2012重庆大学光电工程学院考研仪器科学与技术专业复习指导

7、根据逻辑方程组画电路图：

至此，整个电路设计完成，从上述过程可以看出，只要一步一步按照要求做下来，设计时序逻辑电路还是比较容易的。

八、时序逻辑电路的自启动设计

作为设计者, 为使时序电路满足能够自启动, 我们习惯于把无效状态依次代入状态方程算出次态, 当不能返回有效状态时就要修改设计, 这种反复修改的传统设计方法无规律可循, 要凭设计者的经验和智慧。实际上我们可以从设计步骤上来改变上述习惯设计法, 在求驱动方程的过程中, 通过对卡诺图中无效状态的次态的实际取值进行分析就能够直接设计出既结构简化又能满足自启动的时序逻辑电电路。

设计原理与方法：由于触发器没有时钟脉冲( 没有触发沿) 处于保持状态, 既可为0, 也可为1, 因此对每一个触发器的次态来说, 除了未使用的代码作约束项外, 没有触发沿时, 它的状态也应作约束条件以简化电路。按上述约束项处理求得的驱动方程不是唯一的, 其中能寻找一种既使电路能自启动, 同时又使电路最简单的驱动方程。这样的方程可以通过分析约束项确定出来, 其确定的依据为: 卡诺图中未被圈主的约束项视为0, 否则视为1。这里的自启动设计首先要求能自启动,其次要求进入正常工作圈的枝尽量短, 换言之, 进入正常循环的过渡历程尽量短。 数电第十章 脉冲波形的产生与整形

第七、八、九章不考，不过可以看一下，增加一些这方面的知识还是蛮好的！第十章是脉冲波形的产生与整形，往年考的内容不多，但随着考试的改革，或许今年就可能出现大题，所以希望大家好好学习一下。 一、获取矩形脉冲波的途径

时序电路中的时钟信号即为矩形脉冲波。时钟脉冲的特性直接关系着系统能否正常工作。产生矩形脉冲波的途径有两种：一种是利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲；另一种则是通过各种整形电路把已有的周期性变化波形变换为符合要求的矩形脉冲。 实际的矩形脉冲波形如图1所示，其特性可用以下指标来描述：��

脉冲周期T——周期性重复的脉冲序列中， 两个相邻脉冲间的时间间隔。脉冲频率f=1/T, 表示单位时间内脉冲重复的次数。

脉冲幅度Um——脉冲电压的最大变化幅度。 ��

脉冲宽度TW�ァ�—从脉冲前沿上升到0.5Um开始，到脉冲后沿下降到0.5Um为止的一段时间。 上升时间tr——脉冲前沿从0.1Um上升到0.6Um所需要的时间。 下降时间tf�ァ�—脉冲后沿从0.6Um下降到0.1Um所需要的时间。

图1 矩形脉冲波形

二、矩形脉冲产生电路的组成及典型类型

脉冲产生电路能够直接产生矩形脉冲或方波，它由开关元件和惰性电路组成，开关元件的通断使电路实现不同状态的转换，而惰性电路则用来控制暂态变化过程的快慢。典型的矩形脉冲产生电路有双稳态触发电路、单稳态触发电路和多谐振荡电路三种类型。

双稳态触发电路具有两个稳定状态，两个稳定状态的转换都需要在外加触发脉冲的推动下才能完成。 单稳态触发电路只有一个稳定状态，另一个是暂时稳定状态，从稳定状态转换到暂稳态时必须由外加触发信号触发，从暂稳态转换到稳态是由电路自身完成的，暂稳态的持续时间取决于电路本身的参数。 多谐振荡电路能够自激产生脉冲波形，它的状态转换不需要外加触发信号触发，而完全由电路自身完成。因此它没有稳定状态，只有两个暂稳态。

脉冲整形电路能够将其它形状的信号，如正弦波、三角波和一些不规则的波形变换成矩形脉冲。施密特触发器就是常用的整形电路，它有两个特点：①能把变化非常缓慢的输入波形整形成数字电路所需要的矩形脉冲；②有两个触发电平，当输入信号达到某一额定值时，电路状态就会转换，因此它属于电平触发的双稳态电路。

三、定时器的组成与功能

3.1 555集成定时器 555 定时器（以5G555 为例）的内部电路结构和外引线排列如图2 所示。整个电路由分压器、电压比较器、基本RS 触发器和放电开关四部分组成。电路结构的说明及相应的各引线端的名称和用途如下：

⑴ 分压器 图中，由三个5 k Ω 电阻串联组成分压器，其上端（8 脚）接电源（Ucc）；下端（1 脚）接地（GND）。分压器为两个比较器A1、A2 提供基准电平。5 脚（CO）为电压控制端，如果要改变基准电平，可在电压控制端外加控制电压。不用外加控制电压时，可用0.01μF 的电容使5 脚接地，以旁路高频干扰。

⑵ 比较器 A1、A2是两个比较器。其中比较器A1的参考电压为3/2 Ucc ，加在同相输入端；A2的参考电压为1/3Ucc,加在反相输入端，两者均由分压器上取得。由于比较器的灵敏度很高，当同相端电平略大于反相端电平时，其输出为高电平；反之，为低电平。因此，当高电平触发端6 脚（TH）输入的触发脉冲的电压略大于3/2 Ucc 时，A1的输出为低电平“0”（使基本RS 触发器置“0”）；反之，A1输出为高电平“1”.当低电平触发端2 脚( TR )输入的触发脉冲的电压略小于1/3U cc 时，A2 的输出为“0”（使触发器置“1”）；反为“1”。

图2 555定时器的内部电路结构和外引线排列

3.2 由555 定时器构成的单稳态触发器

由555 定时器构成的单稳态触发器（只有一种稳定的输出状态）的原理图及工作波形如图3 所示。R、C1、C2系外接元件，触发信号ui（其高电平大于1/3Ucc ，低电平小于1/3Ucc ）由低电平触发端（2脚）输入。可以看到：

图3 555 定时器构成的单稳态触发器

电源接通后，U cc 经R 给C1充电。当uc上升到2/3 Ucc 时，比较器A1 输出低电平，基本RS 触发器置“0”，输出端Q 为低电平（稳态），同时（因Q =1）C1 会通过T 放电， 但Q 端仍然会保持低电平。在t1时刻，当低电平触发脉冲到来时，因ui <1/3U cc ，比较器A2 输出低电平，将触发器置“1”，输出端Q为高电平（暂态）。因为此时Q = 0，放电管T 截止，电源U cc又通过R 给C1充电。虽然在t2时刻触发脉冲已消失，A2的输出变为“1”，但充电继续进行。当uc上升到2/3 Ucc 时，比较器A1 输出低电平，又将触发器置“0”。电路自动地由暂态返回到原来的稳态，输出端Q 恢复为低电平，并且一直保持到再次受到触发为止。输出的矩形脉冲的宽度为tp=RC1ln3=1.1RC。 3.3 由555 定时器构成的多谐振荡器

由555 定时器构成的多谐振荡器（无稳态触发器）的原理及工作波形如图4 所示。R1、R2、C1、C2 系外接元件。可以看到：电源接通后，利用外接RC 电路的充放电作用，不断改变高电平触发端和低 电平触发端的电平，使R—S 触发器置“0”、置“1”，从而在输出端得到一系列矩形脉冲波。输出矩形脉冲波的振荡周期为T=T1+T2≈0.7(R1+R2)C1 + 0.7R2C1=0.7(R1+2R2)利用多谐振荡器可以组成各种脉冲发生器（可产生方波、三角波、锯齿波等）、门铃电路、报警电路等。

图4 由555 定时器构成的多谐振荡器

第十一章 数-模和模-数转换 8. 常用A/D转换器

并联比较型A/D转换器：该转换器属于直接A/D转换器，它能将输入的模拟电压直接转换为输出的数字量而不需要经过中间变量。

反馈比较型A/D转换器：该转换器也是直接A/D转换器，原理是：取一个数字量加到D/A转换器上，于是得到一个对应的输出模拟电压，将这个模拟电压和输入的模拟电压信号相比较，如果两者不相等，则调整所取的数字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取得的这个数字量就是所求的转换结果。

双积分型A/D转换器（也叫电压—时间变换型A/D转换器）：它是一种间接转换器，它首先将输入的模拟电压信号转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲计数，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。

V-F变换型A/D转换器：电压—频率变换型A/D转换器也是一种间接A/D转换器。工作原理是它首先将输入的模拟电压信号转换成与之成比例的频率信号，然后在一个固定的时间间隔里对得到的频率信号计数，所得到的计数结果就是正比于输入模拟电压的数字量。 9. D/A转换器的转换精度描述方法

在D/A转换器中通常用分辨率、转换误差以及输出电压满刻度FSR的百分数来描述转换精度。

1）分辨率用输入二进制数码的位数给出。在分辨率为n位的D/A转换器中，从输出模拟电压的大小应能区

分出输入代码全部2个不同的状态，给出2个不同等级的输出电压。

2）也可以用D/A转换器能够分辨出来的最小电压与最大输出电压之比给出分辨率。 3）用输出电压满刻度FSR的百分数表示输出电压误差绝对值的大小。 10. 造成D/A转换器转换误差的原因有：

1）参考电压VREF的波动，由参数电压的变化所引起的误差和输入数字量的大小是成正比的。因此，有时候，也将由参考电压变化引起的转换误差称为比例系数误差。

2）运算放大器的零点漂移：此时，误差电压的大小与输入数字量的数值无关，输出电压的转换特性曲线将发生平移。因此，我们也将这种性质的误差称为漂移误差或平移误差。

3）模拟开关的导通内阻和导通压降：模拟开关的导通内阻和导通压降都不可能真正等于0，总有一个极小的值，它们的存在也必将导致误差电压的产生。

4）电阻网络中电阻阻值的偏差：这种误差来源是由于每个支路电阻的误差不一定相同，而且不同位置上的电阻的偏差对输出电压的影响也不一样，所以在输出端产生误差电压与输入数字量之间也不是线性关系。 5）三级管特性的不一致

11. 描述D/A转换器的转换速度的指标

通常情况下，用建立时间tset来定量描述D/A转换器的转换速度。那么什么是建立时间呢？建立时间是指从输入的数字量发生突变开始，直到输出电压进入与稳态值相差1/2LSB范围内的这段时间。因为输入数字量的变化越大，则建立的时间越长。目前建立时间最短的可达0.1微秒。因此，为了获得较快的转换速度，应该选用转换速率较快的运算放大器，以缩短运算放大器的建立时间。 12. A/D转换器的转换精度描述方法

与D/A转换器的转换精度描述方法类似，在单片集成的A/D转换器中也采用分辨率和转换误差以及满量程输出百分数来描述转换精度。

1）分辨率描述法：分辨率以输出二进制数或十进制数的位数表示，它表示A/D转换器对输入信号的分辨能力。根据理论分析，n位二进制数字输出的A/D转换器应能区分输入模拟电压的2n个不同等级的大小，能区分输入电压的最小差异为1/2nFSR，所以分辨率所表示的是A/D转换器在理论上能达到的精度。 2）转换误差表示法：转换误差通常以输出误差最大值的形式给出，它表示实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别，一般以最低有效位的倍数给出。

3）满量程输出百分数法：有时也用这种方法，以满量程输出的百分数给出转换误差。 13. A/D转换器的转换速度

A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，按转换速度对A/D转换器进行排序，从最快到最慢，依次为并联比较型A/D转换器、逐次渐近型A/D转换器、间接A/D转换器。最快的速度在ns级别，最慢的在ms级别。此外，在组成高速A/D转换器时还应将取样 — 保持电路的获取时间计入转换时间之内。一般单片集成取样 — 保持电路的获取时间在几微秒的数量级，和所选定的保持电容的电容量大小有很大关系。 14.各种 A/D转换器应用场合

并联比较型A/D转换器是目前所有A/D转换器中转换速度最快的一种，由于所用的电路规模庞大，所以并联比较型电路只用在超高速的A/D转换器当中。而逐次渐近型A/D转换器虽然速度不及并联比较型快，但较之其他类型电路的转换速度又快得多，同时电路规模比并联比较型电路小得多，因此，逐次渐近型电路在集成A/D转换器产品中用得最多。另外，虽然双积分型A/D转换器的转换速度很低，但由于它的电路结构简单，性能稳定可靠，抗干扰能力较强，所以在各种低速系统中得到了广泛的应用。V-F变换型转换器也是一种低速的A/D转换器，但由于调频信号具有很强的干扰能力，所以V-F变换型A/D转换器多用在遥测和测控系统中。

最后，在选用A/D时，还必须保证参考电源和供电电源有足够的稳定度，并减小环境温度的变化，否则，就算是得到了一片高分辨率的芯片，也难于得到应有的转换精度。 15.注意：

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