn)定性直接關(guān)系到計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性。這時(shí)就應(yīng)該使用石英晶體多諧振蕩器。第二十六頁(yè)，共三十五頁(yè)。6.5.2石英(shíyīng)晶體多諧振蕩器在一片薄石英晶片的兩側(cè)鍍上兩個(gè)電極就可以制成石英晶體諧振器。

當(dāng)信號(hào)頻率f等于石英晶體本身的固有諧振頻率時(shí)，信號(hào)容易通過(guò)石英晶體，石英晶體阻抗(zǔkàng)最小。當(dāng)時(shí)，石英晶體呈現(xiàn)感性阻抗(zǔkàng)；時(shí)，石英晶體呈現(xiàn)容性阻抗(zǔkàng)。第二十七頁(yè)，共三十五頁(yè)。由CMOS門(mén)電路和石英晶體共同組成(zǔchénɡ)的石英晶體多諧振蕩器電路如下。上圖中，反相器G1產(chǎn)生振蕩，G2用于整形，以獲得較理想的矩形脈沖信號(hào)。電阻R為反相器G1提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，電容C1用于頻率微調(diào)，C2為溫度校正電容。石英晶體振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度非常高，一般用于高精度時(shí)基的數(shù)字系統(tǒng)中。第二十八頁(yè)，共三十五頁(yè)。6.5.3施密特觸發(fā)器組成(zǔchénɡ)的多諧振蕩器利用(lìyòng)施密特觸發(fā)器特有的電壓回滯特性也可以組成多諧振蕩器。第二十九頁(yè)，共三十五頁(yè)。6.5.4環(huán)型振蕩器環(huán)形振蕩器利用門(mén)電路的傳輸延遲時(shí)間，將奇數(shù)個(gè)反相器首尾相連而構(gòu)成的。最簡(jiǎn)單(jiǎndān)的環(huán)形振蕩器由三個(gè)反相器首尾相連構(gòu)成。

該電路振蕩周期為

第三十頁(yè)，共三十五頁(yè)。將大（等）于3的奇數(shù)個(gè)反相器首尾相連可構(gòu)成環(huán)形振蕩器，產(chǎn)生自激振蕩，且振蕩周期為。n為反相器的個(gè)數(shù)。下圖是在上述電路基礎(chǔ)上改進(jìn)(gǎijìn)得到的實(shí)用型環(huán)形振蕩器電路。其中，組成電路的延遲環(huán)節(jié)，是保護(hù)電阻。

第三十一頁(yè)，共三十五頁(yè)。6.5.5門(mén)電路構(gòu)成(gòuchéng)的多諧振蕩器在門(mén)電路構(gòu)成的多諧振蕩器電路中，主要(zhǔyào)有兩種形式，對(duì)稱(chēng)式和非對(duì)稱(chēng)式。