數(shù)字邏輯電路的用途和特點(diǎn).docVIP

數(shù)字邏輯電路的用途和特點(diǎn) 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)字電路是因為電路中傳遞的雖然也是脈沖，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。能處理數(shù)字信號的電路就稱為數(shù)字電路。 這種電路同時又被叫做邏輯電路，那是因為電路中的“ 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)，因此被廣泛用于計算機(jī)、自動控制、通信、測量等領(lǐng)域。一般家電產(chǎn)品中，如定時器、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特點(diǎn)是為了突出“邏輯”兩個字，使用的是獨(dú)特的圖形符號。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簡化了的圖形符號去表示它們，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的。所以數(shù)字邏輯電路的第二個特點(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。也因為這個原因，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 個以上輸入，它的功能是當(dāng)輸入都是 1 時，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=AB ?；蜷T也有 2 個以上輸入，它的功能是輸入有一個 1 時，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。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 JK 觸發(fā)器。 D 觸發(fā)器有一個輸入端 D 和一個時鐘信號輸入端 CP ，為了區(qū)別在 CP 端加有箭頭。它有兩個輸出端，一個是 Q 一個是 Q ，加有小圈的輸出端是 Q 端。另外它還有兩個預(yù)置端 R D 和 S D ，平時正常工作時要 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，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 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，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。它有兩個輸入端： J 端和 K 端，一個 CP 端，兩個預(yù)置端： R D 端和 S D 端，以及兩個輸出端： Q 和 Q 端。它的邏輯符號見圖 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（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 。如果不加時鐘脈沖，即 CP=0 時，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 JK 觸發(fā)器同時有好幾個 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，這時它的邏輯符號圖的 CP 端就不帶小圓圈。也有的時候為了使圖更簡潔，常常把 R D 和 S D 端省略不畫。 編碼器和譯碼器 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 ）是一個能把十進(jìn)制數(shù)變成二進(jìn)制碼的編碼器。一個十進(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 個輸入端，用按鍵控制，平時按鍵懸空相當(dāng)于接高電平 1 。它有 4 個輸出端 ABCD ，輸出 8421 碼。如果按下“ 1 ”鍵，與“ 1 ”鍵對應(yīng)的線被接地，等于輸入低電平 0 、于是門 D 輸出為 1 ，整個輸出成 0001 。 如按下“ 7 ”鍵，則 B 門、 C 門、 D 門輸出為 1 ，整個輸出成 0111 。如果把這些電路都做在一個集成片內(nèi)，便得到集成化的 10 線 4 線編碼器，它的邏輯符號見圖 4 （ b ）。左側(cè)有 10 個輸入端，帶小圓圈表示要用低電平，右側(cè)有 4 個輸出端，從上到下按從低到高排列。使用時可以直接選用。 （ 2 ）譯碼器 要把二進(jìn)制碼還原成十進(jìn)制數(shù)就要用譯碼器。它也是由門電路組成的，現(xiàn)在也有集成化產(chǎn)品供選用。圖 5 是一個 4 線 10 線譯碼器。它的左側(cè)為 4 個二進(jìn)制碼的輸入端，右側(cè)有 10 個輸出端，從上到下按 0 、 1 、 9 排列表示 10 個十進(jìn)制數(shù)。輸出端帶小圓圈表示低電平有效。平時 10 個輸出端都是高電平 1 ，如輸入為 1001 碼，輸出“ 9 ”端為低電平 0 ，其余 9 根線仍為高電平 1 ，這表示“ 9 ”線被譯中。 如果要想把十進(jìn)制數(shù)顯示出來，就要使用數(shù)碼管。現(xiàn)以共陽極發(fā)光二極管（ LED ）七段數(shù)碼顯示管為例，見圖 6 。它有七段發(fā)光二極管，如每段都接低電平 0 ，七段都被點(diǎn)亮，顯示出數(shù)字“ 8 ”；如 b 、 c 段接低電平 0 ，其余都接 1 ，顯示的是“ 1 ”?？梢娨咽M(jìn)制數(shù)用七段顯示管顯示出來還要經(jīng)過一次譯碼。如果使用“ 4 線 7 線譯碼器”和顯示管配合使用，就很簡單，輸入二進(jìn)制碼可直接顯示十進(jìn)制數(shù)，見圖 6 。譯碼器左側(cè)有 4 個二進(jìn)制碼的輸入端，右側(cè)有 7 個輸出可直接和數(shù)碼管相連。左上側(cè)另有一個滅燈控制端 I B ，正常工作時應(yīng)加高電平 1 ，如不需要這位數(shù)字顯示就在 I B 上加低電平 0 ，就可使這位數(shù)字熄滅。寄存器和移位寄存器 （ 1 ）寄存器 能夠把二進(jìn)制數(shù)碼存貯起來的的部件叫數(shù)碼寄存器，簡稱寄存器。圖 7 是用 4 個 D 觸發(fā)器組成的寄存器，它能存貯 4 位二進(jìn)制數(shù)。 4 個 CP 端連在一起作為控制端，只有 CP=1 時它才接收和存貯數(shù)碼。 4 個 R D 端連在一起成為整個寄存器的清零端。如果要存貯二進(jìn)制碼 1001 ，只要把它們分別加到觸發(fā)器 D 端，當(dāng) CP 來到后 4 個觸發(fā)器從高到低分別被置成 1 、 0 、 0 、 1 ，并一直保持到下一次輸入數(shù)據(jù)之前。要想取出這串?dāng)?shù)碼可以從觸發(fā)器的 Q 端取出。 （ 2 ）移位寄存器 有移位功能的寄存器叫移位寄存器，它可以是左移的、右移的，也可是雙向移位的。 圖 8 是一個能把數(shù)碼逐位左移的寄存器。它和一般寄存器不同的是：數(shù)碼是逐位串行輸入并加在最低位的 D 端，然后把低位的 Q 端連到高一位的 D 端。這時 CP 稱為移位脈沖。 先從 R D 端送低電平清零，使寄存器成 0000 狀態(tài)。假定要輸入的數(shù)碼是 1001 ，輸入的次序是先高后低逐位輸入。第 1 個 CP 后， 1 被打入第 1 個觸發(fā)器，寄存器成 0001 ；第 2 個 CP 后， Qo 的 1 被移入 Q 1 ，新的 0 打入 D 1 ，成為 0010 ；第 3 個 CP 后，成為 0100 ；第 4 個 CP 后，成為 1001 。 可見經(jīng)過 4 個 CP ，寄存器就寄存了 4 位二進(jìn)制碼 1001 。目前已有品種繁多的集成化寄存器供選用。計數(shù)器和分頻器 （ 1 ）計數(shù)器 能對脈沖進(jìn)行計數(shù)的部件叫計數(shù)器。計數(shù)器品種繁多，有作累加計數(shù)的稱為加法計數(shù)器，有作遞減計數(shù)的稱為減法計數(shù)器；按觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)來分又有同步計數(shù)器和異步計數(shù)器；按數(shù)制來分又有二進(jìn)制計數(shù)器、十進(jìn)制計數(shù)器和其它進(jìn)位制的計數(shù)器等等。 現(xiàn)舉一個最簡單的加法計數(shù)器為例，見圖 9 。它是一個 16 進(jìn)制計數(shù)器，最大計數(shù)值是 1111 ，相當(dāng)于十進(jìn)制數(shù) 15 。需要計數(shù)的脈沖加到最低位觸發(fā)器的 CP 端上，所有的 J 、 K 端都接高電平 1 ，各觸發(fā)器 Q 端接到相鄰高一位觸發(fā)器的 CP 端上。 JK 觸發(fā)器的特性表告訴我們：當(dāng) J=1 、 K=1 時來一個 CP ，觸發(fā)器便翻轉(zhuǎn)一次。在全部清零后， 第 1 個 CP 后沿，觸發(fā)器 C0 翻轉(zhuǎn)成 Q0=1 ，其余 3 個觸發(fā)器仍保持 0 態(tài)，整個計數(shù)器的狀態(tài)是 0001 。 第 2 個 CP 后沿，觸發(fā)器 C0 又翻轉(zhuǎn)成“ Q0=0 ， C1 翻轉(zhuǎn)成 Q1=1 ，計數(shù)器成 0010 。 到第 15 個 CP 后沿，計數(shù)器成 1111 。可見這個計數(shù)器確實(shí)能對 CP 脈沖計數(shù)。（ 2 ）分頻器 計數(shù)器的第一個觸發(fā)器是每隔 2 個 CP 送出一個進(jìn)位脈沖，所以每個觸發(fā)器就是一個 2 分頻的分頻器， 16 進(jìn)制計數(shù)器就是一個 16 分頻的分頻器。 為了提高電子鐘表的精確度，普遍采用的方法是用晶體振蕩器產(chǎn)生 32768 赫標(biāo)準(zhǔn)信號脈沖，經(jīng)過 15 級 2 分頻處理得到 1 赫的秒信號。因為晶體振蕩器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度很高，所以得到的秒脈沖信號也是精確可靠的。把它們做到一個集成片上便是電子手表專用集成電路產(chǎn)品，見圖 10 。數(shù)字邏輯電路讀圖要點(diǎn)和舉例 數(shù)字邏輯電路的讀圖步驟和其它電路是相同的，只是在進(jìn)行電路分析時處處要用邏輯分析的方法。讀圖時要： 先大致了解電路的用途和性能。 找出輸入端、輸出端和關(guān)鍵部件，區(qū)分開各種信號并弄清信號的流向。 逐級分析輸出與輸入的邏輯關(guān)系，了解各部分的邏輯功能。 最后統(tǒng)觀全局得出分析結(jié)果。 例 1 三路搶答器 圖 11 是智力競賽用的三路搶答器電路。裁判按下開關(guān) SA4 ，觸發(fā)器全部被置零，進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。這時 Q1 Q3 均為 1 ，搶答燈不亮；門 1 和門 2 輸出為 0 ，門 3 和門 4 組成的音頻振蕩器不振蕩，揚(yáng)聲器無聲。 競賽開始，假定 1 號臺搶先按下 SA1 ，觸發(fā)器 C1 翻轉(zhuǎn)成 Q1=1 、 Q1=0 。于是： 門 2 輸出為 1 ，振蕩器振蕩，揚(yáng)聲器發(fā)聲； HL1 燈點(diǎn)亮； 門 1 輸出為 1 ，這時 2 號、 3 號