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(jì)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(jìn)行變化的。這種連續(xù)值就稱作“模擬”。

而在計(jì)算機(jī)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(shí)數(shù)與整數(shù)的關(guān)系。實(shí)數(shù)可以表示直線上的每一個(gè)點(diǎn)，就象是模擬，而整數(shù)只能表示直線上的特定點(diǎn)，就象是數(shù)字。

于是，我們把處理連續(xù)信息的——模擬信號(hào)的電路稱作“模擬電路”，把處理離散信息——數(shù)字信號(hào)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(jì)算機(jī)那樣的數(shù)字電路，需要將信息數(shù)字化(模擬信號(hào)→數(shù)字信號(hào))。

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

為了將連續(xù)值(模擬信號(hào))轉(zhuǎn)換為離散值(數(shù)字信號(hào))，要對(duì)模擬信號(hào)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(zhuǎn)換間隔和增加轉(zhuǎn)換時(shí)的位數(shù)。

那么，“把模擬信號(hào)數(shù)字化”的好處在哪里呢?它的好處就在于，數(shù)字信號(hào)有較強(qiáng)的抗噪音能力，不容易被破壞，計(jì)算機(jī)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(hào)傳輸和再現(xiàn)的過程中都不會(huì)造成信號(hào)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(qiáng)大的“2進(jìn)制”

數(shù)字信號(hào)表現(xiàn)數(shù)值的方法之一是“2進(jìn)制”。2進(jìn)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(jìn)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(jìn)制的2進(jìn)制換算

最初在數(shù)字信號(hào)中使用2進(jìn)制的原因是因?yàn)殡娐返?ldquo;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(shí)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(shí)，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(huì)發(fā)生誤操作的牢固電路結(jié)構(gòu)。

數(shù)字電路抗噪音強(qiáng)的理由，大家明白了嗎?沒錯(cuò)，是因?yàn)橛昧?進(jìn)制來表現(xiàn)數(shù)值。

什么是數(shù)字電路

數(shù)字電路進(jìn)行邏輯運(yùn)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(dá)式和電路符號(hào)(這里使用MIL符號(hào)。其他還有JIS符號(hào)。)進(jìn)行表示。另外，我們把邏輯電路的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的一覽表稱為真值表。

下面我們對(duì)3種基本邏輯電路進(jìn)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(gè)輸入同時(shí)為1時(shí)，才會(huì)輸出1。

◇邏輯表達(dá)式

用“?”表示　(例)Y=A?B

◇電路符號(hào)

◇真值表

讓我們仔細(xì)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(yùn)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(shí)，LED Y點(diǎn)亮

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

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

基本邏輯電路也稱作門(gate)電路，可以通過單個(gè)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(jìn)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(gè)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(gè)輸入為1，或者都為1的情況下，都會(huì)輸出1。

◇邏輯表達(dá)式

用“+”表示 (例)Y=A+B

◇電路符號(hào)

◇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(gè)為“開”，或兩者均為“開”時(shí)，LED Y就點(diǎn)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(shí)，LED保持點(diǎn)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(gè)輸入能夠直接反映輸出(打開門)

圖3：OR電路的運(yùn)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(shí)輸出0，輸入0時(shí)輸出1的電路。

◇邏輯表達(dá)式

用“¯”表示 (例)Y=

◇電路符號(hào)

◇真值表