數字電路及其應用(一)

編者的話
　　
　　當今時代，數字電路已廣泛地應用于各個領域。本報將在“電路與制作”欄里，刊登系列文章介紹數字電路的基本知識和應用實例。
　　
　　在介紹基本知識時，我們將以集成數字電路為主，該電路又分TTL和CMOS兩種類型，這里又以CMOS集成數字電路為主，因它功耗低、工作電壓范圍寬、扇出能力強和售價低等，很適合電子愛好者選用。
　　
　　介紹應用時，以實用為主，特別介紹一些家電產品和娛樂產品中的數字電路。這樣可使剛入門的電子愛好者盡快學會和使用數字電路。
　　
一、基本邏輯電路
　　
1.數字電路的特點　

　　在電子設備中，通常把電路分為模擬電路和數字電路兩類，前者涉及模擬信號，即連續變化的物理量，例如在24小時內某室內溫度的變化量；后者涉及數字信號，即斷續變化的物理量，如圖1所示。當把圖1的開關K快速通、斷時，在電阻R上就產生一連串的脈沖(電壓)，這就是數字信號。人們把用來傳輸、控制或變換數字信號的電子電路稱為數字電路。
　　
　　數字電路工作時通常只有兩種狀態：高電位(又稱高電平)或低電位(又稱低電平)。通常把高電位用代碼“1”表示，稱為邏輯“1”；低電位用代碼“0”表示，稱為邏輯“0”(按正邏輯定義的)。注意：有關產品手冊中常用“H”代表“1”、“L”代表“0”。實際的數字電路中，到底要求多高或多低的電位才能表示“1”或“0”，這要由具體的數字電路來定。例如一些TTL數字電路的輸出電壓等于或小于0.2V，均可認為是邏輯“0”，等于或者大于3V，均可認為是邏輯“1”(即電路技術指標)。CMOS數字電路的邏輯“0”或“1”的電位值是與工作電壓有關的。
　　
　　討論數字電路問題時，也常用代碼“0”和“1”表示某些器件工作時的兩種狀態，例如開關斷開代表“0”狀態、接通代表“1”狀態。
　　
2.三種基本邏輯電路　

　　數字電路中的基本電路是與門、或門和非門(反相器)。與門和或門電路的基本形式有兩個或兩個以上的輸入端、一個輸出端。因輸入和輸出可以各自為“0”或“1”狀態，具有判定的功能，所以把它們稱為基本邏輯電路。三種基本邏輯電路的符號(圖形)和主要表達式如附表所示。該表對初學者可能難于理解，一旦了解之后就會覺得比通常的模擬電路還簡單些。
　　
　　(1)與門電路。以下討論的與門是2輸入端的，它對多端輸入的與門同樣適用。2輸入端與門的功能設計成這樣：當輸入端A、B同時都為邏輯“1”狀態時，輸出Z才是邏輯“1”狀態。2輸入端與門的這種邏輯關系可以用圖2模式的電路描述。對圖2，這里作如下規定：開關K1、K2斷開時，代表輸入A、B的“0”狀態、接通時代表輸入A、B的“1”狀態；燈L滅代表輸出的Z的“0”狀態，燈L亮代表輸出Z的“1”狀態。之后將開關K1、K2“接通”和“斷開”的各種組合狀態，以及由此引起燈“亮”和“滅”的輸出狀態列成表格，該表格叫做真值表，，如附表中所示。從真值表中看出，要使燈L點亮，即輸出Z必須是“1”狀態，輸入的A、B也必須是“1”狀態。
　　
　　具有圖2模式電路功能(指輸入、輸出關系)的電路稱為2輸入端與門，并用附表中的邏輯符號來代表。
　　
　　(2)或門和非門。或門的邏輯關系如下：各輸入端只要有一個狀態為“1”時，輸出便是“1”。非門只有一個輸入端和一個輸出端，并且其輸出狀態總是和輸入狀態相反的，即求“反”。這里同樣可以用圖3和圖4模式的電路分別描述或門和非門的功能，也可以作相應的真值表，繪出邏輯符號，如附表中所示。
　　
　　3.邏輯函數的表示方法　在邏輯電路的設計時，常用四種方法表示邏輯電路的函數關系(指輸入、輸出關系)，即邏輯圖、真值表、函數表達式和卡諾圖。附表中僅列出了三種表達式，實際應用中邏輯圖和真值表是最常用的，應必須掌握的；函數表達式和卡諾圖主要供設計人員按要求設計數字邏輯電路時使用。