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1、第四章第四章 脉冲与数字脉冲与数字逻辑电路路4.1 脉冲电路脉冲电路4.2 三极管反相器三极管反相器4.3 脉冲的整形与鉴别脉冲的整形与鉴别4.4 基本逻辑电路基本逻辑电路4.5 双稳态触发器双稳态触发器4.6 脉冲的计数和显示脉冲的计数和显示4.7 模数和数模转换模数和数模转换 一、一、数字信号和模拟信号数字信号和模拟信号电电子子电电路路中中的的信信号号模拟信号模拟信号数字信号数字信号随时间连续变化的信号随时间连续变化的信号时间和幅度都是离散的时间和幅度都是离散的模拟信号：模拟信号：tu正弦波信号正弦波信号t锯齿波信号锯齿波信号u 研究模拟信号时，我们注重电路输入、研究模拟信号时，我们注重电
2、路输入、输出信号间的大小、相位关系。相应输出信号间的大小、相位关系。相应的电子电路就是模拟电路，包括交直的电子电路就是模拟电路，包括交直流放大器、滤波器、信号发生器等。流放大器、滤波器、信号发生器等。 在模拟电路中，晶体管一般工作在放在模拟电路中，晶体管一般工作在放大状态。大状态。数字信号：数字信号：数字信号数字信号产品数量的统计。产品数量的统计。数字表盘的读数。数字表盘的读数。数字电路信号：数字电路信号：tu研究数字电路时注重电路输出、输研究数字电路时注重电路输出、输入间的逻辑关系，因此不能采用模入间的逻辑关系，因此不能采用模拟电路的分析方法。主要的分析工拟电路的分析方法。主要的分析工具是逻
3、辑代数，电路的功能用真值具是逻辑代数，电路的功能用真值表、逻辑表达式或波形图表示。表、逻辑表达式或波形图表示。在数字电路中，三极管工作在开关在数字电路中，三极管工作在开关状态下，即工作在饱和状态或截止状态下，即工作在饱和状态或截止状态。状态。 在近代电子设备中，按照信号形在近代电子设备中，按照信号形式的不同式的不同, ,通常我们将电路分为两大通常我们将电路分为两大类：模拟电路与数字电路。模拟电路类：模拟电路与数字电路。模拟电路处理的是模拟信号；数字电路处理的处理的是模拟信号；数字电路处理的是数字信号。是数字信号。 数字电路区别于模拟电路的主要数字电路区别于模拟电路的主要特点之特点之 一是：它的
4、工作信号是离散的一是：它的工作信号是离散的脉冲信号。最常用的脉冲信号是方波脉冲信号。最常用的脉冲信号是方波 ( 矩形波矩形波)。如何产生方波以及对不理。如何产生方波以及对不理想的方波如何整形，是本章讨论的重想的方波如何整形，是本章讨论的重点。点。t0ut0u 二、二、脉冲电路脉冲电路 所所谓脉冲脉冲电压或或电流流是指在极短是指在极短暂时间间隔内作用于隔内作用于电路的路的电压或或电流。流。 t0ut0u尖脉冲尖脉冲方波方波矩形脉冲矩形脉冲梯形脉冲梯形脉冲脉冲上升时间：脉冲前沿从脉冲上升时间：脉冲前沿从0.1Um上升到上升到0.9Um所需要的时间所需要的时间脉冲下降时间：脉冲前沿从脉冲下降时间：脉
5、冲前沿从0.9Umx下降到下降到0.1Um所需要的时间所需要的时间 三、三、脉冲的主要参数脉冲的主要参数Um0.9Um0.5Um0.1Um0twtrtftp脉冲幅度：脉冲电压或脉冲幅度：脉冲电压或电流由电流由0跳变至最大值跳变至最大值前沿前沿平顶平顶后沿后沿T脉冲宽度：脉冲宽度：从脉冲前沿从脉冲前沿上升到上升到0.5Um处开始，处开始，到脉冲后沿到脉冲后沿下降到下降到0.5Um为止为止所所持续的时间。持续的时间。也称有效脉也称有效脉宽。宽。脉冲周期：脉冲周期：周期性重周期性重复的脉冲复的脉冲序列中，序列中，两个相邻两个相邻脉冲间的脉冲间的时间间隔。时间间隔。脉冲频率脉冲频率：脉冲周期T的倒数，
6、f = 1/ T，表示单位时间内脉冲重复的次数。占空系数占空系数tw / T ：周期性脉冲宽度与脉冲周期的比值。 四、四、RC分压电路分压电路 预备知识CRRESRC的充电过程iEUc0tE/Ri0tRC的放电过程i电容两端的电压UC和放电电流i都从它们各自的最大值（E和E/R）按指数规律衰减，最后到零 。0.63E 四、四、RC分压电路分压电路uiuoR1R2CoUmui0tuo0tUmuiuoR1R2CoCj 波形的改善波形的改善uo0tCj合适uo0tCj过小uo0tCj过大Cj选择合适时，输出波形的起始值UO等于终止值 ， 或 两段电路的时间常数相同 五、五、脉冲的微分脉冲的微分uiu
7、oRCui0tUmtwuo0tUm-Um Uo只是反映输入电压Ui的突变部分，对于输入电压的恒定部分，输出为零。 六、六、计数率计电路计数率计电路泵电路泵电路D1D2uiuoRC1C当输入Ui由零上跳变到Um时 导通通 充充电， 每秒充电电量为每秒充电电量为nq当输入Ui由Um下跳变到零时 截止截止通过通过D2放放电电通过通过R放电放电达到平衡时 当nRC1Ibs，三极三极管进入管进入饱和区饱和区, UCE 0.3V放大区放大区当当Ib0时，晶，晶体管工体管工作在作在截截止区止区一、三极管的开关特性一、三极管的开关特性 uiuoKRUccIcs开启时间：开启时间：三极管由截止转变为饱和导通所需
8、的时间。 在开关电路中，三极管工作点的移动范围很大，在输入信号ui的控制下，工作点Q能从截止区，经过放大区，到达饱和区，或反之。它是一种大信号运用状态。 关闭时间：关闭时间：三极管由饱和导通转变为截止所需的时间。通常，关闭时间比开启时间要长得多。通常，关闭时间比开启时间要长得多。uituot+Ec0.3V二、反相器二、反相器RcR1uiuo+EcuoR1R2ui+EcEbRcC满足三极管可靠截止的条件是：足三极管可靠截止的条件是： Ube Ibs，其中，其中 IbsEc /Rc 正脉冲延时电路uoR1RBui+EcRcCuituotT+VCCF4.3 脉冲的整形与鉴别脉冲的整形与鉴别S 将各种
9、形状和幅度的脉冲转换为幅度一致的矩形脉冲脉冲的整形脉冲的整形 在整形过程中，把幅度较小的脉冲消除脉冲的鉴别脉冲的鉴别 ui0t0tuo输出波形输出波形一、二极管幅度鉴别电路一、二极管幅度鉴别电路uiuoRCD1D2RRW-E通过调节通过调节RW可钳可钳制在任意的负电平制在任意的负电平上上ui0tu10tuo0t削波电路削波电路钳位电路钳位电路u1二、施密特触发器二、施密特触发器uiuoR1Re+EcRc1Rc2R2T1T2ui0tuo0t三极管特性三极管特性Ic1Uc1下降下降Ube2下降下降Ie2减小减小Ics2不变，不变，T T2 2仍仍处于饱和状态处于饱和状态Uc1下降到一下降到一定程度
10、，使定程度，使T T2 2脱离饱和脱离饱和ui进一进一步上升步上升Ic2开始下降开始下降Ui=0T T1 1截止截止T T2 2饱和饱和U Ue eUbe1T T1 1饱和饱和T T2 2截止截止UT+UT-稳态稳态1 1稳态稳态2 2上限阈值电平上限阈值电平下限阈值电平下限阈值电平uo0uiUT-UT+电压传输特性T1截止截止T2饱和饱和T1饱和饱和T2截止截止集成运放组成的施密特触发器集成运放组成的施密特触发器 实际上是一个具有正反馈的电压比较器 Usuoui+UsR1R2ufuoui+UsR1R2uf假设在起始状态假设在起始状态ui 脉冲波形的整形 脉冲幅度鉴别 0tui0tuou10t
11、uiui信号信号信号信号噪声噪声噪声噪声噪声噪声0tuo 电压比较 基本逻辑电路基本逻辑电路逻辑逻辑“条件”与“结果”的关系逻辑电路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。逻辑变量真真假假1逻辑运算逻辑运算0逻辑运算逻辑运算 逻辑代数与基本逻辑关系逻辑代数与基本逻辑关系在数字电路中，我们要研究的是电路在数字电路中，我们要研究的是电路的输入输出之间的逻辑关系，所以数字电的输入输出之间的逻辑关系，所以数字电路又称路又称逻辑电路逻辑电路，相应的研究工具是，相应的研究工具是逻辑逻辑代数（布尔代数）代数（布尔代数）。在逻辑代数中，逻辑函数的变量
12、只能在逻辑代数中，逻辑函数的变量只能取两个值（取两个值（二值变量二值变量），即），即0和和1，中间值，中间值没有意义，这里的没有意义，这里的0和和1只表示两个对立的只表示两个对立的逻辑状态，如电位的低高（逻辑状态，如电位的低高（0表示低电位，表示低电位，1表示高电位）、开关的开合等。表示高电位）、开关的开合等。门电路是用以实现逻辑关系的电子电门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相对应，门电路主路，与基本逻辑关系相对应，门电路主要有：要有：与门与门、或门或门、与非门与非门、或非门或非门、异或门异或门等。等。在数字电路中，一般用高电平代表在数字电路中，一般用高电平代表1、低点平代表低
13、点平代表0，即所谓的，即所谓的正逻辑系统正逻辑系统。一、基本逻辑门电路一、基本逻辑门电路（1）与门）与门A、B条件都具备时，事件条件都具备时，事件F才发生。才发生。EFAB&ABF逻辑符号逻辑符号“与与”逻辑逻辑F=AB逻辑式逻辑式逻辑乘法逻辑乘法逻辑与逻辑与真值表真值表ABF000010100111二极管与门二极管与门FD1D2AB+12V设二极管的饱和压降设二极管的饱和压降为为0.3伏。伏。门电路门电路“或或”逻辑逻辑A、B只有一个条件具备时，事件只有一个条件具备时，事件F就发生。就发生。1ABF逻辑符号逻辑符号AEFBC（2）或门）或门F=A+B逻辑式逻辑式逻辑加法逻辑加法逻辑或逻辑或真
14、值表真值表ABF000011101111二极管或门二极管或门FD1D2AB-12V（3）非门）非门A条件具备时条件具备时 ，事件，事件F不发生；不发生；A不具备不具备时，事件时，事件F发生。发生。逻辑符号逻辑符号AEFRAF“非非”逻辑逻辑逻辑式逻辑式逻辑非逻辑非逻辑反逻辑反真值表真值表AF0110R1DR2AF+12V +3V三极管非门三极管非门嵌位二极管嵌位二极管（三极管的饱和压降（三极管的饱和压降假设为假设为0.3V）&ABCF（4）几种常用的逻辑关系逻辑）几种常用的逻辑关系逻辑“与与”、“或或”、“非非”是三种基本的是三种基本的逻辑关系，任何其它的逻辑关系都可以以逻辑关系，任何其它的逻
15、辑关系都可以以它们为基础表示。它们为基础表示。与非：与非：条件条件A、B、C都具都具备，则备，则F 不发不发生。生。或非：或非：条件条件A、B、C任一任一具备，则具备，则F不不 发生。发生。 1ABCF异或：异或：条件条件A、B有一个具有一个具备，另一个不备，另一个不具备则具备则F 发生。发生。ABC=1F1. 体积大、工作不可靠。体积大、工作不可靠。2. 需要不同电源。需要不同电源。3. 各种门的输入、输出电平不匹配。各种门的输入、输出电平不匹配。分立元件门电路的缺点分立元件门电路的缺点与分立元件电路相比，集成电路与分立元件电路相比，集成电路具有体积小、可靠性高、速度快的特具有体积小、可靠性
16、高、速度快的特点，而且输入、输出电平匹配，所以点，而且输入、输出电平匹配，所以早已广泛采用。根据电路内部的结构，早已广泛采用。根据电路内部的结构，可分为可分为DTL、TTL、HTL、MOS管集管集成门电路等。成门电路等。二、集成门电路二、集成门电路 TTL与非门的基本原理与非门的基本原理TTL与非门的内部结构与非门的内部结构+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC 1. 任一输入为低电平（任一输入为低电平（0.3V）时）时“0”1V不足以让不足以让T2、T5导通导通三个三个PN结结导通需导通需2.1V+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC
17、+5VFR4R2R13kR5T3T4T1b1c1ABC1. 任一输入为低电平（任一输入为低电平（0.3V）时）时“0”1Vuouo=5-uR2-ube3-ube4 3.4V高电平！高电平！ 2. 输入全为高电平（输入全为高电平（3.4V）时）时“1”全导通全导通电位被钳电位被钳在在2.1V全反偏全反偏 1V截止截止+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC 2. 输入全为高电平（输入全为高电平（3.4V）时）时+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC全反偏全反偏“1”饱和饱和uF=0.3V MOS型集成门电路型集成门电路GSD栅栅极极源极漏极MOS管是绝缘栅场
18、效应管，是一管是绝缘栅场效应管，是一种新型半导体器件，外形与普通晶体种新型半导体器件，外形与普通晶体管相似，但控制特性却截然不同。普管相似，但控制特性却截然不同。普通晶体管是电流控制元件，通过控制通晶体管是电流控制元件，通过控制基极电流控制集电极电流，信号源必基极电流控制集电极电流，信号源必须提供一定的电流才能工作，因此它须提供一定的电流才能工作，因此它的输入电阻较低，仅有的输入电阻较低，仅有1001001K1K。而。而场效应管则是电压控制元件，它的输场效应管则是电压控制元件，它的输出电流取决于输入电压的大小，基本出电流取决于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它的上不需要信号源提
19、供电流，所以它的输入电阻可高达输入电阻可高达10109 910101414 MOS型集成门电路型集成门电路 MOS型集成门电路的类型型集成门电路的类型PMOSCMOSNMOSUCCST2DT1AFNMOS管管PMOS管管CMOS电路电路MOS反相器反相器0UDSID负载线负载线ui=“1”ui=“0”uo=“0”uo=“1”uiuoUCCRDSUCCST2DT1uiuoui=0截止截止ugs2= UCC导通导通u=“”工作原理：工作原理：UCCST2DT1uiuoui=导通导通截止截止u=“”工作原理：工作原理：2.5.2 CMOS电路的优点电路的优点1. 静态功耗小。静态功耗小。2. 允许电
20、源电压范围宽（允许电源电压范围宽（3 18V）。）。3. 扇出系数大，抗噪容限大。扇出系数大，抗噪容限大。1、逻辑电平、逻辑电平三、门电路的主要性能三、门电路的主要性能逻辑0和逻辑1的输出电平和允许输入电平。0值的电平必须低于最高允许输入电平1值的电平必须高于最低允许输入电平最高和最低电平之间的差值称为逻辑摆幅。门电路的供电电源电压越高，摆幅越大，抗干扰能力越强，但延迟时间也越长，导致运算速度变慢。关于电流的技术参数关于电流的技术参数2、输入电流和输入阻抗特性、输入电流和输入阻抗特性名称及符号名称及符号含义含义输入低电平电流输入低电平电流IiL输入为低电平时流入输输入为低电平时流入输入端的电流
21、入端的电流-1 .4mA。输入高电平电流输入高电平电流IiH输入为高电平时流入输输入为高电平时流入输入端的电流入端的电流几十几十A。输入阻抗输入阻抗双极型门电路：MOS门电路：低低高高3 3、输出电流和输出阻抗特性、输出电流和输出阻抗特性 门电路输出为逻辑0时吸收负载电流（拉电流）门电路输出为逻辑1时向负载提供电流（灌电流）双极型门电路最大输出电流约为数毫安MOS门电路最大输出电流不到1毫安双极型门电路输出逻辑0时，输出电阻约为1020；输出逻辑1时，输出电阻比输出逻辑0时大10倍。MOS门电路输出电阻约为数千欧4、 平均传输时间和开关时间平均传输时间和开关时间tuiotuoo50%50%tp
22、d1tpd2平均传输时间平均传输时间导通时间导通时间从输出信号上升幅值的10到90的时间截止时间截止时间从输出信号下降幅值的90到10的时间开关时间开关时间是导通时间和是导通时间和截止时间的平截止时间的平均值。均值。TTL门电路的开关时间为数纳秒MOS门电路的开关时间小于1微秒1. 悬空的输入端相当于接高电平。悬空的输入端相当于接高电平。2. 为了防止干扰，可将悬空的输入为了防止干扰，可将悬空的输入端接高电平。端接高电平。触发器触发器触发器输出有两种可能的状态：触发器输出有两种可能的状态：0、1；输出状态不只与现时的输入有关，还与输出状态不只与现时的输入有关，还与原来的输出状态有关；原来的输出
23、状态有关；触发器是有记忆功能的逻辑部件。触发器是有记忆功能的逻辑部件。按功能分类：按功能分类：R-S触发器、触发器、D型触发器、型触发器、JK触发器、触发器、T型触发器等。型触发器等。 4.1 概述概述&a&b反馈反馈两个输入端两个输入端两个输出端两个输出端一、一、RS触发器触发器Q逻辑符号逻辑符号若原状态：若原状态：10111001输出保持原状态：输出保持原状态：&a&b若原状态：若原状态：01110110输出保持原状态：输出保持原状态：&a&b&a&b若原状态：若原状态：11001010输出仍保持：输出仍保持：&a&b若原状态：若原状态：01111010输出变为：输出变为：若原状态：若原状
24、态：10101011输出变为：输出变为：&a&b若原状态：若原状态：00110101输出保持：输出保持：&a&b0011输出全是输出全是1&a&b但当但当 同时变为同时变为1时，翻转快时，翻转快的门输出变为的门输出变为0，另一个不得翻转。，另一个不得翻转。基本触发器的功能表基本触发器的功能表1. 基本触发器是双稳态器件，只要令基本触发器是双稳态器件，只要令 ，触发器即保持原态。稳态情况下，两个输出，触发器即保持原态。稳态情况下，两个输出互补。一般定义互补。一般定义Q为触发器的状态。为触发器的状态。2. 在控制端加入负脉冲，可以使触发器状态变化。在控制端加入负脉冲，可以使触发器状态变化。 端加入
25、负脉冲，使端加入负脉冲，使Q = 1， 称为称为“置位置位”或或“置置 1 ”端；端； 端加入负脉冲，使端加入负脉冲，使 Q = 0， 称为称为“复位复位”或或“ 清清 0 ”端。端。基本基本RS触发器的工作波形触发器的工作波形Q&c&d&a&bCP时钟信号时钟信号 为协调各触发器的动作，加时钟脉冲信号为协调各触发器的动作，加时钟脉冲信号CP。R、S为输入为输入控制端控制端时钟控制的时钟控制的RS触发器触发器CP=0时时011触发器保持原态触发器保持原态&c&d&a&bCPCP=1时时1&c&d&a&bCPRS触发器的功能表触发器的功能表RSCQ逻辑符号逻辑符号例：画出例：画出RS触发器的输出
26、波形触发器的输出波形 。CPRSQSetReset使输出全为使输出全为1CP撤去后撤去后状态不定状态不定计数电路计数电路来一个时钟脉来一个时钟脉冲翻转一次，冲翻转一次，叫计数器。叫计数器。&c&d&a&bCPRS工作原理工作原理10010110假设假设Q=010来一个时钟翻转一次来一个时钟翻转一次&c&d&a&bCP存在的问题存在的问题1. 计数脉冲必须严密配合，正脉计数脉冲必须严密配合，正脉冲不能太长，否则触发器将产冲不能太长，否则触发器将产生空翻现象（生空翻现象（CP=1期间，输期间，输出状态翻转若干次）。出状态翻转若干次）。2. 为了解决空翻现象，可以采用为了解决空翻现象，可以采用主从方
27、式触发的触发器。主从方式触发的触发器。RSCF从从CP电路结构电路结构RSCF主主反相，反相， F主主和和F从从不能同时不能同时工作工作二、主从式触发器二、主从式触发器F主主和和F从从结构结构同同RS触发器触发器工作原理工作原理10F主主打开打开F从从关闭关闭RSCF从从CPRSCF主主主触发器的主触发器的状态由输入状态由输入端端R、S的状的状态决定态决定 触发器输出触发器输出状态不变状态不变 1输出送输出送入入F从从0CP工作原理工作原理F主主关闭关闭F从从打开打开0RSCF从从RSCF主主RDSDCQCP边沿边沿处翻转处翻转CP负沿负沿处翻转处翻转逻辑符号逻辑符号CPRSCF从从RSCF主
28、主时序图时序图CPQ下降沿翻转！下降沿翻转！三、三、JK触发器触发器R2S2CF从从R1S1CF主主CPKJJK触发器触发器有两个输有两个输入控制端入控制端J、K，它，它的的功能最完功能最完善善JK触发器触发器的功能的功能=0=0被封锁被封锁保持原态保持原态J=K=0时：时：R2S2CF从从R1S1CF主主CPKJJK触发器触发器的功能的功能=1=1触发器状态触发器状态与原来相反与原来相反J=K=1时：时：R2S2CF从从R1S1CF主主CPKJJK触发器触发器的功能的功能=0=1 Qn=0时时01Qn+1=11J=1，K=0时：时：分两种情况分两种情况（Q=0,Q=1）KJR2S2CF从从R
29、1S1CF主主CPJK触发器触发器的功能的功能=0=1 Qn=1时时00F主主被封被封保持原态保持原态Qn+1 =1R2S2CF从从R1S1CF主主CPKJ10J=1，K=0时，无论触发器原时，无论触发器原来状态如何，当来状态如何，当CP脉冲触发后，脉冲触发后，触发器输出为触发器输出为1状态。状态。JK触发器触发器的功能的功能=1=0Qn+1=0同样原理：同样原理：J=0，K=1时：时：R2S2CF从从R1S1CF主主CPKJ功能表功能表逻辑符号逻辑符号JK触发器不存在不定状态，逻辑功能比触发器不存在不定状态，逻辑功能比RS触发器完善触发器完善CQKJ时序图时序图CPKJQJQ 保持保持T四、
30、四、 D触发器触发器D&c&d&a&bCP输入端输入端CP=0时，时，a、b门被堵塞，输出保持原态：门被堵塞，输出保持原态：011保持保持D&c&d&a&bCPCP=1时，时，a、b门被打开，输出由门被打开，输出由D决定：决定：若若D=01011001D&c&d&a&bCPCP=1时，时，a、b门被打开，输出由门被打开，输出由D决定：决定：若若D=11100110D&c&d&a&bCPRDSDD CQ功能表功能表逻辑符号逻辑符号CPDQ例：画出例：画出D触发器的输出波形。触发器的输出波形。五、五、 T和和 T 触发器触发器T 触发器触发器CQKJCPTT=0，即，即J=K=0，CP脉冲触发后，
31、脉冲触发后，触发器保持原态触发器保持原态T=1，即，即J=K=1，CP脉冲触发后，脉冲触发后，触发器状态与原触发器状态与原态相反态相反T 触发器触发器CQKJCPT在计数脉冲的作用在计数脉冲的作用下，触发器的状态下，触发器的状态随着计数脉冲的输随着计数脉冲的输入而改变。入而改变。1. JK触发器转换成触发器转换成D触发器触发器CQKJD CP六、六、触发器逻辑功能的转换触发器逻辑功能的转换2. JK触发器转换成触发器转换成T触发器触发器CQKJTCP3. D触发器转换成触发器转换成T触发器触发器CQDCP一、一、 数制数制（1）十进制十进制：以十为以十为基数基数的记数体制的记数体制表示数的十个
32、数码：表示数的十个数码：1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0遵循遵循逢十进一逢十进一的规律的规律脉冲的计数和显示脉冲的计数和显示例：例：9110一个十进制数数一个十进制数数 N可以表示成：可以表示成： 若在数字电路中采用十进制，必须若在数字电路中采用十进制，必须要有十个电路状态与十个记数码相对应。要有十个电路状态与十个记数码相对应。这样将在技术上带来许多困难，而且很这样将在技术上带来许多困难，而且很不经济。不经济。（2）二进制二进制：以二为基数的记数体制以二为基数的记数体制表示数的两个数码：表示数的两个数码：0, 1遵循遵循逢二进一逢二进一的规律的规律例：例：1110表示表
33、示2 20 0位数位数 表示表示2 21 1位数位数 （1001) B = ( 9 ) D二进制数二进制数1001转换为十进制数：转换为十进制数：用电路的两个状态用电路的两个状态-开关来表示开关来表示二进制数，数码的存储和传输简二进制数，数码的存储和传输简单、可靠。单、可靠。位数较多，使用不便；不合人们位数较多，使用不便；不合人们的习惯，输入时将十进制转换成的习惯，输入时将十进制转换成二进制，运算结果输出时再转换二进制，运算结果输出时再转换成十进制数。成十进制数。 用四位二进制数表示用四位二进制数表示09十个数码，十个数码，即为即为BCD码码 。四位二进制数最多可以有。四位二进制数最多可以有1
34、6种不同组合，不同的组合便形成了一种不同组合，不同的组合便形成了一种编码。主要有：种编码。主要有： 8421码、码、 5421码、码、2421码、余码、余3码等。码等。数字电路中编码的方式很多，常用的主数字电路中编码的方式很多，常用的主要是二要是二 十进制码（十进制码（BCD码）。码）。BCD-Binary-Coded-Decimal BCD码码在在BCD码中，十进制数码中，十进制数 (N)D 与二进与二进制编码制编码 (K3K2K1K0)B 的关系可以表示为：的关系可以表示为：(N)D= W3K3 +W2K2+W1K1+W0K0W3W0为二进制各位的权重为二进制各位的权重所谓的所谓的8421
35、码，就是指各位的权重码，就是指各位的权重是是8, 4, 2, 1。00000001001000110110011110001001101010111101111011110101110001000123678910111314155124二进制数二进制数自然码自然码 8421码码0000000100100011010001010111100010010001 00000001 00010001 00100001 00110001 01000001 0101 计数器的功能和分类计数器的功能和分类1. 计数器的计数器的功能功能 记忆输入脉冲的个数。用于定时、分记忆输入脉冲的个数。用于定时、分频、产
36、生节拍脉冲及进行数字运算等等。频、产生节拍脉冲及进行数字运算等等。2. 计数器的计数器的分类分类同步计数器和异步计数器。同步计数器和异步计数器。加法计数器、减法计数器和可逆计数器。加法计数器、减法计数器和可逆计数器。有时也用计数器的计数循环规律有时也用计数器的计数循环规律(或称或称模数模数)来区分各种不同的计数器，如二来区分各种不同的计数器，如二进制计数器、十进制计数器、二十进制计数器、十进制计数器、二十进制计数器等等。进制计数器等等。二、二、 计数器的分析计数器的分析 二进制计数器二进制计数器 在异步计数器中，有的触发器直接收输入计数在异步计数器中，有的触发器直接收输入计数脉冲控制，有的触发
37、器则是把其它触发器的输出脉冲控制，有的触发器则是把其它触发器的输出信号作为自己的时钟脉冲，因此各个触发器状态信号作为自己的时钟脉冲，因此各个触发器状态变换的时间先后不一，故被称为变换的时间先后不一，故被称为“ 异步计数器异步计数器 ”。二进制的加法法则：二进制的加法法则： 01得得111得得0并向高位进并向高位进1二进制加法计数器必须满足上述法则二进制加法计数器必须满足上述法则 异步二进制加法计数器异步二进制加法计数器 异步二进制计数器异步二进制计数器例、四位二进制例、四位二进制异步异步加法计数器。加法计数器。10CKJCKJCKJCKJQ3Q0Q1Q2CPF0F1F2F3二进制加法计数器必须
38、满足下列条件：二进制加法计数器必须满足下列条件： 每输入一个计数脉冲，触发器就翻转一次；每输入一个计数脉冲，触发器就翻转一次； 当低位触发器由当低位触发器由1态变为态变为0态时，输出一个进态时，输出一个进位信号加到高位触发器的计数输入端。位信号加到高位触发器的计数输入端。Q0注意注意：各触发器均在：各触发器均在CP的下降沿翻转。的下降沿翻转。1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16CPQ1Q2Q3假设在计数之前，在各触发器的 端加一置0负脉冲，使所有触发器全部处于0态，即 CPQ3Q2Q1Q0对应十十进制数制数000000100011200102300113
39、401004501015601106701117810008CPQ3Q2Q1Q0对应十十进制数制数91001910101010111011111211001213110113141110141511111516000016 异步二进制减法法计数器异步二进制减法法计数器二进制的减法法则：二进制的减法法则： 11 得得 001 得得1并向高位借并向高位借1二进制减法计数器必须满足下列条件：二进制减法计数器必须满足下列条件： 每减一次数，最低位的触发器翻转一次；每减一次数，最低位的触发器翻转一次； 触发器由触发器由0态变为态变为1态时，要产生一个阶跃态时，要产生一个阶跃输出作为借位信号。输出作为借位
40、信号。CPCKJQ3F3CKJQ2F2CKJQ1F1CKJQ2F0借位借位输出输出0000 11111 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17CP0000111111101101Q0Q1Q2Q30010000100001111CPQ3Q2Q1Q0对应十十进制数制数000000111111521110143110113411001251011116101010710019810008CPQ3Q2Q1Q0对应十十进制数制数9011171001106110101512010041300113140010215000111600000异步二进制计数器的特点：异步
41、二进制计数器的特点：计数脉冲只输入最低位触发器其他各位触发器由相邻的低位触发器输出脉冲的下降沿来触发优点优点：电路简单、可靠：电路简单、可靠缺点缺点：速度慢：速度慢异步计数器的优缺点：异步计数器的优缺点： 同步计数器的分析同步计数器的分析 在同步计数器中，各个触发器都在同步计数器中，各个触发器都受同一时钟脉冲受同一时钟脉冲 输入计数脉输入计数脉冲的控制，因此，它们状态的更新冲的控制，因此，它们状态的更新几乎是同时的，故被称为几乎是同时的，故被称为 “ 同步同步计数器计数器 ”。CPQ3CKJF0CKJF3CKJF2&Q2CKJF1&Q1Q0各位触各位触发器器触触发器翻器翻转的条件的条件控制控制
42、逻辑表达式表达式F0每每输入一个入一个CP脉冲翻脉冲翻转一次一次J0=K0=1F1若若Q01，输入入CP脉冲翻脉冲翻转一次一次J1=K1= Q0F2若若Q0Q11，输入入CP脉冲翻脉冲翻转一次一次J2=K2= Q0 Q1F3若若Q0Q1Q21，输入入CP脉冲翻脉冲翻转一次一次J3=K3= Q0 Q1 Q2CPCKJF0Q0Q3CKJF3+Q1CKJF1+Q2CKJF2+XX=1：加X0：减 同步二进制可逆计数器同步二进制可逆计数器 十进制计数器十进制计数器在十进制数中，每一位数都可能是在十进制数中，每一位数都可能是0 0，1 1，22，9 9十个数码中的任意一个；十个数码中的任意一个； 从从0
43、开始计数，遇到开始计数，遇到91时，这一位就要回时，这一位就要回到到0，并向高位进，并向高位进1，也即，也即“逢十进一逢十进一”。对十进制计数器的基本要求：对十进制计数器的基本要求： 它的每一位有十个状态，分别表示它的每一位有十个状态，分别表示0，1，2，9十个数码；十个数码； 计数时，能够在十个状态之间依次转换，并计数时，能够在十个状态之间依次转换，并能给出能给出“逢十进一逢十进一”的进位信号。的进位信号。00000001001000110110011110001001101010111101111011110101110001000123678910111314155124二进制数二进制数
44、自然码自然码 8421码码0000000100100011010001010111100010010001 00000001 00010001 00100001 00110001 01000001 0101&11&四位二进制加法计数器四位二进制加法计数器RDCPQ0Q1Q0Q0G1G2G3G4进位进位脉冲脉冲计数计数脉冲脉冲CPQ0Q1Q2Q31 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16数码显示数码显示由发光二极管( LED )组成 LED显示器 LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件 辉光数码管荧光数码管液晶数码管半导体数码管+5v+5v+5v+5v+5
45、v 译码器译码器译码是将一组代码（对于二进制数来说，译码是将一组代码（对于二进制数来说，就是自然二进制码）翻译成相应的逻辑信号。就是自然二进制码）翻译成相应的逻辑信号。（1）二进制译码器）二进制译码器将将n种输入的组合译成种输入的组合译成2n种电路状态。种电路状态。也叫也叫n-2n线译码器。线译码器。译码器的输入：译码器的输入：一组二进制代码一组二进制代码译码器的输出：译码器的输出：一组高低电平信号一组高低电平信号&A1A02-4线译码器线译码器74LS139的内部线路的内部线路输入输入控制端控制端输出输出74LS139的功能表的功能表“”表示低电平有效。表示低电平有效。74LS139管脚图管
46、脚图一片一片139种含两个种含两个2-4译码器译码器（2）显示译码器）显示译码器二二 十十进制编码进制编码显示译显示译码码 器器显示显示器件器件在数字系统中，常常需要将运算结果在数字系统中，常常需要将运算结果用人们习惯的十进制显示出来，这就要用用人们习惯的十进制显示出来，这就要用到到显示译码器显示译码器。显示器件显示器件： 常用的是常用的是七段显示器件七段显示器件abcdefg显示器件显示器件： 常用的是常用的是七段显示器件七段显示器件abcdfga b c d e f g1 1 1 1 1 1 00 1 1 0 0 0 01 1 0 1 1 0 1e显示译码器显示译码器：11474LS49B
47、CBIDAeabcdfgUccGND74LS49的管脚图的管脚图消隐控制端消隐控制端功能表（简表）功能表（简表）输输 入入输输 出出显显 示示D ABIa g10XXXX0000000消隐消隐8421码码译码译码显示字型显示字型完整的功能表请参考相应的参考书。完整的功能表请参考相应的参考书。74LS49与七段显与七段显示器件的连接示器件的连接：bfac d egbfac d egBID C B A+5V+5V74LS49是集电是集电极开路，必须极开路，必须接上拉电阻接上拉电阻74LS49数数/模与模模与模/数变换器是计数变换器是计算机与外部设备的重要接口算机与外部设备的重要接口,也是数字测量和
48、数字控制系也是数字测量和数字控制系统的重要部件。统的重要部件。4.7 数模和模数转换数模和模数转换能将数字量转换为模拟量的装置能将数字量转换为模拟量的装置称为数称为数/模变换器模变换器( 简称简称D/A变换器变换器 ); 能将模拟量转换为数字量的装置能将模拟量转换为数字量的装置称为模称为模/数变换器数变换器( 简称简称A/D变换器变换器 )。由于构成数字代码的每一位都有一由于构成数字代码的每一位都有一定的定的“权权”，因此为了将数字量转换成，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其模拟量，就必须将每一位代码按其“权权”转换成相应的模拟量，然后再将代表转换成相应的模拟量，然后再将代表
49、各位的模拟量相加，即可得到与该数字各位的模拟量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成量成正比的模拟量，这就是构成D/A变换变换器的基本思想。器的基本思想。一、一、D/A 变换器变换器 权电阻权电阻D/A变换器变换器 这种变换器由这种变换器由“电子模拟开关电子模拟开关”、“权权电阻求和网络电阻求和网络”、“运算放大器运算放大器”和和“基准基准电源电源”等部分组成。等部分组成。 UR+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115 kR = 80 k0011 电子模拟开关电子模拟开关( S( S0 0-S-S3 3) )由电子器件构成，其动作
50、由电子器件构成，其动作受二进制数受二进制数D D0 0-D-D3 3 控制。当控制。当 D DK K 1 1 时，则相应的开时，则相应的开关关S SK K 接到位置接到位置1 1上，将基准电源上，将基准电源U UR R经电阻经电阻R Rk k引起的电引起的电流接到运算放大器的虚地点（如图中流接到运算放大器的虚地点（如图中S S0 0、S S1 1）；当）；当D Dk k0 0 时，开关时，开关S Sk k 接到位置接到位置0 0 ，将相应电流直接接地，将相应电流直接接地而不进运放（如图中而不进运放（如图中S S2 2、S S3 3）。）。+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R
51、1R0RFD3D2D1D00011 UR5 kR = 80 kUo = - URRFR（）D3D0D1D223202122根据反相比例运算公式可得：根据反相比例运算公式可得： 显然，输出模拟电压的大小直接与输入显然，输出模拟电压的大小直接与输入 二进制数的大小成正比，从而实现了数字量二进制数的大小成正比，从而实现了数字量 到模拟量的转换到模拟量的转换 。+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR5 kR = 80 k T形解码网络形解码网络D/A变换器变换器( 以以4位为例位为例 )由于解码网络的电路结构和参数匹配，使得上图由于解码网络的电
52、路结构和参数匹配，使得上图中中D、C、B、A四点的电位逐位减半四点的电位逐位减半.AB+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR2RRRRI3I2I1I0ICD和权电阻网络相比，和权电阻网络相比，T T形解码网络中电阻的类型形解码网络中电阻的类型少，只有少，只有R、2R两种，电路构成比较方便。两种，电路构成比较方便。UD = URUC = UR/ 2UB = UR/4UA = UR/8即：即： 因此，每个因此，每个 2R支路中的电流也支路中的电流也逐位减半。逐位减半。AB+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1
53、D00011 UR2RRRRI3I2I1I0ICDI = I3 + I2 + I1 + I0UR2R=D3UR16RD0UR8RD1UR4RD2+=UR16R( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )=URRF16R( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )uo -AB+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR2RRRRI3I2I1I0ICD D/A变换器的主要技术指标变换器的主要技术指标指最小输出电压和最大输出电压之比。指最小输出电压和最大输出电压之比。 有时也用输入数字量的有效位数来表示有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨
54、率。分辨率。 分辨率分辨率 线性度线性度 通常用非线性误差的大小表示通常用非线性误差的大小表示D/A 变换变换器的线性度。把偏离理想的输入输出特性器的线性度。把偏离理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义的偏差与满刻度输出之比的百分数定义 为为非线性误差。非线性误差。 输出电压输出电压( 电流电流 )的建立时间的建立时间A/D变换器的任务是将模拟量变换器的任务是将模拟量转换成数字量转换成数字量,它是模拟信号和数它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性能不同，字仪器的接口。根据其性能不同，类型也比较多。类型也比较多。 二、二、 A/D 变换器变换器 并联比较型并联比较型-+-+-+-+
55、-+-+-+uxERRRRRRRRD2D1D0数字输出数字输出AGFECDB编编码码器器7E/86E/85E/84E/83E/82E/8E/8 电路由三部电路由三部分组成分组成: 分压分压器器、比较器比较器和和编码器编码器。 这种这种A/D 变变换器的优点是换器的优点是转换速度快，转换速度快，缺点缺点 是所需比是所需比较器数目多，较器数目多，位数越多矛盾位数越多矛盾越突出。越突出。比较器输入比较器输入E ux 7E / 87E / 8 ux 6E / 86E / 8 ux 5E / 85E / 8 ux 4E / 84E / 8 ux 3E / 83E / 8 ux 2E / 82E / 8
56、ux 1E / 81E / 8 ux 0A B C D E F G D2D0D1编码器输出编码器输出输入电压输入电压ux1 1 1 1 1 1 11111 1 1 1 1 1 0000111110 0 0 0 0 0 00000000 0 0 0 0 0000 0 00000 0 000 01111111111111111111000逻辑状态关系表逻辑状态关系表 逐次逼近型逐次逼近型 其工作原理可用天平秤重作比喻。其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重若有四个砝码共重15克，每个重量分别克，每个重量分别为为8、4、2、1克。设待秤重量克。设待秤重量Wx = 13克，克，可以用下表步骤来
57、秤量：可以用下表步骤来秤量：砝码重砝码重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，故保留，故保留砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx ，故撤除，故撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，故保留，故保留暂时结果暂时结果8 克克12 克克12 克克13 克克 结结 论论10001000D / Aux(待转换的模拟电压待转换的模拟电压)uouc控控制制逻逻辑辑数码寄存器数码寄存器移位寄存器移位寄存器时钟时钟清清 0、置数、置数清清 0、置数、置数CP、(移位命令移位命令)“1”状态是否保状态是否保留留控
58、制端控制端原理框图原理框图 A/D 变换器的主要技术指标变换器的主要技术指标 分辨率分辨率：以输出二进制代码的位数表示分辨：以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数越多，量化误差越小，转率。位数越多，量化误差越小，转换精度越高。换精度越高。 转换速度转换速度：完成一次：完成一次A/D转换所需要的时间，转换所需要的时间，即从它接到转换命令起直到输即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出所出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。需要的时间。 相对精度相对精度：实际转换值和理想特性之间的最：实际转换值和理想特性之间的最大偏差。大偏差。 其它：其它：功率功率、电源电压电源电压、电压范围电压范围等
59、。等。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区死区电压，称为电压，称为截止区。截止区。一、一、输入特性输入特性UCE 1VIB( A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：工作压降： 硅管硅管UBE 0.60.7V,锗管锗管UBE 0.20.3V。UCE=0VUCE =0.5V 死区电死区电压，硅管压，硅管0.5V，锗，锗管管0.2V。uiuo+UOM-UOMKd越大，运放的线性范围越小，必须越大，运放的线性范围越小，必须在在输出与输入之输出与输入之间间加负反馈加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。才能使其扩大输入信号的线性范围。uiuo_+Kd例：若例：若UOM=12V，Ao=106， 则则|ui|12 V时，运放时，运放 处于线性区。处于线性区。线性放大区线性放大区三、三、 运放工作在运放工作在线性区性区时的特的特点点+uouiURuoui0+Uom-UomUR当当ui UR时时 , uo = -Uom ui从反相端输入从反相端输入i12iFi11R12_+ RFR11ui2uoRPui1
