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当前位置：数字信号的产生
扳着手指计数的
digital计数思路与方法，是信息处理的主流。数字电子机器在电子工程中占有很重要的位置，这些机器以其工作电路来分，大致有以下几种。
1
产生数字信号的电路2
存储数字信号的电路3
处理数字信号的电路4
显示数字信号的电路5
数字-模拟变换电路本章中学习有关产生数字信号的方法及其电路，以及计算存储数字信号（脉冲数）的基本触发器电路
(Flip Flop)。
2.1
振子2.1.1
振子的振动的发生机振子
（Vibrator）是发生机振动的装置。以我们身边的物品举例，如图2.1所示的理发店中电动剪子与道路施工时的打夯器等。数字电路所处理的数字信号是一个脉冲序列，因为是断续的电压或电流，因此也可以认为是电气的振动。
在产生电气振动的装置中，能产生正弦交流波的电路称为振荡器
(oscillator)，产生方波脉冲的电路称为多谐振荡器。(multivibrator)2.1.2
多谐振荡器在图
2.2(b)中，是由2级正弦波合成的波形，其形状与正弦波不同，近似长方形。在图2.2(c)中是基波与3次谐波，及5次谐波合成的波形，更似近于长方形。用基本正弦波（基波）与多个具有其奇数倍频率的正弦波（称为高次谐波）合成时，可产生完全的正弦波。这样，称方波发生电路为多谐振荡器。
多谐振荡器的种类与用途如下：
1
自激多谐振荡器：产生方波振荡器。2
双稳态多谐振荡器：计算脉冲数，3 存储数字信号。4
单稳态多谐振荡器：波形整形，5 延迟脉冲时间。2.2
自激多谐振荡器2.2.1
不会停止的多谐振荡器自激多谐振荡器
(astable multivibrator)又称自由型或不稳定多谐振荡器，是不间断产生方波脉冲的振荡器。电路的工作原理如图
2.4所示，2个晶体管都作为控制对方的开关而工作。其结果Tr1和Tr2交叉重复ON、OFF，产生、送出持续的方波脉冲。这个工作原理与汽车的发动机不断重复4个冲程，不断旋转相似，所以又称为自由型多谐振荡器。现在电子机器在实际应用时，大多是用
IC（集成电路）组成的多谐振荡器。当然IC的内部，与以上所说的晶体管电路的工作原理相同。2.2.2
放大电路与开关电路工作点的区别图
2.6(a)中所示的放大电路与图2.6(b)所示的开关电路在表面上看是相同的，不同点是其工作点的设定。即图2.6(c)所示的开关ON时，要使IC达到饱和，必须设定很大IB。也即，晶体管的工作点如图
2.6(c)所示，要达到ON、OFF时的负载线的两极端，必须设定基极电流IB。这样，可使图2.7(a)所示的晶体管的C-E间工作，如图2.6(b)所示的开关一样动作，可以产生方波脉冲。2.2.3
通过CR产生延迟的开关电路为了理解自激多谐振荡器的振荡原理，首先，分别研究每一个动作过程，探讨延迟（动作延迟）的原因。
（
a）?/FONT>第1过程：充电 电源开关一旦ON，则如图2.8(a)所示，在晶体管的基极，有对电容充电的电流ICC与通过基极电阻RB的IB流通，晶体管处于ON状态。因此集电极电压接近于零。即为低电平电压。电容充电需要时间约4CRL1，在图2.8(a)情况时约0.4秒充电完成。（
b）?/FONT>第2过程：转换-1 信号开关ON时，如图2.8(b)所示，电容C的电压相当于在晶体管的B-E间加上一个反向偏置，因此，晶体管在“一瞬间变为OFF”。集电极电压成为高电平。(c) 第3过程：放电 电容C的电荷，通过图2.8(c)所示的电路放电。这个期间，有反向偏置，所以基极电流IB不流通，晶体管维持于OFF状态。经过约0.7CRB[秒]后，放电结束。在图2.8(c)的情况下，放电的完成时间为0.7?0?0－6?50?03,约3.5秒。
(d) 第4过程：转换-2 C放电一结束，加在晶体管基极上的反向偏置电压消失，因而如图2.8(d)所示，IB流通，晶体变成ON，这样集电极电压再次回到低电平。
(e) 时间流程图 随着时间的变化，有2个以上的现象，其保持某种关系而变化，表示这种变化关系的称为时间流程图。
图2.9即示出了根据上述的4个过程，电路各部分动作有什么变化的时间流程图。这里，希望特别注意的是用信号开关所产生的输入电压电平与输出电压电平的变化关系。
2.2.4 自激多谐振荡器的自由振荡和脉冲宽度
在图2.8所示电路情况下，如果没有其他条件，其动作将不再继续进行。但是，如图2.10(a)一样，将2组电路组合起来，形成闭合电路时，其各自信号开关的作用，由对方的晶体管来承担，2个晶体管交叉地进行ON、OFF动作。图2.10(b)是表示其动作的时间流程图。
这里，若计算脉冲宽度与脉冲间隔，根据图2.10(a)的数值，可得到：
脉冲宽度：tp≈0.7C2RB2=0.7??0－6?50?03=0.35秒
脉冲间隔：tk≈0.7C1RB1=0.7??0－6?50?03=0.7秒
脉冲重复周期：T=tp+tk=1.05秒
上面计算式中乘0.7的理由，如图2.11所示。即在放电开始的瞬间，放电通路上加有2E（=E+VCC）的电压，加快了电容器C的放电，经过时间常数的0.7倍放电结束。（在1.6节中已经说明，如果放电电路不包括电池，仅为C与R，放电结束时间约4CR）。
2.2.5 计算机的时钟脉冲
在计算机那样复杂的数字电路中，如果信号的流动有快有慢，电路就可能不能正常工作。这样，就要求配合时间变化产生有正确时间间隔的定时脉冲，使信号正确通过各个电路。这与乐团演奏时，要与指挥者的节拍合拍，使演奏的各种乐器间没有时间差错，进行和谐的表演一样。
这个依正确的时间间隔所产生的脉冲称为时钟脉冲，由自激多谐振荡器产生。
2.2.6 将方波脉冲输入到微分电路中
如图2.12(a)所示，积分电路与微分电路（参见1.6.1节）有相辅相成的关系，其关系如图2.12(b)所示。例如，向电容电荷充电时，随着时间的推移，VC增加部分正好是VR的减少部分。因此，微分电路的电压变化，同积分电路相同，也用时间常数来决定。
图2.12(c)是对RC微分电路加上方波脉冲时的输出波形。时间常数RC越小，输出则是越来越锐的波形。这类波形称为触发脉冲，常用作“起动信号”。
2.3
双稳态多谐振荡器2.3.1 杠杆式多谐振荡器
双稳态多谐振荡器(bistable multivibrator)又称触发器（Flip Flop）或称双稳态多谐振荡器，是输入脉冲信号得到方波信号的电路。
双稳态多谐振荡器简单地说，如同儿童乐园里看到的跷跷板，跷跷板的玩法是，在低位置上的小孩用力蹲踩地面（相当于输入脉冲），2人的位置就逆转。如果2个小孩不再蹲踩地面，则跷跷板的动作就停止了（如图2.13）。
双稳态多谐振荡器是由2个晶体管组合而成，一方是ON时，另一方一定是OFF。如没有输入信号，则一直维持稳定的状态。2个晶体管在各种情况下作用均相同，因此，称为双稳态多谐振荡器。前述的自激多谐振荡器因为没有这样的稳定点，所以ON、OFF的动作不断地交叉进行。
双稳态多谐振荡器的应用电路大多作为“2进制的计数”电路和“存储信号”电路，说它占有计算机内半数以上的数量也不算过份。
从工作原理对多谐振荡器进行分类，有自激、单稳态、双稳态等，当作为双稳态多谐振荡器应用时，一般称为触发器。因此，在本书第3章以后的应用电路中，双稳态多谐振荡器称为触发器或FF。
2.3.2 电路的动作
图2.15是使晶体管做开关动作的电路，信号开关SW在OFF时，如图2.15(a)所示，晶体管Tr为ON。SW在ON时，如图2.15(b)所示，Tr为OFF。无论如何，SW不发生动作时，Tr维持原状态，是一个稳定的电路。
图2.16是双稳态多谐振荡器电路，是图2.15的组合。电源开关ON时，两个晶体管中的一个为ON，这里，假设Tr2为ON，Tr1为OFF。表示这个电路工作情况如图2.17(a)所示。
当信号开关SW在一瞬间ON时，晶体管Tr1、Tr2同时通过二极管，集电极与发射极之间短路。这时，Tr2因为是ON状态，D2即使短路，集电极电压也没有任何变化。但是，Tr1因为D1短路（ON），集电极电压在瞬间为零，其变化如图2.17(b)所示，经过这个循环过程，晶体管的开关动作反转一次。
再一次为信号开关SW一瞬间ON，D1不产生影响，而由于D2，Tr2被短路，电路的工作状态由图2.16(b)变化为图2.16(a)的状态。这样，每操作一次信号开关，晶体管的状态就反转。这时的工作状态和电压波形如图2.18所示。
2.3.3 触发脉冲和加速电容
图2.15中信号开关的操作如果不是一瞬间完成，而是稍稍长时间的保持ON时，晶体管的ON，OFF动作的反转在中途即停止，其原因如图2.19所示。图2.19中设Tr1：OFF，Tr2：ON（图2.17(a)）的状态，这时，SW为ON时，则与图2.17(b)的情况相同，由于二极管D1为ON，Tr2的集电极电压为零。其结果，Tr2从ON反转为OFF。但是，这时“SW保持ON”状态，因为D2为ON，Tr2的集电极电压“保持为零”，因此，动作在这里就不再进行下去了。
为了使晶体管的反转动作能够顺利完成，必须要有狭窄的脉冲，这样的脉冲称为触发脉冲。触发脉冲如同第1章中说明那样由微分电路产生。
另外，图2.16中，用虚线所表示的电容C，称为加速电容，是为了使晶体管的反转动作能“快速、准确地”进行。
双稳态多谐振荡器，其典型的组成如图2.14所示。
2.4
单稳态多谐振荡器2.4.1 “只有一次”的多谐振荡器
单稳态多谐振荡器(monostable multivibrator)又称one shot或一稳态多谐振荡器。这是每输入一个触发脉冲，则输出一个方波的电路。
One shot是指发射一粒子弹，因此也是指输入一个触发脉冲，输出1个方波。
这个电路是用自激多谐振荡器与双稳态多谐振荡器各一半合成，只有一个稳定状态。这种电路用于防振颤、波形整形、信号延迟等情况。
2.4.2 电路的动作和使用例子
在图2.21中，晶体管Tr1（双稳态多谐振荡器的1/2）上，一有输入，无论ON、OFF均可维持稳定的状态。但是晶体管Tr2(自激多谐振荡器的1/2)只有ON时，是稳定的状态，即使有短时间OFF，也一定回到ON。这两者组合时，Tr2为ON，在这个影响下，Tr1为OFF状态。
当触发脉冲输入到电路，Tr1的偏置电路二极管为ON，Tr1的集电极电压为零。在这个影响下，Tr2变为OFF。因此，Tr2的集电极电压由零变为高电平，这样Tr1固定为ON状态。但是当电容C2的电荷放电结束，Tr2脱离Tr1的影响，回到ON，Tr1也为OFF，且保持这个状态。C2的放电时间（0.7C2R[秒]）为脉冲宽度。
Tr1在ON期间，再有触发脉冲输入，其电路状态也不变化。这个性质可应用于吸收振颤的电路（图2.22(b)）。
另外，还可以将触发脉冲这种细脉冲整形到具有一定宽度的方波来应用。而且，将单稳态多谐振荡器的输出方波通过CR电路进行微分时，能够使触发脉冲延迟0.7C2R[秒](相当于脉冲宽度)。
2.5
脉冲宽度与占空比2.5.1 脉冲宽度与占空比的计算
在讲解自激多谐振荡器的一节中，已经计算过脉冲宽度和重复周期，这里以图2.25为例，再计算一次。
脉冲宽度：tp≈0.7C2RB2=0.7?.004?0－6?50?03=0.7ms
脉冲间隔：
tk≈0.7C1RB1=0.7?.016?0－6?50?03=2.8ms重复周期：
T=tp+tk=0.7+2.8=3.5ms占空比：
D=tp/T=0.7/3.5=1/5占空比
D又称冲击系数，用脉冲宽度tp与重复周期T的比表示。根据这种计算，前节双稳态多谐振荡器中学到的触发脉冲的占空比
D是相当小的。2.5.2 脉冲性能的掌握方法
图2.23(a)所示脉冲是理想脉冲的形状，实际上是做不到的。
例如，即使自激多谐振荡器的输出是如图2.26(a)所示的方波，当用示波器扩大其时间轴来观察时，则如图2.26(b)所示，在方角部分，呈现圆角现象。再扩大来看时，如图2.26(c)所示，前沿上升部分也呈现倾斜。
这样，在严密地把握脉冲的性能时，脉冲宽度与占空比控制在什么数值不明确（如图2.27(a)）。这里为更方便把握脉冲性能，有图2.27(b)所示的定义。
另外，大家已经看到触发脉冲的宽度相当狭窄，脉冲的宽度相当难测定，用时间轴扩大的示波器来观察，就看到如图2.24所示的照片一样。因此，用图2.27(b)的定义，这个照片上的脉冲宽度为0.07ms。
2.5.3
如果通过电路，2.5.4 方波角就变圆
多谐振荡器的输出脉冲如前节说明的那样，方角多少有些圆，即使如此还是近似于正方形。
但是计算机等的电子电路主要是由半导体、电阻及电容构成，而电路本身也存在电阻、电容及电抗的成分。因此，信号脉冲通过电路时，受积分电路、微分电路的影响，变成具有圆角的脉冲形状。
也即通过电子电路的脉冲，除了用多谐振荡器整形外，要失去原来形状。因此，如图2.28(b)所示，上升及下降均为平坦的脉冲，可认为是正常的脉冲。
然而，失去原来形状的脉冲也可能给电路工作带来危害，因此在脉冲处理上用图2.28(b)进行定义。为说明电路的工作，上升及下降部分用图2.28(c)中所示的名称。
图2.28(d)所示的各种波形也是脉冲的一部分。
本章小结
Tr1、Tr2、Tr3：2SC-372、2SC-735等，其集电极电流为200mA左右，为npn型Tr4：2SC-4249、2SD-288,当使用能流过5A集电极电流的npn型晶体管时，哪种型号均可
注1． Tr4要散热，注2． 可直接接在外壳上（要使用绝缘物）
注3． 电灯闪亮时间的调整用C1、C2来进行
D2：RD-2A或用3只可通过约10mA的二极管串联已经接触到的多谐振荡器及其电路，大部分是应用广泛的数字电子机器、计算机的主要基本电路，为了加深理解多谐振荡器的工作原理，试着制作一个闪光装置。
该装置在汽车后部的窗口处或放在路上，在对汽车轮胎等进行修理时，作为警告灯利用。
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