醫(yī)學(xué)電子儀器與基礎(chǔ)電子電路

關(guān)于醫(yī)學(xué)電子儀器與基礎(chǔ)電子電路第一頁，共八十頁，2022年，8月28日1.6直流穩(wěn)壓電路

許多電子儀器和設(shè)備都需要穩(wěn)定的直流電源供電。除少數(shù)使用化學(xué)電源外，絕大多數(shù)是由交流電網(wǎng)供電，這就需要將交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電。直流穩(wěn)壓電源就是完成這種轉(zhuǎn)換的裝置，它一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等四部分組成（如圖1.41）。圖中各部分的作用如下：第二頁，共八十頁，2022年，8月28日(1)電源變壓器：將交流電源電壓變換為符合整流需要的交流電壓；(2)整流電路：將交流電壓變換為單向脈動(dòng)直流電壓；(3)濾波電路：濾掉整流電壓中的交流成分，輸出平滑的直流電壓；(4)穩(wěn)壓電路：在交流電源電壓波動(dòng)或負(fù)載變動(dòng)時(shí)，保證輸出穩(wěn)定的電壓。第三頁，共八十頁，2022年，8月28日整流電路

整流濾波是利用二極管的單向?qū)щ娦裕呀涣麟娹D(zhuǎn)換成脈動(dòng)直流電的過程。常見的整流電路有半波、全波和橋式整流等幾種形式。第四頁，共八十頁，2022年，8月28日1.半波整流電路

上圖是半波整流電路及其波形，它把二極管D和負(fù)載RL串聯(lián)起來接到變壓器B的次級(jí)線圈AB兩端。在交流電的正半周時(shí)，A點(diǎn)電勢(shì)比B點(diǎn)電勢(shì)高，二極管D受正向電壓作用而導(dǎo)通，RL上有電流通過；在交流電壓的負(fù)半周，A點(diǎn)電勢(shì)低于B點(diǎn)電勢(shì)，二極管受反向電壓的作用而截止，電路中沒有電流。這種電路只利用電源電壓的半個(gè)周期，因而取名為半波整流。第五頁，共八十頁，2022年，8月28日

半波整流電路簡單，但輸出直流電壓的平均值不到電源電壓有效值的一半，整流效率低，而且不平穩(wěn)，交流成分比較大，因而并不適用于醫(yī)學(xué)檢測(cè)儀器中。第六頁，共八十頁，2022年，8月28日2.全波整流電路

右圖是全波整流電路。它實(shí)際上是由兩個(gè)半波整流電路組成，這樣就可以完全利用交流電的每一個(gè)半周，故稱為全波整流。變壓器B的次級(jí)線圈具有中心抽頭“O”，A、B兩點(diǎn)電壓大小相等，位相差為180。其整流原理是在電源電壓的正、負(fù)半周時(shí)，二極管Dl、D2輪流導(dǎo)通，負(fù)載RL上總有同一方向的電流通過。第七頁，共八十頁，2022年，8月28日

這種電路的輸出電壓比較高，電流比較大，而脈動(dòng)程度卻減少了。它的缺點(diǎn)是變壓器次級(jí)線圈的匝數(shù)要增加一倍，兩個(gè)次級(jí)線圈中，只有半個(gè)周期有電流通過，對(duì)變壓器的利用率不高，而且二極管承受的反向電壓仍較大。第八頁，共八十頁，2022年，8月28日3.橋式整流電路第九頁，共八十頁，2022年，8月28日

上圖是橋式整流電路，由四個(gè)晶體二極管連接成電橋形式，故稱為橋式整流。變壓器次級(jí)輸出電壓為U2，當(dāng)它為正半周時(shí)，A點(diǎn)電勢(shì)比B點(diǎn)電勢(shì)高，二極管D1、D3導(dǎo)通，D2、D4反向截止，導(dǎo)電回路為A、D1、RL、D3、B；U2為負(fù)半周時(shí)，B點(diǎn)電勢(shì)比A點(diǎn)電勢(shì)高，二極管D2、D4正向?qū)?，D1、D3反向截止，導(dǎo)電回路為B、D2、RL、D4、A。在一個(gè)周期內(nèi)D1、D3和D2、D4輪流導(dǎo)通和截止，而流經(jīng)負(fù)載的電流方向不變。橋式整流的優(yōu)點(diǎn)是整流效率高，輸出脈動(dòng)程度小，二極管承受反向電壓只有全波整流的一半，故得到廣泛的應(yīng)用。它的缺點(diǎn)是二極管的數(shù)量比全波整流多兩個(gè)，電路比較復(fù)雜。第十頁，共八十頁，2022年，8月28日

濾波電路

整流電路可以把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)閱巍较虻拿}動(dòng)電壓和電流，但不論何種整流電路，都存在輸出電壓的脈動(dòng)程度較大，不能滿足電子儀器的供電要求，因此常在整流電路的后面加一級(jí)濾波電路，其作用是將脈動(dòng)電流中的交流成分濾掉，獲得平滑的直流輸出。常用濾波電路有電容濾波、電感電容濾波及有源濾波等。第十一頁，共八十頁，2022年，8月28日1.電容濾波

上圖是帶有電容濾波的半波整流電路，電容C與負(fù)載并聯(lián)。第十二頁，共八十頁，2022年，8月28日

當(dāng)U2為正半周時(shí)，二極管D導(dǎo)通，電流向負(fù)載供電，同時(shí)對(duì)電容C充電。在充電期間，電容C上的電壓Uc逐漸增大，直到接近于交流電壓U2的最大值，此后U2下降，由于此時(shí)Uc＞U2，二極管截止，電容C向RL放電，直到二極管又導(dǎo)通時(shí)，電容器又充電，這樣由于電容器的充放電作用，使在一個(gè)周期內(nèi)總有電流供給負(fù)載RL。圖(b)是這種電路的輸出波形圖。從圖中可以看到，加上電容C以后，輸出電壓的脈動(dòng)程度要平滑得多，這就是電容的濾波作用。第十三頁，共八十頁，2022年，8月28日

電容器放電的快慢取決于RL與C的乘積，即時(shí)間常數(shù)τ=RL×C，τ愈大，放電時(shí)間長，輸出電壓就較平滑。如果是采用橋式或全波整流的電容濾波電路，其濾波原理與半波整流電容濾波相同，輸出波形見上圖。它的特點(diǎn)是在交流電的正、負(fù)半周，整流電流對(duì)電容C充電兩次，這樣電容器向負(fù)載RL放電時(shí)間縮短了，因此輸出電流就更平穩(wěn)。第十四頁，共八十頁，2022年，8月28日

還應(yīng)指出，當(dāng)整流電路加入電容濾波后，二極管導(dǎo)通時(shí)間很短，而導(dǎo)通電流—方面要對(duì)電容充電以補(bǔ)充電容放電時(shí)所損耗的電荷，同時(shí)又要向負(fù)載RL供電，所以通過二極管的電流脈沖很大(見圖中輸出波形加豎線的部分)，這點(diǎn)在選擇二極管的最大整流電流時(shí)應(yīng)加以考慮。電容濾波的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，輸出電壓的脈動(dòng)程度大大減小。但當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，放電加快，輸出電壓的脈動(dòng)程度仍然較大。如果增加電容量，則充電電流太大，容易損壞二極管，故這種電路一般只適用于要求輸出電壓較高，負(fù)載電流小并且變化也較小的場(chǎng)合。第十五頁，共八十頁，2022年，8月28日2.電感電容濾波

為進(jìn)一步減小輸出電壓和電流的脈動(dòng)程度，在濾波電容前加入一個(gè)電感元件L，組成電感電容濾波電路。它利用電感L對(duì)交流電的阻抗很大，而對(duì)直流電阻抗幾乎等于零的特點(diǎn)，使整流電流中的交流成分在很大的感抗和很小的容抗上分壓，主要降落在L上，而直流成分則很容易通過電感，進(jìn)一步降低交流成分的含量，得到較好的濾波效果，在負(fù)載上可得到平穩(wěn)的直流輸出。第十六頁，共八十頁，2022年，8月28日

這種濾波電路的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)負(fù)載電流變化較大時(shí)，仍可得到較平穩(wěn)的直流輸出，且沒有電流脈沖，對(duì)整流元件的最大電流比電容濾波電路的要求低。具有LC濾波的整流電路適用于電流較大、要求輸出電壓脈動(dòng)很小的場(chǎng)合。第十七頁，共八十頁，2022年，8月28日

在負(fù)載電流不大的地方，LC濾波電路中的電感往往用電阻代替，成為RC濾波電路。RC電路的濾波效果不及LC電路，但電阻體積小、價(jià)格低是其主要優(yōu)點(diǎn)。在醫(yī)療電子儀器中為了避免各部分電路通過電源而發(fā)生相互影響，尤其是避免微弱生物電的前級(jí)放大器受到放大后的強(qiáng)信號(hào)的影響，即使在電源電壓相當(dāng)平穩(wěn)的情況下，儀器敏感部分的電源也常常就近增加一級(jí)RC濾波電路，以消除儀器其他電路通過電源對(duì)它的影響。這樣使用的濾波電路通常稱為退耦電路，因?yàn)樗淖饔檬窍鞑糠蛛娐分g的耦合。第十八頁，共八十頁，2022年，8月28日穩(wěn)壓電路

整流濾波電路都不能保證輸出穩(wěn)定的直流電壓，其原因主要有兩個(gè)方面：一是交流電網(wǎng)的電壓不穩(wěn)定，引起輸出電壓發(fā)生變化；二是整流濾波電路存在內(nèi)阻，當(dāng)負(fù)載變化引起電流變化時(shí)，內(nèi)阻上產(chǎn)生的壓降會(huì)隨之變化，使輸出的直流電壓不穩(wěn)定。因此，為了得到穩(wěn)定的輸出直流電壓，必須在整流濾波電路之后加穩(wěn)壓電路，以保證當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載電流變化時(shí)，輸出的電壓能維持相對(duì)穩(wěn)定。下面主要介紹由硅穩(wěn)壓二極管、晶體三極管構(gòu)成的穩(wěn)壓電路及目前常用的集成穩(wěn)壓器。第十九頁，共八十頁，2022年，8月28日1.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

左圖是一種穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，由限流電阻R和硅穩(wěn)壓二極管Dz組成，RL是負(fù)載電阻，與穩(wěn)壓管并聯(lián)。

當(dāng)交流電網(wǎng)電壓升高而引起穩(wěn)壓電路的輸入電壓Ui升高時(shí)，將引起硅穩(wěn)壓管Dz的端電壓Uz，即輸出電壓Uo升高。由穩(wěn)壓二極管的伏安特性可知，Uz稍一升高，則通過穩(wěn)壓管的電流Iz顯著增大，限流電阻R上的電壓UR=(Iz+Io)×R增加，而Uo=Ui-UR，UR的增加補(bǔ)償了輸入電壓Ui的變化，從而使輸出電壓Uo基本保持不變。反之，當(dāng)Ui下降時(shí)，穩(wěn)壓過程與上述相反，電路也能基本維持輸出電壓不變。第二十頁，共八十頁，2022年，8月28日

若輸入電壓Ui不變，當(dāng)負(fù)載電阻減小時(shí)，電流Io增大，R上的壓降升高，使得Uo下降。但Uo稍有下降，Iz將顯著減小，Iz減小的部分幾乎和Io增大的部分相等，結(jié)果限流電阻R上流過的總電流和電壓降不變，從而使輸出電壓Uo基本恒定。反之亦然。第二十一頁，共八十頁，2022年，8月28日

由此可見，在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，穩(wěn)壓管的電流調(diào)節(jié)作用和限流電阻的電壓調(diào)節(jié)作用是穩(wěn)壓的關(guān)鍵，即利用穩(wěn)壓管端電壓的微小變化引起較大電流的變化，再通過R的電壓調(diào)節(jié)作用，保證輸出電壓的恒定。由于穩(wěn)壓管與負(fù)載RL相并聯(lián)，故該電路又稱為并聯(lián)型穩(wěn)壓電路。這種電路結(jié)構(gòu)簡單，但輸出電壓不可調(diào)，穩(wěn)定精度不高，所以只用在穩(wěn)壓要求不高和負(fù)載電流小的電路中。第二十二頁，共八十頁，2022年，8月28日2.晶體管串聯(lián)穩(wěn)壓電路

由于穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓效果不夠理想，且只能用于負(fù)載電流較小的場(chǎng)合，因此下面介紹串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路，其電路原理是集成穩(wěn)壓電源內(nèi)部電路的基礎(chǔ)。第二十三頁，共八十頁，2022年，8月28日

左圖是一種簡單串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。圖(a)是一個(gè)可變電阻R和負(fù)載電阻RL的串聯(lián)電路。當(dāng)輸入電壓Ui或輸出電流Io發(fā)生變化而引起輸出電壓Uo變化時(shí)，如果可變電阻R的阻值也相應(yīng)地自動(dòng)改變，保持輸出電壓穩(wěn)定，這樣就構(gòu)成了串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。由于晶體管的基極電流對(duì)集電極電流具有控制作用，使得其集電極與發(fā)射極之間具有一個(gè)可變電阻的性質(zhì)，因此用它作調(diào)整電阻，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。第二十四頁，共八十頁，2022年，8月28日左圖是一個(gè)簡單的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，用三極管代替可變電阻R作為調(diào)整元件，故叫做調(diào)整管。電阻R和穩(wěn)壓管Dz組成簡單的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，接到調(diào)整管的基極，使基極電壓Ub=Uz保持恒定，此電壓稱為基準(zhǔn)電壓。其電壓穩(wěn)定過程如下：當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載電流變化引起輸出電壓Uo升高時(shí)，由于調(diào)整管基極電位Ub是恒定的，將引起調(diào)整管基-射極之間的電壓Ube下降。由三極管特性曲線可知，其基極電流Ib減小，集-射極電壓Uce上升，而Uo=Ui-Uce，使輸出電壓降到原值。第二十五頁，共八十頁，2022年，8月28日

由于三極管的發(fā)射極電流比穩(wěn)壓管的工作電流大得多，所以這種穩(wěn)壓電路可提供較大的負(fù)載電流。該電路的輸出電壓Uo=Uz-Ube，Uo的值取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓Uz。如果要改變輸出電壓，可更換穩(wěn)壓管。另外，用輸出電壓直接去控制調(diào)整管的基極電流，控制作用不明顯，穩(wěn)壓效果較差。為提高穩(wěn)定度，一般在實(shí)際電路中常采用帶有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)穩(wěn)壓電路。第二十六頁，共八十頁，2022年，8月28日

上圖是帶放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路的原理圖。它將輸出電壓的變化量Uo通過直流放大器放大后，再去控制調(diào)整管，使微小的輸出電壓變化量產(chǎn)生很強(qiáng)的調(diào)整作用，從而大大提高了輸出電壓的穩(wěn)定性。該穩(wěn)壓電路包括以下四部分：取樣電路、基準(zhǔn)電壓電路、比較放大器、調(diào)整管。(a)電路調(diào)整管比較放大器基準(zhǔn)電壓取樣電路UiUo第二十七頁，共八十頁，2022年，8月28日穩(wěn)壓過程如下：當(dāng)輸出電壓Uo升高時(shí)，取樣電壓Uf隨之增大，T2的基-射極電壓Ube2增大，其基極電流Ib2增大，集電極電流Ic2增大，集-射極電壓Uce2減小。因此，T1的Ube1=Ub1-Uo=Uz+Uce2-Uo減小，Uce1增大，輸出電壓Uo下降，使之保持穩(wěn)定?？梢姡瑤Х糯蟓h(huán)節(jié)的串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路是利用晶體三極管作為調(diào)整元件，從輸出電壓中取出一部分電壓經(jīng)放大后去調(diào)節(jié)調(diào)整管所呈現(xiàn)的電阻，維持輸出電壓不變。這種穩(wěn)壓電路的穩(wěn)定度比簡單串聯(lián)型穩(wěn)壓電路提高了很多。但它的輸出電流不夠大，同時(shí)還存在較大的溫度漂移。因此要得到更理想的穩(wěn)定效果，還應(yīng)對(duì)上述電路采取一些改進(jìn)措施。另外，在穩(wěn)壓電源中，為了避免負(fù)載電流過大或輸出短路時(shí)被燒毀，經(jīng)常采用限流和減流作用的保護(hù)措施。第二十八頁，共八十頁，2022年，8月28日3.集成穩(wěn)壓器

將串聯(lián)型穩(wěn)壓電路中的各元件集成在一塊芯片上就形成了集成穩(wěn)壓器。采用集成穩(wěn)壓器制作的直流穩(wěn)壓電源稱為集成穩(wěn)壓電源。集成穩(wěn)壓器具有體積小、可靠性高、使用靈活、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，集成穩(wěn)壓器有各種類型、各種型號(hào)的片子。下面主要介紹三端固定和三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器。第二十九頁，共八十頁，2022年，8月28日(1)三瑞固定集成穩(wěn)壓器

這種穩(wěn)壓器一般只有輸入、輸出、公共接地三個(gè)端子，輸出電壓固定，所以稱為三端固定集成穩(wěn)壓器。其中W7800和W7900兩種系列是最常用的，每一種系列在5~24V范圍內(nèi)有7種不同的檔次，負(fù)載電流可達(dá)1.5A。W7800系列輸出正電壓，W7900系列輸出負(fù)電壓。系列的后兩位數(shù)字表示穩(wěn)壓器的輸出電壓值，如W7805表示該集成穩(wěn)壓器的輸出電壓為+5V，而W7912表示輸出電壓為-12V。第三十頁，共八十頁，2022年，8月28日

右圖是正、負(fù)電壓同時(shí)輸出的典型電路。圖中變壓器分別輸出兩路24V交流電壓，一路經(jīng)Q1橋式整流得到正電壓，經(jīng)電容C和Ci濾波后送W7815穩(wěn)壓，輸出+l5V，二極管D起保護(hù)W7815的作用；另一路經(jīng)Q2整流得負(fù)電壓，再經(jīng)濾波和W7915穩(wěn)壓后，輸出-l5V。輸出電容Co用于改善瞬態(tài)響應(yīng)特性，減小高頻輸出阻抗。D第三十一頁，共八十頁，2022年，8月28日(2)三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器

可調(diào)式集成穩(wěn)壓器有多種類型，這里僅以W317、W337為例介紹三端可調(diào)穩(wěn)壓器的工作原理。與固定式7800和7900系列穩(wěn)壓器相比，W317、W337穩(wěn)壓器沒有公共接地端，只有輸入、輸出、調(diào)整三個(gè)端子，且內(nèi)部設(shè)有多種保護(hù)電路，工作十分安全。W317輸出正電壓，而W337輸出負(fù)電壓，輸入與輸出的最大電壓差為40V，輸出電壓可在1.2～35V(-1.2～-35V)之間連續(xù)可調(diào)，輸出電流最大為1.5A。第三十二頁，共八十頁，2022年，8月28日

上圖是一個(gè)三端可調(diào)集成穩(wěn)壓電路，它是通過外接兩個(gè)電阻R1、R2來獲得所需的電壓，其性能優(yōu)于三端固定集成穩(wěn)壓器。設(shè)輸出端2與調(diào)節(jié)端3之間的最小穩(wěn)壓為Us(1.2V)，可以證明，該穩(wěn)壓電路的輸出電壓Uo近似為：Uo=(1+R2/R1)×Us，式中表明調(diào)節(jié)R2即可獲得所需要的穩(wěn)定輸出電壓Uo。第三十三頁，共八十頁，2022年，8月28日直流電壓變換器

將直流低壓變成各種不同的直流高壓的電路叫直流電壓變換器。通常50Hz、220V的市電通過電子設(shè)備內(nèi)部的變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)，就能變成機(jī)器本身所需要的各檔直流電壓。但在一些醫(yī)學(xué)儀器中，如某些型號(hào)的心電圖機(jī)、X線影像增強(qiáng)器、CT等，既需要低壓直流電源，又需要高壓直流電源供電，若在變壓環(huán)節(jié)中直接由電源變壓器的次級(jí)輸出高電壓，再進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)，理論上也可以實(shí)現(xiàn)，但是實(shí)際線路有許多缺點(diǎn)，如變壓器體積、重量過大，對(duì)絕緣材料的質(zhì)量要求高，同時(shí)要求整流、濾波和穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)的電路元件耐壓也要高等。因此，在負(fù)載不是很重的情況下，高壓電源都可采用直流電壓變換器。第三十四頁，共八十頁，2022年，8月28日

使用直流電壓變換器可以解決以下幾方面的問題。首先，它能夠避免公共地線。在臨床和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究中，儀器和生物體有公共地線時(shí)，極易受到50Hz市電的干擾，使儀器不能正常工作；其次，還能避免儀器漏電對(duì)病人的危害，采用浮地接法，使前級(jí)放大器的零電位點(diǎn)與主放大器的零電位點(diǎn)相隔離；第三，還用于沒有或不宜使用交流市電的場(chǎng)合。第三十五頁，共八十頁，2022年，8月28日

除此之外，直流電壓變換器還有以下優(yōu)點(diǎn)：由于高頻方波電壓發(fā)生器產(chǎn)生頻率一般為幾十千赫，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于市電50Hz頻率，輸出變壓器的體積、濾波電容器的容量和體積、濾波線圈的電感量和體積都可大大減小；當(dāng)電源過載時(shí)，方波發(fā)生器會(huì)自動(dòng)停振，具有電源的自動(dòng)保護(hù)作用。其缺點(diǎn)是內(nèi)阻較大，輸出的高壓穩(wěn)定性較差。第三十六頁，共八十頁，2022年，8月28日【小結(jié)】

直流穩(wěn)壓電源的作用是將交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓。直流穩(wěn)壓電源要用整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。1.整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒔涣麟娹D(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)的直流電。第三十七頁，共八十頁，2022年，8月28日【小結(jié)】

2.電容濾波適用于較高電壓、較小電流，且電流變化不大的場(chǎng)合。電感濾波適用于低電壓、大電流。電容濾波對(duì)整流二極管有大的沖擊電流，而電感濾波沖擊電流很小。3.穩(wěn)壓管組成最簡單的穩(wěn)壓電路，在輸出電流不大，輸出電壓固定，穩(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合應(yīng)用較多。串聯(lián)型穩(wěn)壓電源輸出電壓穩(wěn)定度較高，且輸出電壓可調(diào)。集成穩(wěn)壓器由于體積小、重量輕、使用方便，目前得到了廣泛應(yīng)用。第三十八頁，共八十頁，2022年，8月28日1.7數(shù)字邏輯電路

前面討論的都是模擬電路，其中被傳遞、加工、處理的信號(hào)在時(shí)間和數(shù)值上均是連續(xù)變化的模擬信號(hào)。本節(jié)開始將討論數(shù)字電路，其中被傳遞、加工、處理的信號(hào)在時(shí)間和數(shù)值上均是離散變化的數(shù)字信號(hào)。與模擬電路相比，數(shù)字電路具有以下特點(diǎn)：第三十九頁，共八十頁，2022年，8月28日

1.在數(shù)字電路中，一般均采用二進(jìn)制。其基本工作信號(hào)是用“l(fā)”和“0”表示的數(shù)字信號(hào)，反映在電路上就是高電平和低電平。數(shù)字電路中的各種半導(dǎo)體器件一般都是工作在開關(guān)狀態(tài)，晶體管時(shí)而從截止躍變到飽和，時(shí)而從飽和躍變到截止，不是工作在飽和狀態(tài)，就是工作在截止?fàn)顟B(tài)，只是在飽和截止兩種工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換瞬間經(jīng)過放大狀態(tài)。電路對(duì)各元件參數(shù)的精度要求不高，只要能正確區(qū)分兩種截然不同的工作狀態(tài)即可。這一特點(diǎn)，有利于數(shù)字電路的集成化。第四十頁，共八十頁，2022年，8月28日

2.抗干擾能力強(qiáng)、精度高。數(shù)字電路采用的是脈沖信號(hào)，處理的是二值信息0和1，只要外部干擾信號(hào)在電路的噪聲容限范圍內(nèi)，電路能識(shí)別高低電平，就能正常工作，因而抗干擾能力強(qiáng)。數(shù)字電路還可用增加二進(jìn)制的位數(shù)來提高電路的運(yùn)算精度。3.數(shù)字電路通用性強(qiáng)、保密性好。可以采用標(biāo)準(zhǔn)的邏輯部件和可編程邏輯器件來設(shè)計(jì)各種各樣的數(shù)字電路和系統(tǒng)；并且，可以通過對(duì)軟件、硬件加密，長期保存一些寶貴的信息資源。第四十一頁，共八十頁，2022年，8月28日

近年來，數(shù)字電路的發(fā)展非常迅速，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路不斷問世，數(shù)字電路的可靠性和智能化水平不斷提高，并廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信。航天、工業(yè)控制等各個(gè)領(lǐng)域，數(shù)字電路與電子計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在醫(yī)療儀器和設(shè)備中。下面主要闡述邏輯控制、脈沖計(jì)數(shù)和數(shù)字顯示的基本原理，并介紹常用的計(jì)數(shù)器和A/D、D/A轉(zhuǎn)換器。第四十二頁，共八十頁，2022年，8月28日基本邏輯電路

所謂邏輯是指“條件”與“結(jié)果”的關(guān)系。邏輯電路是用電路的輸入信號(hào)反映“條件”，用電路的輸出信號(hào)反映“結(jié)果”。電路的輸出與輸入之間構(gòu)成一定的邏輯關(guān)系。在數(shù)字電路中，門電路是最基本的邏輯元件。所謂“門”是指一種開關(guān)，滿足一定的條件它就允許信號(hào)通過，條件不滿足，信號(hào)就通不過。因?yàn)殚T電路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間存在著一定的邏輯關(guān)系，所以門電路又稱為邏輯門電路。基本邏輯關(guān)系有與邏輯、或邏輯、非邏輯，實(shí)現(xiàn)這些邏輯關(guān)系的電路分別稱為與門、或門、非門。由這三種基本門電路還可以組成其他多種復(fù)合門電路。第四十三頁，共八十頁，2022年，8月28日

邏輯變量是指具有“真”、“假”兩個(gè)值的量，在邏輯運(yùn)算中用0和1兩個(gè)數(shù)碼代表邏輯值，0代表“假”，1代表“真”。在電子線路中，如果一個(gè)電壓變量只取高、低兩個(gè)電平，且在這兩個(gè)電平之間的轉(zhuǎn)換都是快速的，那么它們就可以作為邏輯變量。在正邏輯中，把低電平作為邏輯值0，把高電平作為邏輯值1。而負(fù)邏輯則相反。以下的內(nèi)容只使用正邏輯。第四十四頁，共八十頁，2022年，8月28日1.與門電路

上圖為簡單的具有兩個(gè)輸入端的與門電路，其左圖為常用邏輯符號(hào)及邏輯表達(dá)式。其中A、B分別為兩個(gè)輸入端，F(xiàn)為輸出端，其真值表見右圖。第四十五頁，共八十頁，2022年，8月28日2.或門電路

上圖具有兩個(gè)輸入端的或門電路，左圖為常用邏輯符號(hào)及邏輯表達(dá)式。其中A、B端分別為兩個(gè)輸入端，F(xiàn)為輸出端，其真值見右圖。第四十六頁，共八十頁，2022年，8月28日3.非門電路

非門電路只有一個(gè)輸入端，輸出端與輸入端的狀態(tài)總是相反。當(dāng)輸入端A是高電平時(shí)，輸出端F是低電平；當(dāng)輸入端是低電平時(shí)，輸出端則是高電平(參見圖1.55)。簡單的非門電路實(shí)際就是一個(gè)反相器。AF1第四十七頁，共八十頁，2022年，8月28日

為了擴(kuò)展邏輯功能，由上述三種基本邏輯門電路還可以組成多種復(fù)合門電路。如與門和非門串聯(lián)可組成與非門，或門和非門串聯(lián)可組成或非門等。實(shí)際應(yīng)用的邏輯系統(tǒng)往往具有較復(fù)雜的邏輯關(guān)系。它需要用一些基本門電路和復(fù)合門電路組合起來，以實(shí)現(xiàn)一定的邏輯功能。這種由若干個(gè)門電路組成的電路稱為組合邏輯電路。常用的組合邏輯電路有編碼器、譯碼器等，它們?cè)跀?shù)字電路中有著廣泛的應(yīng)用。第四十八頁，共八十頁，2022年，8月28日

上圖是數(shù)字頻率計(jì)控制電路，其中的與門是用來控制脈沖信號(hào)能否進(jìn)入計(jì)數(shù)器的開關(guān)。它有兩個(gè)輸入端；被測(cè)信號(hào)（頻率為fx）經(jīng)脈沖形成電路變成計(jì)數(shù)脈沖（重復(fù)頻率fx）加到A端；控制與門開和關(guān)的信號(hào)（門控制信號(hào)）加到B端。當(dāng)門控信號(hào)為低電平0時(shí)，與門被封鎖，輸出F為低電平，A端的計(jì)數(shù)脈沖不能通過與門；當(dāng)門控信號(hào)為高電平1時(shí)，與門被打開，A端的計(jì)數(shù)脈沖通過與門送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。如果B端開門時(shí)間是1s，則計(jì)數(shù)器所累計(jì)的脈沖數(shù)正好是與門打開的這1s內(nèi)通過的計(jì)數(shù)脈沖數(shù)目，即被測(cè)信號(hào)的頻率。第四十九頁，共八十頁，2022年，8月28日雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

前面討論的各種門電路有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是在某一時(shí)刻的輸出狀態(tài)只取決于當(dāng)時(shí)的輸入狀態(tài)。在數(shù)字電路中，還有另一類邏輯電路，其輸出狀態(tài)不僅與當(dāng)時(shí)的輸入有關(guān)，而且還取決于電路原來的狀態(tài)，這種邏輯電路稱為時(shí)序邏輯電路。由門電路構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是時(shí)序邏輯電路的基礎(chǔ)。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，并能根據(jù)不同的輸入信號(hào)被置成規(guī)定的狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)撤掉后，它能保持原狀態(tài)不變，因此具有記憶作用。第五十頁，共八十頁，2022年，8月28日1.基本RS觸發(fā)器

由兩個(gè)與非門交叉連接就可構(gòu)成最簡單的RS觸發(fā)器，即基本RS觸發(fā)器。當(dāng)S和R端都為1時(shí)，對(duì)輸出狀態(tài)無影響，觸發(fā)器保持原來狀態(tài)；當(dāng)S端的觸發(fā)信號(hào)出現(xiàn)一個(gè)負(fù)脈沖時(shí)，觸發(fā)器為1狀態(tài)（Q=1），此過程稱為置位，S端也稱為置位端；當(dāng)R端的觸發(fā)信號(hào)出現(xiàn)一個(gè)負(fù)脈沖時(shí)，觸發(fā)器為0狀態(tài)（Q=0），此過程稱為復(fù)位，R端也稱為復(fù)位端。第五十一頁，共八十頁，2022年，8月28日

可見，只有當(dāng)輸入端S或R為0時(shí)，才能對(duì)觸發(fā)器起控制作用，為1時(shí)則不起作用。因此，人們習(xí)慣將S和R上端劃上邏輯非符號(hào)“一”，表示該端靠低電平觸發(fā)。當(dāng)S和R端同時(shí)為0時(shí)，則兩個(gè)輸出端同時(shí)為1，不再互補(bǔ)。而當(dāng)兩個(gè)輸入端的低電平同時(shí)消失后(不同時(shí)消失的情況除外)，觸發(fā)器恢復(fù)到0狀態(tài)還是l狀態(tài)則完全由一些偶然因素決定，無法預(yù)測(cè)。因此，這種觸發(fā)器不允許S和R端同時(shí)輸入負(fù)脈沖，除非它們不同時(shí)回到1。第五十二頁，共八十頁，2022年，8月28日

基本RS觸發(fā)器的工作波形見左圖。S和R的最后一個(gè)負(fù)脈沖同時(shí)到來，但S的負(fù)脈沖較遲結(jié)束，因此觸發(fā)器后面的狀態(tài)由它決定。這種基本RS觸發(fā)器在醫(yī)學(xué)上常常被應(yīng)用到一些過程控制的電路中，如可以通過一個(gè)脈沖來控制吸氧或輸液控制裝置的閥門啟閉并保持到下一個(gè)脈沖到來。第五十三頁，共八十頁，2022年，8月28日2.時(shí)鐘控制的RS觸發(fā)器

在數(shù)字電路系統(tǒng)中，經(jīng)常要求各個(gè)觸發(fā)器的狀態(tài)隨時(shí)間按同一節(jié)奏改變，以使整個(gè)系統(tǒng)能步調(diào)一致地協(xié)調(diào)工作，即實(shí)現(xiàn)同步操作。這就需要各觸發(fā)器受同一控制信號(hào)的作用，此控制信號(hào)可由一個(gè)發(fā)出固定頻率脈沖的振蕩器產(chǎn)生，它能像時(shí)鐘一樣準(zhǔn)確地控制觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻，被稱為時(shí)鐘脈沖，記作CP。第五十四頁，共八十頁，2022年，8月28日右圖是能夠?qū)崿F(xiàn)這種同步操作的RS觸發(fā)器及邏輯符號(hào)，它比基本RS觸發(fā)器增加了兩個(gè)由時(shí)鐘脈沖控制的與非門，該觸發(fā)器稱為時(shí)鐘控制的RS觸發(fā)器。第五十五頁，共八十頁，2022年，8月28日

當(dāng)CP=0時(shí)，使基本RS觸發(fā)器(R)=(S)=1，觸發(fā)器保持原來的狀態(tài)不變，與輸入信號(hào)R、S無關(guān)，觸發(fā)器被CP封鎖；當(dāng)CP=l時(shí)，輸入信號(hào)與基本RS觸發(fā)器同樣分析，即當(dāng)R=S=0時(shí)，觸發(fā)器保持原來的狀態(tài)；當(dāng)R=0，S=1時(shí)，觸發(fā)器置位(1狀態(tài))；當(dāng)R=1，S=0時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位；當(dāng)R=S=1時(shí)，這種狀態(tài)不允許出現(xiàn)。第五十六頁，共八十頁，2022年，8月28日

右圖為時(shí)鐘控制的RS觸發(fā)器輸入和輸出端的脈沖波形圖。從圖中可以看出，輸出脈沖的變化都是在時(shí)鐘脈沖CP出現(xiàn)時(shí)才能發(fā)生，即CP脈沖觸發(fā)。而時(shí)鐘脈沖結(jié)束后，輸出脈沖將保持這一狀態(tài)，一直到在后面的時(shí)鐘脈沖期間，由輸入脈沖R、S變化使之翻轉(zhuǎn)。第五十七頁，共八十頁，2022年，8月28日脈沖計(jì)數(shù)和顯示

在醫(yī)學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域，常常需要利用自動(dòng)計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)的裝置。如在核醫(yī)學(xué)中自動(dòng)計(jì)算γ射線的脈沖數(shù)；臨床檢驗(yàn)中自動(dòng)計(jì)算紅細(xì)胞數(shù)；當(dāng)在醫(yī)學(xué)儀器中需要計(jì)算時(shí)間時(shí)，常計(jì)算一個(gè)固定頻率的振蕩器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)。這種裝置就是計(jì)數(shù)器。本節(jié)介紹由觸發(fā)器和門電路組成的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器及數(shù)字的顯示裝置。第五十八頁，共八十頁，2022年，8月28日1.脈沖計(jì)數(shù)器

計(jì)數(shù)器是一種能夠計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)的邏輯電路，是數(shù)字電路中最常用的邏輯部件之一。計(jì)數(shù)器的種類很多，如按其計(jì)數(shù)制來分：有二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和十進(jìn)制計(jì)數(shù)器等；按其計(jì)數(shù)的增減趨勢(shì)分：有加法計(jì)數(shù)器、減法計(jì)數(shù)器和可逆計(jì)數(shù)器；按計(jì)數(shù)脈沖引入的方式來分：有異步計(jì)數(shù)器和同步計(jì)數(shù)器兩種。計(jì)數(shù)器的應(yīng)用很廣，可以說在每一種數(shù)字設(shè)備中，幾乎都有計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器同時(shí)也可以作分頻器，其功能是每輸入n個(gè)脈沖就發(fā)出一個(gè)脈沖(n為任何自然數(shù))。頻率極低的振蕩器不易制作，而且也不易整形成方波，使用分頻器便可解決這一問題。如在心臟起搏器和其他一些醫(yī)學(xué)儀器中，都會(huì)使用分頻器從較高頻率的振蕩器中獲得低頻方波。第五十九頁，共八十頁，2022年，8月28日

上圖是一種異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，根據(jù)二進(jìn)制的加法法則，在組成二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器時(shí)，構(gòu)成計(jì)數(shù)器的各觸發(fā)器應(yīng)滿足：⑴每輸入一個(gè)脈沖，觸發(fā)器應(yīng)翻轉(zhuǎn)一次；⑵當(dāng)?shù)臀挥|發(fā)器由1狀態(tài)變?yōu)?狀態(tài)時(shí)，應(yīng)輸出一個(gè)進(jìn)位信號(hào)加到高位觸發(fā)器的計(jì)數(shù)輸入端。

第六十頁，共八十頁，2022年，8月28日上圖是該計(jì)數(shù)器的工作波形圖第六十一頁，共八十頁，2022年，8月28日上表是二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。表1.2二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表第六十二頁，共八十頁，2022年，8月28日

從表中可以看出，計(jì)數(shù)器四個(gè)輸出端的組合Q3Q2Q1Q0恰好是表示15以內(nèi)十進(jìn)制輸入脈沖數(shù)的四位二進(jìn)制數(shù)。若要計(jì)算更多的脈沖數(shù)則需要計(jì)數(shù)器包含有更多的計(jì)數(shù)型觸發(fā)器；如要計(jì)算0~63范圍內(nèi)的脈沖數(shù)則需要6個(gè)計(jì)數(shù)型觸發(fā)器(設(shè)這種觸發(fā)器個(gè)數(shù)為N，則能記錄的脈沖數(shù)為2N)。第六十三頁，共八十頁，2022年，8月28日

異步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的特點(diǎn)是：計(jì)數(shù)脈沖只輸入最低位觸發(fā)器，而其它各位觸發(fā)器則由相鄰的低位觸發(fā)器輸出脈沖的下降沿來觸發(fā)，因此各觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻不同，稱異步觸發(fā)。異步計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)速度受到限制，若要提高速度，可采用同步計(jì)數(shù)器。第六十四頁，共八十頁，2022年，8月28日2.數(shù)碼顯示

脈沖計(jì)數(shù)裝置須配有顯示設(shè)備才便于觀察。為能方便地讀取數(shù)字結(jié)果，需要把數(shù)字電路中的二進(jìn)制數(shù)以十進(jìn)制數(shù)碼的形式直觀地顯示出來，這就需要數(shù)碼顯示電路。常用的用于數(shù)字顯示的數(shù)碼管有輝光數(shù)碼管、熒光數(shù)碼管、液晶數(shù)碼管和半導(dǎo)體數(shù)碼管等，其中半導(dǎo)體數(shù)碼管是由發(fā)光二極管(LED)組成的。將多個(gè)發(fā)光二極管按分段式排列、封裝，就構(gòu)成了半導(dǎo)體數(shù)碼管。半導(dǎo)體數(shù)碼管有紅、黃、綠等顏色，具有亮度高、工作可靠、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，目前得到了廣泛的應(yīng)用。第六十五頁，共八十頁，2022年，8月28日

上圖是七段半導(dǎo)體數(shù)碼管和字段排列圖。利用七個(gè)發(fā)光二極管的不同組合，可表示出數(shù)字0～9的形狀。如要顯示數(shù)字4，就使b、c、f、g四個(gè)二極管導(dǎo)電而發(fā)光，其余的不導(dǎo)電而熄滅。用半導(dǎo)體數(shù)碼管做顯示器件時(shí)，需要專用譯碼器來翻譯輸入信號(hào)，并點(diǎn)亮與之對(duì)應(yīng)的字段。第六十六頁，共八十頁，2022年，8月28日

譯碼器在醫(yī)學(xué)中的使用場(chǎng)合很多。如醫(yī)療設(shè)備上的數(shù)字儀表需要顯示譯碼器；計(jì)算機(jī)和邏輯陣列中也需要地址譯碼器。譯碼器種類較多，以半導(dǎo)體七段數(shù)碼管譯碼器為例，它是用七個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成七個(gè)字段，因此譯碼器就要有七個(gè)輸出端a、b、c、d、e、f、g，它們分別與相應(yīng)字段的電極相連。譯碼器有四個(gè)輸入端，分別為四位二進(jìn)制數(shù)Q3Q2Q1Q0，可由十進(jìn)制計(jì)數(shù)器輸出端提供。第六十七頁，共八十頁，2022年，8月28日數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換

隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電子計(jì)算機(jī)已被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)各領(lǐng)域。然而，計(jì)算機(jī)的輸出和輸入信號(hào)都是數(shù)字量，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的信息也是以數(shù)字形式進(jìn)行傳送和處理的。而各種醫(yī)學(xué)檢測(cè)儀器的主要檢測(cè)對(duì)象是一些非電學(xué)物理量，如血壓、體溫、血氧分壓等。這些非電學(xué)量經(jīng)傳感器一般都轉(zhuǎn)化成隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬電學(xué)量，這些模擬量在送入計(jì)算機(jī)處理之前必須先轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，才能被計(jì)算機(jī)接收。第六十八頁，共八十頁，2022年，8月28日

另一方面，計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)果是數(shù)字量，它又必須被轉(zhuǎn)化成為模擬量，才能推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC（D/A）；把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC（A/D）。D/A和A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)字設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的接口電路，是微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)自動(dòng)控制的關(guān)鍵部件。第六十九頁，共八十頁，2022年，8月28日

根據(jù)工作原理不同，D/A和A/D轉(zhuǎn)換器可分成直接轉(zhuǎn)換式和間接轉(zhuǎn)換式兩大類。直接轉(zhuǎn)換式是把輸入的模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出；間接轉(zhuǎn)換式是把輸入的模擬量先轉(zhuǎn)換成某中間變量(如時(shí)間、頻率等)，然后再把中間變量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。第七十頁，共八十頁，2022年，8月28日實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本方法是將數(shù)字量的每一位代碼，按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得到的總和就是與數(shù)字量成正比的模擬量。1.數(shù)模轉(zhuǎn)換

第七十一頁，共八十頁，2022年，8月28日根據(jù)這種轉(zhuǎn)換原理可以得到多種數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中最簡單的是權(quán)電阻數(shù)模轉(zhuǎn)換器。上圖是一個(gè)四位權(quán)電阻數(shù)模轉(zhuǎn)換器的電路圖。包括參考電壓UR、電子開關(guān)、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器。若用數(shù)字量D=d3d2d1d0分別控制電子開關(guān)S3、S2、S1、S0，則經(jīng)分析可以得知