2022年醫(yī)學專題-第6章脈沖信號的產生與變換素材

第6章脈沖信號的產生(chǎnshēng)與變換6.1概述(ɡàishù)6.2555定時器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，共三十五頁。6.1概述(ɡàishù)數字電路中的信號大多數是矩形脈沖信號。將在較短時間間隔內作用于電路的電壓或電流信號，稱為脈沖信號。這個時間間隔可以和電路過渡過程持續(xù)時間（3τ～5τ）相比擬。數字電路中常見的脈沖信號波形(bōxínɡ)如下第二頁，共三十五頁。上圖中所示的矩形脈沖信號波形是理想的，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。而實際的矩形脈沖信號波形無理想跳變(tiàobiàn)、頂部也不平坦。具體波形如下第三頁，共三十五頁。為衡量實際矩形脈沖信號的優(yōu)劣，經常(jīngcháng)使用以下參數對其進行描述。

1.脈沖幅度

2.上升時間（RiseTime）

3.下降時間（FallTime）

4.脈沖寬度

5.脈沖周期T6.脈寬比，也稱為占空比。

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

555電路的邏輯圖、外引線功能(gōngnéng)圖、內部等效電路圖如下

第五頁，共三十五頁。555電路主要由以下幾部分構成：

1.一個(yīɡè)RS觸發(fā)器

2.兩個電壓比較電路

3.放電開關與反相輸出6.2.2555定時器功能描述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的集電極開路輸出，并提供放電通路

第六頁，共三十五頁。

555定時器功能表

閾值電壓TH

觸發(fā)輸入復位放電管VT輸出OUT

××0導通01導通01原狀態(tài)原狀態(tài)×1截止1第七頁，共三十五頁。6.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（MonostableMultivibrator）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是具有一個穩(wěn)態(tài)的觸發(fā)器。它具有兩種狀態(tài)：一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)。電路暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間的長短，與外加觸發(fā)脈沖信號的寬度沒有關系，僅取決于電路本身定時元件的參數值。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以由分立元件構成；也可以通過門電路和RC元件構成；或通過集成單穩(wěn)態(tài)電路外接RC元件來實現；也可以使用555定時器電路構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。其中，RC元件組成的電路部分(bùfen)稱為定時電路，由電容的充放電時間決定單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間的長短。根據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，共三十五頁。6.3.1555電路(diànlù)構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路接通后，觸發(fā)輸入信號(xìnhào)為高電平（），這時沒有有效觸發(fā)輸入信號(xìnhào)，電路工作于穩(wěn)態(tài)。觸發(fā)輸入信號由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。隨著放電管VT的導通，電路恢復穩(wěn)態(tài)。

第九頁，共三十五頁。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、電源穩(wěn)定性好、輸出脈寬調節(jié)范圍大、外圍元件少等優(yōu)點。集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分為(fēnwéi)兩大類：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，共三十五頁。74121功能表

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

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

第十三頁，共三十五頁。6.3.3單穩(wěn)態(tài)電路(diànlù)的應用1.脈沖信號整形(zhěngxíng)2.脈沖信號延時3.脈沖信號定時第十四頁，共三十五頁。6.3.4門電路構成(gòuchéng)的單穩(wěn)態(tài)電路利用門電路和RC定時元件構成的。根據RC元件的接法不同，可以(kěyǐ)分為微分型與積分型兩類。第十五頁，共三十五頁。6.4施密特觸發(fā)器（Schmitttrigger）6.4.1555電路(diànlù)構成施密特觸發(fā)器第十六頁，共三十五頁。工作(gōngzuò)過程電路接通電源(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，當輸入電壓在<vi<范圍內變化時，電路仍維持原狀態(tài)，輸出保持高電平不變。當輸入電壓vi>時，VT導通，觸發(fā)器置0，電路輸出變?yōu)榈碗娖剑瑺顟B(tài)發(fā)生翻轉。隨著輸入電壓的變化，在其由高電平向下變化的過程中，當<vi<時，電路維持原態(tài)，仍然輸出低電平。隨輸入電壓下降，當vi<時，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，共三十五頁。輸入電壓vi由低電平向高電平變化的過程中，當vi>時，會引起電路狀態(tài)的變化，將此時的輸入電壓稱為上限觸發(fā)電平，用表示(也可以稱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程中，當vi<，電路狀態(tài)并不發(fā)生變化，只有當vi<時，電路的狀態(tài)才會再次發(fā)生變化。將此時的輸入電壓稱為下限觸發(fā)電平，用表示(也可以稱為負向閾值電壓或低電平閾值電壓)。所以，該電路的?？梢?，對施密特觸發(fā)器電路而言，上限觸發(fā)電平不等于下限觸發(fā)電平，即導致電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入信號的值大小不相等。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，稱為回差特性或者回滯特性。第十八頁，共三十五頁。施密特觸發(fā)器電路的電壓傳輸特性曲線(qūxiàn)，也稱為回差特性曲線(qūxiàn)，如下圖所示。帶有施密特觸發(fā)器的反相器和與非門電路符號如下。

第十九頁，共三十五頁。6.4.2集成(jíchénɡ)施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器應用比較廣泛(guǎngfàn)，在數字集成電路中，多種產品帶有施密特觸發(fā)器。下圖為帶施密特觸發(fā)器的四2輸入與非門電路74LS132。第二十頁，共三十五頁。6.4.3施密特觸發(fā)器的應用(yìngyòng)1.波形(bōxínɡ)變換2.波形整形第二十一頁，共三十五頁。3.信號(xìnhào)鑒幅4.構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第二十二頁，共三十五頁。6.4.4門電路構成(gòuchéng)的施密特觸發(fā)器圖（a）為由TTL門電路構成的施密特觸發(fā)器電路。該電路；。其中，為二極管VD的正向導通電壓，為門電路的閾值電壓。所以，該電路的回差電壓為。通過改變電阻的值，可以方便的調節(jié)(tiáojié)回差電壓的大小。圖（b）為利用CMOS反相器構成的施密特觸發(fā)器。第二十三頁，共三十五頁。6.5多諧振蕩器（Multividrator）6.5.1555定時器構成(gòuchéng)多諧振蕩器第二十四頁，共三十五頁。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C充電的進行(jìnxíng)，當時，放電管VT導通，觸發(fā)器置0，輸出變?yōu)榈碗娖?，電路進入第二暫穩(wěn)態(tài)。此時，電容C開始通過電阻和導通的放電管VT放電，vc下降，當時，觸發(fā)器又被置1，VT重新截止，電路輸出翻轉為高電平，回到第一暫穩(wěn)態(tài)。又開始對電容C充電，重復以上過程。通過上述分析可知，電路穩(wěn)定工作時，兩種暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時間分別是電容C充電和放電持續(xù)的時間。電容C充電的時間；電容C放電的時間：電路輸出矩形脈沖信號的周期為。第二十五頁，共三十五頁。若要輸出方波信號，需要對上述電路進行改進，組成輸出脈沖信號的占空比可以調整的多諧振蕩器。555定時器電路構成的多諧振蕩器，優(yōu)點是電路簡單，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。而在許多場合對電路振蕩頻率的穩(wěn)定性都有嚴格的要求，如在數字(shùzì)時鐘電路中，脈沖基準信號來源的頻率穩(wěn)定性直接關系到計時的準確性。這時就應該使用石英晶體多諧振蕩器。第二十六頁，共三十五頁。6.5.2石英(shíyīng)晶體多諧振蕩器在一片薄石英晶片的兩側鍍上兩個電極就可以制成石英晶體諧振器。

當信號頻率f等于石英晶體本身的固有諧振頻率時，信號容易通過石英晶體，石英晶體阻抗(zǔkàng)最小。當時，石英晶體呈現感性阻抗(zǔkàng)；時，石英晶體呈現容性阻抗(zǔkàng)。第二十七頁，共三十五頁。由CMOS門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產生振蕩，G2用于整形，以獲得較理想的矩形脈沖信號。電阻R為反相器G1提供適當的靜態(tài)工作點，電容C1用于頻率微調，C2為溫度校正電容。石英晶體振蕩器的優(yōu)點是頻率穩(wěn)定度非常高，一般用于高精度時基的數字系統中。第二十八頁，共三十五頁。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，共三十五頁。6.5.4環(huán)型振蕩器環(huán)形振蕩器利用門電路的傳輸延遲時間，將奇數個反相器首尾相連而構成的。最簡單(jiǎndān)的環(huán)形振蕩器由三個反相器首尾相連構成。

該電路振蕩周期為

第三十頁，共三十五頁。將大（等）于3的奇數個反相器首尾相連可構成環(huán)形振蕩器，產生自激振蕩，且振蕩周期為。n為反相器的個數。下圖是在上述電路基礎上改進(gǎijìn)得到的實用型環(huán)形振蕩器電路。其中，組成電路的延遲環(huán)節(jié)，是保護電阻。

第三十一頁，共三十五頁。6.5.5門電路構成(gòuchéng)的多諧振蕩器在門電路構成的多諧振蕩器電路中，主要(zhǔyào)有兩種形式，對稱式和非對稱式。