第一章 医学电子仪器与基础电子电路 医学电子仪器的特点 医学电子仪器的分类 半导体器件的基础知识 生物医学放大电路 电子振荡电路

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1 第一章 医学电子仪器与基础电子电路 医学电子仪器的特点 医学电子仪器的分类 半导体器件的基础知识 生物医学放大电路 电子振荡电路
直流稳压电路 数字逻辑电路

2 1.6 直流稳压电路 许多电子仪器和设备都需要稳定的直流电源供电。除少数使用化学电源外，绝大多数是由交流电网供电，这就需要将交流电转换为稳定的直流电。直流稳压电源就是完成这种转换的装置，它一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成（如图1.41）。图中各部分的作用如下：

3 (1)电源变压器：将交流电源电压变换为符合整流需要的交流电压；
(2)整流电路：将交流电压变换为单向脉动直流电压； (3)滤波电路：滤掉整流电压中的交流成分，输出平滑的直流电压； (4)稳压电路：在交流电源电压波动或负载变动时，保证输出稳定的电压。

4 整流电路 整流滤波是利用二极管的单向导电性，把交流电转换成脉动直流电的过程。常见的整流电路有半波、全波和桥式整流等几种形式。

5 1.半波整流电路 上图是半波整流电路及其波形，它把二极管D和负载RL串联起来接到变压器B的次级线圈AB两端。在交流电的正半周时，A点电势比B点电势高，二极管D受正向电压作用而导通，RL上有电流通过；在交流电压的负半周，A点电势低于B点电势，二极管受反向电压的作用而截止，电路中没有电流。这种电路只利用电源电压的半个周期，因而取名为半波整流。

6 半波整流电路简单，但输出直流电压的平均值不到电源电压有效值的一半，整流效率低，而且不平稳，交流成分比较大，因而并不适用于医学检测仪器中。

7 2.全波整流电路 右图是全波整流电路。它实际上是由两个半波整流电路组成，这样就可以完全利用交流电的每一个半周，故称为全波整流。变压器B的次级线圈具有中心抽头“O”，A、B两点电压大小相等，位相差为180。其整流原理是在电源电压的正、负半周时，二极管Dl、D2轮流导通，负载RL上总有同一方向的电流通过。

8 这种电路的输出电压比较高，电流比较大，而脉动程度却减少了。它的缺点是变压器次级线圈的匝数要增加一倍，两个次级线圈中，只有半个周期有电流通过，对变压器的利用率不高，而且二极管承受的反向电压仍较大。

9 3.桥式整流电路

10 上图是桥式整流电路，由四个晶体二极管连接成电桥形式，故称为桥式整流。变压器次级输出电压为U2，当它为正半周时，A点电势比B点电势高，二极管D1、D3导通，D2、D4反向截止，导电回路为A、D1、RL、D3、B；U2为负半周时，B点电势比A点电势高，二极管D2、D4正向导通，D1、D3反向截止，导电回路为B、D2、RL、D4、A。在一个周期内D1、D3和D2、D4轮流导通和截止，而流经负载的电流方向不变。 桥式整流的优点是整流效率高，输出脉动程度小，二极管承受反向电压只有全波整流的一半，故得到广泛的应用。它的缺点是二极管的数量比全波整流多两个，电路比较复杂。

11 滤波电路 整流电路可以把交流电转变为单—方向的脉动电压和电流，但不论何种整流电路，都存在输出电压的脉动程度较大，不能满足电子仪器的供电要求，因此常在整流电路的后面加一级滤波电路，其作用是将脉动电流中的交流成分滤掉，获得平滑的直流输出。常用滤波电路有电容滤波、电感电容滤波及有源滤波等。

12 1.电容滤波 上图是带有电容滤波的半波整流电路，电容C与负载并联。

13 当U2为正半周时，二极管D导通，电流向负载供电，同时对电容C充电。在充电期间，电容C上的电压Uc逐渐增大，直到接近于交流电压U2的最大值，此后U2下降，由于此时Uc＞U2，二极管截止，电容C向RL放电，直到二极管又导通时，电容器又充电，这样由于电容器的充放电作用，使在一个周期内总有电流供给负载RL。图(b)是这种电路的输出波形图。从图中可以看到，加上电容C以后，输出电压的脉动程度要平滑得多，这就是电容的滤波作用。

14 电容器放电的快慢取决于RL与C的乘积，即时间常数τ=RL×C，τ愈大，放电时间长，输出电压就较平滑。如果是采用桥式或全波整流的电容滤波电路，其滤波原理与半波整流电容滤波相同，输出波形见上图。它的特点是在交流电的正、负半周，整流电流对电容C充电两次，这样电容器向负载RL放电时间缩短了，因此输出电流就更平稳。

15 还应指出，当整流电路加入电容滤波后，二极管导通时间很短，而导通电流—方面要对电容充电以补充电容放电时所损耗的电荷，同时又要向负载RL供电，所以通过二极管的电流脉冲很大(见图中输出波形加竖线的部分)，这点在选择二极管的最大整流电流时应加以考虑。 电容滤波的优点是电路简单，输出电压的脉动程度大大减小。但当负载较大时，放电加快，输出电压的脉动程度仍然较大。如果增加电容量，则充电电流太大，容易损坏二极管，故这种电路一般只适用于要求输出电压较高，负载电流小并且变化也较小的场合。

16 2.电感电容滤波 为进一步减小输出电压和电流的脉动程度，在滤波电容前加入一个电感元件L，组成电感电容滤波电路。它利用电感L对交流电的阻抗很大，而对直流电阻抗几乎等于零的特点，使整流电流中的交流成分在很大的感抗和很小的容抗上分压，主要降落在L上，而直流成分则很容易通过电感，进一步降低交流成分的含量，得到较好的滤波效果，在负载上可得到平稳的直流输出。

17 这种滤波电路的优点是当负载电流变化较大时，仍可得到较平稳的直流输出，且没有电流脉冲，对整流元件的最大电流比电容滤波电路的要求低。具有LC滤波的整流电路适用于电流较大、要求输出电压脉动很小的场合。

18 在负载电流不大的地方，LC滤波电路中的电感往往用电阻代替，成为RC滤波电路。RC电路的滤波效果不及LC电路，但电阻体积小、价格低是其主要优点。在医疗电子仪器中为了避免各部分电路通过电源而发生相互影响，尤其是避免微弱生物电的前级放大器受到放大后的强信号的影响，即使在电源电压相当平稳的情况下，仪器敏感部分的电源也常常就近增加一级RC滤波电路，以消除仪器其他电路通过电源对它的影响。这样使用的滤波电路通常称为退耦电路，因为它的作用是消除各部分电路之间的耦合。

19 稳压电路 整流滤波电路都不能保证输出稳定的直流电压，其原因主要有两个方面：一是交流电网的电压不稳定，引起输出电压发生变化；二是整流滤波电路存在内阻，当负载变化引起电流变化时，内阻上产生的压降会随之变化，使输出的直流电压不稳定。因此，为了得到稳定的输出直流电压，必须在整流滤波电路之后加稳压电路，以保证当电网电压波动或负载电流变化时，输出的电压能维持相对稳定。下面主要介绍由硅稳压二极管、晶体三极管构成的稳压电路及目前常用的集成稳压器。

20 1.稳压管稳压电路 左图是一种稳压管稳压电路，由限流电阻R和硅稳压二极管Dz组成，RL是负载电阻，与稳压管并联。
当交流电网电压升高而引起稳压电路的输入电压Ui升高时，将引起硅稳压管Dz的端电压Uz，即输出电压Uo升高。由稳压二极管的伏安特性可知，Uz稍一升高，则通过稳压管的电流Iz显著增大，限流电阻R上的电压UR=(Iz+Io)×R增加，而Uo=Ui-UR，UR的增加补偿了输入电压Ui的变化，从而使输出电压Uo基本保持不变。反之，当Ui下降时，稳压过程与上述相反，电路也能基本维持输出电压不变。

21 若输入电压Ui不变，当负载电阻减小时，电流Io增大，R上的压降升高，使得Uo下降。但Uo稍有下降，Iz将显著减小，Iz减小的部分几乎和Io增大的部分相等，结果限流电阻R上流过的总电流和电压降不变，从而使输出电压Uo基本恒定。反之亦然。

22 由此可见，在稳压管稳压电路中，稳压管的电流调节作用和限流电阻的电压调节作用是稳压的关键，即利用稳压管端电压的微小变化引起较大电流的变化，再通过R的电压调节作用，保证输出电压的恒定。由于稳压管与负载RL相并联，故该电路又称为并联型稳压电路。这种电路结构简单，但输出电压不可调，稳定精度不高，所以只用在稳压要求不高和负载电流小的电路中。

23 2.晶体管串联稳压电路 由于稳压管稳压电路的稳压效果不够理想，且只能用于负载电流较小的场合，因此下面介绍串联型晶体管稳压电路，其电路原理是集成稳压电源内部电路的基础。

24 左图是一种简单串联型稳压电路。图(a)是一个可变电阻R和负载电阻RL的串联电路。
当输入电压Ui或输出电流Io发生变化而引起输出电压Uo变化时，如果可变电阻R的阻值也相应地自动改变，保持输出电压稳定，这样就构成了串联型稳压电路。由于晶体管的基极电流对集电极电流具有控制作用，使得其集电极与发射极之间具有一个可变电阻的性质，因此用它作调整电阻，可以实现稳压目的。

25 左图是一个简单的串联型稳压电路，用三极管代替可变电阻R作为调整元件，故叫做调整管。电阻R和稳压管Dz组成简单的稳压管稳压电路，接到调整管的基极，使基极电压Ub=Uz保持恒定，此电压称为基准电压。
其电压稳定过程如下：当电网电压波动或负载电流变化引起输出电压Uo升高时，由于调整管基极电位Ub是恒定的，将引起调整管基-射极之间的电压Ube下降。由三极管特性曲线可知，其基极电流Ib减小，集-射极电压Uce上升，而Uo=Ui-Uce，使输出电压降到原值。

26 由于三极管的发射极电流比稳压管的工作电流大得多，所以这种稳压电路可提供较大的负载电流。该电路的输出电压Uo=Uz-Ube，Uo的值取决于稳压管的稳定电压Uz。如果要改变输出电压，可更换稳压管。另外，用输出电压直接去控制调整管的基极电流，控制作用不明显，稳压效果较差。为提高稳定度，一般在实际电路中常采用带有放大环节的串联稳压电路。

27 (a) 电路 调整管 比较放大器 基准电压 取样电路 Ui Uo 上图是带放大环节的串联型晶体管稳压电路的原理图。它将输出电压的变化量Uo通过直流放大器放大后，再去控制调整管，使微小的输出电压变化量产生很强的调整作用，从而大大提高了输出电压的稳定性。该稳压电路包括以下四部分：取样电路、基准电压电路、比较放大器、调整管。

28 稳压过程如下：当输出电压Uo升高时，取样电压Uf随之增大，T2的基-射极电压Ube2增大，其基极电流Ib2增大，集电极电流Ic2增大，集-射极电压Uce2减小。因此，T1的Ube1=Ub1-Uo=Uz+Uce2-Uo减小，Uce1增大，输出电压Uo下降，使之保持稳定。可见，带放大环节的串联型晶体管稳压电路是利用晶体三极管作为调整元件，从输出电压中取出一部分电压经放大后去调节调整管所呈现的电阻，维持输出电压不变。这种稳压电路的稳定度比简单串联型稳压电路提高了很多。但它的输出电流不够大，同时还存在较大的温度漂移。因此要得到更理想的稳定效果，还应对上述电路采取一些改进措施。另外，在稳压电源中，为了避免负载电流过大或输出短路时被烧毁，经常采用限流和减流作用的保护措施。

29 3. 集成稳压器 将串联型稳压电路中的各元件集成在一块芯片上就形成了集成稳压器。采用集成稳压器制作的直流稳压电源称为集成稳压电源。集成稳压器具有体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉等优点。为适应不同的应用场合，集成稳压器有各种类型、各种型号的片子。下面主要介绍三端固定和三端可调集成稳压器。

30 (1)三瑞固定集成稳压器 这种稳压器一般只有输入、输出、公共接地三个端子，输出电压固定，所以称为三端固定集成稳压器。其中W7800和W7900两种系列是最常用的，每一种系列在5~24V范围内有7种不同的档次，负载电流可达1.5A。W7800系列输出正电压，W7900系列输出负电压。系列的后两位数字表示稳压器的输出电压值，如W7805表示该集成稳压器的输出电压为+5V，而W7912表示输出电压为-12V。

31 右图是正、负电压同时输出的典型电路。图中变压器分别输出两路24V交流电压，一路经Q1桥式整流得到正电压，经电容C和Ci滤波后送W7815稳压，输出+l5V，二极管D起保护W7815的作用；另一路经Q2整流得负电压，再经滤波和W7915稳压后，输出-l5V。输出电容Co用于改善瞬态响应特性，减小高频输出阻抗。 D

32 (2)三端可调集成稳压器 可调式集成稳压器有多种类型，这里仅以W317、W337为例介绍三端可调稳压器的工作原理。与固定式7800和7900系列稳压器相比，W317、W337稳压器没有公共接地端，只有输入、输出、调整三个端子，且内部设有多种保护电路，工作十分安全。W317输出正电压，而W337输出负电压，输入与输出的最大电压差为40V，输出电压可在1.2～35V(-1.2～-35V)之间连续可调，输出电流最大为1.5A。

33 上图是一个三端可调集成稳压电路，它是通过外接两个电阻R1、R2来获得所需的电压，其性能优于三端固定集成稳压器。设输出端2与调节端3之间的最小稳压为Us(1.2V)，可以证明，该稳压电路的输出电压Uo近似为：Uo=(1+R2/R1)×Us，式中表明调节R2即可获得所需要的稳定输出电压Uo。

34 直流电压变换器 将直流低压变成各种不同的直流高压的电路叫直流电压变换器。通常50Hz、220V的市电通过电子设备内部的变压、整流、滤波和稳压等环节，就能变成机器本身所需要的各档直流电压。但在一些医学仪器中，如某些型号的心电图机、X线影像增强器、CT等，既需要低压直流电源，又需要高压直流电源供电，若在变压环节中直接由电源变压器的次级输出高电压，再进行整流、滤波、稳压等环节，理论上也可以实现，但是实际线路有许多缺点，如变压器体积、重量过大，对绝缘材料的质量要求高，同时要求整流、滤波和稳压等环节的电路元件耐压也要高等。因此，在负载不是很重的情况下，高压电源都可采用直流电压变换器。

35 使用直流电压变换器可以解决以下几方面的问题。首先，它能够避免公共地线。在临床和基础医学研究中，仪器和生物体有公共地线时，极易受到50Hz市电的干扰，使仪器不能正常工作；其次，还能避免仪器漏电对病人的危害，采用浮地接法，使前级放大器的零电位点与主放大器的零电位点相隔离；第三，还用于没有或不宜使用交流市电的场合。

36 除此之外，直流电压变换器还有以下优点：由于高频方波电压发生器产生频率一般为几十千赫，远远高于市电50Hz频率，输出变压器的体积、滤波电容器的容量和体积、滤波线圈的电感量和体积都可大大减小；当电源过载时，方波发生器会自动停振，具有电源的自动保护作用。其缺点是内阻较大，输出的高压稳定性较差。

37 【小结】 直流稳压电源的作用是将交流电网电压转换为稳定的直流电压。直流稳压电源要用整流、滤波、稳压等环节来实现。
1.整流电路是利用二极管的单向导电性将交流电转变为脉动的直流电。

38 【小结】 2.电容滤波适用于较高电压、较小电流，且电流变化不大的场合。电感滤波适用于低电压、大电流。电容滤波对整流二极管有大的冲击电流，而电感滤波冲击电流很小。 3.稳压管组成最简单的稳压电路，在输出电流不大，输出电压固定，稳定性要求不高的场合应用较多。串联型稳压电源输出电压稳定度较高，且输出电压可调。集成稳压器由于体积小、重量轻、使用方便，目前得到了广泛应用。

39 1.7 数字逻辑电路 前面讨论的都是模拟电路，其中被传递、加工、处理的信号在时间和数值上均是连续变化的模拟信号。本节开始将讨论数字电路，其中被传递、加工、处理的信号在时间和数值上均是离散变化的数字信号。与模拟电路相比，数字电路具有以下特点：

40 1.在数字电路中，一般均采用二进制。其基本工作信号是用“l”和“0”表示的数字信号，反映在电路上就是高电平和低电平。数字电路中的各种半导体器件一般都是工作在开关状态，晶体管时而从截止跃变到饱和，时而从饱和跃变到截止，不是工作在饱和状态，就是工作在截止状态，只是在饱和截止两种工作状态转换瞬间经过放大状态。电路对各元件参数的精度要求不高，只要能正确区分两种截然不同的工作状态即可。这一特点，有利于数字电路的集成化。

41 2.抗干扰能力强、精度高。数字电路采用的是脉冲信号，处理的是二值信息0和1，只要外部干扰信号在电路的噪声容限范围内，电路能识别高低电平，就能正常工作，因而抗干扰能力强。数字电路还可用增加二进制的位数来提高电路的运算精度。 3.数字电路通用性强、保密性好。可以采用标准的逻辑部件和可编程逻辑器件来设计各种各样的数字电路和系统；并且，可以通过对软件、硬件加密，长期保存一些宝贵的信息资源。

42 近年来，数字电路的发展非常迅速，大规模、超大规模集成电路不断问世，数字电路的可靠性和智能化水平不断提高，并广泛应用于计算机、通信。航天、工业控制等各个领域，数字电路与电子计算机技术已经被广泛地应用在医疗仪器和设备中。下面主要阐述逻辑控制、脉冲计数和数字显示的基本原理，并介绍常用的计数器和A/D、D/A转换器。

43 基本逻辑电路 所谓逻辑是指“条件”与“结果”的关系。逻辑电路是用电路的输入信号反映“条件”，用电路的输出信号反映“结果”。电路的输出与输入之间构成一定的逻辑关系。在数字电路中，门电路是最基本的逻辑元件。所谓“门”是指一种开关，满足一定的条件它就允许信号通过，条件不满足，信号就通不过。因为门电路的输入信号与输出信号之间存在着一定的逻辑关系，所以门电路又称为逻辑门电路。基本逻辑关系有与逻辑、或逻辑、非逻辑，实现这些逻辑关系的电路分别称为与门、或门、非门。由这三种基本门电路还可以组成其他多种复合门电路。

44 逻辑变量是指具有“真”、“假”两个值的量，在逻辑运算中用0和1两个数码代表逻辑值，0代表“假”，1代表“真”。在电子线路中，如果一个电压变量只取高、低两个电平，且在这两个电平之间的转换都是快速的，那么它们就可以作为逻辑变量。在正逻辑中，把低电平作为逻辑值0，把高电平作为逻辑值1。而负逻辑则相反。以下的内容只使用正逻辑。

45 1.与门电路 上图为简单的具有两个输入端的与门电路，其左图为常用逻辑符号及逻辑表达式。其中A、B分别为两个输入端，F为输出端，其真值表见右图。

46 2.或门电路 上图具有两个输入端的或门电路，左图为常用逻辑符号及逻辑表达式。其中A、B端分别为两个输入端，F为输出端，其真值见右图。

47 3.非门电路 1 A F 非门电路只有一个输入端，输出端与输入端的状态总是相反。当输入端A是高电平时，输出端F是低电平；当输入端是低电平时，输出端则是高电平(参见图1.55)。简单的非门电路实际就是一个反相器。

48 为了扩展逻辑功能，由上述三种基本逻辑门电路还可以组成多种复合门电路。如与门和非门串联可组成与非门，或门和非门串联可组成或非门等。实际应用的逻辑系统往往具有较复杂的逻辑关系。它需要用一些基本门电路和复合门电路组合起来，以实现一定的逻辑功能。这种由若干个门电路组成的电路称为组合逻辑电路。常用的组合逻辑电路有编码器、译码器等，它们在数字电路中有着广泛的应用。

49 上图是数字频率计控制电路，其中的与门是用来控制脉冲信号能否进入计数器的开关。它有两个输入端；被测信号（频率为fx）经脉冲形成电路变成计数脉冲（重复频率fx）加到A端；控制与门开和关的信号（门控制信号）加到B端。当门控信号为低电平0时，与门被封锁，输出F为低电平，A端的计数脉冲不能通过与门；当门控信号为高电平1时，与门被打开，A端的计数脉冲通过与门送入计数器进行计数。如果B端开门时间是1s，则计数器所累计的脉冲数正好是与门打开的这1s内通过的计数脉冲数目，即被测信号的频率。

50 双稳态触发器 前面讨论的各种门电路有一个共同的特点，就是在某一时刻的输出状态只取决于当时的输入状态。在数字电路中，还有另一类逻辑电路，其输出状态不仅与当时的输入有关，而且还取决于电路原来的状态，这种逻辑电路称为时序逻辑电路。由门电路构成的双稳态触发器是时序逻辑电路的基础。双稳态触发器具有两个稳定状态，并能根据不同的输入信号被置成规定的状态。当输入信号撤掉后，它能保持原状态不变，因此具有记忆作用。

51 1.基本RS触发器 由两个与非门交叉连接就可构成最简单的RS触发器，即基本RS触发器。
当S和R端都为1时，对输出状态无影响，触发器保持原来状态；当S端的触发信号出现一个负脉冲时，触发器为1状态（Q=1），此过程称为置位，S端也称为置位端；当R端的触发信号出现一个负脉冲时，触发器为0状态（Q=0），此过程称为复位，R端也称为复位端。

52 可见，只有当输入端S或R为0时，才能对触发器起控制作用，为1时则不起作用。因此，人们习惯将S和R上端划上逻辑非符号“一”，表示该端靠低电平触发。当S和R端同时为0时，则两个输出端同时为1，不再互补。而当两个输入端的低电平同时消失后(不同时消失的情况除外)，触发器恢复到0状态还是l状态则完全由一些偶然因素决定，无法预测。因此，这种触发器不允许S和R端同时输入负脉冲，除非它们不同时回到1。

53 基本RS触发器的工作波形见左图。S和R的最后一个负脉冲同时到来，但S的负脉冲较迟结束，因此触发器后面的状态由它决定。这种基本RS触发器在医学上常常被应用到一些过程控制的电路中，如可以通过一个脉冲来控制吸氧或输液控制装置的阀门启闭并保持到下一个脉冲到来。

54 2.时钟控制的RS触发器 在数字电路系统中，经常要求各个触发器的状态随时间按同一节奏改变，以使整个系统能步调一致地协调工作，即实现同步操作。这就需要各触发器受同一控制信号的作用，此控制信号可由一个发出固定频率脉冲的振荡器产生，它能像时钟一样准确地控制触发器的翻转时刻，被称为时钟脉冲，记作CP。

55 右图是能够实现这种同步操作的RS触发器及逻辑符号，它比基本RS触发器增加了两个由时钟脉冲控制的与非门，该触发器称为时钟控制的RS触发器。

56 当CP=0时，使基本RS触发器(R)=(S)=1，触发器保持原来的状态不变，与输入信号R、S无关，触发器被CP封锁；当CP=l时，输入信号与基本RS触发器同样分析，即当R=S=0时，触发器保持原来的状态；当R=0，S=1时，触发器置位(1状态)；当R=1，S=0时，触发器复位；当R=S=1时，这种状态不允许出现。

57 右图为时钟控制的RS触发器输入和输出端的脉冲波形图。从图中可以看出，输出脉冲的变化都是在时钟脉冲CP出现时才能发生，即CP脉冲触发。而时钟脉冲结束后，输出脉冲将保持这一状态，一直到在后面的时钟脉冲期间，由输入脉冲R、S变化使之翻转。

58 脉冲计数和显示 在医学研究和应用领域，常常需要利用自动计算脉冲个数的装置。如在核医学中自动计算γ射线的脉冲数；临床检验中自动计算红细胞数；当在医学仪器中需要计算时间时，常计算一个固定频率的振荡器发出的脉冲个数。这种装置就是计数器。本节介绍由触发器和门电路组成的二进制计数器及数字的显示装置。

59 1.脉冲计数器 计数器是一种能够计算脉冲个数的逻辑电路，是数字电路中最常用的逻辑部件之一。计数器的种类很多，如按其计数制来分：有二进制计数器和十进制计数器等；按其计数的增减趋势分：有加法计数器、减法计数器和可逆计数器；按计数脉冲引入的方式来分：有异步计数器和同步计数器两种。计数器的应用很广，可以说在每一种数字设备中，几乎都有计数器。计数器同时也可以作分频器，其功能是每输入n个脉冲就发出一个脉冲(n为任何自然数)。频率极低的振荡器不易制作，而且也不易整形成方波，使用分频器便可解决这一问题。如在心脏起搏器和其他一些医学仪器中，都会使用分频器从较高频率的振荡器中获得低频方波。

60 上图是一种异步二进制加法计数器，根据二进制的加法法则，在组成二进制加法计数器时，构成计数器的各触发器应满足：⑴每输入一个脉冲，触发器应翻转一次；⑵当低位触发器由1状态变为0状态时，应输出一个进位信号加到高位触发器的计数输入端。

61 上图是该计数器的工作波形图

62 表1.2 二进制加法计数器状态转换表 上表是二进制加法计数器的状态转换表。

63 从表中可以看出，计数器四个输出端的组合Q3Q2Q1Q0恰好是表示15以内十进制输入脉冲数的四位二进制数。若要计算更多的脉冲数则需要计数器包含有更多的计数型触发器；如要计算0~63范围内的脉冲数则需要6个计数型触发器(设这种触发器个数为N，则能记录的脉冲数为2N)。

64 异步二进制计数器的特点是：计数脉冲只输入最低位触发器，而其它各位触发器则由相邻的低位触发器输出脉冲的下降沿来触发，因此各触发器的翻转时刻不同，称异步触发。异步计数器的计数速度受到限制，若要提高速度，可采用同步计数器。

65 2.数码显示 脉冲计数装置须配有显示设备才便于观察。为能方便地读取数字结果，需要把数字电路中的二进制数以十进制数码的形式直观地显示出来，这就需要数码显示电路。 常用的用于数字显示的数码管有辉光数码管、荧光数码管、液晶数码管和半导体数码管等，其中半导体数码管是由发光二极管(LED)组成的。将多个发光二极管按分段式排列、封装，就构成了半导体数码管。半导体数码管有红、黄、绿等颜色，具有亮度高、工作可靠、寿命长等优点，目前得到了广泛的应用。

66 上图是七段半导体数码管和字段排列图。利用七个发光二极管的不同组合，可表示出数字0～9的形状。如要显示数字4，就使b、c、f、g四个二极管导电而发光，其余的不导电而熄灭。用半导体数码管做显示器件时，需要专用译码器来翻译输入信号，并点亮与之对应的字段。

67 译码器在医学中的使用场合很多。如医疗设备上的数字仪表需要显示译码器；计算机和逻辑阵列中也需要地址译码器。译码器种类较多，以半导体七段数码管译码器为例，它是用七个发光二极管构成七个字段，因此译码器就要有七个输出端a、b、c、d、e、f、g，它们分别与相应字段的电极相连。译码器有四个输入端，分别为四位二进制数Q3Q2Q1Q0，可由十进制计数器输出端提供。

68 数模转换和模数转换 随着数字电子技术的发展，数字电子计算机已被广泛地应用于医学各领域。然而，计算机的输出和输入信号都是数字量，在计算机内部的信息也是以数字形式进行传送和处理的。而各种医学检测仪器的主要检测对象是一些非电学物理量，如血压、体温、血氧分压等。这些非电学量经传感器一般都转化成随时间连续变化的模拟电学量，这些模拟量在送入计算机处理之前必须先转换成数字量，才能被计算机接收。

69 另一方面，计算机的输出结果是数字量，它又必须被转化成为模拟量，才能推动执行机构实现对被控对象的控制。把数字量转换成模拟量的电路称为数模转换器，简称DAC（D/A）；把模拟量转换成数字量的电路称为模数转换器，简称ADC（A/D）。D/A和A/D转换器是数字设备和控制系统之间的接口电路，是微型计算机应用于医学自动控制的关键部件。

70 根据工作原理不同，D/A和A/D转换器可分成直接转换式和间接转换式两大类。直接转换式是把输入的模拟量直接转换成数字信号输出；间接转换式是把输入的模拟量先转换成某中间变量(如时间、频率等)，然后再把中间变量转换成数字信号输出。

71 1.数模转换 实现数模转换的基本方法是将数字量的每一位代码，按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得到的总和就是与数字量成正比的模拟量。

72 根据这种转换原理可以得到多种数模转换器，其中最简单的是权电阻数模转换器。上图是一个四位权电阻数模转换器的电路图。包括参考电压UR、电子开关、权电阻网络和运算放大器。若用数字量D=d3d2d1d0分别控制电子开关S3、S2、S1、S0，则经分析可以得知，运算放大器的输出电压为：

73 由于电阻的阻值是按照二进制不同位的权进行匹配的，所以这种转换器又叫权电阻网络。权电阻D/A转换器的各位同时转换，速度快。如果其位数较多，需要的权电阻数目也会随之增多，电阻之间的差值就会增大。电阻范围越大，集成起来就越困难。此外，该转换器的精确度与各权电阻阻值的关系极大，但在很大的阻值范围内做到高精度是很难实现的。因此，这种转换器实际中用得很少，但它的转换机理则非常有用。

74 D/A转换的主要技术指标有： 分辨率： 指D/A的最小输出电压与最大输出 电压的比值。 精确度： 指输出模拟电压的实际值与理想 值之差，即最大静态转换误差。 转换时间：指数字信号由全0变全1，或全1变全0 时，模拟信号电压或电流达到稳态值 所需要的时间。转换时间短，说明D/A 的转换速度快。

75 2.模数转换 在模数转换中，输入的模拟信号在时间上是连续量，输出的数字信号是离散量。要把随时间变化的模拟量转换成数字量，在转换时必须在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号采样，即取某一时刻或某一极小时间间隔的模拟量进行转换，然后再把这些采样值转换为输出的数字量。下面仅以应用较广泛的逐次逼近式模数转换器为例简单介绍一下转换原理。

76 上图为逐次逼近式模数转换器的原理框图。它由时钟脉冲发生器、逻辑控制电路、逐次逼近寄存器、数模转换器和电压比较器等部分组成，原理与天平称重原理相似，即逐次在天平上增加砝码，且砝码一个比一个小一半，直到砝码全用完。下面介绍该模数转换器逐次逼近的过程。

77 寄存器是由触发器构成的，用来暂时存放二进制数。当模数转换器启动后，首先将寄存器清零。此时输入时钟脉冲，通过逻辑控制电路使寄存器最高位预置成1，再将此二进制数通过数模转换器转换成相应的模拟电压UA，UA被送到电压比较器的一个输入端，令其与另一个输入端的待转换模拟电压Ui进行比较，如果UA>Ui，说明预置的数字量偏大，应将寄存器的最高位置成0；如果UA<Ui，说明预置的数字量偏小，就将寄存器的最高位保留为1，然后按同样办法再将次高位置成l，并按上述方法将此二进制数转换为模拟量与Ui进行比较，确定次高位的1是否应该保留。

78 之后，再用同样的办法逐次进行试探，一直到最低位为止。此时，寄存器中的二进制数便可用来表示模拟量Ui的值，这样就完成了模数转换过程。可见，比较是逐次进行的，首先从最高位进行比较，用比较的结果来确定该位是1还是0，这样一直比较到最低位。位数越多，转换的时间就越长。逐次逼近式模数转换器的主要特点是只用一个比较器，电路简单，且速度比较快，转换精确度高。同时，集成的模数转换芯片易与微机接口。因此，逐次逼近式模数转换器应用也较广泛。

79 A/D转换的主要技术指标有： 分辨率、精确度、转换时间和输入模拟 电压范围等。