1、1,第七章 脈沖電路,2,脈沖就是在極短時間內(nèi)出現(xiàn)的電壓或電流的變化。它可以是周期性地重復(fù)出現(xiàn)，也可以不定期地出現(xiàn)。 脈沖可分為兩大類：一類是視頻脈沖，或是先單調(diào)地上升，然后單調(diào)地下降，稱為正脈沖，或是先下降，后上升稱為負脈沖；另一類是射頻脈沖，在極短時間內(nèi)出現(xiàn)的高頻振蕩。這兩類脈沖在醫(yī)學(xué)儀器中都有廣泛的應(yīng)用。,3,主要內(nèi)容,第一節(jié) 脈沖電路的基本知識 第二節(jié) 晶體管反相器 第三節(jié) 脈沖發(fā)生器 第四節(jié) 脈沖的整形與鑒別 第五節(jié) 脈沖的調(diào)制與解調(diào),4,第一節(jié) 脈沖電路的基本知識,一. 脈沖的主要參數(shù),脈沖幅度,脈沖上升時間,脈沖下降時間,脈沖寬度,脈沖周期、脈沖頻率,5,上圖是幾種脈沖的波形：尖

2、形脈沖、梯形脈沖、實際尖脈沖和矩形脈沖。 神經(jīng)放電脈沖和核醫(yī)學(xué)中的射線轉(zhuǎn)換的脈沖都接近尖脈沖，前者的寬度為數(shù)十毫秒，后者的寬度不到1微秒，而且都是前沿比后沿陡峭得多。,6,二. RC分壓電路,在脈沖電路中，常常要將脈沖信號經(jīng)過電阻分壓后傳輸?shù)较乱患?，而在下一級電路中存在著各種形式的電容，這就相當于在輸出端接上一個等效電容Co，如圖(a)所示。而Co對輸出波形的影響如圖(b)所示。,當輸入信號Ui由零上跳變到最大值Um的瞬間，電容Co上的電壓將按指數(shù)規(guī)律上升，最后達到Um，即輸出電壓Uo具有一定的上升時間，不能緊跟隨輸入電壓同步上跳變，使輸出波形的邊沿變壞。,7,為了克服這一缺點，改善輸出波形，

3、使輸出電壓能緊跟隨輸入電壓一起上跳變。所采取的措施是在電阻R1上并聯(lián)一個電容Cj，構(gòu)成圖示的電路，Cj稱為加速電容。 如果選擇合適的Cj值，就可以克服等效電容Co的影響，使輸出波形緊跟輸入波形一起上跳變。,8,當輸入電壓Ui突然上跳時，輸出電壓由Cj和Co的分壓決定。輸出電壓為：,當電容充電結(jié)束后，輸出電壓將由R1和R2分壓決定，即：,當Cj選擇合適時，輸出波形的起始值Uo等于終止值Uo，即：,9,此電路稱為RC分壓電路，亦稱脈沖分壓電路。在電路中，只要Cj取值合適，保證RC分壓比例成立，就是兩段電路的時間常數(shù)相同，即R1Cj=R2Co，Cj加快輸出電壓的改變，就可以改善輸出波形。但由于Co實

4、際是很難預(yù)測的，必須通過實驗測試來確定Cj的最佳值。若Cj太小，加速作用不足，輸出波形的邊沿仍不好；若Cj過大，加速作用過強，壓倒了Co的延緩作用，輸出波形出現(xiàn)超過穩(wěn)態(tài)值的尖頂過沖，如圖所示。,實驗證明：工作頻率100kHz10MHz時，Cj可取10100pF。,10,三. 脈沖的微分,微分電路由電阻R和電容C串聯(lián)組成。,11,可見，在RC電路輸入端輸入一矩形脈沖波時，在輸出端得到一對正、負尖脈沖，它們分別對應(yīng)輸入矩形波的上升沿和下降沿。由于此RC電路的輸出電壓Uo只是反映了輸入電壓Ui的突變部分，而對于輸入電壓的恒定部分，輸出為零。在數(shù)學(xué)中微分是反映變化的快慢，這就是說，Uo和Ui的微分近似

5、成正比，因此該RC電路稱為微分電路。 要獲得尖脈沖，微分電路的參數(shù)必須滿足=RCtw。,12,四. 計數(shù)率計電路泵電路,在上圖所示的積分電路中，積分電容C中積累的電量與單位時間、累積脈沖單向傳輸電量的輸入脈沖數(shù)成正比，故稱此電路為計數(shù)率計電路或泵電路，它被廣泛應(yīng)用在核醫(yī)學(xué)中脈沖的計數(shù)率和監(jiān)護儀中的心率等。,13,當nRC11時，可得 UonRC1Um 即Uo與計數(shù)率n成正比。為了使電容C在每次脈沖充電時電壓不發(fā)生顯著變化，電容C應(yīng)當遠大于C1。這個公式也適用于隨機出現(xiàn)的脈沖，這時，n表示平均計數(shù)率。,14,此電路中，由于Uo與n成正比的線性范圍受到條件nRC11的限制，則Uo0，促使T2優(yōu)先導(dǎo)

6、通，保證了電路可靠翻轉(zhuǎn)。,50,第四節(jié) 脈沖的整形與鑒別,在脈沖數(shù)字電路中，常常將各種形狀和幅度的脈沖轉(zhuǎn)換為幅度一致的矩形脈沖，這就是脈沖的整形。在整形過程中，如果把幅度較小的脈沖消除，這就是脈沖的鑒別。,51,一. 二極管幅度鑒別電路,鉗位電路。但因電阻Rw可調(diào)，所以可鉗制在一個任意調(diào)節(jié)的負電平上,串聯(lián)削波電路。幅度較小的脈沖都被消除了，幅度較大的脈沖只保留它們的頂部。,特點：結(jié)構(gòu)簡單，但靈敏度低。,52,輸入波形,鉗位波形,輸出波形,53,二. 施密特觸發(fā)器,施密特觸發(fā)器(Schmitt trigger)又稱射極耦合雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，與集基耦合雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器比較，它們的共同點是都具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)

7、，不同點是前者是用輸入脈沖的跳變沿觸發(fā)，而施密特觸發(fā)器是用輸入電平觸發(fā)。利用它可以將其它形狀的波形(如正弦波、鋸齒波以及各種周期性不規(guī)劃的波形)變換成整齊的矩形波，還可以將信號中幅度不符合要求的消除掉。,54,1. 分立元件組成的施密特觸發(fā)器 它也是由兩個晶體三極管反相器組成的射極耦合雙穩(wěn)態(tài)電路，從三極管T1的集電極通過電阻R1和R2的分壓耦合到T2的基極，而從T2集電極電流的變化通過公用的發(fā)射極電阻Re耦合到T1的基極，以實現(xiàn)正反饋。,只要電路參數(shù)選擇適當，這個電路就有兩個穩(wěn)定的狀態(tài)：T1截止、T2飽和；T1飽和、T2截止。而且在一定條件下，電路能從一個穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個穩(wěn)態(tài)。,55,56,由

8、此可見，觸發(fā)器上觸發(fā)電子UT+大于下觸發(fā)器電平UT-，這種現(xiàn)象稱為回差(也稱滯后)，兩者之差稱為回差電壓UT(也稱滯后電壓)，則回差電壓為： UT= UT+ - UT- 回差電壓主要與T2的飽和與截止深度有關(guān)，T2飽和越深，UT+就越大；T2截止越深，UT-就會越小，因此，減小T2的飽和與截止的深度，就可以減小回差電壓。在實際應(yīng)用中，有的要利用回差，有的卻要盡量抑制回差。,57,該電路的電壓傳輸特性曲線如圖所示。這種具有回差的特性曲線也叫做滯回特性。,58,2. 集成運放組成的施密特觸發(fā)器 集成運放組成的施密特觸發(fā)器實際上是一個具有正反饋的電壓比較器。它是在電壓比較器的基礎(chǔ)上，通過R1和R2組

9、成的電阻分壓器，將輸出電壓加到運放的同相輸入端而成的，引入正負饋可有利于加速電路狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)。,59,電阻R2的一端接到參考電壓Us上，Us的大小決定了觸發(fā)器的觸發(fā)電平。通常R1的數(shù)值比集成運放的輸出電阻大得多，這樣對輸出電壓Uo的影響可以忽略，使Uo恒定。而R2和R1并聯(lián)電阻又比輸入電阻小得多，這樣反饋系數(shù)F可視為僅由R1、R2決定。觸發(fā)器的輸入信號Ui加到集成運放的反相輸入端，利用輸入信號Ui的變化，來控制電路狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)。,60,加到運放同相輸入端的電壓Uf為：,式中第一項為參考電壓單獨對同相端的作用，是固定的，第二項為輸出電壓單獨對同相端的作用，隨Uo的大小而定。 設(shè)Uo的飽和值為UOH，

10、當Uo=+UOH時，同相端電壓U1為：,當Uo=-UOH時，同相端電壓U1為：,所以回差電壓UT為：,回差電壓由外接電阻R1、R2和UOH決定，若電路確定后，改變R1或R2即可調(diào)節(jié)該值。,61,脈沖波形的整形,受到干擾的輸入波形，頂部不平整,UT+=UT-，且輸入信號波形頂部恰好在此電平上下變化，整形后波形,UT+UT-，且UT-小于波形頂部變化的最小值，整形后波形。因此整形電路中，一般采用回差電壓大的觸發(fā)器。,62,輸入波形中，各脈沖幅度高低不一，這時可將施密特觸發(fā)器的 UT+調(diào)節(jié)至UT，使輸入脈沖幅度Ui大于UT的，輸出脈沖保留，低于UT的脈沖去掉，則輸出Uo只含有Ui中幅度高于UT的脈沖

11、，實現(xiàn)了幅度鑒別。,63,因此施密特觸發(fā)器是一個應(yīng)用非常廣泛的電路。如核醫(yī)學(xué)中探測射線時，脈沖幅度與射線量子能量成正比，按計數(shù)率計的要求，需把幅度不一的且超過一定值的脈沖轉(zhuǎn)為幅度相同的脈沖才可計數(shù)；另外在探測到的脈沖中還混入由于散射或低能射線引起的幅度較低的脈沖，這部分脈沖必須清除，否則不利于正確的診斷。再如在神經(jīng)腦細胞上記錄到的生理信號常常是一些形態(tài)不規(guī)劃、幅度不等的脈沖，在基線上還有很多不需要的干擾，同樣也需整形和鑒別。施密特觸發(fā)器可作為電壓比較器，它在輸入端進行信號(模擬、脈沖)大小的比較，而在輸出端輸出的呈高電平或低電平，故它是脈沖數(shù)字電路中很重要的轉(zhuǎn)換電路。,64,第五節(jié) 脈沖的調(diào)制

12、與解調(diào),脈沖傳輸方式由于抗噪聲干擾能力很強，故在當今計算機為中心的信息社會中獲得廣泛應(yīng)用。本節(jié)只介紹有關(guān)電路工作原理。 一. 脈沖調(diào)制原理 所謂脈沖調(diào)制就是周期性脈沖的某一參數(shù)(幅度、寬度、相位和頻率)按信號的變化規(guī)律而改變。用來改變周期性脈沖參數(shù)的那個信號稱為調(diào)制信號，未被調(diào)制的周期性脈沖稱為未調(diào)脈沖，已被調(diào)制信號調(diào)制過的稱為已調(diào)脈沖。,65,由于脈沖波是離散波，在時間上是不連續(xù)的，所以脈沖調(diào)制不是完整地傳輸調(diào)制信號的每一個瞬時值，而只是傳輸調(diào)制信號一定時間間隔的那些瞬時值，這些瞬時值我們稱它為采樣值。也就是說，脈沖調(diào)制就是從連續(xù)的調(diào)制信號中取出采樣值，然后用各抽樣值去控制脈沖序列的某一參數(shù)

13、的過程，我們稱這個過程為采樣。,66,1. 采樣定理 理論與實踐證明：只有采樣頻率等于或大于調(diào)制信號最高頻率的2倍時，才可以再現(xiàn)原調(diào)制信號，不產(chǎn)生失真現(xiàn)象。 設(shè)采樣頻率為f0，調(diào)制信號的最高頻率為fm，則采樣定理可用下式表示： f02fm 如果采樣時滿足上式，就能較容易地采用低通濾波器將調(diào)制信號從樣本中分離出來。若不滿足上式，f02fm時，樣本頻率的下邊帶部分頻率跟調(diào)制信號頻率發(fā)生重疊，使得二者無法準確分離，結(jié)果取出的調(diào)制信號產(chǎn)生了嚴重的失真。,67,2. 脈沖調(diào)制原理 脈沖調(diào)制方式按調(diào)制信號改變脈沖的參數(shù)劃分，可有如下四種調(diào)制方式。 (1)脈沖幅度調(diào)制(PAM)：用調(diào)制信號電平改變脈沖的幅度

14、，使已調(diào)脈沖的幅度隨調(diào)制信號電平的變化而變化，稱為脈沖幅度調(diào)制。,68,(2)脈沖寬度調(diào)制(PWM)：用調(diào)制信號電平改變脈沖的寬度，使已調(diào)脈沖的寬度隨調(diào)制信號電平的變化而變化，這種調(diào)制稱為脈沖寬度調(diào)制。已調(diào)脈沖的寬度隨調(diào)制信號電平的變化而發(fā)生變化。,69,(3)脈沖相位調(diào)制(PPM)：用調(diào)制信號電平改變脈沖的相位，使已調(diào)脈沖的位置隨調(diào)制信號電平的變化而變化，這種調(diào)制稱為脈沖相位調(diào)制。保留下來的正尖脈沖的相位隨調(diào)制信號電平的變化而變化，信號電平高，脈沖相位大，反之，脈沖相位就小，即得到PPM波。 (4)脈沖頻率調(diào)制(PFM)：用調(diào)制信號電平改變脈沖的頻率、使已調(diào)脈沖的頻率隨調(diào)制信號電平的變化而變

15、化，這種調(diào)制稱為脈沖頻率調(diào)制。即如果將調(diào)制信號積分后，加到PPM電路就可得到 PFM波；將調(diào)制信號微分后，加到PFM電路就可得到PPM波。PFM調(diào)制的主要優(yōu)點是抗噪聲干擾能力強，而且PFM波是等幅波，可以得到高效率的放大，所以在信號遙遠傳輸中獲得廣泛應(yīng)用。,70,二. 脈沖的解調(diào),脈沖解調(diào)與脈沖調(diào)制互為逆過程。從已調(diào)脈沖信號中取出調(diào)制信號的過程稱為脈沖解調(diào)。與脈沖調(diào)制相對應(yīng)，脈沖解調(diào)也有PAM解調(diào)、PWM解調(diào)、PPM解調(diào)和 PFM解調(diào)四種方式。,71,1. PAM解調(diào)電路 PAM解調(diào)就是在PAM波上不失真地取出調(diào)制信號。PAM波解調(diào)可用如圖所示的低通濾波器 (積分電路)進行解調(diào)。 PAM波通過

16、RC電路時，其中的高頻成分(脈沖)經(jīng)電容C旁路到地端，從輸出端取出調(diào)制信號成分。另外，PAM通過RC電路，有脈沖時，電容C充電，其兩端電壓值與該充電的已調(diào)脈沖幅度相同；無脈沖時，電容C經(jīng)電阻R放電，但由于PAM波中的脈沖頻率很高，電容C來不及放電，下個脈沖又到來了，所以無脈沖期間，電容C兩端電壓保持不變，從而不失真地取出調(diào)制信號。若調(diào)制信號中含有直流成分，可由圖中隔直電容C隔斷。,72,73,2. PWM解調(diào)電路 能從PWM波中取出調(diào)制信號的電路稱為PWM解調(diào)電路。PWM解調(diào)電路是個積分電路。當輸入的PWM波中脈沖寬度寬時，電容C充電時間就長，因此電容兩端電壓就高；當脈沖寬度窄時，則充電時間就短，而放電時