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1、第第1212章章 脉冲信号的产生与整形本章主要内容本章主要内容（1）脉冲信号波形的特性参数脉冲信号波形的特性参数（2）单稳态触发器）单稳态触发器（3）多谐振荡器）多谐振荡器（4）施密特触发器）施密特触发器（5)555定时器定时器12.1脉冲信号波形的特性参数脉冲信号波形的特性参数q所所谓脉脉冲冲信信号号，是是指指在在短短时间内内出出现的的阶跃电压或或电流流信信号号。在在各各种种类型型的的脉脉冲冲信信号号中中，最最常常见的的是是矩矩形形脉脉冲冲。理理想想的的矩矩形形脉脉冲冲是是一一种种无无上上升升和和下下降降时间，在在持持续时间内内电压(或或电流流)保持不保持不变的脉冲信号。的脉冲信号。如如图1
2、2.1(a)所示。所示。(a)理想矩形脉冲理想矩形脉冲（b）矩形脉冲特性参数矩形脉冲特性参数图12.1矩形脉冲矩形脉冲脉冲信号波形的主要特性参数：脉冲信号波形的主要特性参数：脉脉冲冲周周期期T周周期期性性重重复复的的脉脉冲冲序序列列中中，两两个个相相邻脉脉冲冲间的的时间间隔隔。周周期期T的的倒倒数数即即单位位时间内内出出现的的脉脉冲冲数数弥弥为重复重复频率率f，即即f=1/T。脉冲幅度脉冲幅度Vm脉冲脉冲电压的最大的最大变化幅度。化幅度。脉脉冲冲宽度度Tw从从脉脉冲冲前前沿沿上上升升到到0.5Vm开开始始，到到脉脉冲冲后后沿沿下下降降到到0.5Vm为止止的的一一段段时间(即即脉脉冲冲幅幅度度5
3、0处的的持持续时间)。上上升升时间tr脉脉冲冲前前沿沿从从0.1Vm上上升升到到0.9Vm所所需需要要的的时间。下下降降时间tf脉脉冲冲后后沿沿从从0.9Vm下下降降到到0.1Vm所所需需要要的的时间。12.2单稳态触触发器器n前前面面介介绍绍的的触触发器器电电路路，它它有有两两种种稳定定状状态，在在外外界界触触发信信号号作作用用下下，可可以以从从一一种种稳定定状状态翻翻转到到另另一一种种稳定定状状态。所以，也称触所以，也称触发器器为双双稳态电路路。n触触发器器之之所所以以具具有有这种种特特点点，是是由由触触发器器电路路的的内内部部结构构决决定定的的。如如果果将将基基本本RS触触发器器的的两两
4、条条交交叉叉耦耦合合支支路路的的其其中中一一条条改改为RC耦耦合合(电阻阻电容容耦耦合合)，则电路路的的工工作作情情况况就就大大不一不一样。这种种电路平路平时总是是处于一种于一种稳定状定状态。n在在外外来来触触发信信号号的的作作用用下下，它它能能翻翻转成成新新的的状状态，但但这种种状状态是不是不稳定的，只能定的，只能维持一定持一定时间，因而称之，因而称之为暂稳态。n暂稳稳态时间结束束，电路路能能自自动回回到到原原来来状状态，从从而而输出出一一个个矩矩形形脉脉冲冲。由由于于这种种电路路只只有有一一种种稳定定状状态，因因而而称称之之为“单稳态触触发器器”，简称称“单稳电路路”或或“单稳”。n单稳电
5、路路的的暂态时间的的长短短，与与外外界界触触发脉脉冲冲无无关关，仅由由电路路本本身身的的耦耦合合元元件件RC决决定定，因因此此称称RC为单稳电路路的的定定时元件。元件。n这种种电路路被被广广泛泛应用用于于数数字字系系统中中，可可用用于于脉脉冲冲信信号号的的宽度度调整及延整及延时等。等。n按按照照定定时元元件件的的连接接方方式式，单稳电路路可可分分为微微分分型型和和积分分型型两大两大类。12.2.1微分型微分型单稳电路路1.电路组成电路组成n微微分分型型单稳电路路如如图12.2所所示示。图中中G1、G2是是CMOS“或或非非”门。电阻阻R和和电容容C组成微分延成微分延时电路。路。图12.2微分型
6、微分型单稳电路路2. 2. 工作原理工作原理n如如图12.2所示，所示，该电路的路的输入触入触发脉冲脉冲为正脉冲。正脉冲。n稳态时(即即正正触触发脉脉冲冲未未到到来来时)，只只要要恰恰当当选择R的的阻阻值，G2一一定定导通通，其其输出出V02为低低电平平。又又由由于于VI1为低低电平平，所所以以G1的的两两个个输入入端端均均为低低电平平，G1截截止止，其其输出出V01为高高电平。平。n当当正正触触发脉脉冲冲到到来来并并使使VI1由由低低电平平上上升升至至VT(即即CMOS“或或非非”门的开启的开启电压)时，将引起下列正反，将引起下列正反馈过程：程：n该正正反反馈过程程使使电路路快快速速翻翻转到
7、到G1导通通（输出出低低电平平）、G2截截止止（输出出高高电平平），进入入暂稳状状态。接接着着VDD通通过R及及G1的的输出出电阻阻对电容容C充充电，VI2按按指指数数规律律上上升升，当当VI2上上升升到到VT时，又又会会产生生下下列列正正反反馈过程程（假假设此此时VI1已回到低已回到低电平）：平）：VI2VO2VO1n这个个正正反反馈过程程使使电路路快快速速返返回回到到G1截截止止、G2导通通的的稳定定状状态。此此后后电容容C通通过G2输入入端端保保护电路路的的二二极极管管及及G1的的输出出电阻放阻放电，VI2基本保持在基本保持在VDD，Vo1逐逐渐上升到上升到VDD。n这种种单稳态电路各点
8、工作波形路各点工作波形如如图12.3所示所示。图12.3微分型微分型单稳电路工作波形路工作波形n由由上上述述单稳电路路的的工工作作过程程，可可以以得得出出输出出脉脉冲冲宽度度（即即暂稳态时间）tw的估算公式如下：的估算公式如下：tw=(R+Ro)ClnVDD/(VDDVT)n若若VT=1/2VDD，则tw=(R+Ro)Cln20.7(R+Ro)Cn其中其中Ro为G1门的的输出出电阻。阻。n例例如如，若若R=1k，Ro=0.2k，C=150pF，则单稳电路路的的输出脉冲出脉冲宽度度tw=0.7（1k+0.2k）150pF=126nS。n输出脉冲的幅度近似等于出脉冲的幅度近似等于VDD。n另另外外
9、，为使使单稳电路路可可靠靠工工作作，应让电容容在在暂稳态之之后后能能够充分恢复到充分恢复到稳态时的的电压。n为此此，触触发脉脉冲冲周周期期应大大于于tw+3。称称为电容容充充、放放电时间常数。在本常数。在本电路中，路中，即即为（R+Ro）C。12.2.2积分型分型单稳电路路1.电路组成电路组成n积分分型型单稳电路路如如图12.4所所示示。G1、G2为CMOS“或或非非”门，R、C构构成成积分分型型延延时电路路，容容易易看看出出，与与微微分分型型单稳电路相比，其中的路相比，其中的R、C刚好互易位置。好互易位置。图12.4积分型分型单稳电路路2.工作原理工作原理n如如图12.4所示，所示，该电路的
10、路的输入触入触发脉冲脉冲为负脉冲。脉冲。n稳态时，VI1为高高电平平，G1和和G2导通通，所所以以Vo1为低低电平平，VI2为低低电平，平，Vo2也也为低低电平。平。n当当负触触发脉脉冲冲到到来来时，VI1由由高高电平平跳跳到到低低电平平，G1截截止止，Vo1由由低低电平平跳跳到到高高电平平。但但由由于于电容容上上的的电压不不能能突突变，所所以以此此刻刻VI2仍仍为低低电平平，故故G2由由导通通变为截截止止，Vo2由由低低电平跳平跳变到高到高电平，平，电路路进入入暂稳态。n此此后后电容容C通通过R和和Ro（G1的的输出出电阻阻）放放电，VI2呈呈指指数数规律律上上升升，当当上上升升到到VT时（
11、假假定定VI1仍仍为低低电平平），G2导通，通，Vo2跳跳变到低到低电平。平。n当当VI1跳跳变到到高高电平平后后，G1导通通，电容容C开开始始充充电，直直至至电路恢复到路恢复到稳定状定状态。其工作波形。其工作波形如如图12.5所示所示。图图12.5积分型单稳电路工作波形积分型单稳电路工作波形 n脉冲脉冲宽度度tw的估算公式的估算公式为：tw=(R+Ro)ClnVDD/(VDDVT)n典型情况下典型情况下VT=1/2VDD，则tw0.7(R+Ro)Cn另另外外，这种种电路路要要求求触触发信信号号VI1的的脉脉冲冲宽度度(低低电平平时间)应大大于于输出出脉脉冲冲Vo2的的宽度度tw，否否则该电路
12、路就就成成了了反反相相器器，失去了失去了单稳电路的基本特性和功能。路的基本特性和功能。12.3多多谐振振荡器器n在数字在数字电路中，路中，经常需要有能常需要有能够自己自己产生脉冲信号的生脉冲信号的电路。路。n多多谐振振荡器器就就是是不不需需要要外外加加触触发信信号号，自自身身就就可可以以产生生脉脉冲冲信信号号的的矩矩形形波波发生生器器。这种种自自身身就就可可以以产生生信信号号的的电路路称称为“自自激激振振荡器器”。又又由由于于矩矩形形波波或或方方波波都都包包含含有有多多次次谐波波，所所以以这种种电路路又又称称“自自激激多多谐振振荡器器”，简称称“多多谐振振荡器器”。n双双稳态电路路和和单稳态电
13、路路有有一一个个共共同同特特点点，就就是是必必须在在外外界界触触发信信号号的的作作用用下下才才能能引引起起电路路工工作作状状态的的翻翻转。多多谐振振荡器器不不需需要要外外加加触触发信信号号，自自身身就就能能够反反复复不不停停地地翻翻转、产生矩形脉冲生矩形脉冲。n单稳电路路的的两两条条交交叉叉耦耦合合支支路路中中的的一一条条为RC耦耦合合，因因而而出出现一一个个暂稳态，一一次次自自动翻翻转。如如果果把把两两条条耦耦合合支支路路都都改改为RC耦耦合合，且且耦耦合合电阻阻选择得得恰恰当当，这时电路路就就没没有有稳态，即，即只有两个只有两个暂稳态。n在在电源源接接通通后后，电路路就就能能不不停停地地在
14、在两两个个暂稳态间来来回回翻翻转，即即电路路产生生振振荡，输出出一一定定脉脉冲冲宽度度和和重重复复周周期期的的矩矩形形脉脉冲信号。冲信号。n多多谐振振荡器器的的类型型及及电路路组成成形形式式较多多，这这里里主主要要介介绍环形多形多谐振振荡器器及及石英晶体多石英晶体多谐振振荡器。器。12.3.1环形多形多谐振振荡器器n环形形多多谐振振荡器器，是是一一种种由由奇奇数数个个门电路路首首尾尾相相联而而构构成成的的闭环电路路多多谐振振荡器器。图12.6所所示示即即为一一个个由由三三块TTL“与非与非”门构成的构成的环形多形多谐振振荡器及各点器及各点电压波形。波形。图12.6环形多形多谐振振荡器器n由由于
15、于每每个个门电路路都都有有一一定定的的传输延延迟时间，所所以以在在电源源接接通通后后，电路路的的输入入输出出关关系系按按“1-0-1-0”的的规律律变化化，即即这种种联结形式的形式的电路一定没有路一定没有稳定状定状态。n例例如如当当VI1突突然然跳跳变到到VI1=1时，那那么么经过G1门延延迟tpd以以后后，VI2=0；然然后后经过G2门延延迟tpd，使使VI3=1；再再经过G3门延延迟tpd,使使Vo=0=VI1。即即VI1经过3tpd之之后后，又又变成成了了低低电平平。可可以以推推断断，再再经过3tpd之之后后，Vo=VI1又又会会变成成高高电平平。如如此此周周而而复复始始，电路路形形成成
16、振振荡，输出出如如图12.6（b）所所示示的的矩矩形脉冲。形脉冲。n由由波波形形图容容易易看看出出，振振荡周周期期T=23tpd=6tpd，振振荡频率率f为：f=1/（23tpd）n式中，式中，3为门电路数，路数，tpd为单个个门电路的路的传输延延迟时间。n这种种振振荡器器的的电路路结构构简单，但但由由于于门电路路的的传输延延迟时间tpd很很短短，所所以以这种种电路路的的振振荡频率率很很高高，而而且且不不可可调，因此因此应用范用范围有限。有限。12.3.2RC环形振形振荡器器n由由TTL“与与非非”门组成成的的RC环形形振振荡器器如如图12.7所所示示。其其中中的的R、C为主主要要的的定定时元
17、元件件，由由它它们决决定定电路路的的振振荡频率率，调节R，可以改可以改变振振荡频率。率。图图12.7RC环形振荡器环形振荡器 n振振荡电路中各点路中各点电压波如波如图12.8所示。所示。图12.8RC环形振形振荡器各点器各点电压波形波形n省省略略具具体体的的推推算算过程程，下下面面直直接接给出出这这种种电电路路的的振振荡周周期期为：T=0.98(R/R1)C+1.26RCn当当R1R时，振，振荡周期的估算公式也可表示周期的估算公式也可表示为：T2.2RCn例例如如，若若R=5k，C=4F，则振振荡周周期期T=2.25k4F=44mS。12.3.3石英晶体多石英晶体多谐振振荡器器为了了得得到到频
18、率率稳定定度度很很高高的的时钟脉脉冲冲，可可以以采采用用的的一一种种有有效效方方法法是是在在多多谐振振荡器器电路路中中接接入入石石英英晶晶体体，组成成石石英英晶晶体多体多谐振振荡器。器。n石石英英晶晶体体的的频率率稳定定性性很很高高，而而且且其其选频特特性性也也非非常常好好。图12.9给出了石英晶体的符号表示及阻抗出了石英晶体的符号表示及阻抗频率特性曲率特性曲线。图12.9石英晶体的符号及阻抗石英晶体的符号及阻抗频率特性率特性n一一个个TTL“与与非非”门石石英英晶晶体体多多谐振振荡器器电路路如如图12.10所所示示。其其中中VI为控控制制端端，VI=1时，电路路振振荡；VI=0时，电路路不不
19、振振荡。图12.10石英晶体多石英晶体多谐振振荡器器n这种种电路路的的振振荡频率率只只决决定定于于石石英英晶晶体体本本身身的的谐振振频率率f0，而与而与电路中的路中的R、C数数值无关。无关。n图12.11是是CMOS石石英英晶晶体体多多谐振振荡器器电路路。它它的的振振荡频率率主要由石英晶体的主要由石英晶体的谐振振频率决定。率决定。电容容C用作用作频率微率微调。图12.11CMOS石英晶体多石英晶体多谐振振荡器器12.4施密特触施密特触发器器n施施密密特特触触发器器能能够把把变化化缓慢慢的的输入入信信号号整整形形成成适适合合数数字字电路路需需要要的的矩矩形形脉脉冲冲。因因此此，施施密密特特触触发
20、器器在在脉脉冲冲的的产生生和整形和整形电路中得到广泛路中得到广泛应用。用。12.4.1电路路组成成n图12.12表表示示了了施施密密特特触触发器器的的电路路组成成及及符符号号表表示示。容容易易看出，它是由两极反相器看出，它是由两极反相器组成的。成的。n在在耦耦合合方方式式上上，它它通通过电阻阻R1和和R2分分压，将将T1管管集集电极极同同T2管管基基极极耦耦合合；同同时再再通通过发射射极极电阻阻Re完完成成T2管管与与T1管管的耦合，所以也有人称此的耦合，所以也有人称此电路路为“射极耦合触射极耦合触发器器”。图12.12施密特触施密特触发器器12.4.2工作原理工作原理下下面面通通过图12.1
21、3所所示示该电路路的的输入入和和输出出波波形形来来说明明它它的的工作原理。工作原理。当当输入信号入信号VI为较低低电平平时（即当（即当tV时，比比较器器输出高出高电平；平；V2VDD/3，VTR*VDD/3时，R=1，S=0，触触发器置器置0，VO=0，DIS接通；接通；（3）当当R*=1，VTH2VDD/3，VTR*2VDD/3，VTRVDD/3时，R=1，S=1，触触发器器的的Q和和Q*均均为0，此此时“或或”门输出仍出仍为0，故，故VO=1，DIS断开。断开。（4）当当R*=1，VTHVDD/3时，R=0，S=0，触触发器状器状态不不变，输出出VO和和MOS管管T的状的状态也不也不变。1
22、2.5.4555定定时器器应用用举例例1.组成单稳态触发器组成单稳态触发器n由由CH7555组成的成的单稳态触触发器器如如图12.19所示所示。n图中中R、C是是外外接接定定时元元件件。输入入触触发信信号号VI加加在在低低触触发端端VTR上，由上，由输出端出端VC给出出输出信号。出信号。n电压控制端控制端VC不用，因此将其接不用，因此将其接0.01f旁路旁路电容。容。图12.19用用CH7555构成构成单稳态触触发器器n稳态时，输入入触触发信信号号VI为高高电平平VDD，基基本本RS触触发器器处在在0状状态，“或或”门输出出高高电平平，MOS管管T导通通，Vo0V，DIS=VTH0V。n当当负
23、触触发脉脉冲冲到到来来时，只只要要输入入脉脉冲冲的的低低电平平小小平平VDD/3，则比比较器器C2输出出高高电平平，基基本本RS触触发器器置置1，Q*=0，“或或”门输出出低低电平平，MOS管管T截截止止，输出出Vo跳跳变为高高电平平，电路路进入入暂稳态。n在在暂稳态期期间电源源VDD通通过电阻阻R对电容容C充充电，随随着着充充电过程程的的进行行，VTH=DIS的的电位位逐逐渐升升高高，当当VTH上上升升到到2VDD/3时，比比较器器C1输出出高高水水平平，基基本本RS触触发器器置置0，Q*=1，“或或”门输出出高高电平平，输出出Vo跳跳变为低低电平平，MOS管管T导通，通，电容容C放放电，电
24、路返回到路返回到稳态。n工工作波形作波形如如图12.20所示所示。图12.20工作波形工作波形n若若忽忽略略MOS管管T的的导通通压降降，则该单稳电路路的的输出出脉脉冲冲宽度可用下式估算：度可用下式估算：TwRCln31.1RCn使使用用这样单稳电路路时，要要求求输入入触触发脉脉冲冲的的宽度度一一定定要要小小于于Tw。当当VI的的宽度大于度大于Tw时，可在，可在输入端加入端加RC微分微分电路。路。2.组成多谐振荡器组成多谐振荡器n由由CH7555组成成的的多多谐振振荡器器电路路如如图12.21所所示示。R1、R2、C为外接定外接定时元件。元件。该电路的工作原理路的工作原理如下：如下：n假假设电
25、源源接接通通后后某某时刻刻电路路所所处的的状状态为：输出出VO=1，则此此时MOS管管T截截止止，电源源VDD通通过R1、R2对电容容C充充电，VTH=VTR*的的电位位逐逐渐升升高高。当当VTH上上升升到到2VDD/3时，比比较器器C1的的输出出跳跳变为高高水水平平，基基本本RS触触发器器置置0，Q=1，“或或”门输出出高高电平平，VO跳跳变到到低低电平平，MOS管管T导通通，电容容C通通过R2放放电，VTH=VTR*电位位逐逐渐下下降降。当当VTR*下下降降到到VDD/3时，比比较器器C2的的输出出跳跳变为高高电平平，基基本本RS触触发器器置置1，Q=0,“或或”门输出出低低电平平，VO跳
26、跳变成成高高电平平，MOS管管T截止，截止，C充充电。n如如此此重重复复上上述述过程程，电路路产生生振振荡，在在其其输出出端端即即可可得得到到周期性的矩形脉冲信号。工作波形周期性的矩形脉冲信号。工作波形图如如图12.22所示。所示。图12.21用用CH7555构成多构成多谐振振荡器器图12.22工作波形工作波形n根根据据上上述述分分析析，可可求求得得电容容C的的充充放放电时间t1、t2和和脉脉冲冲周周期期T，近似近似计算公式如下：算公式如下：t1(R1+R2)Cln20.7(R1+R2)Ct2R2Cln20.7R2CT=t1+t20.7(R1+2R2)C3.组成施密特触发器组成施密特触发器n由
27、由CH7555组成成的的施施密密特特触触发器器中中图12.23所所示示。此此电路路原原理理比比较简单。显然然这个个电路路的的上上限限阈值电压VT=2VDD/3，下下限限阈值电压VT=VDD/3，其其回回差差电压为V=VTVT=VDD/3。如如果果在在电压控控制制端端加加上上电压VC，则可可通通过改改变VC来来调节VT、VT和和V。n另另外外，电路路的的VO2输出出幅幅度度将将随随着着Ec的的不不同同而而改改变，因因而而可以用作可以用作电平平转换。图12.23用用CH7555构成施密特触构成施密特触发器器12.6单次脉冲次脉冲产生生电路路12.6.1异步异步单脉冲脉冲发生器生器n图12.24(a
28、)所所示示为一一个个异异步步单脉脉冲冲发生生器器电路路原原理理图。它它是是将将微微动开开关关的的两两个个定定触触点点分分别接接至至RS触触发器器的的R、S端端，将将微微动开开关关的的动触触点点接接地地。平平常常(即即没没按按动微微动开开关关时)，RS触触发器器处于于1状状态。当当按按下下微微动开开关关时，动触触点点飞离离常常闭触点撞触点撞击到常开触点上；到常开触点上；n当当放放开开微微动开开关关时，动触触点点飞离离常常开开触触点点又又撞撞击到到常常闭触触点点上上。这里里需需要要说明明的的是是，实际微微动开开关关触触点点的的断断开开和和接接通存在着短通存在着短时间“若离若合若离若合”的所的所谓开
29、关抖开关抖动现象。象。n图12.24(b)所所示示的的时间图上上示示意意性性地地表表示示了了由由于于开开关关抖抖动现象象对R、S端端电压波形的影响。波形的影响。n图12.24异步异步单脉冲脉冲发生器生器n事事实上上，该电路路中中的的RS触触发器器起起着着消消除除抖抖动的的作作用用，在在端端最最终得得到到一一个个正正脉脉冲冲，其其上上升升边出出现的的时刻刻及及脉脉冲冲的的宽度度由微由微动开关按下的开关按下的时刻及按下后持刻及按下后持续的的时间所决定。所决定。n如如果果要要求求得得到到宽度度一一定定的的窄窄脉脉冲冲，可可将将信信号号经过延延迟(假假定定延延迟时间为50nS)再再反反相相，然然后后和
30、和相相“与与”，这样输出出Z上上即即可可得得到到一一个个宽度度为延延迟时间的的窄窄脉脉冲冲。有有关关波波形形如如图12.24(b)所示。所示。12.6.2同步同步单脉冲脉冲发生器生器n在在数数字字系系统与与计算算机机中中，有有时要要求求单脉脉冲冲发生生器器发出出的的脉脉冲信号箭与系冲信号箭与系统的的时钟脉冲同步。脉冲同步。n图12.25所所示示就就是是具具有有这种种功功能能的的同同步步单脉脉冲冲发生生器器的的电路路原原理理图及及时间图。它它是是由由一一个个维持持阻阻塞塞电路路以以及及两两个个RS触触发器构成。器构成。n图12.25同步同步单脉冲脉冲发生器生器n平常，触平常，触发器器FF2、FF
31、1处于于01状状态，按下微，按下微动开关可以在开关可以在触触发器器FF1的的Q1端得到一个端得到一个负脉冲，其脉冲，其宽度决定于微度决定于微动开开关被按下的持关被按下的持续时间。nFF1的的置置0将将使使触触发器器FF2置置1；当当FF1恢恢复复1状状态后后，FF2、FF1的的状状态成成为11状状态，这时开开启启维持持阻阻塞塞电路路（a点点呈呈现高高电平），放平），放过此刻之后的下一个此刻之后的下一个时钟脉冲（脉冲（单脉冲）。脉冲）。这个个脉脉冲冲又又返返回回来来将将FF2置置0，触触发器器FF2、FF1的的状状态又又回回到到了了01状状态，关，关闭维持阻塞持阻塞电路（路（a点呈点呈现低低电平）。平）。n如如果果FF1回回到到1状状态的的时间正正好好在在某某个个时钟脉脉冲冲期期间内内，由由于于维持持阻阻塞塞电路路的的功功能能，这个个时钟脉脉冲冲将将被被阻阻塞塞，放放过的的是下一个完整的是下一个完整的时钟脉冲。脉冲。第第12章章作业作业P32912.112.212.412.5
