数字化仪（精选12篇）
数字化仪 篇1
摘要：介绍了一种基于LXI总线数字化仪模块的总体设计方案。该数字化仪模块以FPGA和DSP作为采集控制和信号处理核心单元, 兼容两种标准频率中频信号的采集与数据处理, 采用基于IEEE1588精密时钟协议提供的时间基准进行精确定时触发。软件系统在WindowsNT平台上实现, 开发了基于Lab Windows/CVI的虚拟仪器软面板, 保证了模块运行的稳定性和人机界面的友好。本数字化仪模块的特点在于该模块在高性能FPGA的控制下实现两种中频信号采集, 最高采样频率可达130MHz, 可靠性、稳定性好, 具有较好的实用价值。
关键词：LXI总线,FPGA,DSP,IEEE1588
引言
LXI是基于以太网技术等工业标准, 由中小型总线模块组成的新型仪器平台。它由安捷伦公司和VXI科技公司于2004年9月共同合作成立的LXI联盟提出的, 利用现有Ethernet标准、Internet工具、LAN协议、IEC物理尺寸和IVI驱动程序的各方优点, 使测试系统的互连平台转向更高速的PC标准的I/O, 是构成新一代合成仪器平台的标准。
LXI总线数字化仪模块能够对两种标准频率的中频信号进行数据采集和数字中频处理与分析, 并且给出幅频特性分析结果、也可以直接输出数字中频I/Q数据, 提供给其他分析设备进行用户需要的特定分析。
总体实现方案
LXI总线数字化仪模块主要包括中频信号处理通路、高速ADC、基于FPGA与DSP的数字中频信号处理、数据存储单元以及嵌入式微处理器等部分, 具体实现方案如图1所示。中频信号处理通路部分主要完成模拟中频信号预采样处理、程控增益控制、抗混叠滤波等, 处理后的中频信号经过高速ADC采样, 采样得到的数字中频信号首先送到FPGA进行数字下变频、数字滤波等处理后得到IQ两路数据, 再存储在存储器中, 然后由DSP进行本地数据运算, 以得到要分析信号相应的特性信息。IQ数据也可以直接送到模块前面板, 即IQ数据输出。嵌入式微处理器是整个模块的控制核心, 完成系统间的通讯、图形控制, 同时提供丰富的接口。
关键电路实现
中频信号处理通路设计
由于中频数字化仪模块能够对两种频率的中频信号进行采样与信号处理, 因此整个中频信号通道覆盖两种中频带宽。中频信号处理通路主要完成中频信号滤波、信号放大、抗混叠滤波以及对数检波和预采样等。中频信号在进入模块通道后, 首先进行低通滤波, 滤除中频信号中的高频分量, 滤波后需要对信号进行放大控制, 以满足ADC的采样要求。信号进入ADC之前要进行抗混叠滤波处理, 在抗混叠滤波电路部分信号通道分成两路, 进行第一种中频信号分析时, 通过控制开关选择第一中频滤波通道;进行第二种中频信号分析时, 选择第二中频滤波通道。信号通道前端的对数检波及预采样电路辅助程控增益放大器实现模块整个通道0dB～30dB的自动增益功能。同时为提高模块的动态范围, 在中频信号进入高速ADC之前设计有噪声叠加电路。具体实现原理如图2所示。
ADC电路设计
数字化仪模块ADC采用14位、130Msps模数转换器 (ADC) , 为减小信号干扰, 采用模拟差分输入方式。转换器的数字输出为低功耗LVDS、二元补码数据格式, 以方便后续数据处理。
为满足模块能够完成对两种中频信号采集, ADC电路部分设计了可变采样时钟电路, 模块会根据用户的测试需要自动选择不同的采样时钟, 并且采样时钟始终锁定在模块内部或外部参考上。采样时钟发生电路由参考电路、集成锁相环路 (内部自带VCO) 及DDS电路三部分组成, 如图3所示。基于FPGA的控制电路控制集成锁相环路内部自带的VCO锁定在一个固定输出频率上, 采样时钟信号则由DDS对VCO输出的信号分频得到。
基于FPGA和DSP的数字中频信号处理电路设计
FPGA主要完成数字中频信号处理和硬件电路的控制。其中信号处理部分包括数字下变频、数字滤波等, 总体结构上由DDS、下混频器、MAC滤波器、系数存储器等组成, DDS完成数控本振 (NCO) 的功能, 用来产生下变频所需的本振信号;硬件电路控制部分包括中频信号处理通路控制、采样时钟控制、数据存储控制及触发控制等。
FPGA处理后数据的最终处理与运算工作由DSP完成, 包括中频检波、对数处理、视频滤波、视频检波以及对运算结果进行误差修正等任务, 处理完成的数据通过LXI总线接口送到虚拟仪器软面板进行结果显示。由于要进行两种中频信号测量, 数据处理复杂程度高, 而DSP和FPGA的存储空间有限, 因此采用动态更新DSP程序和FPGA程序的方法。根据用户选择的功能, 重新配置DSP和FPGA代码到芯片, 此方法提高了软件的灵活性和可扩展性, 同样缩小了硬件体积, 减少了硬件成本。
LXI触发电路设计
L X I规范提供了3种触发方式:基于LAN的触发;基于IEEE1588精密时钟协议提供的时间基准进行定时触发;通过专用LXI触发总线的触发。
本数字化仪模块采用基于IEEE1588精密时钟协议提供的时间基准进行定时触发, 该触发需要通过网线来实现IEEE1588协议, 使各设备的实时时钟保持同步, 各设备根据同步的时间实现事件的同步。由带有以太网外设的CPU处理器和FPGA组成。FPGA仍然实现IEEE 1588时间戳和硬件触发的功能, 这样可以大大提高同步精度, 同时有利于LXI测试模块的升级和维护。
模块软件设计
驱动软件设计
在以N T为核心的W I N 2 K、WINXP操作系统中, 由于安全性、稳定性的考虑, 操作系统不允许应用程序直接访问硬件资源, 要实现对LXI总线中频数字化仪硬件电路的控制就必须开发硬件设备驱动程序, 作为下层硬件和上层应用程序的纽带, 实现应用程序对底层硬件的访问。
在中频数字化仪软件开发中, 我们利用工具软件DriverStudio, 按照Windows驱动程序模型 (WDM) 设计了本数字化仪模块驱动程序, 在驱动程序中实现端口的读写、中断的响应及DMA传输等。
在中频数字化仪模块中, 主机与模块交互的数据量很大, 通过CPU控制读写很耗费CPU资源, 经常导致计算机响应迟缓, 为此我们采用了DMA数据传输方式。DMA是利用PCI9054的DMA控制器, 在本地设备与计算机内存之间进行数据传输。由于DMA控制器与CPU是并行操作, 所以在数据传输的过程中, CPU可以空闲下来做数据处理等工作, 这种传输方式特别适合大数据量、多线程的处理。在DriverStudio中, 类KdmaAdapter封装了DMA适配器。
模块测控软件设计
考虑到调用设备驱动程序操作比较复杂, 并且需要一定的硬件知识, 不利于用户二次开发使用, 在模块中我们对设备驱动程序进行了封装, 将设备的功能模块封装为一个个直观易用的高层函数, 屏蔽了模块的具体的控制方式, 减少用户在开发应用程序时对模块的了解。
为了实现模块驱动程序的兼容性和规范性, 统一采用虚拟仪器接口, 对虚拟仪器的接口函数进行了统一的命名约定, 统一的函数输出格式, 能够满足在Microsoft Visual C++、C++Builder、Lab Windows/CVI、Lab View等多种语言环境的二次开发的需要, 以动态库的形式提供用户。
由于LXI总线数字化仪模块本身不具有显示控制界面, 因此开发了一个可视化的虚拟仪器软面板控制界面, 方便用户对模块的控制与使用, 虚拟仪器软面板控制软件将随模块一并提供给用户。
模块自动识别
LXI测试模块在连接到总线上时应能自动被发现并识别。该机制主要通过实现LXI测试模块内部的RPC服务器和VXI-11协议来实现。具体的工作原理是:客户端 (主控计算机) 首先向服务器发出RPC请求服务, 当服务器接收到该请求后, 必须将VXI11内核的网络端口号发送给客户端, 客户端接收到该端口号后, 与服务器建立TCP/IP通讯链路, 并向LXI测试模块发送“*IDN?”查询信息, LXI数字化仪模块随后将仪器的信息, 包括厂商、型号、版本号等信息回发给客户端, 同时, 客户端和服务器也通过该链路来实现SCPI命令的传输。
结语
LXI总线数字化仪模块可实现最高130MSa/s的采样速率, 可以进行两种标准中频信号数据采集与信号处理, 同时具有参考输入输出、IQ数据输出、触发输入输出等功能。此模块已应用于某LXI总线合成化测试仪器系统, 用于频谱分析和功率测量, 图4为进行频谱测量时波形图。
通过测试, LXI总线数字化仪模块各项技术指标达到预先设计要求, 具有较高的稳定性、可靠性及系统兼容性。随着LXI总线模块化产品的发展及LXI总线微波测试系统的需求, LXI总线数字化仪模块将具有更好的应用和市场前景。
参考文献
[1]刘洪庆, 黄珍元.基于LXI总线的混合信号分析仪设计[J].电子质量, 2010, 第3期, 8-10.
[2]赵雷.LXI-新一代基于LAN的模块化测试平台标准[J].仪表技术, 2007, 第5期, 50-51.
[3]付平等译.LXI同步接口规范 (1.0版) [J].电子测量与仪器学报杂志社, 2006.2-7.
[4]戴辉, 涂岸.基于ARM9200体系的IEEE1588硬件实现[J].微型机与通讯, 2010, 第13期, 63-65.
[5]IEEE1588Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.2002, 30-31.
数字化仪 篇2
自04年北京东城区推出了全国首个数字城管以来，近十年内数字城管的发展势头可谓强劲，全国先后有200多个城市推广了数字城管，也从侧面反映了数字城管的建设效益显著，这是国内城市管理方式的一次重要的革新。将信息技术与管理融合，这也是在计算机技术快速发展的情况下必经的一个过程。而07年业内又再次产生了一个新名词“数字环卫”，顾名思义，可将其解释为环卫信息化管理。随着数字环卫的迅速推广与运用，业内出现了越来越多这样的声音，既然已经有了数字城管，为什么又要建一个数字环卫呢，有画蛇添足的嫌疑，为了更清楚的了解两者之间的关系，我们从以下几点分析“数字城管”与“数字环卫”之间的联系。
应用范围关系
数字城管：井盖、路灯、邮筒、果皮箱、停车场、电话亭等城市元素
数字环卫：环卫工作中所包含的设施如垃圾桶、中转站，硬件如垃圾运输车、洒水车，业务如垃圾运输过程、终端处置过程。
管理效果差异
数字城管：以“发现问题”→“回传”→“处理问题”为整个业务流程，以快速响应模式及时处理城市管理中遇到的问题。
数字环卫：“源头管理”→“过程监督”→“杜绝问题”，以防微杜渐为目标，从根本上“铲除”环卫管理过程中遇到的问题。
应用技术异同
相同点：两者均借由信息化手段及移动通讯技术实现事件及部件管理 不同点：“数字城管”采用技术较为单一，主要有数据采集技术，地理信息技术，GPS定位技术； “数字环卫”所引用的技术比较多元化，除了包括上述技术外，还有物联网技术(RFID技术、数采技术等)，车载称重技术、无线数传技术等。
使用心得举证
“元旦小长假，在宣城市城市管理监督指挥中心大厅内，工作人员在一排排电脑屏幕前身影忙碌：水阳江大道发现肆意倾倒的建筑垃圾、五星乡庆丰村加工厂附近有新增违法建设行为、昭亭南路非机动车道一处窨井盖“不翼而飞”„„一条条问题信息采集、核实，迅速立案处置。脏了马上清、乱了及时整、坏了赶紧修，数字城管时刻守望着“家”的洁净、有序。”
——摘自宣城官网《数字城管:城市环境的守望者》
“近年来，市市容市政管理局逐步加大了对信息化的投入建设。市环卫部门也通过信息化监管手段的引入，有效弥补了之前过分依赖人工操作等传统工作模式而导致办事效率偏低等问题的产生，大大提升了环卫部门的办事效率。同时，环卫部门也在进一步提升信息化应用水平，使信息系统更为便捷地服务于环卫日常生产工作，有效监管我市垃圾收运体系，确保我市城市生活垃圾的全量无害化处置，为我市“打造全国最干净最整洁城市”保驾护航。”
——摘自环卫科技网苏州市环卫处《以数字化、信息化管理为抓手 构建生活垃圾收、运、处体系》
结论
对于两者之间被包含关系的理解，我们可以将之解释为“行业概念上‘量’的包含，业务层面上‘质’的细化”。从大的行业角度分析，环卫确实属于城管的一个重要分支，但不等同于“数字城管”可覆盖“数字环卫”。因为“数字城管”有着面广而疏、“亡羊补牢”的特点，“数字环卫”则更倾向于对环卫业务细节的关注，“未雨绸缪”。
如今，在市民对于市容环卫质量要求提高的情况下，相关环卫部门的传统监管手段面临挑战，而已有的“数字城管”并不能完全满足业务需求，而与早年的数字城管一样，在在分支环卫管理引进专有信息化是必然选择，这成就了“数字环卫”快速推广的一重要因素。
最后，经过分析我们看出，“数字城管”与“数字环卫”并非相互包含，也非独立关系。“数字环卫”作为“数字城管”关于环卫管理的升级体现，“数字城管为”的发展为“数字环卫”的建设奠定重要基础，两者相互依存，缺一不可。
再看“数字移民”与“数字土著” 篇3
关键词：数字移民 数字土著 新定义
中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2014）03（b）-0104-02
“我们的学生已经彻底改变，传统的教学方式已经不再适应当今的教育对象了”—— Marc Prensky。
1 来源
1.1 数字土著
20世纪末，计算机开始普及，许多家庭都配备了个人计算机，并接入互联网。出生于20世纪80年代后的学生伴随着计算机网络的发展而成长，他们被电脑、智能手机、电子书、网络游戏包围，喜欢使用虚拟社交网络结交朋友，倾向于用博客、论坛来表达自己的想法。对于这样富有鲜明特色的一代，美国著名教育游戏专家Marc Prensky 创造性的称他们为“数字土著”，相对应的，那些在互联网普及之前的一代或几代人则被称作“数字移民”。“数字土著”多指出生于20世纪80年代后的青少年，他们在学校有专门的计算机基础课程，在家则有个人电脑，甚至手中也时刻拿着智能手机或者平板电脑。与他们的父辈有着截然不同的生活方式，这一切都归因于数字时代的发展。Marc Prensky在其专著《数字移民，数字土著》一书中对这一新词汇是这样解释的：数字土著说着电脑和互联网的土著语言，而他们的父辈们对这种语言需要学习和适应，相对来说是一种陌生的、外来的语言。[1]两者存在巨大的鸿沟。
1.2 数字土著的同义词
与“数字土著”有着相似概念的名词还有很多，例如：“网络一代”（Net Generation）。1997年，Tapscott在其出版的《GrowUp Digital： the Rise of the Net Generation》中提到：“网络一代是特别好奇的、自立根生的、叛逆的、聪明的、能适应的、自尊心强的……孩子们收集、接受、吸收信息的方式已经发生了根本的变化。”[2]无独有偶，“千禧一代”（Millennials）是Howe 和Strauss共同提出的另一个与数字土著相似的概念。他们认为千禧一代与出生于1961年至1981年的上一代不同，他们更加的乐观，更具有团队精神。虽然人们常把他们与新兴的科技相提并论，但是这也是一个植根于生态和文化的长期的历史过程。[3]另一个值得一提的概念是“Generation Y”，这一术语是相对于“Generation X”—— 那些在“婴儿潮”（Baby Boom）中出生的一代提出的一个后续概念。个人电脑，手机，平板电脑等电子设备是这一代人的标志和身份特征。笔者认为，以上各种对于新一代的描述都不如数字土著这一表述来的吸引眼球、富有创造性和代表性。但无论哪一种表述，他们都有着共同的观点：即认为新的一代学生是计算机互联网时代的能手。他们善于使用电子设备，能够快速掌握使用计算机的技巧；他们喜欢在网络上进行社交活动，能够比上一代更好的适应科技带来的变革。传统教育不再适合新一代的学生，他们需要比他们更精通计算机知识的教师，需要更多科技融入教室，需要更先进的设备辅助他们的学习。作为教育者，如果不能学会数字土著语言，将无法胜任21世纪的教学任务。
2 各国研究的进展
至今，“数字土著”这一概念的提出已有十余年，各国的研究学者对这一概念进行了大量的实证研究，目的在于验证新一代学习者的学习方式、思维方式，甚至认识能力是否都与他们的父辈们有着本质的不同。
2.1 英国
英国的教育技术发展一直位于世界前列，英国的研究者们对“数字土著”和“数字移民”进行了大量的研究。早期的研究包括Crook，Goodyear等人针对大学生对科技的使用进行了相关研究。研究关注了21世纪的大学生学习地点较以往是否有突出变化，学生的一般学习方式和基于网络的学习方式是否有显著差异。另外，Jones和Asensio在2001年对学生实践和一些具体课程设计和教学问题进行了研究。这些研究结果表明，并没有证据可以佐证之前对于两代人学习方式、思维方式不同这一论点。[4]Kirkwood也对数字土著这一概念也提出了质疑，并在其2006年的研究中这样总结到：在他的研究对象中，虽然很大一部分学生可以接触到信息通讯技术，并且掌握了基础水平以上的能力，但是实际上只有一小部分学生能够达到较高水平。这与Marc Prensky所说的我们的学生已彻底改变并不相符，大多数学生仍然需要继续学习各方面的技术知识。2008年，Selwy对1222名英国本科生进行了调查研究，其目的在于了解学生使用互联网进行学术学习的情况。研究表明，学生利用网络进行学习还与他们的性别、学科有较大的关系，并不仅仅取决于他们是否有条件接触到电脑或者是否具备计算机专业知识。例如，医学、社会科学、法律、工商等专业的学生往往比建筑、人类学等专业学生有着更高的计算机使用率。而就性别而言，女生较男生在学术文献搜索方面有着显著的优势。[5]
2.2 美国
美国研究者也在“数字土著”的概念提出后不久，就对这一概念提出了质疑并开始进行实证研究。2002年，美国皮尤研究中心对互联网对学生日常生活的影响进行了研究。以美国27所大学1～4年级的大学生为研究样本，通过对数据的收集和分析，结果表明，仅有1/5的年龄为18岁的大学生在5～8岁的时候开始使用电脑，而一半的学生是在进入大学前不久才有机会接触到电脑。Lenhart等人的研究结果显示，美国的青少年在2005年的电脑使用率较2000年时增长迅猛，在使用方式上也更多样化。对此，Jones和Fox提出质疑，两人通过分析2006年和2008年的电话访谈后提出，虽然年轻一代将继续成为互联网领域的主导者，但是年长一代也较往年有更大比例去从事网络活动。网络覆盖率的不断增加和智能电子设备操作的简单化，年纪较大的使用者的数量也在不断增加。他们同样发现，Email仍然是大多数学生经常使用的工具，并且由于社交网络的流行，学生使用互联网进行学习的时间在逐渐减少，而用于娱乐的时间却在大量增加。[6]
2.3 中国
相对于国外大量的研究，我国对“数字土著”和“数字移民”的研究则较少。2010年，邵宾慧对来自山东济南的2920位不同学科的大学生，进行了关于信息技术的使用的调查研究。目的是了解中国的大学生在日常生活中是如何使用信息技术，以及如何利用信息技术来为学习服务。结果表明，中国的大学生使用信息技术的情况是复杂多样的，大部分学生的信息技术水平与所谓的“数字土著”所期望达到的水平相去甚远。[7]王林等人也对北京师范大学的167名本科生和150名研究生进行了问卷调查以了解他们的信息技术应用水平。两个样本在计算机使用技术上存在差异：与研究生相比，本科生的计算机能力要略胜一筹；而且来自贫困地区的研究生对计算机更加不熟悉也没有机会接受计算机技能的培训。由于缺乏系统全面的培训，学生的信息搜索能力较差，并不能有效的利用丰富的网络资源来解决问题。[8]
3 重新定义数字一代
3.1 数字智慧
2009年，Marc Prensky 在他的新书《从数字移民和数字土著到数字智慧》中减弱了对数字移民和数字土著的绝对划分，开始侧重于认为每个人都有能力提高自己的数字化程度。通过与科技互动来提高自己的数字智慧（Digital Wisdom），而这种数字智慧是一种能力，以此找到切合实际的、创造性的并且满足情感的方法来解决复杂的问题。当然他也保留了关于数字移民的一些看法，如使用数字技术会改变使用者的思维方式。
3.2 数字熔炉
2009年，“数字熔炉”（Digital Melting Pot）由美国印第安纳大学的Sharon Stoerger提出。其目的在于将“已指定的”一代的特征转向个人不同的技术能力并侧重于他们能通过经验获得的数字技能。相比之下，数字熔炉这一比喻与数字土著和数字移民相比更重视融合的概念，也更为大众所接受。
4 启示与反思
纵观近些年各国对于数字土著的研究，我们可以对新一代学生的特点进行简单的归纳。其一，并没有证据证明他们的思维方式与前一代有显著差别。学生是否能熟練的使用互联网与学生的家庭经济情况，学生的性别，学科有较大关系，并不能一概而论。其二，对与计算机的利用多集中在娱乐和社交方面，而用于学习的比例则有待提高。其三，学生对科技在课堂的融入持较为中立的态度，他们大多希望课堂是面对面的交流为主，现代科技的融入需并非越多越好，应考虑学生的需求适度整合。
学生信息技术能力是一个复杂的研究领域，需要研究者们冷静客观的面对。对新的概念的研究，首先应寻找科学的依据，验证其可行性。其次需要考虑我国的实际情况，要进行本土化的研究调查而不是生搬硬套。同时也提醒我们教育工作者应该保持批判的客观的精神而非人云亦云，只有这样，我们的研究才能称为教育科学研究。
参考文献
[1]Prensky， M.Digital natives，digital immigrants.On the Horizon.MCB University Press[Z].2012.
[2]Tapscott，D.Growing up digital：the rise of the net generation[Z].2009.
[3]Howe，N.，& Strauss，W.Millennials rising：The next great generation.Random House Digital，Inc[Z].2009.
[4]Jones，C.，& Asensio， M.（2001）. Experiences of assessment：using phenomenography for evaluation. Journal of Computer Assisted Learning[Z].2001，17（3）：314-321.
[5]Selwyn，N.An investigation of differences in undergraduates' academic use of the internet.Active Learning in Higher Education[Z].2008，9（1）：11-22.
[6]Jones，S.，& Fox， S.Generations online in 2009. Washington， DC：Pew Internet and American Life Project[Z].2009.
[7]Shao，B.，C.Jones，and J.Richardson.“University students use of technologies in China.”The European Conference on Educational Research[Z].2010.
数字化仪 篇4
一、应用领域
基于超声导波的结构材料损伤快速无损检测及损伤在线监测应用。
二、挑战
目前广泛应用的超声波检测技术大多基于超声体波, 由于超声体波的传播特点, 需要对结构进行逐点检测, 因此存在检测效率低, 成本高等缺点;同时逐点扫描的检测方式也限制了其在结构健康监测领域的应用。
超声导波是体波在结构界面反射叠加形成的沿结构界面传播的应力波。超声导波相对于体波具有衰减小, 传播距离长的特点, 可实现对形状规则的大结构件的快速无损检测;并且具有在线应用潜力, 可作为结构健康在线监测的技术手段。
但是超声导波相对于体波更加复杂, 主要表现为两方面:一方面为导波的多模态特性, 即同一频率下同时存在有多种导波模态;另一方面为频散特性, 即同一模态导波在不同频率下的传播速度不同。超声导波的复杂性对检测平台和检测方法提出了更高的要求。
三、解决方案
超声导波检测方法为主动检测, 包括信号的激发的和接收。针对导波的多模态的特性, 拟采用单一模态导波作为检测信号, 因此需要在检测平台从信号激发和接收两方面抑制其他模态。主要通过传感器尺寸, 信号激发频率, 优化匹配实现单一导波模态激发。
为了实现对被检对象的快速检测, 根据雷达原理发展了适用于超声导波的相控阵列及信号处理算法, 以此实现对材料损伤的快速成像检测。
四、应用背景
随着当前对大型设备结构安全性的日益关注, 无损检测技术已成为现代结构设备制造和使用过程中必不可少的检测手段之一, 广泛应用于各个领域, 如航空航天领域、电力生产领域、石化输运加工领域等。这些领域的设备结构通常处于较恶劣的工作条件, 容易发生磨损、腐蚀、疲劳、蠕变等损伤, 进而造成结构内部产生缺陷, 危害结构安全性。因此对这些设备结构进行实时监测和诊断成为无损检测技术应用中的一个重要方面。
目前工业界常用的五大无损检测方式包括:渗透检测, 磁粉检测, 涡流检测, 超声波检测, 射线检测。在这五种检测方式中, 超声波检测由于适用范围广 (既可检测金属, 也可检测非金属) , 对人体无害而应用较为普遍。目前常规的超声波检测主要使用体波, 只能检测探头覆盖区域或者探头周围很小范围, 因此通常采用逐点检测的方法。逐点检测方法的缺点就是检测效率低, 检测成本高。而使用超声导波的无损检测技术则可以有效地解决这一问题。
超声导波是目前常规应用超声体波的叠加组合。在无限均匀各向同性弹性介质中, 只存在两种超声波:纵波和横波, 这两种超声波称为超声体波, 二者分别以各自的特征速度传播而无波型耦合。在有限尺寸波导 (如平板、圆管) 中传播的纵波和横波由于受到边界的制约以及在边界处发生不断的模态转换, 将会产生沿波导传播的超声导波。因此超声导波是由超声体波 (包括纵波和横波) 在波导上下界面间反射叠加而形成的沿波导传播的一种应力波。
由于超声导波是在具有上下界面的固体中传播的应力波, 其衰减主要是由材料吸收造成的, 因此与传播距离成正比。而超声体波在固体材料是从激发点向三个方向扩散, 其衰减与传播距离的平方成正比。因此超声导波的衰减相对体波来说小很多, 可以沿波导传播很长距离。
基于超声导波传播距离长的特点, 其在无损检测应用中可以实现一次检测数米距离, 是对传统逐点扫描方式的极大改进。同时, 对于发电领域和石化领域常见的包覆及埋地结构, 利用超声导波检测技术只需要一点接入就可以检测数米距离, 不需要完全暴露结构, 可以极大的提高效率并降低成本。
由于超声导波检测距离长、范围广, 具有在线应用潜力, 可以作为结构健康状态检测 (SHM) 的技术手段。
五、面临问题
由于超声导波是超声体波在波导中的反射和叠加, 因此超声导波相对体波来说更加复杂, 表现为多模态和频散特性。
对于表面处于自由边界条件下的各相同性板状构件, 其频散关系可表达为:
(1)
其中, h是平板半壁厚, ω角频率, k是波数, VL和VS分别是材料中纵波和横波波速。此种表达方式, 当α=0代表对称模态, 当α=π/2代表非对称模态。
根据平板中的频散关系可以得出导波频散曲线, 如图1所示。从中可以看出, 在同一频率下同时存在多种导波模态。如800k HZ以下, 同时存在有有三种模态, 分别为A0模态、S0模态和SH0模态。随着频率的增加, 同时存在的导波模态数也会随之增加, 如在2MHz下, 平板内存在有8种可传播模态。导波这种多模态效应会使得接收到的缺陷反射信号复杂化, 对其检测应用产生较大影响。
另外从频散曲线图中还可以看出, 同一模态导波在不同频率下的传播速度会发生变化, 这将导致激发信号中不同频率的成分随传播距离的增加逐渐分散, 导致激发信号时域延长, 幅值降低。图2为中心频率为200k Hz的A0模态在2mm厚钢板中激发波包随传播距离的变化过程, 从中可以看出, 随着传播距离的增加, 导波的频散特性将会导致波包在时域上的延长, 同时波包幅值也将严重降低。这种现象将造成检测信号的叠混和减弱, 使得缺陷特征无法识别。
(弹性模量216.9GPa, 泊松比0.28, 密度7.9×103kg/m3)
(a为激发信号;b为传播1000mm厚波形;c为传播1500mm后波形;d为传播2000mm后波形)
导波的多模态和频散特点使其在信号激励、质点振动、传播、接收和信息提取等方面均比常规超声波检测复杂。为了利用超声导波进行检测需要从信号的激发、传播、接收和信号提取等方面发展适用于超声导波的方法和技术。
六、解决方案
1、单模态超声导波激发
超声导波具有多模态的特点, 随着激发频率的增加导波模态数不断增加。导波的多模态特点会增加信号复杂性, 使缺陷特征信号难以识别。因此为了适用于检测应用, 需要激发单一导波模态。
根据导波频散特性曲线, 在高阶导波模态截止频率以下 (对于2mm厚钢板为810k Hz) , 仅存在三种0阶导波, 包扩对称模态S0、非对称模态A0、水平剪切模态SH0。因此控制激发信号频率在高阶导波截止频率以下可以将导波模态数降至三种。
对于S0、A0和SH0模态, 其模态形状存在区别。A0模态主要以离面位移为主, 如图3 (a) 所示, S0模态和SH0模态主要以面内位移为主, 其中S0的位移方向于波传播方向平行, 如图3 (b) 所示, SH0模态的位移方向与波传播方向垂直, 如图3 (c) 所示。
超声导波激发的实质上就是在被检测对象中耦合进模态所对应的应力波, 为了获得单一的导波模态, 需要通过传感器优化来增强所需模态对应的表面应力分布, 同时抑制其他模态对应的表面应力分布。
目前可以用于在被检测结构中耦合进导波应力场的传感器可分为如下几类:压电式换能器, 电磁声换能器 (EMAT) , 磁致伸缩换能器, 激光超声换能器。压电式换能器主要利用晶体材料的压电效应和逆压电效应作为导波激发和检测传感器, 目前常用的压电材料主要有PZT和柔性的PVDF。其中PZT材料的压电转换效率较高, 成本较低, 但是材料无法弯曲;PVDF材料也具有压电效应, 但是其压电性相对于PZT材料要低, 其优点在于材料具有柔性, 可以弯曲。电磁声换能器 (EMAT) 主要通过改变金属结构中的电磁场, 利用Lorenz力激励导波应力场。用于超声导波激发的磁致伸缩换能器 (MT) 最早由H.Kwun等人提出, 其主要利用磁致伸缩效应实现导波应力场的激发。激光声换能器利用激光脉冲束在被检测构件表面产生热应力振动, 实现超声导波的激发, 激光声换能激发方式的仪器体积较大, 成本较高, 不适于现场检测应用, 目前主要用于实验室研究工作。
上述导波换能器中, PZT压电晶片具有体积小、重量轻、成本低的优点, 适用于结构健康状态监测应用, 因此目前各国研究团队主要使用PZT压电晶片作为导波激发和接收换能器。
2、导波激发波形优化
超声导波具有频散特性, 不同频率的波包成分的传播速度不同, 成为频散现象。严重的频散现象会造成检测信号混淆、缺陷特征无法提取。为了避免此问题的发生, 需要对导波激发频率和波形进行优化。
超声导波激发波形通常使用经汉宁窗调制的5周期正弦波。汉宁窗的作用是降低由于波形忽然开始和忽然结束造成的频率旁瓣, 使得能量集中于激发频率。通过对激发信号的加窗调制可以减小激发信号的频带宽度, 减小频散效应。图4为200k Hz正弦波和加窗调制后的波形, 以及其对应的频谱。
3、超声导波检测平台
超声导波检测方法不同于常规超声检测, 它最突出的优点就是可以实现快速、大范围检测, 而不是逐点检测, 同时为较精确定位缺陷, 必须在试验中确保检测数据的精度。因此在构建检测平台上, 针对超声导波的特殊性 (如所选激励信号的特殊性, 压电陶瓷换能器选取的特殊性等) , 建立了超声导波检测平台, 如图5所示。
(a) 原始信号, (b) 原始信号频谱, (c) 汉宁窗调制信号, (d) 调制信号频谱
任意函数发生器输出的信号可以直接加在压电晶片换能器的两电极上, 驱动压电陶瓷产生压电效应, 将电压信号转变为相同频率的振动信号, 在被检测结构中传播。但是, 由任意波形信号发生器生成的电压信号的幅度范围为10m VP-P-10VP-P, 远不足以驱动压电陶瓷换能器, 在结构中激励出超声导波。因此, 必须加大激励压电陶瓷传感器的激发电压。检测平台中采用的是自制的高压放大器, 其可以将信号发生器产生的输入信号线性放大至180Vp-p。在180Vp-p输出下, 放大器线性放大频率最高可达2MHz。
超声导波的激励信号经功率放大器放大后, 驱动压电传感器, 产生在管道中传播的超声导波, 到达接收导波端时, 利用压电陶瓷的逆压电效应, 将会把振动量转化为电压量输出, 但是, 压电陶瓷的逆压电效应很微弱, 压电晶片驱动电压在100Vp-p时, 接收端产生的输出的电压信号仅在毫伏量极。因此接受到信号需要先经过前置放大器放大后, 在可以进入信号采集端。本平台使用的前置放大器为自制的增益可调放大器, 增益范围在-4.5d B-525d B。由于压电晶片具有很高的阻抗, 而输出的信号功率很小, 因此将前置放大器的输入阻抗匹配至其最大值6K欧姆。
信号采集端采用凌华科技PCI-9846高速数字化仪。此仪器具有高采样率和高分辨率, 适于导波信号采集。同时其可以实现四通道同时记录, 大大减少了导波阵列信号采集时间。
多路开关单元的作用是切换激发和接收传感器, 由于压电传感器的激发端只有一路, 而传感器个数较多, 因此通过多路开关单元切换激发的传感器。多路开关单元基于继电器实现信号通道开关, 使用单片机对继电器开关进行控制, 单片机与PC机之间通过串口实现通信。
4、传感器相控阵列 (phased array)
传感器阵列在声纳、雷达领域使用较多, 其优点在于基于多个传感器, 通过相阵列算法实现对空间不同位置的逐点扫描。超声导波也具有长距离传播的能力, 因此可以借鉴雷达中相控阵列 (phased array) 概念, 实现对被检测对象的逐点扫描成像检测, 实现超声导波雷达。
超声导波雷达中的关键就是相控阵列及相对应的算法。本应用实例中采用圆环形紧密排列相控阵列, 如图6所示。阵列由16个压电晶片单元组成, 每个压电晶片尺寸为Φ7×0.2mm, 16个圆形压电晶片沿直径为50mm的圆周等距排列。为此阵列可以对周向0-360°范围进行全方位扫描成像。
相控阵列包含有16个导波传感器, 每个传感器相互独立。在利用超声导波雷达进行缺陷成像检测时, 需要首先激发一个传感器, 然后记录16个传感器接收到的导波信号, 随后激发另外一个传感器, 再记录16个传感器接收到的到波信号, 最终将获得16×16路时域信号, 每路时域信号对应一个激发-接收传感器组合。
由于超声导波具有频散特性, 因此对相控阵列得到的信号处理方法具有自身特殊性。首先每路时域信号将通过FFT变换转变为频域, 得到的频域信号将格局频散特性关系转换成波数域幅值。至此获得信号矩阵仍然为16×16路, 为了实现对不同方向的扫描, 需要使用相阵控算法, 根据需要扫描的方向, 每路信号将乘以一个相控系数然后相加。最后需要对信号矩阵每列进行逆傅里叶变换, 将其从波数域转换成距离域。最终将形成缺陷图像, 达到成像检测目的。
七、检测实例
本实例使用相控导波阵列对板状构件中缺陷进行了成像检测。相控阵列如上文介绍, 使用16个Φ7×0.2mm压电晶片沿直径为50mm的圆周等距排列而成。被检测对象为2mm厚钢板, 缺陷为半径为2mm的通孔, 距离阵列中心500m m。导波激发信号为5周期汉宁窗调制的正弦波, 中心频率为200k Hz。
检测过程为每次使用1个传感器作为激发传感器, 利用PCI-9846的四通道同时采集4个接收信号;然后通过多路开关单元更换另外4个传感器作为接收传感器, 指导将16个传感器的接收信号全部采集完成。之后更换另外一个传感器作为激发传感器, 重复上述过程, 直至16个传感器均作为激发传感器。
接收到256路信号通过上文所述的相阵控信号处理方法处理, 获得对缺陷的分布图像, 如图7所示。
通过实例可已看出, 超声导波可以对材料损伤进行检测, 通过超声导波相控阵列可以对材料损伤分布进行成像, 结果较为准确。
(导波阵列位中心位于原点处, 模拟损伤为半径为2mm的通孔, 损伤距离阵列中心500mm)
八、总结
通过本应用实例可以得出, 超声导波相控阵列可以对板状材料损伤进行成像检测。本检测方法仅需要将阵列布置于很小的区域就可以实现对较大区域的检测。此种方法不但适用于无损检测, 同时也适用于在线监测应用。
数字逻辑课程设计-数字钟 篇5
《数字逻辑》课程报告
课程名称：数字钟
姓名: 专业班级: 指导教师:
2013/05/31
1.数字钟的组成及基本原理
图A 如图A所示，数字钟电路系统由主体电路和扩展电路两大部分组成。其中主体电路完成数字钟的基本功能，即：能准确计时，以数字形式显示小时、分秒的时间；小时计时以“24进1”，分和秒的计时以“60进1”；具有校正时和分的功能。扩展电路完成数字钟的扩展功能。
1.1系统的工作原理：
振荡器产生稳定的高频脉冲信号，作为数字中的时间基准，然后经分频器输出标准秒脉冲。秒计数器满60后向分计数器进位，分计数器满60后向小时计数器进位，小时计数器按照“24翻1”规律计数。计数器的输出分别经译码器送显示器显示，计时出现误差时可以进行校时、校分。各扩展电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行功能扩展。
2.各单元电路的基本原理
2.1振荡器电路
振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟的准确程度。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高，但耗电量增大且分频级数多。一般有如下几种方案构成振荡器电路：
方案1：如图1-1所示为电子手表集成电路中的晶体振荡器电路，常取晶振的频
率为32768Hz，因其内部有15级2分频集成电路，所以输出端正好可得
到1Hz的标准脉冲。该方案优点是走时准确及稳定，集成度高，所需芯
片少。方案2：由集成电路定时器555与RC组成的多谐振器，电路图如图1-2。输出频
率为1000Hz。该方案的优点是起振容易，振荡周期调节范围广，缺点是
频率稳定性差，精度低，所以在本实验中不宜使用。
方案3：由集成逻辑门与RC组成的对称式多谐振荡器，可以输出频率为1MHz的脉冲。该方案的优点是精度高，集成简单，所需元器件少。
由于此次设计所提供的芯片主要是74ls00且方案三精度较高，连线简单所以选用方案三。
2-1
2-2 2.2分频器电路
分频器的功能主要有两个：一是产生标准秒脉冲信号，二是提供功能扩展电路所需要的信号。选用中规模集成芯片74ls90可以完成上述功能，用6个级联即可以得到1Hz的脉冲，该方案原理简单，易于调试，且可以得到各种频率的脉冲，适合功能的扩展。因此此次设计选用该方案。
2.3计数器电路
分和秒都是模M=60的计数器，它们的个位都是十进制计数器，而十位则是六进制计数器。时计数器是一个“24翻1”的特殊进制计数器，即当数字钟的计时器运行到23时59分59秒时，秒的个位计数器再输入一个秒脉冲时，数字钟应自动显示为00时00分00秒，实现日常生活中习惯用的计时规律。修改由于都不多于十进制，则可以用6个中规模集成电路计数器74ls90来实 现计数。该方案功能灵活，芯片统一便于调试与组装。
2.4校时校分电路
当数字钟接通电源或者计时出现误差时，均需要校正时间。对校时电路的要求是，在进行小时校正时不影响分和秒的计时，同理，在进行分校正时不影响时和秒的正常计数。其实现方法可以是将校时校分信号直接加到分、时计数器上，因此校时校分电路实际上是一个输入信号的转换开关。以下是几种方案：
方案1：简单的手动开关，如图1-4-1所示，正常工作时，s指向A，校时时只
需使s指向B。这种电路简单，但是开关的通断产生随机的机械抖动信
号，不易控制其稳定性。
方案2：如图1-4-2所示，用三个与非和一个可调电位实现信号的转换，当正常
工作时，电位器动滑头指向B，这时CP=C0；当需要校时，动滑头指向A，此时CP等于秒脉冲，两个电容可以滤去滑动中产生的干扰信号。
方案3：三个与非门和基本RS触发器。基本RS触发器可以完全消除开关的机械
抖动，是最佳的一种校时校分电路。
1-4-1
2-4-2
2.5扩展电路
随着技术的发展，这种具有基本功能的数字钟并不能满足人们的要求，所以通常要根据不同人的需要进行功能的扩展，下面按照人们常用到的数字钟功能提供了几种扩展电路方案:
方案1：仿广播电台整点报时电路。要求是：每当数字钟计时到整点（或快到整
点时）发出音响，通常按照4低音1高音的顺序发出间断声响，一最后
一声高音结束的时刻为整点时刻。
方案2：定时控制电路。定时控制电路可以使数字钟在规定的时刻发出信号，或
驱动音响电路进行“闹时”；或控制某装置电源的接通或断开实现定时控
制。具体电路图见图1-6-1 方案3：报整点时数电路。功能是：每当数字钟计时到整点时发出声响，且几点
响几声。实现这一功能的电路要经过三个阶段的工作：分进位脉冲到来
时小时计数器加1；报时计数器应记录此时的小时数；报时计数器开始
做减法计数，每减一个脉冲，音频电路鸣叫一声，直到计数器的值为零。
具体电路如图1-6-2。此方案较为复杂。
由于材料有限，本次设计选用接法较为简单但功能实用的方案1
2-6-1 闹时电路
2-6-2 报整点时数电路
3、具体电路及参数计算
3.1振荡器
选用由集成逻辑门与RC组成的时钟脉冲源振荡器，可以输出频率为1MHz的脉冲。具体方案电路如下图3-1
3-1 对称式多谐振荡器
3.2分频器
本设计采用6片74ls90级联成610分频电路得到1Hz频率脉冲，且可以得到用于扩展电路所需要的各种频率。具体接线图如下图2-2
3-2 分频电路
3.3时分秒计数器
选用6片74ls90来实现计数功能，其中分个位、秒个位及时个位是十进制，分十位和秒十位是六进制，时十位只能显示0、1、2三个数字。如图2-3-1。分计时和秒计时中当Q1、Q2全为1时，R01、R02均为高，计时器清零实现60进制。如图2-3-2，时计数中当十位Q1和个位Q2均为1时，十位个位上R01、R02 全为高，计时器清零实现24进制。
3-3-1 二十四进制计数器
3-3-2 六十进制计数器
3.4译码显示电路
本设计使用BS201和CD4511配套使用实现译码显示功能。下图为一个一码显示的配套电路，本次设计中需使用6套来显示我们所需要观察到的数字。
译码显示电路
3.5校时校分电路
本次设计采用方案3，用三个与非门和基本RS触发器来实现校分/时功能。其中基本RS触发器可以完全消除开关的机械抖动。具体电路如图3-5
3-5 校时校分电路
3.6整点报时电路
仿电台整点报时要求在快到整点时按4低音1高音的顺序发出间断声响，一最后一声高音结束的时刻为整点时刻。设4声低音（采用50HZ分别发生在59分51秒、53秒、55秒、57秒、59秒，它们的持续时间为1S。由此可见，分十位和个位的计数器的状态分别为秒十位计数器的状态为ABCDM2QQQQ=0101,ABCDM1QQQQ=1001，秒十位计数器的状态为ABCDS2 QQQQ=0101。秒个位计数器DS1Q的状态可用来控制500HZ和50HZ 的音频。表2-6-1列出了秒各位计数器的状态，由表可得只有当CM2AM2QQ=11，DM1AM1QQ=11,CS2AS2QQ=11及AS1Q=1时，音响电路才能工作。音响电路中采用射级输出端，推动8欧德蜂鸣器，三极管基极串接1K欧限流电阻，是为了防止电流过大损坏蜂鸣器，三极管选用高频功率管即可，本设计使用8085NPN型三极管，具有方向特性可以节约一个非门。整点报时的电路图如图3-6
数字化仪 篇6
麦达数字于1998 年成立，2007 年在中小板上市，2015年转型数字营销领域进军企业级SaaS服务。公司于2015年5月投资入股讯友数码，初步进入到移动营销领域，7月通过收购顺为、奇思、利宣初步完成了“全案数字营销服务+创意策划+社会化媒体营销服务”的产业布局。
作为中国领先的跨屏数字整合营销集团，麦达数字的数字营销板块由顺为互动，奇思广告，利宣广告三大商业体组成，为数字营销领域广告主提供包括数字营销策略，数字媒介代理，数字投放监测，程序化购买，社会化媒体内容营销，数字创意，数字投放，数字资产管理，多媒体内容制作等全环节服务。
麦达数字，在华东，华北，华南拥有业务大区，向超过200个不同行业品牌提供优质服务，服务行业覆盖汽车，金融，电商，快消，家电，3C，母婴等。
麦达数字现有高素质数字营销专业团队成员超过400人，平均年龄29岁，平均数字营销行业从业经验超过7年，中高管理层平均32.3岁，平均数字营销行业经验超过10年。在麦达数字的营销专业团队中，博士以上学历的成员比例为2.5%，硕士以上学历的成员比例为6%。
2015年公司通过并购成功切入数字营销领域，广告主对“品效合一”的要求驱动公司向更多领域的企业级服务延伸，公司将通过外延式并购继续向基于“数据、技术”的营销SaaS服务及CRM 领域的SaaS服务布局，进而逐步打造企业级数字生态圈。
数字化仪 篇7
各种千变万化的物理量存在于自然界中, 但就其规律变化不外乎两大类。其中在时间和数值上均作连续变化的一类物理量, 如收音机、电视机接收的视频信号, 音频信号, 处在正常情况下它们的电压信号都是随时间作连续变化一般不会发生突变。这种称为模拟量的物理量, 把表示模拟量的信号叫做模拟信号。语音信号、典型的模拟信号就是正弦波信号。产生、传送、变换和处理模拟信号的电路叫做模拟电路。
1 数字信号和数字电路
一类在时间和数值上均作为断续变化的物理量, 这就是说它们的变化在时间和数值上是不连续的, 离散的。如同工厂库房里的元器件的数量、或操场上的人数等, 它们的数量增减的变化和大小都是以最小单位“1”的整倍数, 如果小于“1”的这个最小单位的数值是没有物理意义的。象这种物理量称为数字量, 把代表数字量的信号称为数字信号。矩形波、最典型的数字信号就是方波信号。
数字信号通常被称为离散信号, 脉冲信号, 一般来说数字信号它有电位型和脉冲型两种, 它在两个稳定的状态之间作阶跃式变化, 用高低两个电位信号表示数字“1”和“0”是电位型表示法, 而脉中型表示法是用有无脉冲表示数字“1”和“0”。产生、传送、处理、变换、存储数字信号的电路叫做数字电路。数字电路包括数字电路脉冲电路两大部份, 因此, 数字电路又称为脉冲数字电路。其中脉冲电路主要研究脉冲信号的产生和变换及处理。
数字信号也是一种电信号, 但是这种电压的幅值只在两种情况之间跳动变化, 即高电压和低电压。那么, 这个高电压与低电压具体是多少呢?这要看每个电路的规定。一般来说, 高电压与电路的供电电压接近, 低电压与O就表示0。如果一个电路的信号满足以上特征, 则它就是一个数字电路[1]。
2 数字电路的分类及其特点
2.1 数字电路的分类
1) 按结构分, 分为立元件电路和集成电路两类;将每个基本元器件如电阻、电容、二极管、三极管、场效应管等用导线连接起来的电路为分立元电路。把各个基本元器件及它们之间的连线制作在一块基片上, 再按一定的包装形式进行封装, 提供给用户。用户在使用时, 通过外部管脚来利用芯片内部电路这种形式的电路称集成电路。集成电路按照一个基片上集成的基本元器件的数量多少可分为大小规模的集成电路, 如每块电路大约包含10~100个基本元器件, 则为小规模集成电路 (Small Scale Integraed Circuits, SSIC) , 如各种逻辑门电路、集成触发器等;如每块电路大约包含100~1000个基本元器件, 则可称为中规模集成电路 (Middle Scale Integraed Circuits, MSIC) , 如编码器、计数器、寄存器等;如其每块电路大约包含1 000~10 000个基本无器件, 则可称之为大规模集成电路 (Large Scale Integraed Circuits, LSIC) , 如存储器、串并接口电路、中央控制器等;如果每块电路大约包含10 000个以上的基本元器件, 则可称之为超大规模集成电 (Very Large Scale Integraed Circuits, VLSIC) 如各种微处理器等。
2) 按数字电路的半导体器件的构成来分, 可分为单极性电路和双极性电路两类, 工作时内部有两种载流子的二极管和三极管, 所以称为双极性半导体器件。靠导电沟道工作的场效应管, 称为单极性半导体器件。双极性集成电路是以双极性管为基本器件, 如TTL电路、ECL电路、I2L电路。单极性集成电路是以单极性管为基本器件的集成电路, 如NMOS电路、PMOS电路、CMOS电路。
3) 记忆工能的电路来分, 可分为时序逻辑电路和组合逻辑电路;时序逻辑电路在任意时刻的输出不仅取决于电路当前的输入, 而且与电路过去的状态有关, 如触发器、寄存器、计数器等, 这些集成电路都为时序电路, 它们可以“记忆”过去的输入。组合逻辑电路在任意时刻的输出仅取决于电路当前的输入, 而与电路的过去状态无关。如译码器、编码器、全加器、数据选择器等, 它们的特点是不能“记忆”过去的输入[2]。
2.2 数字电路的特点
数字电路相对模拟电路而言主要具有以下优点:
1) 数字电路不但能完成 (加、减、乘、除) 的运算, 而且还能够完成 (与、或、非等) 逻辑运算, 这在控制系统中是必不可少的, 所以人们常所数字电路也称为数字逻辑电路。2) 数字电路中, 不论是逻辑运算还是算术运算, 其们号代码只有“0”和“1”两种, 电路的基本单元比较简单, 也方便集成和批量生产和制造。随着工艺的飞速发展和半导体技术, 数字电路就是数字集成电路。集成电路的批量生产成本低, 使用方便。3) 由数字电路组成的数字系统, 只有高低两种电平的工作信号, 所以半导体的数字电路一般工作在导通和截止这两种开关状态, 功耗低, 搞干扰性强, 稳定性好, 可靠性高。4) 保密性好。可以对数字信号进行加密处理的数字电路, 在传输过程中不易被窃取信号。5) 通用性强。通常采用数字集成电路组成的数字电路系统, 它具有较强的通用性特点。
3 结语
在数字电路设计中, 信号反射的完整性问题往往对整个系统的性能造成许多难以预料的影响。因此对数字信号和数字电路的分析是个举足轻重的问题, 只有解决好这个问题, 系统才能准确、稳定地工作。
参考文献
[1]张建国.数字电子技术[M].北京:北京理工大学出版社, 2007.
数字化仪 篇8
关键词：ADC,GSPS,RF,数字化仪
过去5年间, 速度在1GSPS以上的高速ADC技术的采样率和性能不断提升, 全新器件能够实现RF频谱的直接采样。这些全新的模数转换器 (ADC) 能够在保持出色噪声和线性的同时, 在3GHz或更高的频率上, 以大于1GHz的带宽对信号进行采样。更高的采样率是实现这个功能的关键所在, 更快速的采样率可以大大减少宽带宽RF数字化仪的尺寸和功率。
可以考虑一下, 一个12位4 GSPS ADC, 比如ADC12J4000, 是如何能够直接在RF上采样1GHz带宽的信号。它的3.3GHz输入带宽可实现在第二那奎斯特区域的信号采样。为了防止其它目标数字频带外的信号干扰数字化信号, 需要一个抗混叠滤波器来减少其它那奎斯特区域内的带外信号混叠进入目标信号。
为了将已采样信号放置在第二那奎斯特区域的中央, 并且在最接近的1.5GHz混叠频率上使用一个具有60d B抑制性能的滤波器, 我们需要一个3:1的整形因数。相对来说, 虽然理论上可以使用处于第三那奎斯特区域中央的较低采样率, 比如2.5GSPS, 所需的抗混叠滤波器的采样因数将为1.5:1 (整形因数越低, 实现起来就越困难) 。具有更高采样率的较宽松滤波器要求可以通过减少所需的谐振器或偶极子的数量来大大减少滤波器的系统尺寸、重量和成本。
在很多诸如信号智能、电子对抗和卫星通信的应用中, 需要将微波或更高频带内10GHz或以上的频率范围数字化。通常情况下, 这由GSPS ADC将信号下变频至2~4GHz以实现其数字化来完成。每条信号链都需要单独的放大器、混频器、合成器、滤波器和ADC。
ADC的采样率越高, 需要的信号链就越少。例如, 假定带宽占用达到70%, 一个2.5 GSPS ADC需要12个单独的下变频级, 而4 GSPS ADC只需要7个。这直接使数字化仪的尺寸、功率和重量减少了42%。
更快速的采样率还提升了较窄带宽系统的性能、功率和密度。如图1中, 一个100MHz的信号位于3GHz频带中央的1.5GHz频带内, 由采样率为4 GSPS ADC进行采样。采样后, ADC内的集成数字下变频转换器可被用来隔离目标信号, 并且过滤掉所有目标信号以外的有害噪声和干扰能量。
然后可以将采样率减少32倍, 达到125MSPS复采样, 刚好能够支持所需的信号带宽。与通过取采样数量的平方根值, 用更多的采样提升信噪比 (SNR) 的方法相类似, 已抽取的数据比ADC SNR高, 高出的值为ADC与输出采样率之间比率的常用对数的10倍。借助较低的输出采样率, ADC12J4000的灵活JESD204B接口能够只通过一条串化器/解串器 (SERDES) 信道输出信号, 从而可以使大量的ADC被连接至单个FPGA, 并且每个ADC的接口功率更低。
数字化仪 篇9
Digitizer NETBOX产品完全符合LXI标准, 支持远程控制且数据传输超过千兆以太网。直接将Digitizer NET-BOX产品与笔记本或PC相连接, 或是与公司局域网相连, 则可以使自动数据采集变得简单方便。由于在测量速度、灵活性、尺寸或通道密度方面具有明显优势, 德国Spectrum公司推出的digitizer NETBOX产品可以用于取代诸如示波器、频谱分析仪、万用表、计数器、定时器和老式数字化仪等传统的台式设备。
Digitizer NETBOX设备包括德国Spectrum强大的SBench6软件, 可以进行完整的设备操控、图表展示以及数据的存储与分析。程序支持包括连续数据流在内的示波器和和瞬态记录模式。SBench6的特性之一是其具有分段采集视图, 适于捕获突发型信号及与之相关的所有触发时间戳信息。SBench6可以用来测量参数、执行FFT及运行诸如滤波、平均和直方图等各种不同的数学和程序功能。数据可以输出为ASCII, Wave和MATLAB等多种格式, 以便于其它第三方软件工具使用digitizer NETBOX产品。
对于希望用自有软件控制digitizer NETBOX产品的用户来说, 可以使用德国Spectrum技术成熟的驱动器 (适用于Windows和Linux系统) 。该驱动器作为digitizer NETBOX产品的一部分予以提供。一组标准的编程示例可以演示主要信号捕获功能, 并同时支持包括Visual C++, Borland C++, Gnu C++, Lab VIEW, Visual Basic, VB.NET, C#, J#, Python和Delphi的编程环境。
德国Spectrum的digitizer NET-BOX产品具有8种不同型号, 用户可以从中选择最适合自身应用需求的产品。DN2.225-08具有同步8通道的高性能, 每个通道带宽超过1.5GHz并独立配备一个速度可达1.25GS/s的模拟数字转化器。如果用户需要更快速采样, DN2.225-08可以合并至2.5GS/s四通道或5GS/s两通道, 也可以实现500MHz带宽和较低最大采样率的高性价比解决方案。
论三联数字与联和数字 篇10
1.1三联数字的定义
设一集合{i,1},如果满足下列条件:(1)对于集合{i,1}的元素,每次取3个进行可重复排列。(2)命y∈{iii,ii1,i1i,i11,1ii,1i1,11i,111}。则称y为三联数字。设i=0,1=1,则iii=000,ii1=001,i1i=010,i11=011,1ii=100,1i1=101,11i=110,111=111。
(1)如果将y所表示的二进制数翻译成10进制的数,且y≥0,则iii=000(2)=0(10),ii1=001(2)=1(10),i1i=010(2)=2(10),i11=011(2)=3(10),1ii=100(2)=4(10),1i1=101(2)=5(10),11i=110(2)=6(10),111=111(2)=7(10)。
(2)如果将y所表示的二进制数翻译成10进制的数,且y≤0,则:iii=0,-ii1=-1,-i1i=-2,-i11=-3,-1ii=-4,-1i1=-5,-11i=-6,-111=-7。
(3)三联数字y可以扩展为:y∈{-111,-11i,-1i1,-1ii,-i11,-i1i,-ii1,iii,ii1,i1i,i11,1ii,1i1,11i,111}。
1.2联数字的定义
设有集合x,y。且x∈{a,b,c},y∈{-111,-11i,-1i1,-1ii,-i11,-i1i,-ii1,iii,ii1,i1i,i11,1ii,1i1,11i,111},如果满足下列条件:(1)在集合x中每次取3个元素,在集合y中每取1个元素构成可重复排列。(2)其排列的形式为T∈{a yb c,…},且a,b,c∈{-9,-8,-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}。则称a,b,c为联数字。
2联和数字
2.1联和数字的定义设有集合x,y。且x∈{a,b,c},
y∈{-111,-11i,-1i1,-1ii,-i11,-i1i,-ii1,iii,ii1,i1i,i11,1ii,1i1,11i,111},如果满足下列条件:(1)在集合x中每次取3个元素,在集合y中每取1个元素构成可重复排列。(2)其排列的形式为T∈{a yb c,…},a,b,c∈{-9,-8,-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}。(3)如果联数字a,b,c之间的运算关系为:a+b+c=8s+y。(4)若a+b+c≤7,则a+b+c=y。(5)若a+b+c≥8,则a+b+c=8s+y。(6)若a+b+c≥-7,则a+b+c=y。(7)若a+b+c≤-8,则a+b+c=8s+y。则称a,b,c为联和数字,记作8SEa yb c,其中a+b+c=8s+y,这里的s称为联和数字的商息数。S={[(a+b+c)-y]÷8}
下面是任意一个三联数字纳入联和数字的形式:
例如:对于联和数字如果a=5,b=0,c=7,
2.2三联数字纳入联和数字的方向性在三联数字集合y∈{-111,-11i,-1i1,-1ii,-i11,-i1i,-ii1,iii,ii1,i1i,i11,1ii,1i1,11i,111}中有-1ii,-ii1,-i11,-11i,ii1,1ii,i11,11i这8个三联数字具有方向性,方向不同其三联数字所示的10进制的数值不同。如:-ii1从左向右看化成二进制为-001(2),它的10进制的数值为-1,从右向左看化成二进制为-100(2),它的10进制的数值为-4;-i11从左向右看化成二进制为-011(2),它的10进制的数值为-3,-i11从右向左看化成二进制为-110(2),它的10进制的数值为-6;ii1从左向右看化成二进制为001(2),它的10进制的数值为1,从右向左看化成二进制为100(2),它的10进制的数值为4;i11从左向右看化成二进制为011(2),它的10进制的数值为3,i11从右向左看化成二进制为110(2),它的10进制的数值为6。一个三联数字因其方向不同而具有不同的10进制的数值,这说明三联数字-1ii,-ii1,-i11,-11i,ii1,1ii,i11,11i本身就具有方向性。一般把三联数字从左向右纳入联和数字的称为正向联和数字;把三联数字从右向左纳入联和数字的称为反向联和数字。
例如称为正向联和数字称为反向联和数字。
2.3 n个三联数字链在集合y∈{-111,-11i,-1i1,-1ii,-i11,-i1i,-ii1,iii,ii1,i1i,i11,1ii,1i1,11i,111}中,每次取一个元素,取n次,并且将n个元素连接成G,使得则称G为n个三联数字链。
12.4互三联数字设一条由n个三联数字组成的链G,且在这条由n个三联数字组成的链G中,其中一个三联数字的一个元素“i或1”与相邻一个三联数字的两个元素“ii或11或i1或1i”构成的三联数字,或者一个三联数字的两个元素“ii或11或i1或1i”与相邻一个三联数字的一个元素“i或1”构成的三联数字称为互三联数字,用H表示。且H∈{-111,-11i,-1i1,-1ii,-i11,-i1i,-ii1,iii,ii1,i1i,i11,1ii,1i1,11i,111}。
为了让读者明白,我们画图如下
则定义G为n位联和数字链,写成表达式为
Si={[(a+b+c)-y]÷8}
<E>表示k个三联数字链的互三联数字纳入的是联和数字。
例如:已知一个互三联数字纳入联和数字的6位联和数字链
解:按题意列式如下
(2)因为所以2+2+c=8s+3。c∈{-9,-8,-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9},8s+3∈{3,11,19,27}。经过运算只有8s+3=11符合条件,故s=1。因此2+2+c=11,c=7,则i4c=i47,
(3)又因为所以b+7+2=8s+1而b∈{-9,-8,-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9},8s+1∈{1,9,17,25},经过运算只有8s+1=9与8s+1=17符合条件,我们取8s+1=9,故s=1。因此b+7+2=9,b=0,则i5b=i50,8sE ibi712=81E i0i712
(4)又因为8sE ibi712=81E i0i712,则1aibic=8sE 1ai0i7,所以a+7+0=8s+4,a∈{-9,-8,-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9},8s+4∈{4,12,20},经过运算只有8s+4=12符合条件,故s=1。因此a+7+0=12,a=5,则16a=165,81E 15i0i7,最后G=Si8i=E14<E>1aibic1212i2=Si8i=E14<E>15i0i71212i2,从而求得:i4c=i47,i5b=i50,16a=165
2.5.2推论通过上述例子,对于任一条n位联和数字链,如果互三联数字纳入的是联和数字,只要知道这条链中任意相邻的两个联和数字,就能推算出这条链的其它联和数字。
2.5.3互三联数字纳入混合数字的n位联和数字链设如果满足下列条件:(1)在集合T∈{a yb c,…}中取k个元素连接成链G。为联和数字,在链G中的位置可表示为有互三联数字H,且H∈{-111,-11i,-1i1,-1ii,-i11,-i1i,-ii1,iii,ii1,i1i,i11,1ii,1i1,11i,111},使得互三联数字H所纳入的联数字bca或cab为联混合数字,则称G为互三联数字纳入联混合数字的n位联和数字链,写成表达式为:
<Θ>表示k个三联数字链的互三联数字纳入的是联混合数字。
注:联混合数字记作8SΘa yb c,其运算方法为:
例如:已知一个6位联和数字链求它的互三联数字纳入的是什么联数字?
解:互三联数字纳入的肯定不是联和数字,因为:在中,1+3+2≠8s+1,在中,6+1+3≠8s+4,所以,互三联数字只能纳入联混合数字如下:
2.6 n位联和数字链HH的逐级收敛设有1条n位联和数字链G,如果互三联数字纳入联和数字,当n=2k+1时,把它的每个三联数字、互三联数字变换为联和数字组成1级分立的纳入联和数字的三联数字,再把这些1级分立的三联数字变换成联和数字,组成2级分立的纳入联和数字的三联数字,如此重复运算m级,最后这条n位联和数字链会逐级收敛于1个m级纳入联和数字的三联数字之中;当n=2k时,用同样的方法将这条n位联和数字链会逐级收敛于2个m级的纳入联和数字的三联数字之中,称为包含互三联数字的n位联和数字链的逐级收敛,简称HH的逐级收敛。
2.6.1 n=2k时HH的逐级收敛
于是求得n位联和数字链HH逐级收敛的表达式如下:
(2)把它的三联数字、互三联数当成联和数字组成1级纳入联和数字的三联数字收敛得:
2.7 n位联和数字链HH的逐级收敛路径设一条n位联和数字链G,如果互三联数字纳入的是联和数字,满足下列条件:
称L为n位联和数字链HH的逐级收敛路径。
摘要：本文提出了三联数字、联数字及互三联数字等数学新概念。并对联和数字、n位联和数字链、n位联和数字链的逐级收敛及逐级收敛的路径等作了重要的论述。旨在为一些应运科学提供一种实用的数字模型。
关键词：三联数字,联数字,联和数字,n位联和数字链,逐级收敛
参考文献
[1]陈永明.漫淡二进制.上海:上海教育出版社,1979.
[2]王根喜.三联数字与科学.美国:ACADEMIC PRESS(CORP),2009.
数字电子技术与数字信号处理 篇11
【关键词】数字电子技术；数字信号处理；逻辑电路
计算能力可以说是人类最重要的能力之一，因为计算能力的需求增强，意味着贸易更加繁荣，人口更加密集，需求也愈发地多，人类最早的一次计算能力的提升是算盘的发明。这是人类利用工具来计算的开始，也是人类计算史上的一次飞跃。而后的很长时间，计算能力一直停留在算盘的层面，直至17世纪，德国数学家查尔斯·巴蓓奇通过大量对于计算的研究，发现通常的计算设备错误百出，于是他开发了自己的一套计算系统，设计出了差分机，差分机虽然只能计算一部分专门的数据，但是其中含有的系统则为以后的计算机的产生提供了思想基础，可以被认为是近代计算机的一个雏形，查尔斯·巴蓓奇也因为他对计算机的产生做出的贡献被认为是“计算机之父”。他设计的理论十分超前，特别是利用卡片输入程序和数据的设计被后人采用。而计算机技术的衍生，使得一个制表机公司悄悄崛起，学习了查尔斯·巴蓓奇的技术，发明了穿孔片计算机，成为了如今的IBM王国，在美国的一次人口普查，原本利用原始的人口普查需要10年的时间，此时IBM大显神威；仅仅利用六个月就完成，大发其财，迅速膨胀。而第二次世界大战的爆发，终于催生了计算机的诞生。因为在战争中需要精确打击对手，发射导弹时就需要知道导弹的飞行时间和落点，其中的计算十分复杂，人工难以实现，亟待一个计算机器的产生帮助计算。于是1946年，第一台真正意义上的计算机产生了，被命名为艾尼阿克，是电子管计算机，被认为是第一代计算机。而后计算机经过了电子管数字计算机，晶体管数字计算机，集成电路数字计算机，大规模集成电路计算机的四个过程，计算机技术逐渐成熟。后来计算机经过了两次的进一步改革，主要是体型大幅度缩小，逐渐进入了企业，家庭的视野，成本也不断降低。在接下来的几十年里，计算机逐渐成了一个集业务，生活，娱乐等多功能于一体的机器，建立了全球服务器系统，使用计算机可以获得许多生活中得不到的资源，充分发挥客户端PC的处理能力，很多工作可以在客户端处理后再提交给服务器，大大减轻了服务器的压力，进入了Internet时代，整个世界就像一张网一样互通有无，其中数字电子技术就是起主体作用的技术之一。
数字电子技术从17世纪发展到今天，理论体系得到逐步的完善，走入了大学校园，成为了一门重要的课程。在电路中，有两种不同的信号进行着信息传递，一种是模拟信号，他是通过电路中的电学指标来传递信号的，是连续变化的，处理这种信号的电路称为模拟电路。而另一种则是通过不连续变化的脉冲信号来作用的，处理数字信号的电路称为数字电路。
数字电路主要是研究脉冲信号的产生、变换、控制和对数字进行逻辑运算等，因此数字电路又称为逻辑电路。数字电子技术则是一门主要研究各种逻辑门电路，集成器件的功能及其应用，逻辑门电路组合和时序电路的分析和设计，集成芯片各脚功能，555定时器等。在最开始的时代，模拟电路更占据主要位置，而随着科技的发展，数字电路的优越性愈发地明显，它的信号处理能力更加强大，我们可以将模拟电路转换成数字信号，而后利用数字电路进行信号处理，最后在转换成模拟信号输出，提高了工作效率与工作质量，数字电子技术则为这种方法提供了理论依据与可行性。
首先，模拟电路是使用电信号的变化传递信息的，而电路中各个元件的属性如电阻，电流，电压容易受到外界条件的影响，如温度变化，湿度变化等因素，而且模拟电路的参数修改较为困难，而相比于模拟电路，数字电路采用的是二进制，通过逻辑门电路来处理信号，这样的处理方式首先外界环境变化对电路影响很小，不会因为某些因素轻微变化导致电路逻辑反转，并且逻辑电路参数修改简单了很多，便于控制，稳定性和灵活性兼备。逻辑门电路有很多种，但就如同每个理论体系一样，逻辑门电路也是有最基本的几个逻辑组成的，其中就包括与门，或门，非门。与门表示如果事件Y发生，则需要其发生的多个条件同时满足；或门表示如果事件Y发生，则需要其发生的多个条件只要一个或多个条件发生即可；非门表示如果决定事件Y发生的条件A满足时，Y不能发生，当A满足时，Y反而能发生。这三种基本的门电路通过组合还能形成与或门，与非门，或非门等，进而形成复杂的逻辑函数，这一切的逻辑处理就需要计算机或者专用机器进行处理。数字信号处理就是利用这些逻辑电路，采集信号，对其以数据的形式进行一系列的处理，得到易于使用，读取，转换的信号形式。数字信号处理主要应用多元化的数学手法，以网络，信号，通信等理论为依归进行处理信号。数字信号处理技术的具体操作方式是先经过信息的获取或者数据的采集，转换成原始信号，原始信号如果是连续信号，则需经过抽样过程成为不连续信号，进而进行转换，如果是不连续信号则可以直接转换，最终得到二进制数码，输入逻辑电路。
21世纪是信息时代，是高科技的时代，所以数字信号处理技术在很多领域都要得到应用。在通信领域，信号是最主要的研究对象，所以数字信号处理技术是核心的手法之一，现在的电子设备，通讯设施逐渐向无线化发展，整个世界形成一个无线系统，数字信号显得极为重要，数据加密，可视电话等进步科技的实现都需要数字信号处理技术的支持。在图形图像领域，数字处理技术可以很好地把图像，音频，视频等具体形式转换，而现如今已经广泛地应用在科学研究以及其他各行各业中，比如粒子的运动轨迹，卫星遥感图像的处理，岩石的勘测，生物细胞细微结构的扩放，这些技术也在迅猛发展，不断完善。尤其在生物学方面，数字信号处理技术居功至伟，因为人与动物的身体就是一个巨大的信息系统，通过各种器官，组织，细胞，传递信息，进行生命系统的微调，而神经系统作为调节的中枢，信息传递更加尤为重要，数字信号处理技术可以帮助研究人脑信息处理模型，为生物学的进步作出巨大的贡献。
总而言之，现今的时代是数字时代，是信息时代，数字信号处理技术作为一门实用性极强，应用广泛的科学，必定会大放异彩。
【参考文献】
[1]孙金林.数字信息处理技术的发展与思考[J].赤峰学院学报（科学教育版），2011（5）.
[2]李方慧.数字信号处理技术的新进展[M].北京理工大学出版社，2010：8.
“数字逻辑与数字系统”教学研究 篇12
“数字逻辑与数字系统”课程是计算机科学与技术专业及相关专业的基础核心课程[1], 教育部在各类相关的教学大纲中均规定为必开课程。它是计算机科学与技术专业的硬件知识基础, 为计算机组成原理、计算机体系结构、单片机、嵌入式等后续课做基石。本课程不仅要学理论, 又要动手做实验, 还有课程设计, 各环节要环环相扣。本文只讨论理论授课方面。
在理论授课方面首要问题就是教材的选择, 结合学院办学定位、专业要求及学生的层次等诸多方面, 挑选一本恰当的教材, 具有事半功倍的效果。我院选定的是自编教材———沙丽杰主编中国电力出版社出版的《数字逻辑与数字系统》。教材选定后剩下的说道一下教的艺术。
1 注重学生逻辑思维的培养
数字电路与模拟电路最大的不同在于输入输出之间不是普通的函数关系, 而是逻辑因果关系。数字电路中多采用二进制‘0’和‘1’来描述信息, “0”和“1”表示的是逻辑“真”和“假”, 或事物的两个不同的状态, 它没有“数”的多和少的概念。例如电子开关中的“导通”和“关断”, 灯的“亮”和“灭”都分别用逻辑“1”和逻辑“0”表示。当事物存在多于两种状态时就需用多位逻辑量表示, 如十字路口交通灯的四种常见状态: (1) 主通道绿灯亮, 支通道红灯亮; (2) 主通道黄灯亮, 支通道红灯亮; (3) 主通道红灯亮, 支通道绿灯亮; (4) 主通道红灯亮, 支通道黄灯亮。可以用两位逻辑量表示: (1) 00; (2) 01; (3) 10; (4) 11。这里的两位逻辑量就是状态的代码/编码, 这和国共时期打入敌人内部的人员代号“不死鸟”、“飞鹰”、“007”等是一个作用。“不死鸟”和“飞鹰”是文字代码或字符代码, “007”是数字代码或数字编码, 在现实生活中人们熟悉的是十进制代码, 而数字电路中用的最多的是二进制代码。所以要想将一个现实问题转化为数字逻辑问题, 首要的一件事就是将实际问题用二进制逻辑代码表示, 再根据输入输出间的因果关系列出其满足的逻辑运算表达式。注重学生逻辑思维的培养是提高学生自行设计数字逻辑电路的基础。
2 用口诀简化记忆
在本课的教学过程中会遇到许多需要记忆的逻辑代数公式和表 (如触发器的激励表) , 学生常常要为记忆这些东西而发愁。而用口诀记忆帮助学生记忆是一个效果显著的做法。如根据真值表可得出“与”运算的规律为“有0得0, 无0得1”, “或”运算的规律是“有1得1, 无1得0”;对JK触发器的功能表如表1。
J可看做“置1端”, 高有效, K可看做“置0端”高有效, 功能表第一行JK=00, 表示输入端无有效输入, 触发器状态不变, 即保持的功能;功能表第二行JK=01, 表置0端有效置1端无效, 触发器次态变为0状态, 即置0的功能;功能表第三行JK=10, 表置0端无效置1端有效, 触发器次态变为1状态, 即置1的功能;功能表第四行JK=11, 表置0端有效且置1端亦有效, 此时, 触发器的次态既不是确定的0状态也不是确定的1状态, 而是由原来的状态决定, 变为原来状态的反状态, 即为翻转的功能。上述也可用“一山容不得二虎”来调侃, 加深学生的印象。通过这么一解释相信学生会很容易记住JK触发器的功能表, 而JK触发器的特征方程和状态图、波形图等都可由功能表推出故无需逐一记忆。
这种“寓教于乐”的教学方法可使学生产生兴趣, 同时也可激发和鼓励他们对一些公式、定理等编造适合自己习惯的口诀来帮助记忆。实践证明, “寓教于乐”可使学生学起来感到轻松愉悦, 受益匪浅。
3 在讲授综合知识的应用时, 更要注重启发式教学法[2]的运用
教材中一些综合知识的应用是难点, 在讲解难点时, 要层层剖析、提示, 让学生在已有知识的基础上想到解决问题的办法或思路, 讲完后要让学生有一种运用所学知识解决问题后的喜悦, 并让其渐渐养成碰到问题后不退缩独立地主动地分析问题的意识。
例如, 触发器这一知识块的讲解, 先讲最简单的基本SR触发器, 这一部分一定要讲清楚讲明白, 再在此基础上讲解D触发器、JK触发器等!具体分析如下, 先让学生观察两个与非门组成的基本SR触发器的电路结构, 并回答其与组合逻辑电路的不同之处, 再在教师的引导下利用已学过的与、或、非基本逻辑运算分析并让学生回答SR触发器在不同输入下的输出, 最后由教师对SR触发器的功能进行总结并用功能表、卡诺图、特征方程、状态图等进行逻辑描述。只要学生掌握了基本SR触发器的分析方法, 那么此后的钟控SR触发器、D触发器、JK触发器等便不成问题。如钟控SR触发器、钟控D触发器, 同样, 先让学生观察其电路结构, 之后让其回答电路中哪些部分是熟悉的已学过的, 哪些是新加的, 如何利用已学过的内容简化分析新知识, 并在此基础上进一步探究结构的不同带来的功能的不同, 以及与SR触发器相比它们的优点。
再如, 利用集成器件实现逻辑函数这一部分。在对组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计中, 全是采用真值表或状态表来推导出相应逻辑表达式, 化简, 并根据化简后的逻辑表达式绘制出由基本逻辑单元 (与门、或门、与非门、触发器等) 实现的电路图。而利用集成器件的设计是在已有集成电路功能的基础上, 外加一些门电路实现所需功能。在学生习惯了利用一般方法从无到有地实现组合逻辑电路或时序逻辑电路时, 转而利用中规模集成器件进行设计对他们来说在一段时间内是一个不小的挑战, 且设计时灵活多变, 有时需要靠经验来实现, 这就更增加了这部分的学习难度。那么如何化解这一难点呢, 本人做法如下, 首先讲清楚利用集成器件实现设计的特点:集成器件的功能不可变, 我们对它只可利用不可改变, 我们可以改变的只是其外围电路的设计。之后, 由简入繁地利用大量例题来形象化这一设计过程。如先利用全加器实现多位二进制加法器, 再利用集成加法器74LS283实现将8421BCD转换成余3码的电路, 最后利用74LS283实现一个1位的8421BCD码的十进制加法器, 要求输入和输出均是BCD码。
下面以使用四位二进制比较器74LS85和必要的门电路设计输血指示器[3]为例描述讲解过程。输血配对图如图1所示, 用AB表示供血者代码, CD表示受血者代码, 代码设定见表1, 用F表示输出函数, 并用F=1表示可输血, 用F=0表示不可输血。则根据:
图1得真值表如表3。
由真值表得卡诺图如图2。
由卡诺图知, 令输出为1的输入组合可归纳为三种情况: (1) AB=00; (2) AB=CD; (3) CD=10。
故输出表达式为情况 (2) 可由集成比较器74LS85实现, 另外两种情况由外加门电路实现, 电路图如图3。
在本例中, 要利用到74LS85就必须想到通过变量间的比较来描述可输血的的某种情况。集成器件74LS85的功能是固定的, 咱们只能将可输血的情况向它靠拢, 由它实现, 而不是改变74LS85的结构或功能来实现输血指示器。
4 结语
教学方法直接影响到学生的学习方法, 在教学过程中引导学生掌握正确的学习方法, 培养它们的自学和主动自学的能力, 授之以鱼不如授之以渔, 本人觉得这才是是教学中的重中之重。
摘要：本文针对三本工科学生基础差、学习积极性不高的实际, 结合多年教学经验, 阐述了灵活地采用多种教学方法培养学生的学习兴趣, 更要注重培养学生自学能力的观点。
关键词：教学研究,数字逻辑,逻辑思维,启发式教学
参考文献
[1]朱怀宏.“数字逻辑与数字系统”课程教学理念[J].计算机教育, 2006 (10) :83-85.
[2]韩天荣.“数字逻辑与数字系统”实践教学改革初探[J].集宁师专学报, 2010, 32 (4) :8-10.