数字电子技术基础（阎石第五版）清华大学

机械工程

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课程介绍

数字电路与数字电子技术广泛地应用于电视、雷达、通信、电子计算机、自动控制、航天等科学技术各个领域。因此，“数字电路与数字电子技术”已成为高等院校无线电技术、电子工程、计算机技术、自动控制等专业的主要技术基础课之一。

一、脉冲和脉冲电路

1.脉冲的定义

脉冲(pulse)这个词包含着脉动和短促的意思。狭义地说，脉冲信号是指一种持续时间极短的电压或电流波。从广义上讲，通常把一切非正弦波都统称之为脉冲信号。各种常见的脉冲波形如图0.1所示。

图0.1所示的波形，乍看起来，似乎各不相同。但如果对它们进行仔细分析，就会发现这些波形有一个共同特点，就是整个波形是由若干个暂态过程段所组成。我们知道，要得到暂态过程，电路必需包含两个主要组成部分：一个是开关部分，另一个是惰性电路部分。开关用来破坏电路的稳态，使之产生暂态过程，而惰性电路则用来控制暂态过程的形状和变化的快慢。

2.脉冲波形的主要参数

最常见的脉冲波形是方波和矩形波，抱负的方波和矩形波突变部分是瞬时的，不占用时间。但实际中，脉冲电压从零值跃升到最大值时，或从最大值跃降到零值时，都需要经历一按时间。图0.2所示为矩形脉冲信号的实际波形图。图中， Vm是脉冲信号的幅度；tr是脉冲信号的上升时间，又称前沿，它是指脉冲信号由0.1 Vm上升至0.9 Vm所经历的时间；tf是脉冲信号的下降时间，又称后沿，它是指脉冲信号由0.9 Vm下降至0.1 Vm所经历的时间；T为脉冲信号的周期；tW是脉冲信号持续时间，又称脉宽，它是指脉冲信号从上升至0.5 Vm处至下降到0.5 Vm之间的时间间隔。在一个周期中，(T-tW)称为脉冲休止期。

3.脉冲电路

脉冲电路是各种波形脉冲的产生以及脉冲波形间彼此变换的电路。脉冲电路可以用分立晶体管、场效应管作为开关和RC或RL电路构成，也可以由集成门电路或集成运算放大器和RC充放电电路构成。常用的有脉冲波形的产生，变换、整形等电路，如双稳态触发器、单稳态触发器、自激多谐振荡器等。这些电路也可以作为数字系统中的时钟产生电路和按时电路。

二、数字信号和数字电路

1.数字信号的表示方法

在自然界中存在许多物理量。例如温度、压力、时间等，一般都具有连续变化的特点，这种连续变化的物理量称之为模拟量。把表示模拟量的信号叫做模拟信号。

还有一种物理量，它们在时间上和数值上是不连续的，它们的变化总是发生在一系列离散的瞬间。它们的数值大小和每次的增减变化都是某一最小单位的整数倍，而小于这个最小量单位的数值是没有物理意义的。例如，工厂中生产的产品的个数，它们只能在一些离散的瞬间完成产品，而产品的个数也只能一个单位一个单位地增减。这一类物理量叫做数字量。把表示数字量的信号叫做数字信号。工作在数字信号下的电路叫做数字电路。

在数字电路中只有0，1两种数值组成的数字信号。一个0或一个1通常称为1比特，有时也将一个0或一个1的持续时间称为一拍。对于0和1可以用开关的通断，电位的凹凸，脉冲的有无来表示，如图0.3中(a)为数字信号1101110010，(b)是以高电平表示1，低电平表示0的电位型数字信号，(c)是以有脉冲表示1，无脉冲表示0的脉冲型数字信号。

2.数字电路的特点

数字电路是用来处理数字信号的电路。可对数字信号进行算术运算及逻辑运算。数字电路的输入输出信号都是数字信号，通常将数字电路输入输出之间的关系称为逻辑关系。

必然数字电路可以完成必然的基本逻辑功能，并用相应的逻辑符号表示。由一系列的逻辑符号及它们之间的连线所构成的电路图称为逻辑图或逻辑电路。逻辑电路只反映数字电路或设备的逻辑功能，而不反映电气性能及参数等。所以，对数字电路的分析和设计需要考虑两方面的问题，一方面是电气性能，另一方面是逻辑功能。

由于数字信号只需要用两个不同状态来别离表示0和1即可，所以在电路上很容易实现。

(1)用晶体三极管饱和状态表示0，截止状态表示1。

(2)用数字集成电路：数字电路的基本单元比力简单，对元件的要求不严格，只要能区分0和1就够了，这样就能在一块硅片上把众多的基本单元制作在一起。

对基本数字集成电路中的集成逻辑门、集成触发器重点讨论其电气性能。对于较复杂的数字电路，侧重于逻辑功能的分析和设计。

逻辑电路的分析和设计完全不同于模拟电路的分析设计，由于逻辑电路的输入和输出信号只有0和1两种取值，所以可用“逻辑代数”这一数学工具来加以描述。常用真值表、卡诺图、特征方程和状态转换图等方法来分析和设计逻辑电路。

三、数字电路的应用

目前，数字电路的应用已极为广泛。在数字通信系统中，在图像及电视信号处理中，都可以用若干个0和1编制成各种代码，别离代表不同的信息含义；在自动控制中，可以利用数字电路的逻辑功能，设计出各种各样的数字控制装置；在测量仪表中，可以利用数字电路对测量信号进行处理，并将测试结果用十进制数码显示出来；尤其在数字电子计算机中，可以利用数字电路实现各种功能的数字信息的处理。数字电子计算机已渗透到国民经济和人民生活的一切领域，并已带来了许多方面根本性能的变化。

必需指出，数字电路只能对数字信号进行处理，它的输入和输出均为数字信号，而大量的物理量几乎都是模拟信号。因此，首先必需将模拟信号转换成为数字信号，才可送给数字电路进行处理，并且还要把数字结果再转换成模拟信号。完成将模拟信号转换成相应数字信号的电路称为模／数转换电路；完成将数字信号转换成相应模拟信号的电路称为数／模转换电路。

应该说明的是，随着中、大规模集成电路的飞速发展，成本不竭降低，大量使用通用中、大规模功能块已势在必行。因此，逻辑设计方法在不竭发展。此外，数字电路的概念也在发生变化，例如，在单片计算机中，已将元器件制造技术、电路设计技术、系统构成技术等融为一体，元器件、电路、系统的概念已趋于模糊了。数字电路和设备随着新技术的发展也在不竭变化，类型层出不穷，所以数字技术是一门发展很快的学科。本书仅介绍数字电路与数字电子技术的基础。

数字电路与数字电子技术是一门实践性很强的技术基础课，除要掌握基本原理、基本方法以外，更重要的是灵活运用。因此，在学习中要完成必然数量的习题和配有必然的实验。只有这样，才能掌握本课程基本内容、掌握分析问题的基本方法，培养灵活地解决实际问题的能力。