脈沖電路的用途和特點

在電子電路中，電源、放大、振蕩和調(diào)制電路被稱為模擬電子電路，因為它們加工和處理的是連續(xù)變化的模擬信號。電子電路中另一大類電路的數(shù)字電子電路。它加工和處理的對象是不連續(xù)變化的數(shù)字信號。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。脈沖電路是專門用來產(chǎn)生電脈沖和對電脈沖進(jìn)行放大、變換和整形的電路。家用電器中的定時器、報警器、電子開關(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。

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。要說明一個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 來表示。如果一個脈沖的寬度 t k =1 / 2T ，它就是一個方波。

脈沖電路和放大振蕩電路最大的不同點，或者說脈沖電路的特點是：脈沖電路中的晶體管是工作在開關(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，所以脈沖電路有時也叫開關(guān)電路。從所用的晶體管也可以看出來，在工作頻率較高時都采用專用的開關(guān)管，如 2AK 、 2CK 、DK 、 3AK 型管，只有在工作頻率較低時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(下圖1)來說，從電路形式上看，它和放大電路中的共發(fā)射電路很相似。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;而這個電路中，為了保證電路可靠地截止， R b2 是接到一個負(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)的要求計算出來的。不僅如此，為了使晶體管開關(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特例，脈沖電路中的晶體管都是工作在開關(guān)狀態(tài)的，這是一個特點。

脈沖電路的另一個特點是一定有電容器(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，有對電路起開關(guān)作用的控制脈沖，有起統(tǒng)帥全局作用的時鐘脈沖，有做計數(shù)用的計數(shù)脈沖，有起觸發(fā)啟動作用的觸發(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稱多諧振蕩器。如果用門來作比喻，多諧振蕩器輸出端時開時閉的狀態(tài)可以把多諧振蕩器比作賓館的自動旋轉(zhuǎn)門，它不需要人去推動，總是不停地開門和關(guān)門。

( 1 )集基耦合多諧振蕩器

下圖2是一個典型的分立元件集基耦合多諧振蕩器。它由兩個晶體管反相器經(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狀態(tài)自動翻轉(zhuǎn)到另一個狀態(tài)，形成自激振蕩。從 A 點或 B 點可得到輸出脈沖。當(dāng) R b1 =R b2 =R ， C b1 =C b2 =C 時，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，則輸出是矩形脈沖。

( 2 ) RC 環(huán)形振蕩器

下圖 4 是常用的 RC 環(huán)形振蕩器。它用奇數(shù)個門、首尾相連組成閉環(huán)形，環(huán)路中有 RC 延時電路。圖中 RS 是保護(hù)電阻， R 和 C 是延時電路元件，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。因為這種電路簡單可靠，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，見圖 5 。當(dāng)電路時間常數(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，見圖 6 。當(dāng)輸入矩形脈沖時，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數(shù)值上而使波形保持不變的電路稱為箝位器。它也是整形電路的一種。例如電視信號在傳輸過程中會造成失真，為了使脈沖波形恢復(fù)原樣，接收機里就要用箝位電路把波形頂部箝制在某個固定電平上。下圖 8 中反相器輸出端上就有一個箝位二極管 VD 。如果沒有這個二極管，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。

寄存二進(jìn)制數(shù)碼的單元電路

有記憶功能的雙穩(wěn)電路多諧振蕩器的輸出總是時高時低地變換，所以它也叫無穩(wěn)態(tài)電路。另一種雙穩(wěn)態(tài)電路就截然不同，雙穩(wěn)電路有兩個輸出端，它們總是處于相反的狀態(tài)：一個是高電平，另一個必定是低電平。它的特點是如果沒有外來的觸發(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

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

電路的基極分別加有微分電路。如果在 VT1 基極加上一個負(fù)脈沖(稱為觸發(fā)脈沖)，就會使 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，因為有直流觸發(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)脈沖加在哪個管子(飽和管還是截止管)上、哪個極上(基極還是集電極)而變化的。在實際應(yīng)用中，因為微分電路能容易地得到尖脈沖，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，也可以用集成門電路組成雙穩(wěn)電路。但實際上因為目前有大量的集成化雙穩(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，所以一般不使用門電路搭成的雙穩(wěn)電路而直接選用現(xiàn)成產(chǎn)品。

有延時功能的單穩(wěn)電路

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

( 1 )集基耦合單穩(wěn)電路

圖 10 是一個典型的集基耦合單穩(wěn)電路。它也是由兩級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，再加它也有一個微分觸發(fā)電路，所以可以想象出它是半個無穩(wěn)電路和半個雙穩(wěn)電路湊合成的，它應(yīng)該有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)。平時它總是一管( 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)只能維持不長的時間，很快它又恢復(fù)到原來的狀態(tài)。電路暫穩(wěn)態(tài)的時間是由延時元件 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 個與非門交叉連接，門 1 輸出到門 2 是用微分電路耦合，門 2 輸出到門 1 是直接耦合，觸發(fā)脈沖加到門 1 的另一個輸入端 U I 。它的暫穩(wěn)態(tài)時間即定時時間為：t t = ( 0.7 ～ 1.3 ) RC 。

脈沖電路的讀圖要點

①、脈沖電路的特點是工作在開關(guān)狀態(tài)，它的輸入輸出都是脈沖，因此分析時要抓住關(guān)鍵，把主次電路區(qū)分開，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。但細(xì)分析起來它們還是各有特點的：無穩(wěn)和雙穩(wěn)電路雖然都有對稱形式，但無穩(wěn)電路是用電容耦合，雙穩(wěn)是用電阻直接耦合(有時并聯(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)，它是不對稱的，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)，電路的時間常數(shù)即 R 和 C 的數(shù)值對確定電路的性質(zhì)有極重要的意義，這一點尤為重要。

原文標(biāo)題：常見的脈沖電路到底有何用途和特點?

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審核編輯：湯梓紅