【正文】 Unit 1 電子學(xué)：模擬和數(shù)字Unit 11第一部分：理想運(yùn)算放大器和實(shí)際限制為了討論運(yùn)算放大器的理想?yún)?shù)，我們必須首先定義一些指標(biāo)項(xiàng)，然后對(duì)這些指標(biāo)項(xiàng)講述我們所認(rèn)為的理想值。第一眼看運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)表，感覺好像列出了大量的數(shù)值，有些是陌生的單位，有些是相關(guān)的，經(jīng)常使那些對(duì)運(yùn)放不熟悉的人感到迷惑。對(duì)于這種情況我們的方法是花上必要的時(shí)間有系統(tǒng)的按照列出的次序閱讀并理解每一個(gè)定義。如果沒有對(duì)每一項(xiàng)性能指標(biāo)有一個(gè)真正的評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)人員必將失敗。目標(biāo)是能夠依據(jù)公布的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)電路，并確認(rèn)構(gòu)建的樣機(jī)將具有預(yù)計(jì)的功能。對(duì)于線性電路而言，它們與現(xiàn)在的復(fù)雜邏輯電路結(jié)構(gòu)相比看起來較為簡單，（因而在設(shè)計(jì)中）太容易忽視具體的性能參數(shù)了，而這些參數(shù)可極大地削弱預(yù)期性能。現(xiàn)在讓我們來看一個(gè)簡單但很引人注意的例子。考慮對(duì)于一個(gè)在50kHz頻率上電壓增益為10的放大器驅(qū)動(dòng)10kW負(fù)載時(shí)的要求。選擇一個(gè)普通的帶有內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)牡蛢r(jià)運(yùn)放，它在閉環(huán)增益為10時(shí)具有所要求的帶寬，并且看起來滿足了價(jià)格要求。器件連接后，發(fā)現(xiàn)有正確地增益。但是它只能產(chǎn)生幾伏的電壓變化范圍，然而數(shù)據(jù)卻清楚地顯示輸出應(yīng)該能驅(qū)動(dòng)達(dá)到電源電壓范圍以內(nèi)2到3伏。設(shè)計(jì)人員忽視了最大輸出電壓變化范圍是受頻率嚴(yán)格限制的，而且最大低頻輸出變化范圍大約在10 kHz受到限制。當(dāng)然，事實(shí)上這個(gè)信息也在數(shù)據(jù)表上，但是它的實(shí)用性并沒有受到重視。這種問題經(jīng)常發(fā)生在那些缺乏經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員身上。所以這個(gè)例子的寓意十分明顯：在開始設(shè)計(jì)之前總要花上必要的時(shí)間來描寫全部的工作要求。關(guān)注性能指標(biāo)的詳情總是有益的。建議下面列出的具體的性能指標(biāo)應(yīng)該考慮：1. 在溫度，時(shí)間和供給電壓下的閉環(huán)增益的精確性和穩(wěn)定性2. 電源要求，電源和負(fù)載阻抗，功率消耗3. 輸入誤差電壓和偏置電流，輸入輸出電阻，隨著時(shí)間和溫度的漂移4. 頻率響應(yīng)，相位偏移，輸出變化范圍，瞬態(tài)響應(yīng)，電壓轉(zhuǎn)換速率，頻率穩(wěn)定性，電容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)，過載恢復(fù)5. 線性，失真和噪聲6. 輸入，輸出或電源保護(hù)要求，輸入電壓范圍，共模抑制7. 外部補(bǔ)償調(diào)整要求不是所有的指標(biāo)項(xiàng)都是有關(guān)的，但要記住最初就考慮它們會(huì)更好，而不要被迫返工。所有參數(shù)可以大范圍變化不要忽略這樣一個(gè)事實(shí)。有多少次是在用典型值設(shè)計(jì)好電路后發(fā)現(xiàn)（該電路）只是因?yàn)槭褂玫钠骷坏湫投荒芄ぷ?？這就提出一個(gè)棘手的問題：在設(shè)計(jì)中何時(shí)應(yīng)該使用典型值，何時(shí)應(yīng)該使用最不利值？這是經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員也必須進(jìn)行的判斷。顯然，如果某些性能要求是強(qiáng)制性的，則一定要用最不利情況下的數(shù)值。然而在許多情況下某一規(guī)定性能是否可以取得將在易實(shí)現(xiàn)性，重要性，經(jīng)濟(jì)性之間取得折中。不超指標(biāo)設(shè)計(jì)或超安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)最后，我們將受制于價(jià)格因素，因?yàn)闅㈦u用牛刀實(shí)在是沒有意義的。簡單極為重要，因?yàn)橛幂^少元器件實(shí)現(xiàn)（的電路）總是更便宜也更可靠。作為最不利情況設(shè)計(jì)的例子，考慮一個(gè)低增益直流傳感器放大器，要求將電壓源輸出的10mV信號(hào)放大，產(chǎn)生1V的輸出，在0~70176。C范圍內(nèi)達(dá)到177。1%的精度。注意，性能要求是177。1%的精度。這就是指輸出必須在0~70176。C溫度范圍內(nèi)控制在1 V 177。10 mV的限度內(nèi)。第一步，當(dāng)然是考慮前面的列表，并決定其中哪些參數(shù)是有關(guān)的。對(duì)這樣（非常有限）的參數(shù)，兩項(xiàng)最重要的指標(biāo)是電壓偏移和對(duì)于溫度的增益穩(wěn)定性。我們假設(shè)所有的起始誤差可以忽略不計(jì)（這在實(shí)際中是幾乎不可能的）。經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員會(huì)知道大多數(shù)運(yùn)放具有極大的開環(huán)增益，經(jīng)常遠(yuǎn)大于10000。閉環(huán)增益177。1%的變化意味著環(huán)路增益（將在下面說明）的變化在閉環(huán)增益為100時(shí)應(yīng)該小于177。100%。很明顯這將十分容易實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員會(huì)立刻知道計(jì)算中他可以使用開環(huán)增益的典型值。但是，補(bǔ)償電壓偏移卻有所不同。許多運(yùn)放技術(shù)指標(biāo)僅僅給出補(bǔ)償電壓偏移的典型值，這很可能會(huì)在5mV/176。C的數(shù)量級(jí)，而未給出任何器件可以達(dá)到的最大值30mV/176。C。如果我們碰巧使用的是一個(gè)有最不利偏移的器件， mV，占所有誤差源所產(chǎn)生的總的允許誤差的相當(dāng)大一部分。這就是我們可以肯定可使用開環(huán)增益典型值的情況，不過最大漂移很可能導(dǎo)致相當(dāng)大的誤差。在仔細(xì)的設(shè)計(jì)中這種判定是必要的，而且理解廠商的數(shù)據(jù)要更加仔細(xì)。這種考慮必須推廣到前面列出的所有詳細(xì)資料，除了最不利值通常是不會(huì)注明的。經(jīng)常發(fā)現(xiàn)（技術(shù)規(guī)格表上）給出的值并非是經(jīng)過100％測(cè)試的。例如，采用統(tǒng)計(jì)測(cè)試可以保證90％的器件的性能在給定范圍之內(nèi)。對(duì)于某些用戶可能很不方便，他們依賴于技術(shù)指標(biāo)所給出的性能，而隨后發(fā)現(xiàn)卻有“另外”10% 的器件被用在了他們的電路中。Unit 12第二部分：數(shù)據(jù)寄存器和計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器是寄存器中最簡單的類型，它可以用來暫時(shí)存放數(shù)據(jù)的一個(gè)“字”。其最簡單的形式是由共用一個(gè)時(shí)鐘的一組N 個(gè)D觸發(fā)器組成。N比特?cái)?shù)據(jù)字中的所有位數(shù)通過N條數(shù)據(jù)總線連接數(shù)據(jù)寄存器。由于所有觸發(fā)器同時(shí)改變狀態(tài)，所以這種數(shù)據(jù)寄存器稱為是同步器件。 四位D寄存器移位寄存器用于計(jì)算機(jī)和許多其它類型邏輯電路的另一種普通寄存器是移位寄存器。它就是一組觸發(fā)器（通常是D鎖存器或RS觸發(fā)器）聯(lián)在一起，使其中一個(gè)觸發(fā)器的輸出成為下一個(gè)的輸入，依此形成一串。它稱為移位寄存器，因?yàn)閿?shù)據(jù)在每一個(gè)時(shí)鐘脈沖的作用下通過寄存器移動(dòng)一位。 四位串行輸入串行輸出的移位寄存器在第一個(gè)時(shí)鐘脈沖的前沿，“DATA”輸入端的信號(hào)被鎖存在第一個(gè)觸發(fā)器中。在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的前沿，第一個(gè)觸發(fā)器的內(nèi)容被存放到第二個(gè)觸發(fā)器中，而出現(xiàn)在“DATA”輸入端的信號(hào)則存放在第一個(gè)觸發(fā)器中，依此類推。由于每次有一位數(shù)據(jù)進(jìn)入，因此被稱為串行輸入移位寄存器。由于僅有一個(gè)輸出，每次從移位寄存器輸出1比特?cái)?shù)據(jù)，因此也稱為串行輸出移位寄存器。（移位寄存器根據(jù)它們的輸入輸出方式命名，不是串行的就是并行的）。通過預(yù)置和清除觸發(fā)器輸入端可以提供并行輸入。觸發(fā)器的并行加載可以是同步的（也就是由時(shí)鐘脈沖發(fā)生），或者異步的（不依賴于時(shí)鐘脈沖），取決于移位寄存器的設(shè)計(jì)。 四位串行輸入并行輸出的移位寄存器計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的通信一般都是串行的，而計(jì)算機(jī)內(nèi)部的計(jì)算通常都是用并行邏輯電路來執(zhí)行的。移位寄存器可以將信息從串行形式轉(zhuǎn)換成并行形式，反之亦然。根據(jù)所要求的復(fù)雜程度，可以利用許多不同種類的移位寄存器。計(jì)數(shù)器——二進(jìn)制數(shù)字的加權(quán)編碼在某種意義上，移位寄存器可以看作是一種基于一元數(shù)字系統(tǒng)的計(jì)數(shù)器?？上У氖且粋€(gè)一元計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)范圍內(nèi)對(duì)于每一個(gè)數(shù)字需要一個(gè)觸發(fā)器。然而，一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器只需要一個(gè)觸發(fā)器就可以進(jìn)行N位數(shù)據(jù)計(jì)算。一個(gè)簡單的二進(jìn)制加權(quán)計(jì)數(shù)器可用T觸發(fā)器來構(gòu)建。觸發(fā)器依次相連，使一個(gè)觸發(fā)器的輸出作為下一個(gè)的時(shí)鐘，依此類推。這樣，觸發(fā)器在鏈中的位置決定了它的權(quán)重，即對(duì)于二進(jìn)制計(jì)數(shù)器而言就是它所對(duì)應(yīng)的2的冪。（模八）二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。注意，一組接在Q0, Q1, Q2上的燈泡將以二進(jìn)制（模8）形式顯示第一個(gè)脈沖以來已完成的完整時(shí)鐘脈沖數(shù)。根據(jù)需要很多T觸發(fā)器組合起來構(gòu)成許多位數(shù)的計(jì)數(shù)器。注意在這種計(jì)數(shù)器中，每一個(gè)觸發(fā)器在前一個(gè)觸發(fā)器送來的脈沖下降沿改變狀態(tài)。因此將略有時(shí)延，這是由一個(gè)觸發(fā)器改變狀態(tài)到下一個(gè)觸發(fā)器改變狀態(tài)之間的傳播延遲造成的，即狀態(tài)變化像波紋一樣傳過計(jì)數(shù)器，因而這些計(jì)數(shù)器被稱為波紋計(jì)數(shù)器。就像波紋進(jìn)位加法器一樣，傳播延時(shí)會(huì)對(duì)大數(shù)值計(jì)數(shù)器造成嚴(yán)重影響?？梢酝ㄟ^制作或購買單片芯片計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的遞增計(jì)數(shù)、遞減計(jì)數(shù)或者預(yù)置任何你想要的數(shù)字。一個(gè)計(jì)數(shù)器也可以構(gòu)造出二—十進(jìn)制、十二進(jìn)制或者任何進(jìn)制數(shù)的計(jì)數(shù)器。一個(gè)倒計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)器可以通過將輸出連接到前一級(jí)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入來實(shí)現(xiàn)。利用預(yù)置和清零端，通過用與門將每一個(gè)T觸發(fā)器的輸出與另一個(gè)邏輯電平作邏輯運(yùn)算（比方說0為倒計(jì)數(shù)，1為正計(jì)數(shù)），則可構(gòu)成可預(yù)置的可逆二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。同步計(jì)數(shù)器以上介紹的是異步計(jì)數(shù)器，這樣叫是因?yàn)樗麄兊臓顟B(tài)隨前一級(jí)的狀態(tài)變化而變化，而非同時(shí)變化。一個(gè)觸發(fā)器的輸出是下一個(gè)的輸入，因而狀態(tài)的變化以波動(dòng)形式通過各個(gè)觸發(fā)器，所需時(shí)間與計(jì)數(shù)器的長度成正比。可以利用JK觸發(fā)器來設(shè)計(jì)同步計(jì)數(shù)器，所有觸發(fā)器同時(shí)改變狀態(tài)，即時(shí)鐘脈沖將同時(shí)送給每一級(jí)JK觸發(fā)器。這很容易做到，對(duì)于二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，只要所有前面的數(shù)字都是1，任何給定的數(shù)字都會(huì)改變它的值（從1變?yōu)?，或者從0變?yōu)?）。一個(gè)倒計(jì)數(shù)定時(shí)器可通過將輸出端通過與門連接到J和K端實(shí)現(xiàn)。也可以設(shè)置預(yù)置和清零功能，像前一種一樣，計(jì)數(shù)器也可以做成可編程的。同步計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖類似于異步（波紋）計(jì)數(shù)器，除了波動(dòng)時(shí)間現(xiàn)在為零以及所有計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘同時(shí)輸入之外。對(duì)于同步計(jì)數(shù)器而言，在時(shí)鐘上升沿觸發(fā)比在下降沿觸發(fā)更為常見。Unit 13第三部分：鎖相特性鎖相環(huán)包含三個(gè)組成部分（）：— 相位檢測(cè)器（PD）。— 環(huán)路濾波器?！?壓控振蕩器（VCO），其頻率由外部電壓控制。相位檢測(cè)器將一個(gè)周期輸入信號(hào)的相位與壓控振蕩器的相位進(jìn)行比較。相位檢測(cè)器的輸出是它兩個(gè)輸入信號(hào)之間相位差的度量。差值電壓由環(huán)路濾波后，再加到壓控振蕩器上。壓控振蕩器的控制電壓使頻率朝著減小輸入信號(hào)與本振之間相位差的方向改變。當(dāng)鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時(shí)，控制電壓使壓控振蕩器的頻率正好等于輸入信號(hào)頻率的平均值。對(duì)于輸入信號(hào)的每一周期，振蕩器輸出也變化一周，且僅僅變化一周。鎖相環(huán)的一個(gè)顯而易見的應(yīng)用是自動(dòng)頻率控制（AFC）。用這種方法可以獲得完美的頻率控制，而傳統(tǒng)的自動(dòng)頻率控制技術(shù)不可避免地存在某些頻率誤差。為了保持鎖定環(huán)路所需的控制電壓，通常要求相位檢測(cè)器有一個(gè)非零的輸出，所以環(huán)路是在有一些相位誤差條件下工作的。不過實(shí)際上對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)良好的環(huán)路這種誤差很小。一個(gè)稍微不同的解釋可提供理解環(huán)路工作原理的更好說明。讓我們假定輸入信號(hào)的相位或頻率上攜帶了信息，并且此信號(hào)不可避免地受到加性噪聲地干擾。鎖相接收機(jī)的作用是重建原信號(hào)而盡可能地去除噪聲。為了重建原始信號(hào)，接收機(jī)使用一個(gè)輸出頻率與預(yù)計(jì)信號(hào)頻率非常接近的本機(jī)振蕩器。本機(jī)振蕩和輸入信號(hào)的波形由相位檢測(cè)器比較，其誤差輸出表示瞬時(shí)相位差。為了抑制噪聲，誤差在一定的時(shí)間間隔內(nèi)被平均，將此平均值用于建立振蕩器的頻率。如果原信號(hào)狀態(tài)良好（頻率穩(wěn)定），本機(jī)振蕩器只需要極少信息就能實(shí)現(xiàn)跟蹤，此信息可通過長時(shí)間的平均得到，從而消除可能很強(qiáng)的噪聲。環(huán)路輸入是含噪聲的信號(hào)，而壓控振蕩器輸出卻是一個(gè)純凈的輸入信號(hào)（的復(fù)本）。所以，有理由認(rèn)為環(huán)路是一種傳輸信號(hào)并抑制噪聲的濾波器。環(huán)路濾波器有兩個(gè)重要的特性：其一是帶寬可以非常窄，其二是濾波器能自動(dòng)跟蹤信號(hào)頻率。自動(dòng)跟蹤和窄帶的特點(diǎn)說明了鎖相接收機(jī)的主要用途。窄帶能夠抑制大量的噪聲，難怪鎖相環(huán)路常用來恢復(fù)深深地淹沒在噪聲中的信號(hào)。歷史與應(yīng)用關(guān)于鎖相的早期論述（思想）是Bellescize于1932年提出的，并在處理無線電信號(hào)同步接收中得到應(yīng)用。20世紀(jì)20年代開始使用超外差接收機(jī)，但人們一直努力尋求更簡單的接收技術(shù)。一種方法就是同步接收機(jī)或零差接收機(jī)。這種接收機(jī)本質(zhì)上只是由一個(gè)本機(jī)振蕩器，一個(gè)混頻器和一個(gè)音頻放大器組成。為了正常工作，必須調(diào)節(jié)振蕩器使其輸出頻率與輸入的信號(hào)載波頻率完全一致，于是載波被變換成0Hz的“中頻”?；祛l器輸出含有解調(diào)出來的，由信號(hào)邊帶攜帶的信息。干擾與本地振蕩器不同步，因此由干擾信號(hào)引起的混頻器輸出是一個(gè)拍音，可用音頻濾波器加以抑制。對(duì)于同步接收，本振的正確調(diào)諧至關(guān)重要，任何一點(diǎn)頻率誤差都將嚴(yán)重?fù)p壞信號(hào)。此外，本振的相位必須與接收的載波相位一致，其間的誤差限于周期的很小一部分。就是說，本振與輸入信號(hào)之間必須實(shí)現(xiàn)相位鎖定。由于各種原因簡單的同步接收機(jī)從未廣泛應(yīng)用過?，F(xiàn)在鎖相接收機(jī)幾乎無例外地運(yùn)用超外差原理，并趨于高度復(fù)雜化。鎖相接收機(jī)最重要的應(yīng)用之一是接收來自遙遠(yuǎn)的宇宙飛行器的極微弱信號(hào)。鎖相技術(shù)的首次廣泛使用是在電視接收機(jī)中的行和幀的同步掃描。與視頻信號(hào)一起傳送的脈沖發(fā)出電視圖像每一行的開始信號(hào)和隔行掃描的半幀開始信號(hào)。作為一種非常粗糙的重建電視顯象管掃描光柵的方法，這些脈沖可以剝離出來單獨(dú)用于觸發(fā)一對(duì)單掃描發(fā)生器。一個(gè)較為復(fù)雜的途徑是利用一對(duì)自由振蕩的張弛振蕩器驅(qū)動(dòng)掃描發(fā)生器。用這種方法，即使失去同步（消失），掃描還是存在的。將振蕩器的自由振蕩頻率設(shè)置得略低于水平和垂直（掃描）脈沖頻率，剝離出來的脈沖用于提前觸發(fā)振蕩器從而使振蕩器與行頻和半幀頻同步（由于美國電視在交替的垂直掃描時(shí)進(jìn)行隔行交織，所以是半幀頻）。在噪聲不存在的情況下這種方案可提供良好的同步，這就完全可以了。不幸的是噪聲總是存在的，并且任何觸發(fā)電路對(duì)噪聲都是特別敏感的。在極端情況下觸發(fā)掃描將完全失效，盡管在這樣的信噪比條件下電視圖像雖然較差卻還能辯認(rèn)。 在不是極端惡劣的條件下，噪聲將造成起始時(shí)間抖動(dòng)和偶爾的誤觸發(fā)。行抖動(dòng)將降低行清晰度,并使得垂直線條呈現(xiàn)鋸齒狀。嚴(yán)重的水平誤觸發(fā)通常會(huì)造成畫面出現(xiàn)狹窄的水平黑帶。幀掃描抖動(dòng)會(huì)引起圖像的垂直滾動(dòng)。另外，相繼半幀之間的隔行掃描行還會(huì)相對(duì)移動(dòng)，使圖像進(jìn)一步惡（退）化。將兩個(gè)振蕩器與剝離出來的同步脈沖鎖相可大大減小噪聲起伏。鎖相技術(shù)靠檢查各振蕩器和許多同步脈沖之間的相位關(guān)系來調(diào)節(jié)振蕩頻率，使得平均相位偏差很小，而不是僅用一個(gè)脈沖進(jìn)行觸發(fā)。由于鎖相同步器檢測(cè)許多脈沖，因此它不會(huì)被偶發(fā)的破壞同步器觸發(fā)的大幅度脈沖噪聲所干擾。目前電視接收機(jī)中使用的飛輪同步器實(shí)際上就是鎖相環(huán)路。使用飛輪一詞是因?yàn)榇穗娐纺軌蚋櫾黾拥脑肼暬蛭⑷跣盘?hào)的周期。通過鎖相可以獲得同步性能的重大改進(jìn)。在彩色電視接收機(jī)中色同步信號(hào)是由鎖相環(huán)路同步的。宇宙飛行的需要強(qiáng)烈地刺激了鎖相技術(shù)的應(yīng)用。鎖相的空間應(yīng)用是隨著早期美國人造衛(wèi)星的發(fā)射而開始的。這些飛行體攜帶低功率（10毫瓦）的連續(xù)波發(fā)射機(jī)，相應(yīng)的接收信號(hào)很微弱。由于多普勒頻移和發(fā)射振蕩器的頻率漂移，接收信號(hào)的精確頻率難以確定。在最初使用的108MHz頻率上，多普勒頻移可在177。3kHz范圍內(nèi)。因此使用普通的固定調(diào)諧接收機(jī)時(shí)，帶寬至少應(yīng)為6kHz，然而信號(hào)本身卻只占非常窄的頻譜，大約在6Hz帶寬內(nèi)。接收機(jī)中的噪聲功率與帶寬成正比，所以如果使用傳統(tǒng)的技術(shù)，就不得不接受1000倍（30dB）噪聲的代價(jià)。隨著技術(shù)的進(jìn)步這些數(shù)字變得更加驚人。發(fā)