电路PWM原理

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γ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100kHzf10MHz时，Cj取20~300pF；f10MHz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。输入的矩形波电路输出的尖脉冲波R上的电压按指数下降R上的反向电压按指数下降可见，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τ=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γ脉冲的计数率和监护仪中的心率等。当nRC11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nRC11的限制，则UoUm，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。串联（二极管与输出信号）削波电路并联（二极管与输出信号）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。第一个脉冲前沿，Um电容放电指数下降脉冲后沿出现负Δ稳态,一周期内C充电和放电的电荷相等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IbIbs，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Ube0；满足三极管可靠饱和的条件是IbIbs，其中三极管基极饱和电流Ibs=Ec/βRc。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