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1、维纳斯培训计划v第十一讲脉冲振荡电路与脉冲宽度调制原理v主讲人：方锐桂物理与电子工程系创新活动中心1沐风书苑v1、脉冲信号和脉冲电路v2、双管脉冲电路v3、脉冲宽度调制原理v4、 实验电路脉冲振荡电路与脉冲宽度调制原理脉冲振荡电路与脉冲宽度调制原理2沐风书苑脉冲信号和脉冲电路脉冲信号和脉冲电路v所谓脉冲信号是指在短暂的时间间隔内作用于电路的电压或电流。广义地讲，凡是不连续出现的电压或电流都称为脉冲信号。从信号波形来说，除了正弦波和若干个正弦分量合成的连续波以外，都可以称为脉冲波。常见的脉冲信号波形如下图所示。 脉冲电路主要研究脉冲的产生、变换、整形等着重分析输入、输出波形的形状、幅度及频率等。
2、3沐风书苑二极管限幅器串串联限幅器限幅器并并联限幅器限幅器4沐风书苑二极管钳位器所所谓钳位，就是位，就是把把输入入电压变成峰成峰值钳制在某一制在某一预定的定的电平上的平上的输出出电压，而不改而不改变信号。信号。原理原理：当二极管在当二极管在输入信号的作用下入信号的作用下导通通时电阻很小，截止阻很小，截止时电阻很大阻很大，因而，因而改改变了了电容充、放容充、放电的的时问常数，使常数，使输出信号的出信号的顶部或底部被部或底部被钳位在零位在零电平上平上(这种钳位称为峰值钳位这种钳位称为峰值钳位)。由输出信号可知，经过钳位以后，。由输出信号可知，经过钳位以后，RC电路原有的渐电路原有的渐移现象被限制在
3、信号的第一个周期内，只是第一个脉冲失真移现象被限制在信号的第一个周期内，只是第一个脉冲失真。二极管二极管钳位器的两个参数是位器的两个参数是钳位极性和位极性和钳位位电平。平。改改变二极管的接法二极管的接法，就可以，就可以改改变钳位极性，位极性，在在输出端支路中接入适当出端支路中接入适当电源源，就可以，就可以调整整钳位位电平。平。最简单的钳位电路是在最简单的钳位电路是在RC耦合电路耦合电路的输出端的输出端(电阻电阻R两端两端)并联一个二极并联一个二极管管(称钳位管称钳位管)，如图，如图2-61所示，它是所示，它是利用二极管的单向导电性，利用二极管的单向导电性，使电容的使电容的充电速度远高于放电速度
4、，充电速度远高于放电速度，让电容电让电容电压不变来实现钳位的。压不变来实现钳位的。应用：应用：钳位器能将信号经钳位器能将信号经RC耦合电路后失去的直流成分再恢复起来，因此耦合电路后失去的直流成分再恢复起来，因此常常用来作直流恢复器。用来作直流恢复器。5沐风书苑常见应用电路单稳态电路路：未加触未加触发脉冲脉冲i之前，电路一直保持之前，电路一直保持VT1截止、截止、VT2导通的稳定状态，而输入一个负脉冲之后，电路状态发导通的稳定状态，而输入一个负脉冲之后，电路状态发生翻转，即生翻转，即VT1导通、导通、VT2截止。但是，这个状态是不稳定截止。但是，这个状态是不稳定的，过了一段时间之后，它便自动地回
5、到原来的稳定状态，的，过了一段时间之后，它便自动地回到原来的稳定状态，这就是说，它只有一个稳定状态，另一个状态是暂稳态。这就是说，它只有一个稳定状态，另一个状态是暂稳态。无稳态电路：无稳态电路：电源接通以后，由于两个放大器的源接通以后，由于两个放大器的电路参数路参数不可能完全相同，所以不可能完全相同，所以VT1和和VT2的导通程度不可能完全一的导通程度不可能完全一致。假设致。假设VT1的导通能力稍强一些，的导通能力稍强一些，VT1的集电极电流的集电极电流IC1稍微增加一点则立即引起正反馈过程稍微增加一点则立即引起正反馈过程使使电路迅速路迅速进入入VT1饱和、饱和、VT2截止的暂稳态。此时，电容
6、截止的暂稳态。此时，电容C1经经VT1集电极、集电极、RB2放电，电源放电，电源VCC经经RC2和和VT1发射极发射极给电容给电容C2充电。随着充电。随着C1的放电，的放电，VT2的基极电位的基极电位VB2逐渐升逐渐升高直至高直至VT2开始导通，这时会马上出现另一个正反馈过程开始导通，这时会马上出现另一个正反馈过程使使电路迅速路迅速进入入VT1截止、截止、VT2饱和的另一个暂稳态。经过饱和的另一个暂稳态。经过一定时间又变成一定时间又变成VT1导通、导通、VT2截止的暂稳态。如此周期性截止的暂稳态。如此周期性地翻转，而没有稳定状态，故称其为无稳态电路。地翻转，而没有稳定状态，故称其为无稳态电路。
7、6沐风书苑施密特触发器施密特触发器特点特点：将变化缓慢的输入信号转换为将变化缓慢的输入信号转换为矩形矩形 脉冲。脉冲。两只晶体管的两只晶体管的发射极射极连接在一起。接在一起。该电路也有两个路也有两个稳定状定状态，但它是靠，但它是靠电位触位触发的。它的两个的。它的两个稳态分分别为VTl饱和、饱和、VT2截止与截止与VT2饱和、饱和、VT1截止。两个截止。两个稳态的相互转换取决于输入信号的大小，稳态的相互转换取决于输入信号的大小，当输入信号电位达到接通电位且维持当输入信号电位达到接通电位且维持在大于接通电位时，电路保持为某一稳态在大于接通电位时，电路保持为某一稳态；如果输人信号电位降到断开电位且如
8、果输人信号电位降到断开电位且维持在小于断开电位时，电路迅速翻转且保持在另一状态维持在小于断开电位时，电路迅速翻转且保持在另一状态，该电路常用于电位，该电路常用于电位鉴别、幅度鉴别以及对任意波形进行整形。鉴别、幅度鉴别以及对任意波形进行整形。利用其回差电压来提高电路的抗利用其回差电压来提高电路的抗干扰能力。干扰能力。它是由它是由两级直流放大器两级直流放大器组成，组成，电路如图电路如图2-64所示。所示。7沐风书苑v特点：（1）两管同时导通或同时截止。（2）一端输出波形为陡上升慢下降，另一端输出波形为陡下降慢上升，因此，两端输出通过微分后，就获得一对极性要相反而又十分陡直的尖脉冲。注意：这种电路引
9、起电源功率波动较大，因为当两管从截止转至导通时，电流从零增至某数值。 一、互一、互补管双管双稳态电路路 互互补管双管双稳态电路路见图1（a）。）。 当接通电源后，若无触发信号作用，由于集极电流极小，当接通电源后，若无触发信号作用，由于集极电流极小，Rc1、Rc2的端电的端电 压压供电给两管的偏流供电给两管的偏流也很小，故两管都截止，电路处于一种稳定状态。也很小，故两管都截止，电路处于一种稳定状态。 图1、互补管双稳态电路、互补管双稳态电路双管脉冲电路双管脉冲电路8沐风书苑很快地使两管很快地使两管饱和和导通，通，处于另一于另一稳定状定状态，电容容C1是加速电容，是加速电容，由图由图1（b）可见，
10、）可见，uc1从从Ec陡直地下降至零，而陡直地下降至零，而Uc2却从零陡直地却从零陡直地上升至上升至Ec。当触当触发脉冲作用下，脉冲作用下，设BG1由截止转入放由截止转入放大，并产生下述的雪大，并产生下述的雪崩式正反馈过程崩式正反馈过程要使状要使状态回到原来的回到原来的稳态，必，必须供供给BG1或或BG2的基极一个负尖脉冲，正反馈的翻转过的基极一个负尖脉冲，正反馈的翻转过程与上述类似，电路图程与上述类似，电路图1（C）是单端输出电）是单端输出电路，图路，图2是另一类互补双稳电路，它直接从是另一类互补双稳电路，它直接从普通的双稳电路转变过来。普通的双稳电路转变过来。9沐风书苑互互补管多管多谐振振
11、荡电路路见图3。该电路仍然该电路仍然由两级集基阻容耦合的倒相器由两级集基阻容耦合的倒相器组成，当电路接通电源时，两管不组成，当电路接通电源时，两管不能马上导通，因为能马上导通，因为CA、CB的充电路径是：的充电路径是：EcR2CARc1；CB的充电的充电路径是：路径是：EcRc2CBR1.当当CA和和CB充电到一定数值后，充电到一定数值后，UCA、UCB作作为两管基极回路的正向偏置电压，使为两管基极回路的正向偏置电压，使Ib1、Ib2增加，由于正反馈的作用，很增加，由于正反馈的作用，很快地使快地使BG1、BG2饱和，这是一种暂稳态饱和，这是一种暂稳态饱和饱和二、互补管多谐振荡电路二、互补管多谐
12、振荡电路 10沐风书苑图三、互三、互补多多谐振振荡电路路一开始，一开始，CA经经Rb2、BG2的发射结构及电的发射结构及电阻阻Rc1放电（放电（CA放完电后，又被放完电后，又被Uc1反向反向对对CA充电，这时，充电，这时，UcA为为左正右负左正右负）而）而CB通过通过Rc2、BG1的的发射结及的的发射结及Rb1放电，放电，随着随着CA、CB放电过程，放电过程，Ube1不断增加，不断增加，而而Ube2不断减小，直至两管由饱和退至放不断减小，直至两管由饱和退至放大状态，从而引起下列大状态，从而引起下列“雪崩雪崩”式的正反馈：式的正反馈：结果使果使BG1、BG2截止，接着截止，接着CA、CB又进行充
13、电，如此重复。就可获得如又进行充电，如此重复。就可获得如图图3（b）的输出脉冲波，设电路对称，即）的输出脉冲波，设电路对称，即CA=CB=C，Rb1=Rb2=Rb,R1=R2=R,Rc1=Rc2=Rc脉冲宽度为：脉冲宽度为：t1=c(Rb+rbe)InEc/Ubes+(Ec/Rb)Rct20.7Rc选择晶体管的晶体管的应满足应满足RbRc，根据图，根据图3（a）电路的参数可算出）电路的参数可算出t1=10毫秒，毫秒，t2=750毫秒，占空比毫秒，占空比(t1/t2)=75. 11沐风书苑正反馈连锁反应的结果，使正反馈连锁反应的结果，使BG1、BG2均截止，此为暂稳态。此时均截止，此为暂稳态。此
14、时C通过通过R2、R4及电源放电，放电完后又进入两管饱和的稳定状态。二极管及电源放电，放电完后又进入两管饱和的稳定状态。二极管D是是防止防止C的的电压击穿电压击穿BG1的基的基-射结射结，脉冲宽度为：，脉冲宽度为：tr=0.7(R2+R4)C图4（b）为常态时两管截止的互补单稳态电路）为常态时两管截止的互补单稳态电路 图4、互补管单稳态电路、互补管单稳态电路三、其他的互补管脉冲电路三、其他的互补管脉冲电路 其他的互补管脉冲电路有以下三种。其他的互补管脉冲电路有以下三种。1、互补管单稳态电路、互补管单稳态电路图图4示出两种形式的互补管单稳态示出两种形式的互补管单稳态电路，电路，图图4（b）为常态
15、时两管饱和的互补）为常态时两管饱和的互补管单稳态电路。管单稳态电路。 当满足条件，当满足条件，R21/R1及及R32/R4时电路处于两管饱和的稳态，当时电路处于两管饱和的稳态，当负负BG1退出饱和，且引起反应退出饱和，且引起反应Uc1Ub2Uc2Ub1。12沐风书苑图5为互补管施密特触发器，本电路是为互补管施密特触发器，本电路是依靠直流电位触发的施密特电路依靠直流电位触发的施密特电路，在工作过程中。两管同时饱和或同时截止。在工作过程中。两管同时饱和或同时截止。当当ui处于低电平时，由处于低电平时，由ui和和-Eb所引起的所引起的ub1为负值，为负值，BG1截止，又因截止，又因R3无电源，所以无
16、电源，所以BG2也截止，也截止，处于一种稳定状态。处于一种稳定状态。当当ui上升到高电平时，上升到高电平时，ub1达到达到BG1的导的导通阀电压，通阀电压，BG1开始导通，经过开始导通，经过BG1、BG2的连锁正反馈作用。最后使的连锁正反馈作用。最后使BG1、BG2同时导通，这是另一种稳定状态。同时导通，这是另一种稳定状态。R5与电路因差的大小有关，与电路因差的大小有关，R5越大，回越大，回差就越小。差就越小。 2、互补管施密特触发器、互补管施密特触发器13沐风书苑互互补管的管的锯齿波波电路路 图6为互补管的锯齿波电路，这是为互补管的锯齿波电路，这是自激式互补自激式互补的锯齿波电路的锯齿波电路
17、，其中由，其中由BG1、BG2组成开关组成开关器，以控制定时电容器，以控制定时电容C的充放电，的充放电，BG3为恒为恒流管。流管。当当BG1、BG2均截时，恒流均截时，恒流Ic3对对C充充电（极性如图电（极性如图6所示）输出电压所示）输出电压uo随时间线随时间线性下降，这是扫描电压的正程，当电容电压性下降，这是扫描电压的正程，当电容电压Uc下降到下降到BG2的导通阀电压时，的导通阀电压时，BG2开始导开始导通，通，BG1、BG2经过正反馈连锁反应时到达经过正反馈连锁反应时到达了饱和状态，此时了饱和状态，此时C经过经过BG1、BG2一直停一直停留在饱和状态而不返回到截止状态。留在饱和状态而不返回
18、到截止状态。14沐风书苑 PWM控制的基本思想1）重要理论基础面积等效原理面积等效原理冲量冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效效果基本相同果基本相同。冲量冲量窄脉冲的面积效果基本相同效果基本相同环节的输出响应波形基本相同图6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数f (t)d (t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf (t)f (t)f (t)15沐风书苑 PWM控制的基本思想b)图 冲量相等的各种窄脉冲的响应波形具体的实例说明“面面积等效原理积等效原理”a）u (t)电压窄脉冲，是电路的输入 。 i (t)输出电流，是电路的响应。 16
19、沐风书苑OutSPWM波 PWM控制的基本思想Out如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Out17沐风书苑 PWM控制的基本思想若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Out18沐风书苑 PWM控制的基本思想OwtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：OwtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。19沐风书苑 PWM控制的基本思想等等幅幅PWM波波输
20、入电源是恒定直流 直流斩波电路 PWM逆变电路 PWM整流电路不等幅不等幅PWM波波输入电源是交流或不是恒定的直流 斩控式交流调压电路 矩阵式变频电路OwtUd-UdUot20沐风书苑PWM控制的基本思想2）PWM电流波 电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。PWM波可等效的各种波形直流斩波电路 直流波形SPWM波 正弦波形等效成其他所需波形，如:l 所需波形 l 等效的PWM波21沐风书苑 PWM相关概念占空比占空比：就是输出的PWM中，高电平保持的时间 与 该PWM的时钟周期的时间 之比如，一个PWM的频率是1000Hz，那么它的时钟周期就是1ms，就是1000us，如果高
21、电平出现的时间是200us，那么低电平的时间肯定是800us，那么占空比就是200：1000，也就是说PWM的占空比就是1：5。分辨率分辨率也就是占空比最小能达到多少，如8位的PWM，理论的分辨率就是1：255(单斜率)， 16位的的PWM理论就是1：65535(单斜率)。22沐风书苑v频率就是这样的，如16位的PWM，它的分辨率达到了1：65535，要达到这个分辨率，T/C就必须从0计数到65535才能达到，如果计数从 0计到80之后又从0开始计到80.，那么它的分辨率最小就是1：80了，但是，它也快了，也就是说PWM的输出频率高了。v假设一个PWM从0计数到80，之后又从0计数到80. 这
22、个就是单斜率。v假设一个PWM从0计数到80，之后是从80计数到0. 这个就是双斜率。v可见，双斜率的计数时间多了一倍，所以输出的PWM频率就慢了一半，但是分辨率却是1：(80+80) 1：160，就是提高了一倍。v假设PWM是单斜率，设定最高计数是80，我们再设定一个比较值是10，那么T/C从0计数到10时(这时计数器还是一直往上计数，直到计数到设定值80)，单片机就会根据你的设定，控制某个IO口在这个时候是输出1还是输出0还是端口取反，这样，就是PWM的最基本的原理了。单斜率单斜率 双斜率双斜率23沐风书苑24沐风书苑作业v对SPWM的理解v单稳态电路v无稳态振荡电路 25沐风书苑完谢谢大家26沐风书苑
