2022年医学专题-第五章脉冲信号的产生与整形

1多谐振荡器2单稳态触发器3施密特触发器退出(tuìchū)脉冲信号的产生(chǎnshēng)与整形第一页，共五十七页。1多谐振荡器1.1由门电路构成(gòuchéng)的多谐振荡器1.2由555定时器构成(gòuchéng)的多谐振荡器1.3多谐振荡器的应用(yìngyòng)退出第二页，共五十七页。开关电路

RC延时环节(huánjié)多谐振荡器的基本(jīběn)组成：开关器件(qìjiàn)：产生高、低电平反馈延迟环节（RC电路）：利用RC电路的充放电特性实现延时，输出电压经延时后,反馈到开关器件输入端，改变电路的输出状态,以获得所脉冲波形输出。概述1.1多谐振荡器第三页，共五十七页。1.1由门电路构成(gòuchéng)的多谐振荡器能产生(chǎnshēng)矩形脉冲的自激振荡电路叫做多谐振荡器。1、RC环形(huánxínɡ)多谐振荡器第四页，共五十七页。在t1时刻，ui1（uo）由0变为1，于是uo1（ui2）由1变为0，uo2由0变为1。由于电容电压不能跃变，故ui3必定跟随ui2发生负跳变。这个低电平保持uo为1，以维持(wéichí)已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间，uo2（高电平）通过电阻R对电容C充电，使ui3逐渐上升。在t2时刻，ui3上升到门电路的阈值电压UT，使uo（ui1）由1变为0，uo1（ui2）由0变为1，uo2由1变为0。同样由于电容电压不能跃变，故ui3跟随ui2发生正跳变。这个高电平保持uo为0。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。第一暂稳态及其自动翻转(fānzhuǎn)的工作过程第五页，共五十七页。第二(dìèr)暂稳态及其自动翻转的工作过程在t2时刻，uo2变为低电平，电容C开始通过电阻R放电。随着放电的进行，ui3逐渐下降。在t3时刻，ui3下降到UT，使uo（ui1）又由0变为1，第二个暂稳态结束，电路返回(fǎnhuí)到第一个暂稳态，又开始重复前面的过程。第六页，共五十七页。2、CMOS多谐振荡器在t1时刻，uo由0变为1，由于电容(diànróng)电压不能跃变，故ui1必定跟随uo发生正跳变，于是ui2（uo1）由1变为0。这个低电平保持uo为1，以维持已进入的这个暂稳态。在这个暂稳态期间，电容C通过电阻R放电，使ui1逐渐下降。在t2时刻，ui1上升到门电路的开启电压UT，使uo1（ui2）由0变为1，uo由1变为0。同样由于电容电压不能跃变，故ui1跟随uo发生负跳变，于是ui2（uo1）由0变为1。这个高电平保持uo为0。至此，第一个暂稳态结束，电路进入第二个暂稳态。第一暂稳态及其自动翻转的工作(gōngzuò)过程第七页，共五十七页。第二暂稳态及其自动(zìdòng)翻转的工作过程在t2时刻，uo1变为高电平，这个高电平通过电阻R对电容C充电。随着放电的进行，ui1逐渐上升。在t3时刻，ui1上升到UT，使uo（ui1）又由0变为1，第二个暂稳态结束，电路返回到第一个暂稳态，又开始(kāishǐ)重复前面的过程。第八页，共五十七页。石英(shíyīng)晶体振荡器1、石英晶体电路(diànlù)符号和选频特性电路符号阻特性(tèxìng)

fXf0电感性电容性电容性当f=f0时,电抗X=0第九页，共五十七页。2、石英(shíyīng)晶体振荡器R:使G1工作(gōngzuò)在线性区C1:耦合电容(diànróng)C2:抑制高次谐波第十页，共五十七页。3、石英(shíyīng)晶体多谐振荡器电阻R1、R2的作用(zuòyòng)是保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区。对TTL反相器，常取R1＝R2＝R＝0.7kΩ～2kΩ，而对于CMOS门，则常取R1＝R2＝R＝10kΩ～100kΩ；C1＝C2＝C是耦合电容，它们的容抗在石英晶体谐振频率f0时可以忽略不计；石英晶体构成选频环节。振荡频率等于(děngyú)石英晶体的谐振频率f0。第十一页，共五十七页。1.2由555定时器构成(gòuchéng)的多谐振荡器1、555定时器低电平(diànpínɡ)触发端高电平(diànpínɡ)触发端电压控制端复位端低电平有效放电端7.5～16V第十二页，共五十七页。001①R=0时，Q=1，uo=0，T导通。第十三页，共五十七页。①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。＞2VCC/3＞VCC/300011第十四页，共五十七页。①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。＜2VCC/3＞VCC/310011③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=1、C2=1，Q、Q不变，uo不变，T状态不变。110第十五页，共五十七页。①R=0时，Q=1，uo=0，T饱和导通。②R=1、UTH＞2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=0、C2=1，Q=1、Q=0，uo=0，T饱和导通。＜2VCC/3＜VCC/311100③R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＞VCC/3时，C1=1、C2=1，Q、Q不变，uo不变，T状态不变。④R=1、UTH＜2VCC/3、UTR＜VCC/3时，C1=1、C2=0，Q=0、Q=1，uo=1，T截止。第十六页，共五十七页。2、由555定时器构成(gòuchéng)的多谐振荡器接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2VCC/3时，uo=0，T导通，C通过R2和T放电，uc下降。当uc下降到VCC/3时，uo又由0变为1，T截止，VCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程(guòchéng)，在输出端uo产生了连续的矩形脉冲。第十七页，共五十七页。第十八页，共五十七页。

已知滞回比较器的输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。滞回比较器的两种不同的输出电平使RC电路进行充电或放电，于是电容(diànróng)上的电压将升高或降低，而电容(diànróng)上的电压又作为滞回比较器的输入电压，控制其输出端状态发生跳变，从而使RC电路由充电过程变为放电过程或相反。如此循环往复，周而复始，最后在滞回比较器的输出端即可得到一个高低电平周期性的矩形波。3、由集成运放(yùnfànɡ)构成的多谐振荡器第十九页，共五十七页。矩形(jǔxíng)波发生器的电路见图9-2其中，集成运放与电阻R1、R2、组成滞回比较器，电阻R和电容C构成充放电回路，稳压管D2和电阻R3的作用是钳位，将滞回比较器的输出电压限制在稳压管的稳定电压值±6V。第二十页，共五十七页。如图3-1中的电路参数确定(quèdìng)，则输出电压uo的波形是正负半周对称的矩形波，即方波，该电路也即方波发生器。

图3-1方波发生器电路(diànlù)第二十一页，共五十七页。

运用(yùnyòng)前首先将放大器调零;

第二十二页，共五十七页。2.占空比可调的矩形波发生电路。实验电路如图3-2所示。前面图3-1中输出电压uo的波形是正负半周对称的矩形波，即uo等于高电平和低电平的时间各为T/2，这种矩形波的占空比等于50%，如果希望矩形波的占空比能够根据需要进行调节，则可以通过分别改变图3-2中电路中充电和放电的时间常数(shíjiānchánɡshù)来实现。第二十三页，共五十七页。图3-2占空比可调的矩形波发生(fāshēng)电路第二十四页，共五十七页。3.三角波发生电路①按自行设计的实验电路图连接线路，分别观测用示波器V01及V02的波形并作记录。②如何改变输出波形的频率？按预习方案分别进行设计、实验并记录。4.锯齿波发生电路①自拟实验电路；电路参数请参照模拟电路学习机上的现成元件(yuánjiàn)；按自行设计的实验电路图连接线路，观测电路输出和波形和频率；并记录之。②按预习时的方案改变锯齿波频率并测量变化范围，并记录之。第二十五页，共五十七页。

图9-4

方波、三角(sānjiǎo)波发生电路第二十六页，共五十七页。图3-3锯齿(jùchǐ)波发生电路第二十七页，共五十七页。1.4多谐振荡器的应用(yìngyòng)秒信号(xìnhào)发生器多谐振荡器分频(fēnpín)电路第二十八页，共五十七页。模拟声响(shēngxiǎng)电路将振荡器Ⅰ的输出电压uo1，接到振荡器Ⅱ中555定时器的复位端（4脚），当uo1为高电平时振荡器Ⅱ振荡，为低电平时555定时器复位，振荡器Ⅱ停止(tíngzhǐ)震荡。第二十九页，共五十七页。本节小结(xiǎojié)多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入(shūrù)信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。多谐振荡器可以由门电路构成，也可以由555定时器构成。由门电路构成的多谐振荡器和基本RS触发器在结构上极为相似，只是用于反馈的耦合网络不同。RS触发器具有两个稳态，多谐振荡器没有稳态，所以又称为无稳电路。在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个暂稳态，其“触发”信号是由电路内部电容充（放）电提供的，因此无需外加触发脉冲(màichōng)。多谐振荡器的振荡周期与电路的阻容元件有关。

555定时器是一种应用广泛、使用灵活的集成器件，多用于脉冲产生、整形及定时等。第三十页，共五十七页。2单稳态触发器2.1由门电路构成(gòuchéng)的单稳态触发器2.2由555定时器构成(gòuchéng)的单稳态触发器2.3单稳态触发器的应用(yìngyòng)退出第三十一页，共五十七页。

单稳态触发器在数字电路中一般用于定时（产生一定宽度的矩形波）、整形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）以及延时（把输入信号延迟一定时间(shíjiān)后输出）等。单稳态触发器具有下列特点：（1）电路(diànlù)有一个稳态和一个暂稳态。（2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。（3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。2.1由门电路构成(gòuchéng)的单稳态触发器第三十二页，共五十七页。（1）没有触发信号时电路工作在稳态当没有触发信号时，ui为低电平。因为门G2的输入端经电阻R接至VDD，VA为高电平，因此uo2为低电平；或非门G1的两个输入均为0，其输出uo1为高电平，电容(diànróng)C两端的电压接近为0。这是电路的稳态，在触发信号到来之前，电路一直处于这个状态：uo1＝1，uo2＝0。0011第三十三页，共五十七页。110（2）外加触发信号使电路由稳态翻转到暂稳态当正触发脉冲ui到来时，门G1输出uo1由1变为0。由于电容电压不能跃变，uA也随之跳变到低电平，使门G2的输出uO2变为1。这个(zhège)高电平反馈到门G1的输入端，此时即使ui的触发信号撤除，仍能维持门G1的低电平输出。但是电路的这种状态是不能长久保持的，所以称为暂稳态。暂稳态时，uo1＝0，uo2＝1。第三十四页，共五十七页。0011（3）电容充电使电路由暂稳态自动返回到稳态在暂稳态期间，VDD经R和G1的导通工作管对C充电，随着充电的进行，C上的电荷逐渐增多，使uA升高。当uA上升到阈值电压UT时，G2的输出uo2由1变为0。由于这时G1输入触发信号已经过去，G1的输出状态只由uo2决定，所以G1又返回到稳定的高电平输出。uA随之向正方向跳变，加速了G2的输出向低电平变化。最后使电路退出(tuìchū)暂稳态而进入稳态，此时uo1＝1，uo2＝0。脉冲(màichōng)宽度：tp=0.7RC第三十五页，共五十七页。电路(diànlù)的改进当ui的宽度(kuāndù)很宽时，可在单稳态触发器的输入端加一个RC微分电路，否则，在电路由暂稳态返回到稳态时，由于门G1被ui封住了，会使uo2的下降沿变缓。第三十六页，共五十七页。稳态时，ui＝1，G1、G2均导通。uo1＝0，uA＝0，uo2＝0。ui负跳变到0时，G1截止，uo1随之跳变到1。由于电容电压不能跃变，uA仍为0，故门G2截止，uo2跳变到1。在G1、G2截止时，C通过R和G1的导通管放电，使uA逐渐(zhújiàn)上升。当uA上升到管子的开启电压UT时，如果ui仍为低电平，G2导通，uo2变为0。当ui回到高电平后，G1导通，C又通过R和G1的导通管充电，电路恢复到稳定状态。第三十七页，共五十七页。TR-A、TR-B是两个下降沿有效的触发信号输入端，TR+是上升沿有效的触发信号输入端。Q和是两个状态互补的输出端。Rext/Cext、Cext是外接定时电阻和电容的连接端，外接定时电阻R（R=1.4kΩ～40kΩ）接在VCC和Rext/Cext之间，外接定时电容C（C=10pF～10μF）接在Cext（正）和Rext/Cext之间。74121内部已设置了一个2kΩ的定时电阻，Rin是其引出端，使用时只需将Rin与VCC连接起来即可，不用(bùyòng)时则应将Rin开路。74121的输出脉冲(màichōng)宽度：tp≈0.7RC第三十八页，共五十七页。TR-A、TR-B是两个下降沿有效的触发信号输入端，TR+A、TR+B是两个上升沿有效的触发信号输入端。Q和是两个状态互补的输出端。Rext/Cext、Cext、Rin3个引出端是供外接定时元件使用的，外接定时电阻R（R=5kΩ～50kΩ）、电容C（无限制）的接法与74121相同。RD为直接复位输入端，低电平有效。当定时电容C＞1000pF时，74122的输出脉冲宽度：tp≈0.32RC第三十九页，共五十七页。2.2由555定时器构成(gòuchéng)的单稳态触发器第四十页，共五十七页。接通VCC后瞬间，VCC通过R对C充电，当uc上升到2VCC/3时，比较器C1输出为0，将触发器置0，uo＝0。这时Q=1，放电管T导通，C通过T放电，电路进入稳态。

ui到来时，因为ui＜VCC/3，使C2＝0，触发器置1，uo又由0变为1，电路进入暂稳态。由于此时Q=0，放电管T截止，VCC经R对C充电。虽然此时触发脉冲已消失，比较器C2的输出变为1，但充电继续进行，直到uc上升到2VCC/3时，比较器C1输出为0，将触发器置0，电路输出uo＝0，T导通，C放电，电路恢复到稳定状态。第四十一页，共五十七页。2.３单稳态触发器的应用(yìngyòng)延迟(yánchí)与定时整形(zhěngxíng)第四十二页，共五十七页。本节小结(xiǎojié)单稳态触发器具有(jùyǒu)一个稳态。由门电路构成的单稳态触发器和基本RS触发器在结构上也极为相似，只有用于反馈的耦合网络不同。单稳态触发器可以由门电路构成，也可以由555定时器构成。在单稳态触发器中，由一个暂稳态过渡到稳态，其“触发”信号也是由电路内部电容充（放）电提供的，暂稳态的持续时间即脉冲宽度(kuāndù)也由电路的阻容元件决定。单稳态触发器不能自动地产生矩形脉冲，但却可以把其它形状的信号变换成为矩形波，用途很广。第四十三页，共五十七页。3施密特触发器3.1由门电路构成(gòuchéng)的施密特触发器3.2由555定时器构成(gòuchéng)的施密特触发器3.3施密特触发器的应用(yìngyòng)退出第四十四页，共五十七页。3.3.1由门电路构成(gòuchéng)的施密特触发器施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合