一、脈沖和脈沖電路

1.脈沖的定義

脈沖(pulse)這個詞包含著脈動和短促的意思。狹義地說，脈沖信號是指一種持續(xù)時間極短的電壓或電流波。從廣義上講，通常把一切非正弦波都統(tǒng)稱之為脈沖信號。各種常見的脈沖波形如圖0.1所示。

圖0.1所示的波形，乍看起來，似乎各不相同。但如果對它們進行仔細分析，就會發(fā)現(xiàn)這些波形有一個共同特點，就是整個波形是由若干個暫態(tài)過程段所組成。我們知道，要得到暫態(tài)過程，電路必須包含兩個主要組成部分：一個是開關(guān)部分，另一個是惰性電路部分。開關(guān)用來破壞電路的穩(wěn)態(tài)，使之產(chǎn)生暫態(tài)過程，而惰性電路則用來控制暫態(tài)過程的形狀和變化的快慢。

    2.脈沖波形的主要參數(shù)

最常見的脈沖波形是方波和矩形波，理想的方波和矩形波突變部分是瞬時的，不占用時間。 但實際中，脈沖電壓從零值躍升到最大值時，或從最大值躍降到零值時，都需要經(jīng)歷一定時間。圖0.2所示為矩形脈沖信號的實際波形圖。圖中， Vm是脈沖信號的幅度；tr是脈沖信號的上升時間，又稱前沿，它是指脈沖信號由0.1 Vm上升至0.9 Vm所經(jīng)歷的時間；tf是脈沖信號的下降時間，又稱后沿，它是指脈沖信號由0.9 Vm下降至0.1 Vm所經(jīng)歷的時間；T為脈沖信號的周期；tW是脈沖信號持續(xù)時間，又稱脈寬，它是指脈沖信號從上升至0.5 Vm處至下降到0.5 Vm之間的時間間隔。在一個周期中，(T-tW)稱為脈沖休止期。

3.脈沖電路

脈沖電路是各種波形脈沖的產(chǎn)生以及脈沖波形間相互變換的電路。脈沖電路可以用分立晶體管、場效應(yīng)管作為開關(guān)和RC或RL電路構(gòu)成，也可以由集成門電路或集成運算放大器和RC充放電電路構(gòu)成。常用的有脈沖波形的產(chǎn)生，變換、整形等電路，如雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、自激多諧振蕩器等。這些電路也可以作為數(shù)字系統(tǒng)中的時鐘產(chǎn)生電路和定時電路。

二、數(shù)字信號和數(shù)字電路

1.數(shù)字信號的表示方法

在自然界中存在許多物理量。例如溫度、壓力、時間等，一般都具有連續(xù)變化的特點，這種連續(xù)變化的物理量稱之為模擬量。把表示模擬量的信號叫做模擬信號。

還有一種物理量，它們在時間上和數(shù)值上是不連續(xù)的，它們的變化總是發(fā)生在一系列離散的瞬間。它們的數(shù)值大小和每次的增減變化都是某一最小單位的整數(shù)倍，而小于這個最小量單位的數(shù)值是沒有物理意義的。例如，工廠中生產(chǎn)的產(chǎn)品的個數(shù)，它們只能在一些離散的瞬間完成產(chǎn)品，而產(chǎn)品的個數(shù)也只能一個單位一個單位地增減。這一類物理量叫做數(shù)字量。把表示數(shù)字量的信號叫做數(shù)字信號。工作在數(shù)字信號下的電路叫做數(shù)字電路。

在數(shù)字電路中只有0，1兩種數(shù)值組成的數(shù)字信號。一個0或一個1通常稱為1比特，有時也將一個0或一個1的持續(xù)時間稱為一拍。對于0和1可以用開關(guān)的通斷，電位的高低，脈沖的有無來表示，如圖0.3中(a)為數(shù)字信號1101110010，(b)是以高電平表示1，低電平表示0的電位型數(shù)字信號，(c)是以有脈沖表示1，無脈沖表示0的脈沖型數(shù)字信號。

2.數(shù)字電路的特點

數(shù)字電路是用來處理數(shù)字信號的電路。可對數(shù)字信號進行算術(shù)運算及邏輯運算。數(shù)字電路的輸入輸出信號都是數(shù)字信號，通常將數(shù)字電路輸入輸出之間的關(guān)系稱為邏輯關(guān)系。

一定數(shù)字電路可以完成一定的基本邏輯功能，并用相應(yīng)的邏輯符號表示。由一系列的邏輯符號及它們之間的連線所構(gòu)成的電路圖稱為邏輯圖或邏輯電路。邏輯電路只反映數(shù)字電路或設(shè)備的邏輯功能，而不反映電氣性能及參數(shù)等。所以，對數(shù)字電路的分析和設(shè)計需要考慮兩方面的問題，一方面是電氣性能，另一方面是邏輯功能。

由于數(shù)字信號只需要用兩個不同狀態(tài)來分別表示0和1即可，所以在電路上很容易實現(xiàn)。

(1)用晶體三極管飽和狀態(tài)表示0，截止狀態(tài)表示1。

(2)用數(shù)字集成電路：數(shù)字電路的基本單元比較簡單，對元件的要求不嚴格，只要能區(qū)分0和1就夠了，這樣就能在一塊硅片上把眾多的基本單元制作在一起。

對基本數(shù)字集成電路中的集成邏輯門、集成觸發(fā)器重點討論其電氣性能。對于較復(fù)雜的數(shù)字電路，側(cè)重于邏輯功能的分析和設(shè)計。

邏輯電路的分析和設(shè)計完全不同于模擬電路的分析設(shè)計，由于邏輯電路的輸入和輸出信號只有0和1兩種取值，所以可用“邏輯代數(shù)”這一數(shù)學工具來加以描述。常用真值表、卡諾圖、特征方程和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖等方法來分析和設(shè)計邏輯電路。

三、數(shù)字電路的應(yīng)用

目前，數(shù)字電路的應(yīng)用已極為廣泛。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，在圖像及電視信號處理中，都可以用若干個0和1編制成各種代碼，分別代表不同的信息含義；在自動控制中，可以利用數(shù)字電路的邏輯功能，設(shè)計出各種各樣的數(shù)字控制裝置；在測量儀表中，可以利用數(shù)字電路對測量信號進行處理，并將測試結(jié)果用十進制數(shù)碼顯示出來；尤其在數(shù)字電子計算機中，可以利用數(shù)字電路實現(xiàn)各種功能的數(shù)字信息的處理。數(shù)字電子計算機已滲透到國民經(jīng)濟和人民生活的一切領(lǐng)域，并已帶來了許多方面根本性能的變革。

必須指出，數(shù)字電路只能對數(shù)字信號進行處理，它的輸入和輸出均為數(shù)字信號，而大量的物理量幾乎都是模擬信號。因此，首先必須將模擬信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，才可送給數(shù)字電路進行處理，而且還要把數(shù)字結(jié)果再轉(zhuǎn)換成模擬信號。完成將模擬信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)字信號的電路稱為模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路；完成將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)模擬信號的電路稱為數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路。

應(yīng)該說明的是，隨著中、大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，成本不斷降低，大量使用通用中、大規(guī)模功能塊已勢在必行。因此，邏輯設(shè)計方法在不斷發(fā)展。此外，數(shù)字電路的概念也在發(fā)生變化，例如，在單片計算機中，已將元器件制造技術(shù)、電路設(shè)計技術(shù)、系統(tǒng)構(gòu)成技術(shù)等融為一體，元器件、電路、系統(tǒng)的概念已趨于模糊了。數(shù)字電路和設(shè)備隨著新技術(shù)的發(fā)展也在不斷變化，類型層出不窮，所以數(shù)字技術(shù)是一門發(fā)展很快的學科。本書僅介紹數(shù)字電路與數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)。

數(shù)字電路與數(shù)字電子技術(shù)是一門實踐性很強的技術(shù)基礎(chǔ)課，除要掌握基本原理、基本方法以外，更重要的是靈活運用。因此，在學習中要完成一定數(shù)量的習題和配有一定的實驗。只有這樣，才能掌握本課程基本內(nèi)容、掌握分析問題的基本方法，培養(yǎng)靈活地解決實際問題的能力。