计算机逻辑基础

第1章 计算机逻辑基础

本章导读

本书每章的导读与以往的任何教材都不一样，重在介绍学习方法。因为作者在多年的人才招聘时发现，很多同学对理论知识的来龙去脉了解很少，只记住了一些知识点的结论。不少同学做实验时，仅仅抱着应付了事的态度，抄写作业和实验报告的现象非常严重，事实证明他们在就业时都为此而付出了代价。

电类专业是一门实践性很强的学科，没有动手能力做支撑，很难做出好的科研成果，而 计算机智能控制技术的核心之一就是计算机逻辑设计。如果你不希望在毕业时被用人单位拒绝，那么无论是上理论课还是做实验，则一定要提前做好预习并做到课后复习。实证调查发现，优秀学生都是这样一步一个脚印走过来的，但很多人却做不到，希望引起大家的注意。

要尽快加入所在大学的“电子协会”和“大学生创新实验基地”等各种学生社团，主动发起成立大一分会本课程兴趣学习小组，由2人组成一个团队，便于相互之间交流并及时解决技术难题，合作完成相应的论文与制作。充分利用周末、课余与寒暑假，学习计算机逻辑电路应用设计技术，并将电路图制作成实际的PCB 电路板，直至符合设计要求为止，通过“在做中学”达到理论与实践融会贯通的至高境界。为了降低成本，可到电子市场购买一些“翻新”的集成电路完成制作。

每周至少举办一次内部专题技术讲座，演讲者必须严格按照文档的写作规范向协会提交论文，用于会员之间的学术交流，然后用PPT 向会员详细讲解，并当众演示制作成果。利用五一、国庆、元旦以及学校举办的各种大型活动专门设摊展示会员的论文与作品，这是提高社团的号召力以及培养会员的自信心、团队意识、组织能力和演讲能力等综合素质的重要途径。这些能力不是从天下掉下来的，但通过长期的积累是可以训练出来的。

开发工程师就象木工一样熟能生巧，必须有足够的实践经验才会有感觉，这是一个苦力活，没有任何捷径可走。没有足够的实践经验，想成为高手是不可能的，只能纸上谈兵！

1.1 基本计算机元器件

1.1.1 电阻器

1． 电阻的特性

电阻器两端的电压（伏特）与流过它的电流（安培）成正比，即遵循欧姆定律：

I R V ×= 或 R V I =

式中，R 为电阻器的电阻值，单位是欧姆。

这一特性也可用如图 1.1(a)所示的伏安特性

曲线来表示，图中横坐标表示电压，纵坐标表示电

流，则电阻器的电压和电流之间呈线性关系。 电阻器两端的电压与流过它的电流的乘积为电阻所消耗的功率I V P ×=，该功率通过热能散发出去。电阻器的功率是有限的，若在电路中电阻器所消耗的功率大于它的额定功率，则该电阻可能会被烧毁。

结论：电阻器两端电压与流过它的电流的比值为它的电阻值。在应用中，电阻器所消耗

的功率必须小于它的额定功率。

图 1.1 电阻的伏安特性曲线

2． 色环电阻和贴片电阻

色环电阻和贴片电阻都属于固定电阻。在电路

图中，固定电阻的表示方法如图 1.1 (b)所示。如

图 1.2(a)和(b)所示分别为色环电阻和贴片电阻的

实物照片。

色环电阻中的“色环”是为了表示电阻值的大

小，每种颜色所示的数值如表 4.1所示。

环电阻的读法为前2位为有效数字，第3位为10的次幂，第4位为误差。例如“棕黑棕银”，

表示电阻值为10×101=100欧姆，

误差为10%；又例如“黄紫红金”，表示电阻值为47×102=4700欧姆，误差为5%。

五色环电阻的读法为前3位为有效数字，第4位为10的次幂，第5位为误差。例如“橙

白蓝红金”，表示电阻值为396×102=39600欧姆，误差为5%。显然五色环电阻精确度比四色

环电阻要高。

色环电阻是为了在电阻器安装后读取比较方便而设立的。贴片电阻则因为只有一个安装方向，因此不必使用色环，直接在电阻安装的顶部打上数字即可表示其电阻值。例如某贴片

电阻顶部显示“103”，表示电阻值为10×103=10千欧。

3． 电位器与可变电阻

如图 1.4(a)所示为电位器的电路符号。1端和2端之间有一个固定的电阻值R p ，第3端

为中心抽头，可在电位器上滑动，可改变R 13和R 23之间的电阻比，

但始终确保有2313R R R P +=。 若将电位器的中心抽头与另外两端中的一端相连，如图 1.4(b)所示，则变成了一个可变电阻。改变中心抽头的位置则可改变1、2端之间电阻值的大小。

如图 1.3所示为电位器的一种——多圈电位器的实物照片，

用小起子旋动电位器上的螺丝，则改变了中心抽头的位置。

1.1.2 电容器

1． 电容的结构和特性

给导体加电位，导体就带上电荷。但对于相同的电位，导体容纳电荷的数量却因它本身结构的不同而不同。导体能够容纳电荷的能力称为电容。

通常，某导体容纳的电荷Q （库仑）与它的电位V （伏特，相对于大地）成正比，即有：

图 1.2 色环电阻和贴片电阻 图 1.3 多圈电位器

图 1.4 电位器与可变电阻

V C Q ×= 所以 Q

C =

C 就是该导体的电容量。电容的单位是法拉（F ），F F 6101−=μ，F PF 12101−=。

如图 1.5(a)所示，在两块平行的金属板之间插入绝缘介质，且引出电极就成为了电容器。它的电路符号见图 1.5(b)所示，分别为有极性电

容和无极性电容。

若给电容器充电，电容器的两极板上就会积

累电荷。如图1.6(a)所示为给电容量为C 的电容

器以恒定电流强度I 充电示意图。假设电容器初

始不带电荷，即它两端的初始电压等于零。我们

回忆电流的定义：电荷在导体内流动形成了电流，

单位时间内流过导体横截面的电荷量称为电流强

度，即有

t Q

I =，则 t I Q ×=

又因在电容器中有

V C Q ×=，故 V C t I ×=× 所以 t C I V =

即电容量为C 的电容器在恒定电流强度I 的作用下，两端电压V 随时间t 线性上升，上升曲线如图1.6(b)所示。

电容器两端的电压越高则所容纳的电荷就越多，即储能就越大。但电容器两极板间绝缘介质的耐电强度是有限的，若两极板间的电场强度太高，就可能将绝缘介质击穿，从而使电容器短路。因此在应用中要兼顾电容器的耐压。

结论：电容器在电路中有容纳电荷的作用，也即存储能量的作用。电容器存储能量是需要时间的，因此电容器两端电压不能突变。且电容量越大，可存储的能量就越多。电容器最重的两个参数是它的电容量和耐压。

2． RC 充放电回路

图1.7(a)所示电路是以一个RC 充放电回路示意图。假设电容器两端的初始电压为零，开关K 与1端接通的瞬间，电源通过电阻R 对电容器充电，此时电容器的充电电流为最大

E/R ，若持续以这个电流充电，则V C 的上升曲线是一条线性的直线，如图1.7(b)中的虚线所示。但是因在整个充电过程中充电电流为()R V E I C C −=，故随着V C 的上升，充电电流强度I C 逐渐减小，则V C 上升的幅度也逐渐变小，直到上升至电源电压E ，同时充电电流为0。这样使实际的V C 上升曲线如图1.7(b)所示。V C 是按指数规律上升的，它随时间t 变化的表达式为：

图 1.5 电容器的结构和符号

图1.6 给电容器恒流充电

图1.7 RC 充放电回路