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第二章 电子学 第一节 引言 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。 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。 模拟和数字信号 一个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。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”。 信号—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。 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。 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。 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。 第二节 数字系统的布尔代数 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 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,BC以及诸如此类的变量。为了写出这些可能取值为