如何看懂脈沖電路

如何看懂脈沖電路

脈沖電路是專(zhuān)門(mén)用來(lái)產(chǎn)生電脈沖和對(duì)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(bào)警器、電子開(kāi)關(guān)、電子鐘表、電子玩具以及電子醫(yī)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(diào)制電路被稱(chēng)為模擬電子電路，因?yàn)樗鼈兗庸ず吞幚淼氖沁B續(xù)變化的模擬信號(hào)。電子電路中另一大類(lèi)電路的數(shù)字電子電路。它加工和處理的對(duì)象是不連續(xù)變化的數(shù)字信號(hào)。數(shù)字電子電路又可分成脈沖電路和數(shù)字邏輯電路，它們處理的都是不連續(xù)的脈沖信號(hào)。

　　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 t r 、脈沖后沿 t f 和脈沖寬度 t k 來(lái)表示。如果一個(gè)脈沖的寬度 t k =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(shù)情況下，晶體管是工作在特性曲線的飽和區(qū)或截止區(qū)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 R b2 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， R b2 是接到一個(gè)負(fù)電源上的，而且 R b1 和 R b2 的數(shù)值是按晶體管能可靠地進(jìn)入飽和區(qū)或止區(qū)的要求計(jì)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(dǎo)通并飽和；在脈沖后沿產(chǎn)生負(fù)向尖脈沖使晶體管快速進(jìn)入截止?fàn)顟B(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(duì)電路起開(kāi)關(guān)作用的控制脈沖，有起統(tǒng)帥全局作用的時(shí)鐘脈沖，有做計(jì)數(shù)用的計(jì)數(shù)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(hào)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?yàn)榫匦蚊}沖含有豐富的諧波，所以脈沖信號(hào)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(zhuǎn)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(dǎo)通和截止，使電路不停地從一個(gè)狀態(tài)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)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(dāng) R b1 =R b2 =R ， C b1 =C b2 =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(duì)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(shù)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(hù)電阻， R 和 C 是延時(shí)電路元件，它們的數(shù)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(diào)的多諧振蕩器。因?yàn)檫@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(yīng)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(duì)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(dāng)電路時(shí)間常數(shù) τ=RC<

?。?2 ）積分電路

　　把圖 5 中的 R 和 C 互換，并使 τ=RC>>t k ，電路就成為積分電路，見(jiàn)圖 6 。當(dāng)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(fù)脈沖的下限幅電路。

　　用二極帶或三極管等非線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(duì)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(shù)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(hào)在傳輸過(guò)

會(huì)造成失真，為了使脈沖波形恢復(fù)原樣，接收機(jī)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(yīng)該是 12 伏，現(xiàn)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(rèn)為是整形電路。

　　有記憶功能的雙穩(wěn)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(wěn)態(tài)電路。另一種雙穩(wěn)態(tài)電路就絕然不同，雙穩(wěn)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(shù)碼的單元電路。

?。?1 ）集基耦合雙穩(wěn)電路

　　圖 9 是用分立元件組成的集基耦合雙穩(wěn)電路。它由一對(duì)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(dāng) 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(hào)，它就保持這種狀態(tài)不變。如把高電平表示數(shù)字信號(hào)“ 1 ”，低電平表示“ 0 ”，那么這時(shí)就可以認(rèn)為雙穩(wěn)電路已經(jīng)把數(shù)字信號(hào)“ 1 ”寄存在 B 端了。

　　電路的基極分別加有微分電路。如果在 VT1 基極加上一個(gè)負(fù)脈沖（稱(chēng)為觸發(fā)脈沖），就會(huì)使 VT1 基極電位下降，由于正反饋的作用，使 VT1 很快從飽和轉(zhuǎn)入截止， VT2 從截止轉(zhuǎn)入飽和。于是雙穩(wěn)電路翻轉(zhuǎn)成 A 端為“ 1 ”， B 端為“ 0 ”，并一直保持下去。

?。?2 ）觸發(fā)脈沖的觸發(fā)方式和極性

　　雙穩(wěn)電路的觸發(fā)電路形式和觸發(fā)脈沖極性選擇比較復(fù)雜。從觸發(fā)方式看，因?yàn)橛兄绷饔|發(fā)（電位觸發(fā)）和交流觸發(fā)（邊沿觸發(fā)）的分別，所以觸發(fā)電路形式各有不同。從脈沖極性看，也是隨著晶體管極性、觸發(fā)脈沖加在哪個(gè)管子（飽和管還是截止管）上、哪個(gè)極上（基極還是集電極）而變化的。在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)槲⒎蛛娐纺苋菀椎氐玫郊饷}沖，觸發(fā)效果較好，所以都用交流觸發(fā)方式。觸發(fā)脈沖所加的位置多數(shù)是加在飽和管的基極上。所以使用 NPN 管的雙穩(wěn)電路所加的是負(fù)脈沖，而 PNP 管雙穩(wěn)電路所加的是正脈沖。

?。?3 ）集成觸發(fā)器除了用分立元件外，也可以用集成門(mén)電路組成雙穩(wěn)電路。但實(shí)際上因?yàn)槟壳坝写罅康募苫p穩(wěn)觸發(fā)器產(chǎn)品可供選用，如 R—S 觸發(fā)器、 D 觸發(fā)器、 J － K 觸發(fā)器等等，所以一般不使用門(mén)電路搭成的雙穩(wěn)電路而直接選用現(xiàn)成產(chǎn)品。

有延時(shí)功能的單穩(wěn)電路

　　無(wú)穩(wěn)電路有 2 個(gè)暫穩(wěn)態(tài)而沒(méi)有穩(wěn)態(tài)，雙穩(wěn)電路則有 2 個(gè)穩(wěn)態(tài)而沒(méi)有暫穩(wěn)態(tài)。脈沖電路中常用的第 3 種電路叫單穩(wěn)電路，它有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。如果也用門(mén)來(lái)作比喻，單穩(wěn)電路可以看成是一扇彈簧門(mén)，平時(shí)它總是關(guān)著的，“關(guān)”是它的穩(wěn)態(tài)。當(dāng)有人推它或拉它時(shí)門(mén)就打開(kāi)，但由于彈力作用，門(mén)很快又自動(dòng)關(guān)上，恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。所以“開(kāi)”是它的暫穩(wěn)態(tài)。單穩(wěn)電路常被用作定時(shí)、延時(shí)控制以及整形等。

?。?1 ）集基耦合單穩(wěn)電路

　　圖 10 是一個(gè)典型的集基耦合單穩(wěn)電路。它也是由兩級(jí)反相器交叉耦合而成的正反饋電路。它的一半和多諧振蕩器相似，另一半和雙穩(wěn)電路相似，再加它也有一個(gè)微分觸發(fā)電路，所以可以想象出它是半個(gè)無(wú)穩(wěn)電路和半個(gè)雙穩(wěn)電路湊合成的，它應(yīng)該有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。平時(shí)它總是一管（ VT1 ）飽和，另一管（ VT2 ）截止，這就是它的穩(wěn)態(tài)。當(dāng)輸入一個(gè)觸發(fā)脈沖后，電路便翻轉(zhuǎn)到另一種狀態(tài)，但這種狀態(tài)只能維持不長(zhǎng)的時(shí)間，很快它又恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。電路暫穩(wěn)態(tài)的時(shí)間是由延時(shí)元件 R 和 C 的數(shù)值決定的： t t =0.7RC 。

?。?2 ）集成化單穩(wěn)電路

　　用集成門(mén)電路也可組成單穩(wěn)電路。圖 11 是微分型單穩(wěn)電路，它用 2 個(gè)與非門(mén)交叉連接，門(mén) 1 輸出到門(mén) 2 是用微分電路耦合，門(mén) 2 輸出到門(mén) 1 是直接耦合，觸發(fā)脈沖加到門(mén) 1 的另一個(gè)輸入端 U I 。它的暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間即定時(shí)時(shí)間為： t t = （ 0.7 ～ 1.3 ） RC 。

脈沖電路的讀圖要點(diǎn)

　?、?脈沖電路的特點(diǎn)是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，它的輸入輸出都是脈沖，因此分析時(shí)要抓住關(guān)鍵，把主次電路區(qū)分開(kāi)，先認(rèn)定主電路的功能，再分析輔助電路的作用。

　　② 從電路結(jié)構(gòu)上抓關(guān)鍵找異同。前面介紹了集基耦合方式的三種基本單元電路，它們都由雙管反相器構(gòu)成正反饋電路，這是它們的相同點(diǎn)。但細(xì)分析起來(lái)它們還是各有特點(diǎn)的：無(wú)穩(wěn)和雙穩(wěn)電路雖然都有對(duì)稱(chēng)形式，但無(wú)穩(wěn)電路是用電容耦合，雙穩(wěn)是用電阻直接耦合（有時(shí)并聯(lián)有加速電容，容量一般都很小）；而且雙穩(wěn)電路一般都有觸發(fā)電路（雙端或單端觸發(fā)）；單穩(wěn)電路就很好認(rèn)，它是不對(duì)稱(chēng)的，兼有雙穩(wěn)和單穩(wěn)的形式。這樣一分析，三種電路就很好區(qū)別了。

　　③ 脈沖電路中，脈沖的生成、變換和整形都和電容器的充、放電有關(guān)，電路的時(shí)間常數(shù)即 R 和 C 的數(shù)值對(duì)確定電路的性質(zhì)有極重要的意義，這一點(diǎn)尤為重要。