电路基础、电子技术与元器件教案 第8章.doc

第8章 基本脉冲电路【学习要点】：本章主要介绍脉冲电路的基本知识，分析脉冲变换电路、晶体管触发器及脉冲信号发生器的工作过程。要求读者理解脉冲电路的一些基本概念及二极管、三极管的开关特性；了解限幅电路及钳位电路的作用及工作原理；掌握晶体管触发器和脉冲信号发生器的工作过程。 学习本章时，读者应转变思路，不能用模拟电路的分析方法来分析脉冲电路，而应使用新的分析法波形分析法来分析脉冲电路。8.1 脉冲电路的基本知识8.2 基本的脉冲变换电路8.3 三极管双稳态触发器8.4 脉冲信号发生器8.1 脉冲电路的基本知识一.脉冲电路的基本特点及脉冲波形的参数1. 脉冲电路与数字电路的特点电信号可以分为模拟信号、脉冲与数字信号两类。（1）模拟信号：（2）脉冲与数字信号：（3）脉冲电路:（4）数字电路（5）脉冲与数字电路的特点： 2. 脉冲波形与参数常见的脉冲信号波形有六种，参考教材图8-1。脉冲波形具有如下一些主要参数有：脉冲幅度Vm 、脉冲上升时间tr 、脉冲下降时间tf、脉冲宽度tu 、脉冲周期T、脉冲频率f。二. 二极管和三极管的开关特性1. 二极管的开关特性二极管的开关特性是指二极管在正向电压作用下导通，相当于闭合的开关；在反向电压作用下截止，相当于断开的开关。由于二极管具有开关特性，因此二极管可以作为一个开关使用。参考教材图8-3所示。2. 三极管的开关特性三极管有三种工作状态，即截止状态、放大状态及饱和状态。在脉冲电路中，三极管主要工作于截止状态和饱和状态。三极管的开关特性是指三极管在截止状态下，B、E之间及C、E之间均不导通，相当于断开的开关（见图b）；在饱和状态下，B、E之间及C、E之间均导通，相当于闭合的开关（见图c）。由于三极管具有开关特性，因此可以作为开关使用。三. 反相器反相器基本电路如图（a）所示。当输入为低电平时，三极管的基极电压VB0，三极管截止。此时输出高电平（12V）。当输入为高电平时，管子饱和，输出低电平（0.3V）。这个电路完成了VO与VI之间的反相作用，其输入、输出波形见图（b）所示。电容C在不影响电路工作状态的情况下，即能加速三极管饱和，又能加速三极管截止。因此，将电容C称为加速电容。8.2 基本的脉冲变换电路脉冲变换电路的作用：对脉冲形状及脉冲幅度进行变换。常见的脉冲变换电路有：微分、积分、限幅及钳位电路等。一. 微分电路和积分电路1. 微分电路微分电路如图（a）所示，图（b）是它的输入、输出波形。该电路的元件取值满足RCT（T为输入脉冲周期）。图（b）是它的输入、输出波形。当输入矩形脉冲时，积分电路输出的是近似于三角波。积分电路的主要特点是：输出波形滤除了输入波形中相对变化较快的部分，而保留其低频部分。是一种低通滤波器。二. 二极管限幅电路电路结构见图（a）所示。图（b）是它的输出波形。 限幅电路能将输入波形某一部分幅度削掉。若将二极管上串一个电源E，可得到任意电平限幅电路。三.钳位电路利用钳位电路就可恢复直流分量。钳位电路的基本形式如图（a）所示。要求R远大于二极管的正向电阻RD，远小于二极管的反向电阻rD，且RCT/2（T为输入脉冲VI的周期），RDCT/2。图（b）是它的输出波形。由波形图可以看出，具有+E/2直流分量的输入波形VI经钳位电路后变为具有-E/2直流分量的输出波形Vo。若将图中的二极管VD反接，则能输出具有+E/2直流分量的Vo。8.3 三极管双稳态触发器三极管双稳态触发器可分为两大类：集-基耦合双稳态触发器和射耦双稳态触发器。一. 集-基耦合双稳态触发器1. 电路结构集-基耦合双稳态电路的结构形式见教材图8-13（a）所示，电路具有对称特点，两管的集电极分别与另一管的基极相耦合，故称集-基耦合。2.工作原理假设VT1的导电能力略占优势，接通电源后，会出现如下正反馈过程：若VT1导电占优势 IC1 VC1 VB2VB1 VC2 IC2结果飞快使电路处于VT1饱和，VT2截止的稳定状态。此时VC1VCES、VC2EC。若在t=t1时，利用负脉冲触发导通管VT1的基极，又会引起下述正反馈过程：VT1基极外加负脉冲 VB1 IC1 VC1VC2 IC2 VB2结果又飞快使电路进入VT2饱和，VT1截止的稳定状态。这时VC1EC、VC2VCES。如果用两组周期性负脉冲，分别加于两管的基极，双稳态电路的状态将周期性地翻转，其集电极输出图8-13（b）所示的波形。2. 触发方式根据触发作用的不同，将触发方式分为单端触发和计数触发两种。1）单端触发单端触发电路如图（a）所示，图（b）是它的波形。单端触发的特点是：负脉冲从哪个管子基极引入，哪个管子就截止，另一管子就饱和。若把VI1从VT1基极引入，把VI2从VT2基极引入，两个触发脉冲交替工作，这样就得到VC1和VC2的波形，如图（b）所示。VC1和VC2的波形相位总是相反的。为了简化电路图，常引入逻辑符号来表示，图（c）就是单端触发双稳态电路的逻辑符号。2）计数触发图（a）所示的电路为计数触发电路，Rr1、Rr2的一端分别接到VT1、VT2的集电极，输入脉冲同时加在两个微分电容Cr1、Cr2上。采用计数触发方式时，每来一个触发脉冲，电路就翻转一次。从而得到图（b）所示的波形。计数触发双稳态电路的逻辑符号如图（c）所示。3. 双稳态触发器的应用举例双稳态电路具有计数和分频等作用。1）双稳态触发器的计数作用由于双稳态触发器只有两种状态，把多级双稳态电路适当地连接起来，就能实现二进制计数。所谓二进制，就是逢二进一。下图是四级串联双稳态电路组成的二进制计数器逻辑图。其计数顺序列于表8-1中，可以记录16个脉冲。表8-1 计数顺序计数脉冲顺序电路状态计数脉冲顺序电路状态C4C3C2C1C4C3C2C1000008100010001910012001010101030011111011401001211005010113110160110141110701111511112）双稳态触发器的分频作用所谓分频是指将频率为f的信号分解成频率为f的若干分之一的信号，例如将频率为f的信号分解成频率为f/2的信号，叫二分频；分解成f/n的信号，则叫n分频。上面介绍的四级二进制计数器可完成16分频，设电路采用负跳变触发方式，每一个输入脉冲的负跳变（下降沿）到来时，C1发生一次翻转，即Q1产生一次跳变。同理，每一个Q1脉冲的负跳变到来时，C2发生一次翻转，即Q2产生一次跳变，依次类推，得到下图所示的波形图。由图可知，Q4的频率只有输入脉冲频率的1/16，即输入脉冲完成16次周期性变化，Q4才完成一次周期性变化。从而将频率为f的信号分解成了频率为f/16的信号。二.射耦双稳态触发器射耦双稳态触发器也称施密特触发器，它可将其他形状的波形（如正弦波、矩齿波以及各种周期性的不规则波形）变换成整齐的矩形波。1. 电路结构射耦双稳态电路如图（a）所示，从VT1到VT2是集-基耦合，从VT2到VT1是通过射极公共电阻Re耦合。2. 工作原理设输入三角波电压VI如图（b）所示。当VI =0时，适当选择R1与R2的值，可使VT2饱和、VT1截止。在0t1期间，VI不足以使VT1导通，电路维持在起始稳定状态。当t1时刻，输入电压VI已上升到E+，VT1导通，接着，出现下述正反馈过程：输入电压VI上升到E+ IC1 VC1 VB2VE IC2 IB2结果电路迅速翻转为VT1饱和、VT2截止的状态，VO升到EC。在t1t2期间，VT1继续饱和，IC1不再变化，电路状态不变。在t2t3期间，VI下降，但不足以使VT1退出饱和区，所以电路状态仍维持原状。在t3时刻，VI下降至，使VT1退出饱和区，接着产生下述正反馈过程：输入电压VI下降到 IC1 VC1VB2VE IC2 IB2结果使电路返回到VT1截止、VT2饱和的状态。射耦双稳态电路经过两次翻转，完成一个周期，输出一个矩形脉冲。3. 回差现象VI增大到E+时，电路发生翻转，而当VI下降到E+时，电路不翻转，只有再下降到时，电路才翻转到起始状态。E+称为接通电平，称为断开电平，这种断开电平小于接通电平E+的现象叫回差现象或称滞后现象。回差现象的产生是由于管子的饱和深度和截止深度引起的。3. 射耦双稳态触发器的应用举例射耦双稳态触发器可用于消除噪声、波形变换和整形等方面。参考下图，假设电路的E+=，只要适当调节电路的E+，使E+大于噪声的幅度而小于信号幅度，那些幅度超过E+的信号能使电路翻转，而幅度小于E+的噪声不能使电路翻转，从而达到了清除干扰噪声的目的。从上图可以看到，不管输入信号的波形如何，只要它的幅度超过了E+，电路就会迅速翻转。利用此特性，可以将不同的输入波形转换为矩形脉冲波。8.4 脉冲信号发生器脉冲信号发生器：是一种专门用来产生脉冲信号的电路，脉冲信号发生器的种类很多，如多谐振荡器、间歇振荡器及锯齿波发生器等。一. 多谐振荡器1.工作原理多谐振荡器如图（a）所示，VT1和VT2电路是对称的，两个晶体管之间都是靠电容耦合。当电源接通后，由于两管导电能力的微小差别，使电路迅速发展成一管截止，一管饱和，电路产生振荡。假定在t0时刻，电路刚刚转为VT1饱和、VT2截止的暂稳态。在转换过程中，由于电容Cb1、Cb2上的电压均来不及跃变，它们会维持翻转前的数值，故Cb1上的电压为EC-VBESEC，Cb2上电压近似等于零。因电路翻转成VT1饱和，VT2截止，此时：VC1=VCES=0.3V ，VB1=VBES=0.7V VB2=VCES-（EC-VBES）-EC在暂稳态期间，电源EC对Cb2充电，直到Cb2两端电压为EC-VBESEC为止，同时Cb1放电。充、放电回路见图（a）中虚线所示。随着Cb1的放电，VB2由-EC逐渐上升，当VB2=0.5V时，VT2开始导通，随即引起正反馈过程：电容Cb1放电 VB2 IB2 IC2 VC2 VC1 IC1 IB1VB1结果使VT2飞快饱和，VT1飞快截止，电路进入新的暂稳态。此时电容Cb1上电压近似为零，电容Cb2上电压等于EC-VBESEC。在新的暂稳态期间（VT2饱和，VT1截止），EC对电容Cb1充电，直到Cb1两端电压为EC为止，同时电容Cb2放电。充、放电回路见图（b）中虚线所示。随着电容Cb2的放电，VB1由-EC逐渐上升。当VB1=0.5V时，VT1开始导通，随即又出现一次正反馈过程：电容Cb2放电 VB1 IB1 IC1 VC1 VC2 IC2 IB2VB2结果使电路迅速翻回到初始的暂稳状态，即VT1饱和、VT2截止的状态。如此周而复始，形成振荡。电路中各点的电压波形见（c）所示。2. 振荡周期、幅度和恢复时间1）振荡周期T振荡周期T等于Cb1的放电时间tu1和Cb2的放电时间tu2之和。这个时间可由下式计算。tu10.7R2Cb1 ，tu20.7R1Cb2故周期T为：T= tu1+ tu20.7R2Cb1 +0.7R1Cb22）输出脉冲幅度Vm从波形图上可以看出：Vm=EC-VCESEC二.间歇振荡器1. 间歇振荡器的特点间歇振荡器是利用变压器反馈构成的一种振荡电路，它使用单级放大器通过变压器耦合构成正反馈，并产生振荡。具有如下几个优点：见教材，共三点2. 电路结构间歇振荡器电路如图（a）所示，图中Rb、Cb称为定时元件，它们决定振荡周期。VD、Ro为阻尼电路，EB为基极正偏电源，它保证电源一接通，管子能处于导通状态，从而产生自激振荡。3.工作原理接通电源后，EB经Rb使VT导通，形成IB和IC。产生正反馈过程：EB经Rb使VT导通IBIC L1产生上正下负自感电压。 VB L2产生下正上负的感应电压。正反馈的结果必将使VT饱和。VT饱和后，VT集电极电压VC迅速由EC下降到VCES（0.3V），形成陡峭的下降沿。此时故流过L1的电流线性上升，L1储存磁能，L1上的自感电压极性仍为上正下负，L2上的感应电压极性仍为下正上负，且此时 (n为变压器的初、次级匝数比)。VT饱和后，V2会经VT的发射结对Cb充电，在Cb上形成上正下负的电压。随着充电的进行，IB越来越小，当IB小到一定程度时，VT脱离饱和区，进入放大区，此时，又将出现正反馈过程：IBICL1产生下正上负的自感电压。 VB L2产生下负上正感应电压。正反馈的结果，必使VT飞快截止，形成很陡的后沿。接着电路进入反峰恢复阶段。反峰恢复阶段后，电路进入休止期。在休止期，电容Cb进行放电（放电路径见图中虚线所示），放电完毕，VT在EB的作用下，又开始导通，进入下一个振荡周期。这样周而复