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在电子电路中
在电子电路中,电源、放大、振荡和调制电路被称为模拟电子电路,因为它们加工和处理的是连续变化的模拟信号。
电子电路中另一大类电路的数字电子电路。
它加工和处理的对象是不连续变化的数字信号。
数字电子电路又可分成脉冲电路和数字逻辑电路,它们处理的都是不连续的脉冲信号。
脉冲电路是专门用来产生电脉冲和对电脉冲进行放大、变换和整形的电路。
家用电器中的定时器、报警器、电子开关、电子钟表、电子玩具以及电子医疗器具等,都要用到脉冲电路。
电脉冲有各式各样的形状,有矩形、三角形、锯齿形、钟形、阶梯形和尖顶形的,最具有代表性的是矩形脉冲。
要说明一个矩形脉冲的特性可以用脉冲幅度Um、脉冲周期T或频率f、脉冲前沿tr、脉冲后沿tf和脉冲宽度tk来表示。
如果一个脉冲的宽度tk=1/2T,它就是一个方波。
脉冲电路和放大振荡电路最大的不同点,或者说脉冲电路的特点是:
脉冲电路中的晶体管是工作在开关状态的。
大多数情况下,晶体管是工作在特性曲线的饱和区或截止区的,所以脉冲电路有时也叫开关电路。
从所用的晶体管也可以看出来,在工作频率较高时都采用专用的开关管,如2AK、2CK、DK、3AK型管,只有在工作频率较低时才使用一般的晶体管。
就拿脉冲电路中最常用的反相器电路(图1)来说,从电路形式上看,它和放大电路中的共发射极电路很相似。
在放大电路中,基极电阻Rb2是接到正电源上以取得基极偏压;而这个电路中,为了保证电路可靠地截止,Rb2是接到一个负电源上的,而且Rb1和Rb2的数值是按晶体管能可靠地进入饱和区或止区的要求计算出来的。
不仅如此,为了使晶体管开关速度更快,在基极上还加有加速电容C,在脉前沿产生正向尖脉冲可使晶体管快速进入导通并饱和;在脉冲后沿产生负向尖脉冲使晶体管快速进入截止状态。
除了射极输出器是个特例,脉冲电路中的晶体管都是工作在开关状态的,这是一个特点。
脉冲电路的另一个特点是一定有电容器(用电感较少)作关键元件,脉冲的产生、波形的变换都离不开电容器的充放电。
产生脉冲的多谐振荡器
脉冲有各种各样的用途,有对电路起开关作用的控制脉冲,有起统帅全局作用的时钟脉冲,有做计数用的计数脉冲,有起触发启动作用的触发脉冲等等。
不管是什么脉冲,都是由脉冲信号发生器产生的,而且大多是短形脉冲或以矩形脉冲为原型变换成的。
因为矩形脉冲含有丰富的谐波,所以脉冲信号发生器也叫自激多谐振荡器或简称多谐振荡器。
如果用门来作比喻,多谐振荡器输出端时开时闭的状态可以把多谐振荡器比作宾馆的自动旋转门,它不需要人去推动,总是不停地开门和关门。
(1)集基耦合多谐振荡器
图2是一个典型的分立元件集基耦合多谐振荡器。
它由两个晶体管反相器经RC电路交叉耦合接成正反馈电路组成。
两个电容器交替充放电使两管交替导通和截止,使电路不停地从一个状态自动翻转到另一个状态,形成自激振荡。
从A点或B点可得到输出脉冲。
当Rb1=Rb2=R,Cb1=Cb2=C时,输出是幅度接近E的方波,脉冲周期T=1.4RC。
如果两边不对称,则输出是矩形脉冲
(3)RC环形振荡器
图4是常用的RC环形振荡器。
它用奇数个门、首尾相连组成闭环形,环路中有RC延时电路。
图中RS是保护电阻,R和C是延时电路元件,它们的数值决定脉冲周期。
输出脉冲周期T=2.2RC。
如果把R换成电位器,就成为脉冲频率可调的多谐振荡器。
因为这种电路简单可靠,使用方便,频率范围宽,可以从几赫变化到几兆赫,所以被广泛应用。
脉冲变换和整形电路
脉冲在工作中有时需要变换波形或幅度,如把矩形脉冲变成三角波或尖脉冲等,具有这种功能的电路就叫变换电路。
脉冲在传送中会造成失真,因此常常要对波形不好的脉冲进行修整,使它整旧如新,具有这种功能的电路就叫整形电路。
(1)微分电路
微分电路是脉冲电路中最常用的波形变换电路,它和放大电路中的RC耦合电路很相似,见图5。
当电路时间常数τ=RC< 输入脉冲前沿则输出正向尖脉冲,输入脉冲后沿则输出负向尖脉冲。 这种尖脉冲常被用作触发脉冲或计数脉冲。 (2)积分电路 把图5中的R和C互换,并使τ=RC>>tk,电路就成为积分电路,见图6。 当输入矩形脉冲时,由于电容器充放电很慢,输出得到的是一串幅度较低的近似三角形的脉冲波。 (3)限幅器 能限制脉冲幅值的电路称为限幅器或削波器。 图7是用二极管和电阻组成的上限幅电路。 它能把输入的正向脉冲削掉。 如果把二极管反接,就成为削掉负脉冲的下限幅电路。 用二极带或三极管等非线性器件可组成各种限幅器,或是变换波形(如把输入脉冲变成方波、梯形波、尖脉冲等),或是对脉冲整形(如把输入高低不平的脉冲系列削平成为整齐的脉冲系列等)。 (4)箝位器 能把脉冲电压维持在某个数值上而使波形保持不变的电路称为箝位器。 它也是整形电路的一种。 例如电视信号在传输过 会造成失真,为了使脉冲波形恢复原样,接收机里就要用箝位电路把波形顶部箝制在某个固定电平上。 图8中反相器输出端上就有一个箝位二极管VD。 如果没有这个二极管,输出脉冲高电平应该是12伏,现在增加了箝位二极管,输出脉冲高电平被箝制在3伏上。 此外,象反相器、射极输出器等电路也有“整旧如新”的作用,也可认为是整形电路。 有记忆功能的双稳电路多谐振荡器的输出总是时高时低地变换,所以它也叫无稳态电路。 另一种双稳态电路就绝然不同,双稳电路有两个输出端,它们总是处于相反的状态: 一个是高电平,另一个必定是低电平。 它的特点是如果没有外来的触发,输出状态能一直保持不变。 所以常被用作寄存二进制数码的单元电路。 (1)集基耦合双稳电路 图9是用分立元件组成的集基耦合双稳电路。 它由一对用电阻交叉耦合的反相器组成。 它的两个管子总是一管截止一管饱和,例如当VT1管饱和时VT2管就截止,这时A点是低电平B点是高电平。 如果没有外来的触发信号,它就保持这种状态不变。 如把高电平表示数字信号“1”,低电平表示“0”,那么这时就可以认为双稳电路已经把数字信号“1”寄存在B端了。 电路的基极分别加有微分电路。 如果在VT1基极加上一个负脉冲(称为触发脉冲),就会使VT1基极电位下降,由于正反馈的作用,使VT1很快从饱和转入截止,VT2从截止转入饱和。 于是双稳电路翻转成A端为“1”,B端为“0”,并一直保持下去。 (2)触发脉冲的触发方式和极性 双稳电路的触发电路形式和触发脉冲极性选择比较复杂。 从触发方式看,因为有直流触发(电位触发)和交流触发(边沿触发)的分别,所以触发电路形式各有不同。 从脉冲极性看,也是随着晶体管极性、触发脉冲加在哪个管子(饱和管还是截止管)上、哪个极上(基极还是集电极)而变化的。 在实际应用中,因为微分电路能容易地得到尖脉冲,触发效果较好,所以都用交流触发方式。 触发脉冲所加的位置多数是加在饱和管的基极上。 所以使用NPN管的双稳电路所加的是负脉冲,而PNP管双稳电路所加的是正脉冲。 (3)集成触发器除了用分立元件外,也可以用集成门电路组成双稳电路。 但实际上因为目前有大量的集成化双稳触发器产品可供选用,如R—S触发器、D触发器、J-K触发器等等,所以一般不使用门电路搭成的双稳电路而直接选用现成产品。 有延时功能的单稳电路 无稳电路有2个暂稳态而没有稳态,双稳电路则有2个稳态而没有暂稳态。 脉冲电路中常用的第3种电路叫单稳电路,它有一个稳态和一个暂稳态。 如果也用门来作比喻,单稳电路可以看成是一扇弹簧门,平时它总是关着的,“关”是它的稳态。 当有人推它或拉它时门就打开,但由于弹力作用,门很快又自动关上,恢复到原来的状态。 所以“开”是它的暂稳态。 单稳电路常被用作定时、延时控制以及整形等。 (1)集基耦合单稳电路 图10是一个典型的集基耦合单稳电路。 它也是由两级反相器交叉耦合而成的正反馈电路。 它的一半和多谐振荡器相似,另一半和双稳电路相似,再加它也有一个微分触发电路,所以可以想象出它是半个无稳电路和半个双稳电路凑合成的,它应该有一个稳态和一个暂稳态。 平时它总是一管(VT1)饱和,另一管(VT2)截止,这就是它的稳态。 当输入一个触发脉冲后,电路便翻转到另一种状态,但这种状态只能维持不长的时间,很快它又恢复到原来的状态。 电路暂稳态的时间是由延时元件R和C的数值决定的: tt=0.7RC。 (2)集成化单稳电路 用集成门电路也可组成单稳电路。 图11是微分型单稳电路,它用2个与非门交叉连接,门1输出到门2是用微分电路耦合,门2输出到门1是直接耦合,触发脉冲加到门1的另一个输入端UI。 它的暂稳态时间即定时时间为: tt=(0.7~1.3)RC。 脉冲电路的读图要点 ①脉冲电路的特点是工作在开关状态,它的输入输出都是脉冲,因此分析时要抓住关键,把主次电路区分开,先认定主电路的功能,再分析辅助电路的作用。 ②从电路结构上抓关键找异同。 前面介绍了集基耦合方式的三种基本单元电路,它们都由双管反相器构成正反馈电路,这是它们的相同点。 但细分析起来它们还是各有特点的: 无稳和双稳电路虽然都有对称形式,但无稳电路是用电容耦合,双稳是用电阻直接耦合(有时并联有加速电容,容量一般都很小);而且双稳电路一般都有触发电路(双端或单端触发);单稳电路就很好认,它是不对称的,兼有双稳和单稳的形式。 这样一分析,三种电路就很好区别了。 ③脉冲电路中,脉冲的生成、变换和整形都和电容器的充、放电有关,电路的时间常数即R和C的数值对确定电路的性质有极重要的意义,这一点尤为重要。 如何看懂电路图6--数字逻辑电路 2008-12-2701: 19 数字电子电路中的后起之秀是数字逻辑电路。 把它叫做数字电路是因为电路中传递的虽然也是脉冲,但这些脉冲是用来表示二进制数码的,例如用高电平表示“1”,低电平表示“0”。 声音图像文字等信息经过数字化处理后变成了一串串电脉冲,它们被称为数字信号。 能处理数字信号的电路就称为数字电路。 这种电路同时又被叫做逻辑电路,那是因为电路中的“1”和“0”还具有逻辑意义,例如逻辑“1”和逻辑“0”可以分别表示电路的接通和断开、事件的是和否、逻辑推理的真和假等等。 电路的输出和输入之间是一种逻辑关系。 这种电路除了能进行二进制算术运算外还能完成逻辑运算和具有逻辑推理能力,所以才把它叫做逻辑电路。 由于数字逻辑电路有易于集成、传输质量高、有运算和逻辑推理能力等优点,因此被广泛用于计算机、自动控制、通信、测量等领域。 一般家电产品中,如定时器、告警器、控制器、电子钟表、电子玩具等都要用数字逻辑电路。 数字逻辑电路的第一个特点是为了突出“逻辑”两个字,使用的是独特的图形符号。 数字逻辑电路中有门电路和触发器两种基本单元电路,它们都是以晶体管和电阻等元件组成的,但在逻辑电路中我们只用几个简化了的图形符号去表示它们,而不画出它们的具体电路,也不管它们使用多高电压,是TTL电路还是CMOS电路等等。 按逻辑功能要求把这些图形符号组合起来画成的图就是逻辑电路图,它完全不同于一般的放大振荡或脉冲电路图。 数字电路中有关信息是包含在0和1的数字组合内的,所以只要电路能明显地区分开0和1,0和1的组合关系没有破坏就行,脉冲波形的好坏我们是不大理会的。 所以数字逻辑电路的第二个特点是我们主要关心它能完成什么样的逻辑功能,较少考虑它的电气参数性能等问题。 也因为这个原因,数字逻辑电路中使用了一些特殊的表达方法如真值表、特征方程等,还使用一些特殊的分析工具如逻辑代数、卡诺图等等,这些也都与放大振荡电路不同。 门电路和触发器 (1)门电路 门电路可以看成是数字逻辑电路中最简单的元件。 目前有大量集成化产品可供选用。 最基本的门电路有3种: 非门、与门和或门。 非门就是反相器,它把输入的0信号变成1,1变成0。 这种逻辑功能叫“非”,如果输入是A,输出写成P=A。 与门有2个以上输入,它的功能是当输入都是1时,输出才是1。 这种功能也叫逻辑乘,如果输入是A、B,输出写成P=A·B。 或门也有2个以上输入,它的功能是输入有一个1时,输出就是1。 这种功能也叫逻辑加,输出就写成P=A+B。 把这三种基本门电路组合起来可以得到各种复合门电路,如与门加非门成与非门,或门加非门成或非门。 图1是它们的图形符号和真值表。 此外还有与或非门、异或门等等。 数字集成电路有TTL、HTL、CMOS等多种,所用的电源电压和极性也不同,但只要它们有相同的逻辑功能,就用相同的逻辑符号。 而且一般都规定高电平为1、低电平为0。 (2)触发器 触发器实际上就是脉冲电路中的双稳电路,它的电路和功能都比门电路复杂,它也可看成是数字逻辑电路中的元件。 目前也已有集成化产品可供选用。 常用的触发器有D触发器和J—K触发器。 D触发器有一个输入端D和一个时钟信号输入端CP,为了区别在CP端加有箭头。 它有两个输出端,一个是Q一个是Q,加有小圈的输出端是Q端。 另外它还有两个预置端RD和SD,平时正常工作时要RD和SD端都加高电平1,如果使RD=0(SD仍为1),则触发器被置成Q=0;如果使SD=0(RD=1),则被置成Q=1。 因此RD端称为置0端,SD端称为置1端。 D触发器的逻辑符号见图2,图中Q、D、SD端画在同一侧;Q、RD画在另一侧。 RD和SD都带小圆圈,表示要加上低电平才有效。 D触发器是受CP和D端双重控制的,CP加高电平1时,它的输出和D的状态相同。 如D=0,CP来到后,Q=0;如D=1,CP来到后,Q=1。 CP脉冲起控制开门作用,如果CP=0,则不管D是什么状态,触发器都维持原来状态不变。 这样的逻辑功能画成表格就称为功能表或特性表,见图2。 表中Qn+1表示加上触发信号后变成的状态,Qn是原来的状态。 “X”表示是0或1的任意状态。 有的D触发器有几个D输入端: D1、D2…它们之间是逻辑与的关系,也就是只有当D1、D2…都是1时,输出端Q才是1。 另一种性能更完善的触发器叫J-K触发器。 它有两个输入端: J端和K端,一个CP端,两个预置端: RD端和SD端,以及两个输出端: Q和Q端。 它的逻辑符号见图3。 J-K触发器是在CP脉冲的下阵沿触发翻转的,所以在CP端画一个小圆圈以示区别。 图中,J、SD、Q画在同一侧,K、RD、Q画在另一侧。 J-K触发器的逻辑功能见图3。 有CP脉冲时(即CP=1): J、K都为0,触发器状态不变;Qn+1=Qn,J=0、K=1,触发器被置0: Qn+1=0;J=1、K=0,Qn+1=1;J=1、K=1,触发器翻转一下: Qn+1=Qn。 如果不加时钟脉冲,即CP=0时,不管J、K端是什么状态,触发器都维持原来状态不变: Qn+1=Qn。 有的J—K触发器同时有好几个J端和K端,J1、J2…和K1、K2…之间都是逻辑与的关系。 有的J-K触发器是在CP的上升沿触发翻转的,这时它的逻辑符号图的CP端就不带小圆圈。 也有的时候为了使图更简洁,常常把RD和SD端省略不画。 能够把数字、字母变换成二进制数码的电路称为编码器。 反过来能把二进制数码还原成数字、字母的电路就称为译码器。 (1)编码器 图4(a)是一个能把十进制数变成二进制码的编码器。 一个十进制数被表示成二进制码必须4位,常用的码是使从低到高的每一位二进制码相当于 十进制数的1、2、4、8,这种码称为8-4-2-1码或简称BCD码。 所以这种编码器就称为“10线-4线编码器”或“DEC/BCD编码器”。 从图看到,它是由与非门组成的。 有10个输入端,用按键控制,平时按键悬空相当于接高电平1。 它有4个输出端ABCD,输出8421码。 如果按下“1”键,与“1”键对应的线被接地,等于输入低电平0、于是门D输出为1,整个输出成0001。 如按下“7”键,则B门、C门、D门输出为1,整个输出成0111。 如果把这些电路都做在一个集成片内,便得到集成化的10线4线编码器,它的逻辑符号见图4(b)。 左侧有10个输入端,带小圆圈表示要用低电平,右侧有4个输出端,从上到下按从低到高排列。 使用时可以直接选用。 (2)译码器 要把二进制码还原成十进制数就要用译码器。 它也是由门电路组成的,现在也有集成化产品供选用。 图5是一个4线—10线译码器。 它的左侧为4个二进制码的输入端,右侧有10个输出端,从上到下按0、1、…9排列表示10个十进制数。 输出端带小圆圈表示低电平有效。 平时10个输出端都是高电平1,如输入为1001码,输出“9”端为低电平0,其余9根线仍为高电平1,这表示“9”线被译中。 二极管,如每段都接低电平0,七段都被点亮,显示出数字“8”;如b、c段接低电平0,其余都接1,显示的是“1”。 可见要把十进制数用七段显示管显示出来还要经过一次译码。 如果使用“4线—7线译码器”和显示管配合使用,就很简单,输入二进制码可直接显示十进制数,见图6。 译码器左侧有4个二进制码的输入端,右侧有7个输出可直接和数码管相连。 左上侧另有一个灭灯控制端IB,正常工作时应加高电平1,如不需要这位数字显示就在IB上加低电平0,就可使这位数字熄灭。 如果要想把十进制数显示出来,就要使用数码管。 现以共阳极发光二极管(LED)七段数码显示管为例,见图6。 它有七段发光 寄存器和移位寄存器 (1)寄存器 能够把二进制数码存贮起来的的部件叫数码寄存器,简称寄存器。 图7是用4个D触发器组成的寄存器,它能存贮4位二进制数。 4个CP端连在一起作为控制端,只有CP=1时它才接收和存贮数码。 4个RD端连在一起成为整个寄存器的清零端。 如果要存贮二进制码1001,只要把它们分别加到触发器D端,当CP来到后4个触发器从高到低分别被置成1、0、0、1,并一直保持到下一次输入数据之前。 要想取出这串数码可以从触发器的Q端取出。 (2)移位寄存器 有移位功能的寄存器叫移位寄存器,它可以是左移的、右移的,也可是双向移位的。 图8是一个能把数码逐位左移的寄存器。 它和一般寄存器不同的是: 数码是逐位串行输入并加在最低位的D端,然后把低位的Q端连到高一位的D端。 这时CP称为移位脉冲。 先从RD端送低电平清零,使寄存器成0000状态。 假定要输入的数码是1001,输入的次序是先高后低逐位输入。 第1个CP后,1被打入第1个触发器,寄存器成0001;第2个CP后,Qo的1被移入Q1,新的0打入D1,成为0010;第3个CP后,成为0100;第4个CP后,成为1001。 可见经过4个CP,寄存器就寄存了4位二进制码1001。 目前已有品种繁多的集成化寄存器供选用。 计数器和分频器 (1)计数器 能对脉冲进行计数的部件叫计数器。 计数器品种繁多,有作累加计数的称为加法计数器,有作递减计数的称为减法计数器;按触发器翻转来分又有同步计数器和异步计数器;按数制来分又有二进制计数器、十进制计数器和其它进位制的计数器等等。 现举一个最简单的加法计数器为例,见图9。 它是一个16进制计数器,最大计数值是1111,相当于十进制数15。 需要计数的脉冲加到最低位触发器的CP端上,所有的J、K端都接高电平1,各触发器Q端接到相邻高一位触发器的CP端上。 J—K触发器的特性表告诉我们: 当J=1、K=1时来一个CP,触发器便翻转一次。 在全部清零后,①第1个CP后沿,触发器C0翻转成Q0=1,其余3个触发器仍保持0态,整个计数器的状态是0001。 ②第2个CP后沿,触发器C0又翻转成“Q0=0,C1翻转成Q1=1,计数器成0010。 ……到第15个CP后沿,计数器成1111。 可见这个计数器确实能对CP脉冲计数。 (2)分频器 计数器的第一个触发器是每隔2个CP送出一个进位脉冲,所以每个触发器就是一个2分频的分频器,16进制计数器就是一个16分频的分频器。 为了提高电子钟表的精确度,普遍采用的方法是用晶体 生32768赫标准信号脉冲,经过15级2分频处理得到1赫的秒信号。 因为晶体振荡器的准确度和稳定度很高,所以得到的秒脉冲信号也是精确可靠的。 把它们做到一个集成片上便是电子手表专用集成电路产品,见图10。 数字逻辑电路读图要点和举例 数字逻辑电路的读图步骤和其它电路是相同的,只是在进行电路分析时处处要用逻辑分析的方法。 读图时要: ①先大致了解电路的用途和性能。 ②找出输入端、输出端和关键部件,区分开各种信号并弄清信号的流向。 ③逐级分析输出与输入的逻辑关系,了解各部分的逻辑功能。 ④最后统观全局得出分析结果。 例1三路抢答器 图11是智力竞赛用的三路抢答器电路。 裁判按下开关SA4,触发器全部被置零,进入准备状态。 这时Q1~Q3均为1,抢答灯不亮;门1和门2输出为0,门3和门4组成的音频振荡器不振荡,扬声器无声。 竞赛开始,假定1号台抢先按下SA1,触发器C1翻转成Q1=1、Q1=0。 于是: ①门2输出为1,振荡器振荡,扬声器发声;②HL1灯点亮;③门1输出为1,这时2号、3号台再按开关也不起作用。 裁判宣布竞赛结果后,再按一下SA4,电路又进入准备状态。 例2彩灯追逐电路 图12是4位移位寄存器控制的彩灯电路。 开始时按下SA,触发器C1~C4被置成1000,彩灯HL1被点亮。 CP脉冲来到后,寄存器移1位,触发器C1~C4成0100,彩灯HL2点亮。 第2个CP脉冲点亮HL3,第3个点亮HL4,第4个CP又把触发器C
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