电子电路设计与制作讲义

电子电路设计与制作讲义 第0章 绪论 进入21世纪，是科学技术突飞猛进的世纪，科学技术正以新的广度和深度加速发展。无论是计算机还是通讯技术，能发展到今天的水平，都离不开电子技术，电子技术无疑是当代高新技术中发展最迅速的先导性科技，是先进生产力的典型代表，以成为一个国家现代化进程的新标志。近几十年来，电子技术不断的渗透到其他学科，诞生了许多新兴的工业领域，为国民经济的迅速发展起到了至关重要的作用。 1. 微电子技术 在一个微小面积中制造出复杂的电子系统，这就是微系统电子学，简称微电子学。它包括系统和电路设计，工艺技术、 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 制备、自动测试等一系列专门技术。目前已经做到0.1µm并向更小的尺寸进军。空间尺度在0.1-100nm定义为纳米空间，在纳米空间电子的波动性质将以明显的优势显示出来，于是纳米电子技术应运而生。可以看到微电子学向纳米电子学发展的必然趋势。 2. 汽车电子技术 电子技术和传统的汽车的结合——汽车机电一体化被认为是近年来汽车技术发展的重大突破，汽车电子化程度的高低已成为衡量该国汽车现代化水平的重要标志。例如制动防“抱死”电子控制系统(ABS)、牵引力控制系统(TCS)、自动巡航系统(CCS)等，具有高度安全性及操控性的全时四驱的诞生，以及各式各样的行车电脑，都代表了当代汽车电子技术在发动机、车身及底盘控制等领域的广泛应用。 3. 航空电子技术 随着飞机性能的提高，机载电子设备愈来愈复杂，航空电子技术领域是大有作为的领域。据美国飞机造价的不完全统计，航空电子设备在军用飞机价格中所占比例，已上升到30-35,。预计新型战斗机将上升为45-50,。这种价格比例也说明了航空电子技术的重要地位。当前利用卫星、雷达、通信、导航、识别、计算机等综合技术的空中预警航空电子系统，电子干扰与对抗等若干综合航空电子系统已成航空电子技术的开发重点。 4. 光电子技术 光电子技术是继微电子技术之后，近十几年来迅速发展的新兴高新技术，它集中了固体物理、导波光学、材料科学、微细加工和半导体科学技术的科研成就，成为电子技术与光子技术自然结合与扩展、具有强烈应用背景的新兴交叉学科。目前，国内外在纳米光电子学、光通信与光网络、光存储和固态照明技术等技术领域已取得了重大进展，许多研究成果已经进入我们的日常生活。 电子技术领域，知识更新的速率相当快，要求我们知道自己具备了什么知识，更需要及时发现自己还缺少什么知识，并能主动地学习和补充。有了知识不等于有了智慧，能每天接受新东西，才能称为智慧。由于社会各学科的交叉，技术与管理的结合，自然科学与社会科学的交叉，生产与经营的交叉，高新技术的广泛性和渗透性等，对复合型人才的需求日益增多。这要求我们要一专多能，时刻准备着适应新的岗位。总之，新时期对人才素质的新要求迫在眉睫，从而引起对教育的新挑战，我们必须尽快把知识、技能和创造结合起来，树立工程意识，创新意识，为迎接新的挑战而做好充分的准备。 1.1 电子系统设计的目的和意义 一直以来，我国高等教育工科专业的实践性环节严重不足，存在着与生产工程实际及社 会需求脱节的现象，随着以MIT为代表的国际知名高校所倡导的“科学教育要回归工程”等理念的提出，高等工程教育进一步回到工程实践的根本上来。在人才的培养方面，全球高等教育界已经达成了共识:创新能力的培养与工程素质教育及综合素质提升这三方面是相辅相成、协调统一的。 实训体系是培养学生巩固理论知识、强化实际操作技能，培养工程素质及综合素质的有效途径。由于电工、电子技术课程实践性很强，涉及面非常广泛，涵盖了电子、信息、计算机、材料、化学、环境等理工类学科。同时，电子技术与其他学科的知识融合也诞生了许多新兴的应用领域，如机械电子、汽车电子、航空电子等。因此，理工科专业的学生有必要进行早期规范化的电子技能训练，培养学生分析和解决问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的能力，特别强调的是动手能力，并着重在实践过程中培养学生的创新精神和创造能力，使学生在激烈的人才竞争中占据有力的地位。 同时，随着社会进步，生产方式的不断进化，在某些生产实际中文理科的界限也变得相对模糊。我们认为，非理工科学生进行某种形式的电子系统设计，同样是拓宽其知识层面，提升能力素质的有效方式。虽然这部分学生的工科专业知识相对薄弱，但他们同样渴望对自然世界有进一步的认识，也希望能获取更多生活中的技能。 1.2 电子系统设计的内容及要求 电子系统设计是让学生通过将相关知识的理解和运用上升到电子制造工艺的一个学习过程，拉近抽象的理论符号与真实元器件、材料和产品之间的距离，懂得理论的学习是为了产品的制造，对制造业获得真实的感受。让学生掌握和熟悉现代电子企业的产品制造设备、生产工艺及技术管理等方面的知识，为学生将来从事电子企业生产技术和生产管理工作打下良好的技术基础。 本书在简要介绍相关理论知识的前提下，更加偏重于实践环节，其内容主要包括以下几方面: ? 基本电子技术的简要介绍，主要包含模拟电路、数字电路、微控制器以及EDA设 计; ? 常用电子元器件的分类、技术参数和特性、识别和选用; ? 电子产品生产中的焊接技术，主要介绍手工焊接，以及工业生产中的波峰焊、回流 焊技术; ? 电子产品生产中的SMT组装技术、生产线和设备; ? 电子产品生产中的调试及工艺流程、工艺文件和工艺管理工作。 学生在整个实训过程中，通过对某一小型电子产品或系统进行完整与规范的操作训练和生产劳动等，应达到如下两个方面的要求。 基础知识及操作能力方面 ? 初步掌握电工、电子、电路分析(模拟电路、数字电路)及设计的基本理论知识， 掌握以单片微计算机为核心的应用系统设计方法; ? 通过安全教育和基本技能的训练，掌握安全用电知识、常用电器元器件的识别与测 试、操作技能及工艺等知识，熟悉印刷电路板的计算机辅助设计及电子线路的绘制， 为进一步学习建立良好的基础; ? 掌握主要工具的基本操作技能，规范使用，注意与生产实践相结合，重视工艺规程， 为后续实践性教学打下坚实的基础; ? 掌握电子线路的安装调试的基本操作技能，并且能正确地使用和调整该工种的常用 设备及仪器，能根据工作原理图、接线图和装配图等技术资料作一般性的独立操作。 工程素养与人文素质方面 ? 培养学生的自学能力和独立分析问题、解决问题的能力; ? 树立正确的劳动观，培养学生的动手实践能力的同时，力争在实践中有所改进和创 造; ? 培养实事求是、严谨而科学的工作态度与作风。 1.3 电子系统设计的教学方法与手段 电子系统设计的教学应按照“内容现代化，项目层次化，课程系列化，管理规范化”的原则，在充分体现“工程”内涵的前提下，要求学生对实训过程要有一个完整的、科学的认识。因此，在传统的实践教学模式下，应注意以下几个方面: 1. 建设网络教学资源 由于课程的教学实践性强，其教学中大部分内容，往往需要通过操作演示才能满足教学的要求，而许多工艺操作难以用语言表达清楚，演示往往需要多组重复，不仅教师的工作量太，而且效率很低。网络课程能够整合丰富优秀的资源，通过运用数据库、FLASH和流媒体等现代化教学手段实现教学资源的共享、融合与提高，充分体现教师多年教学经验和成果的结晶。 2. 改革实训对象 不同专业、不同知识结构与层级的学生需要不同的实训对象，传统的收音机、稳压电源的教学对象，虽然能够达到数字与模拟的结合，但仍不能满足现阶段的需求，需要有针对性的引入更能吸引学生兴趣、更加贴近生活实际的实训对象，如基于Mega8单片机的某些小系统，既是软硬结合，且成本不高，能更有利于激发学生学习的兴趣与激情。 3. 注重实践过程中的参观实习 电子产品的工业化进程不断加快，产品加工制造技术不断革新，大型现代化流水作业生产线除了极少数高校具备这样的资源，大多数高校在教育教学资源紧张的情况下，难以具备这样的条件，但学生毕业后毕竟要走上相关的工作岗位，因此我们不能“闭门造车，封闭自我”。在条件允许的情况下，有 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 有组织地让学生参观现代化生产线，这往往比在课堂里枯燥的讲述相关知识要生动的多，也是实践教学的重要环节，尤其是对于发展迅速电子行业，更显其重要性。 4. 注重实训对象的再创造 通常情况下，实训后的产品学生也只能把它当作一个固定的产品，我们的目标不能仅仅是一个模仿、操作、测试、装配的过程，怎样在这一过程中能创造出更高的价值，也就是有所创造，这是一个值得我们重视的问题。例如，采用分组的方法，让学生大胆想象，所完成的这个产品还能够干什么，我们可以举出很多例子告诉学生，通过进行一些简单的变换、组合等方法，收音机可以不仅仅就是一个收音机，稳压电源也可以不再是一个稳压电源;同样对于单片机构成的小系统，更加容易对其进行更多的扩展，不论是任何专业的学生，只要开阔思路、大胆想象，都能够在他们所学的领域中找到相应的结合点，这样的方式，学生能够受益颇多，更有助于学生自我价值的体现。 1.4 电子产品的研制过程和生产过程 目前，电子产品已然成为我们生活中不可或缺的东西。像离不开电一样，可以说，人类已经离不开电子产品了。那么什么是电子产品呢,简言之，就是以电子电路为基本技术，运用电子元器件或各种规模的集成电路经过一定的装配工艺和流程而形成具有某种特定用途的产品。例如收音机、电视机、手机、MP3、鼠标等都属于电子产品范畴。如图2-1所示，都是电子产品。 图2-1 电子产品实例 1.4.1 电子产品的制造过程 电子产品作为一种特殊的产品，它的研制过程也有一些特殊的环节，如反复的实验和调试，强调产品功能的稳定性、可靠性和低功耗。 在电子产品的生产过程中，不可避免的会涉及到制作产品所需要的材料、工具、方法、工艺和管理等要素。由于电子产品种类繁多且规格不一，因此前面几个要素或范围也不尽相同。在本教材中，我们将讲授最基本的电子产品制作知识，主要讨论电子整机(包括配件)产品的制造工艺。因为对于大多数接触电子产品制造过程的工程技术人员以及广大直接技术操作者来说，主要涉及到的是这类产品从设计开始，在试验、装配、焊接、调整、检验、维修、服务方面的工艺过程，对于各种电子材料及电子元器件，则是从使用的角度讨论它们的外部特性以及其选择和检验。在本教材中，无特别说明，“电子工艺”均指电子整机产品生产过程方面的内容。 就电子整机产品的生产过程而言，主要涉及两个方面:一是指制造工艺的技术手段和操作技能，二是指产品在生产过程中电子产品的质量控制和工艺管理。我们可以把这两个方面分别看作是“硬件”和“软件”。显然，对于现代电子产品的大批量生产、对于高等院校工科学生今后在制造过程中承担的职责来说，这两方面都是重要的，是不能偏废的。本书对这两方面的内容都将进行叙述，但重点侧重于前者。 研究电子整机产品的制造过程，材料、设备、方法、操作者这几个要素是电子工艺技术的基本重点。其中，制作电子产品的材料一般包括电子元器件、导线类、金属或非金属的材料以及用它们制作的零部件和结构件。电子产品和技术的水平，主要取决于元器件制造工业和材料科学的发展水平;能否尽快熟悉、掌握、使用世界上最新出现的电子元器件和材料，能否在更大范围内选择性能价格比最佳的电子元器件和材料，把它们用于新产品的开发与制造，往往是评价、衡量一个电子工程技术人员业务水平的主要 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。 电子产品制造过程中必然要使用各种工具、工装、仪器、仪表、机器、设备，熟练掌握并正确使用它们，是对电子产品制造过程中每一个岗位操作者的基本要求;从一方面说，“三分手艺，七分家伙(工具与设备)”，工具和工装是劳动者双手的延长和增强，仪器和设备是劳动者大脑的扩展与升华;从另一个角度看，仪器和设备优势劳动者本人的竞争者，不仅低 水平、低素质的劳动者会被仪器和设备淘汰，而且高水平、高价格的劳动者也将被先进的、效率更高的仪器和设备所取代。 电子产品工艺技术的提高，产品质量和生产效率的提高，主要依赖于生产设备技术水平和生产手段的提高。 对电子材料的利用、对工具设备的操作、对制作过程的安排、对生产现场的管理——在所有这些与生产制造有关的活动中，“方法”都是至关重要的。在这些过程中，无论是硬件的制造还是软件的设计，都需要培训练习、分析思考、总结经验，不断推出好的、更好的方法，不断利用新的方法代替旧的方法。有时候，方法只是操作者个人经验性的体会和手法，但假如行之有效，经过科学的研究和总结，这方法就会变成现代科学技术的一个组成部分，成为生产工艺技术的一种标准方法被普遍推广。 在现代电子产品制造过程中，新的方法和工艺技术层出不穷，要求工程技术人员和生产操作者具有良好的文化基础，只有这样，才能不断学习、不断提高，适应高新技术方法的要求。 电子工业是劳动密集型的产业，它所吸纳的劳动力人数，在全世界的工业劳动力中占有很大的比重。我国电子工业历经二十多年的改革开放，逐渐成为“世界电子产品制造业的加工厂”，这不仅是国家宏观经济政策的成功，我国人力资源丰富、劳动力价格低廉也是重要原因。但是，我国的电子产品制造业要从“来料加工型”全面转变为“设计制造型”，劳动力相对低下的平均素质就成为发展的瓶颈。近年来，“人力资源”已经成为行业之间、企业之间的重要竞争领域。有识之士指出:我国制造业与西方工业发达国家的差距在人才，其一是高级管理人员，其二是高级工程技术人员，其三是高等级技术工人;“技术盲”已经不能适应新经济时代的工人岗位，现代化工业需要的不再是简单的体力劳动者，而是大批懂得现代工艺技术的高级蓝领;要提高“中国制造”的竞争力，必须着力培育高素质的技术工人队伍;今后几年，我国企业对技术工人的需求将增加25%，其中技师、高级技术的需求量将翻一番。 1.4.2 电子产品的生产过程 所谓产品生产，是指产品从研制、开发到商品售出的全过程。该过程应包括没计、试制、 批量生产三个主要阶段、而每一阶段又分为若干层次。 (1)生产 生产出适销对路的产品，是每个生产者的愿望。因此，产品设计应从市场调查开始，通过调查了解，分析用户心理和市场信息，掌握用户对产品的质量性能需求。经市场调查后、应尽快制定出产品的设计方案，对设计方案进行可行性论证，找出该设计的技术关键及技术难点，并对设计方案进行原理试验，在试验基础上修改设计方案并进行样机设计。 (2)试制 产品设计完成后，进入产品试制阶段。试制阶段应包括样机试制、产品的定型设计和小批量试生产三个步骤。即根据样机设计资料进行样机试制、实现产品的设计性能指标，验证产品的工艺设计，制定产品的生产工艺技术资料，进行小批量生产，同时修改和完善工艺技术资料。 (3)批量生产 开发产品的最终目的是达到批量生产，生产批量越大、生产成本越低，经济效益也越高。批量生产的过程中(应根据全套工艺技术资料进行生产组织。生产组织工作包括原材料 的供应，组织零部件的外协加工，工具设备的准备，生产场地的布置，插件、焊接，装配调试生产的流水线(进行各类生产人员的技术培训，设置各工序工种的质量检验，制定产品试验项目及包装运输规则，开展产品宣传与销售工作，组织售后服务与维修等。 1.5 模拟电子技术的基本知识 模拟电子技术主要研究分立元件的电子电路和集成电子电路的原理及其性能，如了解半导体二极管基本知识及其应用以及三极管放大电路及其在工程中的应用、模拟集成运算放大器、直流稳压电源、晶闸管等及其应用。详细内容见本书的第二章。 1.6 数字电子技术的基本知识 数字电子技术主要研究组和逻辑电路和时序逻辑电路的分析方法和设计方法。只要学会分析、设计数字逻辑电路的一般方法，就可以根据提出的任何一种需要实现的逻辑功能设计出满足要求的逻辑电路，也能分析出任何一种给定逻辑电路所具有的逻辑功能。另外，为了学习逻辑电路的分析方法和设计方法，还必须掌握逻辑代数的基础知识和所用半导体器件的电气特性。详细内容见本书的第二章。 1.7 以单片机为核心的电子系统的基本知识 单片机是指集成在一块芯片上的计算机，它具有集成度高、体积小、功能强、使用灵活、价格低廉、稳定可靠等独特的优点。要以单片机为核心进行电子系统的设计，首先，必须要懂得模电和数电的基本知识;其次，要熟悉某一具体的单片机的基本原理和各个端口的基本功能;最后，要学习一种编程语言。具体内容见本书的第三章。 1.8 电子产品的设计文件及工艺文件 现代电子产业日新月异的发展，不仅仅表现在原材料、元器件的迅速更新和发展上，其设计技术、制造技术也出现了突飞猛进的发展，产品的性能和构造日益复杂，功能日益强大。生产效率不断提高，周期不断缩短，品种越来越繁多，质量要求越来越高。因此，用于描述产品技术性能、功能和结构的设计文件和指导产品生产制造的工艺文件就显得越来越重要了。产品生产再也不是手工作坊式的口头传述，而要由准确的文件和图纸来指导。电子产品制造部门的工程技术人员、管理人员和实际操作者都要正确阅读和理解相应的文件，才能准确无误地、保质保量地满足市场需求，否则将会造成无法弥补的失误。 1.8.1 设计文件 1( 设计文件的定义 设计文件是设计部门在产品研发设计过程中形成的反映产品功能、性能、构造特点及测试试验要求等方面的产品技术文件。设计文件的种类很多，全部算起来一有数十种之多，例如产品标准、技术条件、明细表、电路图、方框图、零件图、印制板图、技术说明书等等。 2( 设计文件的作用 设计文件是能反映产品全貌的技术文件，主要作用是: ? 用来组织和指导企业内部的产品生产。生产部门的工程技术人员利用设计文件给出 的产品信息，编制指导生产的工艺文件，如工艺流程、材料定额、工时定额、设计 工装夹具、编制岗位作业指导书等文件，连同必要的设计文件一起指导生产部门的 生产。 ? 政府主管部门和监督部门，根据设计文件提供的产品信息，对产品进行监测，确定 其是否符合有关标准，是否对社会、环境和群众健康造成危害，同时也可对产品的 性能、质量等做出公正评价。 ? 产品使用人员和维修人员根据设计文件提供的技术说明和使用说明，便于对产品进 行安装、使用和维修，不至于设计人员或生产技术人员亲自到场。 ? 技术人员和单位利用设计文件提供的产品信息进行技术交流，相互学习，不断提高 产品水平。 3( 设计文件的种类 设计文件的种类很多，各种产品的设计文件所需的文件种类也可能是各不相同的。文件的多少以能完整地表达所需意义而定。可以按文件的样式将设计文件分为三大类:文字性文件、表格性文件和工程图。文字性设计文件主要有:产品标准或技术条件、技术说明、使用说明、安装说明、调试说明。表格性设计文件主要有:明细表、软件清单、接线表。电子工程图主要有:电路图、方框图、装配图、零件图、逻辑图、软件流程图。 电子产品设计文件通常由产品开发设计部门编制和绘制，经工艺部门和其他有关部门会签，开发部门技术负责人审核批准后生效。 1.8.2 工艺文件 1( 工艺文件的定义 按照一定的条件选择产品最合理的工艺过程(即生产过程)，将实现这个工艺过程的程序、内容、方法、工具、设备、材料以及每一个环节应该遵守的技术规程，用文字和图表的形式表示出来，称为工艺文件。 工艺文件是工艺部门根据产品的设计文件进行编制的，是设计文件转化来的，但工艺文件又要根据各企业的生产设备、规模及生产的组织形式不同而有所不同。 工艺文件是用于指导生产的因此要做到正确、完整、统一、清晰。 2( 工艺文件的作用 在产品的不同阶段，工艺文件的作用有所不同，试制试产阶段，主要是验证产品的设计(结构、功能)和关键工艺。批量生产阶段主要是验证工艺流程、生产设备和工艺装备是否满足批量生产的要求。 工艺文件的主要作用如下: 为生产部门提供规定的流程和工序便于组织产品有序的生产。 ? ? 提出各工序和岗位的技术要求和操作方法，保证操作员工生产出符合质量要求产品。 ? 为生产计划部门和核算部门确定工时定额和材料定额，控制产品的制造成本和生产效 率。 ? 按照文件要求组织生产部门的工艺纪律管理和员工的管理。 3( 工艺文件的种类 电子产品的工艺文件种类也和设计文件一样，是根据产品生产中的实际需要来决定的。电子产品的设计文件也可以用于指导生产，所以有些设计文件可以直接用作工艺文件。例如电路图可以供维修岗位维修产品使用，调试说明可以供调试岗位生产中调试用。此外，电子产品还有其他一些工艺文件，主要有:通用工艺规范、产品工艺流程、岗位作业指导书、工艺定额、生产设备工作程序和测试程序、生产用工装或测试工装的设计和制作文件。 1.9 电子工程师应具备的基本素质和知识、能力结构 作为一名合格的电子工程师，要具备如下素质、知识和能力: ? 电子元器件要会选型。作为一个硬件开发工程师，进行原理设计之前重要的是对器件 的选型及如何买到所需要的器件。判断买到的零件是否符合后续的生产需要，主要看 货期、价格、代理商多不多，市场上用的人多不多;这些都是一个电子工程师在设计 定型之前必须要考虑到的问题，否则即使设计出来一个世界先进的东西，最后到生产 时发现零件供货周期很长，或这种器件产量很少，用的人不多，那就没法生产。 ? 懂得产品结构方面知识以及一些三维想象能力。电子工程师要了解学习产品结构设计 方面知识，知道如何设计才能让结构工程师比较容易设计，要开模的模具容易设计， 开模成本低，生产出来的结构件良品率高，容易组装等，比如说线路板的布局决定了 塑料外壳的开孔位置，那么开在哪，方向如何才能使模具不需要做那么多滑块，因为 滑块越多，脱模效率就越低。再比如固定柱放在哪个位置才能比较容易避免塑料外壳 缩水，如何设计才能让线路板与外壳配合简单牢固，容易安装容易拆卸等。 ? 生产工艺的最优化。生产工艺也是电子工程师所必需考虑的问题，如果你设计出来的 产品到了生产线上发现没法组装或组装费劲，导致生产效率低下，生产成本很高，这 也是不合理的地方。如有个工程师设计一个产品里有两块线路板，组装时一块板是固 定在前盖上的，一块线路板固定在后盖上的，而这两块板需要用薄膜电缆连接起来才 能工作的。这时在组装和测试步骤就出问题了，因薄膜电缆比较短，不容易插好，插 好后才能通电，如果发现问题要检查必须拆下来看，但拆下来又不能通电工作，必须 用长电缆连起来才行，这样就特别浪费时间。 ? 要易于维修。产品的稳定性固然重要，但没人敢说自己设计的产品永远不会出故障; 有时候是产品本身原因导致的故障，有时候是因为客户使用不当导致的故障，那么这 时候产品就需要维修。在这里必须遵循几个原则，一是要让这个产品在维修时比较容 易操作，器件排布时就需要考虑到如果要拆的话怎么拆，不能让两个器件靠太近，在 拆下一个坏器件时把旁边的好器件也给弄坏了;二是要考虑到将来产品维修可能都在 销售地就近维修，不可能都寄回工厂维修，那么要大部分的维修都不要涉及到太深的 原理性维修，最好是更换模块式的维修，简单而易于操作。 第1章 常用电子元器件的应用 第五章 常用电子元器件 电子元器件是在电路中具有独立电气功能的基本单元，通用电子元器件，如电阻器、电容器、电感器、晶体管、集成电路以及插接件等，更是电子设备中必不可少的基本材料。近几十年来，电子元器件制造商不断采用新材料、新工艺，推陈出新，为电子产品的发展开拓了新的途径。尤其是半导体集成电路的迅速发展，使得集成度不断提高，体积不断缩小，我们所熟悉的CPU就是集成电路不断进步的一个典型。类似的，诸如单片机、数字信号处理器等可编程器件也历经了同样的过程。同时，由于表面安装技术(SMT)的在工业生产中的广泛应用，从而很大程度上实现了高性能、小型化等手持设备的批量现代化生产。因此，电子元器件与我们的生产生活息息相关，我们需对常用电子元器件有必要的了解。 5.1 电子元器件的分类 电子元器件分类方式多样，总体上可分为有源元器件(Device)与无源元器件(Component)。所谓有源元器件，是指在工作是不仅依靠输入信号，还要有电源供电，即它在电路中还将起到能量转换的作用，例如:晶体管(Transistor)、集成电路(IC)就是最常见的有源元器件。无源元器件一般又可分为储能元件、耗能元件、结构元件。例如电阻器(Resistor)属于典型的耗能元件;电容器(Capacitor)、电感器(Inductor)属于典型的储能元件;开关(Switch)属于典型的结构元件。 按安装方式来分可分为通孔安装(THT)器件与表面安装(SMT)器件，当前，电子产品规模化生产正由传统的通孔基板插装方式全面转向表面安装方式。应当注意的是，现代的器件已经不是纯硬件了，软件器件和以及相应的软件电子学在现代电子设计中得到了较多的应用，其地位也越来越重要。 电子元器件种类繁多，且新产品的出现速率很快，本章所涉及的电子元器件种类有限。 5.2 常用电子元器件简介 本节简要介绍常用电子元器件的基本参数，特性及用途等一些最为基本的知识，由于电子元器件更新速度快，因此，更为具体的元器件参数请读者参考相关元器件手册。 5.2.1 电阻器 电阻器是一种耗能元器件，是在电子整机产品中用得最多的基本元件之一，在电路中一般用于稳定、调节、控制电压或电流的大小，能起到限流、降压、偏置、取样等作用。 1. 电阻器的型号及命名方法 电阻器的型号命名主要是根据GB/T2470-1995《电子设备用固定电阻器、固定电容器型号命名方法》的规定来命名。固定电阻器的型号命名由以下四部分组成: 第一部分:用R表示电阻器的名称; 第二部分:用字母表示电阻器的主要材料，见表5-1; 第三部分:用数字表示产品的主要特征，个别类型用字母表示，见表5-2; 第四部分:用数字表示序号，用以区别电阻器的外形尺寸和性能指标。 表5-1 电阻器材料的符号含义 符号 H I G N G S T X F Y 合成玻璃金属无机沉积有机复合氧化意义 碳膜 线绕 薄膜 釉膜 膜 实心 膜 实心 膜 膜 表5-2 电阻器特征的符号含义 数字 1 2 3 4 5 6 7 8 9 G T — 意义 普通 普通 超高频 高阻 高温 精密 高压 特殊 功率型 可调 例如: RJ71 序号(第四部分) 精密(第三部分) 金属膜(第四部分) 电阻器(第四部分) 2. 电阻器的标称阻值与额定功率 电阻器的标称值是根据国家制定的标准系列标注的，不是生产者任意标定的，选用电阻时必须按国标规定的电阻器标称阻值的范围去选用。电阻器的标称阻值系列分为E6、El2、E24、E48、E96、E192，分别适用于允许偏差为?20%(M)、?10%(K)、?5%(J)、?2%(G)、?1%(F)和?0?5%(D)的电阻器。 表5-3是国家规定的E6、El2、E24系列标称值，使用时可以将表中的标称值乘以10、 n,100、1000„10就可以成为这一系列阻值。 表5-3 电阻器标称阻值 阻值系列 允许误差(%) 误差等级 电阻器标称值 1.0，1.1，1.2，1.3，1.5，1.6，1.8，2.0，2.2，2.4，2.7，3.0，E-24 ?5 ? 3.3，3.6，3.9，4.3，4.7，5.1，5.6，6.2，6.8，7.5，8.2，9.1 E-12 ?15 ? 1.0，1.2，1.5，1.8，2.2，2.7，3.3，3.9，4.7，5.6，6.8，8.2 E-6 ?20 ? 1.0，1.5，2.2，3.3，3.9，4.7，5.6，6.9，8.2 电阻器的额定功率也是按照国家标准进行标注的，其标称值有1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W、5W、10W等。在大多数电路中使用的是1/8W、1/4W的电阻器。 3. 电阻器的误差等级 由于生产电阻器工艺水平的差别，将使产品的实际阻值与标称阻值之间产生一定的误差，国标规定的误差等级(见表5-3)。但对于精密电阻器，允许误差则为?1%、?0.5%。允许误差越小，其等级精度就越高。 4. 电阻器标称阻值及误差的标注方法 ? 直标法:即将电阻器的标称阻值及误差直接标注在电阻器的表面，如图5-1。 5.1 kΩ 5%5.1kΩ I 图5-1 直标法 ? 文字符号法:用文字、数字有规律的组合起来直接标注在电阻器的表面。其文字符 36号有R、Ω、K、M、G、T，其中K、M、G、T分别代表千欧(10)、兆欧(10)、 912吉欧(10)、太欧(10)。字母代表的意义见表5-4。 表5-4 文字符号法中字母的含义 字母 允许误差(%) 字母 允许误差(%) W ?0.05 G ?2 B ?0.1 J ?5 C ?0.25 K ?10 D ?0.5 M ?20 F ?1 N ?30 例如:3R3代表3.3Ω;3K3代表3.3KΩ;R33代表0.33Ω 3R3K代表电阻器的标称阻值为3.3Ω，允许误差为?10 ? 色环表示法:又叫色码表示法，就是将电阻器的标称阻值与误差用不同颜色的色环 标注在电阻器表面，各色环所代表的意义见表5-5。 表5-5 各色环代表的意义 色别 第一有效数 第二有效数 第三有效数 允许偏差(%) 1棕 1 1 ?1 10 2红 2 2 ?2 10 3橙 3 3 10 4黄 4 4 10 5绿 5 5 ?0.5 10 6蓝 6 6 ?0.25 10 7紫 7 7 ?0.1 10 8灰 8 8 10 9白 9 9 10 0黑 0 0 10 -1金 ?5 10 -2银 ?10 10 无色 ?20 普通电阻器一般用四色环来表示，如图5-2(a)所示，精密电阻器一般用五色环来表 示，如图5-2(b)所示。四色环电阻的允许误差范围通常为金色，五色环电阻的允许误差 范围通常为棕色。 (a) (b) 图5-2 色环电阻示意图 5. 电阻器的分类 按制造工艺或材料，电阻器可分类如下: ? 合金型:用块状电阻合金拉制成合金线或碾压成合金箔制成的电阻。(如绕线电阻、 精密合金箔电阻) ? 薄膜型:在玻璃或陶瓷基体上沉积一层电阻薄膜，膜的厚度一般在几微米以下，薄 膜的材料有碳膜、金属膜、化学沉积膜及金属氧化膜等。(如碳膜电阻、金膜电阻) ? 合成型:电阻体由导电颗粒和化学粘接剂混合而成，可以制成薄膜或实芯两种类型。 (如合成膜电阻、实芯电阻) 按照使用范围及用途，电阻器可分类如下: ? 普通型:指能适应一般技术要求的电阻，额定功率范围为0.25,2W，阻值为 1Ω, 22MΩ，允许误差为?5%、?10%、?20%等。 ? 精密型:具有较高精度及稳定性，功率一般不大于2W，标称值在0.01Ω,22MΩ 之 间，误差范围为?2%,?0.001%之间。 ? 高频型:电阻自身电感量极小，常为无感电阻。用于高频电路，阻值小于1KΩ，功 率范围宽，最大可达100W。 ? 高压型:用于高压装置中，功率在0.5,15W之间，额定电压可达35KV以上，标称 阻值可达1GΩ。 14? 高阻型:阻值在10MΩ 以上，最高可达10Ω。 ? 集成电阻:这是一种电阻网络，它具有体积小，规整化、精度高等特点，特别适用 于电子仪器仪表及计算机中。 ? 敏感电阻:具有对温度、光照、湿度、压力、磁通量、气体浓度等非电物理量敏感 的性质，通常有热敏，压敏、光敏、湿敏、力敏、磁敏等。 6. 几种常见的电阻器 ? 薄膜类电阻器 [1] 碳膜电阻器Carbon Film Resistors(型号:RT) 特点:价格便宜、阻值范围宽、稳定性较好、但所承受的功率较小，一般为1/8,2W，体积较金属膜电阻略大，外表常涂成浅绿色。 [2] 金属膜电阻器Metal Film Resistors(型号:RJ) 特点:工作环境温度范围大，耐热性好，体积小，噪声低，价格较普通碳膜电阻稍贵一点。 [3] 金属氧化膜电阻器Metal Oxide Film Resistors(型号:RY) 特点:膜层比碳膜和金属膜都厚得多，阻燃性和抗氧化性好，过负载能力强，但阻值范围较小，一般不超过200KΩ，多用于高温，有过载要求的电路中，如彩色电视机的行、场扫描电路及电源电路等。 ? 合金类电阻 [1] 线绕电阻Wire Wound Resistors (型号:RX) 特点:用高阻值的合金电阻丝绕制在瓷管上制成，常用的有镍鉻合金电阻丝、锰铜电阻丝等。具有稳定性好、精度高、噪声小、耐高温的特点，但由于采用线绕工艺，因此存在较大的自身电感和分布电容，不宜在高频电路中使用。一般可分为精密型(主要用于仪器、仪表)和功率型两类，功率型又可分为固定式、可调式两种。 [2] 精密合金箔电阻器High Precise Metal Foil Resistors(型号:RJ) 特点:具有自动补偿电阻温度系数的功能，可在较高温度范围内保持极小的温度系数，精度高，稳定性好，高频响应快。(RJ711 是一种国产金属箔电阻) ? 合成类电阻 [1] 玻璃釉电阻器Glass Glaze Resistors(型号:RI) 特点:具有较高的耐热性和耐潮性，噪声小，部分小型玻璃釉电阻器可用于电子手表中。 [2] 电阻网络Resistor Network(也叫电阻排) 特点:在一块基片上集成多个参数、性能、作用相同的电阻，降低整体元器件的体积，精度高，稳定性好。 ? 敏感电阻 [1] 热敏电阻器Thermal Resistor (型号:MFxx-xx) 特点:对温度极其敏感，当温度改变时其阻值也相应改变，可分为正温度系数(PTC)热敏电阻和负温度系数(NTC)热敏电阻。目前，负温度系数的热敏电阻应用较多，其形状也较多，通常有球状、杆状、圆片型、管型等。 [2] 光敏电阻器Photoresistor (型号:MGxx-xx) 特点:对光线极其敏感，在无光线照射时，阻值很高，有光线照射时，阻值很快下降。主要用于各种光电控制系统，夜间自动报警系统，数码相机的曝光电路，及部分光电鼠标。 [3] 压敏电阻器Piezo Resistor(型号:MYGxx-xx;MYHxx-xx) 特点:呈现特殊的非线性特性，当电阻器两端的电在在其标称值以内时，其阻值呈现无穷大状态，当两端电压略大于标称电压时，其阻值很快下降，处于导通状态。 [4] 湿敏电阻器Humidity Dependent Resistor(型号:MSxx-xx) 特点:对湿度变化非常敏感，能将湿度转换成电信号，分为正温度系数湿敏电阻器和负温度系数湿敏电阻器。正温度系数表示其阻值随湿度的增加而增大，如在录像机中使用的湿敏电阻器。 7. 电阻器的选用与质量判别 ? 电阻器的正确选用 在选用电阻器时，不仅要求其各项参数符合电路的使用条件，还要考虑尺寸和价格等多方面的因素。一般说来，电阻器应该选用标称阻值系列，允许偏差尽量在?5%以内，额定功率大约在电路中的实际功耗的1.5,2倍以上。 对耐热性、稳定性、可靠性要求较高的电路中，应选用金属膜或金属氧化膜电阻;如果要求功率大、耐热性好，工作频率不高的电路中，则可选用线绕电阻;对于无特殊要求的一般电路，可使用碳膜电阻，以降低成本。 电阻器的质量初步判别 ? [1] 看电阻器引脚有无折断或外壳是否有烧焦迹象; [2] 用万用表测量其阻值，看是否在允许的误差范围内，如超出误差范围或阻值不稳定， 则不能选用; [3] 用电阻噪声测量仪测量电阻的噪声，噪声越小，电阻器质量越好。 5.2.2 电位器 电位器是一种连续可调的电子元件，对外有三个引出端，一个是滑动端，另外两个是固定端。滑动端可以在两个固定端之间上滑动，使其与固定端之间的电阻值发生变化。在电路中，电位器常用来调节电阻值或电位。 1. 电位器的标称阻值 标在产品上的名义阻值，其系列与电阻器的阻值标称系列相同。根据不同的精度等级，实际阻值与标称阻值的允许偏差范围为?20,、?10,、?5,、?2,、?1,，精密电位 器的精度可达到?0.1,。 2. 电位器的额定功率 电位器的额定功率是指两个固定端之间允许耗散的最大功率。一般电位器的额定功率系列为0.063、0.125、0.25、0.5、0.75、1、2、3(W);线绕电位器的额定功率比较大，有0.5、0.75、1、1.6、3、5、10、16、25、40、63、100(W)。应该特别注意，电位器的固定端附近容易因为电流过大而烧毁，滑动端与固定端之间所能承受的功率要小于电位器的额定功率。 3. 几种常见电位器 ? 合成碳膜电位器 特点:寿命长、经济耐用、型号较多、外观形状多、应用广泛，普通的家用电器一般都采用该种电位器，其阻值范围宽，从几百欧到几兆欧。其不足之处在于随着使用时间的增长，滑动噪声变大，。 ? 线绕电位器 可制成精度达?0.1,的精密线绕电位器和额定功率达100W的大功率线绕电位器。线绕电位器有单圈、多圈、多联等结构。 特点:精度易于控制，稳定性好，电阻的温度系数小，噪声小，耐压高，但阻值范围较窄，一般在几欧到几十千欧之间。 ? 带开关的电位器 带开关的电位器是收音机中用的最多的一种电位器，其上的开关用于电源切断和导通，电位器用于音量控制。电位器动触点的位置改变开关的导通与切断，用同一个轴进行控制，其外形有多种。 4. 电位器的质量判别 [1] 用万用表欧姆挡测量电位器的两个固定端的电阻，并与标称值核对阻值。如果万用 表指示的阻值比标称值大得多，表明电位器已坏;如指示的数值跳动，表明电位器 内部接触不良。 [2] 测量滑动端与固定端的阻值变化情况。移动滑动端，如阻值从最小到最大之间连续 变化，而且最小值越小，最大值越接近标称值，说明电位器质量较好;如阻值间断 或不连续，说明电位器滑动端接触不良，则不能选用。 [3] 用“电位器动噪声测量仪”判别质量的优劣。 5.2.3 电容器 电容器在各类电子线路中是一种必不可少的重要元件。它的基本结构是用一层绝缘材料(介质)间隔的两片导体。电容器是储能元件，当两端加上电压以后，极板间的电介质即处于电场之中。电介质在电场的作用下，原来的电中性不能继续维持，其内部也形成电场，这种现象叫做电介质的极化。在极化状态下的介质两边，可以储存一定量的电荷，储存电荷的能力用电容量表示。电容量的国际单位是法拉(F)，常用单位是微法(μF)和皮法(pF)。 1. 电容器的电路符号(如图5-3) a 电容器一般符号 b 电解电容器 c 国外电解电容器 d 微调电容器 e 单联可变电容器 f 双联可变电容器 g 穿心电容器 图5-3 电容器的电路符号 2. 电容器的额定工作电压 额定工作电压又称耐压值，是表示电容接入电路后，能长期、连续可靠的工作而不被击穿所能承受的最高限价工作电压。使用时绝对不允许超过这个耐压值，否则电容器就要损坏或被击穿。 3. 电容器的绝缘电阻 电容器的漏电电阻指电容器两极之间的电阻。绝缘电阻的大小决定于电容器介质性能的好坏，绝缘电阻越大，表明电容器的质量越好。 4. 电容器的频率特性 电容器的频率特性是指电容器在不同频率的电路中工作时，其电容量等参数随频率变化的性质。例如，在高频电路中工作的电容器，其电容量将相应减小。 电容器除上述参数外，还有温度系数、损耗因数、漏电流等参数。 5. 电容器标称容量与误差的标注方法 ? 直标法 直标法是指在电容器的表面直接用数字或字母标注出标称容量、额定电压等参数。例如，电容器上标有CY—8、620pF、200V字样，就表示这一电容器是云母电容器，标称容量是620pF，额定电压是200V。 字母有时也表小数点。如3μ3表示标称容量为3.3μF;2p2表示标称容量为2.2pF。 ? 数码表示法 电容量的数码表示法也称三位数字表示法。三位数字的前两位数字为标称容量的有效数字，第三位数字表示有效数字后面零的个数，它们的单位都是pF。 如102表示标称容量为1000pF，在这种表示法中有一个特殊情况，就是当第三位数字 -1用“9”表示时，是用有效数字乘上10来表示容量大小，如229表示标称容量为2.2pF。 ? 色标法 电容器的色标法与电阻器的色环法基本一样，都是在元件外表涂上不同的颜色，表示元件的标称值。电容器的色标法标注的容量单位一般为pF。不同颜色所代表的具体数字同电组。 6. 常用电容器的种类 常用电容器的种类很多，其分类方法也各有不同。 ? 按介质材料分，有气体介质电容器、电解介质电容器、无机介质电容器、有机介质 电容器。 ? 按封装形式分，有圆柱形电容器、长方形电容器、圆片形电容器、管形电容器、球 形电容器、方形电容器等。 ? 按电容的调节方式分，有固定电容器、可变电容器、微调电容器等。 ? 按电容器用途分，有高频电容器、有低频电容器、高压电容器、低压电容器。 ? 按电容器的引线方向分，有轴向引线电容器、径向引线电容器、同向引线电容器无 引线电容器。 7. 几种常用电容器 ? 有机介质电容器 由于现代高分子合成技术的进步，新的有机介质薄膜不断出现，这类电容器发展很快。 除了传统的纸介、金属化纸介电容器外，常见的涤沦、聚苯乙烯电容器等均属此类。 [1] 纸介电容器 以纸作为绝缘介质、以金属箔作为电极板卷绕而成 特点:这是生产历史最悠久的一种电容器，它的制造成本低，容量范围大，耐压范围宽(36V,30kV)，但体积大，因而只适用于直流或低频电路中。在其他有机介质迅速发展的今天，纸介电容器已经被淘汰。 [2] 金属化纸介电容器 在电容器纸上蒸发一层金属膜作为电极，卷制后封装而成，有单向和双向两种引线方式。 特点:成本低、容量大、体积小，在相同耐压和容量的条件下，比纸介电容器的体积小3,5倍。这种电容器在电气参数上与纸介电容器基本一致，突出的特点是受到高电压击穿后能够“自愈”，但其电容值不稳定，等效电感和损耗(tgδ值)都较大，适用于频率和稳定性要求不高的电路中。现在，金属化纸介电容器也已经很少见到。 [3] 有机薄膜电容器 与纸介电容器基本相同，区别在于介质材料不是电容纸，而是有机薄膜。有机薄膜在这里只是一个统称，具体又有涤沦、聚丙烯薄膜等数种。 特点:这种电容器不论是体积、重量还是在电参数上，都要比纸介或金属化纸介电容器优越得多。最常见的涤沦薄膜电容器，体积小，容量范围大，耐热、耐湿性能好;稳定性不高，但比低频瓷介或金属化纸介电容器要好，宜做旁路电容器使用。 ? 无机介质电容器 陶瓷、云母、玻璃等材料可制成无机介质电容器。 [1] 瓷介电容器 瓷介电容器也是一种生产历史悠久、容易制造、成本低廉、安装方便、应用极为广泛的电容器，一般按其性能可分为低压小功率和高压大功率(通常额定工作电压高于1kV)的两种。 特点:由于所用陶瓷材料的介电性能不同，因而低压小功率瓷介电容器有高频瓷介(CC)、低频瓷介(CT)电容器之分。高频瓷介电容器的体积小、耐热性好、绝缘电阻大、损耗小、稳定性高，常用于要求低损耗和容量稳定的高频、脉冲、温度补偿电路，但其容量范围较窄，一般为1p,0.1μF;低频瓷介电容器的绝缘电阻小、损耗大、稳定性差，但重量轻、价格低廉、容量大，特别是独石电容器的容量可达2μF以上，一般用于对损耗和容量稳定性要求不高的低频电路，在普通电子产品中广泛用做旁路、耦合元件。 [2] 云母电容器 以云母为介质，用锡箔和云母片(或用喷涂银层的云母片)层叠后在胶木粉中压铸而成。 特点:由于云母材料优良的电气性能和机械性能，使云母电容器的自身电感和漏电损耗都很小，具有耐压范围宽、可靠性高、性能稳定、容量精度高等优点，被广泛用在一些具有特殊要求(如高温、高频、脉冲、高稳定性)的电路中。但是，云母电容器的生产工艺复杂，成本高、体积大、容量有限，因此它的使用范围受到了一定的限制。 [3] 玻璃电容器 特点:玻璃电容器具有良好的防潮性和抗振性，能在200?高温下长期稳定工作，是一种高稳定性、耐高温的电容器。其稳定性介于云母与瓷介电容器之间，一般体积却只有云母电容器的几十分之一，所以在高密度的SMT电路中广泛使用。 ? 电解电容器 电解电容器是电子电路应用较为广泛的电容，电解电容器又可分为铝电解电容器、钽电解电容器、铌电解电容器、钛电解电容器。 电解电容器是有极性的电容器，即有正极与负极之分的电容器，它用于直流电路中，正极接电源的负极。使用中不能接错，否则将损坏电容器。由于制作工艺的不同，也可生产无极性的电解电容，该种电解电容器可用于交流电路。 [1] 铝电解电容器 铝电解电容器一般是用铝箔和浸有电解液的纤维带交叠卷成圆柱形后，封装在铝壳内，大容量的铝电解电容器的外壳顶端通常有 “十”字形压痕，其作用是防止电容器内部发热引起外壳爆炸。 特点:可用于低频电路，作为旁路电容，耦合电容和滤波电容。如各种电源电路的滤波、收录机、电视机放大电路的耦合、旁路等。是一种使用最广泛的通用型电解电容器，适用于电源滤波和音频旁路。 [2] 钽电解电容器 采用金属钽(粉剂或溶液)作为电解质。 特点:与铝电解电容器相比，具有绝缘电阻大、漏电小、寿命长、比率电容大、长期存放性能稳定、温度及频率特性好等优点;但它的成本高、额定工作电压低(最高只有160V)。这种电容器主要用于一些对电气性能要求较高的电路，如积分、计时、开关电路，通信、航天及较高档的家用电器中。钽电解电容器分为有极性和无极性的两种。 除液体钽电容以外，近年来又发展了超小型固体钽电容器。高频片状钽电容器的最小尺寸可达1×2mm2，用于混合集成电路或采用SMT技术的微型电子产品中。 ? 可变电容器 可变电容器以介质的不同分为空气介质可变电容器和固体介质可变电容器。 可变电容器术要用于收音机、录音机的调谐电路，选择不同的电台，也可用于仪器仪表电路。 [1] 空气介质可变电容器 空气介质可变电容器的动片、定片均由金属片构成，其动片由转轴带动，通过改变动片与定片之间的相对面积来改变电容量。 [2] 固体介质可变电容器 固体介质可变电容器的动片与定片仍是由金属片构成，在动片与定片之间之间采用云母或塑料薄膜作为介质。 特点:体积较小，比空气可变电容器的重量轻，但不足之处是介质薄膜易磨损，使用一段时间后容易出现噪声。固体介质可变电容器可分为单联、双联、四联可变电容器。单联可变电容器用于直放式收音机;双联可变电容器用于超外差式收音机;四联可变电容器用于调频调幅收音机。 8. 电容器的合理选用 为了合理选用电容器，应该广泛收集产品目录，及时掌握市场信息，熟悉各类电容器的性能特点;了解电路的使用条件和要求以及每个电容器在电路中的作用，如耐压、频率、容量、允许偏差、介质损耗、工作环境、体积、价格等因素。 一般，电路各级之间耦合多选用金属化纸介电容器或涤纶电容器;电源滤波和低频旁路宜选用铝电解电容器;高频电路和要求电容量稳定的地方应该用高频瓷介电容器、云母电容器或钽电解电容器;如果在使用中要求电容量做经常性调整，可选用可变电容器;如不需要经常调整，可使用微调电容器。 具体选用电容器时，还应该注意如下问题: ? 电容器的额定电压 不同类型的电容器有不同的额定电压，所选电容器的耐压应该符合标准系列，一般应该高于电容器两端实际电压的1.5,2倍。不论选用何种电容器，都不得使其额定电压低于电路实际工作电压的峰值，否则电容器将会被击穿。但是，选用电容器的耐压也不是越高越好，耐压高的电容器体积大、价格高。不仅如此，由于液体电解质的电解电容器自身结构的特点，一般应使电路的实际电压相当于所选额定电压的50,70,，才能充分发挥电解电容器的作用。 标称容量及精度等级 ? 各类电容器均有其容量标称值系列及精度等级。电容器在电路中的作用各不相同，某些特殊场合(如定时电路)要求一定的容量精度，而在更多场合，容量偏差可以很大。另外，在制造电容器时，对容量的控制比较困难，不同精度的电容器，价格相差很大。所以，在确定电容器的容量精度时，应该仔细考虑电路的要求，不要盲目追求电容器的精度等级。 ? 电容器的体积和比率电容 在产品设计中，一般都希望体积小、重量轻，特别是在密度较高的电路中，更要求选用小型电容器。由于介质材料不同，电容器的体积往往相差几倍或几十倍。单位体积的电容量称为电容器的比率电容，即 电容量比率电容,3电容器体积(F/m) 比率电容越大，电容器的体积越小，价格也贵一些。 ? 成本 由于各类电容器的生产工艺相差很大，因此价格也相差很大。在满足产品技术要求的情况下，应该尽量选用价格低廉的电容器，以便降低产品成本。 9. 电容器的质量判别 ? 对于容量大于5100pF的电容器，用万用表的欧姆挡测量电容器的两引线，应该能 观察到万用表显示的阻值变化，这是电容器充电的过程。数值稳定后的阻值读数就 是电容器的绝缘电阻(也称漏电电阻)。假如数字式万用表显示绝缘电阻在几百k Ω以下或者指针式万用表的表针停在距?较远的位置，表明电容器漏电严重，不能 使用。 ? 对于容量小于5100pF的电容器，由于充电时间很快，充电电流很小，直接使用万 用表的欧姆挡就很难观察到阻值的变化。这时，可借助一个NPN三极管的放大作 用进行测量。测量电路如图5-4所示。电容器接到A、B两端，由于晶体管的放大 作用，就可以测量到电容器的绝缘电阻。判断方法同上所述。 图5-4 小容量电容器的简易测量方法 ? 测量电解电容器时，应该注意它的极性。数字式万用表的红表笔内接电源正极，而 指针式万用表的黑表笔内接电源正极。 ? 可变电容器的漏电或碰片短路，也可用万用表的欧姆挡来检查。将万用表的两只表 笔分别与可变电容器的定片和动片引出端相连，同时将电容器来回旋转几下，阻值 读数应该极大且无变化。如果读数为零或某一较小的数值，说明可变电容器已发生 碰片短路或漏电严重。 5.2.4 电感器 电感器是利用电磁感应原理制成的元件，在电路里起阻流、变压、传送信号的作用。电感器的应用范围很广泛，它在调谐、振荡、耦合、匹配、滤波、陷波、延迟、补偿及偏转聚焦等电路中都是必不可少的。 电子电器中的电感器可以分为下列两大类: 1. 应用自感作用的电感线圈，又称为电感器，俗称线圈; 2. 应用互感作用的变压器。 另外，电感器按工作特征分成电感量固定的和电感量可变的两种类型;按磁导体性质分成空心电感、磁心电感和铜心电感;按绕制方式及其结构分成单层、多层、蜂房式、有骨架式或无骨架式电感。 1. 电感线圈的主要参数 ? 电感量 电感线圈的电感受量是指电感线圈通过电流时能产生自感应的能力的大小。电感线圈的圈数越多，线圈越集中，电感量就越大，电感线圈内有铁心或有磁心的比无铁心或无磁心的电感量更大。 电感量的国际单位为享利，用字母H来表示。常用字的单位是毫享，用字母mH来表 361H,10mH,10H,示。它们的换算关系为: ? 品质因数(Q值) 电感线圈的品质因数值也称Q值，是反映电感线圈质量高低的重要参数。它与构成电感线圈的导线粗细、绕法、单股还是多股等有关。Q值的大小，表明电感线圈损耗的大小。如果电感线圈的损耗小，Q值就高，反之，损耗大则Q值就低。 2. 标称电流值 电感线圈的标称电流值是指电感线圈在正常工作时，允许通过的最大电流值，也叫额定电流。在使用电感线圈时，通过的电流一定要小于其标称电流值，否则将使电感线圈特性改变或烧毁电感线圈。电感线圈的标称电流， 3. 分布电容 分布电容是由各种因素造成的，相当于并联在电感线圈L两端的一个总的等效电容，如图5-5所示中的电容C为电感的分布电容，r为线圈的支流电阻。 0 图5-5 电感器等效电路 这相当于构成了一个LC并联谐振电路，将影响电感器的有效电感量的稳定性。当电感器工作在高频电路时，分布电容的影响更大，因此要尽量减小电感线圈的分布电容。 4. 电感线圈的参数标注方法 ? 直标法 直标法就是将标称电感量用数字直接标注在电感线圈的外壳上，同时用字母表示电感线圈的额定电流，再用?、?、?表示允许误差。如电感线圈外壳上标有C、?、330μH，表明电感线圈的电感量为330μH、最大工作电流为300mA、允许误差为?10%。 ? 色标法 使用颜色环或色点表示其参数的方法就称色标法。采用这种方法表示电感器就称色码电感。其色码含义与色环电阻器基本相同。可参阅前述电阻色环标注法。 5. 几种常见的电感器 ? 单层电感线圈与多层电感线圈 [1] 单层电感线圈 单层电感线圈是电路中用的较多的一种。它的电感量一般人有几微享或几十微享。 这种线圈的Q值一般都比较高，并多用于高频电路中。单层电感线圈通常采用密绕法、 间绕法、脱胎绕法。 密绕法就是将绝缘导线一圈挨一圈的绕在骨架上，此种线圈多数用于天线线圈，如 收音机的天线线圈就用的是这种单层线圈，如图5-6所示。 间绕法就是每圈与每圈之间有一定的距离。其特点是分布电容小，高频特性好，多 -7所示。 用于短波天线，如图5 脱胎绕法的线圈实际上就是空心线圈。将绝缘导线首先绕在骨架上，然后取出骨架， 并按照电感量的要求，适当将线圈拉开距离或改变其形状，此种线圈多用于高频头的谐 振电路，如图5-8所示。 图5-6 单层密绕法 图5-7 单层间绕法 图5-8 脱胎绕法法 [2] 多层电感线圈 由于单层电感线圈的电感量较小，为获得较大的电感量，又不增加线圈的体积，为此可绕制多层线圈。为克服多层线圈层与层之间的电压差，以及容易产生跳火击穿绝缘的现象，多采用线圈分段绕制的方法。这种电感线圈的不足是本身的分布电容较大。 ? 小型固定电感器 有卧式和立式两种，具有体积小、重量轻、结构牢固(耐震动、耐冲击)、防潮性能好、安装方便等优点，常用在滤波、扼流、延迟、陷波等电路中。 ? 电源变压器 电源变压器是各种家用电器、仪器仪表等电子设备中不可缺少的，电源变压器为各种电子齐备提供了各种类型的电源。 [1] E型电源变压器 E型电源变压器铁心用E型硅钢片交叠而成，特点是铁心对绕组形成保护，不易受机械损伤，铁心的散热面积大。它的不足之处是一、二次张组间漏电感较大，受外来磁场干扰也大。由于成本较低，多数变压器采用了这种铁心。 [2] C型电源变压器 它的铁心像一个“C”字，将两个C型铁心对插，并叠在一起，就构成了C型变压器的铁心。其外形如图5-9所示。这种变压器的特点是一、二次绕组平均地绕在铁心两侧，损耗小、重量轻，而且比E型变压器的效率高。其不足之处是铁心的固定较为繁锁，且成本较高。 图5-9 C型电源变压器铁心 [3] 环型电源变压器 环型电源变压器的铁心是由冷轧硅钢带卷绕而成，磁路中无气隙，漏磁极小，工作时电噪声较小，如图5-10所示。 图5-10 环型电源变压器 [4] 中频变压器 中周变压器也称中周，其结构及外形如图5-11所示，它广泛应用在调幅、调频接收机、电视接收机、通信接收机等电子设备的振荡调谐回路中。各种接收机中的中周线圈的参数都不完全一致。为了正确选用，应该针对实际情况，查阅有关资料。 图5-11 中频变压器 [5] 行输出变压器 行输出变压器是电视机行扫描电路的专用一体化结构变压器，也常称为回扫变压器。这种变压器从结构上分有分立结构和一体化结构两种。分立结构的行输出变压器由低压绕阻和高压绕阻、高压整流奋起硅堆、磁心、高压帽等组成。这种行输出变压器多用于早期生产的黑白电视机中，目前已不采用。一体化结构的行输出变压器，其高压绕组、低压绕组、高压整流二极管等均被封灌在一起，如图5-12所示。它的特点是体积小、重量轻、可靠性高、输出的直流高压稳定。广泛地应用于目前生产的各种电视机和显示器中。 图5-12 显示器行输出变压器 5.2.5 几种常用接插件 按照外形结构特征分类，常见的有圆形接插件、矩形接插件、印制板接插件、带状电缆接插件等。 1. 圆形接插件 圆形接插件的插头具有圆筒状外形，常见的台式计算机键盘、鼠标插头(PS/2端口) -13所示。 就属于这一种，如图5 2. 矩形接插件 矩形接插件的体积较大，电流容量也较大，并且矩形排列能够充分利用空间，所以这种接插件被广泛用于印刷电路板上安培级电流信号的互相连接，如图5-14所示。有些矩形接插件带有金属外壳及锁紧装置，可以用于机外的电缆之间和电路板与面板之间的电气连接。 3. D形接插件 这种接插件的端面很像字母D，具有非对称定位和连接锁紧机构。常见的接点数有9、15、25、37等几种，连接可靠，定位准确，用于电器设备之间的连接。典型的有计算机的RS-232串行数据接口和LPT并行数据接口等，如图5-15所示。 图5-13 圆形插接件 图5-14 矩形插接件 图5-15 D形插接件 4. 直流电源接插件 这种接插件用于连接小型电子产品的便携式直流电源，例如“随身听”收录机的小电源和笔记本电脑的电源适配器(AC Adaptor)都是使用这类接插件连接。插头的额定电流一般在2,5A，尺寸有三种规格，如图5-16所示，外圆直径×内孔直径为3.4×1.3、5.5×2.1、5.5×2.5(mm)。 图5-16 直流电源插接件 5.2.6 继电器 继电器是利用电磁原理或其他(如热电或电子)方法，根据输入电信号变化而接通或断开控制电路、实现自动控制和保护的自动电器，它是自动化设备中的主要元件之一，起到用低电压小电流去控制大电流或高电压的转接操作、调节、安全保护及监督设备工作状态等作用。 继电器的种类繁多，在电子产品中常用的有:利用电磁吸力工作的电磁继电器、用极化磁场作用保持工作状态的磁保持继电器、专用于转换高频电路并与同轴电缆匹配的高频继电器、由各种非电量(热、温度、压力等)控制的控制继电器、利用舌簧管工作的舌簧继电器、具有时间控制作用的时间继电器、作为无触点电子开关的固态继电器等。 1. 继电器的型号命名与分类 继电器的种类繁多，分类方法也不一样。按功率的大小可分为微功率、小功率、中功率、大功率继电器。按用途的不同可分为控制、保护、时间继电器等。 2. 电磁式继电器的主要参数 ? 额定工作电压:继电器正常工作时加在线圈上的直流电压或交流电压有效值。它随 型号的不同而不同。 ? 吸合电压或吸合电流:继电器能够产生吸合动作的最小电压或最小电流。为了保证 吸合动作的可靠性，实际工作电流必须略大于吸合电流，实际工作电压也可以略高 于额定电压，但不能超过额定电压的1.5倍，否则容易烧毁线圈。 ? 直流电阻:指线圈绕组的电阻值。 ? 释放电压或电流:继电器由吸合状态转换为释放状态，所需的最大电压或电流值， 一般为吸合值的1/10至1/2。 ? 触点负荷:继电器触点允许的电压、电流值。一般，同一型号的继电器触点的负荷 是相同的，它决定了继电器的控制能力，一般继电器的触点负荷见表5-6。 表5-6 继电器的触点负荷 功率级别 微功率 小功率 中功率 大功率 触点负荷 <0.2A (接通电压<28V) 0.5,1A 2,5A 10,20A 3. 几种传统继电器 ? 电磁继电器 电磁继电器是各种继电器中应用最广泛的一种，它以电磁系统为主体构成。电磁继 电器的特点是触点接触电阻很小，结构简单，工作可靠。缺点是动作时间较长，触点寿 命较短，体积较大。 ? 舌簧继电器 舌簧继电器是一种结构简单的小型继电器，具有动作速度快、工作稳定、机电寿命 长以及体积小等优点。常见的有干簧继电器和湿簧继电器两类。 干簧继电器由一个或多个干式舌簧开关(又称干簧管)和励磁线圈(或永久磁铁) 组成。干簧管内有一组导磁簧片，封装在充有惰性气体的玻璃管内。 湿簧继电器是在干簧继电器的基础上发展起来。它是在干簧管内充入了水银和高压 氢气，使触点被水银浸润而成为汞润触点，氢气不断地净化触点上的水银，使触点一直 被纯净的汞膜保护着。 5.2.7 晶体二极管 按照结构工艺不同，二极管可以分为点接触型和面接触型。因为点接触型二极管PN结的接触面积小，结电容小，适用于高频电路，但允许通过的电流和承受的反向电压也比较小，所以只适合在检波、变频等电路中工作;面接触型二极管PN结的接触面积大，结电容比较大，不适合在高频电路中使用，但它可以通过较大的电流，多用于频率较低的整流电路，几种常见二极管电路符号如图5-17所示。 (a)(b)(c)(d)(e) (a)普通二极管 (b)发光二极管 (c)变容二极管 (d)稳压二极管 (e)双向二极管 图5-17 常见二极管电路符号 二极管可以用锗材料或用硅材料制造。锗二极管的正向电阻很小，正向导通电压约为0.2V，但反向漏电流大，温度稳定性较差，现在在大部分场合被肖特基二极管(正向导通电压约为0.2V)取代;硅二极管的反向漏电流比锗二极管小很多，缺点是需要较高的正向电压(约0.5,0.7V)才能导通，只适用于信号较强的电路。 二极管应该按照极性接入电路。大部分情况下，应该使二极管的正极(或称阳极)接电路的高电位端，负极(或称阴极)接低电位端;但稳压二极管的负极要接电路的高电位端，其正极接电路的低电位端。 1. 几种常见的二极管 ? 检波二极管 检波二极管作用是把调制在高频载波上的音频信号检出来，检波二极管多用点接触结构，封装形式多数采用玻璃封装，以保证良好的高频特性。检波二极管一般选用2AP系列和进口的1N60、1N341S34等型号的二极管。 ? 整流二极管 整流二极管是利用PN结的单向导电特性，把交流电变成脉动直流电。整流二极管整流电流较大，多数采用面接触性硅材料制成的金属封装或塑料封装的二极管。 ? 稳压二极管 稳压二极管是电子电路中常用的一种二极管，是一种用于稳定电压，且工作在反向击穿状态下的二极管。 反向击穿状态是指给二极管加反向电压，加到一定值后被击穿，此时流过二极管的电流虽在变化，但电压的变化都很小，即电压维持在一个恒定范围内，稳压二极管就是利用二极管此种特性进行稳压的。在使用稳压二极管时一定要在允许的工作电流范围内使用。 ? 发光二极管 发光二极管(LED)是采用磷化镓(GaP)或磷砷化镓(GaAsP)等半导体材料制成的，将电能直接转换为光能，能发出红、橙、黄、绿等单色光或多色光，形状有圆形、方形等。 发光二极管的体积都比较小，而且功耗也很小，同时不具有响应速度快、寿命长等优点，故应用范围非常广泛。目前在各种家用电器中的指示器件多数为发光二极管。 ? 开关二极管 它是利用二极管的单向导电特性，在给二极管加正向偏压时，处于导通状态，在加反向偏压时处于截止状态，在电路中起到接通电路、关断电流的作用，即开关作用。 开关二极管有一个很重要的参数——反向恢复时间。它是指开关二极管从导通到截止所需要的时间，些时间越短越好。 ? 肖特基二极管 肖特基二极管是肖特基势垒二极管的简称，它的特点是反向恢复时间很短，其值可小到几纳秒，而工作电流表却可达到几千安培。 肖特基二极管在电路中主要是作整流二极管、续流二极管、保护二极管以及小信号检波，用在低电压、大电流的电路中，如驱动器、开关电源、变频器、逆变器等电路。肖特基 二极管的不足之处是反向耐压较低。肖特基二极管的封装采用了普遍应用的TO-220、TO-3P封装形式和表面封装形式。 2. 二极管的主要参数 ? 最大整流电流I :指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流，使用时实F 际电流不允许超过此值，否则将导致过热而损坏; ? 最大反向工作电压U :指二极管不被击穿所允许的最高反向电压，一般是反向RM 击穿电压的1/2或2/3; ? 最大反向电流I :指二极管加反向工作电压时未被击穿的反向电流值，此值越小R 说明管子的单项导电性越好; ? 最高工作频率f:指二极管能正常工作的最高频率，选用时要注意它的工作频率M 应低于最高工作频率。 5.2.8 晶体三极管 晶体三极管是电子电路中应用的主要器件之一。它的作用是对信号放大或者工作在开关状态对电路进行控制，实际上许多电路中三极管也并没有工作在放大状态。 晶体三极管由发射结、集电结和N型与P型半导体构成，有三个电极，即基极(B)、发射极(E)、集电极(C)。按极性分，三极管有PNP和NPN两种，如图5-18所示。 发射结集电结 [PNP三极管] P N P集电极c发射极e 基极b 发射结集电结 [NPN三极管] N P N集电极c发射极e 基极b 图5-18 三极管结构 常用三极管符号如图5-19所示。 PNPNPNNPNPNPNPNPNP (c)达林顿管(a)普通三极管(b)光敏三极管 图5-19 常用三极管图形符号 1. 三极管的型号命名方法 三极管的型号的命名法是由五部分组成，例如图5-20所示，但各部分的字母和数字所表示的意义有所不同。 3 D G 8 C 规格号 序号 高频小功率管 NPN型、硅材料 三极管 图5-20 三极管型号命名方法 国产晶体管中常用的型号如表5-7所示，常用的进口管有韩国的90xx、80xx系列。 表5-7 国产晶体管中常用的型号 PNP型管 NPN型管 3AG×× 3DG×× 锗高频管 硅高频管 3AX×× 3DX×× 锗低频管 硅低频管 3AD×× 3DD×× 锗大功率管 硅低频大功率管 3CG×× 3DA×× 硅高频管 硅高频大功率管 3CX×× 3BX×× 硅低频管 锗低频管 3AK×× 3DK×× 锗开关管 硅开关 2. 晶体管的主要参数 晶体管的参数可分为直流参数、交流参数、极限参数。晶体管的参数是选用与使用晶体 管时的重要依据，为此了解晶体管的参数可避免选用或使用不当面引起晶体管的损坏。 ? 集电极-基极反向电流 :当发射极开路、在集电极与基极间加上规定的反向电压时， 集电结中的漏电流就称为10μA左右，硅管更小些; ? 集电极-发射极反向电流 :它是指基极开路时，在集电极与发射极之间加上规定的 反向电压时，集电极的漏电流。此值越小越好。如果测试中发现此值较大，此管就 不能使用; ? 集电极最大允许电流 :当晶体管的β值下降到最大值的一半时，管子的集电极电 流就称为集电极最大允许电流; ? 集电极最大允许耗散功率 :由于集电极要耗散一定的功率而使集电结发热，当温 度过高时就会导致参数的变化，甚至烧毁晶体管。使用时为提高P值，可给大功CM 率晶体管加上散热片，散热片愈大，其P值就提得越多; CM ? 集电极—发射极反向击穿电压 :当基极开路时，集电极与发射极之间允许加的最 大电压。在实际应用时，加到集电极与发射极之间的电压，一定要小于此值，否则 将损坏晶体管; ? 直流放大系数 :衡量晶体管电流放大能力的一个重要参数，但对于同一个晶体管 来说，在不同的集电极电流下有不同的; ? 交流放大系数 :这个参数是指有交流信号输入时，在共发射极电路中，集电极电 流的变化量与基电极电流的变化量的比值。近似等于直流放大系数，，因此在实际 使用时一般不再区分。晶体管的三种工作状态。 3. 三极管的工作状态 ? 放大状态 :在放大状态下，晶体管处于线性放大状态，当有交流信号输入时，晶 体管便对信号进行放大，输出放大的信号。 ? 饱和状态 :在饱和状态下，晶体管处于非线性工作状态，此时管子的电流很大(比 放大状态大)，当有交流信号输入时便可进入饱和区，其输出的信号便会产生非线 性失真。 ? 截止状态 :在截止状态下，晶体管的各极电流都很小或为零，此时输入给晶体管 的信号便进入截止区，其输出的信号要产生很大的非线性失真。 上述三种状态中，只有放大状态下才能很好的放大信号，收音机、录音机、电视机等家 用电器就是应用这个原理对接收的电台信号进行放大的。晶体其他两种工作状态在不同的电 子设备中，应用也很多，可参考相关资料。 5.2.9 场效应晶体管 和普通双极型三极管相比，场效应晶体管有很多特点。从控制作用来看，三极管是电流控制器件，而场效应管是电压控制器件。场效应晶体管栅极的输入电阻非常高，一般可达几百MΩ甚至几千MΩ，所以对栅极施加电压时，基本上不分取电流，这是一般三极管不能与之相比的。另外，场效应管还具有噪声低、动态范围大等优点。场效应晶体管广泛应用于数字电路、通信设备和仪器仪表，已经在很多场合取代了双极型三极管。 场效应晶体管的三个电极分别叫做漏极(D)、源极(S)和栅极(G)，可以把它们类比作普通三极管的c、e、b三极，而且D、S极能够互换使用。场效应管分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管两种，如图5-21所示。 增强型增强型耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型 P沟道N沟道P沟道N沟道 绝缘栅型场效应管结型场效应管 图5-21 场效应管电路图形符号 与双极性三极管相比场效应管具有以下特点: ? 场效应管是电压控制器件，它通过U来控制I; GSD ? 场效应管的输入端电流极小，因此它的输入电阻很高; ? 它是利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性较好; ? 它组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大系数; ? 场效应管的抗辐射能力强。 5.2.10 使用半导体分立器件的注意事项 晶体管正常工作需要一定的条件。如果工作条件超过允许的范围，则晶体管不能正常工作，甚至造成永久性的损坏。为使晶体管能够长期稳定运行，必须注意下列事项: 1. 二极管 ? 切勿使电压、电流超过器件手册中规定的极限值，并应根据设计原则选取一定的裕 量; ? 允许使用小功率电烙铁进行焊接，焊接时间应该小于3,5秒，在焊接点接触型二 极管时，要注意保证焊点与管芯之间有良好的散热; ? 玻璃封装的二极管引线的弯曲处距离管体不能太小，一般至少2mm; ? 安装二极管的位置尽可能不要靠近电路中的发热元件; ? 接入电路时要注意二极管的极性。 2. 三极管 使用三极管的注意事项与二极管基本相同，此外还有如下几点: ? 安装时要分清不同电极的管脚位置，焊点距离管壳不要太近，一般三极管应该距离 印制板2,3mm以上; ? 大功率管的散热器与管壳的接触面应该平整光滑，中间应该涂抹导热硅脂以便减小 热阻并减少腐蚀;要保证固定三极管的螺丝钉松紧一致; ? 对于大功率管，特别是外延型高频功率管，在使用中要防止二次击穿。其安全工作 区的判定，应该依据厂家提供的资料，或在使用前进行必要的检测筛选; ? 应当注意，大功率管的功耗能力并不服从等功耗规律，而是随着工作电压的升高， 其耗散功率相应减小。对于相同功率的三极管而言，低电压、大电流的工作条件要 比在高电压、小电流下使用更为安全。 3. 场效应管 结型场效应管和一般晶体三极管的使用注意事项相仿，同时还应注意: ? 对于绝缘栅型场效应管，应该特别注意避免栅极悬空，即栅、源两极之间必须经常 保持直流通路。因为它的输入阻抗非常高，所以栅极上的感应电荷就很难通过输入 电阻泄漏，电荷的积累使静电电压升高，尤其是在极间电容较小的情况下，少量电 荷就会产生很高的电压，以至往往管子还未经使用，就已被击穿或出现性能下降的 现象。 ? 为了避免上述原因对绝缘栅型场效应管造成损坏，在存储时应把它的三个电极短 路;在采用绝缘栅型场效应管的电路中，通常是在它的栅、源两极之间接入一个电 阻或稳压二极管，使积累电荷不致过多或使电压不致超过某一界限;焊接、测试时 应该采取防静电措施，电烙铁和仪器等都要有良好的接地线;使用绝缘栅型场效应 管的电路和整机，外壳必须良好接地。 5.2.11 集成电路 集成电路是利用半导体工艺或厚膜、薄膜工艺，将电阻、电容、二极管、双极型三极管、场效应晶体管等元器件按照设计要求连接起来，制作在同一硅片上，成为具有特定功能的电路。这种器件打破了电路的传统概念，实现了材料、元器件、电路的三位一体，与分立元器件组成的电路相比，具有体积小、功耗低、性能好、重量轻、可靠性高、成本低等许多优点。几十年来，集成电路的生产技术取得了迅速的发展，集成电路得到了极其广泛的应用。 1. 集成电路的基本类别 对集成电路分类，是一个很复杂的问题，分类方法有很多种:按制造工艺分类、按基本单元核心器件分类、按集成度分类、按电气功能分类、按应用环境条件分类、按通用或专用的程度分类等，这里不再展开叙述。 2. 集成电路的封装概念 所谓集成电路的封装，就是指把硅片上的电路管脚,用导线接引到外部接头处,以便与其它器件连接。封装形式是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。它不仅起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用，而且还通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件相连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB(印制电路板)的设计和制造，因此它是至关重要的。 衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近1越好。封装时主要考虑的因素: ? 芯片面积与封装面积之比为提高封装效率，尽量接近1:1; ? 引脚要尽量短以减少延迟，引脚间的距离尽量远，以保证互不干扰，提高性能; ? 基于散热的要求，封装越薄越好。 封装主要分为DIP双列直插和SMD贴片封装两种。从结构方面，封装经历了最早期的晶体管TO(如TO-89、TO92)封装发展到了双列直插封装，随后由PHILIP公司开发出了SOP小外型封装，以后逐渐派生出SOJ(J型引脚小外形封装)、TSOP(薄小外形封装)、VSOP(甚小外形封装)、SSOP(缩小型SOP)、TSSOP(薄的缩小型SOP)及SOT(小外形晶体管)、SOIC(小外形集成电路)等。从材料介质方面，包括金属、陶瓷、塑料、塑料，目前很多高强度工作条件需求的电路如军工和宇航级别仍有大量的金属封装。 3. 几种常见的集成电路封装形式 ? DIP(Dual Inline Package) DIP封装也叫双列直插式封装技术，是一种最简单的封装方式，如图5-22所示。绝大多数中小规模集成电路均采用这种封装形式，绝大部分的DIP是通孔式，其引脚数一般不超过100。DIP封装结构形式有:多层陶瓷双列直插式DIP，单层陶瓷双列直插式DIP，引线框架式DIP(含玻璃陶瓷封接式，塑料包封结构式，陶瓷低熔玻璃封装式)等。 图5-22 DIP-双列直插式封装 ? PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier) 带引线的塑料芯片载体，表面贴装型封装之一,外形呈正方形,引脚从封装的四个侧面引出,呈丁字形,是塑料制品,外形尺寸比DIP封装小得多，如图5-23所示。PLCC封装适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线,具有外形尺寸小、可靠性高的优点. 图5-23 PLCC-带引线的塑料芯片载体 ? QFP(Quad Flat Package) 四边引脚扁平封装，表面贴装型封装之一。在正方或长方形封装的四周都有引脚，引脚从四个侧面引出呈海鸥翼型。基材有陶瓷、金属和塑料三种，QFP一般为正方形。塑料QFP通常称为PQFP，PQFP最常见的引脚数是84、100、132、164和196，，PQFP既可以是正方形，也可以是长方形，如图5-24所示。 图5-24 QFP-四边引脚扁平封装 ? SOP(Small Outline Package) 小外形封装，如图5-25所示，由1968,1969年菲利浦公司开发成功，以后逐渐派生出SOJ(J型引脚小外形封装)、TSOP(薄小外形封装)、VSOP(甚小外形封装)、SSOP(缩小型SOP)、TSSOP(薄的缩小型SOP)及SOT(小外形晶体管)、SOIC(小外形集成电路)等。像主板的频率发生器就是采用的SOP封装。 图5-25 SOP-小外形封装 ? BGA(Ball Grid Array) 球栅阵列，封装方式是在管壳底面或上表面焊有许多球状凸点，通过这些焊料凸点实现封装体与基板之间互连的一种先进封装技术，如图3-26所示。BGA封装方式经过十多年的发展已经进入实用化阶段。目前，BGA已成为热门的IC封装技术。BGA一出现便成为计算机CPU、南北桥等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能及高I/O引 脚封装的最佳选择。 但它的芯片面积/封装面积的比值仍很低。近年来，又研制出另一种称为μBGA的封装技术，按0.5mm焊区中心距，芯片面积/封装面积的比为1:4，比BGA前进了一大步。 图5-26 BGA-球栅阵列 ? CSP(Chip Scale Package) 芯片级尺寸封装，减小了芯片封装外形的尺寸，做到裸芯片尺寸有多大，封装尺寸就有多大，即封装后的IC尺寸边长不大于芯片的1.2倍，图5-27为QFP与CFP的尺寸对比。 图5-27 CSP-芯片级尺寸封装 ? Flip Chip 倒装芯片技术，一种无引脚结构，裸芯片封装技术之一。封装的占有面积基本上与芯片尺寸相同。是封装技术中体积最小、最薄的一种，其结构示意图如图5-28所示。 Wire bonding Flip chip bonding 图5-28 Flip ChiP-倒装芯片 ? SIP(System in a Package) System In a Package 已经不仅仅是一种封装类型，其结构如图5-29所示。由于客户的不同要求，SIP可以有很多种不同的形式。SIP的形式可以是在一个传统封装体内包含数个芯片，添加被动元件或者根据需要添加其他的元件。SIP的封装体可以直接作为一个功能模块或模组应用于系统级别的生产中。 图5-29 SIP-系统级封装 4. 使用集成电路的注意事项 ? 在使用集成电路时，其负荷不允许超过极限值，集成电路的电气参数应符合规定标 准;在接通或断开电源的瞬间，不得有高电压产生，否则将会击穿集成电路; ? 商业级集成电路的使用温度一般在0,70?之间。在系统布局时，应使集成电路尽 量远离热源; ? 在手工焊接电子产品时，一般应该最后装配焊接集成电路;不要使用大于45W的 电烙铁，每次连续焊接时间尽量不超过10秒钟。 5.2.12 显示器件 电子显示器可分为主动发光型和非主动发光型，显像管(CRT)就属于前者，这是利用信息来调制各像素的发光亮度和颜色而直接显示的。而液晶显示器(LCD)等本身不发光，是利用信息调制外光源而使其达到显示的目的，目前新型显示器件主要包括LCD、LED、PDP、OLED等。 1. 薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD) 液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Device)是显示器件大家族中的后起之秀，由于其优越的特性。薄膜晶体管液晶显示器是一种具有广阔前景的微电子技术与液晶显示技术相结合的平板技术，主要用于笔记本电脑和大屏幕彩电。由于采用了半导体掩膜版的光刻技术，使TFT -LCD的技术日趋成熟，其应用范围正在迅速扩大。 2. LED显示器 所谓的LED(Light Emitting Diode)也就是我们常说的发光二极管，根据半导体材料物理性能的不同，LED可发出从紫外到红外不同光谱下不同颜色的光线，特别是LED不能发出白光的技术问题解决之后，为LED在显示领域的应用奠定了根本性的基础。与LCD显示器相比，LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。LED与LCD的功耗比大约为10:1，而且更高的刷新速率使得LED在视频方面有更好的性能表现。作为LCD显示设备下一代背光源的LED具有亮度高、色域广、反应快、可独立开关并且不含有害物质汞等诸多优势，与传统的使用CCFL(冷阴极荧光灯)为光源的LCD相比，LED背光最大的优势主要体现在以下三点:LCD厚度将进一步缩小;更长的寿命和更低的耗电量;更强的色彩表现力。 3. 有机发光显示器(OLED) 有机发光显示器(Organic Light Emitting Display)是利用在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致有机材料发光的显示器件，采用自发光材料，无需背光灯，具有高亮度、宽 视角、快速响应速度、易于实现高分辨率全彩色显示的特点，厚度仅为LCD屏幕的1/3，其缺点主要是寿命较短。目前，OLED已成为今后手机、PDA、数码相机、DVD、GPRS等众多领域显示器件发展的方向。 4. 等离子体显示器(PDP) 等离子体是继物质3态(固态、液态、气态)后发现的第四态，由数量密度都近似的正、负离子组成。等离子显示器(Plasma Display Panel，简写PDP)是继CRT和LCD之后的一种新颖直视式图像显示器件，采用了类似“日光灯”工作原理的气体放电的显示技术，是近几年来高速发展的等离子平面屏幕技术的新一代显示设备，以其超薄体积，重量远小于传统大尺寸CRT电视，具有高解析度、不受磁场影响、视角广及主动发光等特点，完全符合多媒体产品轻、薄、短、小的需求，被视为未来大尺寸电视的主流。 思 考 题 1. 请标出误差为?1%，阻值为100Ω的金属氧化膜电阻的色环颜色。 2. 电容器的正负极标记不清时应如何判断?为什么电解电容器的正负极不能反接? 3. 如何用万用表判断三极管的发射极、集电极和基极? 4. 集成电路有哪些常见的封装形式，各自具有哪些特点, 5. 列举日常生活中所见到的各类显示器件。 第2章 模拟电路设计 模拟电子系统的主要功能是对模拟信号进行检测、处理、变换和产生。模拟信号的特点是，在时间上和幅值上均是连续的，在一定的动态范围内可能任意取值。这些信号可以是电量(如电压、电流等)，也可以是来自传感器的非电量(如应变、温度、压力、流量等)。组成模拟电子系统的主要单元电路有放大电路、滤波电路、信号变换电路、驱动电路等。 2.1 半导体二极管电路设计 2.1.1 二极管的分类 二极管按所使用的材料不同可分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。按其内部结构的不同可分为点接触型、面接触型和平面型二极管三类。按照应用的不同，二极管分为整流、检波、开关、稳压、发光、光电、快恢复和变容二极管等。 1. 二极管的伏安特性及主要参数 ? 二极管的伏安特性 UI二极管两端的电压及其流过二极管的电流之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。 图2-1 二极管的伏安特性曲线 ? 正向特性 二极管外加正向电压时，电流和电压的关系称为二极管的正向特性。如图2-1所示，当二极管所加 0,U,UUthth正向电压比较小时()，二极管上流经的电流为0，管子仍截止，此区域称为死区，称为 0.5V0.1V死区电压(门坎电压)。硅二极管的死区电压约为，锗二极管的死区电压约为。 ? 反向特性 二极管外加反向电压时，电流和电压的关系称为二极管的反向特性。由图2-1可见，二极管外加反 I,,Is向电压时，反向电流很小()，而且在相当宽的反向电压范围内，反向电流几乎不变，因此，称此电流值为二极管的反向饱和电流。 ? 反向击穿特性 UBR从图2-1可见，当反向电压的值增大到时，反向电压值稍有增大，反向电流会急剧增大，称此 UBR现象为反向击穿，为反向击穿电压。利用二极管的反向击穿特性，可以做成稳压二极管，但一般的二极管不允许工作在反向击穿区。 2. 二极管的主要参数 IF? 最大整流电流:指二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。 UBR? 反向击穿电压:指二极管击穿时的电压值。 IS? 反向饱和电流:指管子没有击穿时的反向电流值。其值愈小，说明二极管的单向导电性愈好。 普通二极管应用电路举例 普通二极管的应用范围很广，可用于整流、稳压、开关、限幅、检波等电路。大多是利用其正偏导通、反偏截止的特点。现举例说明。 3. 二极管检波电路 检波也叫解调。检波二极管的作用是把原来调制在高频无线电电波中的信号取出来。由于检波二极管因工作频率较高，通过的信号幅度很弱，因此要求节电容小、频率特性好，正向压降小，效率高，通常多用锗材料点接触式二极管。检波二极管广泛应用于收音机、电视机、收录机及通信设备中。 图2-2 二极管检波电路 图2-2是一种超外差式晶体管收音机中的检波电路，它与半波整流电路相似，只是检波器后面的滤 C1C2R1波器参数不同，、、为高频滤波器，检波后的低频信号又送至低频。 4. 二极管整流电路 220V二极管的整流电路，一般都接在电源变压器的次级输出端或者的交流市电上。整流二极管的 220V作用是将交流电变成直流电。图2-3是一个典型的稳压电源电路，电源变压器先把的交流市电降 9VVD1~VD4C1低到左右，用四只二极管整流变成“脉动”的直流电，再经过电容滤波，得到比较平滑的直流电压。 图2-3 二极管整流电路 5. 二极管限幅电路 利用二极管的单向导电性， 将输入电压限定在要求的范围之内，叫做限幅。 (a) 双向限幅电路 (b) 输入与输出波形 图2-4二极管的限幅应用 6. 二极管开关电路 在数字电路中经常将半导体二极管作为开关元件来使用， 因为二极管具有单向导电性， 可以相当于一个受外加偏置电压控制的无触点开关。 如图2-5所示， 为监测发电机组工作的某种仪表的部分电路。 u,10VuVDVDis当控制信号时，的负极电位被抬高，二极管截止，相当于“开关断开”， 不能通过; uVDVDs当ui=0 V时， 正偏导通， 可以通过加入记忆电路。 此时二极管相当于“开关闭合”情况。 这 uuVDis样，二极管就在信号的控制下， 实现了接通或关断信号的作用。 图2-5二极管的开关应用 2.1.2特殊二极管应用电路 1. 发光二极管应用电路 发光二极管(简称LED)是一种将电能转换成光能的半导体器件。它在正向导通时会发光，导通电流增大时，发光亮度增强。 图2-6 常见发光二极管的应用电路 图2-6 (a)、(b)所示电路均采用发光二极管来显示输出电平的高低。其中，图(a)为晶体管控制电路，在晶体管输出为低电平时，发光二极管亮;图(b)所示的为逻辑门驱动电路，当其输出为高电平时，发光 R1LED1二极管亮。 (c) 为熔断器指示器电路，当电源输出正常时，电流通过、发光，它不仅表明负 LED2R2LED2荷在正常工作，而且表明电源极性正常。此时，被熔丝熔断后，电流通过使发光，指 示熔断器出现故障。 图2-7 红外发光二极管应用电路 D1D2图2-7 (a)、(b)所示电路是由红外发光二极管、构成的红外发射,接收器电路，光脉冲信号 vSE303i的频率和脉宽由输入信号决定。红外发光二极管一般是配对使用的。如与红外发射管配对的红 PH30230mA~50mA1mW~2.5mW外接收管是。发射管的导通电流为，发射功率为。接收管的导 5mA~10mA5m通电流为。发射,接收距离一般为左右。 2. 稳压二极管应用电路 图2-8 稳压二极管应用电路 3. 硅电压开关二极管 硅电压开关二极管是一种较为新颖的半导体器件，它由单向和双向两种。可应用于脉冲发生器、过压保护器、触发器以及高压输出、岩石、逆变、电子开关等电路中。 CVD2图2-9中电容和单向管形成的负阻振荡，经升压变压器升高后输出高压，选用不同的脉冲变压器初、次级匝数比，可以获得几百到几万伏的电压。 图2-9 高压发生器电路 4. 变容二极管应用 VDUL图2-10为调谐变容二极管的应用电路(图中为调谐变容二极管，为谐振线圈，为调谐电压，CC1为调整电容，为隔直电容。通过调谐电压的变化来改变变容二极管的结电容，从而达到改变频率 来实现调谐的目的。 图2-10调谐变容二极管应用电路 5. 精密二极管 精密二极管，它具有线性好、工作温度范围宽、稳定性好等优点。常用于晶体管的线性化电路、优质对数放大电路等电路中。 2.2 分立元件放大电路设计 放大电路是利用半导体三极管的电流控制作用把微弱的电信号增强到所要求的数值，例如常见的扩音机就是把一个微弱的声音信号变大的放大电路。声音先经过话筒变成微弱的电信号，经过放大器，利用半导体三极管的控制作用，把电源供给的能量转化为较强的电信号，然后经过扬声器(喇叭)还原成为放大了的声音。 虽然现在集成化放大器已经很多，但是由半导体三极管和一些电阻、电容等分立元件组成的信号放大电路仍广泛应用于各类电子产品。 2.2.1分立元件放大电路基础 1. 分立元件放大电路基本组成 一个分立元件放大电路必须出输入信号源、半导体器件、输出负载、直流电源和相应的偏置电路组 us成。其中，输入信号源通常是将非电量变换为电量的换能器，它们可用图2-11所示的等放电路表示， Rs为信号源电动势，为信号源的等效内阻。 图2-11放大电路基本组成 根据输入信号与输出信号公共端的不同，放大电路共有三种基本接法，也称基本组态。输入信号与输出信号公共端是发射极的称共发极放大电路，输入信号与输出信号公共端是集电极的称共集极放大电路，输入信号与输出信号公共端是基极的称共基极放大电路。 共射极电路具有较大的电压、电流放大倍数，输入和输出电阻值比较适中，所以，常用于对输入输出电阻和频率响应要求不高的低频放大电路中。 共集极放大电路由于输出信号从发射极输出，因此也称射极输出器，又由于它的放大倍数小于1而 接近于1，输入与输出同相位，于是也称为射极跟随器;且具有输入电阻很高、输出电阻很低的优点，所以多用于多级放大电路的输入级、输出级或作为缓冲用的中间级。 共基放大电路输入电阻很小、电压放大倍数较高，主要用高频电压放大。另外，由于输出电阻高，还可以作为恒流源。 2. 放大电路的性能指标 放大电路就是放大器，其性能指标是衡量放大器质量好坏的物理量。对于晶体管放大电路，主要指标有电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、通频带以及非线性失真等。 ? 放大倍数(增益) 输出信号的电压和电流幅度得到了放大，所以输出功率也会有所放大。对放大电路而言有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数，通常它们都是按正弦量定义的。 Ri? 输入电阻 Ri输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数，大放大电路从信号源吸取的电流小，反之则大。 Ro? 输出电阻 输出电阻是表明放大电路带负载的能力，Ro大表明放大电路带负载的能力差，反之则强。 ? 非线性失真 由于晶体管输入、输出特性在动态范围内不可能保持完全的线性，输出波形不可避免会发生或多或少的线性失真。当对应于某一频率的正弦电压输入时，输出波形中除基波成分外，还将含有一定数量的 D谐波。所有的谐波总量与基波成分之比，定义为非线性失真系数。符号为，即 22U，U，？23D,U1 (2.2.1) UUU312式中、、等分别表示输出信号中基波、二次谐波、三次谐波等的幅值。 ? 通频带 因为放大器电路中有电容元件，晶体管极间也存在电容，有的放大电路还有电感元件。电容和电感对不同频率的交流电有不同的阻抗，所以放大器对不同频率的交流信号有着不同的放大倍数。一般来说，频率太高或太低放大倍数都要下降，只有对某一频率段放大倍数才较高且基本保持不变，设这时放 AA/2ffumumHL大倍数为，当放大倍数下降为时，所对应的频率分别称为上限频率和下限频率。 BW上下限频率之间的频率范围称为放大器的通频带，用符号表示，如图2-12所示。 图2-12 放大器的通频带 3. 放大电路组成原则 判断一个电子电路是否具有放大作用，主要根据以下几条原则。 ? 必须有直流电源。而且电源的设置应使半导体三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，保 U,1VU,0.7VU,0.3VCEBEBE证半导体三极管工作在放大状态。放大时，硅管，锗管，。 U,0.3VU,0.1VCECE若硅管，锗管时，三极管处于饱和状态。 ? 元件的安排要保证信号的传输。即信号能够从放大电路的输入端加到半导体三极管上(有信号输 入回路)，经过放大后又能从输出端输出(有信号输出回路)。 ? 元件参数的选择要保证信号能不失真地放大，并满足放大电路的性能指标要求。 4. 半导体三极管的选用 根据半导体三极管主要参数进行选用，选用时，应尽量满足以下条件: ffTT? 特征频率要高，一般要比工作频率高3倍以上。 ,, 值不能过大，一般取30,80。值过高，容易引起自激振荡。 ? 10,A? 集电极反向电流要小，一般应小于。 CC? 在音响电路中，半导体三极管的集电结电容要小，以提高频率高端的灵敏度。 NF? 在音响设备的变频电路中，半导体三极管的高频噪声系数应尽可能小，以提高音响设备的 相对灵敏度。 2.2.2基本共射放大电路设计 1. 基本共射放大电路组成及各元件的作用 (a)直流通路 (b)放大电路 (c)交流通路 图2-14 基本共射放大电路 T? 晶体管采用NPN型管，具有电流放大作用，是放大电路的核心元件。 VCC? 集电极直流电源的作用是使集电极反向偏置，并为放大电路提供直流能量。 RVRUbbCCBE? 基极偏置电阻的作用是，在直流电源和晶体管数值确定时，通过调整的值，可 以为晶体管的基极提供合适的正向偏置电流，使电路具有合适工作点，防止电路产生饱和失真 或截止失真。 Rc? 集电极电阻的主要作用是将集电极电流的变化转化为电压的变化，以实现电压放大功能，另 Rc一方面，也起直流负载的作用。 CCC121? 和为耦合电容，又称隔直电容，它们的作用就是“隔直流，通交流”。用来隔断放大电 C2路与信号源之间的直流通路，用来隔断放大电路与负载之间的直流通路;同时保证交流信号 畅通无阻地通过放大电路到负载，使得放大器的静态工作点不因接入信号和负载而受到影响， 保证了放大器能正常工作。 RL? 为放大电路的外接负载电阻，如扬声器、耳机等。 2. 基本共射放大电路的静态分析 在放大电路中，当有信号输入时，交流量与直流量共存。当放大电路没有输入信号时，电路中各处的电压、电流都是不变的直流，称为直流工作状态或静止状态，简称静态。将输入信号为零，即直流电 IIUCBBE、集电极电流、基极与发射极间电压、集电极与发射极间电源单独作用时晶体管的基极电流 UQCE压这四个参数在晶体管的输入、输出特性曲线上对应一个点，该点称为放大电路的静态工作点， IIUUBQCQBEQCEQ常将这四个物理量记作、、、。静态工作点的计算可采用近似估算法和图解法，本书主要介绍近似估算法。 求静态工作点一般分两步: 第一步:画出放大电路的直流通路 画直流同路时，将电容看成是开路，电感看成是短路，其它元件保留。如图2-14(a)所示。 第二步:由直流通路，可得出静态工作点的表达式: V,UVCCBEQCCI,,BQURRVBEQbbCC (一般>>) (2.2.2) I,,ICQBQ (2.2.3) U,V,IRCEQCCCQc (2.2.4) UUBEQBEQ0.7V0.2V 对于硅管约为左右，锗管约为左右。根据式(2.2.2),(2.2.4)就可估算出放大 IIUBQCQCEQ电路的静态参数、、。 3. 基本共射放大电路的动态工作情况分析 将电容和电压源看成是短路，电感和电流源看成是开路的原则，可画出共射极放大电路的交流通路如图2-14(;)所示。 分析放大电路的动态工作情况可按一下两步进行。 第一步:画微变等效电路 在放大电路的交流通路中，用晶体管的微变等效电路取代晶体管，就可得到放大电路的微变等效电路如图2-15所示。 图2-15 基本共射放大电路的简化微变等效电路 第二步:利用微变等效电路求放大电路的动态指标 ，AV? 求电压增益 ，，U,I,ribbe根据 (2.2.5) ，，U,,I,(R//R)OccL (2.2.6) ，，I,,,Icb (2.2.7) 则电压增益为: ，，，U,I,(R//R),,,I,(R//R),,(R//R)OccLbcLcL，A,, ,,,V，，，rUI,rI,rbeibbebbe (2.2.8) 26(mV)26(mV)r,200,，(1，,),200,，,beI(mA)I(mA)EQCQ (2.2.9) Ri? 输入电阻 输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻，等于输入电压的有效值与输入电流的有效值之 ，UiR,,R//ribbe，Ii比，即 Ro? 输出电阻 RL对于负载电阻，放大电路总可以等效成一个有内阻的电压源，其内阻就是放大电路的输出电阻RR,Rooc，故输出电阻 2.2.3分压式共射放大电路设计 分压式共射放大电路组成及各元件的作用 1. (a)直流通路 (b)放大电路 (c)交流通路 图2-16 分压式共射放大电路 RRb1b2图2-16(b)电路是最普遍采用的分压式共射放大电路，分压式偏置电路的特点是利用、分 R2b,UVBCC，RRU12Bbb压，固定基极电位，与晶体三极管的参数无关。流过偏置电路的电流远大于晶 ,体三极管的基极电流;由于在发射极接入了电阻，加上负反馈，所以尽管有一些不一致，但是偏置电流是一致的。由于有这些优点，所以的分压式共射放大电路被广泛使用。 RRCCCb1b2e12图2-16(b)中、为基极偏置分压电阻，、为耦合电容，“隔直流通交流”。为射极 RReL旁路电容也有“隔直流通交流”的作用。为负载电阻，为射极偏置电阻，具有直流电流负反馈作用，稳定静态工作点。 2. 分压式共射放大电路设计 RL在设计放大电路前，应先明确:要设计的放大电路的负载是多少，在已知输入信号的前提下，需要把输入信号不失真的放大到多少，期间信号被放大了多少倍，工作频率范围是多少。明确了这三点以后，就可以设计放大电路了。 I,,IU1BQBQ分压式共射放大电路，在满足的条件下，才能保证恒定，这是工作点稳定的必要条 件。一般情况下，取 I,(5~10)I,1BQ,,(3~5)U,V,BQ,(硅管) (2.2.10) (10~20)I,I,1BQ,,(1~3)U,V,BQ,(锗管) (2.2.11) I,0.5mA~2mACQ对于小信号放大器，一般取，电路的静态工作点由下列关系式确定: U,UUBQBEEQR,,eIICQEQ射极偏置电阻: (2.2.12) 基极偏置分压电阻: UU,BQBQR,,,,b2II(5~10)1CQ,,V,UV,UCCBQCCBQ,R,,Rb1b2,IU1BQ, (2.2.13) 射极旁路电容: 1,C(1~3)e，RrSbe,2f(//R)Le，,1 (2.2.14) 耦合电容: 1,C,(5~10)1,,2f(R，r),LSbe,1,C,(5~10)2,2,f(R，R)LcL, (2.2.15) 2.2.4 场效应管共源放大电路设计 场效应晶体管也是半导体器件，但它是电压控制器件，且为单极型导电。可以接成共源极(简称共源)、共栅极(简称共栅和共漏极(简称共漏)三种电路。共源极电路、共栅极电路和共漏极电路的电压增益、输人电阻、输出电阻的特点与晶体三极管的共射极电路、共基极电路和共集电极电路相同。和晶体管相比具有输入阻抗高、温度稳定性好、低噪声、易集成、使用灵活等诸多特点。 场效应晶体管的偏置电路设计和晶体三极管一样，在电路应用中，必须由偏置电路提供合适的静态工作点，并保证静态工作点稳定。偏置电路形式很多，常用的有自给栅偏压和分压偏置两种方式。见图2-17。 场效应晶体管偏置电路主要有下列两个特点; ? 只要偏压，不要偏流，这与晶体三极管不同。 ? 不同类型场效应晶体管对偏置电源极性有不同的要求。 (a) 自给栅偏压方式 (b) 分压偏置方式 图2-17 场效应管共源放大电路 表2-1不同类型场效应晶体管的偏置电源极性 场效应晶体管类型 UUDSGS N沟道结型场效应管 正 负 P沟道结型场效应管 负 正 N沟道增强型MOS场效应管晶体管 正 正 N沟道耗尽型MOS场效应管晶体管 正 负、零、正 P沟道增强型MOS场效应管晶体管 负 负 P沟道耗尽型MOS场效应管晶体管 负 负、零、正 1. 场效应管共源放大电路组成及各元件的作用 U,0RGQG图2-17(a)所示的自给偏置电路，由于栅极电流为零，故上电压为零，栅极电位，漏 IU,IRRSQDQSDQS极电流流过源极电阻，产生压降，源极电位，所以栅源电压U,U,U,,IRCRGSQGQSQDQSSS。电容对电阻起旁路作用，称为源极旁路电容。这种偏置电路仅适用于结型或耗尽型MOS场效应管。 UDS图2-17(b)为分压式偏置电路也称为混合偏置电路，类似于晶体三极管的分压式偏置电路。当 URRRGQG3GG21为正值时,由于栅极电流为零，故电阻上无电流，栅极电位等于和的分压即 RG2U,VGQCCUU,IRU,UU,0，RRRSQDQSGQSQGSQSQGG12S，同时由提供正的()电压。当，即 U,UGQSQ时，适用于栅源间和漏源间电压极性相同的增强型或耗尽型MOS场效应晶体管;当，即U,0GSQ时，适用于栅源间和漏源间电压极性相反的结型或耗尽型MOS场效应晶体管。 2. 分压式偏置场效应管共源放大电路工作特性分析 ? 静态工作点的估算 由图2-17(b)可得栅源间的电压为: RG2U,U,U,V,IRGSQGQSQCCDQSR，RGG12 (2.2.16) 若已知场效应管的转移特性为: UGSQ2I,I(1,)DQDSSUGS(off) (2.2.17) UIGS(off)DSS式中为夹断电压，是指栅源之间耗尽层扩展到沟道夹断时所必须的栅源电压值。为饱和漏电流，是指场效应管工作在放大状态时，所输出的最大电流。这两个参数由场效应管的转移特性曲线上得出。对上述两式2.2.17和2.2.16联立求解，即可确定静态工作点。 ? 动态工作情况分析 在分析动态工作情况时，和晶体管一样，可用微变等效电路来分析。 图2-18 共源放大电路微变等效电路 由图2-18可得: U'oA,,,gRumLAUui电压增益 (2.2.18) R',R//RLDL R,R，R//RRiG3G1G2i输入电阻 (2.2.19) R1SR,//R,oSRg1，gRommS输出电阻 (2.2.20) 3. 场效应管共源放大电路设计 ? 确定放大电路，选择场效应管 ? 用图示仪测量场效应管的转移特性曲线，并将特性曲线描绘在方格纸上，在曲线上 UII,3mAGS(off)DSSDSS确定出和的值。例如由图2-19所示 3DJ6F的转移特性曲线，可知，U,,4VGS(off)。 图2-19 3DJ6F的转移特性曲线 Q? 确定静态工作点: 11,,I,~I,,DQDSS42,,一般取: IUU,,UUSQGSQDQGSQSQ当确定后，直接从转移特性曲线上求出。由，可直接得到的值。在转 ,U,IQGSD移特性曲线上做出过点的切线,读出和。 ,IDg,mg,UmGS由: 算出跨导。 ? 确定电路中的电阻和电容值: USQR,SIDSQ AuR',L'A,,gRgumLm由: ，取 R',R//RLDL又由: RR'LLR,DR,R'LL可得: R,RG3i根据输入电阻要求，取: CCCS12电容、、分别按以下各式求: 10C,12,fRLi 10C,22,f(R，R)LDL 1，gRmSC,(1~3)S2,fRLS VCC? 确定电源电压: ,,V,1.2I(R，R)，UCCDQDSDSQ 2.2.5 功率放大电路设计 1. 功率放大电路的特点 电压放大电路是以放大微弱信号电压为主要目的，要求在不失真的条件下获得较高的输出电压，讨论的主要指标是电压增益、输入和输出电阻等。功率放大电路则不同，它主要要求获得一定的不失真(或失真较小)的输出功率，通常是在大信号状态下工作，它讨论的主要指标是最大输出功率、效率和非线性失真情况等。在功率放大电路中，功放管既要流过大电流，又要承受高电压。为了使功率放大电路安全工作，常加保护措施，以防止功放管过电压、过电流和过功耗。 2. 功率放大电路的分类 Q功率放大电路按功放管静态工作点在交流负载线上的位置不向，可分为甲类、乙类和甲乙类等三种工作状态。 Q甲类功率放大电路的静态工作点在交流负载线中点，其特点是在输入信号的整个周期内都有不失真的电流输出，但静态电流大，管子功率损耗大，效率低。 i,0Qc乙类功率放大电路的静态工作点在横轴上(在的位置上)。其特点是在输入信号的整个周期内，放大管只在半个周期内导通，另半个周期截止，无静态电流，因此，没有输入信号时，电源不消耗功率，效率高，但波形失真大。 甲乙类功率放大电路的静态工作点处于甲类和乙类之间，靠近截止区。在输入信号的一个周期 内，晶体管导通时间大于半个周期，静态电流小，效率较高，但电流波形失真较大。 功率放大电路按输出端特点又分为输出变压器功放电路、无输出变压器功放电路(又称OTL电路)、无输出电容器功放电路(又称OCL电路)和桥接无输出变压器功放电路(又称BTL电路)等几种类型。 3. 互补对称功率放大电路 (a)OCL基本电路 (b)OTL基本电路 图2-20 互补对称功率基本放大电路 ? 乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL) TT12如图2-20(a)所示，图中是 NPN型管，是PNP型管，两管的参数基本一致，且都接成设计输出器，又正负对称两电源供电。 ? 单电源互补对称功率放大电路(OTL电路) 如图2-20(b)所示单电源互补对称功率放大电路(OTL电路)，其工作原理基本上与OCL电路相同， VCC,2指标计算时只须认为其电源电压为即可。 2.3 模拟集成电路 集成电路是采用半导体制造工艺，把电子元件以及连接导线集中制造在一小块半导体基片上而构成的一个完整电路。按功能划分，集成电路分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。模拟集成电路处理 的是模拟信号，它的种类繁多，有集成运算放大器、集成电压比较器、集成功率放大器、集成乘法器、集成稳压器、集成锁相环路与频率合成器、集成模-数与数-模转换器等。 2.3.1模拟运算放大器应用电路设计 1. 模拟运算放大器基本知识 集成运算放大器是应用最广泛的一类模拟集成电路。我们重点介绍以它为核心的应用电路设计。在掌握了它的一般设计方法后，我们也就比较容易应用其它模拟集成电路开展电路设计了。 ? 模拟运算放大器的基本组成 集成运算放大器是一种高电压增益，高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。它的类型很多，电路也不一样，但结构有共同之处，图2-21表示集成运算放大器的内部电路组成原理框图。 它由四部分组成，即输入级、中间级、输出级和偏置电路。 图2-21 集成运放的内部组成原理框图 输入级:一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的高性能差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输入双端输出的形式。 电压放大级: 提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。 输出级:一般是由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。 偏置电路:提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。 ? 集成运算放大器的符号和电压传输特性 图2-22集成运算放大器的电路符号及其电压传输特性 图2-22(a) 为运算放大器的符号。 运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号‘+’表示;另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相反，用符号“-”表示。输出端在输入端的另一侧，在符号边框内标有‘+’号。大多数型号的集成运放均为两组电源供电。 图2-22(b)为集成运算放大器的电压传输特性曲线。集成运算放大器的电压传输特性是指开环时，输 u,A(u,u)AoodPNod出电压与差模输入电压之间的关系。在线性区。由于高达几十万倍，所以集成 (u,u),VPN运放工作在线性区时的最大输入电压的数值仅为几十,一百多。当其大于此值时，集成 ，u,uomom运放的输出不是, 就是，即集成运放工作在非线性区。 2. 集成运算放大器的主要性能指标 UIO? 输入失调电压 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。 IIO? 输入失调电流 在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。 I,I,IIOB1B2Aud? 开环差模电压放大倍数 开环差模电压放大倍数是指集成运放在开环(无反馈)情况下的直流差模电压放大倍数，即开环输 Aud出直流电压与差模输入电压之比，用表示。集成运放的开环差模电压放大倍数通常很大，经常用dB表示。 KCMR? 共模抑制比 AudK,CMRAKucCMR是差模电压放大倍数和共模电压放大倍数之比，即。K越大越好，一般在80CMR分贝以上。 SR? 转换速率(压摆率) SR 反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率的表达式为 duo S,RdtmaxBW(f)fnH? ,3dB带宽(开环带宽): fH 运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB时对应的带宽。 3. 集成运放的基本应用 集成运算放大器可以作为一个器件，构成各种基本电路。这些基本点路又可以作为单元电路组成多级电子电路。下面介绍介绍几种用法 图2-23 基本放大电路 ? 反相放大器 RfA,,VFAR1VF图2-23(a) 为反相放大器。反相放大器是最基本的电路，其闭环电压增益为， RR,R//RRRR,RRR,0p1fpfoii1o输入电阻为，输出电阻为，衡电阻为，其中反馈电阻值不能 uRi1太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。的取值应远小于信号源的内 R,Rf1阻。若，则为倒相器，可作为信号的极性转换电路。 ? 同相放大器 RfA,1，VFARR,rrR1iicVFiic图2-23(b) 为同相放大器。其闭环电压增益为，输入电阻为、为 RR,R//RRR,0pp1foo运放本身同相端对地的共模输入电阻。输出电阻为，衡电阻为， R,0R,,(开路)f1同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗地的特点，广泛用于前置放大级。若、，则为电压跟随器。 ? 差动放大器 uuii12图2-23(c) 为差动放大器。当运放的反相端和同相端分别输入信号和，时，输出电压RRRff3u,,u，(1，)()uoi1i2R,RRRR，RR,Rf3112321。当，时为差动放大器，其差模电压增益 RuRf3oA,,,VDR,R,R,RRR,R，R,2Ru,uRRf3212112idi121iid，输入电阻为。若时则为减 u,u,uoi2i1法器，输出电压。由于差动放大器具有双端输入-单端输出，共模抑制比较高的特点，通 常用作传感放大器或测量仪器的前端放大器。 ? 加法器 uuii12反相求和电路如图2-24所示，图中有两个输入信号、(实际应用中可以根据需要增减输入 RR、Rf21信号的数量)，分别经电阻加在反相输入端;为使运放工作在线性区，引入深度电压并联负 RRffu,,(u，u)oi2i1R',R//R//RRRf1221R'反馈;为平衡电阻，，输出电压为:。 图2-24反相求和电路 图2-25 减法电路 ? 减法器 减法器是反相输入和同相输入相结合的放大电路，图2-25 所示减法电路实际上就是一个差分式放 RRRff3u,u，u,(1，)()u,uoo1o2i2i1RR，RR1231大电路。输出电压为: ? 积分器 积分电路可以完成对输入信号的积分运算，即输出电压与输入电压的积分成正比。电路如图2-26 1u,,u,,udtoCi,RC1所示，输出电压为: 图2-26反相积分电路基本形式 图2-27基本微分电路 ? 微分器 微分是积分的逆运算，微分电路的输出电压是输入电压的微分，电路如图2-27所示。图中R duiuRC,,odt引入电压并联负反馈使运放工作在线性区。输出电压为: 4. 集成运放应用注意事项 集成运算放大器类型很多，同一类型按其技术指标又分有许多型号。实际应用中，一定要根据需要认真的选型选号。元件确定后，还应进行参数测试以便掌握器件的实际数据与厂家给定的典型数据之间的差距，做到心中有数，这对缩短调试周期十分有益。集成运放在应用时，除了根据用途和要求正确选型之外，为了能达到使用要求和精度，避免在调试过程中损坏，在调试使用时还应注意以下问题。 ? 调零 失调电压、失调电流的存在，使得实际运放当输入信号为零时，输出不为零。为此，有些运放在引脚中设有调零端子，接上调零电位器可调零。 ? 消除自激 运放工作时很容易产生自激振荡，此时用示波器接在输出端，可看到输出信号上叠加了波形近似正弦的高频振荡，偶尔也有出现低频振荡情况。为了消除自激，有些集成运放在内部已做了消振电路，有些集成运放则引出消振端子，外接RC消振网络。在实际应用中，为了使电路稳定，有些电路分别在运放的正、负电源端与地之间并接上几十微法与0.01~0.1μF的电容，有些在反馈电阻两端并联电容。有些在输入端并联一个RC支路。 ? 保护措施 在使用过程中，由于电源极性接反、输入信号过大、输出端负载过重等原因会造成集成运放损坏。因此，除操作过程中加以注意外，还应在电路上采取一定的保护措施，如输入保护、输出保护和电源极性错接保护。 2.3.2 专用集成电路运算放大器 反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种运放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通用型运放，各种参数指标都不算太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特殊要求的场合。特殊类型的集成运放，在某一个或几个参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户可以从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满足某些方面的特殊要求。 1. 高输入阻抗型 9这种类型的集成运放差模输入电阻往往大于10Ω，输入偏置电流通常为皮安数量级。故又称为低输入偏置电流型。 实现这些指标的主要措施，一般是利用FET输入阻抗高、BJT电压增益高的优点，由BJT与FET相结合而构成差分输入级电路，常称为BiFET型。 其典型产品有5G28、F3140、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。目前，高输入阻抗型运放广泛用于生物医学电信号测量的精密放大电路、有源滤波器、取样-保持放大器、对数和反对数放大器和模数、数模转换器。 2. 高精度、低漂移型 ,V/,T,2,V/:CIO要求集成运放具有很低的漂移量和很高的精度。一般、 ,I/,T,200pA/:CA,120dBK,110dBIOVOCMR、、。 大多选用匹配特性优良的差动对管，还采用热匹配设计和低温度系数的精密电阻。在工艺上采用精密的光刻和离子注入工艺，尽可能地提高对管的匹配性。典型产品有LH0044、AD707、OP-77、OPA177等。另外，还有的运放采用了调制型的斩波稳零技术，以得到更低的漂移特性。其产品有ICL7650、AD508、 OP-27等。这种类型的运放，一般用于毫伏量级或更低的微弱信号的精密检测、精密模拟计算、高精度稳压电源及自动控制仪表中。 3. 高速型 BW,10MHS,30V/,sGZR高速运放一般要求转换速率，单位增益带宽。主要应用在高速数据采集系统、高速A?D和D?A转换器，高速锁相环及视频放大系统中，性能优良的高速运放转换速率已 ,A可达到几千伏?微秒。高速型运放的典型产品有715、LH002、AD845、AD9618、SL541等。 4. 低功耗 要求其功耗为微瓦数量级。电流几十微安，电源电压在几伏以下。典型产品有CA3078、mPC253、ICL7641等。一般应用于对能源有严格限制的遥测、遥感、生物医学和空间技术研究的设备中。 5. 大功率 大功率型集成运放的电源电压为正负几十伏，输出电流几十安培，输出功率为几十瓦左右。典型产品有LH0021、MCEL165、HA2645、LM143、ICH8515等。 2.3.3模拟比较器和振荡电路 1. 比较器 电压比较器是一种常见的模拟信号处理电路，它将一个模拟输入电压与一个参考电压进行比较，并将比较的结果输出。比较器的输出只有两种可能的状态:高电平或低电平，为数字量;而输入信号是连续变化的模拟量，因此比较器可作为模拟电路和数字电路的“接口”。由于比较器的输出只有高、低电平两种状态，故其中的运放常工作在非线性区。从电路结构来看，运放常处于开环状态或加入正反馈。 根据比较器的传输特性不同，可分为单限比较器、滞回比较器及双限比较器等。 ? 单限比较器 单限比较器是指只有一个门限电压的比较器。 (a)电路图 (b)传输特性 图2-28 单限比较器电路和其传输特性 比较器输出电压由一种状态跳变为另一种状态时，所对应的输入电压通常称为阈值电压或门限电 uu,uTHTHREF压，用表示。可见，这种单限比较器的阈值电压。 u,0u,0REFTH若，即运放反相输入端接地，则比较器的阈值电压。这种单限比较器也称为过零比较器。利用过零比较器可以将正弦波变为方波. ? 滞回比较器(迟滞比较器) 单限比较器电路简单，灵敏度高，但其抗干扰能力差。如果输入电压受到干扰或噪声的影响，在门限电平上下波动，则输出电压将在高、低两个电平之间反复跳变，如图2-29所示。若用此输出电压控制电机等设备，将出现误操作。为解决这一问题，常常采用滞回电压比较器。滞回电压比较器通过引入上、下两个门限电压，以获得正确、稳定的输出电压。电压比较器有两个门限电平，故传输特性呈滞回 形状 。 滞回电压比较器用于控制系统时主要优点是抗干扰能力强。当输入信号受干扰或噪声的影响而上下 ,UU,,波动时，只要根据干扰或噪声电平适当调整滞回电压比较器两个门限电平和的值，就可以避免 比较器的输出电压在高、低电平之间反复跳变。 (a)电路图 (b)传输特性 图2-29 反相滞回电压比较器 ? 双限比较器(窗口比较器) uuiREF简单的比较器仅能鉴别输入电压比参考电压高或低的情况，窗口比较电路是由两个简单比较 u,u,u,，u，u,uiREFiREFREFREF器组成，如图2-30所示，它能指示出值是否处于和之间。如，窗 u，uu,,u，u,uOiREFREFiom口比较器的输出电压等于运放的正饱和输出电压()，如果或，则输出u,uOom电压等于运放的负饱和输出电压()。 (a)电路图 (b)传输特性 图2-30 由两个简单比较器组成的窗口比较器 综上所述，电压比较器的基本特点为: [1] 工作在开环或正反馈状态。 [2] 开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。 [3] 非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。 2. 振荡电路 振荡电路即信号产生电路，可分为正弦波振荡和非正弦波振荡两大类。 ? 正弦波振荡电路 [1] 正弦波信号振荡电路的产生条件 正弦波振荡电路是一个没有输入信号的带选频环节的正反馈放大电路。正反馈一般表达式: ，A，A,f，，1,AF , 正弦波振荡的平衡条件 作为一个稳态振荡电路，相位平衡条件和振幅平衡条件必须同时得到满足。振幅平衡条件: ，，AF,1，相位平衡条件:, AF = ,A+, F= ,2n, , 正弦波振荡的起振条件 ，，AF,1 [2] 正弦波信号振荡电路的组成 一个正弦波振荡器主要由放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅电路组四个部分组成。 [3] 正弦波振荡电路的分类 根据选频网络构成元件的不同，可把正弦信号振荡电路分为如下几类:选频网络若由RC元件组成，则称振荡电路;选频网络若由元件组成，则称振荡电路;选频网络若由石英晶体构成，则称RCLCLC 为石英晶体振荡器。 采用RC选频网络构成的RC振荡电路，一般用于产生1Hz,1MHz的低频信号。 LC振荡电路产生频率高于1MHz的高频正弦信号。根据反馈形式的不同，LC正弦波振荡电路可分为互感耦合式(变压器反馈式)、电感三点式、电容三点式等几种电路形式。 用石英晶体构成的正弦波振荡电路的基本电路有两类:一类是石英晶体作为一个高Q值的电感元件，和回路中的其他元件形成并联谐振，称为并联型晶体振荡电路;另一类是石英晶体作为一个正反馈通路元件，工作在串联谐振状态，称为串联型晶体振荡电路。 图2-31 LC振荡电路 图2-32 晶体振荡电路 ? 非正弦波振荡电路 在自动化、电子、通信等领域中，经常需要进行性能测试和信息的传送等，这些都离不开一些非正弦信号。常见非正弦信号产生电路有矩形波、三角波、锯齿波产生电路等。 [1] 矩形波产生电路 矩形波产生电路可以直接产生矩形波或方波信号，如图2-33所示。 矩形波产生电路是数字系统常用的一种信号源， 由于方波或矩形波中包含着极丰富的谐波分量， 因此这种电路又称为多谐振荡器。 T1 qT叫做占空比， 习惯上将占空比为50%的一般将中矩形波高电平持续的时间与信号周期的比值 矩形波称为方波。 图2-33 矩形波产生电路工作原理图 [2] 锯齿波产生电路 积分电路可将方波变换为线性度很高的三角波，如图2-34所示。 通常积分器产生的三角波幅值随方波输入信号的频率变化。正是为了克服这一缺点，才将积分电路的输出送给迟滞比较器的输入，再将它输出的方波送给积分电路的输入，从而得到质量较高的三角波。锯齿波与三角波的区别是:三角波的上升和下降的斜率(指绝对值)相等，而锯齿波的上升和下降的斜率不相等(通常相差很多)。锯齿波常用在示波器的扫描电路或数字电压表中。 如果有意识地使C的充电和放电时间常数造成显著的差别，则在电容两端的电压波形就是锯齿波。 图2-34 频率和幅度均可调节的锯齿波发生电路 2.4直流电源 2.4.1 直流电源的组成 直流稳压电源:把交流电压变成比较稳定的直流电压的电路，简称直流电源，组成框图如图2-35所示。它一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分构成。 图2-35直流稳压电源的组成框图 ? 电源变压器:将交流电网电压变为所需要的交流电压范围，并对直流电源与电网起隔离作用。 ? 整流电路:将变压器转化后的交流电压变为脉动的直流电压。整流元件为二极管。 ? 滤波电路:将脉动直流电压转变为平滑的直流电压，即滤除直流电压中的纹波成分。滤波元件 有电容和电感，滤波电容应与负载并联，滤波电感应与负载串联。 稳压电路:清除电网波动及负载变化的影响，保持输出直流电压的稳定。稳压电路主要有线性? 稳压电路和开关型稳压电路两种。小功率电源多用线性调整型稳压电路，其中三端集成稳压器 应用广泛。大功率电源多采用开关型稳压电路，一般采用脉宽调制实现稳压。开关型稳压电路 又分串联型和并联型，由于并联型开关稳压电路易实现多组电压输出和电源与负载间电气隔离， 因而应用较广泛。 2.4.2 串联型晶体管稳压电路 图2-36为串联晶体管稳压电路框图，由图可知该电路有采样电路(取出输出电压的一部分，为电阻网络。)、基准点压电路(可由稳压管稳压电路组成)、比较放大电路(可以是单管放大电路，差动放大电路，集成运算放大器。)和电压调整电路(调整元件与负载串联，通过全部负载电流。可以是单个功率管，复合管或几个功率管并联。)四部分构成。 RRD12Z图2-37为带放大环节的串联晶体管稳压电路，在图中，分压电阻、组成采样电路，稳压管 RVRV3241和限流电阻组成基准点压电路，晶体管和构成比较放大电路，工作于线性状态的晶体管构成 R，R12U,(U，U)OZBE2URRRO122了电压调整电路。输出电压为,改变或的大小，就可调节输出电压。 图2-36 串联型稳压电源电路框图 图2-37 有放大环节的串联晶体管稳压电路 2.4.3 集成稳压器 如果将调整管、比较放大电路、基准电源、取样电路及连接导线等制作在一片硅片上，就构成了集成稳压电路。其中，三端集成稳压器因其体积小、性能稳定、价格低廉、使用方便， 目前得到了广泛应用。 所谓“三端”，就是该集成稳压器只有三个引出端，因而能以最简方式接入电路。三端集成稳压器按功能分为固定式和可调式两类。 1. 三端固定集成稳压器 三端固定集成稳压器包含7800和7900两大系列，7800系列是三端固定正输出稳压器，7900系列是三端固定负输出稳压器。它们的最大特点是稳压性能良好，外围元件简单，安装调试方便，价格低廉，现已成为集成稳压器的主流产品。7800系列按输出电压分有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等品种，按输出电流大小分有0.1A、0.5A、1.5A、3A、5A、10A等产品;7900系列按输出电压分也有-5V,-24V七种，按输出电流大小分有0.1A、0.5A、1.5A三种规格。具体型号及电流大小可参阅相关技术文件。例如型号为7805的三端集成稳压器，表示输出电压为5V，输出电流可达1.5A。 7900与7800的外形相同，但管脚排列顺序不同。利用三端固定集成稳压器可以方便的构成正、负对称固定输出的稳压电源，图3-38即为利用CW7815和CW7915组成的?15V输出、电流1.5A的稳压电源。 图2-38 正、负对称固定输出的稳压电源 2. 三端可调集成稳压器 三端固定输出集成稳压器主要用于固定输出标准电压值的稳压电源中。虽然通过外接电路元件，也可构成多种形式的可调稳压电源，但稳压性能指标有所降低。集成三端可调稳压器的出现，可以弥补三端固定集成稳压器的不足。它不仅保留了固定输出稳压器的优点，而且在性能指标上有很大的提高。它分为CW117、CW217、CW317(正电压输出)和CW137、CW237、CW337(负电压输出)两大系列，每个系列又有100mA、0.5A、1.5A、3A„等品种。 CW317、CW337系列三端可调稳压器使用非常方便，只要在输出端上外接两个电阻，即可获得所要求的输出电压值。它们的标准应用电路如图2-39所示，其中图2-39(a)是CW317系列正电压输出的标准 电路;图2-39(b)是CW337系列负电压输出的标准电路。 D1D11N40071N4007 3322LM317LM337-U0UiU0-UiD2D211R1R1 1N4007120Ω1N4007120Ω0.1μF0.1μFC3C3C1+C1 +10μF+10μFC2C2R2R2+10μF10μF (a)(b)(a) CW317系列三端可调稳压器典型应用电路 (b) CW337系列三端可调稳压器典型应用电路 图2-39 三端可调集成稳压器的典型应用 在图2-39 (a)电路中，输出电压的表达式为: RR6,22UR,1.25，(1，)，50，10，,1.25，(1，)O2RR11 式中第二项是CW317的调整端流出的电流在电阻R上产生的压降。由于电流非常小(仅为50,A)，2 故第二项可忽略不计。 在空载情况下，为了给CW317的内部电路提供回路，并保证输出电压的稳定，电阻R不能选的过1大，一般选择R=100,120,。调整端上对地的电容器C用于旁路电阻R上的纹波电压，改善稳压器输221 出的纹波抑制特性。一般C的取值在10,F左右。 2 2.4.4开关电源 开关电源是一种高效率、高可靠性、小型化、轻型化的稳压电源，是电子设备的主流电源。广泛应用于生活、生产、军事等各个领域。各种计算机设备、彩色电视机等家用电器等都大量采用了开关电源。 开关电源按控制的方式分类，有脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,缩写为PWM)开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式;脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation,缩写为PFM)导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式;混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。 开关电源按开关电路与负载的连接方式划分有串联型和并联型。串联型开关稳压电路中开关调整管与负载串联连接，输出端通过调整管及整流二极管与电网相连，电网隔离性差，且只有一路电压输出。并联型开关稳压电路中输出端与电网间由开关变压器进行电气上的隔离，安全性好，通过开关变压器的次级可以做到多路电压输出，但电路复杂，对开关调整管要求高。图2-40为串联式开关电源的组成框图，包括开关调整管、滤波电路、脉冲调制电路、比较放大器、基准点压电路和采样电路几部分。 图2-40 开关电源的组成框图 高频模拟电子电路 高频小信号谐振放大电路是工作在线性区且具有选频功能的放大电路，也称为小信号选频放大电路。这类电路常用于需要对某一特定频率或频段信号进行放大的电路中，如收音机的中频放大电路，电视机的高频、中频以及视频放大电路等。 1. 小信号谐振放大电路组成及各元件功能 图2-41高频小信号谐振放大器 图2-41所示的是一典型的高频小信号谐振放大器的实际电路。它由共发射极组态的晶体和并联谐振 RRRCCb1b2bee回路组成。其直流偏置是由、、来实现的。、为高额旁路电容，对于高频交流通道相 .. bcUUioT当于短路(输入信号相当于加在晶体管的、之间，而放大器的输出电压是下一级放大器的 fR0L输入电压。图中LC谐振电路起选频作用，同时将放大的信号耦合给负载。当信号频率在谐振频率 f0附近时，LC谐振电路的阻抗较大，使得放大电路的放大倍数较高。当信号频率远离谐振频率时，LC谐振电路的阻抗较小，使得放大电路的放大倍数很小。故使放大电路具备了选频特性。 2. 主要性能指标 ，AfV00表征高频小信号谐振放大器的主要性能指标有谐振频率、谐振电压放大倍数、放大器的通频 KBW,0.1带及选择性(通常用矩形系数来表示)等。 ff00? 谐振频率:放大器的谐振回路谐振时所对应的频率称为谐振频率。对于图2-35所示电路， f0的表达式为 1f,02,LC, (2.4.1) C,其中:L为谐振回路电感线圈的电感量。为等效的回路总电容 22C,C，pC，pC,oeie12 (2.4.2) CCoeie为晶体管的输出电容。为晶体管的输入电容。 ，，，AAAV0V0V0? 电压放大倍数:放大器的谐振回路谐振时所对应的电压放大倍数。的表达式为: .,ppy,ppyUo1212fefe，A,,,,V0.22gg，pg，pg,12ooeieUi (2.4.3) ..yfeUUoi 要注意的是，本身是一个复数，所以谐振时输出电压与输入电压的相位差为 ..,,,180，,0,,fefeUU180oi)。只有当工作频率较低时，与的相位差才等于。 ( BWf0.7L? 通频带:定义为放大器的增益比最大增益下降3dB时的上限截止频率与下限截止频率 f0BWff,,,0.7LHQfQLHL之差，用表示。其中:为谐振回路的有载品质因数。 R,Q,,R,CL,0,L,0 (2.4.4) KBW0.1,0.1? 矩形系数:定义为谐振放大器相对电压增益下降到0.1时的频带宽度与放大器的通 BW0.1K,,0.1BWBW0.70.7频带之比，即。 第3章 数字逻辑电路设计 数字系统是由各种具有一定逻辑功能的逻辑电路组成的，例如电子钟、电子表都是数字系统，我们常用的计算机也是一个典型的数字系统。。数字逻辑主要研究使用数字量进行逻辑处理。逻辑电路的输入是数字量，数字量在电路中进行“与”、“或”、“非”等逻辑运算，逻辑处理后的数字量可以被传输和存储。研究数字逻辑系统是从分析和设计两个方面进行的。分析研究是使用分析方法得到数字逻辑电路的逻辑功能;设计研究是使用设计方法设计满足要求的数字逻辑电路。数字逻辑电路包括组合逻辑电路与时序逻辑电路。时序逻辑电路又分为同步时序逻辑电路与异步时序逻辑电路，时序逻辑电路具有记忆功能。 本节简要介绍数字逻辑电路分析和设计的基本理论和方法，帮助读者对数字逻辑电路有一个较为完整的认识。同时，出于篇幅考虑本章省略了有关布尔代数运算的基本知识，对于这部分知识。请读者自行参阅相关数字电路与数字逻辑的书籍加以了解。 2.5 逻辑门电路(Logic Gate) 逻辑门电路是指能够实现基本逻辑运算的电路，简称为门电路，它们是组成效字电路的基本单元。通常的逻辑门电路有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门、同或门等。了解逻辑门电路的内部结构、工作原理和外部特性，对数字逻辑电路的分析和设计是十分必要的，尤其是外部特性。 我们知道，晶体管常作为开关元件使用(例如晶体二极管、三极管等)，工作于开关状态。在数字电路中，我们用二值逻辑中的“1”和“0”来表示这两种开关状态，通常规定低于某电平的信号为逻辑低电平(Low Level)，用“0”来表示;高于某电平的信号为逻辑高电平(High Level)，用“1”来表示。这种表示方法称之为正逻辑(Positive Logic)，反之，则称之为负逻辑(Negative Logic)，本章除了特别说明外，均采用正逻辑表示。 由电阻、二极管和三极管等分立元件构成的门电路成为分立元件门电路。伴随着半导体技术和集成制造工艺的发展，现在普遍采用的集成逻辑门电路，其优点在于体积小、功耗低以及传输速率和可靠性的显著提高。 2集成电路按集成度可分为小规模集成电路SSI(Small Scale Integration，小于10个元件数)、中规模 2334集成电路MSI(Medium Scale Integration，10~10个元件数)、大规模集成电路LSI(10~10个元件数)以及超大规模集成电路VLSI(大于104个元件数)等。目前集成电路集成规模取得了飞速发展，如图2-42所示。 图2-42 集成电路规模 目前生产和使用的集成电路种类很多，按照所用的半导体器件不同，可分为双极型逻辑门电路和单极型逻辑门电路两大类，如图2-43所示。其中，应用最为广泛的是TTL(Transistor-Transistor Logic)电路和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)电路。TTL电路具有中等开关速度，电路驱动力较强，缺点是功耗偏大;CMOS电路工艺简单、功耗低、集成度高，缺点是速度偏慢。然而，随着高 速CMOS的出现，CMOS在大规模集成电路中逐步显示出更加明显的优势。 DTL (Diode-Transistor Logic) 双TTL (Transistor-Transistor Logic)数极DTL (Emitter-Coupled Logic)字型2IL (Integrated Injection Logic)集 成NMOS (N-channel Metal-Oxide-Semiconductor)M电OPMOS (P-channel Metal-Oxide-Semiconductor)路S 型CMOS (Complement Metal-Oxide-Semiconductor) 图2-43 数字集成电路按半导体器件分类 2.5.1 常用逻辑门电路符号 简单逻辑门电路是指具有单一逻辑功能的门电路，如“与”门、“或”门和“非”门等，它们是最基本的逻辑器件，其国际符号如图2-44所示。 &?11FFF AND OR NOT 图2-44 “与”、“或”、“非”门电路国际符号 复合逻辑门电路是指具有两种或两种以上逻辑功能的门电路，如“与非”门、“或非”门、“异或” -45所示。 门和“同或”门等，如图2 &?1=1=1FFFF NAND NOR XOR XNOR 图2-45 “与非”、“或非”、“异或”、“同或”门电路国际符号 在实际数字系统中，除了以上介绍的复合门外，还有“三态”门(Three-State Logic)，它是在普通门电路的基础上，附加了使能控制端构成的。它有三种输出状态:0、1和高阻态。高阻态是一种隔离状态，这是“三态”门所特有的。其基本用途是在数字系统中构成总线(BUS)驱动电路。 2.5.2 TTL集成门电路 TTL集成门电路属于小规模集成电路范畴，基本电路形式是TTL与非门。常见的有TTL7400与非门、TTL7402或非门、TTL7404非门。以TTL与非门7400为例的电路图如图2-46(a)所示，引脚图如图2-46(b)所示。 Vcc141312111098 && && 1234567GND (a)电路图(1/4) (b)引脚图 图2-46 TTL与非门7400 当输入中至少有一个为低电平(0.3V)时，输出为高电平(3.6V)。由于T5截止，电路的这一电路工作状态称为截止状态。 当输入中全为高电平(3.6V)时，输出为高电平(0.3V)。由于T5导通，电路的这一电路工作状态称为导通状态。 TTL与非门74LS00的主要参数包括3个部分: 工作条件:说明了器件正常工作的电源电压、输入电压范围、直流输出负载和允许的环境温度等。 电气特性:在推荐工作条件下，测得器件的输入和输出端的各种直流电压和电流值。 开关特性:V=5V，T=25?的工作条件下的传输延迟时间。对于一般TTL门电路来说，其传输延CCA 迟时间约为10ns。 另外，通过对比输出端高、低电平电流的最大值(I、I)，可以看出TTL吸收电路能力远OH(max)OL(max) 远大于释放电流能力，也就是通常所说的带灌电流负载能力大于带拉电流负负载能力。 更多特性及参数(如抗干扰能力、带负载能力、功耗、速度等)请参阅相关书籍及手册。 对于一般的TTL门电路，如7400与非门，能否将两个门的输出端连接在一起呢,一般是不能的。否则，输出电平既非“1”(3.6V)，也非“0”(0.3V)，而是两者之间的某一值，将导致逻辑功能混乱。 下面介绍两种允许输出端连接在一起的TTL门电路。 1. 集电极开路门电路(OC门) 集电极开路门电路(Open-Collector Gate)，简称OC门。 集电极开路门电路的电路逻辑符号如图2-47(a)所示。必须指出的是，OC门只有在外接负载电阻和电源后才能正常工作。 +Vcc R&A&AVoBB (a) (b) +Vcc +VccR&AL1LRB &LA&C2 BD (c) (d) 图2-47 OC门逻辑符号及其主要应用 OC门主要有以下三个方面的应用: 实现电平转换:如图2-47(b)所示，当A、B输入全为高电平(3.6V)时，输出低电平(0.3V);当A、B输入有低电平时，输出高电平为V，调整V的值就实现了逻辑电平的转换。 CCCC 驱动显示器件和执行机构:可以用OC门直接驱动发光二极管，如图2-47(c)所示，只要适当选择R和V的值，当A=1时，点亮发光二极管。OC门还用来控制其他显示器件。 CCC 实现线与功能:将若干个OC们的输出端连接在一起，再外接一个公共电阻R，如图2-47(d)所p L,AB，CD示，输出变量L实现了对输入变量A、B、C、D的与或非，。 2. 三态门电路(TSL门) 三态门(Three-State Logic)，简称TSL门，如图2-48所示。是在普通门电路的基础上，附加了使能控制端构成的。它有三种输出状态:0、1和高阻态。高阻态是一种隔离状态，这是“三态”门所特有的。其基本用途是在数字系统中构成总线(BUS)驱动电路。 AA&&BBENEN 使能端高电平有效 使能端低电平有效 图2-48 的“三态”门国际电路符号 目前TTL电路主要有以下不同系列，如图2-49所示: 74 Series ALSF 74S Series74AS SeriesFast Schottky Low Power74LS Series74ALS Series74F SeriesAdvanced 图2-49 TTL器件系列 74系列:标准TTL系列，相当于国内CT1000系列。功耗P=10mW，传输延迟t= 9ns。 CCpd74L系列:低功耗TTL系列，电路形式与74系列先当，P降低，但牺牲了平均传输延迟时间。 CC 74H系列:高速TTL系列，相当于国内CT2000系列。内部采用“达林顿”结构，t减少，但牺牲pd了一定的功耗。 74S系列:肖特基TTL系列，相当于国内CT3000系列，采用了“抗饱和”方法，t= 3ns是各TTLpd系列中最小的，P=19mW。 CC 74LS系列:低功耗肖特基TTL系列，相当于国内CT4000系列。74LS系列的P=2mW，t= 9ns，CCpd其功耗延迟积最小，具有很好的综合性能。 除此之外，TTL还有以“54”开头的系列，即军用级产品，其参数基本相同，只是检测、筛选方法和标准不同，54系列具有更宽的工作电压范围和工作环境温度范围，例如，74TTL系列的工作环境温度范围为0,70?，而54TTL系列的工作环境温度范围为–55,125?。 2.5.3 集成MOS门电路 20世纪80年代中期，MOS(Metal Oxide Semiconductor)电路问世，根据其结构的不同，分为NMOS、PMOS、CMOS电路。CMOS电路的发展，大大提高了MOS电路的性能和通用性。目前，大规模集成电路LSIC(Large Scale Integrated Circuit)，如微处理器和存储器，大多是CMOS电路，并且一度广泛采用TTL逻辑逻辑设计的中、小规模应用场合，现在也都采用CMOS电路。CMOS电路的速度越来越快，功耗越来越低。CMOS集成电路已经占领了大部分集成电路的市场。限于篇幅所限，这里只概述性的介绍一下CMOS门电路，其具体结构及工作原理请读者参阅相关书籍。 1. CMOS门电路的特点 CMOS门电路主要有CMOS反相器、CMOS非门(COMS最基本单元)、CMOS与非门、COMS或非门、COMS三态门、COMS传输门等等。 2. CMOS门电路的优点 静态功耗极小，每门功耗达纳瓦数量级; 开关速度比NMOS、PMOS高，比较接近TTL开关速度; 抗干扰能力强; 电源利用率高，承受电源电压变化范围大; 带负载能力强，扇出系数大。 3. CMOS门电路的缺点 工艺较复杂，在同一块硅片上做出两种沟道的MOS管，对工艺有较高要求; 集成度比单沟道低，需占用较大硅片面积。 4. CMOS门电路的种类 早期CMOS器件是4000系列，其工作速度较低，且不易与当时流行的逻辑设计——双极型TTL电路相匹配，使用范围受到了限制。高速CMOS(HC和HCT系列)与4000系列相比具有较高的工作速 Bipolar-CMOS)电路的度，较强的负载能力，具有十分广泛的应用领域。Bi-CMOS是双极型CMOS( 简称，这种门电路的特点是逻辑部分采用CMOS结构，输出级采用双极型三极管，因此兼有CMOS电路的低功耗和双极型电路输出阻抗低的优点。 高速CMOS门电路主要也有74系列和54系列，含义与前面所述的TTL电路基本相同。74系列的工作环境温度范围是–40,85?，54系列的工作环境温度范围是–55,125?，当然54系列的市场价格也更高。 这里简要介绍两个74系列的CMOS门电路:HC(High-speed CMOS)和HCT(High-speed CMOS，TTL Compatible，与TTL兼容的高速CMOS)。HC系列只适用于CMOS逻辑的系统中，不能与TTL门电路兼容，主要由于HC门电路与TTL门电路的输入输出的高低电平范围差异较大。而HCT系列门电路可直接与TTL门电路相互转换，CMOS器件系列入图2-50所示。 4000 SeriesACHT 74C SeriesHIGH Speed TTL Interface CMOS Interface74HC/HCT SeriesAdvanced 74HC/HCT Series74HC/HCT Series74HC/HCT Series74HC/HCT Series 图2-50 CMOS器件系列 随着工业需求以及IC制造工艺的发展，产生了低工作电压CMOS门电路。由于MOS管的栅极与源极、漏极之间的绝缘氧化层变薄，以致不能隔离5V的电压;同时考虑到功耗的需求，使得CMOS门电路向低工作电压发向发展。联合电子器件工程委员会(JEDEC)规定3.3V?0.3V、2.5V?0.2V、1.8V?0.15V作为今后CMOS门电路的标准逻辑电源电压，同时也制定了在这些电源标准下的器件输入、输出逻辑电平值。 5. CMOS门电路与TTL门电路的主要性能比较 表2-2中列出了CMOS门电路与TTL门电路的主要几个参数的大致性能比较，，更为详尽的特性参数，使用时，请根据所选用的具体器件参考相关手册。 表2-2 CMOS门电路与TTL门电路的主要性能比较 每门功耗每门传输延时扇出数逻辑摆幅?V电源电压 抗干扰能力 (mW) (ns) (N) (V) (V) TTL 2-20 5-10 中 5-20 3.3 5.0 CMOS 纳瓦级 10-50 强 ,50 ?V 3-15 DD 2.5.4 集成逻辑门的逻辑电平匹配 TTL门的高电平最小值为2.4V，低电平最大为0.7V，阈值电压为1.4V;CMOS门在电源为5V时，高、低电平分别为5V和0V，阈值电压为2.5V。从电平来看，CMOS门可以直接驱动TTL门;但TTL门输出高电平低于CMOS门的阈值电压，因此TTL门驱动CMOS门时，必须提升TTL门高电平，使其大于CMOS门的阈值电压。例如: 1. 当CMOS门电源电压为5V时，在连接到电源出接入一个几千欧的电阻，将其输出电平“上拉”到 5V; 2. 当所要求的输入高电平超过TTL电路输出端所能承受的电压时，可采用TTL型OC门进行电平转 换 3. 可使用各类带电平偏移的门电路来满足CMOS门对输入高、低电平的要求。 2.6 组合逻辑电路设计(Combinational Logic Circuit) 本节首先介绍了组合逻辑电路的基本概念后，阐述了小规模集成电路(SSI)构成组合逻辑电路的一般分析和设计方法，之后介绍半加器、全加器、编码器、译码器、数据选择器等典型常用中规模集成电路(MSI)及其具体的应用。 2.6.1 组合逻辑电路的基本概念及特点 组合逻辑电路在任何时刻产生的稳定输出“0”或“1”仅取决于该时刻各个输入端的取值组合，而与过去的输入端的取值无关。不同形式结构的组合逻辑电路可用图2-51表示，A端与F端分别表示组合逻辑电路的输入端与输出端。 AF11 ..AF22..组合逻辑电路.. FAnn 图2-51 组合逻辑电路框图 生活中组合电路的实例(电子密码锁，银行取款机等) ? 电路结构:由逻辑门电路组成。 ? 电路特点:没有记忆单元，没有从输出反馈到输入的回路。 组合电路的描述方法主要有逻辑表达式、真值表、卡诺图和逻辑图等。 2.6.2 组合逻辑电路的分析方法 组合逻辑电路的分析是根据实际给定的组合逻辑电路，找出输入之与输出值之间的逻辑关系，从而得到该组合逻辑电路的功能，完成这个任务的关键是写出输出对输入的逻辑表达式(一般为最简与或表 达式)，进而列出其真值表。 组合逻辑电路分析的一般步骤如下: ? 根据所给的逻辑电路图，写出输出函数逻辑表达式; ? 对输出逻辑函数表达式进行化简; ? 根据一些已写出的输出逻辑函数表达式，列出其真值表; ? 由真值表或逻辑函数表达式分析逻辑电路功能，并对逻辑电路进行评价。 例3-1 分析图2-52所示的组合逻辑电路，叙述它的逻辑功能。 &C& A&&&&F&SBA&C B&& (a) (b) 图2-52 例3-1逻辑图 解:首先分析图2-52(a)所示的组合逻辑电路 第一步:写出输出逻辑函数表达式 F(A,B,C),AABC BABC CABC 第二步:化简逻辑函数表达式 F(A,B,C),AABC BABC CABC,A，ABC，B，ABC，C，ABC 　　　　　　,ABC，(A，，B，C),ABC，ABC 3第三步:列出组合逻辑电路的真值表，如表2-3所示，该逻辑函数有3个变量，共有2个输入值的 组合，将每一种组合代入到化简后逻辑函数表达式中，得出输出F的值。 表2-3 图2-52(a)组合逻辑电路真值表 A B C F 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 第四步:分析逻辑电路功能 由表2-3可以看出，当输入变量A、B、C的取值全为“0”或全为“1”时，逻辑电路输出值为“1”，当输入为其他组合时，输出为“0”。也就是说，当电路的输入变量取值相同时，输出为“1”，取值不同时，输出为“0”。因此。该电路的功能是判断三个输入变量是否一致的逻辑电路。 同样的方法可以分析图2-52(b)所示的组合逻辑电路，其真值表如表2-4所示。 可以看出，若把A、B作为两个二进制数相加，则输出S是A、B两个数值相加的“和”，而输出C 则是它们相加后产生的“进位”，具有这种逻辑功能电路称之为半加器。 表2-4 图2-52(b)组合逻辑电路真值表 A B S C 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 2.6.3 组合逻辑电路的设计方法 组合逻辑电路的设计问题通常是这样的一类问题:已知一定的逻辑功能，要求给出能够实现该逻辑问题或逻辑功能的“最优”逻辑电路，并用相应的门电路予以实现。 这里所谓的“最优”逻辑设计，往往不能用一个或几个简单指标来描述。在用SSI器件设计时，利用前面介绍的逻辑函数简化和变换等方法，追求的目标是最少逻辑门和最少的器件种类等，以达到最稳定、最经济的指标，是比较成熟和经典的设计方法。而采用中、大规模集成电路来进行设计时，则不再追求最少门数和器件种类，而转为追求集成块数量的减少。 组合逻辑电路设计的一般步骤为: ? 根据组合逻辑电路的功能要求列出真值表，并确定输入、输出端的逻辑变量个数; ? 根据真值表求出输出逻辑函数表达式; ? 对输出逻辑函数表达式进行化简(代数法或卡诺图法); ? 根据最简输出逻辑函数表达式画出逻辑图; ? 实验验证。 组合逻辑电路设计的一般要求: ? 电路用最少的逻辑门(成本低) ; ? 最少的输入端数; ? 芯片间的连线最少(可靠性高); ? 满足速度要求，应使级数尽量少，以减少门电路的延迟。 2.6.4 组合逻辑电路设计中应注意的问题 上面介绍的是组合逻辑的一般设计方法，实际遇到的问题往往比较复杂。下面是设计过程中在处理输入输出端时必须注意的问题。 1(输入端的限制问题(扇入问题) ? 集成门电路多余输入端，例如: 对于与门、与非门的多余输入端应接UDD或接高电平或通过1,10Ω的电阻接电源，如图2-53 (a)、(b)所示; 如前级驱动能力允许，可将闲置输入端与当前使用的输入端并联，如图2-53(c)所示; VccVcc 1KΩ A&&&YYYAABBB (a) (b) (c) 图2-53 对于或门、或非门的多余输入端应接地或接低电平，对与或非门中不使用的与门至少有一个输 入端接地，如图2-54所示。 A?1&AB?1YBCY 图2-54 ? 电路提供的输入端少于实际需要的输入端 当集成电路的输入端少于实际电路需要的输入端数目时，通常采用分组的方法进行解决。 (扇出问题 2 在设计电路时，一个门电路的输出端允许接到多个下级负载门的输入端，但可能存在一个门电路的输出超过其负载能力(负载一般是同系列的门电路)，这类问题通常叫做扇出问题，它是反映门电路负载能力的重要指标。 解决这种问题通过可通过两种方法来解决:一种是采用扇出系数大的门作为输出(器件手册中称为带缓冲的门)，这种门的扇出可达20个，可以满足一般要求。另一种方法是采用分组的方法增加驱动能力。 例3-2 普通抽水电动机一般采用220V的交流电,现以双向可控硅作为抽水电机的控制开关。设计一个简便、廉价的组合逻辑控制电路，使抽水电机自动进行抽水，如图2-55所示， 图2-55 抽水机控制图 工作过程如下: 1. 当水池里没有水时，A 和B两个探测头都和O探头不相通，则电动机接通电源进行抽水。 2. 当水池里的水浸到A探头而未浸到B探头时，由于水里含有少量的电解质,会导电，所以A、O 相通。此时控制电路就要分析当时抽水机是处在“抽水”状态还是在“非抽水”状态;如果当 时是“抽水”状态，则继续抽水;如果当时是“非抽水”状态，则不抽水。 3. 当水池里的A、B、O三个探头都浸到水时，A、B探头都和O探头相通，则控制电机停止抽水。 解:首先根据其工作过程列出该控制电路的功能表(见表2-5)及真值表(见表2-6) 表2-5 控制电路的功能表 探头A 探头B 电路原态 电路现态 不浸 不浸 不抽 抽水 浸水 不浸 抽水 抽水 浸水 不浸 不抽 不抽 浸水 浸水 不抽 停止 不浸 浸水 不会出现 表2-6 真值表 A B Q Q nn + 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 无 无 设以Q为控制电路的原来状态，Q为电路的现在状态。从真值表可以看出，控制电路在三种情nn + 1 况下为1，从而可以得出抽水自动控制电路的逻辑表达式: Q,ABQ，ABQ，ABQn，1nnn Q,BAQn，1n化简后得到: 将上述的逻辑表达式转化为逻辑电路图,我们就可以得到该控制电路的逻辑图。 2.6.5 基于MSI的组合逻辑电路设计 前面介绍的基于SSI的组合逻辑电路设计方法，一般只适用于实现一些逻辑功能较为简单的数字系统。对变量数较多)功能较复杂的系统，就显得不实际了。本节介绍几种常用的组合电路功能模块，这些功能模块都有其应对的商品化电路，属于中规模集成电路(MSI)，我们将研究由门电路实现这些功能模块的方法，并简要介绍如何由MSI模块构成更为复杂的电路。MSI的设计方法与SSI不同，通常做法是:根据系统的逻辑描述，选择一种或数种MSI功能部件来组成该系统，然后用SSI电路来完成辅助接口电路。 常用MSI组合电路模块 1. 编码器(Encoder) 由于数字设备只能处理二进制代码信息，因此在需要处理的任何信息(如数和字符等)时，必须将其转换成符合一定规则的二进制代码。编码器就是用代码表示特定信息的过程。完成编码功能的逻辑电路称为编码器。常用的编码器有:二进制编码器、二—十进制编码器及优先编码器等。例如: ? 二,十进制优先编码器74LS147，10线,4线优先编码器 ? 二,十进制优先编码器74LS148，8线,3线优先编码器 2. 译码器(Decoder) 在编码时，每一组代码都赋予了特定的含意，即表示一个确定的信息。而译码则是编码的逆过程，是把每一组代码的含义“翻译”出来的过程。完成译码功能的逻辑电路称为译码器。译码器的种类很多，但工作原理相似，设计方法相同。常见的译码器有二进制译码器、二—十进制译码器和数字显示译码器等。 优先编码器则允许多个输入信号同时要求编码。优先编码器的输入信号有不同的优先级别，多于一个信号同时要求编码时，只对其中优先级别最高的信号进行编码。因此，在编码时必须根据轻重缓急，规定好输入信号的优先级别。例如: ? 74LS138，3线,8线译码器 ? 74LS154，4线,16线译码器 ? 74LS247;CC14547，4线—7段译码显示器 3. 数据选择器(Multiplexer) 在数字系统中，经常需要从多路输入数据中选择其中一路送至输出端。完成这一功能的逻辑电路称为数据选择器(简称MUX)。通常把数据输入端的数目称为通道数。常见的数据选择器有二选一、四选一、八选一和十六选一等数据选择器。 例如: 74LS153;CC14539，双4选1数据选择器 ? ? 74LS151;CC4512，8选1数据选择器 4. 加法器(Adder) 能对两个1位二进制数进行相加而求得和及进位的逻辑电路称为半加器(HA)。 能对两个1位二进制数进行相加并考虑低位来的进位，即相当于3个1位二进制数的相加，求得和及进位的逻辑电路称为全加器(FA)。 实现多位二进制数相加的电路称为多位加法器。按照进位方式的不同，加法器分为串行进位加法器和超前进位加法器两种。串行进位加法器电路简单，高位数的相加必须等到低位运算完成后才能进行，因此速度较慢，超前进位加法器速度较快、但电路稍显复杂。例如: ? 74LS82，两位串行进位加法器 ? 74LS83，四位加法器 ? 74LS283，四位超前进位加法器 5. 数值比较器(Digital Comparator) 在数字系统中，经常需要比较两个数A和B的大小，数值比较器就是对两个位数相同的二进制数 A、B 进行比较，其结果有“A,B ”、“A,B ”和“A,B ”三种可能性。例如: 74LS85;CC14585，4位数值比较器 2.6.6 组合逻辑电路中的竞争冒险 组合电路中，若某个变量通过两条以上途径到达输入端，由于每条路径上的延迟时间不同，到达逻辑门的时间就有先有后，这种现象称为竞争。由于竞争，就有可能使真值表描述的逻辑关系受到短暂的破坏，在电路输出端可能产生尖峰脉冲,若后继负载电路是一个对脉冲敏感的电路，则可能在输出端产生误动作，这种现象称为冒险。 前面讨论的组合逻辑电路设计都是在理想情况下进行的，即都是在稳态(steady-state)情况下研究如何实现输入输出之间的逻辑关系，没有考虑瞬态(transient-state)的工作情况，即没有考虑电路中连线及逻辑门的延迟时间，也没有考虑电路中信号变化的过渡时间。事实上信号传输及电平变化都需要一定的响应和过渡时间，当有多个信号发生变化时，也可能有先后快慢的差别。因此，当考虑到这些实际因素后，在输入信号变化的瞬间就可能产生错误的输出。例如，图2-56所示电路，其逻辑功能为F,A +————A。不管为0或为1，稳态输出总为1。但是，当A由1,0变化时，非门输出A应由0,1，由于非门的 ——延迟，使A的变化滞后于A的变化。这样在或门的两个输出端上便会出现同时为0的一段时间，从而在输出端将出现一个短暂的0脉冲，即发生了瞬时的错误输出。这种窄脉冲俗称“毛刺”。组合电路出现毛刺这种错误现象称为组合电路的冒险。 A? 1AFA1 F 图2-56 组合逻辑电路中的竞争冒险现象 Y,A，A当逻辑函数中有形式出现，就会产生低电平窄脉冲，这种冒险称为“0”型冒险。 Y,A,A形式出现，就会产生高电平窄脉冲，这种冒险称为“1”型冒险。 当逻辑函数中有 消除冒险现象的方法 ? 加封锁脉冲。在输入信号产生竞争冒险的时间内，引入一个脉冲将可能产生尖峰干扰脉冲的门 封锁住。封锁脉冲应在输入信号转换前到来，转换结束后消失。 加选通脉冲。对输出可能产生尖峰干扰脉冲的门电路增加一个接选通信号的输入端，只有在输? 入信号转换完成并稳定后，才引入选通脉冲将它打开，此时才允许有输出。在转换过程中，由 于没有加选通脉冲，因此，输出不会出现尖峰干扰脉冲。 ? 接入滤波电容。由于尖峰干扰脉冲的宽度一般都很窄，在可能产生尖峰干扰脉冲的门电路输出 端与地之间接入一个容量为几十到一百皮法的电容就可吸收掉尖峰干扰脉冲。 ? 修改逻辑设计。 上述几种方法的适用场合、效果等仍有利有弊:如输出端接滤波电容虽方便易行，但会使输出电压波形变坏，因此仅仅适合于对信号波形要求不高的场合。引入选通信号的方法，虽然比较简单，一般不需要增加电路元件，但选通信号必须与输入信号维持严格的时间关系，因此，选通信号的产生实际上也并不容易。 2.7 时序逻辑电路设计(Sequential Logic Circuit) 时序电路通常包含组合电路和存储电路两个组成部分，而存储电路是必不可少的。存储电路的输出状态必须反馈到组合电路的输入端，与输入信号一起，共同决定组合逻辑电路的输出，如图2-57所示。 组合逻辑电路 qw11 存储电路qwrk 图2-57 时序逻辑电路框图 由于存储电路中触发器的动作特点不同，在时序电路中又有同步时序电路(Synchronous Sequential Logic Circuit)和异步时序电路(Asynchronous Sequential Logic Circuit)之分。在同步时序电路中，所有触发器状态的变化都是在同一时钟信号操作下同时发生的，因此，同步时序电路中的存储单元，一般都用边沿型或主从结构触发器来实现。而在异步时序电路中，各存储单元的状态改变不是同时发生的，触发器和锁存器均能作为异步时序电路中的存储单元。 相对于组合逻辑电路，存储电路是时序逻辑电路的重要组成部分。存储电路由存储器件组成，而能存储一位二值信号的器件称为存储单元电路。 在数字电路中，绝大部分存储单元是双稳态电路(Bistable Circuit)。双稳态电路由两个重要特性: 第一:它具有两个稳态的工作状态，在无外信号作用时，电路将长期处于某一稳定状态，即或者为 0或者1，这两个稳定状态可用来表示一位二进制代码; 第二:它由一个或多个激励输入端，在外加信号得激励下，可使电路从一种稳定状态转换为另一种稳定状态，以后即使激励信号消失，稳定状态仍能保持下去。可见，双稳态电路不仅能“记住”一位二进制信息，还能根据需要改变信息，这正是存储电路所具备的“记忆”特点。 在逻辑电路中，最常用的存储单元有两类，一类是锁存器，另一类是触发器。锁存器是一种直接由激励信号控制电路状态的存储单元。一个复位—置位(Reset-Set)锁存器有两个输入端:复位端和置位端。当信号从复位端输入时，锁存器将进入0状态;当激励信号从置位端输入时，锁存器将进入1状态。故复位端也称为置0端，置位端也称为置1端。复位,置位锁存器的工作波形如图2-58所示。锁存器常应用于数据信号有效滞后于时钟信号有效的场合。这意味着时钟信号先到，数据信号后到。在某些运算器电路中有时采用锁存器作为数据暂存器。 Set Reset Q 图2-58 复位-置位锁存器的工作波形 触发器和锁存器不同，它除了具有激励输入端以外，还包含一个称为“时钟”(Clock)的控制信号输入端。当时钟信号作用触发器时，允许它根据时刻的激励输入信号改变其状态;当没有时钟信号作用时，不论有无激励输入信号，触发器的状态保持不变。复位—置位触发器的工作波形如图2-59所示。触发器常应用于时钟有效迟后于数据有效的场合。这意味着数据信号先建立，时钟信号后建立，在CP(Clock Plus)上升沿时刻进入到寄存器。寄存器是计算机系统或其它数字系统中使用最多的时序逻辑构件。 Set Reset Clock Q 图2-59 复位-置位触发器的工作波形 不论是锁存器还是触发器，它们的下一个状态都是由激励信号决定的。但是，锁存器状态的改变，是根据激励信号的改变直接并立刻完成的。而触发器要等到时钟信号来到才改变状态，它的下一个状态，由时钟信号来到时的激励信号所决定，并只在时钟信号的有效边沿改变其输出状态。 2.7.1 锁存器(Latch) 1. RS锁存器(基本RS触发器) RS锁存器(即复位,置位锁存器)也称基本RS触发器，是一种结构最简单的存储单元电路，它是构成其它复杂电路结构的锁存器和触发器的基础。RS锁存器可以用两个交叉耦合的或非门(或与非门)构成，如图2-60所示。在RS锁存器中，由于S和R的激励信号直接作用于两个或非门上，所以输入DD 信号在全部作用时间内，都能直接改变电路的状态，这是RS锁存器动作特点，其工作波形如图2-61所示。 置1SDS,,1Q SQ置0R RQQ,,1QRDQ 图2-60 或非门RS锁存器电路及逻辑符号 图2-61 RS锁存器工作波形 2. 门控RS锁存器(同步RS触发器) 在实际使用中，更多的情况是希望能有一特定的控制信号去控制锁存器状态转换的时间，当S和DR信号改变时(这时信号往往不稳定)，禁止锁存器状态转换;当S和R稳定以后，控制信号有效，DDD 使锁存器对新的S和R的值作出响应。这样的器件称为门控RS锁存器，有时也称为同步RS触发器，DD 其电路及逻辑符号如图2-62所示，工作波形如图2-63所示。 1 2 3 4 EG4GG32GSQ14R&S&D?1&QRQ 1SQQ3ECC111RQQ4?1&Q&Q&QQS3G1RDGG23G4Q 图2-62 门控RS锁存器电路及逻辑符号 图2-63 门控RS锁存器工作波形 3. D锁存器 在数字系统中，经常要进行存储数据的操作，它能将呈现在激励输入端的单据数据D存入交叉耦合结构的锁存器单元中，我们将这种电路单元称之为D锁存器，如图2-64(a)为逻辑门控D锁存器，(b)为传输门控D锁存器。当控制信号为高电平时，D的所有变化都将直接引起D锁存器输出的变化。因此，锁存器中存储的数据，为控制信号C由高电平转为低电平时所对应的D的值。典型集成电路74HC/HCT373八D锁存器电路结构如图2-65所示。 CG1 &DTGQ CG4CTGCG2Q4&?1RQ Q151Q ?1QGGC342&GQS3G111CEG3 (a) (b) 图2-64 D锁存器电路 DDD017 …111 1D1D1D …C1C1C1C1C1C1 L11 OE1 EEE… QQQ017 图2-65 74HC/HCT373八D锁存器电路结构 2.7.2 触发器(Flip-Flop) 通过上面所介绍的锁存器，仔细分析后可以发现，将锁存器作为同步时序电路中的存储器件是不合格的，其原因在于当锁存器的控制信号C有效时，激励信号任何变化，都将直接引起锁存器输出状态Q的改变，这时若输入信号连续多次变化，则输出状态可能发生多次变化，这一现象称为锁存器的空翻。为了解决上述问题，我们可以利用“时钟”控制信号去限制存储单元状态的改变时间，并将具有这种特点的存储单元电路称为触发器。 1. 主从触发器 主从结构触发器是解决电路工作特性不稳定的一种方法。 ? 主从RS触发器 图2-66给出了主从RS触发器的逻辑图及逻辑符号。“主从”的含义可以由图看出，由于主锁存器 Qm的输出信号(Q和)就是从锁存器的输入信号，因而从锁存器的输出状态将按照与主锁存器相同的m 输出状态来动作，这就是主从的含义。 QQm1S1SSQ1SF1F2C1C1QQmC1CP1R1R1RSQ 图2-66 主从RS触发器的逻辑图及逻辑符号 Q主从RS触发器是在CP为0期间接收R、S的数据，而在CP的上升沿时，输出Q和才改变状态，在CP的一个变化周期中，触发器的输出状态只可能改变一次，从而克服了空翻现象。 ? 主从D触发器 同样，我们可以用相似的方法将两个D锁存器组成一个主从D触发器。主从D触发器的逻辑图和逻辑符号如图2-67所示。 QQmD1D1DSQ1DQC1C1 QC1CPCP11 图2-67 主从D触发器的逻辑图及逻辑符号 ? 主从JK触发器 由于主从RS触发器当CP=0期间，它的输入信号须遵循SR=0这一约束条件，否则触发器的输出状态将无法确定。为克服这一缺点，而产生了主从JK触发器。当J=K=1时，在每次时钟脉冲CP由1变0时，输出状态将翻转一次，这样，JK触发器就去除了RS触发器中存在的约束条件。构成主从JK触发器的一种方法是在主从D触发器的基础上，加若干门电路来构成，其逻辑图及逻辑符号如图2-68所示。 &K1QJQ1J,,11DJ&C1CPQCP1C1KQ1K 图2-68 主从JK触发器逻辑图及逻辑符号 2. 边沿触发器 边沿触发器不仅将触发器的触发翻转控制在CP触发沿到来的一瞬间，而且将被接收输入信号的时间也控制在CP触发沿到来的前一瞬间。边沿触发器在时钟为稳定的1或0电平期间，输入数据都不能进入触发器，不会影响输出。只有在时钟发生跳变(上升沿或下降沿)期间，严格说还应包括跳变前后极短一段时间在内，触发器才能接收数据，并使输出状态转换。这样，只要求在时钟发生跳变的极短时间内，输入数据保持稳定，这就大大提高了触发器的抗干扰能力，同时也有效地避免了空翻现象，提高了工作的可靠性。 ? 维持阻塞D触发器 图2-69所示电路为维持阻塞D触发器的逻辑图及逻辑符号。该电路由六个与非门组成，其中G和1G、G和G、G和G分别构成RS锁成器。其输出状态的改变发生在CP的上升沿，而输出的新状态23564 仅仅由CP上升沿到来前一瞬间的输入信号D决定，其它时刻输入信号D的变化对输出无影响。 QQ GG&&12 SRDDSSDQD1D &&GGGG56&&34C1CP QRR RRSDDD CPD 图2-69 维持阻塞D触发器逻辑图及逻辑符号 ? 利用门电路传输延迟时间的边沿触发器 利用电路内部各门电路传输延迟时间的不同而构成的边沿JK触发器，工作可靠、速度较高。目前 国产JK触发器大多数产品采用此种结构，其逻辑图及逻辑符号如图2-70所示。 G1 &,,1QB1G3PA11&J JQ1JCPCPC1&K&,,1KQ1KP22BG4AQ2 G2 图2-70 利用传输延迟实现的边沿触发器逻辑图及逻辑符号 ? CMOS边沿触发器 CMOS边沿触发器的电路结构属于主从结构，但具有边沿触发器的触发特点。它可以是上升沿触发，也可以是下降沿触发。有D触发器，也有JK触发器。CMOS边沿触发器目前已经广泛使用。 2.7.3 常用MSI时序电路 1. 寄存器(Register) 寄存器是用于暂时存放二进制数码的时序逻辑部件，通常，一类是由多位D触发器并行组成的寄存器，数据是在时钟有效边沿到来时存放的;另一类是由D锁存器组成，数据是在时钟某个约定电平下存入的。例如: ? 74LS175 四位D触发器数据寄存器 ? 74LS173 三态输出四位缓冲寄存器 ? 74LS259 八位可寻址锁存器 寄存器和锁存器的功能有些相似，但在使用时必须注意区分，如果是电平信号，则要用锁存器;如果是时钟边沿控制寄存器，则要用寄存器。 2. 移位寄存器(Shift Register) 移位寄存器具有寄存和移位两重功能，除了寄存数据外，还可以在时钟的控制下，将数据向左或者向右进行移位。移位寄存器中的触发器可用时钟控制的无空翻的D、RS或JK触发器组成。在数字电路系统中，由于运算(如二进制的乘除法)的需要，常常要求实现移位功能。例如: 74LS194 四位双向移位寄存器 3. 计数器(Counter) 计数器是数字系统中应用最为广泛的一种时序逻辑电路。计数器能够累计的输入脉冲信号个数称为计数器的模或计数长度，计数器的模是电路的有效状态数。目前常用的计数器种类繁多。 ? 按计数脉冲的作用方式分为:同步计数器和异步计数器 ? 按计数功能分为:加法计数器、减法计数器、加/减计数器 ? 按进位基数(模)分为:二进制计数器、十进制计数器、任意进制计数器 常见的7400系列中规模集成计数器见表2-7所示。 表2-7 常见7400系列计数器 型号 功能 特性 7492 异步模12 /2/6/12，异步请零 74160 同步十进制 4位，同步置数，异步清零，使能控制 74161 同步二进制 4位，同步置数，异步清零，使能控制 74163 同步十进制 4位，同步置数，同步清零，使能控制 74176 异步十进制 /2/5/10，异步清零，异步置数 74177 异步二进制 /2/8/16，异步清零，异步置数 74191 同步加/减 4位，异步置数，最大/最小输出指示 74290 异步模10 /2/5/10，异步清零，异步置数 74293 异步二进制 2/8/16，异步清零 计数器除了直接用于计数外，还可以用于定时器，分频器、程序控制器、信号发生器等多种数字设备中，有时甚至可以把它当作通用部件来实现时序电路的设计。因此，计数器几乎已成为现代数字系统中非常重要的一类器件， 知识点 高中化学知识点免费下载体育概论知识点下载名人传知识点免费下载线性代数知识点汇总下载高中化学知识点免费下载 较多，请读者参考相关书籍进一步学习和了解。 2.7.4 同步时序逻辑电路的分析与设计方法 同步时序电路的的分析，是根据给定的同步时序逻辑电路图，找出电路的输入、输出、现态与次态之间的关系。通过现态与次态之间转移的关系，得到同步时序逻辑电路的逻辑功能和工作特性。其一般分析步骤如下: ? 根据电路写出各触发器的驱动方程和输出方程; ? 求状态转换图(即将各触发器的驱动方程代入相应的特征方程，并化简); ? 进行状态计算没，求出状态转换关系，得出状态转换表; ? 画状态转化图; ? 描述电路功能。当存在非工作状态时，也需要检查能否自启动。 同步时序电路的设计过程是分析逆过程，但不是一个间单的逆过程。同步时序逻辑电路的设计过程由于涉及到状态指定，状态化简，状态分配以及触发器选型等问题。基于SSI时序逻辑电路的设计原则是:当选用小规模集成电路时，所用的触发器和逻辑门电路的数目应最少、且触发器和逻辑门电路的输入端数目也应为最少，所设计出的逻辑电路应力求最简。 2.7.5 异步时序逻辑电路的设计方法 同步时序逻辑电路的基本特点是电路有统一的时钟信号，存储单元的状态改变是在统一的时钟脉冲控制下同步发生的;而异步时序逻辑电路没有统一的时钟信号，电路状态的转换由外部输入信号的变化直接引起。异步时序电路的外部输入信号有脉冲信号(用脉冲的有无表示信号)和电平信号(用电位的高低表示信号)两种，因此异步时序逻辑电路份为脉冲异步时序逻辑电路和电平异步时序逻辑电路，图2-71是两种结构模型。 xxZ1Z, , 1, , 11, , , , , , , , xx组合逻辑电路Zn组合逻辑电路Znmm yy, , , , , , yyYY, , , , , , r1YYr1r1r1延迟元件触发器, , , , , , 延迟元件触发器 (a)脉冲异步时序电路结构模型图(b)电平异步时序电路结构模型图 图2-71 异步时序逻辑电路的结构模型 图2-71中，x，„，x为输入信号，y，„，y为二次状态，Y，„，Y为激励信号，Z，„，Z1n1n1n1n为外部输出。 在图2-71(a)中，存储电路部分由触发器构成。触发器可以带时钟控制端，也可以不带时钟控制端。使用时钟控制端触发器时，每个触发器的时钟端作为一个独立输入端来处理，即是以加到触发器时钟端的时钟信号作为激励信号，而不像同步时序逻辑电路的时钟信号是同步信号。 在图2-71(b)中，存储电路由延迟元件构成。在异步时序逻辑电路中延迟元件不是外加的元件。由于在结构上异步时序逻辑电路有反馈存在，输出信号反馈到电路的输入端，其中的延迟元件是反馈电路逻辑运算时间的一种抽象，起存储信息作用的延时电路实际上是由器件的传输延时构成的。 例3-3 试分析图2-72所示的同步逻辑电路。写出分析过程，画出状态转换图，说明电路的逻辑功能，并指出所用编码的特点。 QQQ312=11=1=1SET J QSETSET J Q J Q 231 K QK QK QCLRCLRCLR RDCP 图2-72 例3-3同步时序电路图 解:本例电路无输入控制变量，各触发器均由JK触发器接成T触发器工作，在同一时钟信号的下降沿进行状态的转移。电路的输出是各级触发器状态便量的组合，属于Moore同步时序电路。 (1) 确定各触发器的驱动方程。 ,JKTQQ,,,,11113,JKTQQ,,,,,22212 ,JKTQQ,,,,33323, (2) 求出电路的状态方程。 n，1,QTQQQQQ,,,,,,1113131,n，1,QTQQQQQ,,,,,,,2212212,n，1QTQQQQQ,,,,,,,3332332, (3) 进行状态计算，列出电路状态转换表。(状态表) QQQ,000321利用状态转移方程求次态，电路初始状态设为，代入状态转移方程，直到次态返回到设定的初态000为止。同时将偏离状态的次态求出，得到完成的状态转移表，见表2-8。 (4) 画出电路状态转换图，如图2-73所示。 表2-8 状态转换表 初态 次态 序号 nnnn，1n，1n，1QQQQQQ321321 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 2 0 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 0 4 1 1 0 1 0 0 000001011010 5 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 100110111101偏离状态 1 0 1 0 1 0 图2-73 状态转换图 (5) 电路特性描述。 从状态转换图可知，电路为模6同步计数器。由于有效序列中两相邻代码仅有一个码字不同，且是同一变量的原码和反码。因此，这是一个循环长度为6的扭环计数器。电路不能自启动，若状态进入偏离状态时，必须通过复位才能正常工作。 QQQ,101321可将其循环链打开，引入有效序列，本例中若出现，只需使第三级触发器T=0，并将3 TQQQQ,,()QQQ,11032313321T原表达式修正为，则其次态必然将进入，且不会影响其它状态转移3 关系。 例3-4 试分析图2-74所示的电路是几进制计数器。 1DDDDDDDD12312300COCO11EPEP74LS161(1)74LS161(2)ETLDETLD11CPRRCPDDQQQQQQQQ01231230CP & 图2-74 例3-4电路图 解:可以看出两片IC以串行进位的方式连接:即第一个片子的输出信号作为第二个片子的时钟信号，每个片子都采用了各自独立的反馈置0方式，这种连接方式特别适用于构成模数为奇数的计数器。74LS161是异步清0的计数器，第一片为十六进制计数器;第二片的置0信号为0101，此状态为过渡状态，不属于正常的工作状态，正常的工作状态为0000~0100，因此为五进制计数器。应当指出的是，这里得出的五进制，并不是由0101直接算出来的，要看计数器的置零方式。据此，该电路为5×16=80进制计数器。 应当注意，由于第一片没有反馈控制，属于正常的十六进制计数器，当输出从1111更新为0000过程中CO输出进位信号1，所以电路能正常工作。如果第一片没有从1111更新为0000的过程，则CO无法给出输出信号。这里加入一个非门的原因在于:74LS161中触发器的翻转发生在时钟脉冲的下降沿。又如图2-75所示: 1DDDDDDDD12312300COCO11EPEP74LS161(1)74LS161(2)ETLDETLD11CPRRCPDDQQQQQQQQ12312300CP && 图2-75 电路图 此电路是想要实现四十五进制的计数器，第一片的输出为第二片的时钟信号，但仔细分析一下就能发现，第一片的工作状态如图2-76所示。 /0/0/0/000010010001101000000 /COQQQQ3210/0/0 1000011101100101/0/0/0 图2-76 状态转换图 由于第一片计数器根本没有输出信号，故第二片实际上无法进行计数，因此实际上是一个九进制计数器，而非四十五进制计数器。 用SSI设计同步时序电路的主要任务在于求出触发器的驱动方程和电路的输出方程，而用MSI实现同步时序电路和用SSI有着相似之处，当选定时序MSI器件后，接下来的主要任务是求出MSI器件各控制输入端的逻辑表达式和电路的输出方程。但在具体做法上有所不同。 (1) 首先，应建立原始状态图或状态转换表; (2) 其次，用MSI进行设计时，原则上不必对原始状态表进行状态划简。因为原始状态表 中的各个状态所代表的含义已非常明确的，由此导出的电路与所实现的逻辑功能之间也 有明确的对应关系; (3) 状态分配的原则与导出激励方程和输出方程的方法应视所选用的MSI器件的功能而定。 例3-5 试设计一个能产生序列信号为10110的移存型序列信号发生器。 解:移存型序号信号发生器的一般结构如图2-77所示。其基本工作原理为:将移位寄存器和外围组合电路构成一个移存型计数器，使该计数器的模和要产生的序列信号的长度相等，并使移位寄存器的串行输入信号F(即组合电路的输出信号)和所要产生的序列信号相一致。 组合电路 ,,,,,, 移位寄存器 图2-77 移存型序列信号发生器的一般结构 由于序列信号的长度为5，所以可以采用3位移位寄存器实现模5计数循环。如把序列按三位划分，所得状态图如图2-78(a)所示，可以发现S和S两个状态都是101。参见图14 2-75所示的序列信号发生器结构图，在状态时要求组合电路输出F=1，在状态时又要求该电路输出F=0，这显然是不可能的。这就表明，用3位移位寄存器和组合电路是不能产生这个序列信号的。为此我们采用4位寄存器并将序列信号10110按四位划分状态，得到状态如图2-78(b)所示。 nnQQ23QQQQQQQ1230123nn00011110QQ0100101011110101101101101， ， ， ， 011， 1， 01010101011010， 0， ， 11 0110(b)， ， (a) 图2-78 状态图 图2-79 卡诺图 S,1S,0AB在本例中，选用74194移位寄存器，并使移存器处于左移工作状态(即，)， DSL由图2-78(b)所示状态图，可画出用于求反馈数F(即)的卡诺图，如图2-79所示。化简卡诺图得: nnnnFQQQQ,，,，0303 最后画出逻辑如图2-80所示。 74194 SEG40SB0 M3S1A CPC4 1 /2 R1 Q0D1,4DSR输出3,4D Q3,4D1 Q3,4D2 3,4D&2,4DDSL 图2-80 逻辑图 2.8 可编程逻辑器件(Programmable Logic Device) 可编程逻辑器件(PLD)是自70年代中期开始出现并在近10年中得到迅速发展的ASIC的一个重要分支。PLD包括PLA、PAL、GAL以及近几年推出的EPLD、FPGA等多个品种。PLD集成度高、速度快、保密性好、可重复编程等特点，PLD已在计算机硬件、工业控制、现代通信、智能仪表和家用电器等领域得到愈来愈广泛的应用。 PLD器件品种繁多，但他们的基本组成和工作原理是相似的。PLD的基本结构如图2-81所示。 反馈项 互补输入项与项或项IO11输输IO2与或2入出阵阵电电列列路路IO33 图2-81 PLD基本机构框图 采用可编程逻辑器件(Programmable Logic Device PLD)对器件进行设计是通过对芯片的逻辑功能的设计，以达到系统功能的实现，从而改变了原来的设计方式。尤其是在系统可编程(In-System Programmable ISP)逻辑器件的产生，给数字系统设计带来了一个飞跃。在系统可编程器件的技术允许设计者在电子系统中编辑和修改逻辑，并不需要将器件从电路板上拆下来。这实际上提供了在不改变系统硬件的前提厂实现器件的重构系统的能力，使硬件的修改可以像修改软件一样方便。 2.8.1 PLD的开发过程 普通PLD的设计开发包括设计和器件编程，其编程操作是将 PLD器件插在编程器上，在计算机(或单片机)控制下，按照一定的程序给芯片需要编程处理的地方加上某种特殊波形的电流脉冲来完成的。通常在编程操作之前需经过逻辑设计、选择器件和编程 JEDEC 文件等主要三步。编程后还要进行测试，最后才插入印制板使用。其开发过程如图2-82所示。 下面就开发过程作简要说明: 编程PLD逻辑设计选择器件测试PLDJEDEC文件 图2-82 PLD的开发过程 1. 逻辑设计 逻辑设计的任务是根据设计要求，给出一个简洁完整的逻辑功能描述。一个系统的设计一般可分为控制器和若干个功能模块。对于功能模块，许多开发软件数据库中都有这类模块。所以可用原理图或功能描述语言来描述。而对控制器部分，常常涉及到逻辑门和触发器，一般可用逻辑方程、真值表和状态图来表示。 2. 器件选择 根据分析设计所确定的逻辑功能，应选择能实现该功能的PLD的系列型号和等级。一般应考虑:输入引脚数、输出引脚数、I/O 引脚数、器件速度、功耗、寄存器个数、乘积项个数、输出极性和接口提出的要求等等方面，然后查阅器件手册，选择合适的器件。 3. 编制JEDEC文件 编制JEDEC文件的任务是对所设计的电路的描述翻译成对 PLD 阵列和宏单元中各连接点的编程信息。JEDEC文件(简称JED文件)是按电子器件工程联合协会所制定的标准格式编写的关于器件编程信息的计算机文件。它以码点形式表示，也称熔丝图文件。 4. 编程 将已生成的JED文件下载到编程器中，通过编程器对 PLD 器件进行编程。 5. 测试 编程完成后进行测试，即用编译时生成的测试向量对器件检查，检查通过的器件才能付诸使用，这是编程器自动完成的。 6. 加密 若希望设计保密，则可对PLD的保密单元予以加密编程，以免他人复制。 目前可编程逻辑器件的发展趋势主要体现在以下几点:低密度PLD在一定时间内还将存在一定时期;高密度PLD继续向更高密度，更大容量迈进;IP内核得到进一步发展。具体体现在: ? PLD正在由点5V电压向低电压3.3V甚至2.5v器件演进，这样有利于降低功耗; ? ASCI和PLD出现相互融合。标准逻辑ASIC芯片尺寸小、功能强大、不耗电，但 设计复杂，并且有批量要求;而可编程逻辑器件价格较低廉，能在现场进行编程， 但它们体积大能力有限，而功耗比ASIC大。因此，从市场发展的情况看FPGA和 ASIC正逐步走到一起来，互相融合，取长补短; ? ASIC和FPGA之间的界限正变得模糊。系统级芯片不仅集成RAM和微处理器， 也集成FPGA。随着ASIC制造商向下发展和FPGA的向上发展，在CPLD/FPGA 之间正在诞生一种“杂交”产品，以满足降低成本和尽快上市的要求; ? 价格不断降低。随着芯片生产工艺的不断进步，如深亚微米0.13um工艺已经成熟， 芯片线宽的不断减少使芯片的集成度不断提高。Die(裸片)面积大小是产品价格 高低的重要因素，线宽的减小必将大大降低了PLD产品的价格; ? 集成度不断提高。微细化新工艺的推出以及市场的需要是集成度不断提高的基础和 动力。许多公司在新技术的推动下，产品集成度迅速提高，尤其是最近几年的迅速 发展，其集成度已经达到了1000万门，现在有的PLD则达到了几百万系统门甚至 一千万系统门; ? 向系统级发展。集成度的不断提高使得产品的性能不断的提高，功能不断增多。最 早的PLD仅仅能够实现一些简单的逻辑功能，而现在已经逐渐把DSP、MCU、存 储器及应用接口等集成到PLD中，使得PLD功能大大增强，并逐渐对准了可编程 逻辑器上系统集成SOPC(System On a Programmable Chip)。可以预见未来的一块 电路版上可能只有两部分电路:模拟部分(包括电源)和一块PLD芯片，最多还 有一些大容量的存储器。 思 考 题 1. 放大电路的组成原则有哪些,为什么要设置合适的静态工作点, 2. 集成运算放大器的内部电路一般有哪几个主要部分组成,各部分的作用是什么, 3. 正弦波振荡电路由哪些部分组成,产生正弦振荡的条件是什么, 4. 根据所采用的半导体器件不同和集成规模大小，集成电路各自可分为哪几类，各自 具有哪些特点，使用集成电路进行数字系统设计具有哪些优点, 5. 组合逻辑电路与时序逻辑电路各自的特点是什么，设计方法有什么区别，其常用的 MSI器件有哪些, 6. 查阅相关资料，指出PAL、GAL、EPLD、CPLD和FPGA几类可编程逻辑器件的 异同。 第4章 单片机应用系统设计 本章首先介绍了单片机应用系统的组成、结构以及设计开发单片机应用系统应注意的事项。最后以智能移动机器人控制系统为例，简单地论述了单片机的基本工作过程及工作原理，同时也通过它了解设计单片机应用系统的硬件电路图和软件程序。 3.1单片微型计算机概述 单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)，简称单片机，是指集成在一块芯片上的计算机，它具有集成度高、体积小、功能强、使用灵活、价格低廉、稳定可靠等独特的优点，因而广泛应用于工业控制、智能化仪器、数控车床、数据采集和处理、通信、智能机器人、家用电器等各个领域。 3.1.1 什么是单片微型计算机 单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU(Central Processing Unit)、随机存取存储器RAM(Random Access Memory)、只读存储器ROM(Read-only Memory)、基本输入/输出(Input/Output)接口电路、定时器/计数器等部件制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机，从而实现微型计算机的基本功能。单片机内部结构示意图如图3.1所示。 INT T 时 器 / 计 数 器 中 断 系 统定 串并 C P UP0-P3TxD行行 I/ORxDI/O 接接存 储 器 口口 图3.1 单片机内部结构示意图 与通用计算机相比，单片机具有如下特点: 1. 体积小，成本低，功能自定义。单片机是将所有元器件集成在一块印制板上，只包括完 成功能的最少器件，没有多余成分，成本低，功能模块化，可以随意组合与定制，能做 到机、电、液一体化; 2. 单片机中的存储器ROM和RAM是严格分工的。ROM为程序存储器，只存放程序、 常数及数据表格;而RAM则为数据存储器，用于存放变量; 3. 采用面向控制的指令系统。不同的单片机一般具有不同的指令系统。单片机的控制能力 一般要强于同等级的CPU，特别是单片机具有很强的位处理能力，能针对性地解决简 单到复杂的各类控制任务; 4. 单片机的I/O引脚通常是多功能的。由于单片机体积小，引脚数量有限，为了解决实际 引脚数和需要的信号线数的矛盾，采用引脚功能复用方法，根据指令设置或机器状态来 区分和识别某引脚处于何种功能; 5. 及时响应。由于它是某种技术过程的核心处理环节，必须满足技术过程的时限要求，自 然具有实时处理的特性; 6. 健壮可靠。单片机系统产品的使用人员多为非计算机专业人士，使用环境不定，往往条 件恶劣，因此，其健壮性和可靠性是该类系统的必备条件。一般配备“看门狗 ( Watch-dog)”和采用容错“(Fault Tolerance)”技术; 7. 单片机系统一般不带有磁盘。而操作系统的映像和可执行程序一般存放在只读存储器 ( ROM )和“闪存(Flash Memory)”中。 单片机实质上是一个硬件的芯片，在实际应用中，通常很难直接和被控对象进行电气连接，必须外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件和软件，才能构成一个单片机应用系统。 3.1.2 单片机应用系统及其组成及其分类 1. 组成 虽然单片机已经是一个微型计算机，但实质上它只是一个芯片，仅有这样一个芯片还不能完成任何工作。在实际应用中，要让单片机去完成相应的工作，需将单片机和被控对象进行电气连接，外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象的硬件和软件，构成单片机应用系统，如图3.2所示。 单片机应用系统 接口单电路片及外++机软部设 件备 硬 件 图3.2 单片机应用系统的组成 同微型计算机系统一样，单片机应用系统也是由硬件和软件组成的，硬件是应用系统的基础，软件则在硬件的基础上对其资源进行合理调配，从而完成应用系统所要求的任务，是功能的体现者，二者相互依赖，缺一不可。 2. 分类 单片机应用系统可按处理器的位数、实时性和软件结构等原则进行分类。 ? 按处理器的位数来分类。 目前，应用于单片机系统的处理器有4位、8位和16位以及少量32位。其中4位逐渐被淘汰，市场上8位和16位占据主导地位。 ? 按实时性分类。 “实时”可以理解为“及时”，但并不一定是“快”，更多的是反映速度和处理时间的可预测性问题。就是说:“每当有某个外部事件发生时，系统必须能在预定的、可以为具体程序所接受的时间内做出反应，并完成所需的处理”。例如，在听MP3时，负责解压缩MP3程序的任务，在多任务情况下被设计成至少每0.1秒就要执行一次，这个时间可以看作是该任务的“执行周期(period)”，也可以看成是该任务的“执行时限(deadline)”，在这个期限内，该任务就必须执行，并解压缩出足够的数据，不然MP3听起来就会像跳针一样，不是连贯的。 单片机应用系统可分为单片机实时系统和单片机非实时系统。前者如果响应时间不能满足，就要引起系统崩溃甚至死机;后者的响应时间如果不能满足也不会出现致命的错误。如 一台喷墨打印机平均处理周期从2ms延长到6ms，只不过是打印速降至正常的1/3而已。 3.2 单片机应用系统设计 3.2.1 单片机应用系统设计步骤 1. 设备的准备 ? 必备的设备:计算机、仿真器、编程器以及数字万用表、电烙铁、钳子、螺钉旋 具等工具。仿真器是调试程序用的，不同的单片机要有不向的仿真器，如51系列 单片机就要51系列单片机仿真器。仿真器有通用型仿真器、专用型仿真器。通用 型适用于多个系列，价高;专用型只适用于某一系列，价低。编程器是固化(或写 入)芯片用的，编程器也分简易型和通用型，两者的差别主要是可固化芯片数目不 同，前者数目少而后者数目多，其售价差别也很大。初学者选一种可固化自己所 用芯片的简易型编程器即可。不管是仿真还是编程都需要和计算机连起来，通过 计算机来仿真或编程。 其它设备:双踪示波器、多功能信号发生器、直流稳压电源等。 ? 2. 总体设计 总体设计，分为产品的结构设计(或叫机械设计)、电气设计两种。 结构设计主要考虑产品的形状、体积、面板的尺寸;面板上诸如按钮、指示灯、显示器的布置;仪器背板的尺寸、背板上信号线和电源线如何引入;接线端子如何安排等。 电气设计包括软件和硬件的设计、单片机的选择、外围电路器件的选择、编程语言的选择等。在最后要画出单片机应用系统的结构框图，在结构框图里要包括所选单片机的框图以及各个功能块的框图。 3. 硬件设计 硬件设计主要是指设计能实现所要求功能的硬件电路。根据前面总体设计时设计的系统结构框图画出电路原理图，结合产品的结构和工艺设计，再画出印制电路板图。在作单片机应用系统的硬件设计时，应考虑如下: ? 硬件设计中涉及到的具体电路首先应是自己以前在别的项目上用过的现成的电 路，这种电路好与否自己最清楚。其次是借鉴别人的电路，注意采用别人电路时 一定要先调试，不能直接放在电路中。 ? 硬件电路采用模块化设计。如—个单片机应用系统有单片机最小系统、时钟电路、 A,D转换电路、LED或LCD显示电路、串口通信电路等，可分别作为独立模块 来设计。模块化设计的好处在于可以“分而治之”。每一个模块都调试通过，那么 整个系统的硬件就基本调试通过了，而且调试好的模块还可方便地移植到其它的 单片机应用系统中去。 ? 选择市场货源充足、常用的元器件，尤其是集成电路芯片不能选独家产品，独家 产品一是售价太高，二是一旦缺货就无计可施。 ? 在进行硬件电路设计时，要充分考虑系统各部分的驱动能力，若驱动能力不够， 系统就不能可靠工作或完全不能工作。 ? 在画电路原理图时，要充分考虑产品的结构设计和工艺设计，必须在做印制电路 板图之前完成，否则印制电路板的个数、大小尺寸和形状均无法确定。 ? 目前流行的绘电路图的工具有很多种，其中最好和常用的是Protel 99SE/ Protel DXP，但是在用Protel 99SE/ Protel DXP画印制电路板时要充分考虑到抗电磁干扰 问题。 ? 在用Protel 99SE/ Protel DXP绘制印制电路板图时，有几个最小尺寸值必须注意: 线宽一般情况下要大于等于15mil;过孔直径不小于30mil;线距(相邻两线的最小 间隔)不小于10 mil。mil是英制的长度单位，为1in(1in,0.0254m)的千分之一。 ? 在绘制印制电路板图时，大部分元器件引脚的宽度和间距都是标准的，但有些多 脚插接件却不好绘制，即使用游标卡尺测量，有时也会出现插不上去的现象。解 决的方法是:绘制好印制电路板图后，以1:1的比例打印一份出来，然后再找一 块较平的塑料泡沫，把印制电路板图贴上去，再把元器件插上去，看是否合适， 如不合适，重新修改，直到合适为止。 4. 硬件调试 硬件调试在焊好元器件的印制电路板上进行，其步骤如下: ? 检查印制电路板。在元器件的安装和焊接之前，先用眼睛和万用表检查印制电路 板是否有短路和断路的地方。 ? 元器件在安装的过程中一定要注意方向，在焊接的过程中要保持印制电路板板面 的整洁，注意有无漏焊、错焊、连焊。 ? 空载上电。检查电源输出是否正确、单片机引脚上电源和地的电位是否正确以及 其它集成芯片上电源和地的电位是否正确。 ? 上电。空载上电检查正确后，即可将各芯片插入各插座，正式上电，再检查各点 电位是否正确。若发现电位不对或某个元器件发烫甚至冒烟，立即断电，查找原 因，直至排除故障方可重新上电。 ? 仿真调试。单片机的仿真器是帮助设计者对应用系统进行调试的专用工具。在不 通电的情况下，首先把仿真器与PC机的并口或USB口、串口相连，然后把仿真 器的仿真头插入单片机应用系统的专有插座中，这样单片机、仿真器以及PC机三 者就构成了一个联机开发系统。 5. 软件设计 在软件设计上，应注意如下几点: ? 与硬件设计类似，软件设计中所涉及的实现某一功能的程序，首先也是自己以前 在别的项目上用过的现成的程序模块;其次借鉴他人的程序模块，具体途径是上 网查找，包括硬件电路和源代码，同样也是在用之前一定要进行调试。 ? 软件设计也应模块化。模块化的好处是便于测试、修改和扩展。调试工作可以并 行进行，几个调试人员可以同时调试不同的模块。 ? 合理分配内存资源，要给堆栈预留足够的RAM区，不能让堆栈溢出。 ? 在软件上采用抗电磁干扰措施，比如采样时，使用软件滤波;在使用看门狗电路 时也需有软件的配合。 ? 为提高程序的可读性，要给程序模块增加必要的注释。 ? 编程语言的选择。汇编语言是单片机早期开发使用的语言，由于其可读性、可移 植性、可维护性差等缺点，而逐渐被C语言取代。C语言是一种简洁高效的高级 语言，具备可读性好、可靠性高、有功能丰富的函数库、运算速度快、编译效率 高、可移植性好等特点，并且可以直接实现对硬件的控制，因而逐渐成为了单片 机应用系统开发中的主流编程语言。 6. 软件调试 软件调试与所选用的软件结构和程序设计技术有关。如果采用模块程序设计技术，则逐个模块调好以后，再进行系统程序总调试。 对于模块结构程序，要一个个子程序分别调试。调试子程序时，一定要符合现场环境，即入口条件和出口条件。调试的手段可采用单步运行方式和断点运行方式，通过检查用户系统CPU的现场、RAM的内容和I/O口的状态，检测程序执行结果是否符合设计要求。通过检测，可以发现程序中的死循环错误、机器码错误及转移地址的错误，同时也可以发现用户系统中的硬件故障、软件算法及硬件设计错误。在调试过程中不断调整用户系统的软件和硬件，逐步通过一个个程序模块。 各独立程序模块调试通过后，可以把各功能块联合起来一起进行整体程序综合调试。在这阶段若发生故障，可以考虑各子程序在运行时是否破坏现场，缓冲单元是否发生冲突，零位的建立和清除在设计上有否失误，堆栈区域有否溢出，输入设备的状态是否正常，等等。若用户系统是在开发系统的监控程序下运行时，还要考虑用户缓冲单元是否和监控程序的工作单元发生冲突。 单步和断点调试后，还应进行连续调试，这是因为单步运行只能验证程序的正确与否，而不能确定定时精度、CPU的实时响应等问题。待全部完成后，应反复运行多次，除了观察稳定性之外，还要观察用户系统的操作是否符合原始设计要求、安排的用户操作是否合理等，必要时还要作适当修正。 7. 固化 目标程序经仿真器调试通过后，即可固化。源程序经编译、连接生成的机器码有两种格式(*.HEX格式或*.BIN格式)均可固化。固化的方法有两种:一是仿真器配备的固化功能;二是专用的编程器。专用的编程器有很多种，又分为简易和通用编程器两种，前者可固化芯片数目少，后者可固化芯片数目多。 8. 运行测试 运行测试包括功能测试和可靠性测试。功能测试是按照设计任务书检查各个功能是否一一实现。可靠性测试，又称“烤机”，“烤机”时间不定，可以是48小时、72小时或更长，目的是测试在规定的时间内系统能否正常运行。除检测运行时间外，还要高温、低温测试以及抗电磁干扰测试等。当功能测试和可靠性测试都通过，该单片机应用系统开发成功。 3.3 单片机应用系统的抗干扰设计 目前单片机广泛应用在工业自动化、生产过程控制、智能仪器仪表等领域，大大提高了 产品的质量和生产效率。但是，测控系统结构设计、元器件安装、加工工艺和外部电磁 环境条件、以及单片机的软件设计方面等，对系统的可靠性和安全性构成了极大的威胁。 许多应用系统在进行仿真调试和实验室内的联机测试运行时都是成功的，然而一旦进入 现场使用，系统则会产生预料以外的误动作或误显示，严重时甚至导致前期研制成果基 本失效，浪费了宝贵的时间和人力物力。单片机测控系统必须长期稳定、可靠运行，否 则将导致控制误差加大、严重时会使系统失灵、甚至造成巨大损失。 干扰影响应用系统可靠、安全运行的主要因素来自系统内部和外部的各种电磁干扰，以 及系统结构设计、元器件安装加工工艺等。这些因素对单片机应用系统造成的干扰后果 主要表现在以下几个方面: 1. 测量数据误差加大 干扰侵入单片机系统测量单元模拟信号的输入通道，叠加在测量信号上，会使数据采集 误差加大，什么干扰信号淹没检测的一些微弱信号，如人体的生物电信号等。 2. 影响单片机RAM存储器和EPROM等 在单片机系统中，程序及表格、数据存在程序存储器EPROM或FLASH中，避免了这 2些数据受干扰破坏。但是，对于片内RAM、扩外RAM、EPROM中的数据都有可能受到外界的干扰而发生变化。 3. 控制系统失灵 单片机输出的控制信号通常依赖于某些条件的状态输入信号和对这些信号的逻辑处理结果。若这些输入的状态信号受到干扰，引入虚假状态信息，将导致输出控制误差加大，甚至造成控制失灵。 4. 程序运行失常 外界的干扰有时导致及其频繁复位而影响程序的正常运行。若外界干扰导致单片机程序计数器PC值的改变，则破坏了程序的正常运行。例如Z80芯片，从一个字节到四个字节。因此，CPU执行的下一条指令的首地址，很可能是某条实际指令的第2,4字节，而CPU却将它作为指令的首地址来处理。此时，CPU便执行毫无意义的指令。这种情况就是俗称程序“跑飞”。程序“跑飞”后的去向，一种可能是转入某种无意义的“循环”中去而出不来;另一种可能是PC值不断增大，当PC值增大至FFFFH值之后，转为执行地址从0000H开始的程序，这等于重新启动控制程序，是控制失误的另一形式。由于受干扰后的PC值是随机的，程序将执行一系列毫无意义的指令，最后进入“死循环”，这将使输出严重混乱或死机。 5. 不响应中断 当CPU在执行中断服务子程序时，如果是在程序“跑飞”之前，中断服务子程序还未执行开放中断的指令，则在程序“跑飞”后，CPU将对其它中断不响应。同时，凡采用中断技术诊断程序故障的手段也将不起作用。中断程序“跑飞”，必定没有执行最后一条中断返回指令，优先级低的中断申请就不会得到响应，造成低级中断丢失。 3.3.1 单片机应用系统的主要干扰形式 1. 干扰的三要素 在单片机应用系统或其他电子设备中，一个电路所受的干扰程度用下式描述: S,WC/I; 其中，S表示电子线路受干扰的程度;W表示干扰发生源的强度;C为干扰源通过某途径到达受干扰处的耦合因素;I为受干扰电路的抗干扰性能。 由上式可以看到，要减少干扰的影响，可以从减小分子或增大分母来考虑。既可以尽量 减小干扰源产生的干扰强度，也可以切断或降低干扰耦合因素，使干扰强度尽量衰减， 再就是采取各种措施，提高电子线路的抗干扰能力。 干扰源有的来自单片机应用系统的外部，例如工业电气设备的电火花、高压输电线上的放电、无线广播通信设备的电磁被、太阳辐射、雷电，以及各大功率设备开关时发出的干扰均属于这类干扰。另一类干扰来自单片机应用系统内部，例如电源自身产生的干扰，电路中脉冲尖峰或自激振荡，电路之间通过分布电容的耦合产生的干扰，设备和机械振动产生的干扰，大的脉冲电流通过地线电阻、电源内阻造成的干扰等均属于这一类。 知道干扰来源，由上面公式，就可以在干扰源处采取措施，抑制其产生。这种措施有时是十分有效的。在无法控制干扰源的地方，就必须从另外两方面来下工夫。 2. 干扰的来源及耦合方式 ? 电磁干扰源 为了解决电磁兼容性问题，首先就要了解和熟悉电磁干扰源。一般来说人们常将电磁干扰源分为两大类，即自然干扰源和人为干扰源。 ? 自然干扰源 自然干扰源是指自然界所固有的与人类的活动无关的电磁干扰。主要有如下几种: [1] 雷电产生的电磁干扰 自然界中的雷电是一种很常见的自然干扰源，地球上平均每秒中发生的雷电超过 8100次。而且，雷电所造成的干扰十分复杂。一次雷电产生的电压可高达5×10V，电 5流可达到2×10A，持续时间为µS级，例如20µS。可见一次雷电的瞬时功率十分巨大。雷电的干扰频谱很宽，从100Hz直到100MHz。每一次雷电都会产生剧烈的电磁扰动，并以电磁波的形式传播到很远的地方。因此，在距离雷电近的地方，电子设备受其影响是十分严重的。即使远离雷电几千米，在看不见、听不到雷电的地方，其造成的电磁干扰也可能是很严重的。显然，当设备或电网的电力线直接遭受雷击时，其后果将是灾难性的。 [2] 太阳及太阳系行星产生的干扰 太阳黑子爆发及日冕的发生都会产生严重的电磁干扰。严重的太阳黑子爆发甚至会使电力系统供电中断、无线通信无法进行。太阳系的行星也会辐射出电磁干扰，对地球上的电子设备造成影响。 [3] 地球磁场的干扰 地球磁场也会产生大幅度的波动，所产生的干扰对电力系统和通信系统会产生影响。显然，单片机应用系统经常采用电力电网供电，经常会使用通信系统。对它们的干扰也就是对单片机应用系统的干扰。 [4] 宇宙干扰 太阳系以外的其他星系也会辐射无线电磁干扰，尤其是银河系的辐射更强。宇宙电磁干扰主要影响中波及短波通信。 ? 人为干扰源 人为干扰源普遍存在，尤其是随着技术的发展、各行各业的电器普遍增加，这就更增多了人为的干扰源，使人为干扰愈来愈严重。人为干扰主要由两种情况产生: 各种电子设备工作时会产生交变电流，交变电流会通过电磁辐射或传导向空间及周围的设备造成电磁干扰。例如，无线电广播和电视台、电力传输线、高频加工设备、变压器等，它们在工作过程中会产生这类干扰。通常，这类干扰是比较有规律的。 电子设备在工作过程中的瞬时干扰，设备中电流发生瞬间变化造成频谱很宽的电磁干扰。这类干扰往往是随机发生的，无规律的。 在单片机应用系统中，常见的人为干扰如下: [1] 火花放电。汽车及内燃机的点火、继电器工作过程中的通断、整流子电钻电动机工 作时均会产生强烈的电磁干扰。干扰脉冲群的宽度在mS数量级，单个脉冲宽度可 窄到nS级，因此干扰的频谱宽度高达300MHz。 [2] 高压输电线路。高压输电线路上传输很高的电压和大电流，它们可以通过杂散的耦 合电容和互感而对周围的电子设备造成干扰。另外，由于输电线上有极高的电压， 遇到雾、雨、雪等天气或绝缘不好，均会产生放电。这时，靠近输电线铁塔就能听 到放电所发出的响声。这种放电类似于上面所说的火花放电。高压放电会使输电线 上带有频谱为几百Hz到几十MHz的谐波，能量主要集中在150kHz以下。这些谐 波干扰会沿着电力输电线进入单片机应用系统。显然，这种频谱很宽的谐波还可以 由输电线直接辐射而造成干扰。 [3] 电感性设备。大的变压器、电动机、电弧焊设备等都是电感性的设备，它们在起动、 停止、工作过程及负载发生变化时均会使电流发生剧烈变化，产生不规则的干扰脉 冲。这种干扰脉冲会沿着供电电网传播，从而干扰其他设备。 [4] 开关器件。电子设备中各种有源器件工作时均会使电流发生瞬态改变，尤其是数字 电路工作时，这种电流瞬变的干扰既可以以电磁辐射的形式传播，影响其他设备工 作，同时，这种电流瞬变的干扰又可以在设备内部对其他部件造成干扰。如:TTL 电路工作时，随着其开关状态的变化同样会使电流发生改变。这种电流变化造成的 干扰会经过电源内阻和接地电阻影响到其他电路。根据不同的器件和应用环境，TTL 电路工作过程中会产生0.5-2V的干扰电压。如果不采取措施，此干扰足以影响其他 TTL电路的工作。 [5] 静电放电。人体及没有接地球大地的设备都会产生很高的静电电压。人们会发现计 算机CRT上会吸附许多细小的灰尘，那就是由于静电所引起的。人体同样会带有 很高的静电，普通人手上所带静电电压超过5v。静电放电如果进入电子设备内部会 对电子设备造成干扰甚至损坏器件。 [6] 电源。电源的作用通常是将电网提供的交流电转换成直流电，供给单片机应用系统 使用。电源是干扰的多发地点也是单片机应用系统的故障多发地点。电源中的干扰 来源大致有如下几种:在电网直接受到雷电感应所产生的极高的浪涌电压，这种因 雷电所产生的浪涌电压一般均达几kv，直接雷击的浪涌电压更高，会结单片机应用 系统造成极大的危害;各种电气设备的接地或断开所引起的电网浪涌电压，例如， 大变压器、电动机的起动或断开都会使电网产生数倍于常规电压的浪涌;电网上连 接的电气设备接地或接地断开时所引起的浪涌电压;各种电气设备工作时产生的干 扰馈送到电网上，使电网电压中带有干扰;电源电路本身产生的干扰，开关电源也 会产生脉冲干扰等。 [7] 自激振荡。自激振荡是一种典型的系统内部的干扰。它由放大器的输入与输出之间 产生正反馈引起的一种振荡。一旦出现自激振荡必定时电子线路造成影响，故自激 振荡必须加以消除。 [8] 电晕放电。在臭氧发生器、高压输电线上均会发生电晕放电。这种放电会产生脉冲 电流和高频振荡、它们会对电子线路造成干扰。 3.3.2 单片机应用系统的抗干扰方法 要消除单片机应用系统的干扰，只要去掉干扰形成的三个基本条件(干扰源、传播路径、敏感器件)之一即可，内部的干扰源可以通过合理的电气设计在一定程度上予以消除，外部干扰源则采取屏蔽、接地、隔离等措施予以消除或切断。抗干扰设计的主要工作是围绕这一部分展开的，上述三个部分也不是绝对划分的，通常一个系统的抗干扰措施是多方面的综合以达到最佳的效果。 在实践中，单片机应用系统的抗干扰设计一般是通过硬件抗干扰设计和软件抗干扰设计两种途径来实现的。硬件如果设计得当，就可以将绝大部分干扰拒之门外，但仍然会有少量干扰，所以软件措施必不可少。由于软件措施是以占用CPU为代价的，如果没有硬件消除绝大部分干扰，CPU将疲于奔命，严重影响系统的工作效率和实时性。因此 一个抗干扰性良好的单片机应用系统则是由硬件设计和软件开发相辅相成而构成。 1. 硬件抗干扰设计 ? 电源电路 单片机系统使用的电源，一般都是由电网的工频交流电源经降压、整流、滤波等环节后提供。由于电网的影响以及生产现场大容量电气设备的开停，会使交流电压中含有高频成分、浪涌电压、尖峰脉冲或者发生较大幅度的电压波动。这些因素都将导致干扰通过电源途径影响系统的正常工作。电源做得好,整个电路的抗干扰工作就完成了一大半。许多单片机对电源噪声很敏感,因此,应采用抗干扰的开关电源或给单片机电源加滤波电路或稳压器,以减少电源噪声对单片机的干扰。电源线的布置除了要根据电流的大小，尽量加租导体宽度外，还要使电源线、地线的走向与数据传递的方向一致。这将有助于增强抗噪声的能力。每种型号的单片机都有一个稳定工作的电压范围，例如凌阳SPCE061A单片机工作电压为3.3V,5V ,超出这个范围将出现异常。 ? 硬件复位电路 MAX6827复位电路是最容易受干扰RESETRESET手的(因为CPU 内部的复位电路的阻抗动SPCE061AMR复WDIIQA0都比较高,为10,50kΩ) ,影响也是位 最大的。因此,必须采取抗干扰措施。GNDGND 图3.3是采用MAX6827的复位及“看门狗”电路图。该电路具有较强的抗干扰能力,由于没有复位图3.3 采用MAX6827的复位电路 电容,不易引入干扰。 ? 注意印制电路板的布线 印刷电路板是单片机系统中器件、信号线、电源线的高密度集合体，印刷电路板设计的好坏对系统的抗干扰能力影响很大。故在印刷电路板设计不单是器件、线路的简单布局安排，还必须符合抗干扰设计原则。合理设计系统电路板,能有效地切断干扰的传播途径和抑制干扰源,同时还可以提高敏感元件(如单片机、数字IC、A/ D、D/ A 等容易被干扰的对象) 的抗干扰能力。主要采取: [1] 电路板合理分区,如强、弱信号,数字、模拟信号分区。尽可能使干扰源(如电机,继 电器) 远离敏感元件。大功率器件尽量布置在电路板的边缘。 [2] 布线时尽量减少回路环的面积,以降低感应噪声;电源线和地线要尽量粗,除减小压 降外,更重要的是降低耦合噪声;连接线避免90度的折线，以减少高频噪声发射。 [3] 不用的单片机管脚，特别是中断的入口，不要悬空，一般要通过上拉电阻接电源。 [4] 电路板上每个IC 要并接一个0.01μF,0.1μF高频电容，以减少IC对电源的影响。 [5] 注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离(圈) 起来，晶 振外壳接地并固定。此措施可解决许多疑难问题。 [6] 用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后接于电源地一点汇集， 呈“星形”状。 在单片机应用系统中，接地是抑制干扰的重要方法。接地是否正确，接地是否牢固，将直接影响到系统的正常工作。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可以解决大多数的干扰问题。 为了防止系统内部地线干扰，在设计印刷电路板时可采取如下措施:接地线尽量加粗。若接地线很细，接地电位则随着电流的变化而变化，致使计算机的定时信号电平不稳，抗噪 声性能变差。因此要根据通过电流的大小决定地线的宽度，应在可能的情况下，尽量将接地线条加粗、加宽，最好不小于3mm，使它能通过3倍于印刷电路板上的允许电流。对于多级电路,设计时要考虑各级动态电流,注意接地阻抗相互耦合的影响,工作频率低于1MHz 时采用一点接地,工作频率较高时采取多点接地。 2. 软件抗干扰设计 在单片机应用系统中，尽管采取了硬件抗干扰措施，但由于干扰信号产生的原因十 分复杂，且有很大的随机性，因此在采取硬件抗干扰措施的基础上，采取软件措施加以 补充。现简要介绍如下几种软件抗干扰措施。 ? 设立软件陷阱(Trap) 单片机受到干扰时，程序计数器PC值最容易受影响，PC值的改变是随机的，完全可以造成CPU离开正确的指令顺序去执行一些无定义地址中的内容，或进入数据区，把数据当作操作码来控制，使整个工作紊乱，系统失控。这种情况对系统来说，比某个数据出错造成的危害要严重得多。后者只涉及某个功能不能实现或者产生偏差，而前者则会使整个系统造成瘫痪。造成程序失控的原因并非程序设计本身的问题，而是由于外部的干扰或单片机内部硬件瞬间故障，使得程序计数器(PC)偏离了原定的值。例如，当执行完一条指令时，程序计数器PC应加数值1，但由于某种原因，使PC实际加2，这样，程序就会把操作数和操作码混淆起来，造成后面一系列的错误。 为了防止上述情况的发生，在软件设计时，可以采用设立软件陷阱的方法加以克服。其具体做法是，在ROM或RAM中，每隔一些指令(如十条或二十条)，把连续的几个单元置成“00”(空操作)。这样，当出现程序失控时只要失控的单片机进入这众多的软件陷阱中任何一个，都会被捕获，连续进行几个空操作。执行这些空操作后，程序自动恢复正常，继续执行后面的程序。这种方法虽浪费一些内存单元，但可以保证程序不会跑飞。这种方法对用户是不透明的，亦即用户根本感觉不到程序是否发生错误操作。 ? 开辟多个存储区抗干扰 为了防止RAM出错，丢失最重要的数据，对于重要的输入输出数据开辟2,3个存储区同时保存。存取数据时，采取比较表决法，以使数据去伪存真。 ? 时间监视器 时间监视器(Watch,Dog Timer)，也称“看门狗”技术，用于设立软件陷阱失效的情况下，让系统从故障中恢复过来。因为因干扰而失控的程序不一定都会掉到陷阱中去，比如程序的死循环就是如此。所谓死循环，就是由于某种原因使程序陷入某个应用程序或中断服务子程序中做无休止的循环。这样，CPU及其他系统资源被其占用而别的任务程序都无法执行。也就是说，死循环使程序失去正常控制，但它不会使程序控制转入陷阱区，因而软件陷阱无法捕捉它。 时间监视器由两个计数器组成，计数器靠系统时钟(或分频后的脉冲信号)进行计数。当计数器记满时，将由计数器产生一个复位信号，强迫系统复位，使系统重新执行程序。在正常情况下，每隔一定的时间(根据系统应用程序执行的长短来确定)，程序使计数器清零。这样，计数器就不会记满，因而不会产生复位。 Watchdog_Reset4Hz Watchdog_Clear 1324 4Hz Watchdog_Reset 图3.4 SPCE061A 看门狗结构与时序 例如，凌阳单片机SPCE061A的WatchDog的清除时间周期为0.75s。因为WatchDog的溢出复位信号WatchDog_Reset是由4Hz时基信号经4分频之后产生的，即每4个4Hz时基信号(1s)将会产生一个WatchDog_Reset信号。而清除WatchDog的WatchDog_Clear信号却可以发生在4Hz信号(0.25s)之间的任意一个时刻点上。假如WatchDog_Clear信号发生在4Hz信号尾端的0.01s即第0.25s时刻，此时虽然WatchDog被清除掉，但由于它发生在4Hz信号之后，再经3个4Hz信号即0.75s，如果一直没有WatchDog_Clear信号，便会产生出一个WatchDog_Reset信号。如图3.4所示，如果程序运行不正常，例如陷入死循环等，计数器将记满而产生溢出此溢出信号用来产生复位信号，使程序重新开始启动。在编程中，我们只需将0X0001H写入P_WatchDog_Clear单元即可完成清除WatchDog操作，如果在0.75秒内没有将0X0001H写入P_WatchDog_Clear单元，则CPU将进行系统复位操作，即平常我们说的重启系统。看门狗经常用于延时程序中，如 void Delay() { unsigned int j; for(j=0x7fff;j>0;j--); *P_Watchdog_Clear = 0x0001;//清看门狗 } 加入空操作NOP ? 在ROM或RAM的若干区域内，存放若干个空操作组，空操作的个数等于所选CPU芯片最长指令节数。空操作指令NOP除了占用一个存储单元和执行时间外，对CPU的工作状态没有影响。如有选择地在程序某地方插进1,2个NOP指令，也能使PC中的内容得到调整，使程序在受到干扰后回到正确的顺序。插入的位置要在程序调试过程中摸索、分析和实验。一般来说，在对外设端口的操作指令、多字节指令、转移指令、堆栈操作指令前插入NOP指令会得到好的效果。此外，还可以在空操作组之后，再增加处理跑飞的程序，而且让CPU在执行正常程序时，不执行这些指令组。只有当跑飞时才有可能遇到这些指令组。例如: NOP NOP NOP LJMP FF FF:ACALL FLY MOV A,FLG CJNE A,#11H,RSM „„ ? 分段式软件抗干扰 某些时候，控制系统要顺序执行几个不同的主循环通道以完成不同的功能。这时可 在不同主环路内编制抗干扰判别及自恢复功能。这样做可以避免不必要的重复执行，以 保证顺序的完整性。 ? 数字滤波 数字滤波是通过程序设计对单片机数据采集部分输入的信号进行加工处理，以达到 抗干扰的目的。当干扰叠加输入通道的模拟信号时，使数据采集误差加大，特别当输入 通道模拟信号较弱时，此现象更加严重。为了消除数据采集的误差，常用算术平均法、 比较取舍法、一阶滞后滤波法和中值法，可根据信号和干扰的规律，采用最优的设计方 法。 不同的单片机应用系统都有自己的系统要求和特点，在硬件和软件抗干扰设计上也 各有自己的特色。软件抗干扰技术作为硬件抗干扰的补充，以其灵活性、实用性和可靠 性在单片机应用系统抗干扰方面起着举足轻重的作用。在工程实践中通常都是几种抗干 扰技术并用，互相补充，才能取得良好的抗干扰效果。我们在设计单片机应用系统时， 要仔细分析干扰源，软硬件抗干扰技术相结合，完善系统监控程序，则可以保证系统准 确、可靠地运行。 3.4 开发设计单片机应用系统应注意的问题 作为一名电子产品的专业设计人员来讲，开发和设计单片机应用系统除考虑电磁干扰问题之外，还应考虑如下问题: 1. 注意低功耗设计 目前，绿色、环保、节能等词汇越来越频繁地出现在人们的生活中，连GDP都有绿色GDP。对于每个电子产品的设计者来说，都不能不考虑产品的低功耗设计问题。众所周知，各种电子产品的供电方式有两种:一种是电池供电系统;另一种是交流供电系统。对于电池供电系统来说，为了延长电池的使用寿命，必须降低整个系统的功耗。如手机，每隔3-6天就要充电，笔记本电脑充满电最长时间能用7-8小时，最短时间的只能用1-2小时左右。对于交流供电系统来说，虽然没有充电的限制，也是功耗越低越好。两件产品功能相同，但耗电不同，肯定是功耗低者更有竞争力。人类可利用的能源是有限的，而大部分电能都是通过消耗燃料转换而来的，节电也就是节能，节能就是保护人类所居住的环境。 2. 注意单片机外围芯片的温度适应范围 00芯片的温度适应范围，有四个等级为:商业级为0—70C;工业级为—40—85C;汽车 00级为—40—125C;军品级为—55—125C。芯片适应温度的等级越高售价也越高。一般情况下，开发的一般的单片机应用系统部应选工业级芯片，如果使用的环境较为恶劣，通常选用汽车级或军品级。商业级的芯片只是在产品的开发阶段用，成品中不宜采用。 3. 注意应用系统设计完成后的资料整理 单片机应用系统开发完成后，必须做的工作是进行资料的整理。其目的一是为本系统的维护、维修和扩充服务;二是为别的系统提供借鉴。因而单片机应用系统开发完成后，应完成对以下资料的整理和保存。 ? 设计任务书、总体设计的详细方案及系统框图; ? 电路原理图及印制电路板图; ? 程序流程图及有详细注释的源程序; ? 所用电子元器件清单及元器件安装位置图; ? 焊接、组装、调试中注意事项的说明; ? 使用说明书; ? 机械图:产品零件明细表、仪器总装图、部件明细表、外购件明细表。 3.5 单片机应用系统开发实例 3.5.1 智能移动机器人控制系统的设计与实现 (部分源代码见附录A) 1. 智能移动机器人系统的结构与功能 智能移动机器人控制系统的设计与开发主要采用模块化组合设计，采用ATMEL公司的ATMEGA16单片机芯片，同时配合ICCAVR7.01软件开发环境，支持C语言的程序设计。 智能移动机器人硬件主要由直流电机驱动模块、发生器模块、串口通信模块以及无线遥控、循线、寻光、避章等模块组成。 图3.5 智能移动机器人控制系统硬件框图 其主要功能为: ? 红外遥控功能 红外通信采用38K载波传输方式，利用长虹电视机遥控器作为红外遥控的发射装 置，利用串口以及串口调试助手，找出遥控器控制键(前进、后退、左转、右转以及停 止)的编码，通过编程实现控制。 ? 避障功能 由红外发送和接收装置两大部分组成，可以实现自发自收，也可以实现实验板之间 的通信。发送部分发送红外载波，若前面没有障碍物，接受部分不能收到载波，若前面 有障碍物，载波将返回被接受模块接受，于是通过接受模块判断是否收到载波就可以判 断前面是否有障碍物 ? 循线功能 由5路反射式红外光电传感器组成，检测距离可调整范围大，4-10mm范围可用。 ? 寻光功能 主要采用灵敏度较高的光敏电阻，通过LM393将信号放大，返回主控模块。 2. 红外遥控功能 ? 红外遥控工作原理 红外遥控器一体化红外接受头 解码键 盘编码和调制单片机解 调光电放大 图3.6 无线遥控系统框图 通常红外遥控系统由发射和接收两大部分组成。主要应用编/解码专用集成电路芯片来进行操作控制。发射部分由键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器组成;接受部分由光、电转换放大电路、解调以及解码电路组成(如图3.6所示)。在本实验中，接受装置采用TL538B专用集成芯片，发射装置采用长虹电视机遥控器(RK23C)。 ? 遥控信号发射 当发射器按下按键后，即有遥控码发出，所按的键不同遥控编码也就不同，这种遥控码主要具有以下特征: 采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔为0.56 ms、周期为1.125 ms的组合表示二进制的“0”;以脉宽为0.565ms、间隔为1. 685 ms、周期为2. 25 ms的组合表示二进制的“1”，其波形如图3.7所示。 Bit“0”Bit“1” 0.56ms0.56ms 2.25ms1.125ms 图3.7 遥控码的“0”和“1” 上述的“0”和“1”组成的32位二进制码经38kHZ的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的，然后再通过红外发射二极管产生红外线向外界空间发射，如图3.8所示。遥控编码产生的是32位二进制编码，其中前16位是用户识别码，能区别不同的电器设备，防止不同机种遥控码互相干扰，后16位为8位操作码(功能码)及其反码。 Data CodeCustom CodeCustom Code' Data CodeLead code (D0-D7) (C0-C7) (C0'-C7') (D0-D7) 9ms4.5ms 图 3.8 红外发射编码图 遥控器在按键按下后，周期性地发出同一种32位二进制码，周期大约为108ms，一组码本身的持续时间随它包含的二进制“0”“1”的个数不同而不同，大约在45~63ms之间,图3.9为发射波形图。 108ms108ms 32位数据码 引导码连发码连发码 图3.9 遥控连发信号波形 当一个按键被按下超过36ms，振荡器使芯片激活，将发射一组108ms的编码脉冲，这108ms发射代码由一个引导码(9ms)、结果码(4.5ms)、低8位地址码(9ms~18ms)、高8位地址码(9ms~18ms)、8位数据码(9ms~18ms)和这8位数据的反码(9ms~18ms)组成，如果按下超过108ms仍未松开，接下来发射的代码(连续码)将仅由起始码(9ms)和结束码(2.25ms)组成。 2.25ms 9ms4.5ms9ms 图3.10 引导码 图3.11 连发码 ? 遥控信号接受 接受电路使用一种红外接受和放大于一体的红外接受器TL538B，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接受到输出与TLL电平信号兼容的所有工作，而体积和普通的塑料封装三极管大小一样，适合于各种红外遥控盒红外数据传输。 ? 红外遥控电路图 图3.12 TL538B与单片机连接图 ? 红外遥控程序流程图 开始 接受红外按键编码NINT0Data==0xB8INT0Data==0xE2INT0DataYNY INT0Data==0x98小车后退小车左转 Y NINT0Data==0x50INT0Data==0x62小车前进 YY 小车停止小车右转 图3.13 红外遥控程序参考流程图 3. 红外避障功能 ? 红外避障原理 红外避障传感器具有一对红外信号发射与接收信号装置，发射管发射一定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物(反射面)时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，机器人即可利用红外波的返回信号来识别周围环境的变化。 图3.14 发射接受原理图 红外避障信号发射装置(如图3.14所示)主要由555定时器和外界元件R1、R2、C3、C2组成的多谐振荡器构成。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路也不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C3充电，以及C3通过R1向放电端DISCHG放电，使电路产生振荡。电容C3在2/3Vcc和1/3Vcc之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如下图3.16所示。 图3.15 红外发射电路图 图3.16 多谐振荡器的波形图 输出信号的时间参数是:T=t+t w1w2 t0.7 (R+R) C w1=12 t=0.7RC w22 其中，t为Vc由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需的时间，t为电容C3放电所需的时间。 w1w2 注:通过调节WR4可调电阻的阻值，可以增大或减短障碍物距离的检测。 ? 红外避障程序流程图 开始 系统初始化延时3S 开中断 前进 有无障碍物,中断清零设置初值左边,小车左转 等待下次中断小车右转 图3.17 红外避障程序参考流程图 4. 循线功能 ? 循线原理 (a) (b) (c) (d) 图3.18 小车循线示意图 一般情况下，选择三个ST178光电传感器，编号分别为A、B、C，如图3.18所示，B 检测到黑线，而A、C没有检测到，那么机器人小车直行;若A 处于黑线上，B、C 在白 色区域，那么机器人小车左偏以矫正路线;若C 处于黑线上，A、B 在白色区域，则机器 人小车右偏以矫正路线，A 、B 、C 都在黑线上时，机器人小车处于黑线交界处。 ? 循线电路图 图3.19 ST178循线电路图 图3.20 多路通道选择电路图 ? 循线程序流程图 开始 系统初始化小车继续前进 开中断延时 N调用小车前进程序C是否检测到黑线,小车左偏 YNNB是否检测到黑线,A是否检测到黑线,C是否检测到黑线, YY 小车右偏NA是否检测到黑线,C是否检测到黑线, N延时 图3.21 循线程序参考流程图 小车继续前进 小车继续前进 思 考 题 1. 何谓单片机,什么是单片机应用系统,两者是什么关系, 2. 相对于一般的计算机，单片机有哪些优势, 3. 在设计单片机应用系统时，应注意哪些问题,