电子维修讲义——数字电路篇1

数字电路篇1数字电子技朮部分数字电子技术是研究电路的‘开’、‘关’状态及其相互间的逻輯关系的，俗称为‘开关电路’。显然，在开关电路中，其工作状态只有‘开’或‘关’。所谓‘数字系统’，就是由基本的数字电路（开关电路）组成的。与模拟电路的线性变化相比，数字电路的电信号是跳变方式，即通常称之谓‘脉冲’。包括电路中用RC过渡过程形成的‘脉冲电压、电流’均属数字电子技术涉及的范围。常用‘逻輯代数’（布尔代数）来分析、表达、设计数字电路及其系统；‘二进制’也是分析、表达电路及其工作过程的重要工具。一、脉冲的基本概念1.脉冲：表示一种时间极短的突变电压或电流信号。开关K的通、断使UR的变化是一种‘突变’——脉冲；波形图记录了电压脉冲UR随时间突变的过程。2.脉冲波的参数：上升沿（上升时间）：从0.1～0.9幅度用的时间，又称‘前沿’；下降沿（下降时间）：从0.9～0.1幅度用的时间，又称‘后沿’；脉冲宽度（tK）：脉冲持续时间；重复周期T：相邻间重复出现的时间；重复频率f＝1/T；幅度：脉冲幅度变化的最大值；理想状态下，上升、下降时间应为0，但电路参数会引起波形的‘畸变’，故希望越短越好。3.常见脉冲波形：重复周期TEKRUREURtK通K断0.10.9上升沿间隔Um幅度tK脉宽下降沿矩形波微分尖脉冲锯齿波三角波数字电路篇24.RC电路充放电特点——脉冲形成的过渡过程；若：开关K合上之前电容C上无电压（初态为0）：K一合上，E经R对C充电，uc从0开始呈指数上升；充电的快慢受时间常数τ=RC约束；RC小，充电快，uc增长迅速；反之，缓慢；特点：i从最大值E/R→下降趋于0；uR从最大值E→下降趋于0；uc从0上升趋于E，均呈指数规律变化；若：电容C充滿电（uc=E），然后接通K：C将放电，从C正端经R到C负端；放电快慢受RC约束，τ大→放电缓慢，τ小→放电迅速。也呈指数规律。从E下降→趋于0；时间常数τ=RC的单位为秒。一般认为：充、放电过程经3～5倍τ的时间即结束（到稳态）。RC电路的充放电过程需时间，揭示出一个重要的概念：电容两端的电压不能突变，总是从原始态开始进行：初始为0时，充电开始瞬间，电容相当于短路；当充满后，电容相当于断路。二、脉冲波形的变換1.微分电路——尖脉冲形成电路输出与输入间为微分关系；时间常数τ=RC；输入在脉冲持续期间，相当于加上幅值为E的电源对C充电，输出uo（uR）从E→下降至0；输入脉冲间隔期间ui=0，相当于输入端短路，电容C对R放电，由于C上电压极性对输出而言呈负极性，则输出uo从-E→放电至0；尖脉冲的脉宽受RC约束。为了形成尖脉冲，时间常数τ=RC应很小，让其在一个输入脉冲间隔内很快完成充放电；形成微分电路的条件是：τ（RC）＜＜tk（tk为输入脉冲宽度）当RC＞＞tk时，变成耦合电路：因为时间常数很大，在输入持续期，电路充放电过程缓慢，不能在输入脉冲跳变之前结束；电路将信号式样‘无变化’地耦合到输出，只不过是信号的交流分量形式，相当于交流放大电路中的耦合电容。iCEKRuRuCucuRτ大τ小（充电过程）EiER（放电过程）τ大τ小EiCKRuCuC放充CRuO0Euiuo0-EuiEE放0uo-EEτ小τ大τ很大充数字电路篇32.积分电路输出是输入信号的积分，典型的电容充放电过程。积分条件是：τ（RC）＞＞tk在脉宽和间隔时间内，充电充不至E、放电也放不至0，输出为‘三角形’积分波。当积分时间常数不同时，将影响输出波‘线性度’等参数，如下图：1.RC小（充、放电迅速）：线性差、幅度高；3.RC大（充、放电缓慢）：线性好、幅度低；当RC极大时成为阻容滤波器，尤如交流整流后的滤波器作用。在线性放大电路中，我们希望信号无失真地传送；在脉冲与数字电路中，往往用改变时间常数等方式将一种波形‘故意失真’成另一种特定形式，以滿足电路需要。三、晶体管开关电路及应用1.二极管开关：由单向导电特性可将二极管等效为右图开关；（上+、下-），D正向导通→K闭合；（为0，短路），D截止→K断开；2.三极管开关：用三极管的饱和、截止状态来形成开关作用。共射极接法（工作于饱和、截止区，放大区仅为前两者间的过渡）：当输入足够大→三极管饱和，两个PN结均正向偏置→输出为0；相当c、e间开关闭合；当输入≈0→三极管截止，两个PN结均反向偏置→输出≈EC；相当c、e间开关断开；输出，输入间状态是相反的，称为反相器；若将RC換成继电器、指示灯等负載，其等效的开关即构成驱动电路。显而易见，这些驱动是由输入端的信号形成的Ib控制的，一般要求：βIb＞3Icmax，使之有足够的基极电流实现三极管饱和。CRuO0Eui放充uo0uiEEEuo123DR0EE0DRKR0KR0E0RbRcIbICECebcuiuouceE0E0RbRcECebcui=0uo=ECRbRcECebcui=Euo=0数字电路篇4应用例：⑴反相器当ui为矩形脉冲时：→三极管饱和→uo→三极管截止→uo输出、输入间是反相的。-Eb使动态时三极管截止更好，脉冲突变更陡直。⑵驱动指示灯当输入为高电平时→驱动三极管饱和（c、e开关闭合）→指示灯亮；当输入为低电平时→驱动三极管截止（c、e开关断开）→指示灯灭；图中：白炽灯额定电压≈Ec；R为发光二极管的限流电阻；⑶驱动继电器驱动继电器的过程与指示灯相同。对感性负載，需并联泄流二极管。用复合三极管可得到更大的β值，以减小基极驱动电流。也可用PNP管（将右图垂直翻转即为左方形式）：当输入高电平时，管子截止（J失电）、输入低电平时，管子饱和（J得电）——与NPN管形式正好相反；⑷驱动开关陣列在一个数字系统或其电路板中经常要使用多个上述的驱动开关，将多个‘开关’集成在一块基片上的ULN2000系列‘开关陣列集成电路’也得到广泛应用。一片ULN2003内有8个独立的集电极开路驱动电路。每一路输出容量约80mA。右图为片内结构示意及片外连接方式。ULN2000系列多种不同路数、输出容量的型号可供选择。ULN2003广泛用于8位微处理器系统等的总线、接口、输出驱动。以适应电路板的较高密度装配、制作。R1RcEC-EbuiuoR2E0E0uiE0Ec0uoR1白炽灯ECuiR1RECuiR1ECuiJR1ECuiJR1uiECJ118217316415514613712811910ULN2803I1I2I3I4I5I6I7I8O1O2O3O4O5O6O7O8VccECJI1O1Vcc（共8路）ULN2003EC数字电路篇5四、二进制的基本表示方法数字电路是研究‘开’、‘关’两个状态构成的逻辑关系及系统。常用数码符号‘0’、‘1’来对应表示。与此相关的即为‘二进制’，包括与十进制之间的对应关系。和熟知的十进制数一样，二进制数也是‘累进计数’，只不过是‘逢二进一’。二进制中只有‘0’、‘1’两个数码符号，也称‘数码’；它们的累计即在‘0’、‘1’间按‘逢二进一’的方式进行。1001左式可見：低三位相加，没有出现‘逢二进位’，各位的和可对位写11010出。高二位相加（包括对本位的进位）出现二，应向上位进位，100011并写出本位‘和’（左例本位写0）。由此规律：十进制数和二进制数的对应关系可写成以下形式：二位形式三位形式四位形式‘位权’（簡称‘权’）的意义：二进制数只有0、1两种数码符号，多位组成的二进制数所对应的十进制数数值可以通过‘权’相加求得：观察‘四位形式’的对应关系：在十进数的1、2、4、8，对应了二进制数中只有某一位为‘1’，其余为0，即某位二进码为‘1’时，表示该位具有十进数值的多少——称为该位的‘权’，然后把‘出现1的权值加起来就可以了’。权2n-1………32168421二进数位an-1………a5a4a3a2a1a0权值是2n关系，与‘打麻将数翻一样’。对四位表示方式常称为‘8-4-2-1’编码，即为对应位的‘权值’；用权相加即可求出对应的十进数值。例有一个二进数（101001）2………脚标表示括号内为二进制数；权32168421所以，（101001）2＝32+0+8+0+0+1＝（41）10——即为十进制的41；以上是学习数字电路时对二进制内容的最基本的要求。十进数0123二进数00011011十进数01234567二进数000001010011100101110111二进0123456789101112131415十进0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111数字电路篇6五、门电路组成数字逻辑系统的单元有‘门电路’、‘触发器’等。门电路是组成数字逻辑的最基本单元。由门电路构成的逻辑电路又称为‘组合逻辑电路’，特点是：电路无存儲功能，输出是输入的即时响应——只要输入确定了，输出就唯一确定。所谓‘逻辑关系’是指‘条件与结果的关系’。‘与’逻辑：只有当A、B都合上（条件成立），L才能发亮（结果才成立）；‘或’逻辑：当A或B或全部合上，L均可发亮；‘非’逻輯：当A合上（条件成立），L不发亮（结果不成立）；上述开关条件与灯亮是三种最基本的逻辑关系。条件及结果是人为事先约定的，显然，约定不同，分析出的结果也不一定相同。具有逻辑关系的电路也称为‘逻輯电路’，在数字电子技朮中也习惯称为‘数字电路’。1.‘逻辑关系’的表示方法和规定：数字电路是‘开’、‘关’两状态的关系，即条件与结果的成立与否。所以，在设计、分析过程中常用‘1’、‘0’、‘高电平VH’、‘低电平VL’来表示电路的状态或事件的‘成立’、‘不成立’。若用‘1’代表VH并表示事件成立、‘0’代表VL并表示事件不成立——称‘正逻輯’方式；反之称为‘负逻輯’方式。目前基本上均用‘正逻輯’方式。这也是电路结构及人们思维方式的习惯决定的。说明一点：在这里‘1’、‘0’只是表示电路的状态，它不是二进制的数码。2.基本门电路及表示：⑴二极管与门（实现‘与’的电路）可用二极管构成‘与逻辑’，目前广泛使用集成与门：如CD4081、74LS08、74HC08等。表达式说明输出L和输入AB间是‘逻辑相乘’，输入可以是多个；真值表列出了输入所有可能出现的组合，输出L对应得到输入逻辑相乘的结果，功能口诀总结出便于记忆的方式。ABL000010100111ABLABLAABD1D2RECL（电路）ABL（逻辑符号）L＝A·B（逻辑乘）（逻辑表达式）（功能口诀）見0出0全1出1（真值表）每句前两字表示输入、后两字表示输出结果数字电路篇7⑵或门注意与二进制加法的区别：逻輯加法L＝A+B+……＝1（都等于1），表示只要有一个输入成立，其结果就成立，它实际是表示电路状态。而逻辑乘法与普通代数的乘法规则是相同的。集成电路形式的型号如：CD4071、74LS32、74HC32……⑶非门（反相器）集成电路形式的型号如：CD4069、74LS04、74HC04、……。等3.复合门电路：（与、或、非三种基本门电路的组合使用）⑴与非门（与门+非门）⑵或非门（或门+非门）⑶异或门ABL000011101110用与、或、非基本门可复合出多种逻辑门；用组合逻辑设计方法，可构成各种组合逻辑电路；也有多种形式的集成复合门电路供选用，如：CD4070、CD4085……ABL000011101111AL0110ABL001011101110ABL001010100110ABD1D2RL（电路）L＝A+B（逻辑加）（逻辑表达式）ABL（逻辑符号）（功能口诀）見1出1全0出0R1RcEC-EbALR2E0E0L＝A（输出是A的反）（逻辑表达式）AL（逻辑符号）ABL＇=AB（组合结构）L（与非符号）LAB（表达式）L=AB（功能口诀）見0出1全1出0（功能口诀）見1出0全0出1ABL＇=A+BL（组合结构）（表达式）L=A+B（或非符号）LAB（异或符号）LAB（表达式）L＝AB＝AB+AB（功能口诀）相同出0不同出1数字电路篇83.组合逻辑电路的简单分析方法：前已叙述：只用门电路构成的逻辑电路称为‘组合逻辑电路’，简称为‘组合电路’。较复杂的逻