脉冲电路_PWM调制PPT课件

第七章脉冲电路,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Uo，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10100pF。,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=RCtw。,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nRC11时，可得UonRC1Um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nRC11的限制，则Uo0，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U1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：f02fm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，f02fm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冲的相位，使已调脉冲的位置随调制信号电平的变化而变化，这种调制称为脉冲相位调制。保留下来的正尖脉冲的相位随调制信号电平的变化而变化，信号电平高，脉冲相位大，反之，脉冲相位就小，即得到PPM波。(4)脉冲频率调制(PFM)：用调制信号电平改变脉冲的频率、使已调脉冲的频率随调制信号电平的变化而变化，这种调制称为脉冲频率调制。即如果将调制信号积分后，加到PPM电路就可得到PFM波；将调制信号微分后，加到PFM电路就可得到PPM波。PFM调制的主要优点是抗噪声干扰能力强，而且PFM波是等幅波，可以得到高效率的放大，所以在信号遥远传输中获得广泛应用。,二.脉冲的解调,脉冲解调与脉冲调制互为逆过程。从已调脉冲信号中取出调制信号的过程称为脉冲解调。与脉冲调制相对应，脉冲解调也有PAM解调、PWM解调、PPM解调和PFM解调四种方式。,1.PAM解调电路PAM解调就是在PAM波上不失真地取出调制信号。PAM波解调可用如图所示的低通滤波器(积分电路)进行解调。PAM波通过RC电路时，其中的高频成分(脉冲)经电容C旁路到地端，从输出端取出调制信号成分。另外，PAM通过RC电路，有脉冲时，电容C充电，其两端电压值与该充电的已调脉冲幅度相同；无脉冲时，电容C经电阻R放电，但由于PAM波中的脉冲频率很高，电容C来不及放电，下个脉冲又到来了，所以无脉冲期间，电容C两端电压保持不变，从而不失真地取出调制信号。若调制信号中含有直流成分，可由图中隔直电容C隔断。,2.PWM解调电路能从PWM波中取出调制信号的电路称为PWM解调电路。PWM解调电路是个积分电路。当输入的PWM波中脉冲宽度宽时，电容C充电时间就长，因此电容两端电压就高；当脉冲宽度窄时，则充电时间就短