计算电路基础计电二版第8章ppt课件

1、计算机电路根底(第二版) 第第8章章 脉冲与脉冲电路脉冲与脉冲电路 n本章提要本章提要n脉冲和脉冲电路是数字电路的根底。本章脉冲和脉冲电路是数字电路的根底。本章首先引见脉冲波形及其参数，继而讨论首先引见脉冲波形及其参数，继而讨论RC电路的充放电规律及其运用，最后讨论了电路的充放电规律及其运用，最后讨论了晶体管的开关特性以及非正弦信号频谱。晶体管的开关特性以及非正弦信号频谱。n脉冲信号是指短暂的时间间隔内作用于电脉冲信号是指短暂的时间间隔内作用于电路的电压或电流。广义而言，凡按非正弦路的电压或电流。广义而言，凡按非正弦规律变化的电压和电流都可称为脉冲波。规律变化的电压和电流都可称为脉冲波。8.1

2、 脉冲波形及其参数脉冲波形及其参数n脉冲波形多种多样，准确地描画一个脉冲波形比描画正弦波需求更多的参数。n1常见的脉冲波形n一个不断开合的电键，会在负载上产生一串矩型脉冲电压波形见图8-1。脉形波形很多，常见的还有方波、梯形波、锯齿波、三角波等，如图8-2所示。EKRuRtU0t1t2t3t4t5t5 图8-1 简单的脉冲电路 a电路；b脉冲波形a b(a) (b) (c) (d) 图8-2 几种常见脉冲波形a方波；b梯形波；c锯齿波；d三角波n2波形的主要参数波形的主要参数n理想的脉冲波形只需三个参数，如图理想的脉冲波形只需三个参数，如图8-3a所示，所示，即脉冲幅度即脉冲幅度E，脉冲周期，

3、脉冲周期T和脉冲宽度和脉冲宽度TW。 ETWTTW tr tf E0.1E0.5E0.9ETa b 图8-3 脉冲波形的参数 a理想脉冲波形；b实践脉冲波形及其参数n实践的脉冲波形要复杂一些，描画它的参数有以下几种，参见图8-3。n1脉冲幅值E脉冲从起始值到峰值之间的变化量称为脉冲幅值。n2脉冲上升时间tr指脉冲由起始值上升到峰值所需时间，但较严厉的定义是由0.1E上升到0.9E所需求的时间，tr愈短，脉冲上升得越快。n3脉冲下降时间tf指脉冲在脉冲后沿由0.9E下降至0.1E所需时间，tf愈短，脉冲下降得越快。n4脉冲周期T对于周期性反复脉冲，指前后相邻脉 冲的间隔时间，其倒数为脉冲反复的频

4、率。n5脉冲宽度TW指脉冲前沿与脉冲后沿的0.5E处两 点间的时间间隔，又称脉冲继续期。n6占空比指脉冲宽度TW与脉冲周期T的比值，有=TW/ Tn 7前冲指脉冲前沿越过E的部分。n8后冲指脉冲后沿低过起始值的部分。n普通希望和越小越好。8.2 RC电路的过渡过程电路的过渡过程 利用RC电路的充放电过程，可以对脉冲波形进变换。8.2.1 电容的充放电景象电容的充放电景象n如图8-4所示电容充放电电路，设开关S在位置“2时，电容C未储存电荷，两端电压uc= 0，当开关S从“2位置转换到位置“1时，电路接通，电源G对电容C充电。其动态过程是：当电路接通电源瞬间，t = 0+由于电容C上无电荷，其两

5、端电压uC为零，相当于短路，此时，充电电流ic(t)最大，为ic(t)= (E uC)/R，E为电源G的电动势，电阻两端电压uR=E。随着时间的推移，电容器上电荷逐渐积累，其两端电压uC也逐渐升高，充电电流ic(t)=却随之下降，同时uR也随之下降。待到电容电荷充溢，电容两端电压到达最大值，即uC=E，充电电流降为零，uR也为零，电容充电终了，电路进入稳态。以上过程的充电曲线见图8-4b。充电过程可以用数学作以下的描画 R uc uc S E E 1 2 C G 0 t 0 ta b c 图图8-4 电容充放电电路和充放电曲线电容充放电电路和充放电曲线a电容充放电电路；电容充放电电路；b充电曲

6、线；充电曲线；c放电曲线放电曲线n E = Ri(t) + uc(t)n而i(t) =，故有微分方程n 8-1n分别变量得n 解得n n t0)1(cRCteEuRCteREtuCtidd)(cc) 0(cRtEeuEuRCtEutuCRccddtRCEuEud1)()(dccn电容器充电终了后，假设把开关S转换到位置“2，那么电容会经过电阻R放电，电容放电电流和充电电流方向相反。仿照上述分析方法分析放电过程可得n t0 8-2nuct随t变化的曲线，称为放电曲线，见图8-4c。n充电过程和放电过程都是动态过程，也称为过渡过程。nRC称为充放电时间常数，用表示,越大，充电或放电时间越长。普通为

7、34。8.2.2 RC电路的运用nRC电路是脉冲波形变换的根本电路，坚持脉冲波形在传输过程中减少失真也常用到RC电路。下面对此作一简介。n1RC微分电路n如图8-5a所示的RC电路，输入端加一理想方波，输出电压uo由电阻两端取出。假设时间常数t1电容上电压按指数规律快速上升，输出电压电容上电压按指数规律快速上升，输出电压uo随之按指数规随之按指数规律相应地下降。当时间经过律相应地下降。当时间经过34时，电容充电已满，电容时，电容充电已满，电容电压接近稳态值电压接近稳态值um，输出电压，输出电压uo相应地下降为零。相应地下降为零。RC的值愈小，上述过程进展得越快，输出的正尖脉冲也愈窄。的值愈小，

8、上述过程进展得越快，输出的正尖脉冲也愈窄。n当当t =t2时，输入电压时，输入电压uI由由um向下跳变到向下跳变到0，这样，整个电路，这样，整个电路在输入端忽然被短路，电容两端电压全部加到电阻在输入端忽然被短路，电容两端电压全部加到电阻R上，此上，此时电容的正端恰好接地，那么时电容的正端恰好接地，那么uo=-um。接着电容沿。接着电容沿RC回路回路放电，其端电压放电，其端电压uc按指数规律减小，输出电压按指数规律减小，输出电压uo那么按指数那么按指数规律上升，同样，经过时间规律上升，同样，经过时间34，放电终了，输出端得到，放电终了，输出端得到一个负的尖脉冲。一个负的尖脉冲。n要将输入端矩形波

9、变为尖脉冲，要求= 0.1Tw0.2Tw。n比较输出与输入电压间的关系，显然有nuo(t)由于当uI从0跳到Vm，那么，即构成正向冲激尖脉冲，当uI又从um降到0时，n那么-，构成负向冲激尖脉冲。这就是“微分电路称谓的来由。n2RC积分电路积分电路n假设将假设将RC电路的输出取自电容两端，如图电路的输出取自电容两端，如图8-6a所示，而所示，而且且 Tw，那么称此电路为积分电路，它能将输入矩形脉冲，那么称此电路为积分电路，它能将输入矩形脉冲变为锯齿波。变为锯齿波。n在在t=t1时，输入电压时，输入电压uI由由0突变到突变到um，类似前面的分析。电容，类似前面的分析。电容两端电压不能突变，两端电

10、压不能突变，uc0=0。当。当Tw+t1t t1时，电容充时，电容充电，由于电，由于 Tw,Uc虽按指数规律上升，但速度缓慢，近似于虽按指数规律上升，但速度缓慢，近似于一斜升直线。在一斜升直线。在t=t2时，电容器上电荷尚未充溢，时，电容器上电荷尚未充溢，ucTW，在t1 t2期间，uc变化很小一个，而uo只上升一个，VoE。n当tt2时，ui又从0上跳到E，uo也随之上跳，添加了E幅值，Vo，输出波形出现幅度为的上冲，二极管VD又导通，C又很快充电终了，uo迅速接指数规律下降为0。n以后再周期性的反复，输出波形构成钳位于零电平的矩形波。n放电回路电阻R愈大，放电时间常数愈长，输出波形上构成的

11、上冲幅度V愈小，波形失真也愈小。n从以上分析可知：n1二极管导通时起钳位作用，二极管截止时，电路起耦协作用。n2输出波形和输入波形相比略有失真，这是由于电路中电容的充、放电引起的，产生了的偏向，充越小，放愈大，这种失真就越小。n从以上分析可知：n1二极管导通时起钳位作用，二极管截止时，电路起耦协作用。n2输出波形和输入波形相比略有失真，这是由于电路中电容的充、放电引起的，产生了的偏向，充越小，放愈大，这种失真就越小。 8.3.3 三极管开关特性n我们已在第三章中讨论了晶体三极管。晶体三极管有三个任务区域，即截止区、放大区、饱和区。在脉冲与数字电路中，常用三极管作为开关器件，利用它所具有的截止与

12、饱和任务形状，使电路进展快速换接，在电路的转换过程中所表达出来的特性就是三极管的开关特性。n只需三极管的输入电压小于晶体管的开关电压VT锗管为0.1V，硅管为0.5V，就任务在截止形状。n当 = 时，n bIB7 . 0RVicsIccc3.0RVuII 0umR1-VBBRb2Cj uo-VOHVOL+-RLVCCVCGVD图8-14 加钳位电平的反相器晶体管的发射结和集电结均正偏，处于饱和导通形状。在脉冲信号作用下，作为开关电路的晶体三极管，在输入高电平常饱和导通，在输入低电平常截止。并且输出信号为与输入信号反相的脉冲波形，为了保证三极管在输入低电平常可靠地截止，在基极与地之间加接一个电阻

13、Rb2和电源 -VBB 相串联电路，如图8-14所示；为了提高任务速度，减少波形失真，又加了加速电容Cj，以及钳位电路二极管VD和电源VCG，VCG普通取1/51/3VCC。8.3.4 场效应管的开关特性n我们在第3章中已讨论过场效应管，场效应管作开关运用时，可以以MOS管为例，画出其等效电路如8-15b所示。uIRVDDuouIVDDuoKDGss a b图8-15 场效应管等效开关原理aPMOS管；ba图的等效电路n下面我们讨论其开关特性：n1当NMOS管uGSUTN或PMOS管uGSUTP时，图8-15b中开关K断开，D、S之间相当于断开的开关。n2当NMOS管uGSUTN或PMOS管u

14、GSUTP时，图8-15b中开关K闭合，D、S之间导通，导通电阻相当于rDS，约为几百欧姆。n我们假设让uI为一序列脉冲，那么场效应管就可起开关作用，其幅度在0 VT，VT|VTN|或|VTP|，那么，uo端就会输出类似的序列脉冲。8.4 非正弦信号的频谱及选频网络 非正弦信号，不论能否为周期信号，均可按照傅里叶级数，分解为一系列不同频率的正弦量又称谐波分量之和。将各次谐波分量的振幅依其频率变化的顺序陈列起来，就可以得到信号的振幅频谱。从振幅的频谱上可以清楚看到构成信号的各次谐被分量及其振幅的相对大小。相应的，信号还有相位频谱及能量频谱。8.4.1 非正弦周期信号的频谱分析n非正弦周期函数频谱

15、中的一切频率都是基波频率的倍数。如图8-16所示。图8-16a中的矩形脉冲的频谱如图8-16b中粗线所示。矩形脉冲的傅里叶展开式为n 式中，An表示各次谐波的振幅。a/2为直流分量。n 普通地，恣意非正弦信号，可以按傅里叶级数展开为0nsin25sin513sin31sin22ntAatttaatf 0n0n0cossinnntnBtnAAtfn在工程技术中，大量遇到的是非周期函数。对于非周期函数，其周期T趋于无穷大，其基频趋于零，因此频率是延续变化的，其频谱图形是一条延续曲线，称为延续频谱。对应的级数展开式变为积分变换式，称为傅里叶变换。这里不予详述。t0 0f(t)aAn/a0.52/2/

16、32/52/ 7（ a）（ b）图8-16 矩形脉冲及其频谱n下面讨论非正弦周期波的平均功率的计算。n实际和实际证明，非正弦周期信号作用的电路，其平均功率应为直流分量、基波以及每一高次谐波单独产生的平均功率的总和。详细说，假设非正弦周期电压，电流为nu(t)=V0 + Vm1sint +Vm2sin2t+Vmnsin nt +ni(t)=I0+Im1sin(t +1)+ Im2sin (2t +2) +Imnsin (nt + n)n那么总的平均功率为n P = P0 + P1 + P2+Pn+ 8-4n式中P0 V0I0，为直流分量单独产生的功率；PnVnIncosn= 1/2 VmnImn

17、cosn为基波n =1或n次谐波n =2，3，各分量单独产生的功率n 1，2，。n再依交流电的有效值的定义和叠加原理，可得非正弦周期电压电流的有效值的计算公式n n 8-5n 8-6 222120IIII222120UUUU8.4.2 RC低通、高通滤波网络n从非正弦周期信号中选出有用的频率成分的电路，称为选频从非正弦周期信号中选出有用的频率成分的电路，称为选频网络或滤波网络。前面讲过的网络或滤波网络。前面讲过的RC微分电路和微分电路和RC积分电路就积分电路就是最简单的选频网络。从物理意义上来讲，是容易了解的。是最简单的选频网络。从物理意义上来讲，是容易了解的。由于电容的容抗由于电容的容抗c1

18、/C，故频率越高，故频率越高，越大，容抗越大，容抗越小，因此，当有非正弦周期信号输入时，对于微分电路，越小，因此，当有非正弦周期信号输入时，对于微分电路，高频分量容易经过；对于积分电路，低频分量容易经过，高高频分量容易经过；对于积分电路，低频分量容易经过，高频分量被电容短路。故频分量被电容短路。故RC微分电络为高通网络，微分电络为高通网络，RC积分电积分电路为低通网络。路为低通网络。n较为理想的选频网络为RC双T选频网络，如图8-17所示，它由两个RC的T型网络并联而成，具有较好的选频特性，在一个较窄的频带内具有显著的滤波作用。它可以使频率为01RC的信号完全被“吸收，无输出，而释放出其他频率的信号，又称为“陷波电路。uORCCR2CZ1 2CuI2CuIuOR/2R/2Z2Z3 a b 图8-17 双T选频网络及其等效电路a双T选频网络；ba图的等效电路n利用Y-变换可得双T网络的等效电路，如图8-17b所示。其中n双T选频网络的特性，可结合图8-17a作如下物理上的解释：当信号0时，低频信号可以从阻抗较小的两个串联电阻R上经过；当0时，高频信号可以从阻抗较小的两个串联电容C上经过；对信号中01/RC的分量，由图8-17b和