如何看懂?dāng)?shù)字邏輯電路

數(shù)字電子電路中的后起之秀是數(shù)字邏輯電路。把它叫做數(shù)字電路是因?yàn)殡娐分袀鬟f的雖然也是脈沖，但這些脈沖是用來表示二進(jìn)制數(shù)碼的，例如用高電平表示“ 1 ”，低電平表示“ 0 ”。聲音圖像文字等信息經(jīng)過數(shù)字化處理后變成了一串串電脈沖，它們被稱為數(shù)字信號(hào)。能處理數(shù)字信號(hào)的電路就稱為數(shù)字電路。

　　這種電路同時(shí)又被叫做邏輯電路，那是因?yàn)殡娐分械摹?1 ”和“ 0 ”還具有邏輯意義，例如邏輯“ 1 ”和邏輯“ 0 ”可以分別表示電路的接通和斷開、事件的是和否、邏輯推理的真和假等等。電路的輸出和輸入之間是一種邏輯關(guān)系。這種電路除了能進(jìn)行二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算外還能完成邏輯運(yùn)算和具有邏輯推理能力，所以才把它叫做邏輯電路。

　　由于數(shù)字邏輯電路有易于集成、傳輸質(zhì)量高、有運(yùn)算和邏輯推理能力等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、通信、測(cè)量等領(lǐng)域。一般家電產(chǎn)品中，如定時(shí)器、告警器、控制器、電子鐘表、電子玩具等都要用數(shù)字邏輯電路。

　　數(shù)字邏輯電路的第一個(gè)特點(diǎn)是為了突出“邏輯”兩個(gè)字，使用的是獨(dú)特的圖形符號(hào)。數(shù)字邏輯電路中有門電路和觸發(fā)器兩種基本單元電路，它們都是以晶體管和電阻等元件組成的，但在邏輯電路中我們只用幾個(gè)簡(jiǎn)化了的圖形符號(hào)去表示它們，而不畫出它們的具體電路，也不管它們使用多高電壓，是 TTL 電路還是 CMOS 電路等等。按邏輯功能要求把這些圖形符號(hào)組合起來畫成的圖就是邏輯電路圖，它完全不同于一般的放大振蕩或脈沖電路圖。

　　數(shù)字電路中有關(guān)信息是包含在 0 和 1 的數(shù)字組合內(nèi)的，所以只要電路能明顯地區(qū)分開 0 和 1 ， 0 和 1 的組合關(guān)系沒有破壞就行，脈沖波形的好壞我們是不大理會(huì)的。所以數(shù)字邏輯電路的第二個(gè)特點(diǎn)是我們主要關(guān)心它能完成什么樣的邏輯功能，較少考慮它的電氣參數(shù)性能等問題。也因?yàn)檫@個(gè)原因，數(shù)字邏輯電路中使用了一些特殊的表達(dá)方法如真值表、特征方程等，還使用一些特殊的分析工具如邏輯代數(shù)、卡諾圖等等，這些也都與放大振蕩電路不同。

門電路和觸發(fā)器

?。?1 ）門電路

　　門電路可以看成是數(shù)字邏輯電路中最簡(jiǎn)單的元件。目前有大量集成化產(chǎn)品可供選用。

　　最基本的門電路有 3 種：非門、與門和或門。非門就是反相器，它把輸入的 0 信號(hào)變成 1 ， 1 變成 0 。這種邏輯功能叫“非”，如果輸入是 A ，輸出寫成 P=A 。與門有 2 個(gè)以上輸入，它的功能是當(dāng)輸入都是 1 時(shí)，輸出才是 1 。這種功能也叫邏輯乘，如果輸入是 A 、 B ，輸出寫成 P=A?B ?；蜷T也有 2 個(gè)以上輸入，它的功能是輸入有一個(gè) 1 時(shí)，輸出就是 1 。這種功能也叫邏輯加，輸出就寫成 P=A ＋ B 。

　　把這三種基本門電路組合起來可以得到各種復(fù)合門電路，如與門加非門成與非門，或門加非門成或非門。圖 1 是它們的圖形符號(hào)和真值表。此外還有與或非門、異或門等等。

　　數(shù)字集成電路有 TTL 、 HTL 、 CMOS 等多種，所用的電源電壓和極性也不同，但只要它們有相同的邏輯功能，就用相同的邏輯符號(hào)。而且一般都規(guī)定高電平為 1 、低電平為 0 。

?。?2 ）觸發(fā)器

　　觸發(fā)器實(shí)際上就是脈沖電路中的雙穩(wěn)電路，它的電路和功能都比門電路復(fù)雜，它也可看成是數(shù)字邏輯電路中的元件。目前也已有集成化產(chǎn)品可供選用。常用的觸發(fā)器有 D 觸發(fā)器和 J―K 觸發(fā)器。

　　D 觸發(fā)器有一個(gè)輸入端 D 和一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)輸入端 CP ，為了區(qū)別在 CP 端加有箭頭。它有兩個(gè)輸出端，一個(gè)是 Q 一個(gè)是 Q ，加有小圈的輸出端是 Q 端。另外它還有兩個(gè)預(yù)置端 R D 和 S D ，平時(shí)正常工作時(shí)要 R D 和 S D 端都加高電平 1 ，如果使 R D =0 （ S D 仍為 1 ），則觸發(fā)器被置成 Q=0 ；如果使 S D =0 （ R D =1 ），則被置成 Q=1 。因此 R D 端稱為置 0 端， S D 端稱為置 1 端。 D 觸發(fā)器的邏輯符號(hào)見圖 2 ，圖中 Q 、 D 、 SD 端畫在同一側(cè)； Q 、R D 畫在另一側(cè)。 R D 和 S D 都帶小圓圈，表示要加上低電平才有效。

　　D 觸發(fā)器是受 CP 和 D 端雙重控制的， CP 加高電平 1 時(shí)，它的輸出和 D 的狀態(tài)相同。如 D=0 ， CP 來到后， Q=0 ；如 D=1 ， CP 來到后， Q=1 。 CP 脈沖起控制開門作用，如果 CP=0 ，則不管 D 是什么狀態(tài)，觸發(fā)器都維持原來狀態(tài)不變。這樣的邏輯功能畫成表格就稱為功能表或特性表，見圖 2 。表中 Q n+1 表示加上觸發(fā)信號(hào)后變成的狀態(tài)， Qn 是原來的狀態(tài)?！?X ”表示是 0 或 1 的任意狀態(tài)。

　　有的 D 觸發(fā)器有幾個(gè) D 輸入端： D 1 、 D 2 … 它們之間是邏輯與的關(guān)系，也就是只有當(dāng) D 1 、 D 2 … 都是 1 時(shí)，輸出端 Q 才是 1 。

　　另一種性能更完善的觸發(fā)器叫 J － K 觸發(fā)器。它有兩個(gè)輸入端： J 端和 K 端，一個(gè) CP 端，兩個(gè)預(yù)置端： R D 端和 S D 端，以及兩個(gè)輸出端： Q 和 Q 端。它的邏輯符號(hào)見圖 3 。 J － K 觸發(fā)器是在 CP 脈沖的下陣沿觸發(fā)翻轉(zhuǎn)的，所以在 CP 端畫一個(gè)小圓圈以示區(qū)別。圖中， J 、 S D 、 Q 畫在同一側(cè)， K 、 R D 、 Q 畫在另一側(cè)。

　　J － K 觸發(fā)器的邏輯功能見圖 3 。有 CP 脈沖時(shí)（即 CP=1 ）： J 、 K 都為 0 ，觸發(fā)器狀態(tài)不變； Q n ＋ 1 =Qn ， J ＝ 0 、 K=1 ，觸發(fā)器被置 0 ： Q n ＋ 1 =0 ； J=1 、 K=0 ， Q n+1 =1 ； J=1 、 K=1 ，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)一下： Q n ＋ 1 =Qn 。如果不加時(shí)鐘脈沖，即 CP=0 時(shí)，不管 J 、 K 端是什么狀態(tài)，觸發(fā)器都維持原來狀態(tài)不變： Q n ＋ 1 =Qn 。有的 J―K 觸發(fā)器同時(shí)有好幾個(gè) J 端和 K 端， J 1 、 J 2 … 和 K 1 、 K 2 … 之間都是邏輯與的關(guān)系。有的 J － K 觸發(fā)器是在 CP 的上升沿觸發(fā)翻轉(zhuǎn)的，這時(shí)它的邏輯符號(hào)圖的 CP 端就不帶小圓圈。也有的時(shí)候?yàn)榱耸箞D更簡(jiǎn)潔，常常把 R D 和 S D 端省略不畫。

　　能夠把數(shù)字、字母變換成二進(jìn)制數(shù)碼的電路稱為編碼器。反過來能把二進(jìn)制數(shù)碼還原成數(shù)字、字母的電路就稱為譯碼器。

?。?1 ）編碼器

　　圖 4 （ a ）是一個(gè)能把十進(jìn)制數(shù)變成二進(jìn)制碼的編碼器。一個(gè)十進(jìn)制數(shù)被表示成二進(jìn)制碼必須 4 位，常用的碼是使從低到高的每一位二進(jìn)制碼相當(dāng)于

十進(jìn)制數(shù)的 1 、 2 、 4 、 8 ，這種碼稱為 8 － 4 － 2 － 1 碼或簡(jiǎn)稱 BCD 碼。所以這種編碼器就稱為“ 10 線 -4 線編碼器”或“ DEC ／ BCD 編碼器”。

　　從圖看到，它是由與非門組成的。有 10 個(gè)輸入端，用按鍵控制，平時(shí)按鍵懸空相當(dāng)于接高電平 1 。它有 4 個(gè)輸出端 ABCD ，輸出 8421 碼。如果按下“ 1 ”鍵，與“ 1 ”鍵對(duì)應(yīng)的線被接地，等于輸入低電平 0 、于是門 D 輸出為 1 ，整個(gè)輸出成 0001 。

　　如按下“ 7 ”鍵，則 B 門、 C 門、 D 門輸出為 1 ，整個(gè)輸出成 0111 。如果把這些電路都做在一個(gè)集成片內(nèi)，便得到集成化的 10 線 4 線編碼器，它的邏輯符號(hào)見圖 4 （ b ）。左側(cè)有 10 個(gè)輸入端，帶小圓圈表示要用低電平，右側(cè)有 4 個(gè)輸出端，從上到下按從低到高排列。使用時(shí)可以直接選用。