1、關(guān)于醫(yī)學(xué)電子儀器與基礎(chǔ)電子電路第一張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月1.6 直流穩(wěn)壓電路 許多電子儀器和設(shè)備都需要穩(wěn)定的直流電源供電。除少數(shù)使用化學(xué)電源外，絕大多數(shù)是由交流電網(wǎng)供電，這就需要將交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電。直流穩(wěn)壓電源就是完成這種轉(zhuǎn)換的裝置，它一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等四部分組成（如圖1.41）。圖中各部分的作用如下： 第二張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月(1)電源變壓器：將交流電源電壓變換為符合整流需要的交流電壓；(2)整流電路：將交流電壓變換為單向脈動直流電壓；(3)濾波電路：濾掉整流電壓中的交流成分，輸出平滑的直流電壓；(4)穩(wěn)壓電路：在交

2、流電源電壓波動或負(fù)載變動時，保證輸出穩(wěn)定的電壓。第三張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月整流電路 整流濾波是利用二極管的單向?qū)щ娦裕呀涣麟娹D(zhuǎn)換成脈動直流電的過程。常見的整流電路有半波、全波和橋式整流等幾種形式。 第四張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月1.半波整流電路 上圖是半波整流電路及其波形，它把二極管D和負(fù)載RL串聯(lián)起來接到變壓器B的次級線圈AB兩端。在交流電的正半周時，A點電勢比B點電勢高，二極管D受正向電壓作用而導(dǎo)通，RL上有電流通過；在交流電壓的負(fù)半周，A點電勢低于B點電勢，二極管受反向電壓的作用而截止，電路中沒有電流。這種電路只利用電源電壓的半個周期，因而取名為半波整流

3、。 第五張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 半波整流電路簡單，但輸出直流電壓的平均值不到電源電壓有效值的一半，整流效率低，而且不平穩(wěn)，交流成分比較大，因而并不適用于醫(yī)學(xué)檢測儀器中。 第六張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月2.全波整流電路 右圖是全波整流電路。它實際上是由兩個半波整流電路組成，這樣就可以完全利用交流電的每一個半周，故稱為全波整流。變壓器B的次級線圈具有中心抽頭“O”，A、B兩點電壓大小相等，位相差為180。其整流原理是在電源電壓的正、負(fù)半周時，二極管Dl、D2輪流導(dǎo)通，負(fù)載RL上總有同一方向的電流通過。 第七張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 這種電路的輸出電壓

4、比較高，電流比較大，而脈動程度卻減少了。它的缺點是變壓器次級線圈的匝數(shù)要增加一倍，兩個次級線圈中，只有半個周期有電流通過，對變壓器的利用率不高，而且二極管承受的反向電壓仍較大。 第八張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月3.橋式整流電路 第九張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 上圖是橋式整流電路，由四個晶體二極管連接成電橋形式，故稱為橋式整流。變壓器次級輸出電壓為U2，當(dāng)它為正半周時，A點電勢比B點電勢高，二極管D1、D3導(dǎo)通，D2、D4反向截止，導(dǎo)電回路為A、D1、RL、D3、B；U2為負(fù)半周時，B點電勢比A點電勢高，二極管D2、D4正向?qū)ǎ珼1、D3反向截止，導(dǎo)電回路為B、D2、

5、RL、D4、A。在一個周期內(nèi)D1、D3和D2、D4輪流導(dǎo)通和截止，而流經(jīng)負(fù)載的電流方向不變。 橋式整流的優(yōu)點是整流效率高，輸出脈動程度小，二極管承受反向電壓只有全波整流的一半，故得到廣泛的應(yīng)用。它的缺點是二極管的數(shù)量比全波整流多兩個，電路比較復(fù)雜。 第十張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 濾波電路 整流電路可以把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)閱畏较虻拿}動電壓和電流，但不論何種整流電路，都存在輸出電壓的脈動程度較大，不能滿足電子儀器的供電要求，因此常在整流電路的后面加一級濾波電路，其作用是將脈動電流中的交流成分濾掉，獲得平滑的直流輸出。常用濾波電路有電容濾波、電感電容濾波及有源濾波等。 第十一張，PPT共八

6、十頁，創(chuàng)作于2022年6月1.電容濾波 上圖是帶有電容濾波的半波整流電路，電容C與負(fù)載并聯(lián)。第十二張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 當(dāng)U2為正半周時，二極管D導(dǎo)通，電流向負(fù)載供電，同時對電容C充電。在充電期間，電容C上的電壓Uc逐漸增大，直到接近于交流電壓U2的最大值，此后U2下降，由于此時UcU2，二極管截止，電容C向RL放電，直到二極管又導(dǎo)通時，電容器又充電，這樣由于電容器的充放電作用，使在一個周期內(nèi)總有電流供給負(fù)載RL。圖(b)是這種電路的輸出波形圖。從圖中可以看到，加上電容C以后，輸出電壓的脈動程度要平滑得多，這就是電容的濾波作用。第十三張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月

7、 電容器放電的快慢取決于RL與C的乘積，即時間常數(shù)=RLC，愈大，放電時間長，輸出電壓就較平滑。如果是采用橋式或全波整流的電容濾波電路，其濾波原理與半波整流電容濾波相同，輸出波形見上圖。它的特點是在交流電的正、負(fù)半周，整流電流對電容C充電兩次，這樣電容器向負(fù)載RL放電時間縮短了，因此輸出電流就更平穩(wěn)。 第十四張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 還應(yīng)指出，當(dāng)整流電路加入電容濾波后，二極管導(dǎo)通時間很短，而導(dǎo)通電流方面要對電容充電以補(bǔ)充電容放電時所損耗的電荷，同時又要向負(fù)載RL供電，所以通過二極管的電流脈沖很大(見圖中輸出波形加豎線的部分)，這點在選擇二極管的最大整流電流時應(yīng)加以考慮。 電容濾

8、波的優(yōu)點是電路簡單，輸出電壓的脈動程度大大減小。但當(dāng)負(fù)載較大時，放電加快，輸出電壓的脈動程度仍然較大。如果增加電容量，則充電電流太大，容易損壞二極管，故這種電路一般只適用于要求輸出電壓較高，負(fù)載電流小并且變化也較小的場合。第十五張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月2.電感電容濾波 為進(jìn)一步減小輸出電壓和電流的脈動程度，在濾波電容前加入一個電感元件L，組成電感電容濾波電路。它利用電感L對交流電的阻抗很大，而對直流電阻抗幾乎等于零的特點，使整流電流中的交流成分在很大的感抗和很小的容抗上分壓，主要降落在L上，而直流成分則很容易通過電感，進(jìn)一步降低交流成分的含量，得到較好的濾波效果，在負(fù)載上可得到

9、平穩(wěn)的直流輸出。第十六張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 這種濾波電路的優(yōu)點是當(dāng)負(fù)載電流變化較大時，仍可得到較平穩(wěn)的直流輸出，且沒有電流脈沖，對整流元件的最大電流比電容濾波電路的要求低。具有LC濾波的整流電路適用于電流較大、要求輸出電壓脈動很小的場合。第十七張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 在負(fù)載電流不大的地方，LC濾波電路中的電感往往用電阻代替，成為RC濾波電路。RC電路的濾波效果不及LC電路，但電阻體積小、價格低是其主要優(yōu)點。在醫(yī)療電子儀器中為了避免各部分電路通過電源而發(fā)生相互影響，尤其是避免微弱生物電的前級放大器受到放大后的強(qiáng)信號的影響，即使在電源電壓相當(dāng)平穩(wěn)的情況下，儀器

10、敏感部分的電源也常常就近增加一級RC濾波電路，以消除儀器其他電路通過電源對它的影響。這樣使用的濾波電路通常稱為退耦電路，因為它的作用是消除各部分電路之間的耦合。 第十八張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月穩(wěn)壓電路 整流濾波電路都不能保證輸出穩(wěn)定的直流電壓，其原因主要有兩個方面：一是交流電網(wǎng)的電壓不穩(wěn)定，引起輸出電壓發(fā)生變化；二是整流濾波電路存在內(nèi)阻，當(dāng)負(fù)載變化引起電流變化時，內(nèi)阻上產(chǎn)生的壓降會隨之變化，使輸出的直流電壓不穩(wěn)定。因此，為了得到穩(wěn)定的輸出直流電壓，必須在整流濾波電路之后加穩(wěn)壓電路，以保證當(dāng)電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載電流變化時，輸出的電壓能維持相對穩(wěn)定。下面主要介紹由硅穩(wěn)壓二極管、晶體三

11、極管構(gòu)成的穩(wěn)壓電路及目前常用的集成穩(wěn)壓器。 第十九張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月1.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 左圖是一種穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，由限流電阻R和硅穩(wěn)壓二極管Dz組成，RL是負(fù)載電阻，與穩(wěn)壓管并聯(lián)。 當(dāng)交流電網(wǎng)電壓升高而引起穩(wěn)壓電路的輸入電壓Ui升高時，將引起硅穩(wěn)壓管Dz的端電壓Uz，即輸出電壓Uo升高。由穩(wěn)壓二極管的伏安特性可知，Uz稍一升高，則通過穩(wěn)壓管的電流Iz顯著增大，限流電阻R上的電壓UR=(Iz+Io)R增加，而Uo=Ui-UR，UR的增加補(bǔ)償了輸入電壓Ui的變化，從而使輸出電壓Uo基本保持不變。反之，當(dāng)Ui下降時，穩(wěn)壓過程與上述相反，電路也能基本維持輸出電壓不變。第二十張，P

12、PT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 若輸入電壓Ui不變，當(dāng)負(fù)載電阻減小時，電流Io增大，R上的壓降升高，使得Uo下降。但Uo稍有下降，Iz將顯著減小，Iz減小的部分幾乎和Io增大的部分相等，結(jié)果限流電阻R上流過的總電流和電壓降不變，從而使輸出電壓Uo基本恒定。反之亦然。 第二十一張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 由此可見，在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，穩(wěn)壓管的電流調(diào)節(jié)作用和限流電阻的電壓調(diào)節(jié)作用是穩(wěn)壓的關(guān)鍵，即利用穩(wěn)壓管端電壓的微小變化引起較大電流的變化，再通過R的電壓調(diào)節(jié)作用，保證輸出電壓的恒定。由于穩(wěn)壓管與負(fù)載RL相并聯(lián)，故該電路又稱為并聯(lián)型穩(wěn)壓電路。這種電路結(jié)構(gòu)簡單，但輸出電壓不可調(diào)，穩(wěn)定

13、精度不高，所以只用在穩(wěn)壓要求不高和負(fù)載電流小的電路中。 第二十二張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月2.晶體管串聯(lián)穩(wěn)壓電路 由于穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓效果不夠理想，且只能用于負(fù)載電流較小的場合，因此下面介紹串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路，其電路原理是集成穩(wěn)壓電源內(nèi)部電路的基礎(chǔ)。第二十三張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 左圖是一種簡單串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。圖(a)是一個可變電阻R和負(fù)載電阻RL的串聯(lián)電路。 當(dāng)輸入電壓Ui或輸出電流Io發(fā)生變化而引起輸出電壓Uo變化時，如果可變電阻R的阻值也相應(yīng)地自動改變，保持輸出電壓穩(wěn)定，這樣就構(gòu)成了串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。由于晶體管的基極電流對集電極電流具有控制作用，使得其

14、集電極與發(fā)射極之間具有一個可變電阻的性質(zhì)，因此用它作調(diào)整電阻，可以實現(xiàn)穩(wěn)壓目的。 第二十四張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 左圖是一個簡單的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，用三極管代替可變電阻R作為調(diào)整元件，故叫做調(diào)整管。電阻R和穩(wěn)壓管Dz組成簡單的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，接到調(diào)整管的基極，使基極電壓Ub=Uz保持恒定，此電壓稱為基準(zhǔn)電壓。其電壓穩(wěn)定過程如下：當(dāng)電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載電流變化引起輸出電壓Uo升高時，由于調(diào)整管基極電位Ub是恒定的，將引起調(diào)整管基-射極之間的電壓Ube下降。由三極管特性曲線可知，其基極電流Ib減小，集-射極電壓Uce上升，而Uo=Ui-Uce，使輸出電壓降到原值。第二十五張，PPT共

15、八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 由于三極管的發(fā)射極電流比穩(wěn)壓管的工作電流大得多，所以這種穩(wěn)壓電路可提供較大的負(fù)載電流。該電路的輸出電壓Uo=Uz-Ube，Uo的值取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓Uz。如果要改變輸出電壓，可更換穩(wěn)壓管。另外，用輸出電壓直接去控制調(diào)整管的基極電流，控制作用不明顯，穩(wěn)壓效果較差。為提高穩(wěn)定度，一般在實際電路中常采用帶有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)穩(wěn)壓電路。 第二十六張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 上圖是帶放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路的原理圖。它將輸出電壓的變化量Uo通過直流放大器放大后，再去控制調(diào)整管，使微小的輸出電壓變化量產(chǎn)生很強(qiáng)的調(diào)整作用，從而大大提高了輸出電壓的穩(wěn)定性。該穩(wěn)

16、壓電路包括以下四部分：取樣電路、基準(zhǔn)電壓電路、比較放大器、調(diào)整管。 (a) 電路調(diào)整管比較放大器基準(zhǔn)電壓取樣電路UiUo第二十七張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 穩(wěn)壓過程如下：當(dāng)輸出電壓Uo升高時，取樣電壓Uf隨之增大，T2的基-射極電壓Ube2增大，其基極電流Ib2增大，集電極電流Ic2增大，集-射極電壓Uce2減小。因此，T1的Ube1=Ub1-Uo=Uz+Uce2-Uo減小，Uce1增大，輸出電壓Uo下降，使之保持穩(wěn)定。可見，帶放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路是利用晶體三極管作為調(diào)整元件，從輸出電壓中取出一部分電壓經(jīng)放大后去調(diào)節(jié)調(diào)整管所呈現(xiàn)的電阻，維持輸出電壓不變。這種穩(wěn)壓電路的穩(wěn)

17、定度比簡單串聯(lián)型穩(wěn)壓電路提高了很多。但它的輸出電流不夠大，同時還存在較大的溫度漂移。因此要得到更理想的穩(wěn)定效果，還應(yīng)對上述電路采取一些改進(jìn)措施。另外，在穩(wěn)壓電源中，為了避免負(fù)載電流過大或輸出短路時被燒毀，經(jīng)常采用限流和減流作用的保護(hù)措施。第二十八張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 集成穩(wěn)壓器 將串聯(lián)型穩(wěn)壓電路中的各元件集成在一塊芯片上就形成了集成穩(wěn)壓器。采用集成穩(wěn)壓器制作的直流穩(wěn)壓電源稱為集成穩(wěn)壓電源。集成穩(wěn)壓器具有體積小、可靠性高、使用靈活、價格低廉等優(yōu)點。為適應(yīng)不同的應(yīng)用場合，集成穩(wěn)壓器有各種類型、各種型號的片子。下面主要介紹三端固定和三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器。 第二十九張，PPT共八

18、十頁，創(chuàng)作于2022年6月(1)三瑞固定集成穩(wěn)壓器 這種穩(wěn)壓器一般只有輸入、輸出、公共接地三個端子，輸出電壓固定，所以稱為三端固定集成穩(wěn)壓器。其中W7800和W7900兩種系列是最常用的，每一種系列在524V范圍內(nèi)有7種不同的檔次，負(fù)載電流可達(dá)1.5A。W7800系列輸出正電壓，W7900系列輸出負(fù)電壓。系列的后兩位數(shù)字表示穩(wěn)壓器的輸出電壓值，如W7805表示該集成穩(wěn)壓器的輸出電壓為+5V，而W7912表示輸出電壓為-12V。 第三十張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 右圖是正、負(fù)電壓同時輸出的典型電路。圖中變壓器分別輸出兩路24V交流電壓，一路經(jīng)Q1橋式整流得到正電壓，經(jīng)電容C和Ci濾

19、波后送W7815穩(wěn)壓，輸出+l5V，二極管D起保護(hù)W7815的作用；另一路經(jīng)Q2整流得負(fù)電壓，再經(jīng)濾波和W7915穩(wěn)壓后，輸出-l5V。輸出電容Co用于改善瞬態(tài)響應(yīng)特性，減小高頻輸出阻抗。 D第三十一張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月(2)三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器 可調(diào)式集成穩(wěn)壓器有多種類型，這里僅以W317、W337為例介紹三端可調(diào)穩(wěn)壓器的工作原理。與固定式7800和7900系列穩(wěn)壓器相比，W317、W337穩(wěn)壓器沒有公共接地端，只有輸入、輸出、調(diào)整三個端子，且內(nèi)部設(shè)有多種保護(hù)電路，工作十分安全。W317輸出正電壓，而W337輸出負(fù)電壓，輸入與輸出的最大電壓差為40V，輸出電壓可在1.235

20、V(-1.2-35V)之間連續(xù)可調(diào)，輸出電流最大為1.5A。 第三十二張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 上圖是一個三端可調(diào)集成穩(wěn)壓電路，它是通過外接兩個電阻R1、R2來獲得所需的電壓，其性能優(yōu)于三端固定集成穩(wěn)壓器。設(shè)輸出端2與調(diào)節(jié)端3之間的最小穩(wěn)壓為Us(1.2V)，可以證明，該穩(wěn)壓電路的輸出電壓Uo近似為：Uo=(1+R2/R1)Us，式中表明調(diào)節(jié)R2即可獲得所需要的穩(wěn)定輸出電壓Uo。 第三十三張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月直流電壓變換器 將直流低壓變成各種不同的直流高壓的電路叫直流電壓變換器。通常50Hz、220V的市電通過電子設(shè)備內(nèi)部的變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)，就能

21、變成機(jī)器本身所需要的各檔直流電壓。但在一些醫(yī)學(xué)儀器中，如某些型號的心電圖機(jī)、X線影像增強(qiáng)器、CT等，既需要低壓直流電源，又需要高壓直流電源供電，若在變壓環(huán)節(jié)中直接由電源變壓器的次級輸出高電壓，再進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)，理論上也可以實現(xiàn)，但是實際線路有許多缺點，如變壓器體積、重量過大，對絕緣材料的質(zhì)量要求高，同時要求整流、濾波和穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)的電路元件耐壓也要高等。因此，在負(fù)載不是很重的情況下，高壓電源都可采用直流電壓變換器。 第三十四張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 使用直流電壓變換器可以解決以下幾方面的問題。首先，它能夠避免公共地線。在臨床和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究中，儀器和生物體有公共地線時，

22、極易受到50Hz市電的干擾，使儀器不能正常工作；其次，還能避免儀器漏電對病人的危害，采用浮地接法，使前級放大器的零電位點與主放大器的零電位點相隔離；第三，還用于沒有或不宜使用交流市電的場合。 第三十五張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 除此之外，直流電壓變換器還有以下優(yōu)點：由于高頻方波電壓發(fā)生器產(chǎn)生頻率一般為幾十千赫，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于市電50Hz頻率，輸出變壓器的體積、濾波電容器的容量和體積、濾波線圈的電感量和體積都可大大減小；當(dāng)電源過載時，方波發(fā)生器會自動停振，具有電源的自動保護(hù)作用。其缺點是內(nèi)阻較大，輸出的高壓穩(wěn)定性較差。第三十六張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月【小結(jié)】 直流穩(wěn)壓電源

23、的作用是將交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓。直流穩(wěn)壓電源要用整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)來實現(xiàn)。 1.整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒔涣麟娹D(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電。第三十七張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月【小結(jié)】 2.電容濾波適用于較高電壓、較小電流，且電流變化不大的場合。電感濾波適用于低電壓、大電流。電容濾波對整流二極管有大的沖擊電流，而電感濾波沖擊電流很小。 3.穩(wěn)壓管組成最簡單的穩(wěn)壓電路，在輸出電流不大，輸出電壓固定，穩(wěn)定性要求不高的場合應(yīng)用較多。串聯(lián)型穩(wěn)壓電源輸出電壓穩(wěn)定度較高，且輸出電壓可調(diào)。集成穩(wěn)壓器由于體積小、重量輕、使用方便，目前得到了廣泛應(yīng)用。 第三十八張，PPT共八十頁，創(chuàng)

24、作于2022年6月1.7 數(shù)字邏輯電路 前面討論的都是模擬電路，其中被傳遞、加工、處理的信號在時間和數(shù)值上均是連續(xù)變化的模擬信號。本節(jié)開始將討論數(shù)字電路，其中被傳遞、加工、處理的信號在時間和數(shù)值上均是離散變化的數(shù)字信號。與模擬電路相比，數(shù)字電路具有以下特點：第三十九張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 1.在數(shù)字電路中，一般均采用二進(jìn)制。其基本工作信號是用“l(fā)”和“0”表示的數(shù)字信號，反映在電路上就是高電平和低電平。數(shù)字電路中的各種半導(dǎo)體器件一般都是工作在開關(guān)狀態(tài)，晶體管時而從截止躍變到飽和，時而從飽和躍變到截止，不是工作在飽和狀態(tài)，就是工作在截止?fàn)顟B(tài)，只是在飽和截止兩種工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換瞬間經(jīng)

25、過放大狀態(tài)。電路對各元件參數(shù)的精度要求不高，只要能正確區(qū)分兩種截然不同的工作狀態(tài)即可。這一特點，有利于數(shù)字電路的集成化。 第四十張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 2.抗干擾能力強(qiáng)、精度高。數(shù)字電路采用的是脈沖信號，處理的是二值信息0和1，只要外部干擾信號在電路的噪聲容限范圍內(nèi)，電路能識別高低電平，就能正常工作，因而抗干擾能力強(qiáng)。數(shù)字電路還可用增加二進(jìn)制的位數(shù)來提高電路的運算精度。 3.數(shù)字電路通用性強(qiáng)、保密性好。可以采用標(biāo)準(zhǔn)的邏輯部件和可編程邏輯器件來設(shè)計各種各樣的數(shù)字電路和系統(tǒng)；并且，可以通過對軟件、硬件加密，長期保存一些寶貴的信息資源。 第四十一張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年

26、6月 近年來，數(shù)字電路的發(fā)展非常迅速，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路不斷問世，數(shù)字電路的可靠性和智能化水平不斷提高，并廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、通信。航天、工業(yè)控制等各個領(lǐng)域，數(shù)字電路與電子計算機(jī)技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在醫(yī)療儀器和設(shè)備中。下面主要闡述邏輯控制、脈沖計數(shù)和數(shù)字顯示的基本原理，并介紹常用的計數(shù)器和A/D、D/A轉(zhuǎn)換器。 第四十二張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月基本邏輯電路 所謂邏輯是指“條件”與“結(jié)果”的關(guān)系。邏輯電路是用電路的輸入信號反映“條件”，用電路的輸出信號反映“結(jié)果”。電路的輸出與輸入之間構(gòu)成一定的邏輯關(guān)系。在數(shù)字電路中，門電路是最基本的邏輯元件。所謂“門”是指一種開關(guān)，滿足一定

27、的條件它就允許信號通過，條件不滿足，信號就通不過。因為門電路的輸入信號與輸出信號之間存在著一定的邏輯關(guān)系，所以門電路又稱為邏輯門電路。基本邏輯關(guān)系有與邏輯、或邏輯、非邏輯，實現(xiàn)這些邏輯關(guān)系的電路分別稱為與門、或門、非門。由這三種基本門電路還可以組成其他多種復(fù)合門電路。 第四十三張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 邏輯變量是指具有“真”、“假”兩個值的量，在邏輯運算中用0和1兩個數(shù)碼代表邏輯值，0代表“假”，1代表“真”。在電子線路中，如果一個電壓變量只取高、低兩個電平，且在這兩個電平之間的轉(zhuǎn)換都是快速的，那么它們就可以作為邏輯變量。在正邏輯中，把低電平作為邏輯值0，把高電平作為邏輯值1。

28、而負(fù)邏輯則相反。以下的內(nèi)容只使用正邏輯。第四十四張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月1.與門電路 上圖為簡單的具有兩個輸入端的與門電路，其左圖為常用邏輯符號及邏輯表達(dá)式。其中A、B分別為兩個輸入端，F(xiàn)為輸出端，其真值表見右圖。 第四十五張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月2.或門電路 上圖具有兩個輸入端的或門電路，左圖為常用邏輯符號及邏輯表達(dá)式。其中A、B端分別為兩個輸入端，F(xiàn)為輸出端，其真值見右圖。 第四十六張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月3.非門電路 非門電路只有一個輸入端，輸出端與輸入端的狀態(tài)總是相反。當(dāng)輸入端A是高電平時，輸出端F是低電平；當(dāng)輸入端是低電平時，輸出端則是

29、高電平(參見圖1.55)。簡單的非門電路實際就是一個反相器。 AF1第四十七張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 為了擴(kuò)展邏輯功能，由上述三種基本邏輯門電路還可以組成多種復(fù)合門電路。如與門和非門串聯(lián)可組成與非門，或門和非門串聯(lián)可組成或非門等。實際應(yīng)用的邏輯系統(tǒng)往往具有較復(fù)雜的邏輯關(guān)系。它需要用一些基本門電路和復(fù)合門電路組合起來，以實現(xiàn)一定的邏輯功能。這種由若干個門電路組成的電路稱為組合邏輯電路。常用的組合邏輯電路有編碼器、譯碼器等，它們在數(shù)字電路中有著廣泛的應(yīng)用。 第四十八張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 上圖是數(shù)字頻率計控制電路，其中的與門是用來控制脈沖信號能否進(jìn)入計數(shù)器的開關(guān)。

30、它有兩個輸入端；被測信號（頻率為fx）經(jīng)脈沖形成電路變成計數(shù)脈沖（重復(fù)頻率fx）加到A端；控制與門開和關(guān)的信號（門控制信號）加到B端。當(dāng)門控信號為低電平0時，與門被封鎖，輸出F為低電平，A端的計數(shù)脈沖不能通過與門；當(dāng)門控信號為高電平1時，與門被打開，A端的計數(shù)脈沖通過與門送入計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)。如果B端開門時間是1s，則計數(shù)器所累計的脈沖數(shù)正好是與門打開的這1s內(nèi)通過的計數(shù)脈沖數(shù)目，即被測信號的頻率。 第四十九張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 前面討論的各種門電路有一個共同的特點，就是在某一時刻的輸出狀態(tài)只取決于當(dāng)時的輸入狀態(tài)。在數(shù)字電路中，還有另一類邏輯電路，其輸出狀態(tài)不僅與

31、當(dāng)時的輸入有關(guān)，而且還取決于電路原來的狀態(tài)，這種邏輯電路稱為時序邏輯電路。由門電路構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是時序邏輯電路的基礎(chǔ)。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，并能根據(jù)不同的輸入信號被置成規(guī)定的狀態(tài)。當(dāng)輸入信號撤掉后，它能保持原狀態(tài)不變，因此具有記憶作用。第五十張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月1.基本RS觸發(fā)器 由兩個與非門交叉連接就可構(gòu)成最簡單的RS觸發(fā)器，即基本RS觸發(fā)器。 當(dāng)S和R端都為1時，對輸出狀態(tài)無影響，觸發(fā)器保持原來狀態(tài)；當(dāng)S端的觸發(fā)信號出現(xiàn)一個負(fù)脈沖時，觸發(fā)器為1狀態(tài)（Q=1），此過程稱為置位，S端也稱為置位端；當(dāng)R端的觸發(fā)信號出現(xiàn)一個負(fù)脈沖時，觸發(fā)器為0狀態(tài)（Q=0），此過程

32、稱為復(fù)位，R端也稱為復(fù)位端。第五十一張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 可見，只有當(dāng)輸入端S或R為0時，才能對觸發(fā)器起控制作用，為1時則不起作用。因此，人們習(xí)慣將S和R上端劃上邏輯非符號“一”，表示該端靠低電平觸發(fā)。當(dāng)S和R端同時為0時，則兩個輸出端同時為1，不再互補(bǔ)。而當(dāng)兩個輸入端的低電平同時消失后(不同時消失的情況除外)，觸發(fā)器恢復(fù)到0狀態(tài)還是l狀態(tài)則完全由一些偶然因素決定，無法預(yù)測。因此，這種觸發(fā)器不允許S和R端同時輸入負(fù)脈沖，除非它們不同時回到1。 第五十二張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 基本RS觸發(fā)器的工作波形見左圖。S和R的最后一個負(fù)脈沖同時到來，但S的負(fù)脈沖較遲結(jié)

33、束，因此觸發(fā)器后面的狀態(tài)由它決定。這種基本RS觸發(fā)器在醫(yī)學(xué)上常常被應(yīng)用到一些過程控制的電路中，如可以通過一個脈沖來控制吸氧或輸液控制裝置的閥門啟閉并保持到下一個脈沖到來。第五十三張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月2.時鐘控制的RS觸發(fā)器 在數(shù)字電路系統(tǒng)中，經(jīng)常要求各個觸發(fā)器的狀態(tài)隨時間按同一節(jié)奏改變，以使整個系統(tǒng)能步調(diào)一致地協(xié)調(diào)工作，即實現(xiàn)同步操作。這就需要各觸發(fā)器受同一控制信號的作用，此控制信號可由一個發(fā)出固定頻率脈沖的振蕩器產(chǎn)生，它能像時鐘一樣準(zhǔn)確地控制觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)時刻，被稱為時鐘脈沖，記作CP。第五十四張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 右圖是能夠?qū)崿F(xiàn)這種同步操作的RS觸發(fā)器

34、及邏輯符號，它比基本RS觸發(fā)器增加了兩個由時鐘脈沖控制的與非門，該觸發(fā)器稱為時鐘控制的RS觸發(fā)器。第五十五張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 當(dāng)CP=0時，使基本RS觸發(fā)器(R)=(S)=1，觸發(fā)器保持原來的狀態(tài)不變，與輸入信號R、S無關(guān)，觸發(fā)器被CP封鎖；當(dāng)CP=l時，輸入信號與基本RS觸發(fā)器同樣分析，即當(dāng)R=S=0時，觸發(fā)器保持原來的狀態(tài)；當(dāng)R=0，S=1時，觸發(fā)器置位(1狀態(tài))；當(dāng)R=1，S=0時，觸發(fā)器復(fù)位；當(dāng)R=S=1時，這種狀態(tài)不允許出現(xiàn)。第五十六張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 右圖為時鐘控制的RS觸發(fā)器輸入和輸出端的脈沖波形圖。從圖中可以看出，輸出脈沖的變化都是在

35、時鐘脈沖CP出現(xiàn)時才能發(fā)生，即CP脈沖觸發(fā)。而時鐘脈沖結(jié)束后，輸出脈沖將保持這一狀態(tài)，一直到在后面的時鐘脈沖期間，由輸入脈沖R、S變化使之翻轉(zhuǎn)。 第五十七張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月脈沖計數(shù)和顯示 在醫(yī)學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域，常常需要利用自動計算脈沖個數(shù)的裝置。如在核醫(yī)學(xué)中自動計算射線的脈沖數(shù)；臨床檢驗中自動計算紅細(xì)胞數(shù)；當(dāng)在醫(yī)學(xué)儀器中需要計算時間時，常計算一個固定頻率的振蕩器發(fā)出的脈沖個數(shù)。這種裝置就是計數(shù)器。本節(jié)介紹由觸發(fā)器和門電路組成的二進(jìn)制計數(shù)器及數(shù)字的顯示裝置。 第五十八張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月1.脈沖計數(shù)器 計數(shù)器是一種能夠計算脈沖個數(shù)的邏輯電路，是數(shù)字電路中

36、最常用的邏輯部件之一。計數(shù)器的種類很多，如按其計數(shù)制來分：有二進(jìn)制計數(shù)器和十進(jìn)制計數(shù)器等；按其計數(shù)的增減趨勢分：有加法計數(shù)器、減法計數(shù)器和可逆計數(shù)器；按計數(shù)脈沖引入的方式來分：有異步計數(shù)器和同步計數(shù)器兩種。計數(shù)器的應(yīng)用很廣，可以說在每一種數(shù)字設(shè)備中，幾乎都有計數(shù)器。計數(shù)器同時也可以作分頻器，其功能是每輸入n個脈沖就發(fā)出一個脈沖(n為任何自然數(shù))。頻率極低的振蕩器不易制作，而且也不易整形成方波，使用分頻器便可解決這一問題。如在心臟起搏器和其他一些醫(yī)學(xué)儀器中，都會使用分頻器從較高頻率的振蕩器中獲得低頻方波。 第五十九張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 上圖是一種異步二進(jìn)制加法計數(shù)器，根據(jù)二進(jìn)

37、制的加法法則，在組成二進(jìn)制加法計數(shù)器時，構(gòu)成計數(shù)器的各觸發(fā)器應(yīng)滿足：每輸入一個脈沖，觸發(fā)器應(yīng)翻轉(zhuǎn)一次；當(dāng)?shù)臀挥|發(fā)器由1狀態(tài)變?yōu)?狀態(tài)時，應(yīng)輸出一個進(jìn)位信號加到高位觸發(fā)器的計數(shù)輸入端。 第六十張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月上圖是該計數(shù)器的工作波形圖 第六十一張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月上表是二進(jìn)制加法計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。 表1.2 二進(jìn)制加法計數(shù)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表第六十二張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 從表中可以看出，計數(shù)器四個輸出端的組合Q3Q2Q1Q0恰好是表示15以內(nèi)十進(jìn)制輸入脈沖數(shù)的四位二進(jìn)制數(shù)。若要計算更多的脈沖數(shù)則需要計數(shù)器包含有更多的計數(shù)型觸發(fā)器；如要計算

38、063范圍內(nèi)的脈沖數(shù)則需要6個計數(shù)型觸發(fā)器(設(shè)這種觸發(fā)器個數(shù)為N，則能記錄的脈沖數(shù)為2N)。第六十三張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 異步二進(jìn)制計數(shù)器的特點是：計數(shù)脈沖只輸入最低位觸發(fā)器，而其它各位觸發(fā)器則由相鄰的低位觸發(fā)器輸出脈沖的下降沿來觸發(fā)，因此各觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)時刻不同，稱異步觸發(fā)。異步計數(shù)器的計數(shù)速度受到限制，若要提高速度，可采用同步計數(shù)器。 第六十四張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月2.數(shù)碼顯示 脈沖計數(shù)裝置須配有顯示設(shè)備才便于觀察。為能方便地讀取數(shù)字結(jié)果，需要把數(shù)字電路中的二進(jìn)制數(shù)以十進(jìn)制數(shù)碼的形式直觀地顯示出來，這就需要數(shù)碼顯示電路。 常用的用于數(shù)字顯示的數(shù)碼管有輝光

39、數(shù)碼管、熒光數(shù)碼管、液晶數(shù)碼管和半導(dǎo)體數(shù)碼管等，其中半導(dǎo)體數(shù)碼管是由發(fā)光二極管(LED)組成的。將多個發(fā)光二極管按分段式排列、封裝，就構(gòu)成了半導(dǎo)體數(shù)碼管。半導(dǎo)體數(shù)碼管有紅、黃、綠等顏色，具有亮度高、工作可靠、壽命長等優(yōu)點，目前得到了廣泛的應(yīng)用。 第六十五張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 上圖是七段半導(dǎo)體數(shù)碼管和字段排列圖。利用七個發(fā)光二極管的不同組合，可表示出數(shù)字09的形狀。如要顯示數(shù)字4，就使b、c、f、g四個二極管導(dǎo)電而發(fā)光，其余的不導(dǎo)電而熄滅。用半導(dǎo)體數(shù)碼管做顯示器件時，需要專用譯碼器來翻譯輸入信號，并點亮與之對應(yīng)的字段。第六十六張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 譯碼器在

40、醫(yī)學(xué)中的使用場合很多。如醫(yī)療設(shè)備上的數(shù)字儀表需要顯示譯碼器；計算機(jī)和邏輯陣列中也需要地址譯碼器。譯碼器種類較多，以半導(dǎo)體七段數(shù)碼管譯碼器為例，它是用七個發(fā)光二極管構(gòu)成七個字段，因此譯碼器就要有七個輸出端a、b、c、d、e、f、g，它們分別與相應(yīng)字段的電極相連。譯碼器有四個輸入端，分別為四位二進(jìn)制數(shù)Q3Q2Q1Q0，可由十進(jìn)制計數(shù)器輸出端提供。第六十七張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換 隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電子計算機(jī)已被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)各領(lǐng)域。然而，計算機(jī)的輸出和輸入信號都是數(shù)字量，在計算機(jī)內(nèi)部的信息也是以數(shù)字形式進(jìn)行傳送和處理的。而各種醫(yī)學(xué)檢測儀器的主要檢測對象

41、是一些非電學(xué)物理量，如血壓、體溫、血氧分壓等。這些非電學(xué)量經(jīng)傳感器一般都轉(zhuǎn)化成隨時間連續(xù)變化的模擬電學(xué)量，這些模擬量在送入計算機(jī)處理之前必須先轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，才能被計算機(jī)接收。第六十八張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 另一方面，計算機(jī)的輸出結(jié)果是數(shù)字量，它又必須被轉(zhuǎn)化成為模擬量，才能推動執(zhí)行機(jī)構(gòu)實現(xiàn)對被控對象的控制。把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC（D/A）；把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC（A/D）。D/A和A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)字設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的接口電路，是微型計算機(jī)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)自動控制的關(guān)鍵部件。 第六十九張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月

42、 根據(jù)工作原理不同，D/A和A/D轉(zhuǎn)換器可分成直接轉(zhuǎn)換式和間接轉(zhuǎn)換式兩大類。直接轉(zhuǎn)換式是把輸入的模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出；間接轉(zhuǎn)換式是把輸入的模擬量先轉(zhuǎn)換成某中間變量(如時間、頻率等)，然后再把中間變量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。第七十張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本方法是將數(shù)字量的每一位代碼，按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得到的總和就是與數(shù)字量成正比的模擬量。1.數(shù)模轉(zhuǎn)換 第七十一張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 根據(jù)這種轉(zhuǎn)換原理可以得到多種數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中最簡單的是權(quán)電阻數(shù)模轉(zhuǎn)換器。上圖是一個四位權(quán)電阻數(shù)模轉(zhuǎn)換器的電路圖。包括參考電壓UR、電子開關(guān)、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和運算放大器。若用數(shù)字