数字电路

如雷贯耳的“逻辑电路”: 1 of 3

从本期开始,我们将连载3期讲解数字电路入门的内容。 本期是第一期,我们将从“数字意味着什么?”开始,讲解数字电路的基本设计方法。

什么是"模拟"和"数字"

在自然界中,象声音、温度、光等信息是以连续的值进行变化的。这种连续值就称作"模拟"。
而在计算机的世界里,信息是以一段一段的离散值表示的。这种离散值就称作"数字"。
比方说模拟和数字就相当于实数与整数的关系。实数可以表示直线上的每一个点,就象是模拟,而整数只能表示直线上的特定点,就象是数字。

于是,我们把处理连续信息的——模拟信号的电路称作"模拟电路",把处理离散信息——数字信号的电路称作"数字电路"。

图1:模拟与数字的不同

图1:模拟与数字的不同

为了将自然界的模拟信息输入到象计算机那样的数字电路,需要将信息数字化(模拟信号→数字信号)。
进行"模拟信号→数字信号"转换的是A/D转换器。A/D转换器按时间有规律地读取(采样)输入信号,并将其转换成用"0"和"1"表现的数值(2进制)。

为了将连续值(模拟信号)转换为离散值(数字信号),要对模拟信号进行"舍去"和"进位"处理。这种处理造成信息缺失,而产生了误差。而为了减少误差,就需要缩短转换间隔和增加转换时的位数。

那么,"把模拟信号数字化"的好处在哪里呢?它的好处就在于,数字信号有较强的抗噪音能力,不容易被破坏,计算机处理起来比较容易。
现在,随着微处理器性能的不断提高,已经可以高速、大量地处理数字信息。由于在信号传输和再现的过程中都不会造成信号质量下降,从而使数字电路得到了十分广泛的应用。

强大的"2进 制"

数字信号表现数值的方法之一是"2进制"。2进制是以"0"和"1"表现数值的,各位数都是2的阶乘。比如,4位2进制可以表现的整数是从0到15的值( 表1)。更大的数值就要通过增加位数来表现了。

最初在数字信号中使用2进制的原因是因为电路的"开"和"关"可以很方便地用"1"和"0"来表示。并且,开("1")和关("0")在实际的 IC中分别用"H"和"L" 表现高电压状态和低电压状态。

在一般的CMOS IC中,当电源电压为5V时,L表现为1.35V以下,H表现为3.15以上。像这样用"0" 和"1"表示一定的电压范围,就可以形成在一定范围噪音下,不会发生误操作的牢固电路结构。

数字电路抗噪音强的理由,大家明白了吗?没错,是因为用了2进制来表现数值。

10进制 2进制
0 0000
1 0001
2 0010
3 0011
4 0100
5 0101
6 0110
7 0111
8 1000
9 1001
10 1010
11 1011
12 1100
13 1101
14 1110
15 1111

表1: 10进制的2进制换算

什么是数字电路

数字电路进行逻辑运算,也被称为逻辑电路。
逻辑电路的基本要素只有AND电路、OR电路和NOT电路这3种,通过这`3种电路的不同组合可以做出具有各种功能的电路。
逻辑电路使用逻辑表达式和电路符号(这里使用MIL符号。其他还有JIS符号。)进行表示。另外,我们把逻辑电路的输入信号和输出信号的一览表称为真值表。

下面我们对3种基本逻辑电路进行说明。

串联电路,AND电路

AND电路也被称为“ 逻辑与”,只有当两个输入同时为1时,才会输出1。

◇逻辑表达式

用“・”表示 (例)Y=A・B

 

◇电路符号

回路記号

◇真值表

A B Y
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1

让我们仔细看一看AND电路的工作方式。如果用开关和LED来表现 AND电路的话,就是如下图2所示的串联电路。

  • 开关A(SW A)的“开”和“关”表示输入A的“1”和“0”
  • 开关B(SW B)的“开”和“关”表示输入B的“1”和“ 0”
  • LED Y的亮起和熄灭以输出Y的“1”和“0”表示

图2:AND电路的运作方式

图2:AND电路的运作方式

该AND电路的工作方式如下。

  • 开关A和开关B都为“开”时,LED Y点亮
  • 开关A或B只有一个为“开”,另一个为“关”时,LED Y熄灭
  • 开关A和开关B都为“关”时,LED Y熄灭

基本逻辑电路也称作门(gate)电路,可以通过单个输入来固定输出(关闭门),或反映输出(打开门)。
AND电路的门电路的工作情况可以用图2的电路图进行说明。

  • A或B的开关之一固定为“关”,LED保持熄灭,也就是说输出固定为“关”(关闭门)
  • 相反,A或B的开关之一固定为“开”,未固定的另一个输入能够直接反映输出(打开门)

并联电路、OR电路

OR电路也被称为“逻辑或”,只要有任何一个输入为1,或者都为1的情况下,都会输出1。

◇逻辑表达式

用“+”表示 (例)Y=A+B

 

◇电路符号

The OR Circuit, A Parallel Circuit

◇真值表

A B Y
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1

如果用开关和LED来表现OR电路的工作方式的话,就是如下图3所 示的并联电路。

  • 由于是并联电路,因此开关A(SW A)或开关B(SW B)中任意一个为“开”,或两者均为“开”时,LED Y就点亮。

OR电路的门功能与 AND电路的工作方式正好相反。

  • A和B的开关之一固定为“开”时,LED保持点亮,也就是说输出固定为“开”(关闭门)
  • 相反,A和B的开关之一固定为 “关”,未固定的另一个输入能够直接反映输出(打开门)

Figure 3: An OR Circuit

图3:OR电路的运作方式

反向输出的NOT电路

NOT电路也被称作变频或反向电路,具有将输入反向输出的功能。是输入为1时输出0,输入0时输出1的电路。

◇逻辑表达式

用“¯”表示 (例)Y=A

◇电路符号

电路符号

◇真值表

A Y
0 1
1 0

下期我们将学习数字IC。敬请期待。

如雷贯耳的“逻辑电路”

  1. 数字电路
  2. 数字集成电路IC
  3. 时序电路