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1 PART 1Electrical and Electronic Engineering Basics UNIT 1AElectrical Networks 3 BThree-phase Circuits UNIT 2AThe Operational Amplifier 5 BTransistors UNIT 3ALogical Variables and Flip-flop 8 BBinary Number System UNIT 4APower Semiconductor Devices 11 BPower Electronic Converters UNIT 5ATypes of DC Motors 15 BClosed-loop Control of DC Drivers UNIT 6AAC Machines 19 BInduction Motor Drive UNIT 7AElectric Power System 22 BPower System Automation PART 2Control Theory UNIT 1AThe World of Control 27 BThe Transfer Function and the Laplace Transformation 29 UNIT 2AStability and the Time Response 30 BSteady State 31 UNIT 3AThe Root Locus 32 BThe Frequency Response Methods: Nyquist Diagrams 33 UNIT 4AThe Frequency Response Methods: Bode Piots 34 B Nonlinear Control System 37 UNIT 5AIntroduction to Modern Control Theory38 BState Equations40 UNIT 6AControllability, Observability, and Stability BOptimum Control Systems UNIT 7AConventional and Intelligent Control BArtificial Neural Network PART 3Computer Control Technology UNIT 1AComputer Structure and Function42 BFundamentals of Computer and Networks43 UNIT 2AInterfaces to External Signals and Devices44 BThe Applications of Computers46 UNIT 3APLC Overview BPACs for Industrial Control, the Future of Control 2 UNIT 4AFundamentals of Single-chip Microcomputer49 BUnderstanding DSP and Its Uses UNIT 5AA First Look at Embedded Systems BEmbedded Systems Design PART 4Process Control UNIT 1AA Process Control System50 BFundamentals of Process Control52 UNIT 2ASensors and Transmitters53 BFinal Control Elements and Controllers UNIT 3AP Controllers and PI Controllers BPID Controllers and Other Controllers UNIT 4AIndicating Instruments BControl Panels PART 5Control Based on Network and Information UNIT 1AAutomation Networking Application Areas BEvolution of Control System Architecture UNIT 2AFundamental Issues in Networked Control Systems BStability of NCSs with Network-induced Delay UNIT 3AFundamentals of the Database System BVirtual ManufacturingA Growing Trend in Automation UNIT 4AConcepts of Computer Integrated Manufacturing BEnterprise Resources Planning and Beyond PART 6Synthetic Applications of Automatic Technology UNIT 1ARecent Advances and Future Trends in Electrical Machine Drivers BSystem Evolution in Intelligent Buildings UNIT 2AIndustrial Robot BA General Introduction to Pattern Recognition UNIT 3ARenewable Energy BElectric Vehicles 3 UNIT 1UNIT 1 A 电路A 电路 电路或电网络由以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：电阻两端的电压等于 电阻上流过的电流乘以电阻值。在数学上表达为:u=iR (1-1A-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：电感两端的电压正比于流过电感的 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于电容两极板上积累的电荷 q 。因为电荷的积累可表示为电 荷增量 dq 的和或积分，因此得到的等式为 u=， 式中电容量 C 是与电压和电荷相关的 比例常数。由定义可知，电流等于电荷随时间的变化率，可表示为 i = dq/dt。因此电荷增 量 dq 等于电流乘以相应的时间增量，或 dq = i dt， 那么等式 (1-1A-3) 可写为式中 C = 电容量，法拉。 归纳式(1-1A-1)、(1-1A-2) 和 (1-1A-4)描述的三种无源电路元件如图 1-1A-1 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量转换为电能， 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 1-1A-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于电压降。 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。 考虑图 1-1A-3a 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 因为在假定的电流方向上，输入电压代表电压升的方向，所以 输电压在（1-1A-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(1-1A-6)是电路电流的微分方程式。 4 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 1-1A-1 指出的 用积分代替式(1-1A-6)中的 i，可得 1-1A-7 B 三相电路B 三相电路 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 于此，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量的单相供电的设备相比： 体积小， 重量轻，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 120电角度的电动势供电。这样的三相正弦电动势如图 1-1B-1 所示。 这些电动势由交流发电机的三套独立电枢线圈产生，这三套线圈安装在发电机电枢 上，互相之间相差 120电角度。线圈的头尾可以从发电机中全部引出，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（D）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 1-1B-2a 中，所有标有 S 的线圈端连接到 一个公共点 N， 三个标有 F 的线圈端被引出到接线端 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， 如图 1-1B-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 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。将三相绕组排 列成如图 1-1B-2b 所示的 Y 形有助于 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 1-1B-2 中每一个相量用带有两个下标的字母表示。这两个下 5 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 间的电压，在其正半周，A 点相对于 N 点为正。在所示的 相量图中，已假定在正半周时发电机接线端相对于中性线为正。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 点相对于 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 () ，那么在用于同一相量图中时就应该画得 同相反，即相位差为 180Y 形联接发电机的任意两个接线端间的电 压等于这两个接线端相对于中性线间的电位差。例如，线电压等于 A 接线端 相对于中性线间的电压()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。 相量和幅值相等， 相位相差 60， 如图 1-1B-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 （）。图形结构如相量图所示。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 1-1B-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。因此流过每一条线路导线的电流() 必定等于与其相连接的相电流()。在 Y 形联接中 IL=IP UNIT2UNIT2 A运算放大器A运算放大器 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 取决于双端口系统(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 情况下设计各种电路。因此，运算放大器对于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 1-2A-1 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用时则不必考虑后者。两个输入电压和输出电压用符号 U 6 +、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(1-2A-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器“串联”以产生 非常大的整体增益。也就是说，等式(1-2A-1)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 1-2A-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 +等于电源电压，即 U + =Us。各个电流定义如图 1-2A-2 中的 b 图所示。对图1-2A-2b 的外回路应用基尔霍夫定律，注意输出电压 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 - =0。那么对负输入端利用基尔霍夫定律 可得 I1 = I2， 利用等式(1-2A-2) ， 并设 I1 =I2 =I ， U0 = (R1 +R2 ) I(1-2A-3) 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 - =IR1 ，并由式 (1-2A-3)可得：因为现在已有了 U+ 和 U-的表达式，所以式(1-2A-1)可用于计算输出电压，综合上 述等式，可得：最后可得：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 AR1 (R1 +R2)，那么分式的 分母主要由 AR1 项决定，存在于分子和分母的系数 A 就可对消，增益可用下式表示 这表明(1-2A-5b)，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 R1 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=100,000， 而(R1 +R2) /R1=10，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 “能量”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。 1) 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-=0 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 1V ， 并且 A=100,000, 那么 这是一个非常小、可以忽略的数，因此可设 U+=U-。第二个 7 定律来自于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B晶体管 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 杂处理的锗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 1-2B-1)这两种结构显然是可行的。PNP 或 NPN 被用于描述晶 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” 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。在加正向偏置电压的情况下，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，所以中间层被称为基极。因此，当晶体管外加电压接连正确（图 1-2B-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；第二个是由集电极电压源和晶体 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 适用于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 功率能够产生一个比它大得多的输出功率)。换句话说，晶体管的作用相当于一个放 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于一个反向偏置二极管，因 8 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（基极电路加正向偏置电压，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， 工作原理完全相同， 但是两个电源的极性正好相反 （图 1-2B-4） 。 也就是说， 发射极相对于基极和集电极来说极性总是负的 （在 NPN 型晶体管中， “N” 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 外壳形状的数量相对有限，并尽量用一种简单码TO（晶体管外形）后跟一个数 字为统一标准。TO1 是一种最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，TO92 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 TO92 的底部时，将切面冲右，从上往下读，管脚 的排序为 1，2，3。（注 otherwise circular“can”中的 otherwise 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 TO92 子系列 a (TO92a):1=发射极 2=集电极 3=基极对 TO92 子系列 b (TO92b): 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(ICs)，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（ICs） 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。它们是金属外壳，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。集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 3UNIT 3 A逻辑变量与触发器A逻辑变量与触发器 9 逻辑变量我们讨论的双值变量通常叫做逻辑变量， 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，并在此过程中，阐 明用标示“真”和“假”来识别一个变量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。基于你的逻辑推理能力，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 V1，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，从而使电压 V1 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 V1。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，我们已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 已离开座位为真（T） Z = 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(1-3A-1)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 (1-3A-1) 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(1-3A-1) 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(1-3A-1)是一个例子，这种命题代数被称为布尔代数。和其它处理有数字意 义的变量一样，布尔代数处理的是命题，而且布尔代数对于分析仅有两个互反变量 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=1 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。 10 触发器基本的、最重要的特性是其具有“记忆”功能。也就是说，设置 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 们能够任意选择一个输入端， 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 1，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，其它所有输入相对于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门间的区别，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 1 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 1 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态作为 对某逻辑变量已转为 1 的响应。 当“无操作发生” 时， 逻辑变量为逻辑 0。 类似地， 如果作用将通过逻辑变量的变化产生，那么最好是以这样的方式定义有关的逻辑变 量，即当逻辑变量转为逻辑 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 B二进制数字系统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，对这些变量的代数运算是与、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。已有大量集成电路可 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、1、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 的一次幂。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 11 以 2 的幂次增加或减少。数字可被编码为两个电平的脉冲串，通常标为 1 或 0，如 图 1-3B-1 所示。1-3B-1b 中的脉冲序列能够译为：二进制：125 + 024 + 123 + 022 + 12 1 + 120 = 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：等价于十进制数 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 = 12 -1 + 12 -2 + 02 -3 + 12 -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。对于结果在小数点左边为 1 的每一步，记录二 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 0，然后继续计算。把十进制数 0.9375 转化为二进制数，运 算如下：等价于十进制数 0.9375 的二进制数可写为 0.11110。最高位是第一个获得 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(381 +080)。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的二进制译码为011 000。 因为十进制数24用纯二进制形式可写为11000 ， 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 10010110110，以三个位为一组，可得：二进 制：010010110110 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。由于组合误差，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 1 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。合成码将有偶数个 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 12 偶校验码将是 10000；在任何位的误差将使结果具有偶数个 1，接收装置将会进行校 正。多重误差可通过更为复杂的代码形式探测 UNIT4UNIT4 A功率半导体器件A功率半导体器件 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 于电力电子转换器中。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 型晶体管金属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：电镀、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，即它几乎是纯半导体层（本征层），位于 P-N 结的中部以阻断反向电压。图 1-4A-1 给出了二极管符号和它的伏安特性曲线。在正 向偏置条件下，二极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，由于少数载流子的存在，有很小的泄漏电流流过，泄漏电流随电压逐渐增加。 如果反向电压超过了临界值，叫做击穿电压，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，这种装置的投入使用开辟了现代 固态电力电子技术。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、 金属氧化物半导体控制的晶闸管、集成门极换向晶闸管。晶闸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；但晶 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，由于中间结的阻断会产生漏电流；如 果电压超过临界极限（转折电压），晶闸管进入导通状态。随着门极控制电流 IG 的 增加，正向转折电压随之减少，最后，当门极控制电流 IG= IG3 时，整个正向阻断 区消失，晶闸管的工作状态就和二极管一样了。在晶闸管的门极出现一个最小电流， 即阻塞电流，晶闸管将成功导通。 在导通期间，如果门极电流是零并且阳极电流降 13 到临界极限值以下，称作维持电流，晶闸管转换到正向阻断状态。相对反向电压而 言，晶闸管末端的 P-N 结处于反向偏置状态。现在的晶闸管具有大电压（数千伏）、 大电流（数千安）额定值。双向可控硅双向可控硅有复杂的复结结构，但从功能上 讲，它是在同一芯片上一对反并联的相控晶闸管。图 1-4A-3 给出了双向可控硅的符 号。在电源的正半周和负半周双向可控硅通过施加门极触发脉冲触发导通。在+ 工作方式，T2 端为正，双向可控硅由正门极电流脉冲触发导通。在-工作方式， T1 端为正，双向可控硅由负门极电流脉冲触发导通双向可控硅比一对反并联的晶闸 管便宜和易于控制，但它的集成结构有一些缺点。由于少数载流子效应，双向可控 硅的门极电流敏感性较差，关断时间较长。由于同样的原因，重复施加的 dv/dt 额 定值较低，因此用于感性负载比较困难。双向可控硅电路必须有精心设计的 RC 冲 器。双向可控硅用于电灯的亮度调节、加热控制、联合型电机驱动、50/60 赫兹电 源频率的固态继电器。门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管，顾名思义，是一种晶 闸管类型的器件。同其他晶闸管一样，它可以由一个小的正门极电流脉冲触发，但 除此之外，它还能被负门极电流脉冲关断。GTO 的关断能力来自由门极转移 P-N-P 集电极的电流，因此消除 P-N-PN-P-N 的正反馈效应。GTO 有非对称和对称电压 阻断两种类型，分别用于电压回馈和电流回馈变换器。 GTO 的阻断电流增益定义为 阳极电流与阻断所需的负门极电流之比，典型值为 4 或 5，非常低。这意味着 6000 安培的 GTO 需要 1,500 安培的门极电流脉冲。但是，脉冲化的门极电流和与其相关 的能量非常小，用低压电力 MOS 场效应晶体管提供非常容易。GTO 被用于电机驱动、 静态无功补偿器和大容量 AC/DC 电源。大容量 GTO 的出现取代了强迫换流、电压回 馈的可控硅换流器。图 1-4A-4 给出了 GTO 的符号。电力 MOS 场效应晶体管与以前讨 论的器件不同，电力 MOS 场效应晶体管是一种单极、多数载流子、“零结”、电压 控制器件。 图 1-4A-5 给出了 N 型 MOS 场效应晶体管的符号如果栅极电压为正并且超 过它的门限值，N 型沟道将被感应，允许在漏极和源极之间流过由多数载流子（电 子）组成的电流。虽然栅极阻抗在稳态非常高，有效的栅源极电容在导通和关断 时会产生一个脉冲电流。MOS 场效应晶体管有不对称电压阻断能力，如图所示内部 集成一个通过所有的反向电流的二极管。二极管具有慢速恢复特性，在高频应用场 合下通常被一个外部连接的快速恢复二极管旁路。虽然对较高的电压器件来说， MOS 场效应晶体管处于导通时损耗较大，但它的导通和关断时间非常小，因而开关 损耗小。 它确实没有与双极性器件相关的少数载流子存储延迟问题。 虽然在静态 MOS 场效应晶体管可由电压源来控制，通常的做法是在动态由电流源驱动而后跟随一个 电压源来减少开关延迟。 MOS 场效应晶体管在低压、小功率和高频（数十万赫兹） 开关应用等领域得到极其广泛的应用。譬如开关式电源、无刷直流电机、步进电机 驱动和固态直流继电器。绝缘栅双极型晶体管在 20 世纪 80 年代中期出现的绝缘栅 双极型晶体管是功率半导体器件发展历史上的一个重要里程碑。 它们在中等功率 （数 千瓦到数兆瓦） 的电力电子设备上处处可见， 被广泛用于直流/交流传动和电源系统。 它们在数兆瓦功率级取代了双极结型晶体管，在数千瓦功率级正在取代门极可关断 晶闸管。IGBT 基本上是混合的 MOS 门控通断双极性晶体管，它综合了 MOSFET 和 14 BJT 的优点。它的结构基本上与 MOSFET 的结构相似，只是在 MOSFET 的 N+漏极层 上的集电极加了一个额外的 P+层。 IGBT 有 MOSFET 的高输入阻抗和像 BJT 的导通 特性。如果门极电压相对于发射极为正，P 区的 N 型沟道受到感应。这个 P-N-P 晶 体管正向偏置的基极发射极结使 IGBT 导通并引起 N区传导性调制， 这使得导通 压降大大低于 MOSFET 的导通压降。在导通条件下，在 IGBT 的等效电路中，驱动器 MOSFET 运送大部分的端子电流。由寄生 N-P-N 晶体管引起的与晶闸管相似的阻塞 作用通过有效地减少 P+层电阻系数和通过 MOSFET 将大部分电流转移而得到预防。 IGBT 通过减小门极电压到零或负电压来关断，这样就切断了 P 区的导通通道。IGBT 比 BJT 或 MOSFET 有更高的电流密度。IGBT 的输入电容(Ciss)比 MOSFET 的要小得 多。还有，IGBT 的门极集电极电容与门极发射极电容之比更低，给出了改善的 密勒反馈效应。金属氧化物半导体控制的晶闸管金属氧化物半导体控制的晶闸管 (MCT)， 正像名字所说的那样， 是一种类似于晶闸管， 通过触发进入导通的混合器件， 它可以通过在 MOS 门施加一个短暂的电压脉冲来控制通断。MCT 具有微单元结构， 在那里同一个芯片上数千个微器件并联连接。单元结构有点复杂。 图 1-4A-7 给出