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《电子技术基础》电子教案


中等职业教育电类专业规划教材

《电子技术基础》

电子教案





范国伟

电子技术基础
? 第一章 半导体二极管和三极管 ? 第二章 基本放大电路 ? 第三章 集成运算放大器 ? 第四章 直流稳压电源 ? 第五章 晶闸管电路

? 第六章 门电路及组合逻辑电路
? 第七章 触发器和时序逻辑电路 ? 第八章 数字技术的常用电路

第1章 半导体二极管和三极管
? 1.1 半导体的基本知识

在我们日常接触的物质中,一类是电阻率 很小,容易导电的金属,如金、银、铜、锡等, 这类物质叫做导体;另一类是电阻率很大,几 乎不能导电的物质,如橡胶、陶瓷、玻璃等, 这类物质叫绝缘体。但是在自然界里面,还有 一些物质,它们的导电本领即电阻率,处在导 体和绝缘体之间,这种物质我们叫它为半导体。 目前用来制造晶体管的材料主要有锗、硅等。

1.1.1 、 半导体的导电方式
? 半导体中载流子有两种:一种是带负电

的自由电子,另一种是带正电的空穴, 它们数目相等,但总数不多,远远低于 金属导体中载流子的数量,所以半导体 的导电性能比导体差而比绝缘体好。 ? 在金属导体中导电的是自由电子,而在 半导体中,电子和空穴是同时参与导电 的,这是半导体导电的重要特征。

1.1.2 、 N型半导体和P型半导体
1、N型半导体 ? N型半导体,又称为电子型半导体。是在纯净半导体 中掺入微量的五价元素(如磷元素)制成的,其中含 有数量较多的带负电的自由电子,还有少量的带正电 的粒子(称为空穴)。即在N型半导体中电子是多数 载流子,空穴是少数载流子。 2、P型半导体 ? P型半导体,又称为空穴型半导体。是在纯净半导体中 掺入微量的三价元素(如硼元素)制成的,其中含有 数量较多的带正电的粒子(称为空穴),还有少量的 带负电的自由电子。即在P型半导体中空穴是多数载流 子,自由电子是少数载流子。

1.1.3 、 P N结及其单向导电性

? PN结的单向导电性

PN结在未加外电压时,扩散运动与漂移运 动处于动态平衡,通过PN结的电流为零。当 电源正极接P区,负极接N区时,称为给PN结 加正向电压或正向偏置; 当电源正极接N区、 负极接P区时,称为给PN结加反向电压或反向 偏置。

1.2半导体二极管
? 1.2.1、二极管的结构、符号和类型

? 二极管是由一个PN结构成的半导体器件,即将一个

PN结加上两条电极引线做成管芯,并用管壳封装而成。 P型区的引出线称为正极或阳极,N型区的引出线称为 负极或阴极,它的文字符号为“V”,图形符号如图 1—4所示,图形中箭头表示PN结正向电流的方向。

二极管的符号和类型

? 二极管有许多类型,根据制作材料的不

同,二极管可分为硅管和锗管;按工艺 可分为点接触型和面接触型;按用途可 分为整流二极管、检波二极管、光电二 极管、开关二极管、激光二极管等。

1.2.2、二极管的伏安特性曲线
? 1、正向特性

当正向电压升高到一定值Uth以后内电场 被显著减弱,正向电流才有明显增加,Uth 被称为门限电压或阀电压。Uth视二极管 材料和温度的不同而不同,常温下,硅管 一般为0.5V左右,锗管为0.2V左右。 ? 2、反向特性 当二极管两端外加反向电压时,PN结内电场进一步增强,使扩 散更难进行。这时只有少数载流子在反向电压作用下的漂移运 动形成微弱的反向电流IR。反向电流很小,常温下,小功率硅 管的反向电流在nA数量级,锗管的反向电流在μA数量级。

1.3 稳压管
? 稳压二极管又叫稳压管, ? 它是用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管,它既具有

普通二极管的单向导电特性,又可工作于反向击穿状态。在 反向电压较低时,稳压二极管截止;当反向电压达到一定数 值时,反向电流突然增大,稳压二极管进入击穿区,此时即 使反向电流在很大范围内变化时,稳压二极管两端的反向电 压也能保持基本不变,实现稳压。其被反向击穿后,当外加 电压减小或消失时,PN结能自动恢复而不至于损坏。但若反 向电流增大到一定数值后,稳压二极管则会被彻底击穿而损 坏。 稳压管主要用于电路的稳压环节和直流电源电路中,常 用的有2CW型和2DW型。

1.4 半导体三极管

? 1.4.1、三极管的结构、符号和类型 ? 半导体三极管也称为晶体管,它是电子线路中 的主要放大元件。 ? 三极管好像是两个反向串联的PN结。但是如 果把两个孤立的PN结,比如两个二极管反向 串联起来,是不会有放大作用的。

1.4.2、三极管的电流放大作用
? 1、具有放大作用的条件 ? 要使三极管具有电流放大作用,必须给三极管

加上合适的工作电压,即:使发射结正偏,集 电结反偏。也就是说发射结的P区接电源负极, N区接电源的正极。三极管放大电路不论采用 哪种管型和哪种电路形式,都要满足这个基本 条件。即对于NPN型三极管,c、b、e三个电 极的电位必须符合:UC>UB>UE;对于PNP 型三极管,电源的极性与NPN型相反,应符合 UC<UB<UE。

2、电流放大作用

?I C ?? ?I B

? β就是三极管的共发射极电路的电流放大系数。

在表1—4中,当IB=0时,IC不等于零,这时 的IC值叫做穿透电流,用ICEO表示。所谓穿 透电流就是当基极开路,在发射极与集电极 之间加一电压时流过集电极的电流。穿透电 流对温度很敏感,当温度升高时,它就显著 增加。选择三极管时,一般希望ICEO小,β 选在40~100为宜。如有特殊需要可自行选择。

1.4.3、三极管的伏安特性曲线
? 1、输入特性曲线 ? 输入特性曲线是指当三极管的集电

极和发射极之间的电压UCE保持一 定时,加在基极和发射极之间的电 压UBE和基极电流IB之间的关系曲 线。 ? 2、输出特性曲线 ? 三极管的输出特性曲线是指当基极 电流IB为常数时,三极管集电极电 流与集电极和发射极之间的电压 UCE之间的关系曲线。

1.5其他半导体器件
? 1.5.1、场效应管 ? 场效应管是一个电压控制器件,它是利用场效应原理工作 ? ?

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的晶体管,可分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管。 1.5.2、发光二极管 发光二极管是一种将电能直接转换成光能的光发射器件, 简称LED,它是由镓、砷、磷等元素的化合物制成。这些材 料构成的PN加上正向电压时,就会发出光来,光的颜色取 决于制造所用的材料。 1.5.3、光电二极管 光电二极管又称光敏二极管。它的管壳上备有一个玻璃窗 口,以便于接受光照。其特点是,当光线照射于它的PN结 时,可以成对地产生自由电子和空穴,使半导体中少数载 流子的浓度提高。 还有开关二极管 、变容二极管 、隧道二极管等。

第2章 基本放大电路
? 2.1基本放大电路的组成 ? 在三极管放大电路中,因为它与外部电源、信

号源及元件的电路组合方式不同,所以它的工 作特性也不同。按照输入电路与输出电路的交 流信号公共端的不同,三极管放大电路可分为 共发射极、共基极和共集电极三种基本放大电 路。这种接法上的改变使放大电路的性能发生 了变化,并各具特色。

2.1.1、共发射极基本放大电路
? 三极管处于放大状态时必须满足发射结

正向偏置、集电结反向偏置的外部条件, 对三极管放大电路来说也是如此。 ? 由三极管V组成的共发射极放大电路(又 称固定偏置电路)。由下图可见电路中 只有一个放大器件,且以三极管的发射 极作为输入回路和输出回路的公共电极, 故称为共发射极放大电路。

共发射极放大电路的特点是:
? 1、具有较高的放大倍数; ? 2、输入和输出信号相位相反;

? 3、输入电阻不高;
? 4、输出电阻取决于Rc的数值。

若要减小输出电阻,需要减小Rc的阻值, 这将影响电路的放大倍数。

2.2 共发射极放大电路的分析
? 为了进一步理解放大电路性能,需要对

放大电路进行必要的定量分析。分析方 法较多,这里只介绍近似估算法和图解 分析法两种。在放大电路中,直流量和 交流量共存。由于电容、电感等电抗元 件的存在,直流量所流经的通路与交流 信号所流经的通路是不完全相同的。为 了研究问题方便起见,常把放大电路分 成直流通路和交流通路分开来研究。

2.3静态工作点的设置和稳定
? 信号在放大过程中,总是希望信号的幅

值得到增大而信号的波形不变。假如信 号经过放大器后,输出信号的波形与输 入信号相差很远,放大就显得没有意义 了。输出波形与输入波形不完全一致称 为波形失真。由于特性曲线非线性引起 的波形失真称为非线性失真。产生非线 性失真的原因与静态工作点选择得是否 合适 。

2.4阻容耦合多级放大电路
? 由于单级放大电路的放大倍数有限,不

能满足实际的需要,因此实用的放大电 路都是由多级组成的。 ? 多级放大器通常可分为两大部分,即电 压放大(小信号放大)和功率放大(大信号 放大) 。

2.5放大电路中的负反馈
? 负反馈在电子线路中的应用十分广泛,几乎所

有的实用放大器,都引入负反馈。因此了解负 反馈对放大电路的影响,是十分必要的。

? 反馈:可描述为将放大电路的输出量(电压或

电流)的一部分或全部,通过一定的方式送回 放大电路的输入端。我们有时把引入反馈的放 大电路称为闭环放大器,没有引入反馈的称为 开环放大器。

反馈的极性与类型的判断
? 判别反馈极性通常采用电压瞬时极性法。简单

地说就是先将反馈网络与放大电路的输入段断 开,然后设定输入信号有一个正极性的变化, 再看反馈回来的量是正极性的还是负极性的, 若是负极性,则表示反馈量是削弱输入信号, 因此是负反馈。反之则为正反馈。 ? 负反馈的四种基本形式 1、电压串联负反馈 2、电流串联负反馈 3、电压并联负反馈 4、电流并联负反馈

2.6 功率放大器
? 前面已经介绍了一些基本放大电路,经过这些

放大电路处理后的信号,往往要送到负载,去 驱动一定的装置。例如,收音机中扬声器的音 圈、电动机控制绕组、计算机监视器或电视机 的扫描偏转线圈等。这时我们要考虑的不仅仅 是输出的电压或电流的大小,而是要有一定的 功率输出,才能使这些负载正常工作。这类主 要用于向负载提供功率的放大电路常称为功率 放大电路。

2.6.1、对功率放大器的要求
? 1、输出功率大:功率放大电路的任务是

向负载提供足够大的功率 。 ? 2、效率高:功率放大器的效率是输出功 率与直流电源提供的直流功率之比。 ? 3、非线性失真小:为使输出功率大,功 率放大器采用的三极管均应工作在大信 号状态下。

2.6.2、功率放大器的分类
? 1、按放大电路的频率可分为:低频功率放大

电路和高频功率放大电路。 ? 2、按功率放大电路中三极管导通时间的不同 可分为:甲类功率放大电路、乙类功率放大电 路和甲乙类功率放大电路。 ? 3、按功率放大电路输出端的特点可分为:有 输出变压器功率放大电路、无输出变压器功率 放大电路(又称OTL功率放大电路)、无输出 电容器功率放大电路(又称OCL功率放大电路) 和桥接无输出变压器功率放大电路(又称BTL 功率放大电路)。

2.7 正弦波振荡电路
? 许多技术领域中都要用到不同大小、不同频率

的正弦信号。例如:在无线电通信、广播和电 视中需要用正弦信号来作为载波,以便把语言、 音乐和图象信号调制到载波上,然后转换为电 磁波发射出去;又例如:在电子测量中也经常 需要用到各种频段的正弦信号发生器。因此, 就需要有一种便于产生各种不同大小的正弦信 号的电路,这种电路就是我们在这一节要讨论 的正弦波振荡电路。

2.7.1.振荡的基本概念
? 振荡电路的基本组成 ? (1)放大电路 没有放大就不可能产生正弦波振荡,

它是满足幅值平衡条件必不可少的电路。放大电路必 须结构合理,静态工作点选择适当,以保证放大电路 具有放大作用。 ? (2)正反馈电路 其作用主要用来满足自激振荡的相 位条件。 ? (3)选频电路 起振时,电路中激起的电压和电流的 变化往往是非正弦的,含有各种频率的谐波分量,因 此输出的信号也将是含有不同谐波成分的非正弦波。 ? (4)稳幅电路 其作用是使振荡幅值稳定,改善波形。

振荡电路的种类
? LC正弦波振荡电路

LC正弦波振荡电路的构成与RC正弦波振荡电路相同, 包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。 这里的选频网络是由LC并联谐振电路构成。 ? RC正弦波振荡电路 当LC振荡器用于低频振荡时,所需L和C的数值均应加 大,这种损耗小的大电感和大容量电容制作困难。而使 用RC振荡器却显得方便而经济。 ? 石英晶体正弦波振荡电路 石英晶体正弦波振荡电路具有非常稳定的固有频率。 对 于振荡频率的稳定性要求高的电路, 应选用石英晶体作选 频网络。

第3章 集成运算放大器
? 应用半导体制造工艺把晶体管、电阻、

电容以及电路的连线都做在同一块硅片 上,然后封装在一个管壳内,这样制成 的电子电路称为集成电路。它的优点是 体积小,重量轻,性能好,功耗低,而 且元件之间引线短,焊点少,因而提高 了工作的可靠性和灵活性,实现了元件、 电路和系统的三结合,为电子技术的应 用开辟了一个新时代。

3.1 集成运算放大器的简单介绍
? 集成运算放大器(Operational Amplifier)简称

集成运放,是由多级直接耦合放大电路组成的 高增益模拟集成电路。它的增益高(可达 60~180dB),输入电阻大(几十千欧至百万兆 欧),输出电阻低(几十欧),共模抑制比高 (60~170dB),失调与飘移小,而且还具有输 入电压为零时输出电压亦为零的特点,适用于 正,负两种极性信号的输入和输出。

3.1.1、集成运算放大器的组成与分类
? 1、集成运算放大器的组成 ? 集成运算放大器的种类很多,电路也各不相同,但基本结

构一般都由输入级、中间级、输出级和偏置电路四个部分 组成 ? 2、集成运算放大器的分类 按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如 下几类: ? (1)通用型运算放大器 (2)高阻型运算放大器 ? (3)低温漂型运算放大器 (4)高速型运算放大器 ? (5)低功耗型运算放大器 (6)高压大功率型运算放大器

3.1.2、集成运算放大器的主要参数
? 1、输入失调电压Uio ? 5、转换速率Sr ? 7、最大输出电压 UOPP ? 9、输出电阻γO

2、输入失调电流Iio 6、开环差模电压放大倍数Auo 8、差模输入电阻γid 10、共模抑制比KCMR

? 3、最大差模输入电压Uidm 4、最大共模输入电压Uicm

3.1.3、集成运算放大器的传输特性
? 集成运放的传输特性就是集成运放的输出与输入的关系特性。它可以分为两个区 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

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域:线性区和非线性区,如下图所示。 1、线性区 在线性区,构成集成运放的放大管工作在放大区,集成运放传输特性呈放大关 系,可以用公式来表示 Uo = A uo(U +—U) U +——同相输入端的电压 U——反相输入端的电压 A uo——开环差模电压放大倍数 U o——运算放大器的输出电压 由于集成运放的开环差模电压放 大倍数都非常大,而输出又为有限值, 所以集成运放的线性区比较窄。 图3—3集成运放的传输特性 2、非线性区 当集成运放的输入信号较大时,构成集成运放的放大管则工作在饱和区,所以集 成运放的输出达到了正负最大值。这个区域称为非线性区。此时, 当U i>0,即U +>U时,Uo = +UoM,即正饱和。 当U i<0,即U +<U时,Uo = —UoM,即负饱和。

3.1.4、理想集成运算放大器的特点
? 1、集成运算放大电路的理想模型 ? 在分析运算放大器时为了便于分析和计算,一

般可将它视为一个理想运算放大器。理想运算 放大器的主要条件为: ? 开环差模电压放大倍数:Auo→∞ ? 差模输入电阻:γid→∞ ? 输出电阻:γO→0 ? 共模抑制比:KCMR→∞ ? 输入偏置电流IB1=IB2=0

2、理想集成运算放大器线性区的特点
? (1)因为理想运算放大电路的输入偏置电流为零和输

入电阻为无穷大,则该电路不会向外部电路索取任何 电流,所以流入放大器反相输入端和同相输入端的电 流为零。也就是说集成运算放大电路是与电路相连接 的,但输入电流又近似为零,相当于断开一样,故通 常称为“虚断”。 ? (2)因为开环差模电压放大倍数为无穷大,所以当输 出电压为有限值时,差模输入电压=0,即。也就是说 集成运算放大电路两个输入端对地的电压总是相等的。 二者不接地,但电位又总相等,相当于短路,通常称 为“虚短”。如果同相输入端接地(或通过电阻接 地),即,则反相输入端电位也为零,但又不接地, 则称为“虚地”。

3.2 基本集成运算放大电路
? 集成运算放大器因信号输入的方式不同

而分为反相输入和同相输入两种基本电 路。本节讨论这两种基本电路的特性, 并通过对它们的讨论说明集成运算放大 器的特点和分析方法。

3.2.1、反相输入比例集成运算放大器
? 反相输入比例运算放大电路的特点: ? (1)反相端为虚地,所以共模输入可视为0,

对运放共模抑制比要求低; ? (2)输出电阻小,带负载能力强; ? (3)要求放大倍数较大时,反馈电阻阻值高, 稳定性差; ? (4)如果要求放大倍数100,则R1=100 kΩ, Rf =10MΩ。

3.2.2、同相输入比例集成运算放大器
? 同相比例运算放大电路的特点: ? (1)输入电阻高; ? (2)由于 UP = Ui = UN (电路的共模输入信号高),

因此集成运放的共模抑制比要求高。

3.3 集成运算放大器的应用
? 集成运算放大器最早用于模拟电子计算机中,

完成对信号的加减、乘除、微分、积分等运算。 近代集成运算放大器的发展,使得运算放大器 的应用远远超出运算范畴,而在各种模拟信号 和脉冲信号的测量、处理、产生、变换等方面 都获得广泛的应用。本节主要介绍运算放大器 在信号运算、处理、产生等方面的应用电路。

3.3.1、集成运算放大器在信号运算 方面的应用
? 1、加法运算电路

加法运算又叫求和运算,在反相比例运算放 大器的基础上增加几个输入支路便组成了反相 加法运算电路,也称反相加法器 。 ? 2、减法运算电路 ? 减法运算电路是实现若干个输入信号相减功能 的电路,常用差动输入方式来实现,
?

3.3.2、集成运算放大器在信号处理
方面的应用
? 运算放大器除了能对输入信号进行运算

外,还能对输入信号进行处理。信号处 理电路的种类很多,这里只介绍电压比 较器。 ? 电压比较器是将输入端的模拟信号ui和 一个参考电压UR进行幅度比较,输出高 低电平(压)的电路,

R2 R1

3.3.3、集成运算放大器在波形产生 方面的应用
? 集成运算放大器与一些外接元件组合,可以灵活地产生

各种不同波形、不同频率的周期振荡信号。这里只介绍 集成运放正弦波振荡器。 ? 用集成运算放大器来代替其中的两级放大器同样可组成 正弦波振荡电路,如图3—12所示。图中左边的电路构 成RC串并联选频网络,右边则为集成运算放大电路。 集成运算放大电路和电阻R1与R2组成了电压串联负反馈 R 放大电路, 其电压放大倍数 A ? 1 ? R 。RC串并联网络引 入正反馈到同相输入端,这一部分既是选频电路,又是 正反馈网络。当选频电路元件参数满足R1= R2= R时, 由第二章的知识可知,该电路谐振频率为 f ? 2?1RC ,改 变R或C的数值,就可改变振荡电路的频率。
2 1

0

3.4 使用运算放大器的注意问题
? 1、辩认管脚,以便正确连线。 ? 2、用万用表的电阻挡(“×100Ω”或“×1kΩ”挡),

对照管脚测试有无短路和断路现象。 ? 3、对于内部无自动稳零措施的运放需外加调零电路, 使之在输入信号为零时输出电压也为零。 ? 4、对于单电源供电的运放,有时还需在输入端加直流 偏置电压,设置合适的静态输出电压,以便能放大正、 负两个方向的变化信号。 ? 5、为防止电路产生自激振荡,应在集成运放的电源端 加上去耦电容。有的集成运放还需外接补偿电容C。

第4章 直流稳压电源
将交流电变换为直流电的过程叫做整流,进行整流 的设备叫做整流器,如下图。整流器一般由四部分 组成: 1、整流变压器 把输入的交流电压变为整流电路所要求 的电压值。 2、整流电路 由整流器件组成 ,它把交流电变成方向不 变,但大小随时间变化的脉动直流电。 3、滤波电路 把脉动的直流电变为平滑的直流电。 4、稳压电路 保持稳定的直流电压供给负载。
?

4.1 单相整流电路
? 在单相整流电路中,常用的整流形式有

半波,全波,桥式与倍压等几种,这些 整流电路是利用二极管的单向导电性来 将交流电变换为直流电,因此二极管是 构成整流电路的关键器件。这种用作整 流的二极管称为整流二极管,简称整流 管。

4.1.1 、单相半波整流电路
1、工作原理: 在交流电一个周期内,二极管半个周期 导通半个周期截止,以后周期重复上述 过程负载RL上电流和电压波形如图4-3 所示。由于该电路输出的脉动直流电 的波形是输入的交流电波形的一半,故称为半波整流电路。 2、负载RL上的直流电压和电源的计算 依据数学推导或实验都可以证明,单相半波整流电路中,输出到负 载RL 上的半波脉动直流电压平均值UL=0.45U2 3、整流二极管上的电流和最大反向电压 由于二极管在u2 负半周时截止,承受全部u2 反向电压,所以二极管 所承受的最大反向电压URM 就是u2 的峰值,即URM ≈1.414U2

4.1.2 、单相全波整流电路
单相全波整流电路实际上是由两个单相半波 电路组成,电路如右图所示:在整流变压器次 级引出两个电压u2a和u2b,以0点为参考点, 两电压大小相等,相位相反。 1、工作原理 由此可见:在交流电一个周期内,二极管V1和V2交替导通,负载电 流IL=IL1+IL2。因此,负载RL上得到全波脉动直流电压和电流 2、负载RL上的直流电压和电流的计算UL=0.9U2 3、整流二极管上的电流和最大反向电压URM ≈2.82U2

4.1.3 、单相桥式整流电路
单相桥式整流电路如右图所示:电路 中四只二极管接成电桥形式,所以 被称为桥式整流电路 1、工作原理 由此可见:在交流输入电压的正负半 周,都有同一方向的电流流过RL。 四个二极管中,两个两个轮流导通,IL=IL1+IL2,在负载上得到 全波脉动的直流电压和电流。 2、负载RL上直流电压和电流计算 UL=0.9U2 3、整流二极管上的电流和最大反向电压URM ≈1.57U2

4.2 三相整流电路
? 前面我们讨论的都是单相整流电路,它们的输

出功率一般不超过几千瓦,如果负载功率太大, 将会影响电网三相负荷不平衡。目前工矿企业 中使用的大功率直流电源,大多数是从三相整 流电路得来的。三相整流电路具有输出电压脉 动小,输出功率大,变压器利用率高并能使相 电网的负荷平衡等优点,在电气设备中被广泛 应用。 ? 三相整流电路有多种类型,而三相半波整流电 路是最基本的,其他类型都是由三相半波整流 电路以不同方式组合成的。

4.2.1 、三相半波整流电路
? 右图是一个三相半波整流电路。

通常变压器的初级绕组接成三角形, 次级绕组接成星形。次级绕组的相 电压是三相对称电压并按正弦规律变化,彼此相位 差为120°,电压波形如图4-14a所示:有时也可直接 由三相四线制的交流电网供电。三只整流二极管 V1,V3和V5的负极接在一起。通常称作共阴极接法。 负载电阻RL一端接K点,另一端接中性点N而构成回路。

4.2.2、三相桥式整流电路
? 右图是应用最多的三相

桥式整流电路,它是两个 三相半波整流电路串联组 合成的。二极管V1,V3,V5 组成共阴极联接的三相半 波整流电路,二极管V2,V4,V6组成共阳极联接 的三相半波整流电路。负载RL接在E,F点。

4.2.3 、带平衡电抗器的双反星形 整流电路
? 右图是带平衡电抗器的双反

星形整流电路。变压器次级有 A,B两组绕组,A组的U,V,W和 B组的U,′V′,W′的相电压 大小相等。相位相反(同名端相反),电压波形如 图4-20a所示,由于两组绕组都接成星形故称“双反 星 形”。这了解决两组电流平衡问题,使两组三相半 波整流电路并联工作,特设置了平衡电抗器LP,LP 的两端绕组的中性点N和N′,其中点O作为一个输 出端接负载RL,6个二极管作共阴极连接并接到RL 另一端。

4.3 滤波电路
? 前面我们讨论的几种整流电路,虽然它们都可以把交

流电转换为直流电,但是所输出的都是脉动直流电压, 其中含有较大的交流万分,因此这种不平滑的直流电 仅能在电镀、电焊、蓄电池充电等要求不高的设备中 使用,而对于有些仪器仪表及电气设备等,往往要求 直流电压和电流比较平滑,因此必须把脉动的直流电 变为平滑的直流电。保留脉动电压的直流成分,尽可 能滤除它的交流成分,这就是滤波。这样的电路叫做 滤波电路(也叫滤波器)。滤波电路直接在整流电路 后面,它通常由电容器,电感器和电阻器按照一定的 方式组合而成。常用的滤波电路结构如图4-22所示。

4.3.1 、电容滤波电路
? 右图是单相桥式整流电容滤波

电路,电容器C并联在负载两端。 根据电路知识我们知道:电容器 在电路中有储存和释放能量作用, 电流供给的电压升高时,它把部分 能量储存起来,而当电源电压降低时,就把能量释 放出来,从而减少脉动成分,使负载电压比较平 滑,即电容器具有滤波的作用。

4.3.2 、电感滤波电路
? 电容滤波在大电流工作时滤波效果

较好,当一些电气设备需要脉动小,输出 电流大的直流电时,往往采用电感滤波 电路,即在整流输出电路中串联带铁芯 的大电感线圈。称为阻流圈,如右图a。 ? 我们知道:电感线圈的直流电阻很小, 所以脉动电压中直流分量很容易通过电 感线圈,几乎全部加到负载上,而电感线圈对交流的阻抗很大, 因此脉动电压中交流分量很难通过电感线圈,大部分降落在 铁芯线圈上。根据电磁感应原理,线圈上通过变化的电流时, 它的两端产生自感电动势来阻碍电流变化,当整流输出电流 由小增大时,它的抑制作用使电流只能缓慢上升;而整流输 出电流减小时,它又使电流只能缓慢下降,这样就使得整流输 出电流变化平缓,其输出电压平滑性比电容滤波好,

4.3.3 、复式滤波电路
? 复式滤波电路是用电容器和电感器、电阻器组

成的滤波器、通常有LC型、LCπ型、RCπ型几 种。它的滤波效果比单一使用电容或电感滤波 要好得多,其应用较为广泛。 ? 下图是LC型滤波电路,它由电感滤波和电容滤 波组成,脉动电压经过双重滤波作用,使交流 分量大部分被电感器阻止,即使有小部分通过 电感器,再经过电容滤波,这样负载上交流分 时很小,达到滤除交流成分目的。

第5章 晶闸管电路
? 硅晶体闸流管简称晶闸管,俗称可控硅。它是一种大

功率的变流新器件,主要用于大功率的交流电能与直 流电能的相互转换——将交流电转换成直流电,其输 出的直流电压具有可控性;将直流电转换为交流电, 称为逆变。晶闸管广泛用在交流调压、无触点交直流 开关等方面。20世纪60年代以来,晶闸管研制和应用 发展很快,特变是近年来在电力牵引、交流传动与控 制技术中,晶闸管器件都起着十分关键的作用,晶闸 管变流技术正向着集成化、模块化方向发展。 ? 本章重点介绍晶闸管的基本结构、工作原理、特性曲 线、主要参数、单相和三相可控整流、晶闸管的触发 电路及一些特殊晶闸管的应用。

5.1 晶 闸 管
? 5.1.1 、晶闸管的结构、符号

晶闸管的种类较多,有普通型、双向型、可 关断型等。在晶闸管整流技术中使用的主要是 普通型,而且普通型晶闸管的结构和工作原理 也是分析其他晶闸管的基础。下面首先介绍普 通型晶闸管。 ? 普通型晶闸管的结构及符号如图5-1所示。晶闸 管有三个电极:阳极A、阴极K、门极G。
?

5.1.2 、晶闸管的工作原理
? 不论哪种结构形式的晶闸管,

管芯都是由四层(PNPN)半导体 和三端(A、G、K)引线构成。 因此它有三个PN结,由最外层的 P层和N层分别引出阳极和阴极, 中间的P层引出门极,如上图a所 示。如果将三个PN结和四层半导体看成是由PNP和NPN型两个三 极管连接而成,如上图b所示,则每个三极管的基极和另一个三极管 的集电极相连,阳极A相当于V1管的发射极,阴极K相当于V2管的 发射极,门极相当于V2管的基极,那么普通晶闸管不仅具有硅整流 二极管正向导通、反向截止相似的特性,更重要的是它的正向导 通是可以控制的,起这种控制作用的就是门极。

5.2 晶闸管单相可控整流电路
? 如果用全部或部分晶闸管取代第四章讨

论过的各类整流电路中的整流二极管, 就能够组成输出电压连续可调的各类可 控整流设备。一般容量在4kW以下的可 控整流装置多采用单相可控整流,对大 功率的负载多采用三项可控整流。下面 先介绍最简单、最基本的单相半波可控 整流电路。

5.2.1 、单相半波可控整流电路
? 将单相半波整流电路中的整流二

极管换成晶闸管即成单相半波可控 整流电路,如右图所示:RL为负载 电阻,u1和u2为电源变压器的一次和 二次正弦交流电压。 ? 由右图电路可见,若门极不加触发电压,无论在 u2的正半周还是负半周,晶闸管V均不会导通。 若在t1时刻(ωt1=a)将触发脉冲uG加到V的门极,晶 闸管被触发导通,如果忽略管压降,则负载上得 到的电压等于u2。

5.2.2 、单相半控桥式整流电路
? 将单相桥式整流电路中两只整流

二极管换成两只晶闸管便组成了单 相半控桥式整流电路,如右图所示。 ? 晶闸管V1和V2的阴极接在一起,触发脉冲同时送 给两管的门极,但能被触发导通的只能是阳极承 受正向电压的那只晶闸管。

5.3 晶闸管三相可控整流电路
? 对大功率的负载,如果用单相可控整流

电路,将造成供电线路三相负荷的不平 衡,影响电网供电质量。所以中型以上 的整流装置都采用三相可控整流。

5.3.1 、三相半波可控整流电路
? 三相半波可控整流电路如下图所示,其中晶闸

管V1、V2和V3的阴极连在一起,称为共阴极 接法。这样连接的V1、V2和V3只有当阳极电 位最高且门极加触发脉冲时才导通。

5.3.2、三相半控桥式整流电路
? 右图是最常用的三相半控

桥式整流电路图。图中6个 整流元件分为两组:一组是 晶闸管V1、V2、V3接成共 阴极组,三个晶闸管的阳极分 别接在三相电源上,因此任何时刻总是一个晶闸管的阳 极电位最高,若在其门极加触发脉冲,它就会触发导通; 另一组是整流二极管V4、V5、V6接成共阳极组,三个 二极管的阴极分别接在三相电源上,因此任何时刻总又 一个二极管的阴极电位最低而处于导通状态。两组元 件中只有一组为晶闸管,故称为半控整流电路。

补充: 负载类型对晶闸管整流的 影响
? 在前面分析的各种晶闸管可控整流电路

中,均假设负载是电阻性的。但在实际 中,经常遇到的负载是电感性的,例如 各种电动机的励磁绕组,各种电感线圈 等。有时负载是蓄电池(充电)或直流 电动机的电枢等。这时电路的工作情况 和电阻性负载又很大的不同。

(1)电感性负载的影响
? 在电感线圈中当电流发生变化时会产生自感电

动势,而且自感电动势总是阻碍电流变化的。 电流增大时,自感电动势阻碍它增大;电流减 小时,自感电动势又阻碍它减小。也就是说, 电感线圈中的电流不能突然增大,也不能突然 减小。 ? 在晶闸管可控整流电路中,当晶闸管(导通) 阳极上的交流电压减小过零时,晶闸管本应关 断,但由于负载中自感电动势的作用,电流并 没有同时为零,而且又可能仍大于晶闸管的维 持电流 ,因而晶闸管不能及时关断。

(2)反电动势负载的影响
? 下图a所示时反电动势负载对晶闸管整流影响

的电路图。整流输出电压 大于反电动势时才有 电流输出,其他时间负载电流为零,其波形如 下图b所示。通过此图进一步说明给负载串联 滤波电抗器,同时并上续流二极管的必要性。

5.4 晶闸管的触发电路
? 由前面讨论知道,要使用晶闸管导通除在它的

阳极和阴极间加上正向电压外,还必须在它的 门极加上适当的触发信号(电压、电流)。这 种对晶闸管提供触发信号的电路称为触发电路。 ? 触发电流的种类很多,有分立元件组成的,也 有集成电路组成的。对触发信号的要求是:上 升沿陡,有足够的功率和一定的宽度、幅度, 必须和晶闸管阳极电源电压同步,以及又一定 的移相范围。

5.4.1 、单结晶体管触发电路
? 单结晶体管又称为双基极二极管,它有一个发射极和

两个基极,在一块高阻率的N型硅基片上用镀金陶瓷片 制作成两个接触电阻很小的极,称为第一基极(B1) 和第二基极(B2)。而在硅基片的另一侧靠近B2 处 掺入P型杂质,并引出一个铝质电极,称为发射极(E)。 发射极E对基极B1 、B2 就是一个PN结,故称为单结 晶体管,如下图a所示,其符号见下图b。

5.4.2、晶闸管触发电路
? 右图a所示是常见的同步电

压为锯齿波的晶体管触发电路。 在同步电源电压u2 的正半周是 (a点为正),二极管V1导通,电容 器C1充电,由于二极管正向电阻很小,所以充电很快, 当u2 达到峰值时,C1上的电压也相应充到u2 的峰值。 ? u2达到最大值以后,二极管V1便截止,这时电容器 C1通过R、L串联回路放电。因为电感L较大,放电较 慢,L的作用使放电曲线接近直线,一个周期结束时 C1放电结束,如此在电容C1两端便获得近似的锯齿波 形电压uC1 。

5.5 晶闸管的选用和保护
? 晶闸管的热容量很小,即它导通时电流产生的

热效应会使它的温度很快上升。前面介绍晶闸 管的主要参数时都是在规定的散热条件、额定 的结温下的值。晶闸管承受过电压、过电流的 能力很差,很短时间的过电压或过电流有可能 使晶闸管损坏。为了保证晶闸管长时间安全可 靠地工作,除了合理选择有关参数外,还必须 采取适当的过电流、过电压保护措施。

5.5.1 、过电流保护
? 当流过晶闸管的电流有效值超过它的额

定通态平均电流的有效值时,称为过电 流。产生过电流的原因主要是负载过大, 输出回路发生短路等。过电流保护的意 义是当发生过电流时,能迅速将过电流 切断,以防晶闸管损坏。过电流保护措 施主要有灵敏过电流续电器保护、快速 熔断器保护等,其中采用快速熔断器较 为普遍。

5.5.2 、过电压保护
? 当加在晶闸管上的电压超过其额定电压时称为

过电压。产生过电压的因素很多,例如电源变 压器的一次侧断开‘接通,直流侧感性负载的 切断,快速熔断器的熔断,突然跳闸等,有时 雷电从电网侵入也可能引起过电压。如过电压 超过晶闸管的正向或反向转折电压时,就会使 它误导通(硬开通)或反向击穿(损坏)。过 电压保护措施主要有阻容保护和非线性电阻保 护。

5.6 逆变和交流调压
? 二极管整流、晶闸管可控整流都是将交流电变换为直

流电,反之,如果将直流电变换为交流电,即整流的 逆过程称为逆变。 ? 利用晶闸管等开关元件组成的逆变电路分为两类:一 类是有源逆变,它是通过直流电→逆变器→交流电→ 交流电网,将直流电逆变成和电网同频率的交流电并 反送到交流电网去;另一类是无源逆变,它是通过直 流电→逆变器→交流电→用电器,将直流电逆变为某 一频率(或频率可调)的交流电并直接供给用电器。 无源逆变器简称逆变器,其实逆变器就是变频器的一 种,下面讨论这种逆变器。

5.6.1 、逆变的基本工作原理
? 逆变器的工作原理如下图所示:当晶闸管V1和V4被

触发导通时,负载上得到左正右负的电压 UL,如 下图a所示。当V2管和V3管触发导通时(同时设法 使V1和V4管承受反向电压而截止),负载上电压极 性就改变,如下图b所示。若能控制两组晶闸管的 轮流导通,就可将直流电逆变成交流电,只要能控 制晶闸管切换的频率就可实现变频。

1.单相电压型逆变器
? 单相电压型逆变器电路如下图所示。 V1和V2两个

晶闸管作为可控开关元件,它们轮流导通时,在负载 上就可得到波形为矩形的交流电压,流过负载的电 流要根据负载性质而定,在电感性负载时,电流的 波形近似正弦波。 ? 图中:L1=L2为同一桥臂上 紧耦合的两个电感线圈,C1=C2 为换流电容,VD1和VD2为续流 用二极管,R为环流衰减电阻。

2.单相电流型逆变器
? 单相电流型逆变器的基本电路

如右图所示。直流电源上串联的 大电感使输入电流Id 的波形平直, 脉动很小,具有电流源的特性。 ? 这种逆变器输出的交流电流为 矩形,交流电压的波形与负载性质有关,当负载为 电感性时,其波形接近正弦波。 ? 图中,C1=C2=C 为换流电容,VD5~VD8为隔 离二极管,它使电容的放电回路与负载隔离。

5.7.2 、单相交流调压
? 右图a是用两只普通晶闸管

V1和V2反向并联而组成的交 流调压电路。 ? 当电源电压u 处在正半周 时,在t1 时刻(ωt1=a)将触发脉冲加到V2管的门极, V2管被触发导通,此时V1管阳极承受反向电压而关断。 当电源电压u 过零时,V2管自然关断。在t2 时刻(ωt2=+a) 将触发脉冲加到V1管的门极,V1管被触发导通,此时V2管 承受反向电压而关断。当电源电压u 过零时V1管便自然 关断,此负载上得到的电压波形如上图b所示。调节控制 角a便可实现交流调压。

第6章 门电路及组合逻辑电路
? 在数字电路中,门电路是最基本的逻辑

单元。逻辑门是能实现一定逻辑关系的 单元电路。在数字电路中,存在三种最 基本的逻辑关系:与逻辑、或逻辑和非 逻辑,这三种逻辑关系所对应的单元电 路为:与门、或门和非门,由这三种逻 辑门组合可以构成各种复杂的逻辑电路。

6.1.1 、与逻辑及与门
如下图 (a)所示,由两个二极管组成的与门电路。A、B为两个输入端,Y为输 出端。设UCC为9V,A、B输入高低电平,分别为UH=3V,UL=0V,二极管 VD1和VD2为理想二极管。由图可知,A、B中只要有一个是低电平0V,则必 有一个二极管是导通的,使Y为0V。A、B同时为低电平0V,输出Y为0V。只 有当A、B同时为高电平3V时,Y为高电平3V。与门逻辑符号如 (b)图所示。 图中A、B表示输入逻辑变量,Y表示输出逻辑变量。与逻辑表达式为Y=A· B。 与门的逻辑关系,还可以用真值表来表示。如下图表6-1是与门的真值表。

6.1.2 、或逻辑及或门
? 能实现或逻辑关系的电路称为或门电路。如下图所示,

由二极管和电阻组成的或门电路。图中A、B是两个输 入变量,Y是输出变量。 ? 由图可知,假设二极管VD1和VD2为理想二极管,只要 A、B当中有一个是高电平,输出Y就是高电平。只有 当A、B同时为低电平时,输出才是低电平。 ? 或逻辑的函数表达式为: Y=A+B ? 或逻辑符号和或逻辑的真值表如下:

6.1.3 、非逻辑及非门
? 实现非逻辑功能的电路叫非门,

非门的逻辑符号如右图所示。 ? 非门的逻辑表达式为:Y = A 式中Y为逻辑函数,A为输入逻辑 变量。上式读作Y等于A非或A反。 ? 非门逻辑符号和非门的真值表如 右所示。

6.1.4 、组合逻辑门
? 日常实用中,把与门、或门和非门组合来使用,称为

组合逻辑门电路。 1、与非门 ? 在与门后面接一个非门就构成与非门,如下图所示。 ? 与非门的输入与输出的逻辑关系见表6 -4所示的真值表。 ? 从真值表中,不难看出,与非门的逻辑功能是:有0出 1,全1出0。
? 逻辑表达式为:Y = A· B

2、或非门
? 在或门的后面接一个非门,就构成或非门,如

下图所示。 ? 或非门的输入与输出的逻辑关系见表6-5所示的 真值表。 ? 由或非门真值表可以看出,或非门的逻辑功能 是:有1出0,全0出1。 ? 或非门的逻辑表达式为:Y = A + B

3、与或非门
? 将两个(或两个以上)与门的输出端接到一个或门的输入端,

就构成一个与或门,在其后再接一个非门,就组成了一个与或 非门,如下图所示。逻辑符号和与或非门的真值表见所示。 ? 由逻辑符号可以看出,与或非门的逻辑关系是:输入端分组 先于,然后各组再或,最后再非。 ? 从真值表中可以看出,与或非门的逻辑 功能为:当输入端中任何一组全为1时, 输出即为0,只有各组输入都至少有一个 为0时,输出才能为1。 ? 与或非门的逻辑表达式为:Y=AB+CD

4、异或门
? 异或门是判断两个输入信号是否相同的门电路,是

一种经常用到的门电路。下图为异或门的逻辑图和 逻辑符号。 ? 从异或门的真值表中可以看出,异或门的逻辑关系 是:当两个输入端的状态相同时输出为0,当两个输 入端状态不同(一个为1,一个为0)时,输出为1。 ? 异或门的逻辑表达式为Y=A⊕B

6.2数制转换
? 6.2.1 、数制 ? 数制,就是数的进位制。按照不同的进

位方法就有不同的计数体制。例如,有 “逢二进一”的二进制计数,有“逢八 进一”的八进制计数,有“逢十进一” 的十进制计数等。本节重点介绍二进制 计数的运算和表示方法及二进制数与十 进制数的相互转换。

1、十进制数
①基本数码:0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。 ②进位原则:逢十进一,即9+1=10。 ? 对于十进制的任一正整数A,可以写成以10 为底的幂次方求和的展开形式,即 A=bn110n-1+bn-210n-2+…+b1101+b0100 式中,n 是十进制数的位数(n=1,2,3,…), 10n-1、10n-2…101、100是各位数的“权”。 ? 由上可知,十进制数是由数码的值和位权 来表示的。

2、二进制数
①基本数码:0、1。 ②进位原则:逢二进一,即(1+1)2=(10)2 。 ? 任何一个二进制数P,可以写成(P)2=bn12n-1+bn-22n-2+…+b121+b020 式中,n是二 进制数的位数,bn-1、bn-2、…b1、b0,2n-1、 2n-2、…21、20是各位的位权。 ? 例如,(1011)2=123+022+121+120

二进制的加减法
③二进制的加法运算 ? 运算法则:“逢二进一”。 ? 例1 、求(10100)2+(1110)2=? ? 解: ④二进制的减法运算 ? 运算法则:“借一作二”。 ? 例2、 求(11010)2—(1100)2=? ? 解:

二进制数乘除法运算
⑤二进制数乘法运算 ? 运算法则:各数相乘再作加法运算 ? 例3 、求(1101)2(110)2=? ? 解:

⑥二进制数除法运算 ? 运算法则:各数相除后,再作减法运算。 ? 例4 、求(10100)2÷(100)2=? ? 解:

6.2.2 、二进制数和十进制数 的相互转换
? 1、二进制数化为十进制数 ? 原则:二进制数的每位数码乘以它所在数位的

“权”,再相加起来,即可得到等值的十进制 数。这种方法被称为“乘权相加法”。 ? 例5、将二进制数(1011)2化为十进制数。 ? 解 (1011)2=(123+022+121+120)10 ? =(23+0+21+1)10=(11)10

2、十进制数化为二进制数
? 原则:把十进制数不断地用2除,并依次记下

余数,一直除到商为零。然后把全部的余数, 按相反的次序排列起来,就是等值的二进制数。 ? 这种方法被称为“除2取余倒记法”。 ? 例6、把十进制数(37)10化为二进制数。 ? 解:

? 所以(37)10=(100101)2

6.3 逻辑代数及逻辑函数的化简
? 6.3.1 、逻辑代数 ? 逻辑代数的基本公式

①常量和变量的逻辑加 :A + 0 = A A + 1 = 1 ②常量和变量的逻辑乘: A?0 = 0 A ?1 = A ③变量和反变量的逻辑加和逻辑乘 ? A+A=1
?

A · =1 A

逻辑代数的基本定律
①交换律: A+B=B+A A?B=B?A ②结合律: A+(B+C)=(A+B)+C A?(B?C)=(A?B)?C ③分配律: A+B?C=(A+B)?(A+C) A?(B+C)=A?B+A?C ④吸收律: A+A?B=A A+B=A+B A?(A+B)=A AB+C+BC=AB+C ⑤重叠律: A+A=A A?A=A ⑥非非律: A = A ⑦反演律(又称摩根定律): A+B = A ? B A?B = A + B

6.3.2 、逻辑函数化简
化简的方法 ① 并项法: 利用A+A=1的关系,将两项合并成一项,并消去一个变量。 如: ABC+ABC=AB(C+C)=AB ② 吸收法:利用公式A+AB=A 吸收多余项。 如: AB+ABC(D+E)= AB A+ABC=A ③ 消去法:利用A+AB=A+B的关系,消去多余的因子。 如: AB+AC+BC=AB+C(A+B)=AB+ABC=AB+C ④ 配项法 利用A+A=1的关系式进行配项。 如: AB+AC+BC=AB+AC+(A+A)BC= AB+AC+A BC+ABC =(AB+ABC)+(AC+ACB)=AB+AC 例题 : 化简AD+AD+AB+AC+AC+EF ? 解 AD+AD+AB+AC+EF=(AD+AD)+AB+AC+EF ? =(A+AB)+AC+EF ? =(A+AC)+EF =A+C+EF
?

6.4 逻辑电路图、真值表与 逻辑函数间的关系
? 对于一个逻辑电路,其输入与输出状态

的逻辑关系,可以用逻辑函数式表示, 相反,任何一个逻辑函数式总可以有相 应的逻辑电路与之对应;逻辑函数表示 逻辑电路的构成,其功能可用真值表表 示,相反,由真值表可以写出相对应的 逻辑函数式。所以,逻辑电路、逻辑函 数与真值表之间有着密切的联系,并且 可以互换。

6.4.1 、逻辑电路图与逻辑函数式 的互换
? 例4-1右图中的逻辑电路的输出Y

和输入A、B的逻辑关系写成逻辑函 数式。 ? 解:电路中的各个逻辑门的输出Y1、Y2和Y为 ? Y1=AB;Y2=A+B;Y= Y1 + Y2 ? 将Y1和Y2代入Y式中可得:
? Y = AB(A+B)

例4-2 画出逻辑函数Y=B+A逻辑电路
? 解:A、B之间都是与运算,可以用与门

实现,其中反变量、可通过非门求反后 取得。B、A之间是或运算,可以用或门 实现,所以,可画出如下图所示的逻辑 图。

6.4.1 、逻辑函数与真值表的互换
?

1、由逻辑函数列真值表 ①若输入变量数为n,则输入变量不同状态的组 合数目为2n。 ②列表时,输入状态按n列、2n行画好表格,然 后将变量0和1填入表格中。

例4-3 列出逻辑函数 Y=ABC+ABC+ABC的真值表
? 解:从逻辑函数式中可看出,输入变量有三个, 所以输入状态共有23=8种。按上述方法,列出真值 表的输入部分,再将每一种状态代入 ? Y=ABC+ABC+ABC式, ? 求出函数值。 ? 例如,当A=1,B=0,C=0时, ? Y=1+00+100=1,其余都按照此 ? 方法算出,列出真值表6-7。

2、由真值表列出逻辑函数式
①从真值表中找出输出为1的各行,把每行的输入
变量写成乘积的形式。

②把各乘积项相加。
例4-4试将真值表6-8写出相应 的逻辑函数式。 解:由上述方法,将第一,七行写出 二个逻辑乘积项:ABC、ABC。 再将各乘积项相加,得逻辑函数式 Y=ABC+ ABC
?

6.4.3 、逻辑代数在逻辑电路中的应用
? 根据逻辑功能设计电路时,得到的并非是唯一的电路,

可运用逻辑代数的基本公式进行化简,得到简单合理 的电路。 例4-5 根据Y=(A+B)(A+C)逻辑函数设计逻辑电路。 ? 解:由题意可画出相应的逻辑电路,如下图(a)所示。 如果将函数式Y=(A+B)(A+C)经化简后得Y=A+BC则 可得到更简单的逻辑电路,如下图 (b)所示。

? 例4-6变换函数式Y=AB+AC+AD为与非-与非表

达式,并画出相对应的逻辑电路图。 ? 解: Y=AB+AC+AD=A(B+C+D)=ABCD=ABCD ? 根据变换的与非-与非表达式,对应的逻辑电路 如下图所示。

6.5组合逻辑电路及逻辑部件
组合逻辑电路的特点 ? 在组合逻辑电路中,任何时刻的输出状态取 决于该时刻的输入状态,与电路原来状态无 关。组合逻辑电路都不具有记忆单元,没有 记忆功能。 ? 组合逻辑电路的分析
?
①根据逻辑电路写出逻辑代数表达式,由输入到输出 逐级推出输出逻辑表达式。 ②对逻辑表达式进行化简。 ③列出真值表进行逻辑功能分析。

第7章 触发器和时序逻辑电路
? 数字逻辑电路可分为两大类:一类是第六章介绍的

组合逻辑电路,它的基本单元是门电路,其特点是 某一时刻的输出仅取决于当时的输入信号并且无法 保存输出信号;另一类是本章将讨论的时序逻辑电 路,它的基本单元电路是一种具有记忆、存贮功能 的双稳态触发器。时序逻辑电路的特点是,某一时 刻输出不仅取决于当时的输入信号,而且还与电路 原来的状态有关。 ? 本章将主要介绍几种常用的触发器,并讨论由触发 器组成的几种常用时序逻辑电路,如寄存器、计数 器等。

7.1 双稳态触发器
? 双稳态触发器按逻辑功能可分为RS触发

器、JK触发器、D触发器和T触发器等; 按电路结构可分为同步型逻辑触发器、 主从型触发器、维持组塞型触发器和边 沿触发器等;按触发方式可分为电平触 发型、主从触发型和边沿触发型。

7.1.1 、RS触发器
? 基本RS触发器可由两个“与非”门交叉联接而成,如下图所

示 (a)为逻辑电路图,(b)为逻辑符号。它有两个输入端SD和RD ,两 个互补的输出Q和Q,两个输出端的状态在正常情况下总是相反 的,通常把Q端的态作为触发器的工作状态。 ? 触发器在正常情况下具有两个稳定状态,一个是Q=1,Q=0 状态,称为“1”态或“置位”状态;另一个是Q=0,Q=1状态, 称为“0”态或“复位”状态。 称SD为直接置位端或直接置“1”端, RD称为直接复位端或直接置“0”端。 由于该触发器具有两种稳定状态, 故称为双稳态触发器。

7.1.2 、主从型 JK触发器
? 下图为主从型JK触发器的逻辑电路和逻辑符号。从(a)的逻

辑电路可知,它是由两个同步RS触发器相连而成,触发器 FF1称为主触发器、触发器FF2称为从触发器,主触发器的 输出为从触发器的输入,从触发器的输出Q和Q交叉反馈至 主触发器的输入,主触发器增加了两个信号输入端J和K, 电路中的非门为隔离引导门,它使主触发器和从触发器分 别得到相位相反的时钟脉冲信号,这样可将接收输入信号 和改变输出状态人时间上 分开。 SD和RD为设置初始状 态用的直接触发端,触发器 工作时应将其保持在高电平 上。

7.2

寄存器

? 在计算机和数字系统中,常需要将一些数码暂时放起

来,能暂时存放数码的逻辑部件称为寄存器。 ? 寄存器通常由具有记忆功能的触发器和某些起控制作 用的门电路组成。一个触发器可以寄存一位2进制数, 因此能存储n位2进制数的寄存器需要n个触发器。 ? 寄存器接收数码的方式有双拍接收方式和单拍接收方 式两种,前者是第1拍清零,第2拍存数;后者则是1拍 就完成存数。 ? 寄存器按功能可分为多种,但运用的较多的是数码寄 存器和移位寄存器这两种,特别是不仅能寄存数码, 而且能使数码移位的移位寄存器使用广泛,是数字系 数中进行算术运算的必需部件。

7.2.1 、数码寄存器
? 图所示逻辑电路是一个由D触发器

组成的4位数码寄存器。它由4个D 触发器组成,时钟脉冲端CP在这里 作为存数指令端,D0 ~D4为4位数 码输入端,Q0 ~ Q3为4位数码的原 码输出端, Q0 ~ Q3为4位数码的反 码输出端,SD为清零指令端。 ? 数码寄存器有专门的集成器件, TTL中规模集成数码寄存器有4位的 74175,74LS175等,另外还有6位,8 位等集成器件。

7.2.2 、移位寄存器
? 移位寄存器是在移位脉冲作用下,将寄

存器中的数码依次向左移或向右移。按 移动方式可分为单向(左移或右移)移 位寄存器和双向移位寄存器,按数码输 入输出方式可分为串行输入,并行输 入 ,串行输出,并行输出等。

7.3 计数器
? 计数器是一种能累计输入脉冲数目的时

序逻辑电路。除了计数,计数器还可用 来定时、分频和进行数字运算等,几乎 所有的数字系统中都有计数器。因此, 计数器是数字系统中非常重要和基本的 时序逻辑部件。

7.3.1 、二进制计数器
? 1.二进制加法计数器 ? 对于2进制的加法,其规则是“逢2进1”,

即0+1=1,1+1=10。当本位是1,再 加1时,本位便为0,高位加1,也就是说, 每当本位从1变为0时,便向相邻高位进 位,使高位加1。1位2进制数需一个触发 器表示,n位2进制数则需用n个触发器构 成。

2.2进制减法计数器
? 2进制减法计数器的功能是计数器的计数

值随计数脉冲的增加而递减,若仍以4位 2进制数为例,则2进制减法计数器的状 态表如表7-8所示。2进制的减法运算与 加法运算不同之处是当0减1时,须向相 邻高位借1。对于计数器则是本位触发器 由“0”态翻成“1”态时,将向相邻高位触 发器发出借位脉冲,并使其翻转。

7.3.2 、N进制计数器
? 在数字系统中,除了2进制和10进制计数器外,

还有其它任意进制(如3,5,6,7,……)的 计数器,通称为N进制计数器。 ? 对于N进制计数器的设计,在上节中介绍过根 据状态表写出激励方程的观察法(如同步10进 制加法计数器分析)和异步复位法(如异步10 进制加法计数器分析)。事实上,中规模集成 2进制和10进制计数器已被普遍使用,这些器 件芯片设置了某些附加输入端,它的一个重要 目的就是用来非常方便地构成任意进制计数器。

第8章 数字技术中常用的应用 电路
? 本章将主要介绍一些在数字系统中常用的应用

电路。它们大多数是采用前面所介绍的基本单 元而构成的的各种应用电路,以便于大家进行 实验和组建各种实用电路。 ? 首先介绍脉冲信号的产生和波形的变换、整形 电路;然后,讨论在数字系统中起着门户作用 的接口电路—模数转换器和数模转换器;最后, 举一些数字系统的电路实例。

8.1脉冲信号的产生与整形电路
? 在数字系统中,经常要用到各种不同的

脉冲信号,它们在数字电路中起着控制、 启动、定时等重要作用。下面,对脉冲 信号的产波形的变换和整形分别作一些 介绍。

8.1.1单稳态触发
? 在第七章时序逻辑电路中介绍的双稳态触发器

有两个稳定状态,在外加信号触发下,可以从 一个稳定状态转变为另一个稳定状态。单稳态 触发器只有一个稳定状态,在适当的外加信号 触发下,可以从稳定状态转变到另一个暂稳状 态,经过一定的时间延迟后,又自动地翻转回 原先的稳定状态,且暂稳态的持续时间与触发 信号无关,仅取决于电路本身的参数。 ? 由于具备以上特点,单稳态触发器被广泛用于 电路中的定时、延时和整形。

1.微分型单稳态触发器
? 下图所示为TTL与非门构成的单稳态触发器。

G1门和G2门之间由定时元件R与C耦合并构成 微分电路;G2门到G1门之间采用正反馈连接; R1和C1构成输入微分电路。其作用是将外加触 发信号u1变换为窄脉冲加到G1门上进行触发, 另外起隔直作用。正常情况下,R的取值要小于 TTL与非门的关门电阻ROFF ,即R<0.7kΩ, R1的取值大于TTL与非门的开门电阻RON即R1 >2kΩ。

2.集成单稳态触发器
? 由于单稳态触发器在数字系统中应用广泛。因

而已将它作为一个标准器件制成规模集成电路。 这些器件在使用时只需外接少量的定时元件R 和C即可,电路设置了下降沿触发输入端和上 升沿触发输入端供不同情况下选用,并有互补 的输出Q和Q ,并设置了清零端。 ? 常用的集成单稳态触发器属TTL型的有:74121, 74122和74123等,属于CMOS型的有:CC4098。 CC4528等。

8.1.2 多谐振荡器—无稳态触发器
? 单稳态触发器的两种状态一个是稳态,另一个

为暂稳态,多谐振荡器的两种状态都是暂稳态, 而且不需要外加触发信号,它会自动地从一个 暂稳态转入另一个暂稳态,输出高、低电平交 替的周期性矩形脉冲,由于矩形包含有众多的 谐波信号,故将为种矩形波发生器称为多谐振 荡器,也称为无稳态触发器。 ? 多谐振荡器主要用来产生各种矩形波,是数字 系统中必不可少的时钟脉冲信号源。

f ?

1 1 ? T 1.4 RC

1、电容正反馈多谐振荡器
? 图8-8是由两个CMOS非门和R,C元件构

成的多谐振荡器。该多谐振荡器的工作 振荡频率为:
1 1 f ? ? T 1.4 RC

2、石英晶体多谐和振荡器
? 上面介绍的通过RC定时的多谐振荡器,由于其

振荡周期取决于R和C的数值,而R和C的数值 容易受温度、时间等因素的影响而变化,稳定 性较差,故不能输出高稳定度的脉冲。 ? 数字系统中,很多电路对时钟脉冲频率稳定度 有很高的要求。而石英晶体多谐振荡器可以很 好地满足大多数数字电路的要求。因为石英晶 体的频率稳定度可达到期10-10~10-11 。

8.1.3 施密特触发器
? 施密特触发器(Schmitt Trigger)也称为电位触

发器。它也有两个稳定的输入状态,但与第七 章讨论的双稳态触发器不同的是,它不具有记 忆保持功能。当外加触发信号u1上升到某个幅 度值UT+时,它从一个稳定状态翻转到另一个 稳定状态;只有当u1下降到某个幅度值UT-时, 它才又翻转回原来的稳定状态,而且UT+>UT即两次翻转的触发电平不相同,通常将UT+称 为上限触发电平,UT-称为下限触发电平。两 个触发电平之差称为回差电压ΔUT, 且 ΔUT =UT+-UT- 。

8.1.4 集成555定时器及其应用
? 集成555定时器是一种将模拟电路和数字

电路相结合的中规模集成电路和。它的 性能灵活、适用范围广,外部加接少量 的阻容元件便可方便地构成多谐振荡器 或单稳态触发器,而其本身就可以作为 施密特触发器因此,集成555定时器广泛 应用在脉冲波形的产生与变换,测量与 控制等方面。

1.集成555定时器
? 集成555定时器分双极型和CMOS型两大

类,尽管内部电路不同,但所有555定时 器的逻辑功能和外部线排列是完全相同 的,而且所有双极型产品型号的最后3个 数码都是(单定时器)或556(双定时 器),所有CMOS型产品型号的最后4个 数码都是7555或7556。

8.2 模数和数模转换器
? 当计算机用于生产过程自动控制时,所需要测

量和控制的物理大多是连续变化的模拟量,如 电压、温度、压力、位移等。对其中的非电的 模拟量首先要通过传感器变换为电信号的模拟 量,然后再将这些模拟信号转换为数字信号, 送入计算机进行处理,处理后的数字信号再转 换为模拟信号,关入控制执行电路。从模拟量 到数字量的转换称为模数转换或A/D转换,反 之,称为数模转换或D/A转换。模数转换器和 数模转换器就是完成上述两种转换的电路。它 们是非常重要的数字系统的接口电路。

8.2.1 数模转换器(DAC)
? 数模转换器(Digital Analong Converter)是将

数字信号转换成模拟信号的电路。 ? D/A转换器实际上就是“译码”装置,它将输 入数字的每一位代码按权的大小转换为相应的 模拟量,再将所有位的模拟量相加而得到总的 模拟量,实现数模转换。 ? D/A转换器通常由4个部分组成,即译码电路、 模拟开关、加法电路、基准电压源等。不同的 译码电路可构成不同的D/A转换器。下面,以 使用得最多的梯形网络D/A转换器为例介绍 D/A转换过程。

8.2.2 模数转换器(ADC)
? 模数转换器(Analog-Digital Converter)是

将模拟信号转换成数字信号的电路。 ? D/A转换器类似一个“译码”装置,而 A/D转换器则类似“编码”装置。它对输 入的模拟信号进行编码,输出与模拟量 大小成比例关系的数字量。A/D转换的过 程可归纳为采样 ~ 保持和量化 ~ 编码这 两大过程。


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