一、脈沖和脈沖電路

1.脈沖的定義

脈沖(pulse)這個(gè)詞包含著脈動(dòng)和短促的意思。狹義地說(shuō)，脈沖信號(hào)是指一種持續(xù)時(shí)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(hào)。各種常見(jiàn)的脈沖波形如圖0.1所示。

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

    2.脈沖波形的主要參數(shù)

最常見(jiàn)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(shí)的，不占用時(shí)間。 但實(shí)際中，脈沖電壓從零值躍升到最大值時(shí)，或從最大值躍降到零值時(shí)，都需要經(jīng)歷一定時(shí)間。圖0.2所示為矩形脈沖信號(hào)的實(shí)際波形圖。圖中， Vm是脈沖信號(hào)的幅度；tr是脈沖信號(hào)的上升時(shí)間，又稱前沿，它是指脈沖信號(hào)由0.1 Vm上升至0.9 Vm所經(jīng)歷的時(shí)間；tf是脈沖信號(hào)的下降時(shí)間，又稱后沿，它是指脈沖信號(hào)由0.9 Vm下降至0.1 Vm所經(jīng)歷的時(shí)間；T為脈沖信號(hào)的周期；tW是脈沖信號(hào)持續(xù)時(shí)間，又稱脈寬，它是指脈沖信號(hào)從上升至0.5 Vm處至下降到0.5 Vm之間的時(shí)間間隔。在一個(gè)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(chǎng)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(yùn)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(shí)鐘產(chǎn)生電路和定時(shí)電路。

二、數(shù)字信號(hào)和數(shù)字電路

1.數(shù)字信號(hào)的表示方法

在自然界中存在許多物理量。例如溫度、壓力、時(shí)間等，一般都具有連續(xù)變化的特點(diǎn)，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(hào)叫做模擬信號(hào)。

還有一種物理量，它們?cè)跁r(shí)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(gè)最小量單位的數(shù)值是沒(méi)有物理意義的。例如，工廠中生產(chǎn)的產(chǎn)品的個(gè)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(gè)數(shù)也只能一個(gè)單位一個(gè)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(hào)叫做數(shù)字信號(hào)。工作在數(shù)字信號(hào)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(hào)。一個(gè)0或一個(gè)1通常稱為1比特，有時(shí)也將一個(gè)0或一個(gè)1的持續(xù)時(shí)間稱為一拍。對(duì)于0和1可以用開關(guān)的通斷，電位的高低，脈沖的有無(wú)來(lái)表示，如圖0.3中(a)為數(shù)字信號(hào)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(hào)，(c)是以有脈沖表示1，無(wú)脈沖表示0的脈沖型數(shù)字信號(hào)。

2.數(shù)字電路的特點(diǎn)

數(shù)字電路是用來(lái)處理數(shù)字信號(hào)的電路。可對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算及邏輯運(yùn)算。數(shù)字電路的輸入輸出信號(hào)都是數(shù)字信號(hào)，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(hào)表示。由一系列的邏輯符號(hào)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(duì)數(shù)字電路的分析和設(shè)計(jì)需要考慮兩方面的問(wèn)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(hào)只需要用兩個(gè)不同狀態(tài)來(lái)分別表示0和1即可，所以在電路上很容易實(shí)現(xiàn)。

(1)用晶體三極管飽和狀態(tài)表示0，截止?fàn)顟B(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(jiǎn)單，對(duì)元件的要求不嚴(yán)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(duì)基本數(shù)字集成電路中的集成邏輯門、集成觸發(fā)器重點(diǎn)討論其電氣性能。對(duì)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(jì)。

邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)完全不同于模擬電路的分析設(shè)計(jì)，由于邏輯電路的輸入和輸出信號(hào)只有0和1兩種取值，所以可用“邏輯代數(shù)”這一數(shù)學(xué)工具來(lái)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(lái)分析和設(shè)計(jì)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(hào)處理中，都可以用若干個(gè)0和1編制成各種代碼，分別代表不同的信息含義；在自動(dòng)控制中，可以利用數(shù)字電路的邏輯功能，設(shè)計(jì)出各種各樣的數(shù)字控制裝置；在測(cè)量?jī)x表中，可以利用數(shù)字電路對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理，并將測(cè)試結(jié)果用十進(jìn)制數(shù)碼顯示出來(lái)；尤其在數(shù)字電子計(jì)算機(jī)中，可以利用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)各種功能的數(shù)字信息的處理。數(shù)字電子計(jì)算機(jī)已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活的一切領(lǐng)域，并已帶來(lái)了許多方面根本性能的變革。

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

應(yīng)該說(shuō)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(shì)在必行。因此，邏輯設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)中，已將元器件制造技術(shù)、電路設(shè)計(jì)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(xué)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(shí)踐性很強(qiáng)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(yùn)用。因此，在學(xué)習(xí)中要完成一定數(shù)量的習(xí)題和配有一定的實(shí)驗(yàn)。只有這樣，才能掌握本課程基本內(nèi)容、掌握分析問(wèn)題的基本方法，培養(yǎng)靈活地解決實(shí)際問(wèn)題的能力。