什么是數(shù)字電路

　　用數(shù)字信號完成對數(shù)字量進行算術(shù)運算和邏輯運算的電路稱為數(shù)字電路，或數(shù)字系統(tǒng)。由于它具有邏輯運算和邏輯處理功能，所以又稱數(shù)字邏輯電路。現(xiàn)代的數(shù)字電路由半導體工藝制成的若干數(shù)字集成器件構(gòu)造而成。邏輯門是數(shù)字邏輯電路的基本單元。存儲器是用來存儲二進制數(shù)據(jù)的數(shù)字電路。從整體上看，數(shù)字電路可以分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類。

　　學習數(shù)字電路的重要性

　　隨著社會的進步和科學技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)和數(shù)字設(shè)備已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷完善使得數(shù)字電路在現(xiàn)代電子系統(tǒng)的比重越來越大，數(shù)字電路建立了根本是信號的數(shù)字處理，這門學科現(xiàn)在發(fā)展的很快，隨之，數(shù)字電路的設(shè)計理念也日新月異，可以說現(xiàn)在設(shè)備之間的競爭很大程度上就是其數(shù)字處理能力的抗衡，是數(shù)電工程師在推動系統(tǒng)的變遷，他們是系統(tǒng)的核心競爭力量。

　　現(xiàn)在的超大規(guī)模集成芯片已經(jīng)向系統(tǒng)級芯片的方向發(fā)展，F(xiàn)PGA（Field Programmable Gate Array即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、PLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點） 已經(jīng)可以達到ASIC（ApplicaTIon Specific Intergrated Circuits即專用集成電路，是指應(yīng)特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計、制造的集成電路） 的水平（如XILINX的V2 pro），所以工程師們有了更大發(fā)揮空間。說句半玩笑的話，一旦實現(xiàn)軟件無線電，模電的工程師就可以下崗了。因而電子信息技術(shù)、計算機技術(shù)以及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的工程師和技術(shù)人員必須掌握數(shù)字系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識。挑戰(zhàn)和機遇并存，作為當代大學生和有志青年，儲備知識、培養(yǎng)能力是當務(wù)之急，因此學好數(shù)字電子技術(shù)是非常必要的。

　　數(shù)字電路的特點

　　1、同時具有算術(shù)運算和邏輯運算功能

　　數(shù)字電路是以二進制邏輯代數(shù)為數(shù)學基礎(chǔ)，使用二進制數(shù)字信號，既能進行算術(shù)運算又能方便地進行邏輯運算（與、或、非、判斷、比較、處理等），因此極其適合于運算、比較、存儲、傳輸、控制、決策等應(yīng)用。

　　2、實現(xiàn)簡單，系統(tǒng)可靠

　　以二進制作為基礎(chǔ)的數(shù)字邏輯電路，可靠性較強。電源電壓的小的波動對其沒有影響，溫度和工藝偏差對其工作的可靠性影響也比模擬電路小得多。

　　3、集成度高，功能實現(xiàn)容易

　　集成度高，體積小，功耗低是數(shù)字電路突出的優(yōu)點之一。電路的設(shè)計、維修、維護靈活方便，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字邏輯電路的集成度越來越高，集成電路塊的功能隨著小規(guī)模集成電路（SSI）、中規(guī)模集成電路（MSI）、大規(guī)模集成電路（LSI）、超大規(guī)模集成電路（VLSI）的發(fā)展也從元件級、器件級、部件級、板卡級上升到系統(tǒng)級。電路的設(shè)計組成只需采用一些標準的集成電路塊單元連接而成。對于非標準的特殊電路還可以使用可編程序邏輯陣列電路，通過編程的方法實現(xiàn)任意的邏輯功能。

　　數(shù)字電路的優(yōu)點

　　1、穩(wěn)定性好

　　數(shù)字電路不像模擬電路那樣易受噪聲的干擾。

　　2、可靠性高

　　數(shù)字電路中只需分辨出信號的有與無，故電路的組件參數(shù)，可以允許有較大的變化（漂移）范圍。

　　3、可長期存儲

　　數(shù)字信息可以利用某種媒介，如磁帶、磁盤、光盤等進行長時期的存儲。

　　4、便于計算機處理

　　數(shù)字信號的輸出除了具有直觀、準確的優(yōu)點外，最主要的還是便于利用電子計算機來進行信息的處理。

　　5、便于高度集成化

　　由于數(shù)字電路中基本單元電路的結(jié)構(gòu)比較簡單，而且又允許組件有較大的分散性，這就使我們不僅可把眾多的基本單元做在同一塊硅片上，同時又能達到大批量生產(chǎn)所需要的良率。

　　數(shù)字電路的學習方法

　　數(shù)字電路所需的先修課程是電路分析基礎(chǔ)和模擬電路，后續(xù)課程是微機原理、微型計算機、接口技術(shù)等。

　　數(shù)字電路在研究的對象和方法上都跟模擬電路有很大的不同，表1把它們作了一個簡單的對比。

　　顯然，模擬電路和數(shù)字電路的差異是很大的，初學者應(yīng)當在學習方法上作一些改變，以適應(yīng)數(shù)字電路的特點，才能取得良好的效果。

　　1、在數(shù)字電路中，所有的變量都歸結(jié)為0和1兩個對立的狀態(tài)。通常，我們只需關(guān)心信號的有或無，電平的高或低，開關(guān)的通或斷，等等，而不必理會某個變量的詳細數(shù)值。比如電平幅值的微小變化就可能毫無意義。

　　2、數(shù)字電路的研究方法以邏輯代數(shù)（又稱布爾代數(shù)）作為數(shù)學基礎(chǔ)。它主要研究輸入，輸出變量之間的邏輯關(guān)系，并建立了一套邏輯函數(shù)運算及化簡的方法。布爾代數(shù)又稱雙值代數(shù)，由于其變量取值只有0和1兩種可能，比之模擬電路，數(shù)字電路中沒有復(fù)雜的計算問題。

　　3、由于數(shù)字集成電路技術(shù)的高度發(fā)展，數(shù)字電路更鮮明地體現(xiàn)了管路合一的特點。初學者應(yīng)充分注意這一特點。一般來說，學習電路結(jié)構(gòu)不是我們的目的，目的是掌握電路功能。

　　數(shù)字電路學習要點

　　1、數(shù)字電路基礎(chǔ)

　　要知道：數(shù)字信號中的1和0所表示的廣泛含義，十進制數(shù)二進制數(shù)十六進制數(shù)的表示方法和相互之間的轉(zhuǎn)換方法；8421bcd碼的表示方法及其與十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換方法，邏輯函數(shù)邏輯變量邏輯狀態(tài)的含義，與或非所表示的邏輯事件邏輯函數(shù)真值表的含義及表示規(guī)律和方法。

　　會寫出：邏輯與、或、非、與非、或非、與或非、異或、同或等的邏輯表達式，真值表、邏輯符號及其規(guī)律；邏輯函數(shù)式、真值表及其邏輯圖三者之間的轉(zhuǎn)化，負邏輯符號的邏輯式。 會使用：邏輯代數(shù)化簡邏輯函數(shù)式；最小項及其編號表示邏輯函數(shù)式，卡諾圖化簡邏輯函數(shù)式。

　　2、集成邏輯門電路

　　要知道：邏輯電路高電平低電平與正負邏輯狀態(tài)的關(guān)系。cmos反相器閾值電壓uth的含義與所表示的性能。邏輯符號控制端符號上非號、小圓圈含義及其門電路上小圓圈符號含義的區(qū)別。三態(tài)門使能控制的作用及輸出高阻的含義。

　　會畫出：od門oc門傳輸門三態(tài)門的邏輯符號。與門、或門、非門、與非門、或非門輸入波形所對應(yīng)的輸出波形。

　　會使用：oc門od門傳輸門三態(tài)門的功能。 會處理：cmos集成邏輯電路的存放和焊接的措施，各種門電路空余的輸入端，各種門電路系列間的接口。

　　3、組合邏輯電路

　　要知道：組合邏輯電路的特點，組合邏輯電路的分析步驟和設(shè)計步驟，編碼器譯碼器數(shù)據(jù)分配器和數(shù)據(jù)選擇器的含義。

　　會分析：用邏輯函數(shù)化簡表達式、真值表描述的組合邏輯電路的邏輯功能。

　　會設(shè)計：根據(jù)邏輯事件設(shè)定輸入和輸出變量及其邏輯狀態(tài)的含義，根據(jù)因果關(guān)系列出真值表，寫出邏輯函數(shù)式并進行化簡后的邏輯圖。

　　會使用：用功能表表示的各種中規(guī)模集成器件的編碼器、優(yōu)先編碼器、譯碼器、數(shù)碼顯示七段譯碼管、數(shù)據(jù)選擇器的引腳功能。

　　4、集成觸發(fā)器

　　要知道：觸發(fā)器的工作特點、基本rs觸發(fā)器功能、同步觸發(fā)器特點、脈沖邊沿觸發(fā)器工作的特點，t和t’觸發(fā)器的功能。

　　會畫出：與非門、或非門組成基本rs觸發(fā)器的電路及邏輯符號圖，上升邊沿觸發(fā)的d觸發(fā)器、下邊沿觸發(fā)的jk觸發(fā)器和邏輯符號圖及其輸出波形圖，用jk和d觸發(fā)器構(gòu)成t’觸發(fā)器的連線圖。

　　會寫出：rs觸發(fā)器，d觸發(fā)器，jk觸發(fā)器的狀態(tài)方程式。

　　會背出：jk觸發(fā)器的輸出q的狀態(tài)在cp下降沿作用下與輸入jk狀態(tài)下的關(guān)系。

　　會使用：集成觸發(fā)器的直接置位，復(fù)位端sd、rd的狀態(tài)在各種情況下的設(shè)置方法。

　　5、時序邏輯電路

　　要知道：時序邏輯電路的工作特點、同步時序邏輯電路的分析方法， 寄存器和移位存儲器及計數(shù)器的功能，同步和異步的含義。

　　會使用：由功能表所反映的雙向移位寄存器、各種類型各種型號中規(guī)模集成設(shè)計器引腳功能、異步和同步清零或置數(shù)。

　　會畫出：用反饋清零、反饋置數(shù)方法在異步或同步情況下的n進制計數(shù)器電路連線。

　　6、脈沖電路

　　要知道：微分積分電路功能；555定時器各引腳功能、閾值輸入端及輸出端電壓的邏輯規(guī)律；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器三種電路的基本功能。 會選用：實現(xiàn)脈寬定時，延時控制脈沖，脈寬調(diào)制、波形變換、整形、聲響電源、時鐘脈沖、標準時基脈沖信號等功能的電路結(jié)構(gòu)類型。 會識別：各類結(jié)構(gòu)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對輸入觸發(fā)脈寬的要求和有效觸發(fā)的沿口類型。

　　會畫出：施密特觸發(fā)器的波形變換或整形的輸出波形。

　　會計算：各類結(jié)構(gòu)觸發(fā)器的輸出脈寬、各類結(jié)構(gòu)多諧振蕩器的振蕩頻率。

　　7、半導體存儲器

　　要知道：只讀存儲器（rom）和隨機存儲器（ram）的邏輯功能和兩者性能的區(qū)別，存儲器地址譯碼器的功能，地址輸入線與字線w下標i數(shù)值的關(guān)系，字線位線存儲單元的區(qū)別。

　　prom的三種類型及其工作性能的區(qū)別，ram中兩類存儲單元結(jié)構(gòu)的區(qū)別。

　　會計算：半導體存儲器的存儲容量。

　　會畫出：ram存儲容量字擴展和位擴展的電路連線。

　　8、數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器

　　要知道：數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能、r~2r倒t形電阻網(wǎng)路dac輸入數(shù)字量與輸出電壓關(guān)系式；數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采樣保持量化和編碼含義、v~t型雙積分式和逐次逼近型兩種ad轉(zhuǎn)換器的基本工作原理和特點。

　　會計算：用電壓值表示不同位數(shù)的adc或dac的分辨率和允許最大誤差。

　　9、數(shù)字電路與模擬電路學習中的區(qū)別

　　數(shù)字電路所需的先修課程是電路分析基礎(chǔ)和模擬電路，后續(xù)課程是微機原理、微型計算機、接口技術(shù)等。

　　學習數(shù)字電路的注意事項

　　1、注重掌握基本概念、基本原理、基本分析和設(shè)計方法

　　數(shù)字電子技術(shù)發(fā)展很快，各種用途的電路千變?nèi)f化，但它們具有共同的特點，所包含的基本原理和基本分析和設(shè)計方法是相通的。我們要學習的不是各種電路的簡單羅列，不是死記硬背各種電路，而是要掌握它們的基本概念、基本原理、基本分析與設(shè)計方法。只有這樣才能對給出的任何一種電路進行分析，或者根據(jù)要求設(shè)計出滿足實際需要的數(shù)字電路。

　　2、抓重點，注重掌握功能部件的外特性

　　數(shù)字集成電路的種類很多，各種電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及內(nèi)部工作過程千差萬別，特別是大規(guī)模集成電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。學習這些電路時，不可能也沒有必要一一記住它們，主要是了解電路結(jié)構(gòu)特點及工作原理，重點掌握它們的外部特性（主要是輸入和輸出之間的邏輯功能）和使用方法，并能在此基礎(chǔ)上正確地利用各類電路完成滿足實際需要的邏輯設(shè)計。

　　3、注意歸納總結(jié)

　　數(shù)字集成電路的應(yīng)用廣泛，學好數(shù)字電子技術(shù)課程需要掌握一些典型電路，因為這些典型電路是構(gòu)成數(shù)字系統(tǒng)的部件。掌握它們包括了解它們的功能、結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用背景，并注意總結(jié)歸納，掌握其本質(zhì)。例如，譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器都可以實現(xiàn)邏輯函數(shù)，但兩者的區(qū)別是，一個n位二進制輸入端的譯碼器，只能用于產(chǎn)生變量數(shù)不大于n的組合邏輯函數(shù)，它可以附加門電路，實現(xiàn)多個輸出的組合邏輯電路二一個n個地址輸人端的數(shù)據(jù)選擇器，可以實現(xiàn)變量數(shù)為n+1的邏輯函數(shù)。由于數(shù)據(jù)選擇器只有一個輸出端，所以只能實現(xiàn)單個輸出的邏輯函數(shù)。

　　4、注意理論聯(lián)系實際

　　電子技術(shù)基礎(chǔ)課程學習的最終落腳點是對實際電路的分析和設(shè)計。經(jīng)過理論分析和計算得到 的設(shè)計結(jié)果還必須搭建實際電路進行測試，以檢驗是否滿足設(shè)計要求。由于電子器件的電氣特性具有分散性，理論設(shè)計出的電路在實際中也會出現(xiàn)意想不到的現(xiàn)象。例如用實驗驗證計數(shù)器74161和一些門構(gòu)成的六十進制計數(shù)譯碼顯示電路。一些同學的理論設(shè)計和線路連接均沒有問題，但實驗中出現(xiàn)了由競爭冒險產(chǎn)生的錯誤計數(shù)，此時只要在反饋門的輸出端與地之間接一個小電容。即可消除競爭冒險。

　　5、注意新技術(shù)的學習

　　電子技術(shù)的發(fā)展是以電子器件的發(fā)展為基礎(chǔ)的，新的器件層出不窮，舊的器件隨時被淘汰。因此教材中出現(xiàn)的集成電路芯片有可能已不生產(chǎn)，要用發(fā)展的觀點使用教材。