電氣自動化專業(yè)英語翻譯

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電氣自動化專業(yè)英語（翻譯1-3）

默認分類2008-06-1916:46閱讀471評論0

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第一部分：電子技術

第一章電子測量儀表

電子技術人員使用許多不同類型的測量儀器。一些工作需要精確測量面另一些工作只需粗略估計。有些儀器被使用僅僅是確定線路是否完整。最常用的測量測試儀表有：電壓測試儀，電壓表，歐姆表，連續(xù)性測試儀，兆歐表，瓦特表還有瓦特小時表。

所有測量電值的表基本上都是電流表。他們測量或是比較通過他們的電流值。這些儀表可以被校準并且設計了不同的量程，以便讀出期望的數(shù)值。

1．1安全預防

儀表的正確連接對于使用者的安全預防和儀表的正確維護是非常重要的。儀表的結構和操作的基本知識能幫助使用者按安全工作程序來對他們正確連接和維護。許多儀表被設計的只能用于直流或只能用于交流，而其它的則可交替使用。注意：每種儀表只能用來測量符合設計要求的電流類型。如果用在不正確的電流類型中可能對儀表有危險并且可能對使用者引起傷害。

許多儀表被設計成只能測量很低的數(shù)值，還有些能測量非常大的數(shù)值。

警告：儀表不允許超過它的額定最大值。不允許被測的實際數(shù)值超過儀表最大允許值的要求再強調也不過分。超過最大值對指針有傷害，有害于正確校準，并且在某種情況下能引起儀表爆炸造成對作用者的傷害。許多儀表裝備了過載保護。然而，通常情況下電流大于儀表設計的限定仍然是危險的。

1．2基本儀表的結構和操作

許多儀表是根據(jù)電磁相互作用的原理動作的。這種相互作用是通過流過導體的電流引起的（導體放置在永久磁鐵的磁極之間）。這種類型的儀表專門適合于直流電。

不管什么時候電流流過導體，磁力總會圍繞導體形成。磁力是由在永久磁鐵力的作用下起反應的電流引起。這就引起指針的移動。

導體可以制成線圈，放置在永久磁鐵磁極之間的樞鈕（pivot中心）上。線圈通過兩個螺旋型彈簧連在儀器的端子上。這些彈簧提供了與偏差成正比的恢復力。當沒有電流通過時，彈簧使指針回復到零。

表的量程被設計來指明被測量的電流值。線圈的移動（或者是指針的偏移）與線圈的電流值成正比。如果必須要測量一個大于線圈能安全負載的電流，儀表要包含旁路或者分流器。分流器被容納在儀表盒內或者連接到外部。

例子

一個儀表被設計成最大量程是10A。線圈能安全負載0。001A，那分流器必須被設計成能負載9。999A。當時。001A流過線圈時指針指示10A。

圖1。1（A）說明了一個永久磁鐵類型儀表。圖1。1（B）顯示了一個外部分流器連接到儀表端子上。永久磁鐵類型儀表可以被用作安培表或者電壓表。當量程被設計成指示電流并且內阻保持最小時，這個表可以作為安培表用。當量程被設計成指示電壓，內阻相對高一些時，這個表可以用來測量電壓值。注意：不管如何設計，指針移動的距離取決于線圈的電流值。

為了讓這類表用在交流電中，在設計時必須作微小的改動。整流器可以把交流變成直流電。整流器合并進儀表中并且量程要指示出正確的交流電壓值。整流器類型的儀表不能用于直流電中并且它一般被設計成電壓表。

如圖1。2，電測力計是另一種能用于交流電的既能作安培表也能作電壓表的儀器。它由兩個固定線圈和一個移動線圈構成。這三個線圈通過兩個螺旋型彈簧串聯(lián)在一起。這個彈簧支撐住移動線圈。當電流流行性過線圈時移動線圈順時針方向移動。

電測力計因為屬永久磁鐵型儀表，量程不是均勻分布的。作用在動線圈上的力根據(jù)流過該線圈的電流平方來變化。有必要在量程開始比量程結束分割的密一點。分割點之間距離越大，儀表的讀數(shù)越精確。爭取精確的讀值是重要的。

移動葉片結構是儀表的另一種類型。電流流過線圈引起兩個鐵片（葉片）磁化。一個葉片是可動的，另一個是固定的。在兩個葉片間的磁的作用引起可動葉片扭轉。移動的數(shù)值取決于線圈的電流值。

警告：所有描述的取決于磁力作用的儀器，都不要放置在另一個磁性物質附近。它的磁力可能對引起儀表故障或者導致測量值不準確。

1．3測量儀器的使用

電壓表是設計來測量電路的電壓或者通過元器件的壓降。電壓表必須與被測量的電路或元器件并聯(lián)。

1．3．1壓力檢驗計

交-直流電壓檢驗計是一種相當粗糙但對電工來說很有用的儀器。這種儀器指示電壓的近似值。更常見類型指示的電壓值如下：AC，110，220，440，550V，DC，125，250，600V。許多這種儀器也指示直流電的極性。那就是說(i.e=thatis)電路中的導體是陽性（正）的還是陰性（負）。

電壓檢驗計通常用來檢驗公共電壓，識別接地導體，檢查被炸毀的保險絲，區(qū)分AC和DC。電壓檢驗計很小很堅固，比一般的電壓表容易攜帶和保存。圖1。31。4描述了用電壓檢驗計檢查保險絲的用法。

為了確定電路或系統(tǒng)中的導體接地，把測試儀連接在導體和已建立的地之間。如果測試儀指示了一個電壓值，導體沒有接地。對每一個導體重復這個步驟直到零電壓出現(xiàn)（見圖1。5）。

為了確定任意兩個導體間的近似電壓值，把測試儀連接在導體之間。

警告：要認真讀并遵守電壓檢驗計提供的說明書。

1．3．2電壓表

電壓表比電壓檢驗計測量更精確。因為電壓表與被測量的電路或元件并聯(lián)，必須有相對高一點的電阻。內阻要保證通過儀表的電流最小。流過儀表的電流越小，對電路特性的影響越小。

儀表的靈敏度用符號O/V表示。這個數(shù)值越高儀表的質量越好。高靈敏度可使電路特性的改變減到最小。

電工使用的儀表精確度在95%到98%之間。這個精確度范圍對大多數(shù)應用是滿意的。然而，電力工整理力求最精確的可能讀數(shù)是重要的。一個精確讀數(shù)可以在儀表盤上顯示也可以直接讀出來。如果在指針后面有鏡子，調整視線的角度直到指針在鏡子中看不到映象。如要更精確可以使用數(shù)字表。

電壓表有與電壓檢驗計同樣的應用。電壓表比電壓檢驗計更精確。因而，也支持更多的應用。例如，如果一個建筑物的供電電壓低于正常值，電壓表能指示出這個問題。電壓

表也用來確定饋電線和支線電路導體的壓降值。

電壓表有時有不只一個量程。選擇一個能更精確測量的量程很重要。選擇器開關范圍達到這個目的。注意：開始用一個適當?shù)母咭稽c的量程，然后逐漸降低到在限定范圍之內的最低量程。設定選擇器開關在可用的最低量程上能使讀數(shù)達到最精確。

使用儀表之前，要檢查儀表確保指針指在零上。在儀表盤下面有一個調整螺釘。一個輕微的扭動就能使指針偏移。扭轉調整螺釘使指針對準零線。

當在DC中使用電壓表時，保持正確的極性是很重要的。大多數(shù)的直流電源和儀表都用顏色標記極性。紅色指示陽極，黑色指示陰極。如果電路和元件的極性未知，觸一下端子的導線觀察指針。如果指針猶豫著試圖擺動，儀表導線連接就要顛倒一下。

警告：不要讓儀表連接反的極性。

1．3．3安培表

安培表是用來測量電路或部分電路的電流數(shù)量的。他與被測電路元件串聯(lián)連接。儀表的電阻必須非常低這樣不會影響流過電路的電流。當測量很靈敏的設備的電流，安培表電流的輕微改變可能會引起設備的故障。

安培表象電壓表一樣，也有一個調零的調整螺釘。許多儀表也有鏡子幫助使用者保證讀數(shù)精確。

安培表常用來找出過載或者開路。他們也用來平衡線路的負荷和確定故障位置。

安培表總是與被測電路或元件串聯(lián)連接。如果使用在DC下要檢查極性。圖1。6（A）顯示了安培表測量電路的電流。圖1。6（B）顯示的是AC安培表。1.3.3歐姆表

歐姆表用來測量電阻，它內裝電池提供操作時需要的動力。

警告：在接上歐姆表之前，必須確認電路或部件沒有與常規(guī)電源相連接。將歐姆表與一個沒有斷開電源的電路相連可能回損壞儀表甚至導致使用者受傷。

歐姆表的刻度的讀取方向與其它儀表相反，當儀表電流開路時，指針應當指向無窮大?？梢酝ㄟ^調整旋紐使指針與無窮大標志對準。

多數(shù)歐姆表有數(shù)個量程，量程選擇開關應當置于最能為精確測量的位置（刻度）。量程

一般為：r*1、r*10、r*100、r*1000。如果選擇開關置于r*1，表盤顯示的值即為測量值；如果選擇開關置于r*100，表盤顯示的值必須乘以100?！?/p>

1.3.4通斷測試儀

1.3.3兆歐表

兆歐表，一般認為是由其商品名MEGGER而得名，是一種測量極高電阻的儀器。例如，用來測量電路導體或馬達繞組絕緣體的電阻。兆歐表被設計成用來測量兆歐級的電阻；一兆歐等于一百萬歐姆。

一個稱之為磁發(fā)電機的小型發(fā)電機被包含于兆歐表外殼之內，它為儀表提供動力，就像歐姆表中的電池所起的作用。磁力發(fā)電機可以手動發(fā)電或由電池以及其它設備提供電源。兆歐表有很多不同電壓檔，其中最常用的設計工作于以下數(shù)值：500V、1000V、和1000V。磁力發(fā)電機產生的電壓取決于被測電阻的類型和歐姆值。

因為兆歐表是設計用于測量極高電阻，它們通常用于絕緣測試。肉眼觀測絕緣性能和用歐姆表進行漏電測試不是非常可靠，而兆歐表測試是維修電工們最為可靠的測試方法之一。

警告：在兆歐表連接到導體或電路之前，電路必須斷電。絕緣測試通常是在導體與地之間進行，所以良好的接地是測試過程中至關重要的一部分。應當用兆歐表和低電阻歐姆表檢測以確認接地的良好連通性。

絕緣測試應當在安裝期間進行，并在以后定期進行。對于額定電壓在600V或以下的電路和設備，可以使用1000V磁力發(fā)電機。必須對測試進行記錄，包括測試日期、時間、溫度、濕度和電阻值。

由于大氣狀況會影響絕緣電阻，一段時間內可能會有很多不同的測試值，因為絕緣電阻隨著溫度、濕度和空氣質量的不同而不同。

絕緣的共同敵人是濕氣、污垢、油污、和化學物質，盡可能地保持設備和導體的清潔和干燥是非常重要的。良好的保養(yǎng)習慣和定期的絕緣測試應該成為制度而不是偶爾為之。兆歐表的快速通常被標注為最小10000歐姆，最大200兆歐。額定工作于600V的導體的絕

緣能力應當顯示其絕緣電阻在600000歐姆以上。對于馬達、發(fā)電機、變壓器和類似額定工作于1000V或以下的設備，其最小絕緣電阻必須在1兆歐以上。對于工作于額定電壓在1000V以上的導線和設備來說，一個不錯的計算規(guī)則是：將額定電壓除以1000即得到了該設備以兆歐為單位的最小絕緣電阻。

周期性的絕緣測試應當至少每兩個月進行一次，絕緣電阻值隨溫度和空氣狀況的不同而不同，但是，1年到18個月的長時期二極管

（2）晶閘管（例如：可控硅整流器SCR）

（3）電子晶體管

（4）門極可關斷晶閘管（GTO）

（5）雙向可控硅

晶閘管SCR和雙向可控硅一般用于相位控制（相控）。各種二極管，晶閘管SCR，電子晶體管，門極可關斷晶閘管的聯(lián)合體用于頻控。這些器件的共性是：利用硅晶體形成的薄片構成P-N結的各種組合。對二極管，SCR，GTO一般P結叫正極N結叫負極；相應的電子晶體管叫集電極和發(fā)射極。這些器件的區(qū)別在于導通和關斷的方法及電流和電壓的容量。

讓我們根據(jù)他們的參數(shù)簡單看一下這些元器件。

2．2．1二極管

圖2。1顯示了一個二極管，左邊部分顯示的是在硅晶體中的一個PN結，右邊顯示的是二極管的原理圖符號。

當P相對于N是正時，由于節(jié)上有一個相當?shù)偷膲航担跋螂娏鏖_始流動。當極性相反時，只有一個極小的反向漏電流流動。這些用圖2。2闡明。前向電壓通常大約有1V，不受電流額定值的影響。二極管正向導通電流的額定值取決于其尺寸和設計，而這二者是根據(jù)器件散熱的要求來確定的，以保證器件不超過最大結溫（通常為200C）。

反向擊穿電壓是二極管的另一個重要參數(shù)。它的值更取決于二極管的內部設計而不是它的物理尺寸。

注意：一個二極管只有當加上正向電壓時才會正向導通。它沒有任何固有（內在的）的方法控制導通的電流和電壓值。

二極管主要用在交流電路中作整流器，這意味著它們把AC整流成DC，同時產生的直流電流和電壓值沒有固有的控制方法。單二極管可用額定值到4800A和最大反向電壓1200V，2000A最大反向電壓4400V。

2．2．2晶閘管

圖2。3顯示了晶閘管（一般也叫可控硅）的PN結排列和它的原理圖符號。注意這不同的結從正到負是PNPN，還有一個門極連到了內部的P層。

如果沒有連門極，并且陽極加反向電壓，從正極到負極就沒有電流通過。這是因為內

部P結由于未通電而工作在阻斷電路。這種情況對于正向阻斷狀態(tài)也是正確的。然而，當陽極是正的并且正信號作用到門上，則電流將從正極一直流向負極即使門極沒有正信號。換言之，門極能打開晶閘管但不能關斷它。關斷晶閘管的唯一方法是通過外部方式在正極強加上一個零電流。因此在前向導通只能通過強加零電流停止方面，晶閘管與二極管是相似的。然而，晶閘管與二極管在如何啟動前向導通方面是不同的。（1）陽極是正（2）門時刻是正。這個特性暗指了術語“可控硅”。

圖2。4闡明了晶閘管的穩(wěn)態(tài)伏安特性。注意反向電壓和反向泄漏電流的形狀與二極管的很相似。反向電壓導通時比二極管的高，通常有1。4V。阻斷狀態(tài)也有一個極小的前向泄漏電流。

在二極管中，穩(wěn)態(tài)電流值是由器件的性能和底座（散熱器）散發(fā)的熱量確定的。晶閘管的最大結溫比二極管要低，大約在125C。這意味著在同樣的額定電流下，加上1。4V的前向壓降，晶閘管比二極管的前向壓降大的多。單晶閘管可用額定值在最大反向電壓2200V超過2000A，在在最大反向電壓4000V超過1400A。

2．2．3電子晶體管（電子管）

圖2．5列出了一個典型功率電子管的結排列，原理符號圖和伏安特性。如果集電極為正，除非在基電極和發(fā)射極間有電流才有電流從集電極到發(fā)射極。與晶閘管比較，只有在基極有電流時，電子管沒有從集電極到發(fā)射極的自鎖電流?；鶚O開路，集電極到發(fā)射極將阻斷電流。

功率電子管與晶閘管在控制前向導通的啟動時相似。它與晶閘管不同的地方在于它能控制關斷和交流電機頻率控制所必需的換向。

注意伏安特性沒有顯示反向特性。一般的，一個反向分流二極管連在發(fā)射極和集電極之間，以保護電子管受反向電壓傷害。功率電子管的可用額定值是最高反向電壓1000V400A。

2．2．4門極可關斷晶閘管GTO

圖2。6顯示了GTO的原理符號。GTO與晶閘管的相似處在于PNPN結的排列和前向電流的操作。如果陽極是正的，導體的啟動是通過作用在門上的正脈沖。然而硅片和結是利用特殊特性設計的，所以即使陽極保持正值，加到門上的強負電流作用迫使前向電流阻斷。GTO常用的瞬間額定值是PRV1200V2400A。

2．2．5雙向可控硅

圖2。7顯示了雙向可控硅的原理符號圖。一個雙向可控硅由一個特殊的晶閘管包（包含前向和反向晶閘管）組成，它的操作由一個門極控制。他們常用在調光器電路中或者作為繼電器的開關，這樣截止態(tài)下很小的泄漏電流不會引起其它控制器的誤操作。隨著增加電流容量可控硅的可用性使他們用于交流電機的相位控制中。

2．3功率半導體容量

功率器件在穩(wěn)態(tài)交流電機馬力范圍大于600V時如何用，用在哪里摘要顯示在表2。1中。馬力額定值基于沒有并聯(lián)的器件。

2．4功率半導體的物理特性

在物理特性條件下，有三類最常用的功率半導體：（1）栓接式（2）薄片或冰球式（3）絕緣散熱器類型。他們的共同特征是需要與其它器件有物理了解。這器件叫散熱器，為了保持結溫在設計值內把內部熱量散發(fā)出去。散熱器吸收結的熱量通過散熱片，輪片（螺旋槳葉片）或者液體冷卻劑發(fā)散出去。液體冷卻劑幾乎從不用于600V級的固態(tài)交流電動機控制中，而且也不包含在我們的討論中。這三類功率半導體的不同在于它們如何安裝，他們如何與散熱器連接。

2．4．1栓接式

螺紋部分可能是PN結的一部分，或者是與有源電子部分電子絕緣。在任一種情況下，螺紋部分常常插入散熱器的螺紋孔。

栓接式器件在小馬力額定值下常用來作為直接功率控制器件，在大馬力額定值下常用來作為輔助保護器件。在后一種情況下，它們常直接安裝在較大器件使用的散熱器上，如冰球式設計。

2．4．2冰球式器件

典型冰球式功率器件可能是二極管，可控硅或GTO。尺寸范圍直徑從近似25MM到100MM。每一個平坦的面即不是P也不是N結。熱傳遞和導電從這表面產生。冰球式器件典型安裝是聯(lián)接鋁型材的散熱器。特別的箝位電路，聯(lián)接絕緣混合劑和扭矩扳手都是需要的，用來確定光熱傳遞和電導率。

由于栓接式和冰球式器件的散熱器都能傳遞電流，他們必須與機械底托電子絕緣。輪片能加到散熱器上增加熱量排放并且增大固定負荷狀態(tài)的完成。

由于散熱器能在同樣電壓水平下作為功率器件，冰球式和栓接式的固態(tài)AC電動機控制必須通過附件（外殼）供給。附件（外殼）必須有合適的通風口或熱交換器使得熱量能散發(fā)。它不會用在放在安全封套中的用法，例如象NEMA12的密封盒或相似的外圍物。

2．4．3絕緣散熱器件

絕緣散熱器功率器件可能是二極管，可控硅，GTO，三極管或雙向可控硅。單個的包包含器件的聯(lián)合體，在內部以線加固。區(qū)別的特征是術語“絕緣散熱器”。有一個鋁底盤在每個包下面。這個底板與功率器件之間是導熱并絕緣的。結的大部分熱量傳給了鋁盤。這個底板依次安裝在第二個更大的散熱底板上。這個更大的散熱底板在對面有鰭狀表面。

絕緣散熱器的設計使它自己是個完全封閉的設計。他們也有經過預包裝的已經內部加固過的復合器件的優(yōu)點。他們的缺點是通過底部安裝的底板散熱的能力有限，所以固定負荷狀態(tài)必須小于開放的散熱器—安裝在冰球式器件上。盡管如此，絕緣散熱器在一般應用和器件容量的使用上迅速增長。在較高的左上角的排列是唯一的，同樣它聯(lián)合了有所有封閉設計的絕緣散熱器概念的冰球式的優(yōu)點（例如，易替換，易互換）。它也被恰當?shù)姆Q為“開放塊狀”模式。

2．5換流

在深入的討論實際的固態(tài)交流電機的控制之前，將換流的概念和種類闡述清楚是必要的。換流的不同類型指所有討論的固態(tài)電動機控制。

換流是功率半導體器件中負載電流被截止或停止流動或轉換到另一回路的過程。有以下三種換流方式：（1）自然或線電壓換流（2）負載換流和（3）強制換流。2.5.1自然或電網（線電壓）換流

圖2.8為用于將交流轉換為直流的功率半導體電路，在數(shù)學上可以證明這種特殊電路可以將60Hz460V三相交流電轉換為包含60Hz脈動成分的600V直流電。

既然60Hz正弦交流線電壓在每次正和負半周結束時都會過零，因此在線電壓的每個半周結束時，功率半導體是自動（關斷）換流的，這也就是自然或電網（線電壓）換流。

假設某一時刻圖2.8電路產生的直流電壓作用于一個具有反極性的電壓源之上（見圖

2.9），且該直流電壓稍高于600V，如果該半導體器件為二極管，則會導致短路的發(fā)生。但是，如果這些器件是晶閘管、三極管或可關斷晶閘管，由于它們除非觸發(fā)，都處于關斷狀

態(tài)，沒有電路流過，所以不會有像使用二極管時的短路現(xiàn)象發(fā)生。因為器件將在每個半周經歷一次零電壓，所以如果它們在每個半周的任意時刻導通后，在每個周期結束時，交流線電壓將使器件換流。這也是有電流從直流端流向交流端的自然或電網換流。

圖2.10所示為一種連接于交流鼠籠感應電機交流接線端的半導體功率裝置，如同圖2.8和圖2.9，圖2.10中的功率器件在將在每個交流線電壓正弦波周期經歷一次零電壓，因此，這些器件可以是二極管、晶閘管、三極管和可關斷晶閘管，或是雙向可控硅。既然二極管可以導致線路和電機短路，所以二極管是多余的。對圖2.10，晶閘管和雙向晶閘管對于相控比較實用，因為它們可以被關斷?？申P斷晶閘管和三極管由于其固有的關斷能力不相適應，所以它們也不會用于圖2.10。圖2.10是另一種自然或電網換流應用的例子。

2.5.2負載換流

負載換流發(fā)生于如下情形：負載具有某種特性可以導致交流電壓自動為零，繼而將導致器件每半個周期換流或關斷一次。

電機的旋轉加上直流場的效果導致電機輸入端正弦電壓的產生。這種正弦波電壓，如果連接到功率半導體器件，將提供半周一次的換流或關斷，這就是負載換流，見圖2.11。

電路見圖2.11，它不能用于交流鼠籠式感應電機，因為激勵或勵磁電流來源于與線電流功率部件相同的電源?？梢詾楣β拾雽w控制系統(tǒng)加裝特殊電路，一旦感應電機速度達到某一值時，可以為電機提供負載換流。對于大型電機這樣更為節(jié)省成本，但對于373kW/600V的電機不太多見。強制換流技術用于這類電機。

2.5.3強制換流

圖2.12所示為由功率半導體饋電的交流鼠籠式感應電機，依次由直流源饋電。如上所述，交流鼠籠式感應電機不能產生換流或使正弦波形轉變極性，假設期望通過依次開、閉功率半導體器件以提供電機的頻率調節(jié)，則強制換流必須用于器件的關閉。

如果是三極管，基極信號將使其導通，基極信號的撤除將使其截止，三極管的強制換流不需要其它功率器件。

對可關斷可控硅，正門極脈沖使其導通，而負門極脈沖使其產生換流或關斷，與三極

管一樣，其強制換流不需要其它輔助功率器件

對于前面提到的晶閘管，門電路對關斷無效，必須由與陰極和陽極并聯(lián)的輔助功率器件使陰極和陽極之間電流為零。典型的結構包括一個電容和一個晶閘管，如圖2.13所示，當主晶閘管導通時，電容充電，主晶閘管關斷的同時，輔助晶閘管同時導通，因而電容放電，強制主晶閘管陽極中的電流為零。

2.6總結

緊記功率半導體器件在固態(tài)交流電機控制中使用的三種重要的選項是：

（1）功率半導體器件（二極管、晶閘管、三極管和可關斷晶閘管和雙向可控硅）可以用于控制交流電壓、交流轉換為直流、直流轉換為交流、和直流開關。

（2）采用哪種類型的器件取決于要實現(xiàn)的功能和器件輸入和輸出側功率電流的特性。決定很大程度取決于可以使用的換流類型——電網、負載、或強迫換流。

（3）器件的物理特性（拴接式、冰球式、或絕緣散熱式）和相關的冷卻要求，在很大程度上取決于對成本的均衡考慮和控制器外殼的要求。

記住這三種選項的判據(jù)和性能，讓我們期待下一步器件會有最好的表現(xiàn)，從將它們用于固態(tài)交流電機的相控啟動器開始chap3

模擬電子

3.1介紹

3.1.1模擬和數(shù)字電子學對照

我們已經研究過三極管和二極管怎樣作為開關器件用于處理以數(shù)字形式出現(xiàn)的信息。數(shù)字電子學中，三極管用作電子控制開關：它不是飽和就是截止。（三極管的）動態(tài)區(qū)域僅用于從一種狀態(tài)過渡到另一種狀態(tài)。

與之相對的是，模擬電子學依賴于三極管的動態(tài)區(qū)域和其它放大器的形式。希臘語詞根―analog‖的意思是―以一定的比例‖，在這里表示信息被編碼成為與表達量成正比的電信號。在圖3.1中，我們的信息是某種音樂，物理上由樂器的激勵和共鳴產生。輻射的聲波由空氣分子的有序運動組成，準確的理解為聲波，它使話筒的振動膜移動，依次產生電信號。電信號的變化與聲波成比例。電信號被用電子的方法放大，即利用輸入放大器的交流電能將

信號的功率放大。放大器的輸出驅動一個記錄頭，并且在一個圓盤上產生起伏的溝槽。如果整個系統(tǒng)正常，每一次聲波振動都會記錄在圓盤上，并且當該記錄通過類似的系統(tǒng)重放，信號以聲能的形式從揚聲器輻射出來，所產生的聲音能忠實地重現(xiàn)原始音樂。

基于模擬原理的電子系統(tǒng)形成了一類重要的電子儀器。收音機和電視機的播放是模擬系統(tǒng)的典型例子，許多儀器也是模擬系統(tǒng)，它們的應用領域包括偏差檢測（應變計量器）運動控制（測速儀）和溫度測量（熱電偶）。許多電子儀器——電壓表、電流計歐姆表、和示波器應用或至少是部分應用了模擬技術。

模擬計算機在數(shù)字計算機成熟之前就已存在。在模擬計算中，用電信號模擬微分方程的未知量。用電子的方法對這些信號積分、比例運算和求和以獲得方程的解，比起解析或數(shù)值求解方法要容易一些。

3.1.2本章內容

模擬技術廣泛地使用了頻域的觀點，我們以將頻域的概念擴展到周期性的、非周期性的、和隨機信號作為開始，我們將看到大多數(shù)模擬信號和過程都可以在頻域中表示。我們將介紹頻譜的概念，也就是，用同時存在的許多頻率來表達一個信號。頻域中的帶寬（頻譜寬度）將與時域中的信息率有關。

這種對頻域概念的擴展也有助于我們區(qū)別模擬器件的線性效應和非線性效應。線性電路被證明（beshown）可以濾除不需要的頻率成分，與之對照的是，像二極管和三極管這樣的非線性器件將產生新的頻率成分。這種特性允許我們通過調頻和調幅調制技術在頻域中改變模擬信號，它被廣泛應用于公共和私人通信系統(tǒng)。作為一個例子我們將討論調幅收音的工作原理。

然后我們將討論反饋的概念，它是一種技術，通過用模擬系統(tǒng)增益（的損失）交換其它期望特性如線性度或帶寬。沒有反饋，模擬系統(tǒng)如音頻放大器或電視機將更貴而性能更差。對反饋優(yōu)點的理解是欣賞運放在模擬電子學中應用的基礎。

運算放大器（縮寫為opamps）是模擬電路的基本構成單元，正如NOR和NAND門電路為數(shù)字電路的基本單元一樣。我們將給出一些最為常見的運算放大器的應用，包括它們用于模擬計算機中的例子。

運算放大器(簡寫OPamps)是模擬電路的基本組成部分，正如NOR或非和NAND與非門電路是數(shù)字電路的基本單元一樣。我們將介紹一些運算放大器一般應用，以在模擬計算機里的他們的用途來結束。

3.2運算放大器電路

3.2.1介紹

(1)運算放大器的重要性。運算放大器是一個在受負反饋控制的高增益的電子放大器，用來在模擬電路中完成很多運算功能。這樣的放大器最初被發(fā)展完成運算，例如在模擬計

算機里為微分方程的求解的積分和求和。運算放大器的應用被增加了，直到目前為止，大多數(shù)模擬電子電路基于運算放大器技術。例如,你需要一個放大器獲得10倍的增益，便利,可靠性，費用考慮將確定使用一個運算放大器。因此，運算放大器形成模擬電路的基本構件，正如NOR或非和NAND與非門電路是數(shù)字電路的基本單元一樣。

(2)運算放大器模型典型的特性。典型的運算放大器是利用十多個晶體管，幾個二極管和很多電阻器的一個復雜的晶體管放大器。這樣的放大器被在半導體芯片上批量生產并且售價少于1美元一個。這些部件是可靠，耐用的，并且在他們的電子特性接近理想。圖3.2顯示一臺運算放大器的基本特性和符號。有兩個輸入電壓u+和u_,用大的電壓增益差分放大，通常達105-106.輸入電阻R也很大，100K-100M歐。輸出電阻Ro很小，10-100歐.放大器經常用正極(+Ucc)和負極(-Ucc)電源提供直流電源。對這個情況來說，輸出電壓在供電電壓之間，-Ucc<Uo<+Ucc。有時一個電源接地(即,"-Ucc"=0).這樣的話輸出電壓在0<Uo<+Ucc之間。電源連接很少被畫進電路圖，可以認為運算放大器和合適的電源連結起來。因此運算放大器接近一個理想的電壓放大器，有高的輸入電阻，低的輸出抵抗和高的增益。

高增益通過使用強大的負反饋變?yōu)槠渌杏玫奶卣鳌Ｘ摲答伒娜亢锰幈贿\算放大器電路利用了。對那些早在這章里列舉，我們將為運算放大器電路還增加3個好處：低擴張性，便于設計，和簡單的構造。

(3)這節(jié)的內容。我們首先分析兩個普通運算放大器應用，反相和同相放大器。我們通過一個簡單而有效對任何運算放大器電路使用的一種方法，推導出這些放大器的增益。我們然后討論有源濾波器。這是有（帶了）增加了頻率響應的電容器的運算放大器。然后我們簡單討論模擬計算機，以討論運算放大器的一些非線性的應用來結束。

3.2.2運算放大器

(1)反相放大器。反相放大器，用圖3.3顯示，使用一個運算放大器和兩個電阻。運算放大器的輸入是地(零信號);負(-)電源連接輸入信號(通過Ri)并且(通過RF)反饋到輸出信號.在下列討論中容易混淆的是我們必須同時談到兩個放大器。運算放大器是在負反饋放大器里形成放大要素的一種放大器，負反饋放大器包含運算放大器加上相關電阻。為了減少混亂，我們保留術語"放大器"只用在反饋放大器的總體上。運算放大器絕不是一個放大器；而被叫為運算放大器。例如，如果我們對放大器提及輸入電流，我們指通過R1的電流，并

非進運算放大器的電流。

我們在圖里能求出3.3反相放大器的增益，通過求解基本的電路法則(KCL和KVL)或者通過試圖把電路分成主要放大器和反饋系統(tǒng)模塊。不過，我們將提出另一方法，這種方法基于運算放大器增益很高，接近無限。在如下=》U+=U_

例如，如果lUol<10V并且A=l05，然后我u+u_l<10/lOs=100UV。因此對任何運算放大器電路通常u+和u_在100uV或更少Ri~R1

(3)因為u+=u_并且Ri很大，進入放大器的+極和-極的運算放大器的輸入電流將非常小，基本上零

見(3.2)

例如，Ri=100k，{i_}<10-4/lOs=10-9A。

對于反相放大器，公式(3.2)暗示輸入端的電流I流過RF，如圖3.4所示.這允許我們計算出輸出電壓。RF兩端電壓是iiRF，因為RF的一端連接u-=0，因此電壓增益將是見(3.3)

在增益表達式中的負號表明輸出和輸入反相：在輸入端的一個正的信號將在輸出端產生一個負的信號。公式(3.3)顯示增益取決于Rf和R1的比率。這將暗示那只是比率而不是Rf和Ri個別價值。如果放大器的輸入阻抗是不重要的，這將是真實的，但是一個放大器

輸入阻抗經常是關鍵的。反相放大器的輸入阻抗將由公式(3.1)顯示;

Ri=Ui

i~~R，(3.4)

對一個電壓放大器來說，輸入電阻是一個重要的因素，因為如果Ri太低信號源(Ui)可能負擔過重。因此在設計過程中，Ri一定充分高以避免負荷問題。一旦Ri固定，RF可以選擇取得所需要的增益。因此個別的電阻的值變得重要，因為他們影響放大器的輸入阻抗。

讓我們設計一個增益是-8的反相放大器。輸入信號是來自一個有100歐的輸出電阻的電壓源。降低負載，輸入電阻Ri，必須比100大得多。對削減5%負載來說，我們將確定R1=2000.取得增益-8(實際上-8的百分之95，考慮到負載),我們需要Rf=8x2000=16k.反饋影響支配放大器的特性。當輸入電壓被提供，u_的值將增加。這將引起Uo迅速朝著負的方向增加。這負電壓增加了那些值，在哪里Uo通過RF對-負輸入的影響通過R1取消Ui的影響。換句話說，由于運算放大器的輸入電流極其小，輸出將自我調整通過Rf收回任何電流（通過R1，Ui注入的）。在這種方式下輸出只取決于RF和Ri。

(2)同相放大器。對于在圖3。5顯示的同相放大器來說，輸入連接陽極。從輸出，反饋連結到運算放大器的負輸入端，作為所要求的負反饋。為確定增益，我們使用上面略述的假定。

(1)因為u+~=u_,那么

u_=Ui(3.5)

(2)因為i_=0，RF和R1有相同的電流。因此通過一種分壓器關系Uo與u_有關。u_=UoR1+RF(3.6)

結合公式(3.5)以及(3.6),我們建立增益是

Ui=UORi+RF=Au=+(1+)(3.7)

‘在增益表達式之前的正信號強調放大器的輸出與輸入有相同的極性：正的輸入信號產生一個正的輸出信號。再次我們看到Rr和Ri的比率確定了放大器的增益。

當一電壓加到放大器上，輸出電壓迅速增加并且將繼續(xù)上升直到Ri的端電壓等于輸入電壓。因此小輸入電流將流入放大器，并且增益只依賴Rr和Ri。同相放大器的輸入阻抗將非常高，因為放大器的輸入電流也是運算放大器的輸入電流，i+，必須極其小。超過1

000M的輸入電阻值用這條電路很容易達到。高輸入電阻的特征是同相放大器的一種重要的優(yōu)勢。

3.2.3有源濾波器

(l)有源濾波器是什么？一個有源濾波器把濾波與放大結合起來。我們早先研究的電阻過濾器被叫作無源濾波器，因為他們只提供濾波。有源濾波器使用一運算放大器提供增益，同時在輸入和反饋電路中加入電容器以形成過濾器特性。

我們早先在時域得到反相放大器的增益特性。在圖3.6我們顯示頻域版本。我們很容易的把早先的出處轉換成為頻域。

濾波器功能，F(xiàn)u(w),因此是二個阻抗的比率，并且通常給出濾波的增益。我們可能寫負號作為180度移動，因為在頻域反相相當于180的相移。

(2)低通濾波器。把一個電容器與RF并聯(lián)的(參閱圖3.7)，在高頻上傾向于降低Zf因此有了放大器增益，從而，這個電容器通過增益把一臺反相放大器轉變成低通濾波器。我們可能寫

(3.8)

因此增益將是(3.9)

這兒Au=-RF/Ri，增益中沒有電容器，Wc=1/RrCF將截止頻率。放大器的增益近似常數(shù)直到頻率超過Wc，在此之后,增益隨WC的增加而減少。濾波器功能的波特圖顯示在3.8，在這兒RF=10kRl=lkl’l和CF=1UF

(3)高通濾波器。高通濾波器被用圖3.9顯示，使用了一個電容器與R1串聯(lián)以在低頻段降低增益。分析的細節(jié)將被留到下一個問題。濾波器的增益是

在這里Au=-RF/Rl是沒有電容器的增益，WC=I/RiCl是截止頻率，低于截止頻率放大器增益將降低。這個濾波器特性的波特圖顯示在3.10.

(4)其他有源濾波器。通過使用更先進的技術，能仿真RLC窄帶帶通濾波器，并且通過使用另外的運算放大器，很多復雜的濾波器特性可以被獲得。這種應用的討論不屬于

3.2.4模擬計算機

經常一個微分方程通過積分求解。積分可以通過解析的方法或者以數(shù)值法在一臺數(shù)字

電子計算機上被完成。積分也可通過一個運算放大器電路執(zhí)行。的確，運算放大器最初是為了微分方程的電子積分被發(fā)展的。

(1)積分。在圖3.11中運算放大器電路通過一個電容器使用負反饋進行積分。

我們已經把反饋線路上電容器充電到U1的原始值，然后在t=O時除去這預偏電壓。在開關打開之后，讓我們檢查電路的初態(tài)（在調查將發(fā)生什么之前）。由于u+大約是零，因此將是u-，并且因此，輸出電壓被固定在-U1。放大器的輸入電流，Ui/R，將流過U1電源并且進入運算放大器的輸出。因此輸出電壓將保持在-Ul直到開關打開。

在t=0開關被打開之后，輸入電流將流過電容器，因此Uc將是

因此電路的輸出電壓是

(3.10)

除了負號，輸出是Ui的積分值被1/RC除，我們通過選擇適當?shù)腞和C.的值取得任意數(shù)。

(2)縮放比例和求和。我們需要兩條其他電路以模擬計算機方法解決簡單的微分方程?？s放比例涉及乘以一常量，例如

U2=-

這里K是常量。這是一個放大器的方程式,并且因此我們將在圖3.3里使用反相放大器為獲得–信號，或者在圖3.5中使用同相放大器以獲得+信號。

加法器產生兩個或更多信號的加權和。圖3.12顯示有二輸入端的一個加法器。我們可能通過使用我們早先使用的理解反相放大器的相同的推理理解電路的操作。由于u_=0，通過Ri和R2的電流總數(shù)為(3.11)

輸出電壓將調整自己通過RF拉這個電流，并且因此輸出電壓將是

Uo=-iiRF=-(U，’R+U2‘)

輸出將是被增益系數(shù)，Rr/Rl和Rr/R2分別加權后的Ul和U2的和。如果反相不需要加法器產生，加法器隨后跟一個反相，一個增益為-1的放大。很清楚，我們能加上另外的輸入與Rl和R2并聯(lián)。在下面例子里，我們將對3個信號求和以解決一個二階微分方程。

(3)微分方程的求解.。讓我們設計一個模擬計算機電路求解微分方程

(3.12)

除最高階導數(shù)之外，移動所有項到右側

(3.13)

對公式(3.12)的求解電路被用圖3.13顯示。這個電路包含兩個積分電路對公式(3.13)左

邊進行積分，一個加法器表達公式右邊部分,兩個反相器改正信號符號。同相輸入接地，并

且輸入和反饋連接到運算放大器的反相輸入端。因此我們只顯示反相的輸入。用d2u/dt2

作積分電路的輸入，第一個積分電路的輸出將是-du/dt[電池給出3V的起始條件，如同在

公式(3.13)里。],因此第二個積分電路的輸出將是+u（初始條件-2V).這個輸出被輸入

到加法器，隨同du/dt反相，驅動函數(shù)COSI0t也必須反相以取消在加法器中的反相。連

結3個信號進加法器的輸入電阻產生了公式(3.13)里的加權因子，因此加法器的輸出表達了

公式(3.13)的右邊。我們因此連結輸出到我們的"輸入"d2u/dt2以滿足公式(3.12).觀察這個

解決Eq(3.12)的方法，我們僅僅在t=0打開開關。

很清楚，這種技術能被用于更高階的方程式。對模擬計算機的復雜的使用需要多種精

致附件。經常，被求解的方程式在時間上劃分(時間在計算機上被加速或者減速)來適應實際

的電阻器和電容器的值。此外，電壓和電流值可以被劃分，帶來在計算機的可允許的范圍

4數(shù)字電子

4.1數(shù)字的概念

4.1.1什么是數(shù)字信號

(1)一個歷史例子。"聽，我的孩子們，你們將會聽到保羅·瑞維爾午夜策馬飛奔的傳奇，"根據(jù)朗費羅的詩，保羅·瑞維爾通過波士頓老北教堂的鐘樓那里給新英格蘭農民發(fā)信號。（如果英軍今晚無論是從陸地還是從海上來犯，在老北教堂鐘樓的拱門上高掛一盞燈籠作為信號）"一盞燈籠表示從陸地來，兩盞燈籠表示從海上來"。那就是說，如果英國軍隊從波士頓陸地向康科德前進，展示一盞燈，如果他們穿過Mystie河走間接航線，兩盞燈將被展示。

愛國者們收到的消息就是數(shù)字形式的編碼。我們今天將說這兩個"位"的信息通過代碼運傳送(嚴格地說，二位能表明4個可能消息，并且要求可分辨的燈，一個紅燈和一個白色的燈).第一個燈光通知英國軍隊正前進，第2盞燈指示他們通過什么路線來。因為想象只有兩條路，信息的第二位能被解釋為表明兩條路線之一。

如果信息能被一系列的YES/NO所定義，信息就能以數(shù)字形式確定。每個變量只可能有兩種狀態(tài)在傳送信息方面使用。這種方法把信息簡化為一系列是/不看起來有局限性，但是這種方法實際上十分有用。數(shù)目可以以基數(shù)2表示，字母表可以表示成數(shù)字代碼。的確，有限輸出的任何情形都可以被簡化成數(shù)字代碼。具體的，n位數(shù)字能描述成2n個可能狀態(tài)。如同在我們的歷史例子中，數(shù)字通訊能用明確定義的代碼在兩種情況下都通知到大家。

(2)瑞維爾通訊碼分析。為了更進一步確定數(shù)字的信息的概念，我們將定義兩個來描述保羅瑞維爾通信系統(tǒng)的數(shù)字變量，讓B描述是否英國人正來，并且L描述他們正來的路線。數(shù)學變量，B和L，是不平常的數(shù)學變量，因為每一個只能有兩個值。我們可以用我們希望的任何名字給兩值命名：是/不，真/假，一/0，高/低，甚至黑色/白色。當這類數(shù)學被通過符號邏輯用于哲學論據(jù)分析時，變量的值被叫對還是錯，根據(jù)邏輯命題被闡述的正確性。近來，命名一/0已經開始被工程師和程序員(處理數(shù)字代碼)更喜歡。這種命名有明顯的優(yōu)勢，適用于二進制數(shù)字系統(tǒng)(base2)處理數(shù)字信息，但是這些命名偶爾對數(shù)字系統(tǒng)的討論造成混亂。雖然如此,我們將使用ONE/ZERO的1/0作為我們數(shù)字變量B和L的兩種可能的狀態(tài)。因此B和L的定義是

如果英國人將來，B=1

如果英國人不來，B=0

如果通過海上來，L=1

如果由陸路來，L=0

第一個光(B)唯一確定他是否騎馬。當?shù)谝还獬霈F(xiàn)時，他騎上他的馬。但是他不能離開直到第2盞燈(L)出現(xiàn)(或者不出現(xiàn)),對于第2盞燈來說顯示英國人的路線并且因此部分確定要被宣布的消息。

(3)用電力描述數(shù)字信息。在數(shù)字電子方面，數(shù)字變量通過邏輯級描述。在任何規(guī)定時間，電壓預計有一值或者另一個，或者更確切在一個范圍內。在一個典型系統(tǒng)里，0和0.8V之間的電壓將被認為是數(shù)字的零，在0.8和2V之間的電壓將被禁止；如果電壓屬于這范圍，你知道數(shù)字設備需要修理了。這些定義顯示在圖4.1中。

作為一個數(shù)字電路的插圖，我們將考慮放大器開關作為一條非門電路。非電路的輸出是輸入的數(shù)字“補碼”或者“反”。首先我們將用一個真值表描述非電路的定義。這在圖4.2顯示：A描述輸入，可能1或者0；B描述輸出，也可能是1或者0，但是由輸入決定。非或者邏輯補的操作，以真值表以下的那些方程式用代數(shù)方式被表達。

我們現(xiàn)在將確定放大器開關的邏輯級這樣它能執(zhí)行非的功能。電路的輸入輸出特性被在圖4.3中重復。顯然，我們希望10V為1區(qū)域，0.7V在0區(qū)域。那就是說，輸入是10V(數(shù)字1),輸出應該少于0.7V(數(shù)字0),反之亦然。因此，我們可能考慮數(shù)字0的范圍從0-1V，數(shù)字1的范圍大約從8-10V。這對一個工作的數(shù)字系統(tǒng)能很好工作，但是離開能勝任的范圍。那就是說，希望擴展區(qū)域1和0的有效范圍，以允許晶體管和電源電壓的變化以及混雜在信號里的噪音等因素的影響。在目前例子中，我們能以錯誤操作的范圍0-1.5V作為數(shù)字0，好的操作范圍5-10V作為數(shù)字1；即由于這些定義電路作為一條并非電路，即，它執(zhí)行合乎邏輯的補足。這些邏輯級被用圖4.4顯示。

4.1.2幅數(shù)字的信息的畫像

(1)電梯門控制器。已經解釋數(shù)字的信號的性質，信息被用電力描述多么數(shù)字啊，并且晶體管電路怎樣有進行數(shù)字的操作的可能性，我們轉向顯示怎樣以數(shù)字形式描述一種形勢的一個更完整的例子。我們的目的介紹和和或者數(shù)字功能并且更進一步說明那些語言和數(shù)學的那些數(shù)字方法。

在一個典型的升降機上的門在自動關門的它上有一只定時器，如果沒有人進入升降機并且敦促一只按鈕另一層。它也喝一"電的眼睛"防止門接近一位乘客。讓我們描述一

命令給門關閉機制與二進制的易變的D(D=1途經關閉如果)一起.門(D)的狀況將被3個二進制的變量控制：T描述州(定時器正跑的T=1方法，時間還沒有過去)的定時器;B描述某人敦促一只按鈕的另一層(一枚鈕扣已經被推的B=1方法)的結果;S描述州安全裝置(某人在門內的S=1方法).我們看見D是因變數(shù)，并且是一個3項自變數(shù)(T，B和S)的功能.記住這些全部是二進制的變量，并且因此可能只是1或者O。

D=f(T,B,S)

這樣的一個數(shù)學函數(shù)怎樣可以被描述？如圖中所示,描述一個二進制的功能的一種有用的方法是一張事實桌子4.5.這里我們已經列舉自變數(shù)的全部可能的結合并且表現(xiàn)因變數(shù)的合適的價值。通常，有n自變數(shù)，每一個有兩可能狀態(tài)什么時候，將有2n可能結合(23在這箱內),可能被列舉確定函數(shù)。事實桌子為展示這樣的列舉提供一個有系統(tǒng)的形式。名字事實桌子歷史上從代表的朱鷺類型的應用到合乎邏輯的辯論的有系統(tǒng)的調查起源。因為這些個協(xié)會，數(shù)字電路經常被叫為邏輯電路。

(2)事實桌子表現(xiàn)。圖4.5禮物事實桌子給電梯門功能。讓我們看出我們怎樣在圖4.5確定1‘s和0‘s。1‘s和0‘s在前3根柱子起因于一有系統(tǒng)的8種可能性的數(shù)，或者說明。我們叫它"數(shù)"因為我們已經使用的圖案形成計入這個基礎2個數(shù)字系統(tǒng)。但是你想起它，這種圖案是清楚的：我們?yōu)镾最迅速地更送l和O，更為B慢，和為T最慢，因此包括全部可能的結合。這些代表我們的自變數(shù)的價值。為在最后柱子里填寫1‘s和O‘s，我們首先地看著S柱子，這描述保險開關。當保險開關指示某人站在門(S=1)里時，我們不想要門關上,我們把0放進D專欄(0方法不關門的D=)為每1在S柱子里。8個國家中的4個的這賬。其它4個國家取決于按鈕和定時器。如果S=0(沒有什么堵塞門),如果兩枚這枚鈕扣中的任一枚被推，門應該關上(B=1)或者定時器終止(T=0).我們檢查剩下的4個國家并且把1放進欄目D，如果他們1歲在那些T專欄內在那些B專欄或者0內。使用這個角色，我們發(fā)現(xiàn)3結合導致門的關上。第一個，全部0‘s，描述對門的結束用盡的定時器。第2描述被推的一枚鈕扣和同時用盡的定時器，并且在定時器用盡之前，第3描述被推的一枚鈕扣。當然，在安全機制允許門關上的全部3容易。

(3)并非功能。這種真值表法是用于描述一個二進制的功能一種暴力方式。相同信息可能用代數(shù)方式描述通過和，或者以及并非二進制功能。沒考慮第一個并非功能,合乎邏輯的補足,在圖的忠誠桌子里描述4.2.那些并非功能涉及這個問題，因為并非S允許那些門關

閉，而不T促使那些被定時器那些門的關閉。S功能的不以加變量或者表示指出的一最好時期描述用代數(shù)方式：S‘沒表示并非S。我們需要不到那時0是引發(fā)或者或者和因為由1開出的這幾次扳機的結合。

(4)或者功能?；蛘叨M制起作用在&lined在圖4.6。因變數(shù)，C=一或者B，1什么時候或者一或者B(或者兩)是(是)是1.這如此包括的或者因為包括那些箱在哪里兩個一和B在1。或者功能在描述那些對這定時器和那些鈕扣的被結合影響涉及我們的升降機問題。當定時器過去時，我們希望門得到信號關閉(T=0)或者鈕扣被推(B=1)或者兩個。用代數(shù)方式表示這的這種方法是T‘或者B。這個功能的事實桌子被用圖4.7顯示。在在圖里建造事實桌子方面4.7，我們增加一根并非T柱子。然后我們在在任何一個以前的兩根柱子里有1的任何地方把1放進最后柱子，因為這些是變量我們是ORlng。

(5)和功能。下一步我們需要解釋保險開關。和功能被要求，因為我們表示必須那些同時對關門的脈沖和那些缺乏那些門障礙的事件。那些忠誠桌子適合和在圖4.8功能出現(xiàn)。這里我們得到1只有當時兩個一和B在1。為我們的關上門的易變的(D)完成事實桌子,我們必須和S‘有最后一柱子在4.2異步數(shù)字系統(tǒng)

4.2.1邏輯符號和邏輯家族邏輯符號。數(shù)字系統(tǒng)由大量的與非、或非和非門，加上我們以后要討論的存儲器和定時電路構成，所有的相互連接執(zhí)行某些有用的任務，例如計數(shù)器和時間顯示、電壓測量?；蜻M行數(shù)學運算。如果我們畫出這種系統(tǒng)的電路圖，包括所有三極管、二極管和相互連接，我們將面臨的是一個不可能完成的，而且是不必要的任務，之所以說是不必要，是因為任何讀電路的人都會在心中將這些元器件組織在一起成為標準電路，并且用獨立門的系統(tǒng)函數(shù)的方式思考。由于這個原因，我們用標準邏輯符號設計和繪制數(shù)字電路，如圖4.9所示（門；

中＋（或）和－（或）標志是可選的，門的符號定義了其功能），輸出端的小圓圈表示反相，這樣沒有小圓圈的話，三角形將表示一個放大倍數(shù)為一的放大器（或緩沖器），第二個符號表示或門。如上所示，不過，普通電路哪個倒置的那些。這些個邏輯符號只顯示輸入和輸出連接。實際門，被電報告知進一條數(shù)字電路，將有電源(Ucc)并且也建立于連接基礎上。圖4.10為一座四倍，二輸入端門NAND門顯示連接。注意到輸出功率被用打下好基礎的7在別針之間使用14和7。

(2)邏輯系列。如果你希望建造一條數(shù)字電路，你將不裝配一大堆二極管，電阻器并且著手把他們布線在一起，進標準門電路第一個，然后進更大的功能。你將購買已經在一條集成電路(IC)上建立的門,并且在一個塑料膠囊有與其說是這些，倒不如說是邏輯系列。邏輯電路的設計非常復雜，并且在這個地區(qū)的專家必須親密熟悉在規(guī)定的時間可提供的全部可能的產品和邏輯系列。

4.2.2實現(xiàn)邏輯函數(shù)

(1)并非功能。經常并非電路被要求，那些設計者掙一將在之外一也非或者NAND電路。圖4.11顯示做的兩種方法一臺并非(或者逆變器)在一條NAND電路之外。要被在更低的實現(xiàn)方面在數(shù)字的1修理的輸入將通過一臺電阻器附著Ucc電源。與此類似，如果一個人要求一次輸入被在0修理，這次輸入將被打下好基礎。建立于一次輸入基礎上用來用A也非門沒意識到并非功能，我們在本章的末端將前往一個實踐問題的。

(2)電梯門控功能的實現(xiàn)。在4.1.2部分，我們得到適合給(D=1方法關閉)的一電梯門服藥的一邏輯表達式基于定時器(T=1表示那些定時器仍然跑，不要關門),一按鈕開關(某人已經敦促按鈕另一層的B=1方法，關門),以及一個安全裝置(S=1方法某人正堵塞門，de不關門).進我們已經發(fā)展的表達式邏輯表達式,改寫,見圖4.12.我們首先將意識到與NAND一起的功能也不門。在圖4.12的實現(xiàn)利用6扇門：也非，一NAND和4NOTs，這被NANDs完成的一。這實現(xiàn)進邏輯門符號基于直接的邏輯表達式的翻譯。

圖4.12直截了當?shù)暮鸵膊婚T的使用NAND的電梯門功能的實現(xiàn)。

我們可能通過為D操作表示到一個更方便的形式完成更簡單的實現(xiàn)。Eq。(4.2)顯示這樣的一次操作。

在Eq里。(4.2)第一個形式如同在圖4.12是D的相同的表示，除了我們注意到它兩次。我們做這，因為我們想要最后的結果讓D被準備，即，不某些事情。如果我們，這被要求意識到那些最后操作A也非或者NAND門。第2個形式起因于使用de摩根的定理對個別的條件分配一NOTs。3個形式與第2相同,除了我們已經從S。除去雙倍的補足這最后形式證明方便因為實現(xiàn)與一起也非門。圖4.13顯示實現(xiàn)。注意，以致于我們使一不在之外也非類似于這種方式我們意識到一不與早NAND一起。de摩根的定理如此導致更簡單的實現(xiàn)。

圖4.13簡單實現(xiàn)d使用的電梯門功能也非門。

4.3時序數(shù)字系統(tǒng)

4.2節(jié)中的邏輯電路被稱為組合邏輯電路，因為其輸出直接與輸入相關而且沒有存儲器。當存儲電路成為邏輯電路的一部分時，這樣的系統(tǒng)被稱為時序電路，因為其輸出與電路的輸入和歷史有關（取決于輸入加上其歷史）。在這一節(jié)中，我們將展示在邏輯電路中存儲器如

何被逐步引入，以及存儲單元如何大大地增加了邏輯電路的應用。

4.3.1雙穩(wěn)態(tài)電路

基本的存儲器為雙穩(wěn)態(tài)電路，我們將在這一節(jié)中進行討論。在圖4.14中，我們給出了兩級串聯(lián)的放大－開關電路，第一級T1的輸入作為第二級T2的輸入，它被稱為兩級放大器，因為兩級放大發(fā)生在相對獨立的兩級，每一級都與原始的放大－開關單元相同。在圖4.15中，給出了輸入電壓從零開始時的電路整體輸入輸出特性。當輸入為零時，第一級晶體管T1將截止，第二級晶體管T2將飽和，當輸入電壓上升，第一級晶體管將在輸入電壓上升到0.7V以上時脫離截止，但是，的二級晶體管將繼續(xù)保持飽和，直到第一級的輸出下降到大約4V，這樣的4V輸出大約需要3V輸入；因此，在脫離飽和以及整個兩級放大器的輸出增加前，輸入必須增加到大約3V。在這一范圍內兩級晶體管都處于動態(tài)范圍，輸出快速上升，當?shù)诙壘w管輸出降到低于0.7V時，第二級晶體管將截止。這樣當輸入在3到4V之間時，兩級晶體管工作于動態(tài)范圍。

如果我們將兩級放大器的輸入和輸出相連，將會發(fā)生什么呢？圖4.16（a）給出了這樣一個電路，它為了強調改動后電路的對稱性而重新繪制過。我們還增加了輸入端，我們不久將對此加以討論。從數(shù)學上看，這種連接要求Ui=Uo，它定義了一條通過原點，具有相同斜率的直線，圖4.16（b）中，我們在放大器特性中畫出了這條直線，而放大特性也應當被滿足。這條直線不是負載線，但是我們在考慮負載線時所遵守的同樣的前提也適合于這里：要滿足兩種特性，解必須位于它們的交點（S）。結果，我們?yōu)槿齻€交點作出標記，S1和S2為穩(wěn)定解，但標記為U的交點不穩(wěn)定。在圖4.16（c）中我們提出一種力學模擬裝置：當杠桿靜止于每面墻時處于穩(wěn)定平衡，但處于無摩擦支點的平衡位置是不穩(wěn)定平衡而且實際上不會發(fā)生。標記為S1的穩(wěn)定位置發(fā)生在晶體管T2飽和而T1截止，標記為S2的穩(wěn)定位置發(fā)生在晶體管T1飽和而T2截止。電路將永遠保持在兩個穩(wěn)定狀態(tài)除非施加外部信號迫使它變?yōu)榱硪粋€狀態(tài)，就像圖4.16（c）中的杠桿，將斜靠在一面墻上，除非外力將它移向另一面墻。通過給截止的晶體管施加一個足夠的正電壓，我們可以切換電路的狀態(tài)，在輸入端加入二極管以確保電路的狀態(tài)不會影響輸入端的驅動電路。

圖4.16（a）所示電路稱為雙穩(wěn)態(tài)（或鎖存）電路，它可以作為電子存儲器。例如當你按下

計算器的按鍵時，信號被鎖存在計算器中以在你釋放按鍵后保留按鍵信息，然后保留的信息在所有數(shù)字信息輸入后被提供給計算器進行處理。

4.3.2觸發(fā)器

1）R-S觸發(fā)器。我們可以用標準邏輯門實現(xiàn)鎖存功能，圖4.17給出了用兩個或非門構成的鎖存電路。每個或非門的輸出作為另一個或非門的輸入，輸入端被標注為S（用于置位）R（用于復位），輸出端被標注為Q和Q‘，因為搓搓多路提供反相輸出，這種電路稱為R-S觸發(fā)器，與她在圖4.16（b）雙穩(wěn)態(tài)電路中的運算類似。.

讓我們考慮R和S都為零但是Q‘為1的情況，這時輸入NOR1為1，因此其輸出（Q）為零，而這與Q‘為1的假設一致這意味著兩個輸入都為零。由對稱性，鎖存電路在Q＝1和Q‘＝0時也是穩(wěn)定的。2）門控和鐘控觸發(fā)器。R-S觸發(fā)器需要進行一些改進來實現(xiàn)存儲器和數(shù)字信號處理的完全的功能。一個問題是所有時間里，R-S觸發(fā)器立即響應R和S輸入的信號，當邏輯信號應當同時到達而事實上由于不同的延時而到達時間有輕微的不同時，就會發(fā)生定時問題（競爭冒險），這種定時問題可能產生短暫的無用的脈沖，被稱為―干擾‖。

門控觸發(fā)器見圖4.19（a），它只在門控信號抵達G（門控端）時才響應R和S端的輸入。注意我們這里用與非門構造觸發(fā)器，這時，交叉耦合的與非門的禁止狀態(tài)為00，它對應于以前的R和S端的11輸入，這種觸發(fā)器也具有置位（Pr）和清除（Cr）輸入端用于設置門的鎖存狀態(tài)，它們在0狀態(tài)有效，在邏輯符號中用輸入端的小圓圈顯示。圖4.19（c）所示真值表列出了輸出狀態(tài)，脈沖（Qn+1）是輸入R和S和脈沖（Qn）之前的狀態(tài)的函數(shù)。特別地，當RS＝00，輸出脈沖信號不發(fā)生變化（Qn+1＝Qn）。注意如果在門控輸入端使用一個反相器，我們可以使得選通發(fā)生在G＝0，這在圖4.19（b）中觸發(fā)器符號中用門控輸入端的小圓圈表示。

這樣R和S輸入在門控信號為1時有效。一般來說，這種定時，或同步，信號由時鐘脈沖通過數(shù)字系統(tǒng)傳送，如圖4.20。這種對稱時鐘信號在開關完成時每個周期提供兩次（例如，當CK=>1和當(CK)′=>1)時）。

輸入的控制時間可能被更進一步通過如圖4.21中所示在一電阻電路內使時鐘信號有差異降低，并且把結果用于輸入門。引發(fā)的這邊緣通過建造小耦合電容器進集成電路的輸

入被完成。電路可以被用于在主要或者鐘的后沿引發(fā)。

邊緣的符號引發(fā)突然倒轉被在汞內顯示。為主要和后沿引發(fā)的4.22。區(qū)分對于邊緣來說注意引發(fā)是在時鐘輸入的三角形。在波形的邊緣引發(fā)限制時間，在其期間輸入是活躍的，因此消除故障的服務器。通過使用電路在主要或者后沿引發(fā)，設計者在每個時鐘周期里能在兩次在一條電路內通過信號。

第二部分：電機、控制元器件和傳感器

電機的介紹

5.1電機的簡要歷史

電機存在了多年。從他們多年前的第一個使用，電機的應用已經迅速擴大了。目前，應用繼續(xù)快速增加。

托馬斯·愛迪生因為電力的普遍階段和電力傳輸（配電）的概念的發(fā)展獲得榮譽。他對被蒸氣機驅動的直流(DC)發(fā)電機進行了發(fā)展的工作。愛迪生對電燈和電力產品的工作帶來了直流電動機和相關控制設備的發(fā)展。

大多數(shù)早期的發(fā)明都與處理直流電系統(tǒng)的電機操作有關。交流電(AC)發(fā)電機和傳輸后來才變得廣泛。轉變?yōu)榻涣麟娔墚a生與傳輸?shù)闹饕蚴亲儔浩髂苌呓涣麟妷弘娖揭赃m適合電能的長距離傳輸。因此，變壓器的發(fā)明允許電能的產生與傳輸系統(tǒng)從DC到AC系統(tǒng)的變換。目前，幾乎所有電力系統(tǒng)產生與傳輸使用三相交流電。變壓器允許交流發(fā)電機產生的電壓在以相應數(shù)量級減少電流時被增加。這樣，允許在很低的電流下遠距離傳輸，降低了電力損耗，增加系統(tǒng)效率。

電機的使用增加了家庭用具的使用，驅動電機和復雜設備的工業(yè)和商業(yè)上的應用也增加了。很多機器和自動化的工業(yè)設備現(xiàn)在需要準確的控制。由于早期直流電動機主要用于鐵路，因此，電動機設計和復雜性都改變了。對機器和設備的經濟性和有效操作來說，電動機控制方法現(xiàn)在已經變得更關鍵。象伺服控制系統(tǒng)和工業(yè)機器人這樣的革新，已經導致了在電機設計方面的新發(fā)展。

傳輸系統(tǒng)的復雜也已經對電機使用有影響。汽車及其他地面交通工具采用電機啟動，并用發(fā)電機對蓄電池充電。在電機驅動的汽車的發(fā)展過程中最近他們被強調了。飛機用類似于汽車的方式使用電機。不過，他們也在運行中使用復雜的同步和伺服控制的機器。

5.2電機的基本結構

旋轉電機完成機電的能量轉換。發(fā)電機把機械能轉變成電能，而電動機把電能量輸入轉變成機械能輸出。發(fā)電機和電動機有基本結構特性，它們在機器的很多類型中普遍存在。各種機器的功能也不同，即使他們的結構相似。發(fā)電機有旋轉運動作為原動力（提供），以提供機械能量輸入。在導體和發(fā)電機的磁場之間的有關運動產生電能輸出。電能供給電動機繞組和磁場，產生電磁感應作用，使電動機產生機械能或者轉矩。

許多旋轉的電機的結構有點相似。大多數(shù)機器有一穩(wěn)定部分叫定子，而旋轉的裝置叫轉子。定子包括一個軛或者框架（因為磁通量在機器中發(fā)展，框架起到一個支持和金屬道路的作用。）

5.2.1磁極和繞組

旋轉機器有磁極，它是定子裝置的一部分。磁極由鋼制薄片構造，并且給機器框架保護。他們通常在轉子附近部分彎曲，為磁通提供一條低磁阻路。勵磁繞組或者電磁線圈被放在磁極周圍。電磁線圈是電磁場與轉子的相互作用產生電壓或者在一臺機器里產生力矩的電磁體。

5.2.2轉子結構

在電機的研究過程中，有一個需要理解的是，電磁場是被一臺電動機或者一臺發(fā)電機的旋轉的部分產生。這個部分被叫為電樞或者轉子。一些機器使用固體金屬轉子叫鼠籠式轉子。

5.2.3滑環(huán)，開口環(huán)，電刷

為了電能能被提供給一個旋轉的設備例如電樞，必須建立某一類滑動電刷的接觸（了解）?；瑒与娝⒖梢允腔h(huán)或者開口環(huán)?；h(huán)由兩個單獨固體環(huán)膠合在一起的絕緣材料的汽缸構成。滑動刷由碳和石墨做成，接在金屬環(huán)上并且允許在旋轉期間從環(huán)那里使用或者抽出電能。開口環(huán)的換向器類似于滑環(huán)除了金屬環(huán)被切開兩個或更多單獨的部分。通常，滑環(huán)用在交流電動機和發(fā)電機里，而直流設備用開口環(huán)的換向器設備。換向器上的那些火花隙或者開口要保持最小量，以降低電刷冒火花的可能?；h(huán)和開口環(huán)顯示在圖5.1中。

5.2.4其他機器部件

有幾個其他部件用在旋轉機器的構件中。在他們正中是轉子軸，在軸承之間旋轉。軸承可能是球形，滾柱或者套管類型。軸承封條經常由氈制（毛）材料做成，用來在軸承周

圍保存潤滑劑并且不許灰塵入內。轉子核心通常由疊制鋼片構造，在機器的磁極和降低渦流之間提供一條低磁阻磁通路。內部和外部電氣裝線提供一種傳遞或者抽選電能的方法。

5.3電氣設備的結構特征

能量轉換過程通常在一個特定的機電裝置里與兩個重要的特征的存在有關。這些勵磁繞組，產生磁場密度和電樞繞組，在那里"工作"電動勢被感應。在這節(jié)中電器的主要類型的顯著結構特征部分被描述，顯示了這些繞組的位置，并展示了這些機器的一般組成。

5.3.1三相感應電動機

這是最強壯并且最廣泛地在工業(yè)里使用的機器。它的定子由高等級的片鋼層壓組成。內部表面被安排適應三相繞組。在圖5.2(a)三相繞組有3個線圈，在軸上它們被相隔120度。線圈aa‘代表從一對極點分配到A相的全部線圈，類似的，線圈bb‘代表b相線圈，線圈cc‘代表c相線圈。當每相的一個末端被系在一起時,象圖5.2(b)描繪的那樣,三相定子繞組就叫作Y連結。這種繞組被稱為三相（對稱）繞組的原因是旋轉磁場在三相繞組中的感應電動勢互差120度電角度三相對稱系統(tǒng)的特點。

轉子也由鐵磁性的材料層壓組成，但是轉子繞組可能是鼠籠式或者繞線式類型。后者具有一類似于定子繞組的那種形式。繞組終端被連到3個滑環(huán)上。這允許一外部三相電阻器連接轉子繞組來提供速度控制。事實上，它是大部分繞線式電感應電動機使用的對速度控制的需要。否則鼠籠式感應電動機將被使用。鼠籠式繞組僅僅包括一定數(shù)量的銅棒嵌入在轉子槽孔，通過銅圓環(huán)末端被連接。(在一些更小的尺寸上使用鋁.)鼠籠構造不僅比繞線式轉子更簡單，而且更經濟。而且不需要滑環(huán)或者碳刷。

在正常的操作過程中三相電壓被用于圖5.2所示定子繞組的a-b-c點。磁化（勵磁）電流流入一同建立的有兩個磁極的旋轉磁場每一相中。場的速度由磁化電流的頻率和被設計的定子繞組的極的數(shù)量決定。圖5.2顯示兩極的構造。如果A‘-’bc-b‘僅占180度機械角度，并在剩余的180機械角度內重復一次，則該電機有四個極。對一個P極機器來說，這種基本的繞組模式必須在定子內表面的周長內重復P/2次。

定子繞組切割轉子轉向器產生旋轉磁場，因此產生電壓。由于轉子繞組通過端環(huán)短路，則感應電動勢形成（轉子）電流，電流與磁場相互作用產生電磁轉矩，結果使電動機旋轉起來。

根據(jù)上述的說明，有一點應該是清楚的，即三相感應電機繞組位于定子和轉子繞組電

樞上。值得注意到的另一個點是，這臺機器是單邊激勵的,即電力只被定子繞組提供。被感應的電流通過轉子繞組。結果磁化電流的兩個，設定磁場和電力電流，允許能量被提供到軸負載流過定子繞組。因此，為了保證磁化電流盡可能小，為了電源組成部分能相應的比給定的額定電流更大，感應電機的氣隙被制造的象允許的機械間隙一樣小。氣隙長度的變化從小機器的大約0.02英寸到更高額定值和速度的機器的0.05英寸。

5.3.2同步電機

同步電機的主要的（基本）結構特征用圖5.3描繪。定子包括一個定子框架，一個開槽的定子核心，為磁通量提供一條低磁阻通路，并且一三相繞組埋置在槽孔里。注意圖5.2(a)的基本的二極圖案被重復兩次，表明三相繞組設計了四個極。如圖5.3描繪，那些轉子或者圓柱體和裝有分配繞組或者別的，在每條腿上有凸起的極上面有繞線線圈。圓柱體的結構專門被汽輪發(fā)電機使用，這可以高速操作。另一方面凸極式結構被專門用于速度每分1800轉或更少的同步電機的操作中。

當被作為一臺發(fā)電機操作時，同步電機從一個原動力接收機械能，例如汽輪機和被以一些固定的速度驅動的原動力。此外，轉子繞組從一DC電源激勵，因此沿著氣隙形成一磁場分配。轉子在靜止和DC流過轉子繞組時，在繞組定子內沒有感應電壓，因為磁通沒有切割定子線組。但是，當轉子被全速驅動時，電壓在定子繞組內引起（感應），并且在合適（適當）的負荷電能的應用上可能被交給它。

對同步電機來說勵磁繞組位于轉子；電樞繞組位于定子。即使當同步電機作為一臺電動機的時候，這個陳述也是有效的。在這種方式下，為了給磁極提供能量，交流電源被用于定子繞組，直流電源被用于轉子繞組。機械能取自軸。同時注意到,與感應電機不同,同步電機是一臺雙邊激勵的機器;即,能量被用于轉子和定子繞組。實際上這是以一個速度使這臺機器提供非零力矩的這種特性--故名同步。

因為同步電機的磁化電流起源于一個單獨的來源(直流供應),空氣間隙長度比那些在可比較的大小和額定值的感應電機里找到的更大。但是，同步電機更昂貴，并且不如更小的功率額定值的感應電機強壯，因為為了允許直流電被傳導到勵磁繞組，轉子必須裝配滑環(huán)和電刷。

5.3.3直流設備

具有直流電特征的機電能量轉換裝置比AC類型要復雜。除勵磁繞組和電樞線圈之外，

第3個組成部分是需要的，它起把交流電樞電壓轉變成直流電壓的轉換作用?；旧线@種設備是機械整流器，被叫作換向器。

在圖5.4出現(xiàn)是直流電機的主要特征。定子包括一個非疊制的鐵磁材料，它裝配有一個突出結構，而在其周圍包裹了線圈。直流電流流動通過線圈，用在同步電機的轉子里發(fā)生的幾乎一樣的方式，沿著氣隙的周圍建立一種磁場分配。因此在直流電機里勵磁繞組位于定子。繞組電樞在轉子上。轉子有一錘打成薄片的核心，轉子的安置可以容納電樞繞組。它也包含換向器--一系列銅段互相連接并且排列成圓柱狀。在換向器恰當（位置）安置碳刷，其作用是當電機作為電動機或發(fā)電機運行時，使直流電流流入或流出電樞繞組。在圖5.4里，電樞繞組被描繪為線圈裹住的環(huán)狀物。這僅僅是為了圖解方便。在實際的繞組中，沒有導線浪費在轉子核心的2008-06-1916:51閱讀2226評論9

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第三部分計算機控制技術

計算機網絡介紹

獨立技術已經支配了過去3個世紀中的每一個。18世紀是伴隨工業(yè)革命的大機械系統(tǒng)

的時間。19世紀是蒸氣機的時代。在20世紀，關鍵技術是信息的收集，處理，以及分配（分

類）。在其他發(fā)展中，我們已經看見全世界電話網絡的安裝，收音機和電視的發(fā)明，計算機

工業(yè)的誕生和空前的發(fā)展，以及通信衛(wèi)星的發(fā)射。由于技術的快速進步，這些領域正在快速融合。信息的收集、傳送、存儲和處理之間

的區(qū)別正在迅速消失。擁有數(shù)百遍布世界各地的辦公室的組織，通常期望只按一下按鈕，

即使他們在最遙遠的村落也能檢查當前工作狀態(tài)。作為我們收集，處理，分配信息的才能

的增長，更復雜信息處理的那些需求更迅速的增長了。

雖然計算機工業(yè)與其他工業(yè)相比很年輕(例如,汽車和空運),在很短的時間內計算機工

業(yè)已經取得壯觀的進步。在他們存在的前兩十年期間，計算機系統(tǒng)是高度集中的，通常