医学专题—第8篇脉冲波形的产生与整形课件

1、医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形第第8章章 脉冲波形脉冲波形(b xn)的产生与整形的产生与整形 通常，把非正弦波称之为脉冲波。按脉冲通常，把非正弦波称之为脉冲波。按脉冲波形的形式分成矩形波、梯形波、阶梯波、锯波形的形式分成矩形波、梯形波、阶梯波、锯齿波等。本章齿波等。本章(bn zhn)主要介绍用多谐振荡器直接主要介绍用多谐振荡器直接产生矩形波和利用整形电路获得矩形波的方法。产生矩形波和利用整形电路获得矩形波的方法。一些概念一些概念8.1 集成集成555定时器及应用定时器及应用8.2 门电路构成的矩形波发生器及整形电路门电路构成的矩形波发生器及整形电路第一页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲

2、波形的产生与整形矩形脉冲波常作为时钟信号。波形的好坏直接矩形脉冲波常作为时钟信号。波形的好坏直接关系到电路能否正常工作。为了定量描述矩形关系到电路能否正常工作。为了定量描述矩形脉冲波，通常脉冲波，通常(tngchng)采用如图所示参数。采用如图所示参数。 trtf0.1Vm0.5Vm0.9VmTWVmT脉冲波形参数脉冲波形参数一些一些(yxi)基本概念基本概念第二页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形 脉冲宽度脉冲宽度Tw从脉冲波形上升从脉冲波形上升(shngshng)沿上升沿上升(shngshng)到到0.5Vm起到下降沿下降到起到下降沿下降到0.5Vm止的时间。止的时间。上升时

3、间上升时间tr脉冲波形的上升沿从脉冲波形的上升沿从0.1Vm上升到上升到0.9Vm所所需时间。需时间。下降时间下降时间tf脉冲波形的下降沿从脉冲波形的下降沿从0.9Vm下降下降 到到0.1Vm所需时间。所需时间。占空比占空比q脉冲宽度脉冲宽度Tw与脉冲周期与脉冲周期T之比即之比即 TTqwtrtf0.1Vm0.5Vm0.9VmTWVmT脉冲波形参数脉冲波形参数第三页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形脉冲周期脉冲周期T周期性重复的脉冲序列中，周期性重复的脉冲序列中，相邻两个脉冲间的时间间隔。相邻两个脉冲间的时间间隔。脉冲频率脉冲频率f频率频率f表示单位时间内脉冲重表示单位时间内脉冲

4、重复的次数复的次数脉冲幅度脉冲幅度Vm脉冲波形脉冲波形(b xn)的电压最大的电压最大变化幅度。变化幅度。Tf1第四页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形集成集成555定时器的用途很广，有双极型（型定时器的用途很广，有双极型（型号最后三位为号最后三位为555）和）和CMOS型（型号最后型（型号最后四位为四位为7555）两类电路。它们的功能、外）两类电路。它们的功能、外引线排列完全相同。在测量与控制、家用引线排列完全相同。在测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域得到电器和电子玩具等许多领域得到(d do)(d do)了广泛了广泛的应用。的应用。 5G555定时器的电路组成及工作原理

5、定时器的电路组成及工作原理集成集成555定时器的应用定时器的应用第五页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形图图8-1为双极型为双极型5G555定时器的原理定时器的原理(yunl)(yunl)电路和引脚排列电路和引脚排列图。图。 V-C12348765+VCCD THGNDTLOUTR5G5553图图8-1集成集成(j chn)5G555定时器原理定时器原理图图第六页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形电阻电阻(dinz)分压分压器器比较比较(bjio)器器基本基本(jbn)RS触发器触发器三极管三极管开关开关输出缓冲器输出缓冲器555定时器基本结构定时器基本结构第七页，

6、共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形分压器分压器分压器由三个阻值均为分压器由三个阻值均为5k的电阻串联连接构成，为比较的电阻串联连接构成，为比较器器C1、C2提供参考电压提供参考电压VR 1、VR2，C1的同相输入端的同相输入端V+=VR1=2VCC/3。C2的反相输入端的反相输入端V-=VR2=VCC/3。如果在。如果在电压控制端电压控制端5另加控制电压，可以改变比较器另加控制电压，可以改变比较器C1、C2参考参考电压电压VR1、VR2的值。若工作中不使用的值。若工作中不使用(shyng)控制端控制端5时，则控时，则控制端制端5通过一个通过一个0.01F的电容接地，以旁路高频干扰。

7、的电容接地，以旁路高频干扰。 分压器上端分压器上端8接接VCC，下端，下端1接地。接地。第八页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形比较比较(bjio)(bjio)器器 C1和和C2是两个比较器。分别由集成运算是两个比较器。分别由集成运算(yn sun)放大器构成。放大器构成。C1的同相输入端的同相输入端“+”接到参考电压接到参考电压VR1端上，即电压控制端端上，即电压控制端5，反相控制端反相控制端“-”用用TH表示，称为高触发端表示，称为高触发端6；C2的反相输入端的反相输入端“-”接参考电压端接参考电压端VR2端上，同相输入端端上，同相输入端“+”用用TL表示，称为表示，称为低触

8、发端低触发端2。当同相输入端电压当同相输入端电压V+大于反相输入端电压大于反相输入端电压V-(V+V-)时，比时，比较器输出为高电平；若同相输入端电压较器输出为高电平；若同相输入端电压V+小于反相输入端电小于反相输入端电压压V-(V+2VCC/3时，即时，即V-V+，vC1=0， =1，vo=0，T导通；导通；若若THVCC/3时，则时，则vC1=1、vC2=1，基本，基本(jbn)RS触发器保持原来状态不变，因此输出触发器保持原来状态不变，因此输出vo和三极管和三极管T保持原来状态；当保持原来状态；当TH2VCC/3,TLR时，时， 振荡周期振荡周期为：为：T2.2RC上式可用于近似估计振荡

9、上式可用于近似估计振荡周期周期.使用时应注意它的假使用时应注意它的假定条件是否满足定条件是否满足,否则否则(fuz),计算结果会有较大的误差。计算结果会有较大的误差。ttttVTVT-(VOH-VOL)VT+(VOH-VOL)VOHVOLvO（vI1）vO1vO2vI3（vI2）0000图图8-13 RC环形振荡器理想工作环形振荡器理想工作(gngzu)波波形形第五十五页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形(三三) 石英石英(shyng)晶体多谐振荡器晶体多谐振荡器在许多应用场合在许多应用场合(chng h)都对多谐振荡器的振荡频率稳定都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格的要求。例

10、如多谐振荡器作为数字钟的脉冲性有严格的要求。例如多谐振荡器作为数字钟的脉冲源使用时，要求频率十分稳定。源使用时，要求频率十分稳定。 上述多谐振荡器中，振荡频率主要取决于门电路的输入电压上述多谐振荡器中，振荡频率主要取决于门电路的输入电压上升到转换电平（阈值电压）所需要的时间，所以频率的稳上升到转换电平（阈值电压）所需要的时间，所以频率的稳定性不可能很高。第一，转换电平本身就不够稳定，容易受定性不可能很高。第一，转换电平本身就不够稳定，容易受电源和温度变化的影响；第二，电路的工作方式容易受干扰，电源和温度变化的影响；第二，电路的工作方式容易受干扰，造成电路状态转换的提前或滞后；第三，在电路状态临

11、近转造成电路状态转换的提前或滞后；第三，在电路状态临近转换时，电容的充、放电已经比较缓慢，转换电平的微小变化换时，电容的充、放电已经比较缓慢，转换电平的微小变化或轻微的干扰都会严重影响振荡周期。因此在对频率要求很或轻微的干扰都会严重影响振荡周期。因此在对频率要求很高时，必须采取稳频措施。高时，必须采取稳频措施。第五十六页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形目前，普遍采用的稳频目前，普遍采用的稳频方法是在多谐振荡器中方法是在多谐振荡器中接入石英晶体组成石英接入石英晶体组成石英晶体多谐振荡器。图晶体多谐振荡器。图8-14 为石英晶体的阻抗为石英晶体的阻抗(zkng)频率特性和符号。频率

12、特性和符号。石英晶体不但频率特性石英晶体不但频率特性稳定，而且品质因数很稳定，而且品质因数很高，有极好的选频特性。高，有极好的选频特性。ff0 x0电电感感性性电电容容性性符号符号图图8-14 石英晶体的阻抗频率石英晶体的阻抗频率 特性与符号特性与符号第五十七页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形vI1vI2vI3vO1vO2vOG1G2G3图图8-15 石英晶体环形振荡器石英晶体环形振荡器CRSR石英晶体石英晶体 把石英晶体把石英晶体与与RC多谐多谐振荡器中的振荡器中的电容电容(dinrng)串联起来就串联起来就构成了石英构成了石英晶体多谐振晶体多谐振荡器。荡器。第五十八页，共七

13、十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形由石英晶体的电抗频率特性可知，当外加电压的频率为由石英晶体的电抗频率特性可知，当外加电压的频率为f0时，其等效阻抗最小，所以频率为时，其等效阻抗最小，所以频率为f0的电压信号最容易通的电压信号最容易通过，并在电路中形成正反馈。因此振荡器的工作频率为过，并在电路中形成正反馈。因此振荡器的工作频率为f0。石英晶体振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有石英晶体振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有(gyu)谐振谐振频率频率f0，与外接电阻、电容无关。其工作原理与，与外接电阻、电容无关。其工作原理与RC环形多环形多谐振荡器基本相同。谐振荡器基本相同。第五十九页，共

14、七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形(四四) 单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器的暂稳态是靠单稳态触发器的暂稳态是靠RC电路的充电路的充放电过程来维持的，根据放电过程来维持的，根据RC电路的不同电路的不同接法，可分为微分型和积分型。接法，可分为微分型和积分型。以以TTL与非门、与非门、RC微分电路构成的单稳微分电路构成的单稳态触发器为例说明其工作态触发器为例说明其工作(gngzu)原理。原理。第六十页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形1. TTL与非门微分与非门微分(wi fn)型单稳态触发器型单稳态触发器在基本在基本RS触发器触发器中插入中插入(ch r)一个一个RC

15、微分电路环节微分电路环节就构成了单稳态就构成了单稳态触发器，如图触发器，如图8-16所示。所示。图图8-16 单稳态触发器单稳态触发器0.47kvIvO1vOvI2C0.01FRG1G2第六十一页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形电路接通电源后电路接通电源后,无脉冲无脉冲(michng)触发信号触发信号(vI=1)输入时输入时,电电路处于稳态。路处于稳态。G1门开通，门开通，vO1=0，G2门关闭门关闭vO=1。 在输入端加入负脉冲信号后，在输入端加入负脉冲信号后，vO1=1。由于。由于C上电压不能突上电压不能突跳，则跳，则vI2随随vO1上跳并大于上跳并大于VT (VT=1.4

16、V)值，使值，使G2门开通，门开通，vO=0。电路由稳态翻转到暂稳态。电路由稳态翻转到暂稳态。第六十二页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形在暂稳态期间，由于在暂稳态期间，由于vO1不断不断(bdun)地给电容器地给电容器C充电，电容充电，电容器上的电压器上的电压vC不断升高，而使不断升高，而使vI2逐渐下降。当逐渐下降。当vI2下降到小下降到小于阈值电压于阈值电压VT时，时，G2门又关闭，门又关闭，vO=1。此时输入负触发。此时输入负触发脉冲早已消失，脉冲早已消失，vI为高电平。则为高电平。则G1又开始导通，又开始导通，vO1=0，vI2随之下跳为负值，然后随之下跳为负值，然后C

17、开始放电，使开始放电，使vI2恢复到正常的低电平。恢复到正常的低电平。电路处于稳态。其工作波形如图电路处于稳态。其工作波形如图8-17所示。所示。第六十三页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形tttt0000vOVTvI2vO1vI图图8-17单稳态触发器工作波形单稳态触发器工作波形输出输出(shch)脉冲宽度脉冲宽度Tw近似计算：近似计算：Tw0.8(RO+R)C公式中的公式中的RO为与非为与非门的输出电阻，门的输出电阻，RO100。第六十四页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形2.单稳态触发器的应用单稳态触发器的应用(yngyng)脉冲整形脉冲整形(zhng xng

18、)脉冲定时脉冲定时 脉冲延时脉冲延时第六十五页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形脉冲脉冲(michng)整形整形 单稳态触发器输出单稳态触发器输出(shch)脉冲的幅度和宽脉冲的幅度和宽度是确定的，利用这度是确定的，利用这一性质，可将宽度和一性质，可将宽度和幅度不规则的脉冲串，幅度不规则的脉冲串，整形为宽度和幅度一整形为宽度和幅度一定的脉冲串，如图定的脉冲串，如图8-18所示。所示。 tvI0tvO0图图8-18 脉冲波形脉冲波形第六十六页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形脉冲脉冲(michng)定时定时 由于单稳态触发器能产生一定宽度由于单稳态触发器能产生一定宽度

19、Tw的矩形输出脉冲，的矩形输出脉冲，利用这个脉冲去控制某电路，使其在利用这个脉冲去控制某电路，使其在Tw时间内动作时间内动作(dngzu)（或不动作（或不动作(dngzu)），起到了定时作用。例如，），起到了定时作用。例如，利用脉冲宽度为利用脉冲宽度为Tw的正矩形脉冲作为门输入的信号的正矩形脉冲作为门输入的信号vB，而与门的另一个输入端信号为而与门的另一个输入端信号为vA。只有当矩形波。只有当矩形波vB为为1的的Tw时间内，信号时间内，信号vA才能通过与门，输出才有脉冲，如图才能通过与门，输出才有脉冲，如图8-19所示。所示。第六十七页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形 单稳电路

20、单稳电路vAvBvOvI(a)逻辑图逻辑图vOvIvBvA(b)波形图波形图图图8-19 脉冲定时电路脉冲定时电路Tw第六十八页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形脉冲脉冲(michng)延延时时Tw时间时间(shjin)，称这个时间为称这个时间为延时。逻辑图延时。逻辑图和波形图如图和波形图如图8-20所示。所示。单稳电路单稳电路TwvIvOTwvIvO00t1t2tt图图8-20脉冲延时脉冲延时(a)逻辑图逻辑图(b)波形图波形图第六十九页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形3. 施密特触发器施密特触发器 TTL与非门构成的施密与非门构成的施密特触发器特触发器 图图8

21、-21是三个是三个TTL与非与非门和一个二极管构成的门和一个二极管构成的施密特触发器门施密特触发器门G1为反为反相器相器,门门G2、G3组成基组成基本本(jbn)RS触发器，二触发器，二极管极管D起电平偏移作用。起电平偏移作用。RSQQG1G2G3vIvOD图图8-21 施密特电路施密特电路第七十页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形下图是下图是vI为三角波时输出为三角波时输出(shch)vO随随vI变化的波形变化的波形图。图。VOHVOLVT+=1.4VVT-=0.7VvOtt00图图8-22 工作波形图工作波形图第七十一页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形4. 施

22、密特触发器的应用施密特触发器的应用(yngyng)波形波形(b xn)的变换与整的变换与整形形幅度鉴别幅度鉴别脉冲展宽电路脉冲展宽电路第七十二页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形波形的变换波形的变换(binhun)与整与整形形 利用施密特触发器可以将正弦波、三角波变换利用施密特触发器可以将正弦波、三角波变换(binhun)成矩形波。如图成矩形波。如图8-23所示所示 vIvOVT+VT-图图8-23波形变换和整形波形变换和整形第七十三页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形幅度幅度(fd)鉴别鉴别 施密特触发器的输出状态取决于输入信施密特触发器的输出状态取决于输入信号号

23、vI的幅度，因此它可以用来作为幅度鉴的幅度，因此它可以用来作为幅度鉴别电路别电路(dinl)。只有当脉冲信号。只有当脉冲信号vI的幅度大的幅度大于于VT+的脉冲，电路才输出一个脉冲，而的脉冲，电路才输出一个脉冲，而幅度小于幅度小于VT+的脉冲，电路无输出脉冲，的脉冲，电路无输出脉冲，其工作波形图如图其工作波形图如图8-24所示。所示。第七十四页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形vIvOVT+VT-图图8-24幅度鉴别波形幅度鉴别波形幅度(fd)鉴别 第七十五页，共七十九页。医学专题第8篇脉冲波形的产生与整形脉冲展宽脉冲展宽(zhn kun)电路电路 脉冲脉冲(michng)展宽电路原理图、工作波形图展宽电路原理图、工作波形图如图如图8-25(a)、(b)图所示。图所示。VCCvI