2022年醫(yī)學專題-第6章脈沖信號的產(chǎn)生與變換素材

第6章脈沖信號的產(chǎn)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(shù)字電路中的信號大多數(shù)是矩形脈沖信號。將在較短時間間隔內(nèi)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(shù)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(jīng)常(jīngcháng)使用以下參數(shù)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(shù)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(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)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(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，共三十五頁。555電路主要由以下幾部分構(gòu)成：

1.一個(yīɡè)RS觸發(fā)器

2.兩個電壓比較電路

3.放電開關(guān)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(guān)系，僅取決于電路本身定時元件的參數(shù)值。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以由分立元件構(gòu)成；也可以通過門電路和RC元件構(gòu)成；或通過集成單穩(wěn)態(tài)電路外接RC元件來實現(xiàn)；也可以使用555定時器電路構(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(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，共三十五頁。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(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(diào)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(jù)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(nèi)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(gòu)成(gòuchéng)的單穩(wěn)態(tài)電路利用門電路和RC定時元件構(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。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(gòu)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(nèi)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?，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(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(gòu)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(gòu)成(gòuchéng)的施密特觸發(fā)器圖（a）為由TTL門電路構(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(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，共三十五頁。6.5多諧振蕩器（Multividrator）6.5.1555定時器構(gòu)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)榈碗娖剑娐愤M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(zhuǎn)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(diào)整的多諧振蕩器。555定時器電路構(gòu)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(shù)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(guān)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(cè)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(xiàn)感性阻抗(zǔkàng)；時，石英晶體呈現(xiàn)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(chǎn)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?shù)撵o態(tài)工作點，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)點是頻率穩(wěn)定度非常高，一般用于高精度時基的數(shù)字系統(tǒng)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(shù)個反相器首尾相連而構(gòu)成的。最簡單(jiǎndān)的環(huán)形振蕩器由三個反相器首尾相連構(gòu)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(shù)個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為反相器的個數(shù)。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(gòu)成(gòuchéng)的多諧振蕩器在門電路構(gòu)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。