數字電路之如雷貫耳的“邏輯電路”

　　本文我們將從“數字意味著什么？”開始，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行變化的。這種連續值就稱作“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“數字”。

　　比方說模擬和數字就相當于實數與整數的關系。實數可以表示直線上的每一個點，就象是模擬，而整數只能表示直線上的特定點，就象是數字。

　　于是，我們把處理連續信息的——模擬信號的電路稱作“模擬電路”，把處理離散信息——數字信號的電路稱作“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轉換器按時間有規律地讀取（采樣）輸入信號，并將其轉換成用“0”和“1”表現的數值（2進制）。

　　為了將連續值（模擬信號）轉換為離散值（數字信號），要對模擬信號進行“舍去”和“進位”處理。這種處理造成信息缺失，而產生了誤差。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，計算機處理起來比較容易。

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

　　強大的“2進制”

　　數字信號表現數值的方法之一是“2進制”。2進制是以“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增加位數來表現了。

　　表1：10進制的2進制換算

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

　　在一般的CMOS IC中，當電源電壓為5V時，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，不會發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？沒錯，是因為用了2進制來表現數值。

　　什么是數字電路

　　數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。

　　串聯電路，AND電路

　　AND電路也被稱為“邏輯與”，只有當兩個輸入同時為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。如果用開關和LED來表現AND電路的話，就是如下圖2所示的串聯電路。

　　◇開關A（SW A）的“開”和“關”表示輸入A的“1”和“0”

　　◇開關B（SW B）的“開”和“關”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A和開關B都為“開”時，LED Y點亮

　　◇開關A或B只有一個為“開”，另一個為“關”時，LED Y熄滅

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

　　◇相反，A或B的開關之一固定為“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

　　如果用開關和LED來表現OR電路的工作方式的話，就是如下圖3所示的并聯電路。

　　◇由于是并聯電路，因此開關A（SW A）或開關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的開關之一固定為“開”時，LED保持點亮，也就是說輸出固定為“開”（關閉門）

　　◇相反，A和B的開關之一固定為“關”，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