數字電路之如雷貫耳的“邏輯電路”

　　本文我們將從“數字意味著(zhù)什么？”開(kāi)始，講解數字電路的基本設計方法。什么是“模擬”和“數字”。在自然界中，象聲音、溫度、光等信息是以連續的值進(jìn)行變化的。這種連續值就稱(chēng)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(chēng)作“數字”。

　　比方說(shuō)模擬和數字就相當于實(shí)數與整數的關(guān)系。實(shí)數可以表示直線(xiàn)上的每一個(gè)點(diǎn)，就象是模擬，而整數只能表示直線(xiàn)上的特定點(diǎn)，就象是數字。

　　于是，我們把處理連續信息的——模擬信號的電路稱(chēng)作“模擬電路”，把處理離散信息——數字信號的電路稱(chēng)作“數字電路”。

　　圖1：模擬與數字的不同

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

　　進(jìn)行“模擬信號→數字信號”轉換的是A/D轉換器。A/D轉換器按時(shí)間有規律地讀?。ú蓸樱┹斎胄盘?，并將其轉換成用“0”和“1”表現的數值（2進(jìn)制）。

　　為了將連續值（模擬信號）轉換為離散值（數字信號），要對模擬信號進(jìn)行“舍去”和“進(jìn)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，就需要縮短轉換間隔和增加轉換時(shí)的位數。

　　那么，“把模擬信號數字化”的好處在哪里呢？它的好處就在于，數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(lái)比較容易。

　　現在，隨著(zhù)微處理器性能的不斷提高，已經(jīng)可以高速、大量地處理數字信息。由于在信號傳輸和再現的過(guò)程中都不會(huì )造成信號質(zhì)量下降，從而使數字電路得到了十分廣泛的應用。

　　強大的“2進(jìn)制”

　　數字信號表現數值的方法之一是“2進(jìn)制”。2進(jìn)制是以“0”和“1”表現數值的，各位數都是2的階乘。比如，4位2進(jìn)制可以表現的整數是從0到15的值（表1）。更大的數值就要通過(guò)增加位數來(lái)表現了。

　　表1：10進(jìn)制的2進(jìn)制換算

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

　　在一般的CMOS IC中，當電源電壓為5V時(shí)，L表現為1.35V以下，H表現為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(huì )發(fā)生誤操作的牢固電路結構。

　　數字電路抗噪音強的理由，大家明白了嗎？沒(méi)錯，是因為用了2進(jìn)制來(lái)表現數值。

　　什么是數字電路

　　數字電路進(jìn)行邏輯運算，也被稱(chēng)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(guò)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(jìn)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(chēng)為真值表。

　　下面我們對3種基本邏輯電路進(jìn)行說(shuō)明。

　　串聯(lián)電路，AND電路

　　AND電路也被稱(chēng)為“邏輯與”，只有當兩個(gè)輸入同時(shí)為1時(shí)，才會(huì )輸出1。

　　◇邏輯表達式

　　用“?”表示?。ɡ℡=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(kāi)關(guān)和LED來(lái)表現AND電路的話(huà)，就是如下圖2所示的串聯(lián)電路。

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

　　◇開(kāi)關(guān)B（SW B）的“開(kāi)”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(kāi)關(guān)A和開(kāi)關(guān)B都為“開(kāi)”時(shí)，LED Y點(diǎn)亮

　　◇開(kāi)關(guān)A或B只有一個(gè)為“開(kāi)”，另一個(gè)為“關(guān)”時(shí)，LED Y熄滅

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

　　基本邏輯電路也稱(chēng)作門(mén)（gate）電路，可以通過(guò)單個(gè)輸入來(lái)固定輸出（關(guān)閉門(mén)），或反映輸出（打開(kāi)門(mén)）。

　　AND電路的門(mén)電路的工作情況可以用圖2的電路圖進(jìn)行說(shuō)明。

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

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

　　并聯(lián)電路、OR電路

　　OR電路也被稱(chēng)為“邏輯或”，只要有任何一個(gè)輸入為1，或者都為1的情況下，都會(huì )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(kāi)關(guān)和LED來(lái)表現OR電路的工作方式的話(huà)，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(kāi)關(guān)A（SW A）或開(kāi)關(guān)B（SW B）中任意一個(gè)為“開(kāi)”，或兩者均為“開(kāi)”時(shí)，LED Y就點(diǎn)亮。

　　OR電路的門(mén)功能與AND電路的工作方式正好相反。

　　◇A和B的開(kāi)關(guān)之一固定為“開(kāi)”時(shí)，LED保持點(diǎn)亮，也就是說(shuō)輸出固定為“開(kāi)”（關(guān)閉門(mén)）

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

　　圖3：OR電路的運作方式

　　反向輸出的NOT電路

　　NOT電路也被稱(chēng)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(shí)輸出0，輸入0時(shí)輸出1的電路。

　　◇邏輯表達式

　　用“¯”表示 （例）Y=

　　◇電路符號

　　◇真值表