自动化专业英语教程全文翻译

1、 自动化专业英语教程PART IElectrical and Electronic Engineering BasicsUNIT IA Electrical Networks一一一一一一一一一一一一 3 BThree- phase CircuitsUNIT 2AThe Operational Amplifier 一 一一 5BTransistorsUNIT 3ALogical Variables and Flip-flop8BBinary Number SystemUNIT 4APower Semiconductor Devices PART IElectrical and Electroni

2、c Engineering BasicsUNIT IAElectrical Networks 3 BThree-phase CircuitsUNIT 2A The Operational Alnplifier 5BTransistorsUNIT 3ALogical Variables and Flip-flo p 8 BBinary Number SystemUNIT 4APower Semiconductor Devices PART IElectrical and Electronic Engineeri ng BasicsUNIT IAElectrical Networks 一一一 一

3、3BThree-phase CircuitsUNIT 2A Tbe O perational凡nplifier 5 BTransistorsUNIT 3ALogical Variables and Flip-flop 一 - - - - 8BBinary Number SystemUNlT 4APower Semiconductor Devices11BPower Electronic ConvertersUNIT 5ATypes of DC Motors -一一一一一- 15BClosed- loop Control of DC DriversUN1T 6AAC Machines19Bl11

4、duction Motor DriveUN IT 7AElectric Power System 一一一一一一 一 一 22BPower System Automa tionPART 2Control TheoryUNIT l A The World of Control 27 B TheTransfer Function and the Laplace Transformation 29 UNIT 2 A Stability and the Time Response - - - - - - - 30BSteady State31UNIT 3A The Root Locus一 一 一 一 一

5、 一 一 一 一 一 一 一 一 32B The Frequency Response Methods: Nyquist Diagrams 33UNIT 4A The Frequency Response Methods: Bode Piots - 一 一 34B Nonlinear Control System 37UNIT 5A In 甘 oduction to Modern Control Theory38BState Equatio ns40UNIT 6A Controllability, Observability, and Stability BOptimum Control Sy

6、stemsUNIT 7A Conventional and Intelligent ControlPART 3BArtificial Neural NetworkComputer Control TechnologyUNIT lA Computer Structure and Function42B Fundamentals of Computer and Networks43UNIT 2A Interfaces to External Signals and DevicesBThe Applications of Computers4644UNIT 3APLC OverviewBPACs f

7、or Industrial Control, the Future of Control UNIT 4AFundamentals of Single-chip Microcomputer49BUnderstanding DSP and Its Uses UNIT 5AA First Look at Embedded SystemsBEmbedded Systems DesignPART 4Process Control UNIT IAA Process Control System50BFundamentals of Process Control52UNIT2A Sensors and Tr

8、ansmitters53BFinal Control Elements and Controllers UNIT 3AP Controllers and PI ControllersBPID Con订oilers and Other Controllers UNIT4A Indicating InstrumentsBControl PanelsPART SControl Based on Network and Information UNIT lA Automation Networking Application Areas2BEvolution of Control System Arc

9、hitectureUNIT 2AFundamen ta l Issues in Networked Contt·ol SystemsBStability ofNCSs with Network-induced DelayUNIT 3AFundamentals of the Data base SystemBV 血 al Manufactur ingA Growing Trend i11 A utomationUNIT 4AConcepts of Computer Integrated ManufacturingBEnterprise Resources Planning and Be

10、yondPART6Synthetic Applications of Automatic TechnologyUNIT 1ARecent Advances and Future Trends in Electrical Maclline DriversBSystem Evolution in Intelligent BuildingsUNIT 2AIndustrial RobotBA General Introd uction to Pattern RecognitionUNIT 3ARenewable EnergyBElectric VehiclesUNIT 1A 电 路 守电路或电网络由以

11、某种方式连接的电阻器、电感器和电容器等元件组成。如果网络不 包含能源，如电池或 发电机，那么就被称作无源网络。换句话，说如果存在一个或多个能源， 那么 组合的结果为有源网络。在研究电网络的特性时，我 们 感兴趣的是确 定电路中的电压和电流。因为网络由无源电路元件组成，所以必须首先定 义这些元件的电特性就电阻来说，电压电流的 关系由欧姆定律给出， 欧姆定律指出： 电阻两 端的电压等千电阻上流过的电流乘以电阻值。在数学上表达为： u=i R (l - l A- 1) 式中 u电压， 伏特； i = 电流，安培； R = 电阻 ，欧姆。纯电感电压由法拉第定律定义， 法拉第定律指出： 电 感两端的电压

12、正比千流过电感的电流随时间的变化率。因此可得到： U= Ldi / dt 式中 di / dt = 电流变化率， 安 培秒；L= 感应系数，享利。电容两端建立的电压正比千电容两极板上积累的电荷q 。因为电荷的积累可表示 为电3荷增蜇 dq 的和或积分，因此得到的等式为u=， 式中电容噩C 是与电压和电 荷相关的比例常数。由定义可知，电流等 千电荷随时间的变化率， 可表示为i = dq/ dt 。因此电荷增谥dq 等千电流乘以相应的时间增岱，或dq = i dt ,那么等式 (l - lA- 3) 可写为式中 C =电容址，法拉。归纳式 (l - l A- 1 ) 、（ l - l A- 2)

13、和 (l - l A- 4)描述的三种无源电路元件如图1- l A- l 所示。注意，图中电 流的参考方向为惯用的参考方向，因此 流过每一个元件的电流与电压降的方向一致。有源电气元件涉及将其它能挝转换为电能，例如，电池中的电能来自其储存的化学能，发电机的电能是旋转电枢机械能转换的结果。有源电气元件存在两种基本形式 ： 电 压 源和电流源。其理想状态为： 电 压 源两端的电压恒定，与从电压源中流出的电流无关。因为负载变化时电压基本恒定，所以 上述电池和发电机被认为是电压源。另一方面，电 流源产生电流，电流的 大小与电源连接的负载无关。虽然电流源在实际中不常见，但其概念的确在表示借助于等值电路的放

14、大器件，比如晶体管中具 有广泛应用。电压源和电流源的符号表示如图1- l A- 2 所示。分析电网络的一般方法是网孔分析法或回路分析法。应用于此方法的基本定律是基尔 霍夫第一定律，基 尔霍夫第一定律指出： 一 个闭合回路中的电压代数和为0, 换句话说，任一闭 合回路中的电压升等千电压降。网孔分析指的是： 假设有一个电流 即所谓的回路电流会流过电路中的每 一个回 路，求每一个回路电压降的代数和，并 令其为零。考虑附 l- 1A- 3 a 所示的电路，其由串联到电压源上的电感和电阻组成 ， 假设回路电流i ' 那么回路总的电 压 降 为 困为在假定的电流方向上， 输入电 压代表电压升的方向

15、，所以输电压在 Cl- l A- 5 ) 式中为负。因为电流方向是电压下降的方向，所以每 一个无源元件的压降为正。利用电阻和电感压降公式，可得等 式(l- l A- 6) 是电路电流的微分方程式。或许在电路中，人们 感兴趣的变 量是电 感电 压 而不是电感电流 。正 如图 l - l A- 1 指出的用积 分代替式(l - l A- 6) 中的 1 ， 可得 l- lA- 7B 三相电 路4三 相电路不过是三个单相电路的组合。 因为这个事实，所 以 平 衡 三 相 电 路 的 电流 、 电 压 和 功 率 关 系 可 通 过 在 三 相 电 路 的 组 合 元 件 中 应 用 单 相 电 路

16、的 规 则 来研 究 。这 样 看 来 ， 三 相 电 路 比 单 相 电 路 的 分 析 难 不 了 多 少 。 使用 三 相 电 路 的 原 因 在 单 相 电路 中 ，功率本身是脉动的。在功率因数为 1 时， 单 相 电 路 的 功 率 值 每 个 周 波 有 两 次为 零 。 当 功 率 因 数 小 于 1 时 ，功率在每个周波的部分时间里为负。虽然供给三相电路中每一相的功率是脉动的， 但 可 证 明 供 给 平衡 三 相 电 路 的 总 功 率 是 恒 定 的 。 基千 此 ， 总的来说三相电气设备的特性优于类似的单相电气设备的特性。三相供电的机械和控制设备与相同额定容盐的单相供电的

17、设备相比：体 积 小 ， 重篮轻，效率高。除了三相系统提供的上述优点， 三 相 电 的 传 输需 要 的 铜 线 仅 仅 是 同 样 功 率 大 小单 相 电 传 输 所需 铜 线 的 3/ 4 。 三 相 电 压 的 产 生 三 相 电 路 可 由 三 个 频 率 相 同 在 时 间 相位 上 相 差 1 2 0 ° 电 角 度 的 电 动 势 供 电 。 这 样 的 三 相 正 弦 电 动 势 如 图 l - l B- 1 所示。这些电动势由交 流发电机的三套独立电枢线圆产生，这三套线圆安装在发电机电枢上，互 相 之 间 相 差 12 0 ° 电角度。线圈的头尾可以从发

18、电机中全部引出， 组成三个独立的单相电路。然而一般线圈无论在内部或在外部均会相互连接，形成三线或四 线三相系统。连接三相发电机线圈有两种方法， 一 般 来说，把任何类型的装置连接到三相电路也存在两种方法。它们是星( Y) 形联接和角 CD) 形联接。大多数发电 机是星 ( Y) 形联接，但负载可以是星 ( Y) 形联 接或角 ( D) 形联接。 星 ( Y) 形联接发电机的电压关系图 1- 1B- 2a 表示发电机的三个线圈或相绕组。这些绕组在电枢表面上是按它们产生的电动势在时间相位上相差 120° 分布的。每一个线圈的两端均标有字母S 和F（起始和终结）。图l - 1B- 2a 中

19、，所有标有S 的线圈端连接到一个公共点N, 三个标有F 的线图端被引出到接线端A、B 和 C '形成三相三线电源。这种联接形式被称为Y 形联接。中性联接经常被引出接到接线板上，如l -图1B- 2a 的虚线 所示， 形成三相四线系统。交流发电机每相产生的电压被称为相电压（符号为Ep) 。如果中性联接从发电机中引出，那么从任一个接线端A、 B 或 C 到中性联接N间的电压为相电压。三个接线端A、 B 或 C 中任意两个间的电压被称为线到线的 电压，或简称线电压（符号为EL) 。三相系统的三相电压依次出现的顺序被称为相序或电压的相位旋转。这由发电机的旋转方向决定，但可以通过交换发电机外的三

20、条线路导线中的任意两条（不是一条线路导线和中性线）来改变相序。三将相绕组排 列成如图1-1B- 2b 所示的 Y 形有助千Y 形联接电路图的绘制。注意，图 1- 1B- 2b 所示的电路与图1- 1B- 2a 所示的电路完全一样，在 每一种情况下，连接到中性点的每一个线圈的S 端和F 端都被引出到接线板。在画出所有的接线点都标注了字母的电路图后， 绘制的相量图如图1-1B- 2c 所示。相量图可显示相隔120°的三相电压请注意在图1-18-2 中每一个相矗用带有两个下标的字母表示。这两个下标字母表示电压的两个端点， 字母顺序表示在正半周时电压的相对极性。例如，符号表示点A 和N 间的

21、电压，在其正半周， A 点相 对于N 点 为正。在所示的相篮 图中， 已假定在正半周时发电机接线端相对千中性线为正。因为电压每半周反一次 相， 所以我们也可规定在电压的正半周A 点相对千N 点 为负，但对每 一相的规定要一样。要注意到，如果是在电压的正半周定义A 点相 对于N 的 极性（）， 那么在用千同一相昼图中时就应该画得同相反，即相位差为180° y 形联接发电机的任意两个接线端间的电压等千这两个接线端相对千中性线间的电位差。 例如，线电压等千 A 接线端相对千中性线间的电压（ ）减去B 接线端相对于中性线间的电压（）。为了 从中减去，必需将反相，并把此相量加到上。相址和幅值相

22、等， 相位相差60° '如 图 l- 1B- 2c 所 示。由图形可以看出通过几何学可以证明等于1. 73 乘以（）或（）。图形结构如相械图所示。因此， 在对称Y 形联接中星 ( Y) 形联接发电机的电流关系从发电机接线端 A、 B 和 C （图 ll B- 2) 流到线路导线的电流必定从中性点N 中流出， 并流过发电机线圈。因此流过一每条线路导线的电流（ ）必定等于与其相连接的相电流（）。在 Y 形联接中IL=I P5UNIT 2A 运 算 放 大 器 守运 算放 大 器像 广义 放 大 器这 样的 电 子器件存在的一 个 问题 就是它 们的 增益 AU 或 AI 取 决千

23、双端口系统(m、b、RI 、 Ro 等）的内部特性。器件 之间参数的分散性和温度漂移给设计工作增加了难度。设计运算放大器或 Op-Amp 的目的 就是 使它尽 可能的 减少对其内 部参数的 依赖 性、最大 程度地简化设 计工作。运算 放大器是一个 集成电 路， 在它内 部有许 多电阻 、 晶 体 管 等元 件。就 此而 言 ，我 们不 再描 述这 些 元 件的内 部工作原理。运算放大器的全面综合分析超越了某些教科书的范围。在这里我们将详细研究 一个例子， 然后给出两个运算放大器定律并说明在许多实用电路中怎样使用这两个定律来进行分析。这两个定律可允许一个人在没有详细了解运算放大器物理特性的 情况

24、下设计各种电路。因此，运算放大器对千在不同技术领域中需要使用简单放大 器而不是在晶体管级做设计的研究人员来说是非常有用的。在电路和电子学教科书 中，也 说 明了如何用运 算 放大 器建 立简 单 的滤波电路。作 为构建运算放大器集成电路的积木一晶体管， 将在下 篇 课文中进行讨论。理想 运算放 大 器的 符 号如 图 l - 2A- l 所示。图中只 给 出 三 个 管脚 ： 正输入、负输 入和 输出。让运 算 放大 器正常运行所必需的其它一些管脚， 诸 如电 源管脚 、 接零管 脚等并 未 画 出 。在 实际电 路中使用运算 放大 器时 ，后者是必 要的，但在本文中讨论理想的运算 放大器的应

25、用时则不必考虑后 者。两 个输入电压和输出电 压用符号 U、 U 和 Uo 表 示。每 一 个 电 压均指的 是相对 于接零 管脚的电 位。运 算 放大 器 是差分装 置。差分的意 思是 ： 相对于接零管脚的输出电 压可由下式 表示(l - 2A- 1 ) 式中 A 是 运算 放大 器的 增益 ， u + 和u - 是输 入电压。换句话说， 输出电压是A 乘以 两输入间的 电位 差 。集成电路技术使得在非常小的一块半导体材料的复合 ”芯片”上可以安装许多放大器电路。运算放大器成功的 一个关键就是许多 晶体管放 大部“ 串联 ” 以 产生非常 大的 整体增益。也 就 是说 ，等式(l - 2A-

26、 l )中的数 A 约 为 100, 000 或更多 （例如，五个晶体管放大器 串联， 每 一 个 的增益 为 10, 那么将会得到此数值的 A) 。 第二个重要因素是这些电路是按照流入每一个输入的电流都很小这样的原则来设计制作 的。第三个重要的设计特点就是运算放大器的输出阻抗(Ro ) 非 常 小 。也就是说运算放大 器的输 出是一 个 理想的 电 压 源。我 们现 在 利 用这些特性就可以分析图l - 2A- 2 所示的特殊放大器电路了。首先， 注意到在正极输入的电压 U 等 千电源 电压 ， 即 U + =Us 。各 个 电流 定 义如图 l- 2A- 2 中的 b 图所 示。对 图l

27、- 2A- 2b 的外回路应用基尔霍夫定律，注急输出电 压 Uo 指 的 是它与接零 管脚 之间的电位 ， 我 们就可得到因 为运算放大器是按照没有电流流入正输入端和负输入端的原则制作的，即 I - =O。那 么 对负输入端利用基尔 霍 夫定律可得 I1 = 12 , 利用等式 (l - 2A- 2)， 并 设 Il =12 =I ,UO = (Rl +R2 ) I(l-2A-3)6根据电流参考方向和接零管脚电位为零伏特的事实，利用欧姆定律，可得负极输入 电压 U - ： 因 此U - =IRl , 并由 式 (l - 2A- 3) 可得 ：因 为现在已有了 U+和 U的 表达式， 所以式(l

28、 - 2A- l ) 可用于计算输出电压等式，可得 ：最后可得：，综合上述这是电路的增益系数。如果A 是一个非常大的数，大到足够使 ARl »(Rl +R2) ，那么分 式的分母主要由ARl项 决定，存 在千分子和分母的系数A 就可对消，增益可用下式表示这表明(l - 2A- 5 b) ，如果 A 非常大，那么电路的增益与 A 的 精确值无关并能够通过Rl 和 R2 的 选择来控制。这是运算放大器设计的重要特征之一在信号作用下，电路的动作仅取决 于能够容易被设计者改变的外部元件，而不取决于运算放大器本身的细节特性。注意，如果 A=lOO, 000,而（Rl +R2)/ Rl =l O

29、, 那 么 为 此优点而付出的代价是用一个具有100, 000倍电压增益的器件产生一个具有10 倍增 益的放大器。从某种意义上说，使用运算放大器是以 “ 能证” 为代价来换取“控制”。对各种运算放大器电路都可作类似的数学分析，但是这比较麻烦，并且存在一些非常有用的捷径， 其涉 及目前我们提出的运算放大器两个定律应用。l ) 第一个定律指出： 在一般运算放大器电路中，可以假设输入 端间的电压为零，也 就是说，2)第二个定律指出： 在一般运算放大器电路中，两个输入电流可被假定为零：I +=I- =O第一个定律是因为内在增益A 的值 很大。例，如果运算放大器的输出是l V , 并且A=l OO, 0

30、00, 那么 这是一个非常小、可以忽略的数， 因此可设U+=U- 。 第二个定律来自千运算放大器的内部电路结构，此 结构使得基本上没有电流流入任何一个输入端。B晶体管守简单地说， 半导体是这样一种物质， 它能够通过“掺杂” 来产生多余的电子，又称自由电子 ( N型）； 或者产生“空穴” ， 又称正电荷 ( P 型）。由 N型掺杂和 P 型掺杂处理的绪或硅的单晶体可形成半导体二极管，它具有我们描述过的工作特性。晶 体管以类似的方式形成， 就象带有公共中间层、背靠背的两个二极管， 公共中间层是以对等的方式向两个边缘层渗入而得， 因此中间层比两个边缘层或边缘区要薄的多。PNP 或 NPN（图 1-

31、2B- l ) 这 两种结构显然是可行的。P入甲或郧N 被用千描述晶体管的两个基本类型。因为晶体管包含两 个不同极性的区域（例如“ P" 区和 “ N"7区） ，所以晶体 管被叫作双向器件， 或双向晶体管因此晶体管有三个区域，并从这三个区域引出三个管脚。要使工作电路运行，晶 体管需与两个外部电压或极性连接。其中一个外部电压工作方式类似于二极管。事实上，保留这个外部电压并去掉上半 部分，晶体管将会象二 极管一样工作。例如在简易收音机中用晶体管代替二极管作为检波器。在这种情况下， 其所起的作用和二极管所起的作用一模一样。可以给二极管电路加正向偏置电压或反向偏置电压。在加正向偏置

32、电压的悄况下，如图1- 2B- 2 所示的 PNP晶体管，电流从底部的 P 极流到中间的N 极。如果第二个电压被加到晶体管的顶部和底部两个极之间， 并且底部电压极性相同， 那么， 流过中间层 N区的电子将激发出从晶体 管底部到顶部流过的电流。在生产晶体管的过程中，通 过控制不同层的掺杂度， 经过负载电阻流过第二个电路电流的导电能力非常显著。 实际上， 当 晶体管下半部为正向偏置时，底部的P 区就像 一个取之不竭的自由电子源（因为底部的P 区发射电 子， 所以它 被称为发射极）。这些电子被顶部P 区接收， 因此它 被称为集电极，但是流过这个特定电路实际电流的大小由加到中间层的偏置电压控制，所以中

33、间层被称为基极。因此，当晶体管外加电压接连正确（图1- 28- 3) 后工作时，实际上存在两 个独立的“工作“电路。一个是由偏置电压源、发射极和基极形成的回路，它被称为基极电路或输入电路； 第二个是由媒电极电压源和晶体管的三个区共同形成的电路，它被称为集电极电路或输出电路。（注意： 本定义仅适用千发射极是两个电路的公共端时被称为共发射极连接。）这是晶体管最常 见的连接方式，但 是，当然也存在其它两种连接方法共基极连接和共集电极连 接。但是在每一种情况下晶体管的工作原理是相同的。本电路的特色是相对小的基 极电流能控制和激发出一个比它大得多的集电极电流（或更恰当地说一，个小的输入 功率能够产生一个

34、比它大得多的输出功率）。换句话，说晶体 管的作用相当千一个放大器。在这种工作方式中，基极发射极电路是输入侧；通过基极的发射极和集电极 电路是输出侧。虽然基极和发射极是公共路径， 但这两个电路实际上是独立的，就基极电路的极性而言， 基极和晶体管的集电极之间相当千一个反向偏置二极管，因此没有电流从基极电路流到集电极电路。要让电路正常工作，当然，加在基极电路 和集电极电路的电压极性必须正确（基极电路加正向偏宜电压，集电极电源的连接 要保证公共端（发射极）的极性与两个电压源的极性相同）。这也就是说电压极性 必须和晶体管的类型相匹配。在上述的PNP型晶体管中，发射极电压必须为正。因此， 基极和集电极相对

35、于发射极的极性为负。PNP 型晶体 管的符号在发射极上有一个指示电流方向的箭头， 总是指向基极。（在 PNP 型晶体管中， “ P" 代表正） 。在NPN型晶体管中，工作原理宪全相同，但是 两个电源的极性正好相反（图1- 2B-4) 。也就是说，发射极相对千基极和集电极来说极性总是负的（在NPN型晶体管中， “ N"8代表负）。这一点也可以从NPN型晶体管符号中发射极上相反方向的箭头看出来， 即， 电 流从基极流出。虽然现在生产的晶体管有上千种不同的型号，但晶体管各种外壳形状的数足相对有限，并尽侃用 一种简单码一TO（ 晶体 管外形）后跟一个数字为统一标准。TOl 是一种最

36、早的晶体管外壳即一个在底部带有三个引脚的圆 柱体“外罩” ，这 三个引脚在底部形成三角状。观看底部时，“ 三角形”上面的管 脚是基极，其右面的管脚（由一个彩色点标出）为集电极，其左面的管脚为发射极。 集电极引脚到基集引脚的间距也许比发射极到基集引脚的间距要大。在其它TO 外壳中， 三个引脚可能有类似的三角形形状（但是基极、集电极和发射极的位置不一定相同），或三个引脚排成一条直线。使人容易搞乱的问题是同一 TO 号码的子系列产品其管脚位置是不一样的 。例如，T092 的三个管脚排成一条直线，这条直线与半圆型“外罩的切面平行，观看T092 的底部时，将切而冲右 ，从 上往下读，管脚的排序 为 1,

37、 2, 3。（注 ot her wi se circular "can" 中的 ot her wi s e 译为不同的， 特殊的。在这里 “特殊的圆形外罩”指的应该是普通的圆柱体”外 罩在圆平面上画一条小于等于直径的弦，沿轴线方向切入后形成的半或大半圆柱体，切入后形成 的剖面就是文中说的a flat side , 这也是现在很常见的一种晶体管外壳。） 对T092 子系列 a (T092a):1发射极 2集电极 3基 极对T092 子系列 b(T092b) : 1发射极2基 3集电 极更容易使人搞乱的是一些晶体管只有两个管脚（第三个管脚已在里边和外壳连接）； 一 些和晶体管的

38、外形很像的外壳底部有三个以上 的管脚。实际上，这些都是集成电路(I Cs ) ，用和晶体管相同的外壳包装的，只是看起来像晶体管。更复杂的集成电路 CICs ) 用不同形状的外壳包装，例如平面包装。根据外壳形状非常容易识别功率晶体管。它们是金屈外壳， 带有延长的底部平面， 底部平面上还有两 个安装孔。功率晶体管只有两个管脚（发射极和基极），通常会标明。栠电极在内部被连接到外壳上， 因 此， 与集电极的连接要通过一个装配螺栓或外壳底面。UNIT 3A 逻 辑变岱与触发器逻辑变篮我们讨论的双值变位通常叫做逻辑变益，而象或和与这样的操作被称 为逻辑操作。现在我们将简要地讨论一下这些术语之间的关联，并在

39、此过程中，阐明用标示 “真”和“假” 来识别一个变篮的可能值的特殊用途。举例说明， 假设你和两个飞行员在一架空中航行的飞机中，你在客舱中， 而飞行员 A 和 B 在驾驶员座舱中。在某一时刻， A 来到了你所在的客舱中， 你并不担心这种变化。然而，假设当你和 A 在 客舱时，你抬头 发现B 也已经来到了你所在的客舱中。基千你的逻辑推理能力，你将会推断飞机无人驾驶； 并且，大概你已听到了警报， 以 致使驾驶员之一将迅速对此紧急情况作出响应。换句话说，假设每一位飞行员座位下面有一个电子装置，当座位上有人时，其 输出电压为 Vl,当座位上无人时，其输出电压为 V2。现 在我们用“真” 来代表电压V2,

40、 从而使电压Vl 表 示“假。让我们进一步制作一个带有两个输入端和一个输出端的电路， 此电路的特性是： 只 要两个输入， 即一个输入同时和另一个输入相与， 结果为V2 时， 输出电压才是V2。否则 ， 输 出是Vl 。 最后， 让我们把输入和飞行员A 和 B 座 位下的装置联结起来， 并安装一个与输出Z 相 连的警铃， 当输出是 V2(“ 真” ) 时响应，否则不响应。这样 ， 我们己创建了一个执行与操作的电路，这个电路能完成当两个驾驶员确实都离开驾驶舱时飞机是无人驾驶的逻辑推断。概括一下，情形如下： 符号A、 B 和 Z 代 表命题A 飞行员A 已离开座位为真( T)B = 飞行员B 已离开

41、座位为真 ( T)9z = 飞机无人驾驶，处于危险状况时为真( T)当然， 、和分别代表相反的命题。例如，代表的命题是当飞行员离开驾驶舱等时为假( F) ，以此类推 。命题间的关系可写为 Z=AB( l -3A-l) 我们已经选择用电压来表示逻辑变量A、 B和 Z 。但 是必须注意，实际上式( l - 3A- l ) 是命题间的关系，与我们选择的表示命题的确切方式无关，甚至可以说与我们具有 的任何物理表示形式无关。式(l - 3A- l ) 指 出，如果命题A 和 B 都为真，那么命题Z 就为真， 否则 命题Z 为假。式(l - 3A- 1) 是一个例子，这种命题代数被称为布 尔代数。和其它处

42、理有数字意义的变噩一样， 布尔代数处理的是命题， 而且布尔代数对千分析仅有两个互反变扭的命题之间的关系是一种有效的工具。SR 触 发器图1- 3A- 1 给 出的一对交叉连接的或非门电路被称为触发器。其有一对输入端S 和R '分别代表”置位”和 “ 复位” 。 我们不仅用符号S 和R 标明端点， 而且指定端点的逻辑电平。因此， 通常 S=l 指的是对应于逻辑电平为1 的电压出现在 S 端。相似的， 输出端和相应的输出逻辑电平为 Q 和。使用这样的符号时， 我们已经明确了一个事实，即在我们下面将 看到的符号操作中， 输 出的逻辑电平是互补的。触发器基本的、最重要的特性是其具有“记忆” 功

43、能。也就是说，设嚣 S 和 R 目 前的逻辑电平为 0 和 0, 根据输出的状态， 即可确定S 和R 在 其获得当前电平之前的逻辑电平。术语为方便衔接下面的讨论内容，介绍 一些常见的术语，这 有助于了解逻辑系统设计师中惯用的观点 。在与非和或非门（以及与和或门）中，当用其来 达到我们的设计意图时，我们能够任慈选择一个输入端， 并把其看成是使能失效输入，因此可考虑或非或或门。如果被选的一个输入为逻辑 l ，那么门电路的输出与所有的其它输入无关。这个被 选的输入可控制门电路， 其它所有输入相对千这个门电路是失效的（术语“抑制” 的同义词为“ 失效”) 。 相 反，如果被选输入为逻辑 0, 那么它不

44、能控制门电路，门电 路能够响应其它输入。在与非或与门中， 当 被选输 入为逻辑0 时，此输入控制并截止门电路， 因为一个输入为逻辑0 , 那么门电路的输出不能响应其它输入。 注意一方面是或非门和或1勹间的区 别，另一方面是与非门和与门间的区别。在第一种情况下，当控制输 入转为逻辑l 时，其可获得门电路的控制； 在第二种情况下，当控 制输入转为逻辑0 时，其可获得门电路的控制。在数字系统中， 普遍的观点是把逻辑 0 看成一个基本的、无干扰的、稳定的、静止的状态，把逻 辑 l 看成激励的、活跃的、有效的状态，就是说，这种状态是发生在某种操作动作之后。因此， 当作用已产生时， 其倾向将是定义最后的状

45、态作为对某逻辑变侃已转为1 的响应。当“ 无操作发生”时，逻辑变黛为逻辑 0。类似地， 如果作用将通过逻辑变猛的变化产生， 那 么 最好是以这样的方式定义有关的逻辑变10墓，即 当 逻 辑变菌转为逻辑1 时达到此效果。在我们对触发器的讨论中，将看到持有此种观点的例子守B 二进制数字系统概述大约在 1850年由乔治·布尔提出的代数学中，变量仅允许 具有两个值，真或假， 通常被写为 1 和 0, 对这些变蜇的代数运算是与、或和非。在 1938年，香农认识到了此代数形式和电气开关系统功能间的相似之处，在这种开关中存在有通断两种状 态的器件。布尔代数的推理过程由充当逻辑电路的开关完成。已有大

46、拯集成电路可 完成脉冲信号的逻辑操作， 这些脉冲信号采用二进制数字系统，并利用电子器件的关断和导通作为二进制系统的两种状态。二进制数字系统和其它代码为了用晶体管 直接计算十进制数， 要求晶体管认识这10 个状态 0、l 、9, 此操作要求的精度是电子器件并不具备的。将导通和关断作为工作状态，这 样的装置可以在两态即二进制系统中运行，因此数字计算机中的内部操作一般采用二进制系统。在十进制系 统中，基数或底数为 10, 小数点左边或右边的每一个位都表示其权重增加或减少10的一次幕。在二进制系统中，底数为2, 二进制小数点左边或右边的位具有的权重以 2 的幕次增加或减少。数字可被编码为两个电平的脉冲

47、串，通 常 标为 1 或o, 如图 1- 3B- 1 所示。1- 3B- l b 中的脉冲序列 能够译为： 二 进制： 1' 25 + 0'24 + 1'23 +0'22 + l'2 1 + 1·20 = 101011 十 进 制：32+0+8+0+2+1= 43 相反， 在把十进制数43 转换为二进制形式的过程中 ， 可使其连续被 2 除。每一次除后所得余数 0 或1 即是二进制数的位数。十进制数43 的转化过程： 等 价千十进制数43 的二进制数为101011。虽然二进制数仅需两个信号电平，这种简化的获得是以附加的位数为代价的。在以r 为底

48、数的数制中 表示n 位十进制数，需要m 位。其中等式右边是一个整数，或选 择下一个较大的整数。对于一个 10 位的十进制数， 可得m =33. 2 , 因此必须使用 34 位二进制数。二进制位叫作比特。写为0. 1101 的二进制小数意味着 0. 1101 = 1'2 - 1 + 1·2 - 2 + 0'2 - 3 + 1'2 - 4= 1/2+ 1/ 4+0+ 1/ 16 二进制数 0. 1101 表示为十进制数 0. 500+ 0.250 + 0.062 = 0.812小于1 的十进制数的转换可通过连续乘2 获得。对千结果在小数点左边为 1 的每一步， 记

49、录二进制数1, 然后继续计算所得十进制数的小数部分。对于结果在小数点左边为 0 的每一步， 记录二进制位O, 然后继续计算。把十进制数0. 9375转化为二进制数， 运 算如下： 等 价千十进制数0. 9375的二进制数可写为0. 11110。最高位是笫一个获得的二进制位，放 置在二进制小数点的右边。十进制数 0 到15 的二进制等值表为： 给出一串正脉冲和负脉冲， 或正脉冲和零，或者 零和负脉冲来表示二进制的 1 和 0 时， 就会有许多这些脉冲可以传递的码。计算机输入最常见的码就是BCD 码， 每一个十进制数需要四个脉冲或二进制数。用此种代码， 每一 个 十进制位转化为其二进制等值数如上表

50、所示，也 就是说，十进制数 827 用 BCD码表示为100000100111 计算机通过算术运算， 能够容易地把此类输入转化为II纯二进制形式。解码器也能够把BCD 码转化为十进制形式。BCD 码 在传输中不需附加位的情况下， 能 够扩大到十进制数 15,成为十六进制码 ，通常使用 字母a、 b、L、f 来表示10 到 15。 在某些计算机操作中应用的另一种码是八进制或8 为底数 的数制。采用的符号为0、1, 2L、7, 十进制 数 24 可被写为八进制数 30 (3 ' 81 +0 ' 80 ) 。八进制数字的二进制译码仅需要BCD 表中三个最小的有效位，八进制数30 的二

51、进制译码为Oll 000 。因为十进制数 24 用纯二进制形式可写为 ll OOO , 用 八进制译码形式可写为011 000 , 所以需要指出二进制数字转换为八进制数字的简易方法。以三个位为一组划分二进制数， 每一 组显示为一个等值的八进制译码数，例如， 十进制数 1206 以二进制表示为10010ll 0110 , 以三个位为一组，可得 ： 二 进制：010010llOll O 八进制： 226 6 八进制数是 2266。通过使用导电块上的电刷，光 学 读卡机或码盘，经常用格雷码将角位移或直线位移转换为二进制数。由千组合误差， 不 能同时变化两个数位以免产生不确定性。设计的格雷码就是为了解

52、决此问题， 其在二进制数的每一步变换中， 仅需变化一个位。此码的一种形式是 其它一些码被设计来降低传输误差， 在这些码中将l 变为 0 或将0 变为1。通常， 检测单 一误差的代码可通过把检验位与原始码相加获得。合成码将有偶个数或奇数个 1，这 些码被称为偶数奇偶校验码或奇数奇偶校验码，例 如 0000 的奇数奇偶校验码将是 10000; 在任何位的误差将使结果具有偶数个 1，接收装贯将会进行校正。多重误差可通过更为复杂的代码形式探测UNIT4A 功 率半导体器件守功率半导体器件构成了现代电力电子设备的核心。它们以通断开关矩阵的方式被用 千电力电子转换器中。开关式功率变换的效率更高。现今的功率

53、半导体器件几乎都 是用硅材料制造，可分类如下： 二 极管晶闸管或可控硅双向可控硅门 极可关断晶闸管双极结型晶体管电力金属氧化物半导体场效应晶体 管静电感应晶体管绝缘栅双极型晶体管金屈氧化物半导体控制的 晶闸管集成门极换向晶闸管二极管电力二极管提供 不可控的整流电源，这 些电 源有很广的应用， 如： 电 锁、电极氧化、电池充电、焊接、交直流电源变频驱动。它们也被用于变换器和缓冲器的回馈和惯性滑行功能。典型的功率二极管具有P- I - N 结构，即它 儿乎是纯半导体层（本征层，）位千 P-N 结的中部以阻断反向电压 。图 l - 4A- l给出了二极管符号和它的伏安特性曲线。在正向偏翌条件下，二极

54、管可用一个结偏 置压降和连续变化的电阻来表示，这样可画出一条斜率为正的伏安特性曲线。典型 的正向导通压降为1. 0 伏。导通压降会引起导通损耗，必 须用合适的吸热设备对二极管进行冷却来限制结温上升。在反向偏置条件下，由千少数载流的子存在， 有很小的泄漏电流流过， 泄涌电流随电压逐渐增加。如果反向电压超过了临界值，叫 做55击穿电压，二极管雪崩击穿，雪崩击穿指的是 当反向电流变大时由于结功率损耗过大造成的热击穿。电力二极管分类如下：标准或慢速恢复二极管快速恢复二极管肖特基二极管晶闸管闸流管或可控硅一直是工业上用于大功率变换和控制的传统设备。50 年代后期，这种装翌的投入使用开辟了现代固态电力电子

55、技术。术语“晶闸管”来自与其相应的 充气管等效装置，闸流 管。通常 ， 晶闸管是个系列产品的总称，包括可控硅、双向可控硅、门极可关断晶闸管、金质氧化物半导体控制的晶闸管、集成门极换向晶闸 管。晶诃管 可分成标准或慢速相控型，快速 开关型，电压回馈逆变器型。逆变器型现已淘汰。图1- 4A- 2 给出了晶闸管符号和它的伏安特性曲线。基本上，晶闸管是一个三结P- N- P- N 器件，器件内P- N- P 和 N- P- N 两个三极管按正反馈方式连接。晶闸管可阻断正向和反向电压（对称阻断）。当阳极为正时，晶闸 管可由一个短暂的 正门极电流脉冲触发导通； 但 品闸管一旦导通，门极即失去控制 晶闸管关断的能力。晶闸管也可由阳极过电压、阳极电压的上升率 ( dv/ dt ) 、结温的上升、PN结上的光照等产生误导通。在门电流IG = 0 时， 如果将正向电压施加到晶闸管上，由千中间结的阻断会产生涌电流； 如果电压超过临界极限（转折