数字信号的转换方法及其原理

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：数字信号通过缓冲器这样的逻辑电路，就转换成能够正确传达信息的数字信号，经常被用于数字信号和数字信号的接口电路有缓冲电路、功率放大器电路、脉宽变换电路等。图5-9将数字信号转换为数字信号图5-10扇出状态扇出数由源电流的值决定。输出和输入信号的频率比一般为整数分之一。当然，输入脉冲是由逻辑值“1”和逻辑值“0”构成的数字信号。

为什么要再次把数字信号转换为数字信号呢？当把数字信号（方形脉冲）从一个电路传送到下一个电路时，在半路受到外界干扰，有时候脉冲会产生变形。如果把变形的脉冲就这样传送到下一个电路，就有可能引起错误动作的发生。因此，需要进行如图5-9所示的波形整形。如果在传到下面一个电路的前一段设置波形整形电路，错误动作就会减少。缓冲电路就能起到这样的作用。数字信号通过缓冲器这样的逻辑电路，就转换成能够正确传达信息的数字信号，经常被用于数字信号和数字信号的接口电路有缓冲电路、功率放大器电路、脉宽变换电路等。

1.缓冲电路

把缓冲电路作为接口的优点就是可以进行如上所述的波形整形，保护电路以免受到噪声等外界的干扰。除此之外，还可以通过1个IC元件驱动多个IC元件。这与之前介绍的源电流有关，它被称为扇出。图5-10所示就是扇出的状态。那么，在A（此种场合为NOT元件）这一IC元件的输出端可以连接几个IC元件（负荷）呢？

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图5-9　将数字信号转换为数字信号

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图5-10　扇出状态

扇出数由源电流的值决定。如果是通常的TTL IC，扇出数可以达到10个。另外，通过缓冲电路，可以在继电器等比较大的负荷上通过更多的电流。请大家看如下例子。

这是在使用了SN7407缓冲器用TTL IC后的情况，如图5-11所示，SN7407输出和输入的电平没有变化，即当输入逻辑值“1”时，输出的也是逻辑值“1”。通过这个元件，可以把从其他TTL IC和LSI输出的微小电流信号（1.6mA左右）放大到最大40mA。若使用此元件，就能够驱动图5-12所示的继电器。

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图5-11　SN7407缓冲器用IC

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图5-12　用缓冲器IC舌簧继电器的方法

UDM-105D是内置了吸收电涌用的二极管的舌簧继电器，它可以直接与SN7407的输出端连接。除此之外，缓冲器IC中还包括SN7437、N7438、SN7440等NAND缓冲器，另外，反相（NOT）缓冲器中还包括SN7406、SN7416等。图5-13所示就是SN7406把电流放大到最大40mA的例子，叫作集电极开路，当低电平的逻辑值“0”信号从微型计算机被输出时，LED就会变亮。当然，也可以把SN7438集电极开路的NAND元件用于NOT电路。图5-14是利用缓冲器ICXSN7407）驱动舌簧继电器的实际布线图。此图表明了在I/O接口用LSI8255上使用的B口和C口的一半（下位4位）被连接在直插板上的状态。像这样，也可以通过缓冲电路放大一定的电流。当需要将电流进一步放大时，可以使用晶体三极管等。

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图5-13　利用缓冲器驱动LED的方法

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图5-14　利用缓冲器IC（SN7407）驱动舌簧继电器的实际布线图

2.功率放大器电路

在此，我们来看一下数字信号的电压放大电路。要使CPU与TTLIC匹配，就需要像这样的功率放大器电路，即电压变换电路。这种电压变换电路是能够把微型计算机（CPU）的高电平电压和TTL IC等的高电平电压很好地结合起来的接口电路。那么，让我们来看一下把输入电压峰值为5V的电压波形转换为15V的输出电压的方法。原理如图5-15所示。当输入信号为低电平时，因为Tr1的基极电压为0V，所以Tr1为关闭状态，Tr2的基极电压来自于供应电压+15V，经过电阻R2和二极管D2后不是0V，使Tr2为饱和导通状态。于是，以此为牵引，电流会从+15V的供应电压端急剧地流入接地，因此输出电压Vout会变为0，产生低电平的输出信号。相反，当输入信号为高电平时，Tr1为导通状态。于是，电流会从+15V的供应电压端经过电阻R2急剧地流向接地，Tr2的基极电压为0V，Tr2为关闭状态。那么，在Vout上直接加上+15V的电压，输出端将处于“H”高电平。这样就可以把+5V的输入电压放大到+15V，即可以进行电压变换。二极管D1和D2被分散地用于输入电压和输出电压。

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图5-15　功率放大（电压变换电路）(https://www.chuimin.cn)

3.脉宽变换电路

脉宽变换电路可以分为分频电路、计数电路、单稳态触发器电路等。

（1）分频电路。分频电路是由高频率的脉冲制作低频率的脉冲电路。输出和输入信号的频率比一般为整数分之一。例如，图5-16示出了在使用了SN74LS393的场合，当振荡输入频率为128Hz时被分频为1/2、1/4，1/8.1/16的电路。在SN74LS393中的两个长方形的盒子里，A为输入端，QA、QB、QC、QD为双稳态触发器（以下简称为FF）的输出端。CLR是输入清除脉冲（归零脉冲）的一部分。图中所示的1个长方形的盒子内部放入了4个T形的FF，每个FF都是各自被分频的结构。在此，以128Hz为基准频率，通过各个FF把脉冲宽度各自提高2倍。可以根据这个分频电路制作基准时钟脉冲。

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图5-16　分频电路例子之一

（2）计数电路。能对由振荡电路等产生的输入脉冲计数，并用二进制表示方法将其输出的电路叫作计数电路。当然，输入脉冲是由逻辑值“1”和逻辑值“0”构成的数字信号。计数电路大致可以分为同步计数器和异步计数器。这种分类方法如图5-17所示，它是依据输入脉冲的不同传送方法而划分的。前者是指把将要被输入计数器的脉冲共同传送给所有的FF。与此相反，后者是指输入脉冲只是被加入初段的FF，而把前段的FF输出再次输入的计数电路。同步计数器比较复杂，但是因为输入脉冲和信号输出几乎是在同一时间进行，所以信号的传递延迟时间很短，可以实现高速动作。因此，与微型计算机相关的计数器全都是同步的。相反，利用异步计数器的场合是指输入脉冲在被传送后才输出信号，需要花费一定的时间，所以，它一般被用于不需要高速动作的计数器。属于同步计数器的TTL IC包括74160、74161、74162、74163等。异步计数器有7490、7492、7493、74176、74177、74196、74197、74290、74293、74393、74490等。在这里，让我们用LS型的741LS1643试着制作一下N进制计数器。

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图5-17　同步和异步计数器

在图5-18中，给出了三进制电路的一个例子。只要有LS163和反相器，就能够制作出三进制电路。

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图5-18　三进制计数电路的实际布线图

（3）单稳态触发器电路。作为变换脉冲宽度电路的最后例子，现在介绍单稳态触发器电路。此电路通过TTL 1C和定时器ICXNE555就能制作出来。图5-19是使用定时器IC制作单稳态触发器电路的例子。图5-19（a）表示外观，图5-19（b）表示了单稳态触发器电路与电阻赛和电容器的连接方式。

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图5-19　使用定时器IC制作的单稳态触发器电路

触发脉冲作为时钟脉冲输入信号被输入到输入端2。这种脉冲是脉宽非常狭小的低电平脉冲信号。在嵌入的定时器IC的内部设置了触发器，每次只要低电平的触发脉冲一进入定时器IC，高电平的脉冲就会被输出。被输出的高电平脉冲的脉宽由外接的电阻器R2和电容器C2的乘积（即时间常数）决定。电阻器R1是负荷电阻，可以根据需要安装。C1为旁路电容器，其值为0.01μF即可；负荷电阻为1kΩ左右；时间常数ô可由下列式子来表示，即τ=kR2C2（k为固定数，这里k=1.1）。

接下来，我们来看一看用TTL IC制作单稳态触发器电路的方法。图5-20是使用74LS123制作单稳态触发器电路的例子，并且还表示了其内部结构以及外设电阻器和电容器的连接方式。不过，当使用LS型的74LS123时，需要把Cext的6号引脚和14号引脚接地。使用74LS123时，可以通过3种方法来控制从输出端输出的脉冲脉宽。

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图5-20　由TTL ICX74LS123制作的单稳态触发器电路

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图5-21　74LS123的脉宽控制方法

第1种方法如图5-20所示，适当选择外设的电阻器和电容器的值，就可以改变输出信号的脉宽。第2种方法如图5-21（a）所示，当B输入是逻辑值“0”的低电平，清零输入为逻辑值“1”的高电平时，在B输入端外加上触发脉冲，Q输出端就会输出高电平。再次在B输入端外加触发脉冲，就可以扩展脉冲宽度。第3种方法如图5-21（b）所示，当A输入端为逻辑值“0”的低电平时，在B输入端加上触发脉冲，Q输出端的脉冲就会输出高电平。此时，在清零输入端外加脉冲，Q输出端的脉冲宽度就会缩小。因为单稳态触发器能够像这样比较简单地改变脉冲宽度，所以经常被用于伺服电动机控制。

数字信号的转换方法及其原理

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