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电气工程及其自动化专业英语翻译第1页，此课件共50页哦一、背景知识模拟信号和数字信号 （1）模拟信号 信号波形模拟着信息的变化而变化。其特点是幅度连续（连续的含义是在某一取值范围内可以取无限多个数值）。（2）数字信号 其特点是幅值被限制在有限个数值之内，即幅值不是连续的而是离散的。第2页，此课件共50页哦 二、译文 谈论关于我们生活在一个电子学时代的论调是一种空泛的论调。从无处不在的集成电路到同样无处不在的数字计算机，我们在日常活动中总会遇到电子设备和电子系统。在我们日益发展的科技社会的方方面面无论是在科学、工程、医药、音乐、维修方面甚至是在谍报方面电子学的作用是巨大的，而且还将不断增强。一般说来，我们将要涉及到的工作被归结为“信号处理”工作，让我们来探究这个术语的含义吧。第3页，此课件共50页哦信号 信号就是其与时间有关的量值或变化包含信息的任何物理变量。这种信息或许像无线电广播的演讲和音乐，或许是像室内温度的物理量，或许像股市交易记录的数字数据。在电气系统中能够载有信息的物理变量是电压和电流。因此当我们谈到“信号”，我们不言而喻指的是电压和电流，然而，我们要讨论的大多数概念是可以被直接应用于载有不同信息的变量的系统，因此，一个机械系统（在这个系统中力和速度是其变量）或者液压系统（在这个系统中压力和流速是其变量）的性能通常可以用一个等效的电气系统来模拟或表示。因此，我们对于电气系统性能的理解为理解更宽领域的现象打下了一个基础。第4页，此课件共50页哦模拟和数字信号模拟和数字信号 一个信号可以以两种形式来承载信息。在一个模拟信号中电压或电流随时间而产生的连续变化载有信息。在图2-1中，当一对热电偶的接头处于不同的温度时由热电偶所产生的电压就是一个例子。当两个接头之间的温度差改变时，一对热电偶两端的电压也将改变。于是电压就提供了温度差的模拟表现形式。另一种的信号是数字信号。数字信号是在两个离散的范围内能够呈现一定数值的信号。这种信号常用以表示“开关”或“是不是”信息。一个普通的家用恒温器传递一种数字信号来控制炉子。第5页，此课件共50页哦 当房间的温度下降到预定温度以下时，恒温器的开关合上使炉子开始加热；一旦房间的温度上升到足够高，开关就断开使炉子关闭。流过开关的电流提供了温度变化的数字表示：ON即为“太冷”而OFF即为“不太冷”。第6页，此课件共50页哦信号信号处理系统处理系统 一个信号处理系统是某些元件或设备之间的相互连接，这些元件和设备能够接收一个输入信号或一组输入信号，信号处理系统以某种方式来处理这些信号即提取这些信号或提高这些信号的品质，然后在适当的时间以适当的形式把这个信号表示为输出量。第7页，此课件共50页哦 图2-2显示了这样一个系统的组成部分。中间的圆圈代表了两种类型的信号处理（数字和模拟），而处于信号处理框之间的方框表示模拟信号向等效数字形式（A/D即模拟到数字）的转换，以及从数字信号向相应的模拟形式（D/A即数字到模拟）的逆转换。剩下的方框涉及输入和输出取得信号以及从处理系统输出信号。从物理系统获得的很多电气信号是从被称为传感器的器件中输入的。我们已经碰到了一个模拟传感器的例子。即热电偶。它把温度的变化（物理变量）转换成电压（电气变量）。通常，传感器是一种将物理或机械变量转换成等效电压或电流信号的器件。然而，不同于热电偶例子，大多数传感器需要一些形式的电激励以驱动传感器。第8页，此课件共50页哦 一个系统的输出可以有多种形式，这取决于包含在输入信号中的信息所起的作用。我们可以选择何种方式显示这些信息，无论是以模拟形式（例如，使用一种仪表，仪表的指针的位置指明我们所感兴趣的变量的大小）或是以数字形式（使用一套数字显示元件，显示对应于我们所感兴趣的变量的数字）。其它的可能的情况下是将输出转换成声能（利用扬声器），或是将输出作为另一个系统的输入，或是利用输出作为控制信号来产生某个动作。第9页，此课件共50页哦Exercises（48）构建具有对应于不同数字运算的输入输出特性的电子电路的方法有很多种，某些类型的这些电路是以集成电路的形式制造的。具有相同电路类型的集成电路逻辑功能的集合被称为逻辑组合。在每一个逻辑组合中，逻辑输出和逻辑输入的接线路图等同于逻辑流程图（只有电源和接地必须加上）。因此，我们通常选择一个可以在特殊应用中实现所有数字电路的单一的逻辑组合。偶尔第10页，此课件共50页哦我们必须连接由逻辑组合所构造的不同的数字电路，这些数字电路具有相互之间不一致的输入电压和输出电压范围。在这种情况下，我们必须构造另外的电路，这些电路把不同的逻辑组合在接口处连接在一起。第11页，此课件共50页哦第二节 数字系统的布尔代数 第12页，此课件共50页哦一、背景知识布尔代数也称为逻辑代数。它是英国数学家乔治布尔（18151864）于1849年创立的。在当时，这种代数纯粹是一种数学游戏。在布尔代数里，布尔构思出一种关于0和1的代数系数，用基础的逻辑符号系统描述物体和概念。这种代数不仅广泛于概率和统计等领域，更为重要的是，它为数字计算机开关电路设计提供了最重要的数学方法。第13页，此课件共50页哦 二、译文 引言 计算机以及其它数字电子设备中的数学问题已由乔治布朗以及其它许多后继者的决定性的工作得以拓展。这个思想的主体整体被称为符号逻辑，它建立了获取数学证法的基本原理并奇迹般地改变了我们的认识以及数学的范畴。这种很有用的系统中只有一部分内容为我们所应用。布尔等人感兴趣的是推导出一种用来判断某个命题在逻辑上或在数学上是真还是假的系统性的方法，但我们要关注的仅仅是数字设备的输出的正确与否。真或假可以等同于第14页，此课件共50页哦 一和零，或者等同于开和关。这是电子元件中电压的两种唯一的状态。因此，由逻辑门所完成的这个奇异的代数中，只有两种值，一和零，任何代数组合或者计算只能产生这两种值。零和一是二进制运算中唯一的符号。不同的逻辑门和它们之间的相互连接可以用来完成计算以及判断所要求的必要的功能。在开发数 字系统时最简单的做法是把逻辑门以及它们之间的连接根据概念排放在一起 以最直接的方式完成 设定的任务。于是我们采用布尔代数来减小系统的复杂程度，如果可能的话，与此同时应保留其相同的功能。逻辑门之间等效的简单的组合可能使得费用更加便宜而在装配上更加容易。第15页，此课件共50页哦 数字设备的布尔代数法则 布尔代数与任何代数一样具有结合律、交换律和分配律。为了表示代数的特性我们使用变量A,B和C以及诸如此类的变量。为了写出这些可能取值为0或1的各个变量之间的相互关系，我们采用来表示“非A”，因此如果A1，那么0。每个变量的补码用每个变量上方加一横线来表示，B的补码就是也即“非B”。同时还存在两个固定的量。第一个量是单位量，即I1，另外一个量是零，即null0。第16页，此课件共50页哦 布尔代数应用于三种基本类型的逻辑门的运算：一种是或门，一种是与门，还有一种是反相器（非门）。逻辑门的符号和真值表如图23所示，真值表显示与门对应于乘，或门对应于加，而反相器产生其输入变量的补码。我们已经算出对于与门来说 AB=“A AND B”而对与或门来说 A+B=“A OR B”对于“与”，即逻辑乘，以及“或”，即析取，它们的代数形式必须遵循代数组合的三个法则。在接下来的等式中，读者可以把变量A,B,C设为两个第17页，此课件共50页哦 可能的值0和1来证明每个表达式的正确性。例如采用A=0,B=0,C=0，或A=1,B=0,C=0等等，在每个表达式中，结合律表明如何把变量进行重组。对于“与”有（AB）CA（BC）（AC）B而对于“或”有（AB）CA（BC）（AC）B 这个法则表明我们可以采用变量的不同组合而不改变代数表达式的正确性。交换率表明了变量的顺序。对于“与”有ABBA，而对于“或”有ABBA。第18页，此课件共50页哦 这个法则表明了可以如上式所示进行运算的组合和展开。在我们展示数字设备布尔代数的剩下的那个法则之前，让我们通过写出真值表的方式即真值表21来验证对于“与”的分配律。我们将很快发现如何写出等式ABC（AC）（BC），这一等式由真值表证明了是一个正确的展开式。第19页，此课件共50页哦 更为复杂的表达式和它的一次式产生了相等的值。由于二进制逻辑取决于某一代数，其单个变量之和等于一个变量，所以真值表允许我们在代数表达式中找出等效值，我们可以使用真值表来求出一个等效于变量之间较复杂的关系式的一次表达式。如果这样的等效关系存在，我们将很快看到利用真值表以及其它方法以一种系统性的方式如何完成这样一个复杂步骤的简化工作。表21 对于“与”的分配律的真值表第20页，此课件共50页哦 代数中另外的一些关系式，这些式子中使用单位一和零，是没有意义的，这里我们列举了运用分配律后“与”和“或”运算的性质，结果是1永远是1而零永远是0。与：AIA即A1A或：AnullA即A0A与：即或：即 与：Anull0即A00或：AII即A11与：AAA或：AAA第21页，此课件共50页哦 关系式AAI指出了一个重要事实，即I，也就是单位量，是全集，而零被称为空集。我们已经研究了几种逻辑关系。对于电子学的二值布尔代数来说，选择何种方法取决于我们所期望的简化函数的性质。一些简单的函数可以通过观察它们的真值表很容易进行简化；而另一些函数需要通过计算布尔代数来揭示它们的关系。当我们研究有关二进制数相加的电路时，我们将看到需要布尔代数来揭示该特定应用中的简化过程。第22页，此课件共50页哦 第三节 模数转换 第23页，此课件共50页哦一 背景知识 模拟量是随时间连续变化的量，例如温度、压力、速度、位移等非电量绝大多数都是连续变化的模拟量，它们可以通过相应的传感器变换为连续变化的模拟量电压或电流。而数字量是不连续变化的。第24页，此课件共50页哦 在电子技术中，模拟量和数字量的互相转换是很重要的。例如用电子计算机对生产过程进行控制时，首先要将被控制的模拟量转换为数字量，才能送到数字计算机中去进行运算和处理；然后又要将处理得出的数字量转换为模拟量，才能实现对被控制的模拟量进行控制。再如在数字仪表中，也必须将被测的模拟量转换为数字量，才能实现数字显示。第25页，此课件共50页哦 能将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC；能将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC。因此，DAC和ADC是联系数字系统和模拟系统的“桥梁”，也可称为两者之间的接口。第26页，此课件共50页哦二 译文 许多量具有连续值，包括温度、压力、位移、旋度、电压、电流以及光强和声强。对于数字化处理和分析、调整和控制以及记录并将它们量化的数据进行传输这几方面来说，这些值的数字表达形式是很重要的，把这些连续值量化为二进制值的工作被称为模数转换（ADC）。第27页，此课件共50页哦 数模转换是相反的过程，在这个过程中离散值状态的数据被转换成或恢复为连续变量形式。音乐或演讲的光读数字记录的清晰度和保真度以及将这些记录从背景杂音中提取出来是目前的先进技术，但人类的耳朵无法把唱片上的二进制数据记录转换成音乐或演讲，所以从二进制数据到模拟信号的电子转换是必要的。第28页，此课件共50页哦 一些将模拟信号进行采样的方法不能被视为模数转换，因为信号的幅值，即信息内容的一个重要方面没有被转换成二进制形式。在对正弦波进行的简单采样中，幅值是信息内容的必要组成部分。对比来说，从模拟信号到数字信号的转换在每一个采样点都产生了一个二进制数。第29页，此课件共50页哦 传感器是一种元件的名称，这种元件产生了正比于它所反映的物理现象的电压和电流。例如，温度传感器能产生一个与温度相关的电压。在某些情况下这个电压来自于电路中的敏感元件，比如当一个温敏电阻和一个恒电阻组成一个分压器，其电压直接与温度相关。某些传感器直接产生电压，比如说光电元件和压电元件。很多电压源需要将电压放大以便于将它们的模拟值转换成二进制数。第30页，此课件共50页哦模数转换 模数转换只存在两种基本的方法。一种方法是将模拟电压幅值与二进制电压值进行比较，在这个过程中匹配的结果产生了对应于幅值的二进制数。另一种方法是将模拟信号积分并在计算积分大小时采用测量时间（一个给定的时钟脉冲数）来求得某个值以获得一个等效的二进制数，下面讨论的每一个系统采用了这些方法中的一种方法或另一种方法。第31页，此课件共50页哦 在选择一种转换方法或一种转换方法的变化时必须研究两个重要的参数，一个参数是模数转换所要求的精度，另一个参数是转换所允许的速度或时间间隔，这两个参数在本质上是不相容的，因为高精度转换和高速转换很难同时完成。高速或快速模电转换是一个相对的术语，但在数字计算机二进制数据从模拟向数字转换的过程中，“高速”采样间隔是大约十个计算机时钟周期而不是十个一千秒。一个微秒间隔内的转换是中等快的速度但不是极限速度。第32页，此课件共50页哦 由于很多模数转换无需快速，所以有可能获得高精度。然而，获取高精度的复杂性以及费用可能会使我们改变目标。模拟变量转换的预期应用（目标）可能确定了需要何种程度的数字精度。模数转换的精度是由二进制数的位数确立的，这个位数对应于最大值或满量程的模拟值。四位（二进制数）容许0至15等间隔时间内的量化。幅值二进制表示改变一位，对应的模拟量幅值就一定改变了6.25。一个字节（8位）容许的精度为0.4，7位二进制代码对应于近似10的译码精度。第33页，此课件共50页哦数模转换 为了把数字信号转换成模拟信号，我们必须以这种加权方式处理每一位（二进制数），这样一个装置的方框图如图24所示。参考电压源给电压开关提供了一个精确的校准电压。一旦电压源提供给电压开关的校准电压被收到，并且一旦接收到一个转换信号，二进制数据就被锁进寄存器，同时每位就被配置一个加权的电流或电压。这些来自输入寄存器的二进制信号接着提供给电压开关，然后产生一个或两个可能的输出。于第34页，此课件共50页哦是，这个电压开关等效于一个由寄存器产生的二进制信号控制的普通SPDT开关。电压开关（的输出）提供给一个电阻性的加法电路，加法电路把每一位转变为对应的加权电流值，并求出总电流。这个总电流提供给放大器，放大器执行两个功能，即电流向电压的转换并计量，因此D/A转换器的输出电压将是一个正确的值。输入寄存器是一个并联输入、并联输出的元件。转换器的信号被用来锁住输入寄存器的数据，直到下一个转换器信号被接收到为止。第35页，此课件共50页哦 无论A/D还是D/A转换器都具有特定的分辨率，精度，速度以及增益。A/D转换器还有漂移的问题。第36页，此课件共50页哦Exercises（54）双极型反相器是一种基本电路，大多数双极型饱和逻辑电路包括二极管晶体管逻辑电路（DTL）以及晶体管晶体管逻辑电路（TTL）可由这种电路导出。然而，基本的双极型反相器要受到负载效应的影响。二极管晶体管逻辑电路将二极管逻辑电路和双极型反相器结合在一起以使负载效应减小到最低程度。晶体管晶体管逻辑电路，是从DTL电路直接演变而来，这种电路使传输延迟时间缩短，正如我们将展示的那样。第37页，此课件共50页哦 在DTL和TTL电路中，双极型晶体管在截止和饱和之间的区域被驱动。由于晶体管实质上是作为一个开关被使用，所以其电流增益不如放大器电路中的电流增益那么重要。特别地，对于使用在这些电路中的晶体管，假设电压增益在25至50这个范围内。这些晶体管的 带宽不必做得象高增益放大器的晶体管那么严格。第38页，此课件共50页哦第四节 运算放大器一 背景知识 运算放大器（简称运放）是一种包含许多晶体管的集成电路，它是目前获得广泛应用的一种多端器件。一般放大器的作用是把输入电压放大一定倍数后再输送出去，其输出电压与输入电压的比值称为电压放大倍数或电压增益。运放是一种高增益（可达几万倍甚至更高）、高输入电阻、低输出电阻的放大器。由于它能完成加法、积分、微分等数理运算而被称为运算放大器，然而它的应用远远超出上述范围。第39页，此课件共50页哦二 译文引言 运算放大器是一种高增益的差分放大器，它在第二次世界大战期间得到完善，并成为模拟计算机的基础。由于运算放大器被用来解差分方程，因此一段时期内模拟计算机被称为“差分分析器”。运算放大器也是很多重要仪器的主要组成部分。第40页，此课件共50页哦 模拟放大器由基本的差分放大器组成，通过反馈以及其它补偿放大电路实现线性反应、稳定性、来自漂移的自由度以及其它我们所期望的性能。我们要求它具有复杂性，因为运算放大器放大直流以及交流信号，在放大阶段不允许有容性耦合。因此我们很难隔离由温度的变化和电源电压以及其它引起输出电压漂移的因素而产生的长效变化。第41页，此课件共50页哦 在发明了晶体管后，固态运算放大器被引入成为集成电路。现在运算放大器被用来制造高品质、低功率的模拟放大器，因而我们可以在很多应用场合免去了设计单个的晶体管放大器的过程。对于大多数要求放大和很多测量和控制应用的场合，具有反馈电路的简单的运算放大器将满足设计者的需要。以双列直插式封装或以其它密封形式出现的运算放大器做成的集成电路的可用性使模拟信号问题在很多方面类似数字逻辑问题那样得到解决，也就是通过集成电路的相互连接得到解决。第42页，此课件共50页哦运算放大器 图25显示了运算放大器的符号。它有两个输入端：标有正号的为非倒向输入端，而标有负号的为倒向输入端，由运算放大器放大的电压是两个输入端之间的电压。由于开始增益是如此大，从105到106，所以仅仅是几微伏的电压差将产生相当大的输出电压。由于运算放大器是一种差分放大器，因此，在两个输入端必须都连接电压才能使之正常工作。第43页，此课件共50页哦 如果两个不同的正电压分别被加在两个输入端，而且非倒向输入端的电压大于倒向输入端的电压，那么运算放大器的输出端电压将处于最大值（饱和值）。如果电压进行相互交换其相对值也就是，如果倒向输入端的电压大于非倒向输入端的电压运算放大器将产生一个最小的输出，即为饱和负电压。每当相对电压值改变时这种转换就会很快地发生。我们将看到运算器是非常好的电压比较器，因为它在瞬间电压变换时产生很大的电压起伏。此时仅仅几微伏的电压将使先前的电压大小关系产生逆转。第44页，此课件共50页哦 如果运算放大器工作在其线性范围内，在其倒向输入端和非倒向输入端之间必须存在非常小的电压差。在分析运算放大电路时，我们假设由于存在很大的开路电压增益，所以输入端两端的电压差可以忽略不计。在某些场合我们将把电压设为零。当输出信号的一部分返回输入端作为负反馈，电压差就无法增大因为输出改变使输入端的电压差减小。另外两个性质也存在于运算放大器，它们是非常高的输入阻抗，大约106，以及很小的输出阻抗，大约100。这些性质使运算放大器变得有用因为它可以允许信号源用非常小的电流来驱动放大器，反过来，运算放大器可以驱动具有很高信号要求的器件。第45页，此课件共50页哦 概括起来，一个好的运算放大器具有以下特性：1.非常大的大约一百万的开路增益，倒向输入端和非倒向输入端之间相当小的电压差；很高的输入阻抗以及很小的输出阻抗。而一个理想的运算放大器将会有一个无穷大的增益。输入端之间的一个零电位差，一个无穷大的输入阻抗以及一个零输出阻抗。2.很多运算放大器要求两个数值相等但符号相反的供电电压，一个为正而另一为负，典型的值是12V或15V。其它运算放大器可能工作在单端输入电源，比如说15V。运算放大器的有用的输出电压范围等于大约80的供电电压，对于具有双边电源电压15V的运算放大器，输出信号被限制在大约12V。第46页，此课件共50页哦 很多运算放大器都有其局限性，其中有两点需要在这里提到，一个局限性是随着频率的增加其增益下降得很快。在低频阶段如象10Hz那么低电路增益就开始下降（功率在20分贝处开始以每10分贝的速度减小）。增益相对频率的局限性通过负反馈的补偿作用而使频带得以增宽。另外一个局限是大多数运算放大器对输入信号的改变所能起反应的速率。与逻辑门相比较，运算放大器在这个方面的性能不算好，普通运算放大器在大约1v/us的速率时可以改变状态。而一个TTL数字逻辑门从一个状态到另一个状态的翻转大约比这个速度快500倍。第47页，此课件共50页哦 运算放大器的重要性在于使用负反馈网络的优点。同时应用运算放大器和逻辑门的电路因为具有两种技术优势而允许进行数字处理和分析。第48页，此课件共50页哦Exerciese（60）1.运算放大器是一种集成电路，这种电路把两个输入电压的差值进行放大，然后产生一个单一的输出。运算放大器在模拟电子学中很常用，并且它在很多方面与二极管或场效应管一样，可以被视为另一种电子设备。运算放大器这个术语来源于二十世纪六十年代早期电子设备的最初应用。运算放大器与电阻器和电容器连接在一起，被应用在模拟计算机中用来完成数学运算以求解微分方程和积分方程。运算放大器的应用自从早期以来已得到很大的拓展。第49页，此课件共50页哦2.TTL电路的输入晶体管在饱和和反相运行模式之间的区域被驱动，这种晶体管通过从饱和晶体管的基极快速拉动电荷来减少开关时间。为了提高输出阶段的开关速度我们引入了推拉式输出这个环节。最大输出取决于确定输出晶体管工作在饱和区并且确定输出晶体管的集电极电流处于最大值。最大输出值也是一定传输延迟时间的函数。第50页，此课件共50页哦