硬件基本概念-數(shù)字電子電路

1. 簡介

數(shù)字電子電路加工和處理的對象是不連續(xù)變化的數(shù)字信號。數(shù)字電子電路又可分成脈沖電路和數(shù)字邏輯電路，它們處理的都是不連續(xù)的脈沖信號。脈沖電路是專門用來產(chǎn)生電脈沖和對電脈沖進(jìn)行放大、變換和整形的電路。家用電器中的定時(shí)器、報(bào)警器、電子開關(guān)、電子鐘表、電子玩具以及電子醫(yī)療器具等，都要用到脈沖電路。

2. 脈沖電路

電脈沖有各式各樣的形狀，有矩形、三角形、鋸齒形、鐘形、階梯形和尖頂形的，最具有代表性的是矩形脈沖。要說明一個(gè)矩形脈沖的特性可以用脈沖幅度 Um 、脈沖周期 T 或頻率 f 、脈沖前沿 t r 、脈沖后沿 t f 和脈沖寬度 t k 來表示。如果一個(gè)脈沖的寬度 t k =1 / 2T ，它就是一個(gè)方波。如下圖所示：

2.1 脈沖電路的特點(diǎn)

1) 脈沖電路中的晶體管是工作在開關(guān)狀態(tài)的。大多數(shù)情況下，晶體管是工作在特性曲線的飽和區(qū)或截止區(qū)，所以脈沖電路有時(shí)也叫開關(guān)電路。從所用的晶體管也可以看出來，在工作頻率較高時(shí)都采用專用的開關(guān)管，如 2AK 、 2CK 、DK 、 3AK 型管，只有在工作頻率較低時(shí)才使用一般的晶體管。

2) 另一個(gè)特點(diǎn)是一定有電容器(用電感較少)作關(guān)鍵元件，脈沖的產(chǎn)生、波形的變換都離不開電容器的充放電。

2.2 多諧振蕩器

脈沖有各種各樣的用途，有對電路起開關(guān)作用的控制脈沖，有起統(tǒng)帥全局作用的時(shí)鐘脈沖，有做計(jì)數(shù)用的計(jì)數(shù)脈沖，有起觸發(fā)啟動(dòng)作用的觸發(fā)脈沖等等。不管是什么脈沖，都是由脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生的，而且大多是短形脈沖或以矩形脈沖為原型變換成的。因?yàn)榫匦蚊}沖含有豐富的諧波，所以脈沖信號發(fā)生器也叫自激多諧振蕩器或簡稱多諧振蕩器。如果用門來作比喻，多諧振蕩器輸出端開閉時(shí)的狀態(tài)可以把多諧振蕩器比作賓館的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)門，它不需要人去推動(dòng)，總是不停地開門和關(guān)門。

1) 集基耦合多諧振蕩器

下圖是一個(gè)典型的分立元件集基耦合多諧振蕩器。它由兩個(gè)晶體管反相器經(jīng) RC 電路交叉耦合接成正反饋電路組成。兩個(gè)電容器交替充放電使兩管交替導(dǎo)通和截止，使電路不停地從一個(gè)狀態(tài)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)狀態(tài)，形成自激振蕩。從 A 點(diǎn)或 B 點(diǎn)可得到輸出脈沖。當(dāng)Rb1 =Rb2 =R ， Cb1 =Cb2 =C 時(shí)，輸出是幅度接近 E 的方波，脈沖周期 T=1.4RC 。如果兩邊不對稱，則輸出是矩形脈沖。

2) RC 環(huán)形振蕩器

下圖是常用的 RC 環(huán)形振蕩器。它用奇數(shù)個(gè)門、首尾相連組成閉環(huán)形，環(huán)路中有 RC 延時(shí)電路。圖中 RS 是保護(hù)電阻， R 和 C 是延時(shí)電路元件，它們的數(shù)值決定脈沖周期。輸出脈沖周期 T=2.2RC 。如果把 R 換成電位器，就成為脈沖頻率可調(diào)的多諧振蕩器。因?yàn)檫@種電路簡單可靠，使用方便，頻率范圍寬，可以從幾赫變化到幾兆赫，所以被廣泛應(yīng)用。

2.3 脈沖變換和整形電路

脈沖在工作中有時(shí)需要變換波形或幅度，如把矩形脈沖變成三角波或尖脈沖等，具有這種功能的電路就叫變換電路。脈沖在傳送中會造成失真，因此常常要對波形不好的脈沖進(jìn)行修整，使它整舊如新，具有這種功能的電路就叫整形電路。

1) 微分電路

微分電路是脈沖電路中最常用的波形變換電路，它和放大電路中的 RC 耦合電路很相似，見下圖。當(dāng)電路時(shí)間常數(shù) τ=RC<

2) 積分電路

把上圖中的 R 和 C 互換，并使 τ=RC>>t k ，電路就成為積分電路，見下圖。當(dāng)輸入矩形脈沖時(shí)，由于電容器充放電很慢，輸出得到的是一串幅度較低的近似三角形的脈沖波。

3) 限幅器

能限制脈沖幅值的電路稱為限幅器或削波器。下圖是用二極管和電阻組成的上限幅電路。它能把輸入的正向脈沖削掉。如果把二極管反接，就成為削掉負(fù)脈沖的下限幅電路。

用二極帶或三極管等非線性器件可組成各種限幅器，或是變換波形(如把輸入脈沖變成方波、梯形波、尖脈沖等)，或是對脈沖整形(如把輸入高低不平的脈沖系列削平成為整齊的脈沖系列等)。

4) 箝位器

能把脈沖電壓維持在某個(gè)數(shù)值上而使波形保持不變的電路稱為箝位器。它也是整形電路的一種。例如電視信號在傳輸過程中會造成失真，為了使脈沖波形恢復(fù)原樣，接收機(jī)里就要用箝位電路把波形頂部箝制在某個(gè)固定電平上。

下圖中反相器輸出端上就有一個(gè)箝位二極管 VD 。如果沒有這個(gè)二極管，輸出脈沖高電平應(yīng)該是12 伏，現(xiàn)在增加了箝位二極管，輸出脈沖高電平被箝制在 3 伏上。

此外，象反相器、射極輸出器等電路也有“整舊如新”的作用，也可認(rèn)為是整形電路。

5) 雙穩(wěn)電路

有記憶功能的雙穩(wěn)電路多諧振蕩器的輸出總是時(shí)高時(shí)低地變換，所以它也叫無穩(wěn)態(tài)電路。另一種雙穩(wěn)態(tài)電路就絕然不同，雙穩(wěn)電路有兩個(gè)輸出端，它們總是處于相反的狀態(tài)：一個(gè)是高電平，另一個(gè)必定是低電平。它的特點(diǎn)是如果沒有外來的觸發(fā)，輸出狀態(tài)能一直保持不變。所以常被用作寄存二進(jìn)制數(shù)碼的單元電路。

(a) 集基耦合雙穩(wěn)電路

下圖是用分立元件組成的集基耦合雙穩(wěn)電路。它由一對用電阻交叉耦合的反相器組成。它的兩個(gè)管子總是一管截止一管飽和，例如當(dāng) VT1 管飽和時(shí) VT2 管就截止，這時(shí) A 點(diǎn)是低電平 B 點(diǎn)是高電平。如果沒有外來的觸發(fā)信號，它就保持這種狀態(tài)不變。如把高電平表示數(shù)字信號“ 1 ”，低電平表示“ 0 ”，那么這時(shí)就可以認(rèn)為雙穩(wěn)電路已經(jīng)把數(shù)字信號“ 1 ”寄存在 B 端了。

電路的基極分別加有微分電路。如果在 VT1 基極加上一個(gè)負(fù)脈沖(稱為觸發(fā)脈沖)，就會使 VT1 基極電位下降，由于正反饋的作用，使 VT1 很快從飽和轉(zhuǎn)入截止， VT2 從截止轉(zhuǎn)入飽和。于是雙穩(wěn)電路翻轉(zhuǎn)成 A 端為“ 1 ”， B 端為“ 0 ”，并一直保持下去。

(b)觸發(fā)脈沖的觸發(fā)方式和極性

雙穩(wěn)電路的觸發(fā)電路形式和觸發(fā)脈沖極性選擇比較復(fù)雜。從觸發(fā)方式看，因?yàn)橛兄绷饔|發(fā)(電位觸發(fā))和交流觸發(fā)(邊沿觸發(fā))的分別，所以觸發(fā)電路形式各有不同。從脈沖極性看，也是隨著晶體管極性、觸發(fā)脈沖加在哪個(gè)管子(飽和管還是截止管)上、哪個(gè)極上(基極還是集電極)而變化的。在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)槲⒎蛛娐纺苋菀椎氐玫郊饷}沖，觸發(fā)效果較好，所以都用交流觸發(fā)方式。觸發(fā)脈沖所加的位置多數(shù)是加在飽和管的基極上。所以使用 NPN 管的雙穩(wěn)電路所加的是負(fù)脈沖，而 PNP 管雙穩(wěn)電路所加的是正脈沖。

(c)實(shí)際應(yīng)用方案

集成觸發(fā)器除了用分立元件外，也可以用集成門電路組成雙穩(wěn)電路。但實(shí)際上因?yàn)槟壳坝写罅康募苫p穩(wěn)觸發(fā)器產(chǎn)品可供選用，如 R—S 觸發(fā)器、 D 觸發(fā)器、 J - K 觸發(fā)器等等，所以一般不使用門電路搭成的雙穩(wěn)電路而直接選用現(xiàn)成產(chǎn)品。

2.4 有延時(shí)功能的單穩(wěn)電路

無穩(wěn)電路有 2 個(gè)暫穩(wěn)態(tài)而沒有穩(wěn)態(tài)，雙穩(wěn)電路則有 2 個(gè)穩(wěn)態(tài)而沒有暫穩(wěn)態(tài)。脈沖電路中常用的第3 種電路叫單穩(wěn)電路，它有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。如果也用門來作比喻，單穩(wěn)電路可以看成是一扇彈簧門，平時(shí)它總是關(guān)著的，“關(guān)”是它的穩(wěn)態(tài)。當(dāng)有人推它或拉它時(shí)門就打開，但由于彈力作用，門很快又自動(dòng)關(guān)上，恢復(fù)到原來的狀態(tài)。所以“開”是它的暫穩(wěn)態(tài)。單穩(wěn)電路常被用作定時(shí)、延時(shí)控制以及整形等。

1)集基耦合單穩(wěn)電路

下圖是一個(gè)典型的集基耦合單穩(wěn)電路。它也是由兩級反相器交叉耦合而成的正反饋電路。它的一半和多諧振蕩器相似，另一半和雙穩(wěn)電路相似，再加它也有一個(gè)微分觸發(fā)電路，所以可以想象出它是半個(gè)無穩(wěn)電路和半個(gè)雙穩(wěn)電路湊合成的，它應(yīng)該有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。平時(shí)它總是一管( VT1 )飽和，另一管( VT2 )截止，這就是它的穩(wěn)態(tài)。當(dāng)輸入一個(gè)觸發(fā)脈沖后，電路便翻轉(zhuǎn)到另一種狀態(tài)，但這種狀態(tài)只能維持不長的時(shí)間，很快它又恢復(fù)到原來的狀態(tài)。電路暫穩(wěn)態(tài)的時(shí)間是由延時(shí)元件 R 和 C 的數(shù)值決定的： t =0.7RC

2) 集成化單穩(wěn)電路

用集成門電路也可組成單穩(wěn)電路。下圖是微分型單穩(wěn)電路，它用2個(gè)與非門交叉連接，門1輸出到門2 是用微分電路耦合，門2 輸出到門1 是直接耦合，觸發(fā)脈沖加到門1 的另一個(gè)輸入端UI 。它的暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間即定時(shí)時(shí)間為： t = (0.7 ～ 1.3) RC 。

3. 數(shù)字邏輯電路

把它叫做數(shù)字邏輯電路是因?yàn)殡娐分袀鬟f的雖然也是脈沖，但這些脈沖是用來表示二進(jìn)制數(shù)碼的，例如用高電平表示“ 1 ”，低電平表示“ 0 ”。聲音圖像文字等信息經(jīng)過數(shù)字化處理后變成了一串串電脈沖，它們被稱為數(shù)字信號。能處理數(shù)字信號的電路就稱為數(shù)字電路。

這種電路同時(shí)又被叫做邏輯電路，那是因?yàn)殡娐分械?ldquo; 1 ”和“ 0 ”還具有邏輯意義，例如邏輯“ 1 ”和邏輯“ 0 ”可以分別表示電路的接通和斷開、事件的是和否、邏輯推理的真和假等等。電路的輸出和輸入之間是一種邏輯關(guān)系。這種電路除了能進(jìn)行二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算外還能完成邏輯運(yùn)算和具有邏輯推理能力，所以才把它叫做邏輯電路。

由于數(shù)字邏輯電路有易于集成、傳輸質(zhì)量高、有運(yùn)算和邏輯推理能力等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、通信、測量等領(lǐng)域。一般家電產(chǎn)品中，如定時(shí)器、告警器、控制器、電子鐘表、電子玩具等都要用數(shù)字邏輯電路。

數(shù)字邏輯電路的第一個(gè)特點(diǎn)是為了突出“邏輯”兩個(gè)字，使用的是獨(dú)特的圖形符號。數(shù)字邏輯電路中有門電路和觸發(fā)器兩種基本單元電路，它們都是以晶體管和電阻等元件組成的，但在邏輯電路中我們只用幾個(gè)簡化了的圖形符號去表示它們，而不畫出它們的具體電路，也不管它們使用多高電壓，是 TTL 電路還是 CMOS 電路等等。按邏輯功能要求把這些圖形符號組合起來畫成的圖就是邏輯電路圖，它完全不同于一般的放大振蕩或脈沖電路圖。

數(shù)字電路中有關(guān)信息是包含在 0 和 1 的數(shù)字組合內(nèi)的，所以只要電路能明顯地區(qū)分開 0 和 1 ，0 和 1 的組合關(guān)系沒有破壞就行，脈沖波形的好壞我們是不大理會的。所以數(shù)字邏輯電路的第二個(gè)特點(diǎn)是我們主要關(guān)心它能完成什么樣的邏輯功能，較少考慮它的電氣參數(shù)、性能等問題。也因?yàn)檫@個(gè)原因，數(shù)字邏輯電路中使用了一些特殊的表達(dá)方法如真值表、特征方程等，還使用一些特殊的分析工具如邏輯代數(shù)、卡諾圖等等，這些也都與放大振蕩電路不同。

3.1 門電路

門電路可以看成是數(shù)字邏輯電路中最簡單的元件。目前有大量集成化產(chǎn)品可供選用。最基本的門電路有3 種：非門、與門和或門。

數(shù)字集成電路有 TTL 、 HTL 、 CMOS 等多種，所用的電源電壓和極性也不同，但只要它們有相同的邏輯功能，就用相同的邏輯符號。而且一般都規(guī)定高電平為 1 、低電平為 0 。

3.2 觸發(fā)器

觸發(fā)器實(shí)際上就是脈沖電路中的雙穩(wěn)電路，它的電路和功能都比門電路復(fù)雜，它也可看成是數(shù)字邏輯電路中的元件。目前也已有集成化產(chǎn)品可供選用。常用的觸發(fā)器有D觸發(fā)器和J—K觸發(fā)器。

3.3 編碼器和譯碼器

能夠把數(shù)字、字母變換成二進(jìn)制數(shù)碼的電路稱為編碼器。反過來能把二進(jìn)制數(shù)碼還原成數(shù)字、字母的電路就稱為譯碼器。

3.4 寄存器

能夠把二進(jìn)制數(shù)碼存貯起來的的部件叫數(shù)碼寄存器，簡稱寄存器。下圖是用4個(gè)D 觸發(fā)器組成的寄存器，它能存貯 4 位二進(jìn)制數(shù)。 4 個(gè) CP 端連在一起作為控制端，只有 CP=1 時(shí)它才接收和存貯數(shù)碼。 4 個(gè) R D 端連在一起成為整個(gè)寄存器的清零端。如果要存貯二進(jìn)制碼 1001 ，只要把它們分別加到觸發(fā)器 D 端，當(dāng) CP 來到后 4 個(gè)觸發(fā)器從高到低分別被置成 1 、 0 、 0 、 1 ，并一直保持到下一次輸入數(shù)據(jù)之前。要想取出這串?dāng)?shù)碼可以從觸發(fā)器的 Q 端取出。

3.5 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，也可是雙向移位的。

下圖是一個(gè)能把數(shù)碼逐位左移的寄存器。它和一般寄存器不同的是：數(shù)碼是逐位串行輸入并加在最低位的 D 端，然后把低位的 Q 端連到高一位的 D 端。這時(shí) CP 稱為移位脈沖。

3.6 計(jì)數(shù)器

能對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的部件叫計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器品種繁多，有作累加計(jì)數(shù)的稱為加法計(jì)數(shù)器，有作遞減計(jì)數(shù)的稱為減法計(jì)數(shù)器;按觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)來分又有同步計(jì)數(shù)器和異步計(jì)數(shù)器;按數(shù)制來分又有二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和其它進(jìn)位制的計(jì)數(shù)器等等。

現(xiàn)舉一個(gè)最簡單的加法計(jì)數(shù)器為例，見下圖。它是一個(gè) 16 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，最大計(jì)數(shù)值是1111 ，相當(dāng)于十進(jìn)制數(shù) 15 。需要計(jì)數(shù)的脈沖加到最低位觸發(fā)器的 CP 端上，所有的 J 、 K 端都接高電平 1 ，各觸發(fā)器 Q 端接到相鄰高一位觸發(fā)器的 CP 端上。 J—K 觸發(fā)器的特性表告訴我們：當(dāng) J=1 、 K=1 時(shí)來一個(gè) CP ，觸發(fā)器便翻轉(zhuǎn)一次。在全部清零后， ① 第 1 個(gè) CP 后沿，觸發(fā)器 C0 翻轉(zhuǎn)成 Q0=1 ，其余 3 個(gè)觸發(fā)器仍保持 0 態(tài)，整個(gè)計(jì)數(shù)器的狀態(tài)是 0001 。 ② 第 2 個(gè) CP 后沿，觸發(fā)器 C0 又翻轉(zhuǎn)成“ Q0=0 ， C1 翻轉(zhuǎn)成 Q1=1 ，計(jì)數(shù)器成 0010 。 …… 到第 15 個(gè) CP 后沿，計(jì)數(shù)器成 1111 。可見這個(gè)計(jì)數(shù)器確實(shí)能對 CP 脈沖計(jì)數(shù)。

3.7 分頻器

計(jì)數(shù)器的第一個(gè)觸發(fā)器是每隔 2 個(gè) CP 送出一個(gè)進(jìn)位脈沖，所以每個(gè)觸發(fā)器就是一個(gè) 2 分頻的分頻器， 16 進(jìn)制計(jì)數(shù)器就是一個(gè) 16 分頻的分頻器。

為了提高電子鐘表的精確度，普遍采用的方法是用晶體振蕩器產(chǎn)生 32768 赫標(biāo)準(zhǔn)信號脈沖，經(jīng)過15級2分頻處理得到1赫的秒信號。因?yàn)榫w振蕩器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度很高，所以得到的秒脈沖信號也是精確可靠的。把它們做到一個(gè)集成片上便是電子手表專用集成電路產(chǎn)品，見下圖。