脈沖振蕩電路

維納斯培訓(xùn)計劃第十一講

脈沖振蕩電路與脈沖寬度調(diào)制原理主講人：方銳桂物理與電子工程系創(chuàng)新活動中心.1、脈沖信號和脈沖電路2、雙管脈沖電路3、脈沖寬度調(diào)制原理4、實(shí)驗(yàn)電路脈沖振蕩電路與脈沖寬度調(diào)制原理.脈沖信號和脈沖電路所謂脈沖信號是指在短暫的時間間隔內(nèi)作用于電路的電壓或電流。廣義地講，凡是不連續(xù)出現(xiàn)的電壓或電流都稱為脈沖信號。從信號波形來說，除了正弦波和若干個正弦分量合成的連續(xù)波以外，都可以稱為脈沖波。常見的脈沖信號波形如下圖所示。

脈沖電路主要研究脈沖的產(chǎn)生、變換、整形等著重分析輸入、輸出波形的形狀、幅度及頻率等。.二極管限幅器串聯(lián)限幅器并聯(lián)限幅器.二極管鉗位器所謂鉗位，就是把輸入電壓變成峰值鉗制在某一預(yù)定的電平上的輸出電壓，而不改變信號。原理：當(dāng)二極管在輸入信號的作用下導(dǎo)通時電阻很小，截止時電阻很大，因而改變了電容充、放電的時問常數(shù)，使輸出信號的頂部或底部被鉗位在零電平上(這種鉗位稱為峰值鉗位)。由輸出信號可知，經(jīng)過鉗位以后，RC電路原有的漸移現(xiàn)象被限制在信號的第一個周期內(nèi)，只是第一個脈沖失真。二極管鉗位器的兩個參數(shù)是鉗位極性和鉗位電平。改變二極管的接法，就可以改變鉗位極性，在輸出端支路中接入適當(dāng)電源，就可以調(diào)整鉗位電平。最簡單的鉗位電路是在RC耦合電路的輸出端(電阻R兩端)并聯(lián)一個二極管(稱鉗位管)，如圖2-61所示，它是利用二極管的單向?qū)щ娦?，使電容的充電速度遠(yuǎn)高于放電速度，讓電容電壓不變來實(shí)現(xiàn)鉗位的。應(yīng)用：鉗位器能將信號經(jīng)RC耦合電路后失去的直流成分再恢復(fù)起來，因此常用來作直流恢復(fù)器。.常見應(yīng)用電路單穩(wěn)態(tài)電路：未加觸發(fā)脈沖υi之前，電路一直保持VT1截止、VT2導(dǎo)通的穩(wěn)定狀態(tài)，而輸入一個負(fù)脈沖之后，電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即VT1導(dǎo)通、VT2截止。但是，這個狀態(tài)是不穩(wěn)定的，過了一段時間之后，它便自動地回到原來的穩(wěn)定狀態(tài)，這就是說，它只有一個穩(wěn)定狀態(tài)，另一個狀態(tài)是暫穩(wěn)態(tài)。無穩(wěn)態(tài)電路：電源接通以后，由于兩個放大器的電路參數(shù)不可能完全相同，所以VT1和VT2的導(dǎo)通程度不可能完全一致。假設(shè)VT1的導(dǎo)通能力稍強(qiáng)一些，VT1的集電極電流IC1稍微增加一點(diǎn)．則立即引起正反饋過程使電路迅速進(jìn)入VT1飽和、VT2截止的暫穩(wěn)態(tài)。此時，電容C1經(jīng)VT1集電極、RB2放電，電源VCC經(jīng)RC2和VT1發(fā)射極給電容C2充電。隨著C1的放電，VT2的基極電位VB2逐漸升高直至VT2開始導(dǎo)通，這時會馬上出現(xiàn)另一個正反饋過程使電路迅速進(jìn)入VT1截止、VT2飽和的另一個暫穩(wěn)態(tài)。經(jīng)過一定時間又變成VT1導(dǎo)通、VT2截止的暫穩(wěn)態(tài)。如此周期性地翻轉(zhuǎn)，而沒有穩(wěn)定狀態(tài)，故稱其為無穩(wěn)態(tài)電路。.施密特觸發(fā)器特點(diǎn)：將變化緩慢的輸入信號轉(zhuǎn)換為矩形

脈沖。兩只晶體管的發(fā)射極連接在一起。該電路也有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，但它是靠電位觸發(fā)的。它的兩個穩(wěn)態(tài)分別為VTl飽和、VT2截止與VT2飽和、VT1截止。兩個穩(wěn)態(tài)的相互轉(zhuǎn)換取決于輸入信號的大小，當(dāng)輸入信號電位達(dá)到接通電位且維持在大于接通電位時，電路保持為某一穩(wěn)態(tài)；如果輸人信號電位降到斷開電位且維持在小于斷開電位時，電路迅速翻轉(zhuǎn)且保持在另一狀態(tài)，該電路常用于電位鑒別、幅度鑒別以及對任意波形進(jìn)行整形。利用其回差電壓來提高電路的抗干擾能力。它是由兩級直流放大器組成，電路如圖2-64所示。.特點(diǎn)：（1）兩管同時導(dǎo)通或同時截止。（2）一端輸出波形為陡上升慢下降，另一端輸出波形為陡下降慢上升，因此，兩端輸出通過微分后，就獲得一對極性要相反而又十分陡直的尖脈沖。注意：這種電路引起電源功率波動較大，因?yàn)楫?dāng)兩管從截止轉(zhuǎn)至導(dǎo)通時，電流從零增至某數(shù)值。一、互補(bǔ)管雙穩(wěn)態(tài)電路

互補(bǔ)管雙穩(wěn)態(tài)電路見圖1（a）。

當(dāng)接通電源后，若無觸發(fā)信號作用，由于集極電流極小，Rc1、Rc2的端電

壓[供電給兩管的偏流]也很小，故兩管都截止，電路處于一種穩(wěn)定狀態(tài)。

雙管脈沖電路.很快地使兩管飽和導(dǎo)通，處于另一穩(wěn)定狀態(tài)，電容C1是加速電容，由圖1（b）可見，uc1從Ec陡直地下降至零，而Uc2卻從零陡直地上升至Ec。當(dāng)觸發(fā)脈沖作用下，設(shè)BG1由截止轉(zhuǎn)入放大，并產(chǎn)生下述的雪崩式正反饋過程要使?fàn)顟B(tài)回到原來的穩(wěn)態(tài)，必須供給BG1或BG2的基極一個負(fù)尖脈沖，正反饋的翻轉(zhuǎn)過程與上述類似，電路圖1（C）是單端輸出電路，圖2是另一類互補(bǔ)雙穩(wěn)電路，它直接從普通的雙穩(wěn)電路轉(zhuǎn)變過來。.互補(bǔ)管多諧振蕩電路見圖3。該電路仍然由兩級集基阻容耦合的倒相器組成，當(dāng)電路接通電源時，兩管不能馬上導(dǎo)通，因?yàn)镃A、CB的充電路徑是：Ec→R2→CA→Rc1；CB的充電路徑是：Ec→Rc2→CB→R1.當(dāng)CA和CB充電到一定數(shù)值后，UCA、UCB作為兩管基極回路的正向偏置電壓，使Ib1、Ib2增加，由于正反饋的作用，很快地使BG1、BG2飽和，這是一種暫穩(wěn)態(tài)飽和二、互補(bǔ)管多諧振蕩電路

.一開始，CA經(jīng)Rb2、BG2的發(fā)射結(jié)構(gòu)及電阻Rc1放電（CA放完電后，又被Uc1反向?qū)A充電，這時，UcA為左正右負(fù)）而CB通過Rc2、BG1的的發(fā)射結(jié)及Rb1放電，隨著CA、CB放電過程，Ube1不斷增加，而Ube2不斷減小，直至兩管由飽和退至放大狀態(tài)，從而引起下列“雪崩”式的正反饋：結(jié)果使BG1、BG2截止，接著CA、CB又進(jìn)行充電，如此重復(fù)。就可獲得如圖3（b）的輸出脈沖波，設(shè)電路對稱，即CA=CB=C，Rb1=Rb2=Rb,R1=R2=R,Rc1=Rc2=Rc脈沖寬度為：t1=c(Rb+rbe)In{Ec/[Ubes+(Ec/Rb)Rc]}t2≈0.7Rc選擇晶體管的β應(yīng)滿足Rb＜βRc，根據(jù)圖3（a）電路的參數(shù)可算出t1=10毫秒，t2=750毫秒，占空比(t1/t2)=75.

.正反饋連鎖反應(yīng)的結(jié)果，使BG1、BG2均截止，此為暫穩(wěn)態(tài)。此時C通過R2、R4及電源放電，放電完后又進(jìn)入兩管飽和的穩(wěn)定狀態(tài)。二極管D是防止C的電壓擊穿BG1的基-射結(jié)，脈沖寬度為：tr=0.7(R2+R4)C圖4（b）為常態(tài)時兩管截止的互補(bǔ)單穩(wěn)態(tài)電路三、其他的互補(bǔ)管脈沖電路其他的互補(bǔ)管脈沖電路有以下三種。1、互補(bǔ)管單穩(wěn)態(tài)電路圖4示出兩種形式的互補(bǔ)管單穩(wěn)態(tài)電路，圖4（b）為常態(tài)時兩管飽和的互補(bǔ)管單穩(wěn)態(tài)電路。

當(dāng)滿足條件，R2＜β1/R1及R3＜β2/R4時電路處于兩管飽和的穩(wěn)態(tài)，當(dāng)負(fù)BG1退出飽和，且引起反應(yīng)Uc1↑→Ub2↑→Uc2↓→Ub1↓。.圖5為互補(bǔ)管施密特觸發(fā)器，本電路是依靠直流電位觸發(fā)的施密特電路，在工作過程中。兩管同時飽和或同時截止。當(dāng)ui處于低電平時，由ui和-Eb所引起的ub1為負(fù)值，BG1截止，又因R3無電源，所以BG2也截止，處于一種穩(wěn)定狀態(tài)。2、互補(bǔ)管施密特觸發(fā)器.互補(bǔ)管的鋸齒波電路圖6為互補(bǔ)管的鋸齒波電路，這是自激式互補(bǔ)的鋸齒波電路，其中由BG1、BG2組成開關(guān)器，以控制定時電容C的充放電，BG3為恒流管。當(dāng)BG1、BG2均截時，恒流Ic3對C充電（極性如圖6所示）輸出電壓uo隨時間線性下降，這是掃描電壓的正程，當(dāng)電容電壓Uc下降到BG2的導(dǎo)通閥電壓時，BG2開始導(dǎo)通，BG1、BG2經(jīng)過正反饋連鎖反應(yīng)時到達(dá)了飽和狀態(tài)，此時C經(jīng)過BG1、BG2一直停留在飽和狀態(tài)而不返回到截止?fàn)顟B(tài)。.

PWM控制的基本思想1）重要理論基礎(chǔ)——面積等效原理沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量窄脈沖的面積效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同圖6-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖d)單位脈沖函數(shù)f(t)d(t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf(t)f(t)f(t).

PWM控制的基本思想b)圖

沖量相等的各種窄脈沖的響應(yīng)波形具體的實(shí)例說明“面積等效原理”a）u(t)－電壓窄脈沖，是電路的輸入。i(t)－輸出電流，是電路的響應(yīng)。

.Ouωt>SPWM波

PWM控制的基本思想Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>.

PWM控制的基本思想若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>.

PWM控制的基本思想OwtUd-Ud對于正弦波的負(fù)半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。.

PWM控制的基本思想等幅PWM波輸入電源是恒定直流

直流斬波電路

PWM逆變電路

PWM整流電路不等幅PWM波輸入電源是交流或不是恒定的直流

斬控式交流調(diào)壓電路矩陣式變頻電路OwtUd-UdUoωt.PWM控制的基本思想2）PWM電流波電流型逆變電路進(jìn)行PWM控制，得到的就是PWM電流波。PWM波可等效的各種波形直流斬波電路直流波形SPWM波正弦波形等效成其他所需波形，如:所需波形等效的PWM波.

PWM相關(guān)概念占空比：就是輸出的PWM中，高電平保持的時間與該P(yáng)WM的時鐘周期的時間之比如，一個PWM的頻率是1000Hz，那么它的時鐘周期就是1ms，就是1000us，如果高電平出現(xiàn)的時間是200us，那么低電平的時間肯定是800us，那么占空比就是200：1000，也就是說PWM的占空比就是1：5。分辨率也就是占空比最小能達(dá)到多少，如8位的PWM，理論的分辨率就是1：255(單斜率)，16位的的PWM理論就是1：65535(單斜率)。.頻率就是這樣的，如16位的PWM，它的分辨率達(dá)到了1：65535，要達(dá)到這個分辨率，T/C就必須從0計數(shù)到65535才能達(dá)到，如果計數(shù)從0計到80之后又從0開始計到80.......，那么它的分辨率最小就是1：80了，但是，它也快了，也就是說PWM的輸出頻率高了。假設(shè)一個PWM從0計數(shù)到80，之后又從0計數(shù)到80.......這個就是單斜率。假設(shè)一個PWM從0計數(shù)到80，之后是從80計數(shù)到0.......這個