2022年醫(yī)學(xué)專題-第五章脈沖信號的產(chǎn)生與整形

1多諧振蕩器2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器3施密特觸發(fā)器退出(tuìchū)脈沖信號的產(chǎn)生(chǎnshēng)與整形第一頁，共五十七頁。1多諧振蕩器1.1由門電路構(gòu)成(gòuchéng)的多諧振蕩器1.2由555定時器構(gòu)成(gòuchéng)的多諧振蕩器1.3多諧振蕩器的應(yīng)用(yìngyòng)退出第二頁，共五十七頁。開關(guān)電路

RC延時環(huán)節(jié)(huánjié)多諧振蕩器的基本(jīběn)組成：開關(guān)器件(qìjiàn)：產(chǎn)生高、低電平反饋延遲環(huán)節(jié)（RC電路）：利用RC電路的充放電特性實現(xiàn)延時，輸出電壓經(jīng)延時后,反饋到開關(guān)器件輸入端，改變電路的輸出狀態(tài),以獲得所脈沖波形輸出。概述1.1多諧振蕩器第三頁，共五十七頁。1.1由門電路構(gòu)成(gòuchéng)的多諧振蕩器能產(chǎn)生(chǎnshēng)矩形脈沖的自激振蕩電路叫做多諧振蕩器。1、RC環(huán)形(huánxínɡ)多諧振蕩器第四頁，共五十七頁。在t1時刻，ui1（uo）由0變?yōu)?，于是uo1（ui2）由1變?yōu)?，uo2由0變?yōu)?。由于電容電壓不能躍變，故ui3必定跟隨ui2發(fā)生負(fù)跳變。這個低電平保持uo為1，以維持(wéichí)已進入的這個暫穩(wěn)態(tài)。在這個暫穩(wěn)態(tài)期間，uo2（高電平）通過電阻R對電容C充電，使ui3逐漸上升。在t2時刻，ui3上升到門電路的閾值電壓UT，使uo（ui1）由1變?yōu)?，uo1（ui2）由0變?yōu)?，uo2由1變?yōu)?。同樣由于電容電壓不能躍變，故ui3跟隨ui2發(fā)生正跳變。這個高電平保持uo為0。至此，第一個暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路進入第二個暫穩(wěn)態(tài)。第一暫穩(wěn)態(tài)及其自動翻轉(zhuǎn)(fānzhuǎn)的工作過程第五頁，共五十七頁。第二(dìèr)暫穩(wěn)態(tài)及其自動翻轉(zhuǎn)的工作過程在t2時刻，uo2變?yōu)榈碗娖?，電容C開始通過電阻R放電。隨著放電的進行，ui3逐漸下降。在t3時刻，ui3下降到UT，使uo（ui1）又由0變?yōu)?，第二個暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路返回(fǎnhuí)到第一個暫穩(wěn)態(tài)，又開始重復(fù)前面的過程。第六頁，共五十七頁。2、CMOS多諧振蕩器在t1時刻，uo由0變?yōu)?，由于電容(diànróng)電壓不能躍變，故ui1必定跟隨uo發(fā)生正跳變，于是ui2（uo1）由1變?yōu)?。這個低電平保持uo為1，以維持已進入的這個暫穩(wěn)態(tài)。在這個暫穩(wěn)態(tài)期間，電容C通過電阻R放電，使ui1逐漸下降。在t2時刻，ui1上升到門電路的開啟電壓UT，使uo1（ui2）由0變?yōu)?，uo由1變?yōu)?。同樣由于電容電壓不能躍變，故ui1跟隨uo發(fā)生負(fù)跳變，于是ui2（uo1）由0變?yōu)?。這個高電平保持uo為0。至此，第一個暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路進入第二個暫穩(wěn)態(tài)。第一暫穩(wěn)態(tài)及其自動翻轉(zhuǎn)的工作(gōngzuò)過程第七頁，共五十七頁。第二暫穩(wěn)態(tài)及其自動(zìdòng)翻轉(zhuǎn)的工作過程在t2時刻，uo1變?yōu)楦唠娖剑@個高電平通過電阻R對電容C充電。隨著放電的進行，ui1逐漸上升。在t3時刻，ui1上升到UT，使uo（ui1）又由0變?yōu)?，第二個暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路返回到第一個暫穩(wěn)態(tài)，又開始(kāishǐ)重復(fù)前面的過程。第八頁，共五十七頁。石英(shíyīng)晶體振蕩器1、石英晶體電路(diànlù)符號和選頻特性電路符號阻特性(tèxìng)

fXf0電感性電容性電容性當(dāng)f=f0時,電抗X=0第九頁，共五十七頁。2、石英(shíyīng)晶體振蕩器R:使G1工作(gōngzuò)在線性區(qū)C1:耦合電容(diànróng)C2:抑制高次諧波第十頁，共五十七頁。3、石英(shíyīng)晶體多諧振蕩器電阻R1、R2的作用(zuòyòng)是保證兩個反相器在靜態(tài)時都能工作在線性放大區(qū)。對TTL反相器，常取R1＝R2＝R＝0.7kΩ～2kΩ，而對于CMOS門，則常取R1＝R2＝R＝10kΩ～100kΩ；C1＝C2＝C是耦合電容，它們的容抗在石英晶體諧振頻率f0時可以忽略不計；石英晶體構(gòu)成選頻環(huán)節(jié)。振蕩頻率等于(děngyú)石英晶體的諧振頻率f0。第十一頁，共五十七頁。1.2由555定時器構(gòu)成(gòuchéng)的多諧振蕩器1、555定時器低電平(diànpínɡ)觸發(fā)端高電平(diànpínɡ)觸發(fā)端電壓控制端復(fù)位端低電平有效放電端7.5～16V第十二頁，共五十七頁。001①R=0時，Q=1，uo=0，T導(dǎo)通。第十三頁，共五十七頁。①R=0時，Q=1，uo=0，T飽和導(dǎo)通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3時，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T飽和導(dǎo)通。＞2VCC/3＞VCC/300011第十四頁，共五十七頁。①R=0時，Q=1，uo=0，T飽和導(dǎo)通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3時，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T飽和導(dǎo)通。＜2VCC/3＞VCC/310011③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3時，C1=1、C2=1，Q、Q不變，uo不變，T狀態(tài)不變。110第十五頁，共五十七頁。①R=0時，Q=1，uo=0，T飽和導(dǎo)通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3時，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T飽和導(dǎo)通。＜2VCC/3＜VCC/311100③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3時，C1=1、C2=1，Q、Q不變，uo不變，T狀態(tài)不變。④R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＜VCC/3時，C1=1、C2=0，Q=0、Q=1，uo=1，T截止。第十六頁，共五十七頁。2、由555定時器構(gòu)成(gòuchéng)的多諧振蕩器接通VCC后，VCC經(jīng)R1和R2對C充電。當(dāng)uc上升到2VCC/3時，uo=0，T導(dǎo)通，C通過R2和T放電，uc下降。當(dāng)uc下降到VCC/3時，uo又由0變?yōu)?，T截止，VCC又經(jīng)R1和R2對C充電。如此重復(fù)上述過程(guòchéng)，在輸出端uo產(chǎn)生了連續(xù)的矩形脈沖。第十七頁，共五十七頁。第十八頁，共五十七頁。

已知滯回比較器的輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平。滯回比較器的兩種不同的輸出電平使RC電路進行充電或放電，于是電容(diànróng)上的電壓將升高或降低，而電容(diànróng)上的電壓又作為滯回比較器的輸入電壓，控制其輸出端狀態(tài)發(fā)生跳變，從而使RC電路由充電過程變?yōu)榉烹娺^程或相反。如此循環(huán)往復(fù)，周而復(fù)始，最后在滯回比較器的輸出端即可得到一個高低電平周期性的矩形波。3、由集成運放(yùnfànɡ)構(gòu)成的多諧振蕩器第十九頁，共五十七頁。矩形(jǔxíng)波發(fā)生器的電路見圖9-2其中，集成運放與電阻R1、R2、組成滯回比較器，電阻R和電容C構(gòu)成充放電回路，穩(wěn)壓管D2和電阻R3的作用是鉗位，將滯回比較器的輸出電壓限制在穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓值±6V。第二十頁，共五十七頁。如圖3-1中的電路參數(shù)確定(quèdìng)，則輸出電壓uo的波形是正負(fù)半周對稱的矩形波，即方波，該電路也即方波發(fā)生器。

圖3-1方波發(fā)生器電路(diànlù)第二十一頁，共五十七頁。

運用(yùnyòng)前首先將放大器調(diào)零;

第二十二頁，共五十七頁。2.占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路。實驗電路如圖3-2所示。前面圖3-1中輸出電壓uo的波形是正負(fù)半周對稱的矩形波，即uo等于高電平和低電平的時間各為T/2，這種矩形波的占空比等于50%，如果希望矩形波的占空比能夠根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，則可以通過分別改變圖3-2中電路中充電和放電的時間常數(shù)(shíjiānchánɡshù)來實現(xiàn)。第二十三頁，共五十七頁。圖3-2占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生(fāshēng)電路第二十四頁，共五十七頁。3.三角波發(fā)生電路①按自行設(shè)計的實驗電路圖連接線路，分別觀測用示波器V01及V02的波形并作記錄。②如何改變輸出波形的頻率？按預(yù)習(xí)方案分別進行設(shè)計、實驗并記錄。4.鋸齒波發(fā)生電路①自擬實驗電路；電路參數(shù)請參照模擬電路學(xué)習(xí)機上的現(xiàn)成元件(yuánjiàn)；按自行設(shè)計的實驗電路圖連接線路，觀測電路輸出和波形和頻率；并記錄之。②按預(yù)習(xí)時的方案改變鋸齒波頻率并測量變化范圍，并記錄之。第二十五頁，共五十七頁。

圖9-4

方波、三角(sānjiǎo)波發(fā)生電路第二十六頁，共五十七頁。圖3-3鋸齒(jùchǐ)波發(fā)生電路第二十七頁，共五十七頁。1.4多諧振蕩器的應(yīng)用(yìngyòng)秒信號(xìnhào)發(fā)生器多諧振蕩器分頻(fēnpín)電路第二十八頁，共五十七頁。模擬聲響(shēngxiǎng)電路將振蕩器Ⅰ的輸出電壓uo1，接到振蕩器Ⅱ中555定時器的復(fù)位端（4腳），當(dāng)uo1為高電平時振蕩器Ⅱ振蕩，為低電平時555定時器復(fù)位，振蕩器Ⅱ停止(tíngzhǐ)震蕩。第二十九頁，共五十七頁。本節(jié)小結(jié)(xiǎojié)多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，不需要外加輸入(shūrù)信號，就可以自動地產(chǎn)生出矩形脈沖。多諧振蕩器可以由門電路構(gòu)成，也可以由555定時器構(gòu)成。由門電路構(gòu)成的多諧振蕩器和基本RS觸發(fā)器在結(jié)構(gòu)上極為相似，只是用于反饋的耦合網(wǎng)絡(luò)不同。RS觸發(fā)器具有兩個穩(wěn)態(tài)，多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，所以又稱為無穩(wěn)電路。在多諧振蕩器中，由一個暫穩(wěn)態(tài)過渡到另一個暫穩(wěn)態(tài)，其“觸發(fā)”信號是由電路內(nèi)部電容充（放）電提供的，因此無需外加觸發(fā)脈沖(màichōng)。多諧振蕩器的振蕩周期與電路的阻容元件有關(guān)。

555定時器是一種應(yīng)用廣泛、使用靈活的集成器件，多用于脈沖產(chǎn)生、整形及定時等。第三十頁，共五十七頁。2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2.1由門電路構(gòu)成(gòuchéng)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2.2由555定時器構(gòu)成(gòuchéng)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用(yìngyòng)退出第三十一頁，共五十七頁。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字電路中一般用于定時（產(chǎn)生一定寬度的矩形波）、整形（把不規(guī)則的波形轉(zhuǎn)換成寬度、幅度都相等的波形）以及延時（把輸入信號延遲一定時間(shíjiān)后輸出）等。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有下列特點：（1）電路(diànlù)有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)。（2）在外來觸發(fā)脈沖作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。（3）暫穩(wěn)態(tài)是一個不能長久保持的狀態(tài)，經(jīng)過一段時間后，電路會自動返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間與觸發(fā)脈沖無關(guān)，僅決定于電路本身的參數(shù)。2.1由門電路構(gòu)成(gòuchéng)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第三十二頁，共五十七頁。（1）沒有觸發(fā)信號時電路工作在穩(wěn)態(tài)當(dāng)沒有觸發(fā)信號時，ui為低電平。因為門G2的輸入端經(jīng)電阻R接至VDD，VA為高電平，因此uo2為低電平；或非門G1的兩個輸入均為0，其輸出uo1為高電平，電容(diànróng)C兩端的電壓接近為0。這是電路的穩(wěn)態(tài)，在觸發(fā)信號到來之前，電路一直處于這個狀態(tài)：uo1＝1，uo2＝0。0011第三十三頁，共五十七頁。110（2）外加觸發(fā)信號使電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)正觸發(fā)脈沖ui到來時，門G1輸出uo1由1變?yōu)?。由于電容電壓不能躍變，uA也隨之跳變到低電平，使門G2的輸出uO2變?yōu)?。這個(zhège)高電平反饋到門G1的輸入端，此時即使ui的觸發(fā)信號撤除，仍能維持門G1的低電平輸出。但是電路的這種狀態(tài)是不能長久保持的，所以稱為暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)時，uo1＝0，uo2＝1。第三十四頁，共五十七頁。0011（3）電容充電使電路由暫穩(wěn)態(tài)自動返回到穩(wěn)態(tài)在暫穩(wěn)態(tài)期間，VDD經(jīng)R和G1的導(dǎo)通工作管對C充電，隨著充電的進行，C上的電荷逐漸增多，使uA升高。當(dāng)uA上升到閾值電壓UT時，G2的輸出uo2由1變?yōu)?。由于這時G1輸入觸發(fā)信號已經(jīng)過去，G1的輸出狀態(tài)只由uo2決定，所以G1又返回到穩(wěn)定的高電平輸出。uA隨之向正方向跳變，加速了G2的輸出向低電平變化。最后使電路退出(tuìchū)暫穩(wěn)態(tài)而進入穩(wěn)態(tài)，此時uo1＝1，uo2＝0。脈沖(màichōng)寬度：tp=0.7RC第三十五頁，共五十七頁。電路(diànlù)的改進當(dāng)ui的寬度(kuāndù)很寬時，可在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端加一個RC微分電路，否則，在電路由暫穩(wěn)態(tài)返回到穩(wěn)態(tài)時，由于門G1被ui封住了，會使uo2的下降沿變緩。第三十六頁，共五十七頁。穩(wěn)態(tài)時，ui＝1，G1、G2均導(dǎo)通。uo1＝0，uA＝0，uo2＝0。ui負(fù)跳變到0時，G1截止，uo1隨之跳變到1。由于電容電壓不能躍變，uA仍為0，故門G2截止，uo2跳變到1。在G1、G2截止時，C通過R和G1的導(dǎo)通管放電，使uA逐漸(zhújiàn)上升。當(dāng)uA上升到管子的開啟電壓UT時，如果ui仍為低電平，G2導(dǎo)通，uo2變?yōu)?。當(dāng)ui回到高電平后，G1導(dǎo)通，C又通過R和G1的導(dǎo)通管充電，電路恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。第三十七頁，共五十七頁。TR-A、TR-B是兩個下降沿有效的觸發(fā)信號輸入端，TR+是上升沿有效的觸發(fā)信號輸入端。Q和是兩個狀態(tài)互補的輸出端。Rext/Cext、Cext是外接定時電阻和電容的連接端，外接定時電阻R（R=1.4kΩ～40kΩ）接在VCC和Rext/Cext之間，外接定時電容C（C=10pF～10μF）接在Cext（正）和Rext/Cext之間。74121內(nèi)部已設(shè)置了一個2kΩ的定時電阻，Rin是其引出端，使用時只需將Rin與VCC連接起來即可，不用(bùyòng)時則應(yīng)將Rin開路。74121的輸出脈沖(màichōng)寬度：tp≈0.7RC第三十八頁，共五十七頁。TR-A、TR-B是兩個下降沿有效的觸發(fā)信號輸入端，TR+A、TR+B是兩個上升沿有效的觸發(fā)信號輸入端。Q和是兩個狀態(tài)互補的輸出端。Rext/Cext、Cext、Rin3個引出端是供外接定時元件使用的，外接定時電阻R（R=5kΩ～50kΩ）、電容C（無限制）的接法與74121相同。RD為直接復(fù)位輸入端，低電平有效。當(dāng)定時電容C＞1000pF時，74122的輸出脈沖寬度：tp≈0.32RC第三十九頁，共五十七頁。2.2由555定時器構(gòu)成(gòuchéng)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第四十頁，共五十七頁。接通VCC后瞬間，VCC通過R對C充電，當(dāng)uc上升到2VCC/3時，比較器C1輸出為0，將觸發(fā)器置0，uo＝0。這時Q=1，放電管T導(dǎo)通，C通過T放電，電路進入穩(wěn)態(tài)。

ui到來時，因為ui＜VCC/3，使C2＝0，觸發(fā)器置1，uo又由0變?yōu)?，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。由于此時Q=0，放電管T截止，VCC經(jīng)R對C充電。雖然此時觸發(fā)脈沖已消失，比較器C2的輸出變?yōu)?，但充電繼續(xù)進行，直到uc上升到2VCC/3時，比較器C1輸出為0，將觸發(fā)器置0，電路輸出uo＝0，T導(dǎo)通，C放電，電路恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。第四十一頁，共五十七頁。2.３單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用(yìngyòng)延遲(yánchí)與定時整形(zhěngxíng)第四十二頁，共五十七頁。本節(jié)小結(jié)(xiǎojié)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有(jùyǒu)一個穩(wěn)態(tài)。由門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和基本RS觸發(fā)器在結(jié)構(gòu)上也極為相似，只有用于反饋的耦合網(wǎng)絡(luò)不同。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以由門電路構(gòu)成，也可以由555定時器構(gòu)成。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，由一個暫穩(wěn)態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)，其“觸發(fā)”信號也是由電路內(nèi)部電容充（放）電提供的，暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間即脈沖寬度(kuāndù)也由電路的阻容元件決定。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不能自動地產(chǎn)生矩形脈沖，但卻可以把其它形狀的信號變換成為矩形波，用途很廣。第四十三頁，共五十七頁。3施密特觸發(fā)器3.1由門電路構(gòu)成(gòuchéng)的施密特觸發(fā)器3.2由555定時器構(gòu)成(gòuchéng)的施密特觸發(fā)器3.3施密特觸發(fā)器的應(yīng)用(yìngyòng)退出第四十四頁，共五十七頁。3.3.1由門電路構(gòu)成(gòuchéng)的施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是一種能夠把輸入波形整形成為適合