《脉冲电路PWM调制》PPT课件

脉冲电路 脉冲就是在极短时间内出现的电压或电流的变化 它可以是周期性地重复出现 也可以不定期地出现 脉冲可分为两大类 一类是视频脉冲 或是先单调地上升 然后单调地下降 称为正脉冲 或是先下降 后上升称为负脉冲 另一类是射频脉冲 在极短时间内出现的高频振荡 这两类脉冲在医学仪器中都有广泛的应用 主要内容 第一节脉冲电路的基本知识第二节晶体管反相器第三节脉冲发生器第四节脉冲的整形与鉴别第五节脉冲的调制与解调 第一节脉冲电路的基本知识 一 脉冲的主要参数 脉冲幅度 脉冲上升时间 脉冲下降时间 脉冲宽度 脉冲周期 脉冲频率 上图是几种脉冲的波形 尖形脉冲 梯形脉冲 实际尖脉冲和矩形脉冲 神经放电脉冲和核医学中的 射线转换的脉冲都接近尖脉冲 前者的宽度为数十毫秒 后者的宽度不到1微秒 而且都是前沿比后沿陡峭得多 二 RC分压电路 在脉冲电路中 常常要将脉冲信号经过电阻分压后传输到下一级 而在下一级电路中存在着各种形式的电容 这就相当于在输出端接上一个等效电容Co 如图 a 所示 而Co对输出波形的影响如图 b 所示 当输入信号Ui由零上跳变到最大值Um的瞬间 电容Co上的电压将按指数规律上升 最后达到Um 即输出电压Uo具有一定的上升时间 不能紧跟随输入电压同步上跳变 使输出波形的边沿变坏 为了克服这一缺点 改善输出波形 使输出电压能紧跟随输入电压一起上跳变 所采取的措施是在电阻R1上并联一个电容Cj 构成图示的电路 Cj称为加速电容 如果选择合适的Cj值 就可以克服等效电容Co的影响 使输出波形紧跟输入波形一起上跳变 当输入电压Ui突然上跳时 输出电压由Cj和Co的分压决定 输出电压为 当电容充电结束后 输出电压将由R1和R2分压决定 即 当Cj选择合适时 输出波形的起始值Uo等于终止值U o 即 此电路称为RC分压电路 亦称脉冲分压电路 在电路中 只要Cj取值合适 保证RC分压比例成立 就是两段电路的时间常数相同 即R1Cj R2Co Cj加快输出电压的改变 就可以改善输出波形 但由于Co实际是很难预测的 必须通过实验测试来确定Cj的最佳值 若Cj太小 加速作用不足 输出波形的边沿仍不好 若Cj过大 加速作用过强 压倒了Co的延缓作用 输出波形出现超过稳态值的尖顶过冲 如图所示 实验证明 工作频率100kHz10MHz时 Cj可取10 100pF 三 脉冲的微分 微分电路由电阻R和电容C串联组成 可见 在RC电路输入端输入一矩形脉冲波时 在输出端得到一对正 负尖脉冲 它们分别对应输入矩形波的上升沿和下降沿 由于此RC电路的输出电压Uo只是反映了输入电压Ui的突变部分 而对于输入电压的恒定部分 输出为零 在数学中微分是反映变化的快慢 这就是说 Uo和Ui的微分近似成正比 因此该RC电路称为微分电路 要获得尖脉冲 微分电路的参数必须满足 RC tw 四 计数率计电路 泵电路 在上图所示的积分电路中 积分电容C中积累的电量与单位时间 累积脉冲单向传输电量的输入脉冲数成正比 故称此电路为计数率计电路或泵电路 它被广泛应用在核医学中 脉冲的计数率和监护仪中的心率等 当nRC1 1时 可得Uo nRC1Um即Uo与计数率n成正比 为了使电容C在每次脉冲充电时电压不发生显著变化 电容C应当远大于C1 这个公式也适用于随机出现的脉冲 这时 n表示平均计数率 此电路中 由于Uo与n成正比的线性范围受到条件nRC1 1的限制 则Uo Um 输出电压较小 因此电路必须改进 五 削波 限幅与钳位 1 削波电路在心电波微分以后 我们只需正脉冲不需要负脉冲 这就要通过一定的电路将不需要的负脉冲削去 这就是削波电路 对串联削波电路 正脉冲时二极管导通 负脉冲时二极管截止 电路输出正脉冲 将负脉冲削去 对并联削波电路 负脉冲时二极管导通 全部电压降落在电阻R上 输出接近于零 正脉冲时二极管截止 信号通过电阻R传输 输出为正脉冲 将负脉冲削去 由于二极管的导通压降和结电容以及负载电容的影响 输出的正脉冲幅度将稍微减小 前后沿都被延长 负脉冲也有少量传输 所以在实际使用时 应注意选择结电容小 恢复时间短 正向电阻尽可能小 反向电阻尽可能大的二极管 否则不能达到削波效果 2 限幅电路可以实现将幅度过大的脉冲顶部削平 将顶部不平稳的脉冲削成平顶的波形 右图 a 是二极管削波和限幅电路 b 是用稳压管代替两个二极管的限幅电路 可同时起到削波和限幅的作用 限制的幅度由稳压管的工作电压决定 在这两个电路中 R对于该电路的限幅波形质量有一定影响 所以R的选择既要考虑到信号的损耗 又不能使信号源的负载过重 输入波形 输出波形 3 钳位电路 含有直流成分的脉冲信号 b 通过 a 的RC电路时 输出信号将会产生渐移现象 即信号的零电平逐渐偏离开原零电平呈负值 如 c 所示 电平渐移 对信号放大 变换和计数等会造成困难 为了克服这个缺点 对电路进行改造 在电阻R上并联一个二极管D 当输入电压如图所示时 电容通过电阻R充电 由于电阻值较大 充电缓慢 Uo下降极微 而电容放电却经过二极管D 因D正向电阻很小 电容放电迅速 输出电压不可能达到负值 如图所示 于是输出信号的零电平就被钳在零电平线上 这种钳位叫做正脉冲底部钳位 该电路又称为零电平底部钳位器 输入波形 输出波形 第二节晶体管反相器 一 晶体三极管的开关特性晶体三极管不仅有放大作用 而且还有开关作用 在脉冲数字电路中就是利用三极管的开关作用 由其特性曲线知 当基极电流Ib 0时 晶体管工作在截止区 此时集电极电流Ic 0 晶体管的发射结和集电结均处于反向偏置 相当于开关断开 当Ib由零逐渐上升时 晶体管的工作状态由截止区进入放大区 一旦Ib继续上升达到临界饱和电流Ibs时 三极管处于临界饱和状态 如再增大Ib 使Ib Ibs 三极管进入饱和区 此时集射极电压Uce接近于零 Ib基本上失去了对Ic的控制能力 相当于开关接通 三极管由截止转变为饱和导通所需的时间称为开启时间 即在基区逐渐积累电荷 使电流由小变大所需时间 由饱和导通转变为截止所需的时间称为关闭时间 即在基区通过中和逐渐清除电荷 使电流逐渐变小所需时间 通常关闭时间比开启时间要长很多倍 这主要是射极输入的载流子在基区中积累电荷比基区中载流子中和这些电荷要快得多 普通开关管的开启时间约为10 30ns 关闭时间约为100 200ns 高频管的开关速度比普通开关管慢得多 对于生物电脉冲 它的前沿约为数毫秒 也可以用高频管代替开关管 二 反相器 在脉冲电路中 把一个工作在饱和区和截止区的单级晶体三极管放大器称为反相器 inverter 常用的反相器如图 电容C是加速电容 基极电阻R1 R2及外加负偏压 EB 构成偏置电路 与输入电压Ui共同决定三极管的工作状态 保证三极管能够可靠地截止与饱和 若输入电压Ui为低电平 三极管可靠截止 Rc上的压降近似值为零 输出电压Uo Ec 为高电平 显然输出Uo与输入Ui反相 若输入电压Ui为高电平 元件参数选择合适 可使三极管饱和导通 输出电压Uo 0 3V 输出为低电平 显然输出Uo与输入Ui反相 可见 输入脉冲信号经过反相器后将其极性变反 见图 这里忽略了三极管开关的延迟时间 将三极管当作理想的开关元件 所以输出的波形是理想的矩形波 反相器能稳定工作的前提条件是 三极管处于可靠截止状态 或处于可靠饱和状态 这就要求合理选择电路的元件 经理论与实践证明 满足三极管可靠截止的条件是UbeIbs 其中三极管基极饱和电流Ibs Ec Rc 上图是利用三极管反相作用构成的正脉冲延时电路 该电路在无输入时三极管处于饱和状态 输出信号Uo接近于零 当输入一个正脉冲波时 输出端在输入脉冲结束时输出一个正脉冲信号 输出脉冲的宽度基本上由电路元件参数决定 与输入脉冲宽度无关 其工作原理是 当输入脉冲上升时 Ui向电容C充电 充电电流增加了基极电流 晶体管饱和程度加深 输出信号Uo仍然为零 如果充电的时间常数 R1 rbe C小于脉冲宽度 电容C在正脉冲持续期间 输入高电平 得到完全充电 其电压 左正右负 接近于输入脉冲的幅度电压Um 当输入脉冲下降时 电容C开始放电 迫使基极电位下降到 Um 三极管截止 输出信号Uo上升到接近于Ec Uo为高电平的持续时间由电容放电的时间常数 R1 RB C决定 电容放电完毕后 三极管开始导通 并立即重新进入饱和状态 Uo回到零电平 输出的延时脉冲宽度可以这样估算 电容放电开始时 电阻R1和R2上的电压为Ec Um 放电结束时为Ec 所以脉冲宽度T为 第三节脉冲发生器 能产生脉冲信号的电路称为脉冲发生器 这种电路是由正反馈放大器构成的 其特点是 电路工作过程分两个阶段 一是 紧张 阶段 即形成正反馈的连锁反应 使状态产生急速变化的阶段 二是 松弛 阶段 即一管进入截止 另一管进入饱和后 电路状态变化缓慢 甚至稳定不变的阶段 电路在一定条件下 通过一张一弛 使状态来回转换 形成振荡 所以这类电路也称为张弛振荡电路 脉冲发生器按产生脉冲信号的方式可分为两大类 一类是通过波形变换电路产生脉冲信号 如单稳态触发器 双稳态触发器 另一类是通过电路自激振荡产生脉冲信号 如多谐振荡器 单结晶体管振荡器和间歇振荡器等 下面的介绍从分立元件构成的多谐振荡器入手 分析其工作原理 一 多谐振荡器 1 分立元件组成的多谐振荡器由于方波含有极丰富的谐波 所以将产生方波的电路称为多谐振荡器 multivibrator 右图为多谐振荡器电路 两个三极管的集电极通过电容接到对方的基极 构成正反馈环路 所以将该电路称为集基耦合多谐振荡器 由于两边都有电容的充放电 所以这种电路没有稳态 两个三极管将自动交替饱和或截止 形成两个暂稳态 故这种电路又叫做无稳态电路 它不需要外加触发脉冲就能获得方波输出 在电路参数对称情况下 即RB1 RB2 RB C1 C2 C 方波的周期T近似为 T 1 4RBC多谐振荡器主要用途是产生方波 该电路结构简单 但由于电容的充放电 导致方波前沿波形不好 抗干扰能力差等缺点 2 集成运放组成的多谐振荡器从由集成运放组成的多谐振荡器的电路结构可看出 它是在比较器的基础上 从输出引入适当的正反馈到同相输入端作为参考电压UR 同时输出电压又经电阻RF与电容C组成的积分电路 把另一反馈电压加到反相输入端作为信号电压Us 构成自激多谐振荡器 与分类元件的多谐振荡器相比 该电路也是个正反馈放大器 但只需一个充放电电容 图中R1和R2组成了电压串联正反馈电路 反馈系数F为 F R2 R1 R2 多谐振荡器的输出电压Uo及电容电压Uc的波形如图所示 由于该电路充放电时间常数相等 均为T RFC 故T1 T2 T 2 则输出波形为对称方波 占空比为0 5 经理论推导 可得振荡器的振荡周期T为 振荡周期T只与RF C以及R2 R1的比值有关 而与输出电压Uo无关 所以在实际应用中 可通过改变电阻RF值来改变振荡周期 但该电路对Uo的要求是保持其值的稳定 这是由于电路中的参考电压UR是由电路输出的正 负饱和值UOH决定的 如果由于偶然原因 如电源电压波动或温度变化 而引起UOH的变化 则UR也随之变化 造成振荡周期不稳定 为了提高振荡周期的稳定性 可在运放输出端并联两个背靠背的硅稳压二极管 则运放输出的正 负饱和值就被稳定在稳压二极管的稳压值Uz上 从而保证了UR的稳定 上述缺点就得到克服 在这个电路中 如果用上图中的两条并联支路代替电阻RF 则把电容C充电和放电回路分开 使其充电与放电的时间常数不同 就可以得到不对称的方波 也就是各种占空系数的方波 即矩形波 由于集成运放组成的多谐振荡器的输出波形良好 频率可调范围大 可靠性高 体积小 所以在医疗仪器中获得了广泛应用 二 单稳态触发器 1 分立元件组成的单稳态触发器 monostablemultivibrator 集基耦合该电路与集基耦合多谐振荡器不同的是 T1集电极至T2基极用电阻R1耦合代替电容C1耦合 Cs为加速电容 而T2至T1仍用电容耦合 因此 该电路有一个稳态 一个暂稳态 称为单稳态触发器 稳态到暂稳态的变化过程 由波形图可知 T1集电极的输出脉冲宽度tw就是暂稳态的维持时间 经理论推导 输出脉冲宽度tw为 tw 0 7RB1C由于耦合电容C的影响 T2输出波形的上升沿比T1输出波形的上升沿要差一些 2 集成运放组成的单稳态触发器电路如图 与多谐振荡器的区别是 在运放反相输入端的电容C1上并联一个钳位二极管D 另外在同相输入端加有C2和R2构成的微分触发电路 由上式可看出 脉冲宽度tw取决于运放电路外接元件RF C1以及R2 R1的比值 为提高电路振荡频率的稳定性 也可同样采取在输出端并接两个背靠背的稳压二极管的方法 集成运放组成的单稳态触发器性能稳定 波形良好 脉冲宽度可调 制作简单 除产生矩形波以外 还能完成如整形 定时 分频等作用 所以在医疗仪器中获得广泛应用 输出脉冲的宽度tw就是暂稳态的维持时间 若忽略二极管的正向电压UD 可得 三 双稳态触发器 集基耦合双稳态触发器电路结构如图 它的两个反相器之间的耦合都是采用电阻耦合 因此基极电位不能自动变化 电路就不能自动翻转 电路没有暂稳态 只有两个稳定状态 T1饱和 T2截止 T1截止 T2饱和 而这两个稳定状态的转换都必须靠外加触发脉冲的触发来完成 电路在接通电源的瞬间 设T1导通能力比T2强 最终导致T1饱和 T2截止 电路进入第一个稳定状态 若没有外部触发脉冲或干扰作用 触发器就将保持这个稳定状态 若在t1时刻 在T1的基极送入负极性触发脉冲UR 只要负脉冲的幅度足够大 必然使T1退出饱和 促成正反馈过程 结果电路进入T1截止 T2饱和的第二个稳定状态 且一直保持此种稳定状态 若在t2时刻 将负极性脉冲Us送入T2的基极 则引起第二次翻转过程 结果使电路回到T1饱和 T2截止的第一稳定状态 t1 t2 Uc1及Uc2为两个极性相反的矩形波 其宽度取决于前后两次触发脉冲的时间间隔 即为t1 t2 双稳态触发器的触发方式有单端触发式和计数触发式 所谓单端触发式就是触发脉冲通过两个独立的触发电路分别送入两管基极 轮流触发两管电路不断翻转 所谓计数触发式就是把一个触发信号两个负尖脉冲同时加到两管的基极 负尖脉冲只对饱和管起作用 每次都能使饱和管截止 从而使电路翻转 即负触发脉冲每出现一次 电路就翻转一次 由此实现计数的目的 双稳态触发器除产生矩形波以外 根据触发方式不同可构成R S触发器 T触发器等 集基耦合单稳态 双稳态触发器一般都在耦合电阻R上并接一个加速电容Cs 其作用有以下两个方面 1 缩短三极管的开关时间 加快触发器的翻转速度 如当触发脉冲到达时 T1由导通变为截止 Uc1要发生正跳变 这个正跳变通过加速电容Cs1几乎全部加到了T2的基极上 从而加快了T2的导通过程 2 提高触发器翻转的可靠性 触发脉冲到来时 Uc1产生正跳变的信号 通过加速电容Cs1加到Ub2上 使T2基极电位Ub2立即为正 即Ube2 0 促使T2优先导通 保证了电路可靠翻转 第四节脉冲的整形与鉴别 在脉冲数字电路中 常常将各种形状和幅度的脉冲转换为幅度一致的矩形脉冲 这就是脉冲的整形 在整形过程中 如果把幅度较小的脉冲消除 这就是脉冲的鉴别 一 二极管幅度鉴别电路 钳位电路 但因电阻Rw可调 所以可钳制在一个任意调节的负电平上 串联削波电路 幅度较小的脉冲都被消除了 幅度较大的脉冲只保留它们的顶部 特点 结构简单 但灵敏度低 输入波形 钳位波形 输出波形 二 施密特触发器 施密特触发器 Schmitttrigger 又称射极耦合双稳态触发器 与集基耦合双稳态触发器比较 它们的共同点是都具有两个稳定状态 不同点是前者是用输入脉冲的跳变沿触发 而施密特触发器是用输入电平触发 利用它可以将其它形状的波形 如正弦波 锯齿波以及各种周期性不规划的波形 变换成整齐的矩形波 还可以将信号中幅度不符合要求的消除掉 1 分立元件组成的施密特触发器它也是由两个晶体三极管反相器组成的射极耦合双稳态电路 从三极管T1的集电极通过电阻R1和R2的分压耦合到T2的基极 而从T2集电极电流的变化通过公用的发射极电阻Re耦合到T1的基极 以实现正反馈 只要电路参数选择适当 这个电路就有两个稳定的状态 T1截止 T2饱和 T1饱和 T2截止 而且在一定条件下 电路能从一个稳态翻转到另一个稳态 由此可见 触发器上触发电子UT 大于下触发器电平UT 这种现象称为回差 也称滞后 两者之差称为回差电压 UT 也称滞后电压 则回差电压为 UT UT UT 回差电压主要与T2的饱和与截止深度有关 T2饱和越深 UT 就越大 T2截止越深 UT 就会越小 因此 减小T2的饱和与截止的深度 就可以减小回差电压 在实际应用中 有的要利用回差 有的却要尽量抑制回差 该电路的电压传输特性曲线如图所示 这种具有回差的特性曲线也叫做滞回特性 2 集成运放组成的施密特触发器集成运放组成的施密特触发器实际上是一个具有正反馈的电压比较器 它是在电压比较器的基础上 通过R1和R2组成的电阻分压器 将输出电压加到运放的同相输入端而成的 引入正负馈可有利于加速电路状态的翻转 电阻R2的一端接到参考电压Us上 Us的大小决定了触发器的触发电平 通常R1的数值比集成运放的输出电阻大得多 这样对输出电压Uo的影响可以忽略 使Uo恒定 而R2和R1并联电阻又比输入电阻小得多 这样反馈系数F可视为仅由R1 R2决定 触发器的输入信号Ui加到集成运放的反相输入端 利用输入信号Ui的变化 来控制电路状态的翻转 加到运放同相输入端的电压Uf为 式中第一项为参考电压单独对同相端的作用 是固定的 第二项为输出电压单独对同相端的作用 随Uo的大小而定 设Uo的饱和值为UOH 当Uo UOH时 同相端电压U1为 当Uo UOH时 同相端电压U 1为 所以回差电压 UT为 回差电压由外接电阻R1 R2和UOH决定 若电路确定后 改变R1或R2即可调节该值 脉冲波形的整形 受到干扰的输入波形 顶部不平整 UT UT 且输入信号波形顶部恰好在此电平上下变化 整形后波形 UT UT 且UT 小于波形顶部变化的最小值 整形后波形 因此整形电路中 一般采用回差电压大的触发器 输入波形中 各脉冲幅度高低不一 这时可将施密特触发器的UT 调节至UT 使输入脉冲幅度Ui大于UT的 输出脉冲保留 低于UT的脉冲去掉 则输出Uo只含有Ui中幅度高于UT的脉冲 实现了幅度鉴别 因此施密特触发器是一个应用非常广泛的电路 如核医学中探测 射线时 脉冲幅度与 射线量子能量成正比 按计数率计的要求 需把幅度不一的且超过一定值的脉冲转为幅度相同的脉冲才可计数 另外在探测到的脉冲中还混入由于散射或低能射线引起的幅度较低的脉冲 这部分脉冲必须清除 否则不利于正确的诊断 再如在神经脑细胞上记录到的生理信号常常是一些形态不规划 幅度不等的脉冲 在基线上还有很多不需要的干扰 同样也需整形和鉴别 施密特触发器可作为电压比较器 它在输入端进行信号 模拟 脉冲 大小的比较 而在输出端输出的呈高电平或低电平 故它是脉冲数字电路中很重要的转换电路 第五节脉冲的调制与解调 脉冲传输方式由于抗噪声干扰能力很强 故在当今计算机为中心的信息社会中获得广泛应用 本节只介绍有关电路工作原理 一 脉冲调制原理所谓脉冲调制就是周期性脉冲的某一参数 幅度 宽度 相位和频率 按信号的变化规律而改变 用来改变周期性脉冲参数的那个信号称为调制信号 未被调制的周期性脉冲称为未调脉冲 已被调制信号调制过的称为已调脉冲 由于脉冲波是离散波 在时间上是不连续的 所以脉冲调制不是完整地传输调制信号的每一个瞬时值 而只是传输调制信号一定时间间隔的那些瞬时值 这些瞬时值我们称它为采样值 也就是说 脉冲调制就是从连续的调制信号中取出采样值 然后用各抽样值去控制脉冲序列的某一参数的过程 我们称这个过程为采样 1 采样定理理论与实践证明 只有采样频率等于或大于调制信号最高频率的2倍时 才可以再现原调制信号 不产生失真现象 设采样频率为f0 调制信号的最高频率为fm 则采样定理可用下式表示 f0 2fm如果采样时满足上式 就能较容易地采用低通滤波器将调制信号从样本中分离出来 若不满足上式 f0 2fm时 样本频率的下边带部分频率跟调制信号频率发生重叠 使得二者无法准确分离 结果取出的调制信号产生了严重的失真 2 脉冲调制原理脉冲调制方式按调制信号改变脉冲的参数划分 可有如下四种调制方式 1 脉冲幅度调制 PAM 用调制信号电平改变脉冲的幅度 使已调脉冲的幅度随调制信号电平的变化而变化 称为脉冲幅度调制 2 脉冲宽度调制 PWM 用调制信号电平改变脉冲的宽度 使已调脉冲的宽度随调制信号电平的变化而变化 这种调制称为脉冲宽度调制 已调脉冲的宽度随调制信号电平的变化而发生变化 3 脉冲相位调制 PPM 用调制信号电平改变脉