脈沖電路設計及其分析

脈沖電路是專(zhuān)門(mén)用來(lái)產(chǎn)生電脈沖和對電脈沖進(jìn)行放大、變換和整形的電路。家用電器中的定時(shí)器、報警器、電子開(kāi)關(guān)、電子鐘表、電子玩具以及電子醫療器具等，都要用到脈沖電路。

在電子電路中，電源、放大、振蕩和調制電路被稱(chēng)為模擬電子電路，因為它們加工和處理的是連續變化的模擬信號。電子電路中另一大類(lèi)電路的數字電子電路。它加工和處理的對象是不連續變化的數字信號。數字電子電路又可分成脈沖電路和數字邏輯電路，它們處理的都是不連續的脈沖信號。

電脈沖有各式各樣的形狀，有矩形、三角形、鋸齒形、鐘形、階梯形和尖頂形的，最具有代表性的是矩形脈沖。要說(shuō)明一個(gè)矩形脈沖的特性可以用脈沖幅度Um、脈沖周期T或頻率f、脈沖前沿tr、脈沖后沿tf和脈沖寬度tk來(lái)表示。如果一個(gè)脈沖的寬度tk=1／2T，它就是一個(gè)方波。

脈沖電路和放大振蕩電路最大的不同點(diǎn)，或者說(shuō)脈沖電路的特點(diǎn)是：脈沖電路中的晶體管是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的。大多數情況下，晶體管是工作在特性曲線(xiàn)的飽和區或截止區的，所以脈沖電路有時(shí)也叫開(kāi)關(guān)電路。從所用的晶體管也可以看出來(lái)，在工作頻率較高時(shí)都采用專(zhuān)用的開(kāi)關(guān)管，如2AK、2CK、DK、3AK型管，只有在工作頻率較低時(shí)才使用一般的晶體管。

就拿脈沖電路中最常用的反相器電路（圖1）來(lái)說(shuō)，從電路形式上看，它和放大電路中的共發(fā)射極電路很相似。在放大電路中，基極電阻Rb2是接到正電源上以取得基極偏壓；而這個(gè)電路中，為了保證電路可靠地截止，Rb2是接到一個(gè)負電源上的，而且Rb1和Rb2的數值是按晶體管能可靠地進(jìn)入飽和區或止區的要求計算出來(lái)的。不僅如此，為了使晶體管開(kāi)關(guān)速度更快，在基極上還加有加速電容C，在脈前沿產(chǎn)生正向尖脈沖可使晶體管快速進(jìn)入導通并飽和；在脈沖后沿產(chǎn)生負向尖脈沖使晶體管快速進(jìn)入截止狀態(tài)。除了射極輸出器是個(gè)特例，脈沖電路中的晶體管都是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的，這是一個(gè)特點(diǎn)。

脈沖電路的另一個(gè)特點(diǎn)是一定有電容器（用電感較少）作關(guān)鍵元件，脈沖的產(chǎn)生、波形的變換都離不開(kāi)電容器的充放電。

產(chǎn)生脈沖的多諧振蕩器

脈沖有各種各樣的用途，有對電路起開(kāi)關(guān)作用的控制脈沖，有起統帥全局作用的時(shí)鐘脈沖，有做計數用的計數脈沖，有起觸發(fā)啟動(dòng)作用的觸發(fā)脈沖等等。不管是什么脈沖，都是由脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生的，而且大多是短形脈沖或以矩形脈沖為原型變換成的。因為矩形脈沖含有豐富的諧波，所以脈沖信號發(fā)生器也叫自激多諧振蕩器或簡(jiǎn)稱(chēng)多諧振蕩器。如果用門(mén)來(lái)作比喻，多諧振蕩器輸出端時(shí)開(kāi)時(shí)閉的狀態(tài)可以把多諧振蕩器比作賓館的自動(dòng)旋轉門(mén)，它不需要人去推動(dòng)，總是不停地開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)。

（1）集基耦合多諧振蕩器

圖2是一個(gè)典型的分立元件集基耦合多諧振蕩器。它由兩個(gè)晶體管反相器經(jīng)RC電路交叉耦合接成正反饋電路組成。兩個(gè)電容器交替充放電使兩管交替導通和截止，使電路不停地從一個(gè)狀態(tài)自動(dòng)翻轉到另一個(gè)狀態(tài)，形成自激振蕩。從A點(diǎn)或B點(diǎn)可得到輸出脈沖。當Rb1=Rb2=R，Cb1=Cb2=C時(shí)，輸出是幅度接近E的方波，脈沖周期T=1.4RC。如果兩邊不對稱(chēng)，則輸出是矩形脈沖

（3）RC環(huán)形振蕩器

圖4是常用的RC環(huán)形振蕩器。它用奇數個(gè)門(mén)、首尾相連組成閉環(huán)形，環(huán)路中有RC延時(shí)電路。圖中RS是保護電阻，R和C是延時(shí)電路元件，它們的數值決定脈沖周期。輸出脈沖周期T=2.2RC。如果把R換成電位器，就成為脈沖頻率可調的多諧振蕩器。因為這種電路簡(jiǎn)單可靠，使用方便，頻率范圍寬，可以從幾赫變化到幾兆赫，所以被廣泛應用。

脈沖變換和整形電路

脈沖在工作中有時(shí)需要變換波形或幅度，如把矩形脈沖變成三角波或尖脈沖等，具有這種功能的電路就叫變換電路。脈沖在傳送中會(huì )造成失真，因此常常要對波形不好的脈沖進(jìn)行修整，使它整舊如新，具有這種功能的電路就叫整形電路。

（1）微分電路

微分電路是脈沖電路中最常用的波形變換電路，它和放大電路中的RC耦合電路很相似，見(jiàn)圖5。當電路時(shí)間常數τ=RC

（2）積分電路

把圖5中的R和C互換，并使τ=RC>>tk，電路就成為積分電路，見(jiàn)圖6。當輸入矩形脈沖時(shí)，由于電容器充放電很慢，輸出得到的是一串幅度較低的近似三角形的脈沖波。

（3）限幅器

能限制脈沖幅值的電路稱(chēng)為限幅器或削波器。圖7是用二極管和電阻組成的上限幅電路。它能把輸入的正向脈沖削掉。如果把二極管反接，就成為削掉負脈沖的下限幅電路。

用二極帶或三極管等非線(xiàn)性器件可組成各種限幅器，或是變換波形（如把輸入脈沖變成方波、梯形波、尖脈沖等），或是對脈沖整形（如把輸入高低不平的脈沖系列削平成為整齊的脈沖系列等）。

（4）箝位器

能把脈沖電壓維持在某個(gè)數值上而使波形保持不變的電路稱(chēng)為箝位器。它也是整形電路的一種。例如電視信號在傳輸過(guò)會(huì )造成失真，為了使脈沖波形恢復原樣，接收機里就要用箝位電路把波形頂部箝制在某個(gè)固定電平上。

圖8中反相器輸出端上就有一個(gè)箝位二極管VD。如果沒(méi)有這個(gè)二極管，輸出脈沖高電平應該是12伏，現在增加了箝位二極管，輸出脈沖高電平被箝制在3伏上。

此外，象反相器、射極輸出器等電路也有“整舊如新”的作用，也可認為是整形電路。

有記憶功能的雙穩電路多諧振蕩器的輸出總是時(shí)高時(shí)低地變換，所以它也叫無(wú)穩態(tài)電路。另一種雙穩態(tài)電路就絕然不同，雙穩電路有兩個(gè)輸出端，它們總是處于相反的狀態(tài)：一個(gè)是高電平，另一個(gè)必定是低電平。它的特點(diǎn)是如果沒(méi)有外來(lái)的觸發(fā)，輸出狀態(tài)能一直保持不變。所以常被用作寄存二進(jìn)制數碼的單元電路。

（1）集基耦合雙穩電路

圖9是用分立元件組成的集基耦合雙穩電路。它由一對用電阻交叉耦合的反相器組成。它的兩個(gè)管子總是一管截止一管飽和，例如當VT1管飽和時(shí)VT2管就截止，這時(shí)A點(diǎn)是低電平B點(diǎn)是高電平。如果沒(méi)有外來(lái)的觸發(fā)信號，它就保持這種狀態(tài)不變。如把高電平表示數字信號“1”，低電平表示“0”，那么這時(shí)就可以認為雙穩電路已經(jīng)把數字信號“1”寄存在B端了。

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