數(shù)字電路基礎(chǔ)之邏輯電路

本文我們將從“數(shù)字意味著什么?”開始，講解數(shù)字電路的基本設(shè)計方法。什么是“模擬”和“數(shù)字”。在自然界中，象聲音、溫度、光等信息是以連續(xù)的值進行變化的。這種連續(xù)值就稱作“模擬”。

而在計算機的世界里，信息是以一段一段的離散值表示的。這種離散值就稱作“數(shù)字”。

比方說模擬和數(shù)字就相當(dāng)于實數(shù)與整數(shù)的關(guān)系。實數(shù)可以表示直線上的每一個點，就象是模擬，而整數(shù)只能表示直線上的特定點，就象是數(shù)字。

于是，我們把處理連續(xù)信息的——模擬信號的電路稱作“模擬電路”，把處理離散信息——數(shù)字信號的電路稱作“數(shù)字電路”。

圖1：模擬與數(shù)字的不同

為了將自然界的模擬信息輸入到象計算機那樣的數(shù)字電路，需要將信息數(shù)字化(模擬信號→數(shù)字信號)。

進行“模擬信號→數(shù)字信號”轉(zhuǎn)換的是A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器按時間有規(guī)律地讀取(采樣)輸入信號，并將其轉(zhuǎn)換成用“0”和“1”表現(xiàn)的數(shù)值(2進制)。

為了將連續(xù)值(模擬信號)轉(zhuǎn)換為離散值(數(shù)字信號)，要對模擬信號進行“舍去”和“進位”處理。這種處理造成信息缺失，而產(chǎn)生了誤差。而為了減少誤差，就需要縮短轉(zhuǎn)換間隔和增加轉(zhuǎn)換時的位數(shù)。

那么，“把模擬信號數(shù)字化”的好處在哪里呢?它的好處就在于，數(shù)字信號有較強的抗噪音能力，不容易被破壞，計算機處理起來比較容易。

現(xiàn)在，隨著微處理器性能的不斷提高，已經(jīng)可以高速、大量地處理數(shù)字信息。由于在信號傳輸和再現(xiàn)的過程中都不會造成信號質(zhì)量下降，從而使數(shù)字電路得到了十分廣泛的應(yīng)用。

強大的“2進制”

數(shù)字信號表現(xiàn)數(shù)值的方法之一是“2進制”。2進制是以“0”和“1”表現(xiàn)數(shù)值的，各位數(shù)都是2的階乘。比如，4位2進制可以表現(xiàn)的整數(shù)是從0到15的值(表1)。更大的數(shù)值就要通過增加位數(shù)來表現(xiàn)了。

表1：10進制的2進制換算

最初在數(shù)字信號中使用2進制的原因是因為電路的“開”和“關(guān)”可以很方便地用“1”和“0”來表示。并且，開(“1”)和關(guān)(“0”)在實際的IC中分別用“H”和“L” 表現(xiàn)高電壓狀態(tài)和低電壓狀態(tài)。

在一般的CMOS IC中，當(dāng)電源電壓為5V時，L表現(xiàn)為1.35V以下，H表現(xiàn)為3.15以上。像這樣用“0”和“1”表示一定的電壓范圍，就可以形成在一定范圍噪音下，不會發(fā)生誤操作的牢固電路結(jié)構(gòu)。

數(shù)字電路抗噪音強的理由，大家明白了嗎?沒錯，是因為用了2進制來表現(xiàn)數(shù)值。

什么是數(shù)字電路

數(shù)字電路進行邏輯運算，也被稱為邏輯電路。

邏輯電路的基本要素只有AND電路、OR電路和NOT電路這3種，通過這`3種電路的不同組合可以做出具有各種功能的電路。

邏輯電路使用邏輯表達式和電路符號(這里使用MIL符號。其他還有JIS符號。)進行表示。另外，我們把邏輯電路的輸入信號和輸出信號的一覽表稱為真值表。

下面我們對3種基本邏輯電路進行說明。

串聯(lián)電路，AND電路

AND電路也被稱為“邏輯與”，只有當(dāng)兩個輸入同時為1時，才會輸出1。

◇邏輯表達式

用“?”表示　(例)Y=A?B

◇電路符號

◇真值表

讓我們仔細看一看AND電路的工作方式。如果用開關(guān)和LED來表現(xiàn)AND電路的話，就是如下圖2所示的串聯(lián)電路。

◇開關(guān)A(SW A)的“開”和“關(guān)”表示輸入A的“1”和“0”

◇開關(guān)B(SW B)的“開”和“關(guān)”表示輸入B的“1”和“0”

◇LED Y的亮起和熄滅以輸出Y的“1”和“0”表示

圖2：AND電路的運作方式

該AND電路的工作方式如下。

◇開關(guān)A和開關(guān)B都為“開”時，LED Y點亮

◇開關(guān)A或B只有一個為“開”，另一個為“關(guān)”時，LED Y熄滅

◇開關(guān)A和開關(guān)B都為“關(guān)”時，LED Y熄滅

基本邏輯電路也稱作門(gate)電路，可以通過單個輸入來固定輸出(關(guān)閉門)，或反映輸出(打開門)。

AND電路的門電路的工作情況可以用圖2的電路圖進行說明。

◇A或B的開關(guān)之一固定為“關(guān)”，LED保持熄滅，也就是說輸出固定為“關(guān)”(關(guān)閉門)

◇相反，A或B的開關(guān)之一固定為“開”，未固定的另一個輸入能夠直接反映輸出(打開門)

并聯(lián)電路、OR電路

OR電路也被稱為“邏輯或”，只要有任何一個輸入為1，或者都為1的情況下，都會輸出1。

◇邏輯表達式

用“+”表示 (例)Y=A+B

◇電路符號

◇真值表

如果用開關(guān)和LED來表現(xiàn)OR電路的工作方式的話，就是如下圖3所示的并聯(lián)電路。

◇由于是并聯(lián)電路，因此開關(guān)A(SW A)或開關(guān)B(SW B)中任意一個為“開”，或兩者均為“開”時，LED Y就點亮。

OR電路的門功能與AND電路的工作方式正好相反。

◇A和B的開關(guān)之一固定為“開”時，LED保持點亮，也就是說輸出固定為“開”(關(guān)閉門)

◇相反，A和B的開關(guān)之一固定為“關(guān)”，未固定的另一個輸入能夠直接反映輸出(打開門)

圖3：OR電路的運作方式

反向輸出的NOT電路

NOT電路也被稱作變頻或反向電路，具有將輸入反向輸出的功能。是輸入為1時輸出0，輸入0時輸出1的電路。

◇邏輯表達式

用“¯”表示 (例)Y=

◇電路符號

◇真值表