什么是数字电路?数字电路的基本设计方法

本文我们将从“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什么叫数字电路。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

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）什么叫数字电路。

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。

“重要的是，这款数字无线话筒在传输阶段不会对信号作任何压缩或扩展处理，这样在模拟射频系统中无法避免的信号问题现在就完全不存在了。锁存器广泛用于计算机与数字系统的输入缓冲电路,其作用是将输入信号暂时寄存,等待处理,这一方面因为计算机或数字系统的操作都是有序进行的,通常不可能信号一到即刻处理,另一方面,也可防止输入信号的各个位到达时间不一致造成竞争与险象.。锁存器广泛用于计算机与数字系统的输入缓冲电路，其作用是将输入信号暂时寄存，等待处理，这一方面因为计算机或数字系统的操作都是有序进行的，通常不可能信号一到即刻处理，另一方面，也可防止输入信号的各个位到达时间不一致造成竞争与险象。

强大的“2进制”

这里要注意一个符号扩展的问题：比如，假如我们想打印短整数（short）-1的内存16进制表示形式，在win32平台上，一个short型占2个字节，所以我们自然希望用4个16进制数字来打印它：。如果最大整数数字位数大于其最小整数数字位数并且大于1，则强制要求指数为最大整数数字位数的倍数，并将最小整数数字位数解释为1。如果最大整数数字位数大于其最小整数数字位数并且大于 1，则强制要求指数为最大整数数字位数的倍数，并将最小整数数字位数解释为 1。

表1：10进制的2进制换算

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。

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

◇真值表

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

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

◇真值表

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）

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=

◇电路符号

◇真值表

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