數(shù)字電路的應(yīng)用

數(shù)字電路的應(yīng)用用數(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(dǎo)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。數(shù)字電路是以二值數(shù)字邏輯為基礎(chǔ)的，其工作信號是離散的數(shù)字信號。電路中的電子晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，時而導(dǎo)通，時而截止。數(shù)字電路的發(fā)展與模擬電路一樣經(jīng)歷了由電子管、半導(dǎo)體分立器件到集成電路等幾個時代。但其發(fā)展比模擬電路發(fā)展的更快。從60年代開始，數(shù)字集成器件以雙極型工藝制成了小規(guī)模邏輯器件。隨后發(fā)展到中規(guī)模邏輯器件；70年代末，微處理器的出現(xiàn)，使數(shù)字集成電路的性能產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。數(shù)字集成器件所用的材料以硅材料為主，在高速電路中，也使用化合物半導(dǎo)體材料，例如砷化鎵等。邏輯門是數(shù)字電路中一種重要的邏輯單元電路。TTL邏輯門電路問世較早，其工藝經(jīng)過不斷改進，至今仍為主要的基本邏輯器件之一。隨著CMOS工藝的發(fā)展，TTL的主導(dǎo)地位受到了動搖，有被CMOS器件所取代的趨勢。近幾年來，可編程邏輯器件PLD特別是現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的飛速進步，使數(shù)字電子技術(shù)開創(chuàng)了新局面，不僅規(guī)模大，而且將硬件與軟件相結(jié)合，使器件的功能更加完善，使用更靈活。數(shù)字電路或數(shù)字集成電路是由許多的邏輯門組成的復(fù)雜電路。與模擬電路相比，它主要進行數(shù)字信號的處理（即信號以0與1兩個狀態(tài)表示），因此抗干擾能力較強。數(shù)字集成電路有各種門電路、觸發(fā)器以及由它們構(gòu)成的各種組合邏輯電路和時序邏輯電路。一個數(shù)字系統(tǒng)一般由控制部件和運算部件組成，在時脈的驅(qū)動下，控制部件控制運算部件完成所要執(zhí)行的動作。通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，數(shù)字電路可以和模擬電路互相連接。分類按功能來分：1、組合邏輯電路簡稱組合電路，它由最基本的邏輯門電路組合而成。特點是：輸出值只與當(dāng)時的輸入值有關(guān)，即輸出惟一地由當(dāng)時的輸入值決定。電路沒有記憶功能，輸出狀態(tài)隨著輸入狀態(tài)的變化而變化，類似于電阻性電路，如加法器、譯碼器、編碼器、數(shù)據(jù)選擇器等都屬于此類。2、時序邏輯電路簡稱時序電路，它是由最基本的邏輯門電路加上反饋邏輯回路（輸出到輸入）或器件組合而成的電路，與組合電路最本質(zhì)的區(qū)別在于時序電路具有記憶功能。時序電路的特點是：輸出不僅取決于當(dāng)時的輸入值，而且還與電路過去的狀態(tài)有關(guān)。它類似于含儲能元件的電感或電容的電路，如觸發(fā)器、鎖存器、計數(shù)器、移位寄存器、儲存器等電路都是時序電路的典型器件。按電路有無集成元器件來分，可分為分立元件數(shù)字電路和集成數(shù)字電路。按集成電路的集成度進行分類，可分為小規(guī)模集成數(shù)字電路(SSI)、中規(guī)模集成數(shù)字電路(MSI)、大規(guī)模集成數(shù)字電路(LSI)和超大規(guī)模集成數(shù)字電路(VLSI)。按構(gòu)成電路的半導(dǎo)體器件來分類，可分為雙極型數(shù)字電路和單極型數(shù)字電路。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(xué)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。應(yīng)用數(shù)字電路與數(shù)字電子技術(shù)廣泛的應(yīng)用于電視、雷達、通信、電子計算機、自動控制、航天等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。數(shù)字電路的分類：包括數(shù)字脈沖電路和數(shù)字邏輯電路。前者研究脈沖的產(chǎn)生、變換和測量；后者對數(shù)字信號進行算術(shù)運算和邏輯運算。數(shù)字電路的劃分：1.按功能分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類。前者在任何時刻的輸出，僅取決于電路此刻的輸入狀態(tài)，而與電路過去的狀態(tài)無關(guān)，它們不具有記憶功能。常用的組合邏輯器件有加法器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器等。后者在任何時候的輸出，不僅取決于電路此刻的輸入狀態(tài)，而且與電路過去的狀態(tài)有關(guān)，它們具有記憶功能。2.按結(jié)構(gòu)分為分立元件電路和集成電路。前者是將獨立的晶體管、電阻等元器件用導(dǎo)線連接起來的電路。后者將元器件及導(dǎo)線制作在半導(dǎo)體硅片上，封裝在一個殼體內(nèi)，并焊出引線的電路。集成電路的集成度是不同的分析方法數(shù)字電路主要研究對象是電路的輸出與輸入之間的邏輯關(guān)系，因而在數(shù)字電路中不能采用模擬電路的分析方法，例如，小信號模型分析法。由于數(shù)字電路中的器件主要工作在開關(guān)狀態(tài)，因而采用的分析工具主要是邏輯代數(shù)，用功能表、真值表、邏輯表達式、波形圖等來表達電路的主要功能。隨著計算技術(shù)的發(fā)展，為了分析、仿真與設(shè)計數(shù)字電路或數(shù)字系統(tǒng)，還可以采用硬件描述語言，使用如ABEL語言等軟件，借助計算機來分析、仿真與設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)。測試技術(shù)數(shù)字電路在正確設(shè)計和安裝后須經(jīng)嚴格的測試方可使用。事實上，在邏輯設(shè)計階段就應(yīng)該考慮到數(shù)字電路的測試。如果對電路的測試目的只是為了檢查電路是否發(fā)生了故障，則稱這種測試為數(shù)字電路的故障檢測；對電路的邏輯功能的測試稱為功能測試或靜態(tài)測試；對電氣特性或時間特性的測試稱為動態(tài)測試；如果測試的目的不僅是為了檢查電路是否有故障，而且還要確定發(fā)生故障的部位，則稱這種測試為故障定位。電路研究數(shù)字電路中研究的主要問題是輸出信號的狀態(tài)（“0”或“1”）和輸入信號（“0”或“1”）之間的邏輯關(guān)系，即電路的邏輯功能。數(shù)字電路的研究方法是邏輯分析和邏輯設(shè)計，所需要的工具是邏輯代數(shù)。（在正邏輯下，“0”是低電平，“1”是高電平，高低電平?jīng)]有明確的界限）優(yōu)點電子設(shè)備從以模擬方式處理信息，轉(zhuǎn)到以數(shù)字方式處理信息的原因，主要在以下幾個方面：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。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。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。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。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)字電路控制實驗板是專為數(shù)字電路及單片機控制實驗而設(shè)計的。該實驗板上安裝了穩(wěn)壓電源、數(shù)碼顯示器、單脈沖發(fā)生器、振蕩器和多種驅(qū)動電路等實驗常用器械，為學(xué)習(xí)數(shù)字控制電路以及研制開發(fā)小規(guī)模應(yīng)用電路提供了一個理想的實驗環(huán)境。其主要功能及使用分述如下：1、輸入電源及接法：①如果實驗只需正電源，則應(yīng)從實驗板右側(cè)上方＋V插孔提供9V交流或直流電源。②如果實驗需要正負雙向電源，則應(yīng)從實驗板右側(cè)上方＋V插孔和－V插孔分別獨立提供9V交流或直流電源，也可以從＋V和－V之間的三芯插座，外接雙9伏變壓器。③電機電源輸入端：實驗板固態(tài)繼電器和普通雙路繼電器旁有四個兩芯接線柱，從左至右分別是直流電機接線柱，電機（直流電機和步進電機）電源輸出端，固態(tài)繼電器輸出端和實驗整流電源（約12V）輸出端。如果電機使用實驗板整流電源，可用一根導(dǎo)線將整流電源正極端與電機電源正極端連接即可（本實驗板成品已連好參考樣式），負極端在內(nèi)部已經(jīng)連通。電機電源為60V以內(nèi)的直流，連接時注意極性。2、實驗板穩(wěn)壓電源的使用：①＋5V穩(wěn)壓電源：接口在實驗板的插線板右上角，配有紅色指示燈和控制開關(guān)右上角第三個。②±V可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源：接口在實驗板的插線板左邊，上方是＋V，用紅燈指示，下方是－V，用綠燈指示，控制開關(guān)為兩帶鎖按鈕，在插線板左上方，電壓調(diào)節(jié)為實驗板右側(cè)邊LM317和LM337處的2K電位器。3、數(shù)碼顯示器的使用：該顯示器是一個6位串行靜態(tài)顯示器。顯示數(shù)據(jù)由DAT端送入，低電平顯示。在CLK端由用戶提供移位脈沖，上跳變移位，接口有兩處，一處是實驗左側(cè)三芯插座（DAT、CLK、GND）處，另一處在實驗板上插線條的中部，DAT和CLK標志處。4、電平指示器的使用：電平指示器用于指示電路輸出端的邏輯電平，高電平點亮。電平指示器共三組12個燈，輸入口在實驗板上插線條右側(cè)“紅燈”、“綠燈”、和“黃燈”處，輸入電壓應(yīng)在0至5V內(nèi)。5、驅(qū)動器的使用：①晶體三極管驅(qū)動：集電極開路型，最大吸入電流200mA，最高電壓40伏，可接小電流步進電機。驅(qū)動器分ABCD四路，輸入端在實驗板上插線條中部，低電平有效。輸出端在實驗板上邊緣中部紅外發(fā)射管附近（六腳插針，其中右邊兩針為電機電源正極）。②場效應(yīng)管和繼電器組合驅(qū)動：最大通過電流5A，可用于直流電機速度及方向控制等。電機電源電壓（限60V）由外部提供，從實驗板上邊端口輸入。場效應(yīng)管采用脈寬調(diào)制方式控制電機速度，繼電器已接成換向器形式，用于改變電機轉(zhuǎn)動方向。驅(qū)動器輸入端口在實驗板上插線條中部，低電平有效。③固態(tài)繼電器（或可控硅）驅(qū)動：最大通過電流3A，用于220V以下交流電器開關(guān)控制和速度控制，輸入低電平有效。④蜂鳴器驅(qū)動：輸入低電平時發(fā)聲，高電平停止。6、單脈沖、電平發(fā)生器的使用：①產(chǎn)生單脈沖及電平跳變：每按鍵一次（不帶鎖按鈕），產(chǎn)生一對正、負脈沖（接口在實驗板下插線左邊紅燈處），并產(chǎn)生一次電平的跳變（綠燈處）。左右兩路脈沖、電平發(fā)生器用法相同，當(dāng)按下最左邊帶鎖按鈕的自動按鍵時，它們兩路組合成一個低頻振蕩器。②檢測電路是否有振蕩：將被測信號引入振蕩測試端，有振蕩時綠燈閃爍。7、振蕩器的使用：該振蕩器可產(chǎn)生大約10HZ至500KHZ的方波信號。用跳線卡選擇波段1、2、3或4，用電位器（100K）進行頻率微調(diào)。輸出控制端低電平時可關(guān)斷振蕩輸出。8、8位鍵盤的使用：該鍵盤分兩組，每組有ABCD四個鍵（不帶鎖按鈕），采用2×4掃描式結(jié)構(gòu)。如果只用四個鍵，可將1組或2組端接地，按鍵時產(chǎn)生低電平。9、波形觀察：通過串行口連接PC機，從電腦上觀察低頻模擬量或數(shù)字量波形，類似于存貯或示波器功能。10，單片機AT89C2051寫入：將電腦中編譯好的控制程序?qū)懭胄酒珹T89C2051插入鎖具方向與本實驗板AT89C51朝向一致，請仔細觀察清楚，不要插反。11、其它：51單片機晶振電路在實驗板下插線條中間，晶體正中兩線直接與51單片機的XTAL1和XTAL2相連接。51單片機上電復(fù)位電路在實驗板上插線條偏左位置有RST輸出標志，將該位與AT89C51單片機的RST腳相接，并將RST標志位的右邊相鄰的兩位依次接地和＋5V。本實驗板提供AT89C51單片機為空片，請各用戶自已按照單片機實驗教程進行實驗數(shù)字集成電路實驗板的制作數(shù)字集成電路實驗板是一種學(xué)生用來進行數(shù)字集成電路基本實驗的學(xué)具。它借鑒面包板插接電路的特點，并帶有基本數(shù)字部件，能簡化實驗步驟，突出實驗主體，提高插接電路的可靠性、速效性。是學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字電路的一款很好的工具。一、數(shù)字集成電路實驗板電路下圖為數(shù)字集成電路實驗板電路，它由操作平臺和工具包兩大部分組成。圖中虛線框內(nèi)為數(shù)字集成電路實驗板主體，是學(xué)生進行實驗的操作平臺它模擬面包板的構(gòu)造，為4行13列，在第2、3行中焊接有16腳插座，插入所需的數(shù)字集成電路塊，操作方法同面包板實驗。工具包提供實驗所需的、已經(jīng)焊接好的基本數(shù)字部件，包括4位邏輯電平顯示器、4位邏輯電平控制器、日CD同步累加計數(shù)器、BCD口七段譯碼器和一位數(shù)碼管顯示器。此外還包括電源部分。二、電路工作原理4位邏輯電平顯示器由三極管VTI~VT4、紅色、綠色、黃色和藍色發(fā)光二極管等組成，X1~X4為電平顯示器輸入插座。當(dāng)被測電平測試點通過插接導(dǎo)線與插口X1相通時，電平信號通過基極偏置電阻器R5輸入到VTI的基極，當(dāng)輸入信號為高電平時，VTI導(dǎo)通，電平顯示紅色發(fā)光二極管點亮，輸入信號為低電平(≤0.6V)時，紅色發(fā)光二極管熄滅，R1為限流電阻器。X2~X4為電平顯示器余下3個獨立的輸入插口。4位邏輯電平控制器由單刀雙擲開關(guān)S1~S4、上拉電阻器R9~Rl2和邏輯電平輸出信號插座X5~X8組成。當(dāng)X5輸出端與被測數(shù)字集成電路輸入端連通，單刀雙擲開關(guān)S1端擲向1a時，S1通過上拉電阻器R9接通VDD，插口座X5輸出高電平邏輯信號。反之，S1端接通lb、/時，S1接地，X5輸出低電平邏輯信號，完成邏輯電平的控制作用。同理，X6~X8為其余3個獨立的邏輯電平信號輸出插口BCD同步累加計數(shù)器由計數(shù)器4518、自動復(fù)位電路、時鐘信號輸入端插口和BCD碼輸出插座Q1~Q4組成。接通電源瞬間，電源向由電阻器Rl4、電容器C所組成的RC定時電路充電，在Rl4上產(chǎn)生上升沿脈沖信號壓降，4518第7腳復(fù)位端CR被施加高電平復(fù)位有效，計數(shù)器輸出端第3~6腳Q1~Q4處于0000狀態(tài)。當(dāng)電容器C充電結(jié)束后，Rl4上壓降為零，CR通過下拉電阻器Rl4接地，4518自動轉(zhuǎn)到加計數(shù)器工作狀態(tài)。時鐘信號由插座CP輸入時，上升沿脈沖信號加到4518第1腳時鐘端，觸發(fā)計數(shù)器進行加計數(shù)。為避免4518第1腳時鐘端懸空，通過下拉電阻器Rl3接地o4518笫2腳EN按邏輯要求接Vdd，其余空閑的輸入端接Vdd或Vss。BCD七段譯碼器由譯碼器4511和BCD碼輸入插座A~D組成。當(dāng)BCD碼信號接入A~D時，譯碼器4511將BCD碼轉(zhuǎn)換成數(shù)碼管所需的驅(qū)動信號，由輸出端a～g經(jīng)過限流電阻器接到數(shù)碼營對應(yīng)筆劃段。燈測試反相輸入端-LT、燈消隱反相輸入端-BT接Vdd，鎖存輸入端LE接Vss時，這時燈測試、消隱和鎖存功能失效，4511驅(qū)動數(shù)碼管顯示數(shù)字。當(dāng)4511數(shù)據(jù)輸入端A~D空閑時，通過下拉電阻器R23~R26接地。數(shù)碼管顯示器由共陰極七段數(shù)碼管IG5011AH、限流電阻器R15~R21和小數(shù)點段電源指示燈電路組成。數(shù)碼管的共陰極第3腳或笫8腳接地，各筆劃端通過限流電阻器與4511輸出端相連，數(shù)碼管顯示出O~9阿拉伯?dāng)?shù)字，小數(shù)點段發(fā)光二極管通過限流電阻器R22直接電源正極，作為電源指示燈使用電源部分由低壓直流電源插座XSI、電池插座XS2、電源開關(guān)S5和開關(guān)二極管VD組成。電池電源用4節(jié)五號電池卡供電，正極引線插入XS2“+”，負極插入XS2“-”插口。用交流電供電的低壓直流電源接入XSI，當(dāng)插頭芯片與J1相通時，接通機內(nèi)電源正端，與此同時J2與地端斷開，這時電池負極與地端斷開，切斷電池供電，改由低壓直流電源供電。電源開關(guān)S5接通5b時，電源通過開關(guān)二極管VD向數(shù)字集成電路實驗板供電，VD具有電源接反時阻斷供電及降壓(約0.7V)的作用，后者滿足操作平臺使用74LS系列集成電路時對電壓(5.0±0.5V)的要求。三、印刷電路板下圖為數(shù)字集成電路實驗板印刷電路板，將元件面和焊接面繪制在同一板面上，元器件連接關(guān)系一目了然，元件面為俯視圖。元件面上元器件序號、參數(shù)與電路一一對應(yīng)。印刷電路板尺寸為109.2×76.2mm，可以在31行44列通用矩陣實驗電路板(焊盤孔間距為2.54mm)上完成電路的焊接。圖中實心圓點為焊接元器件的焊盤，在條形框中空心圓圈為連接導(dǎo)線插孔。插孔座采用上面為插孔、下面為插針的單列插件排，插孔(插針)間距為2.54mm，這個距離即為數(shù)宇集成電路插座管腳標準間距。用桃形鉗剪出所需插孔數(shù)目的單列插件，按照電路要求插針穿過元件面上小圓孔后與焊接面上的焊盤焊牢，插孔座中能夠插入帶有插針的軟導(dǎo)線，不僅松緊合適，還能保證觸點接觸良好。在焊完實驗電路板操作平臺插件后，就會發(fā)現(xiàn)插孔之間距離和排列方式與面包板一致。印刷電路板上單刀雙擲開關(guān)、低壓直流電源插座選用小型元件，數(shù)字集成電路4518、4511采用管座與電路連接，便于實驗操作和維修。四、實驗板使用方法接通電源開關(guān)S5，數(shù)碼管小數(shù)點段點亮，說明電源已接通。用4條帶插針的軟導(dǎo)線，將邏輯電平控制器輸出端X5~X8與邏輯電平顯示器輸入插口X1~X4對位相連，再將邏輯電平控制單刀雙擲開關(guān)S1~S4先后擲向la~4a，紅色、綠色、黃色和藍色電平顯示發(fā)光二極管先后點亮，說明邏輯電平控制器和顯示器工作正常。在實驗操作平臺上測試與非門邏輯功能實驗時，集成電路插座靠右的第8腳和第9腳空閑不用，改作14腳插座使用，插入四2輸入端與非門74LSOO，接好Vdd和GND連線，連線方法同常規(guī)的面包板實驗。與非門輸入端1、2腳分別與邏輯電平控制器輸出端X5、X6相連，X5、X6又與邏輯電平顯示器輸入插口X1、X2相連，來控制和顯示輸入端邏輯電平高低情況，與非門輸出端第3腳與邏輯電平顯示器X3相連，以顯示輸出端電平。然后，向上撥動S1、S2，X5、X6輸出高電平邏輯信號，電平顯示器紅色、綠色發(fā)光二極管點亮，與非門的兩個輸入端都為高電平，輸出端為低電平，電平顯示器黃色發(fā)光二極管熄滅，反映出與非邏輯關(guān)系。在實驗操作中只需插接幾條導(dǎo)線和撥動邏輯電平控制開關(guān)，就可以完成與非門邏輯關(guān)系測試，體驗到數(shù)字集成電路實驗板的操作簡單、實驗快捷的特點。在實驗與非門自激多諧振蕩器時，與非門1、3腳之間插接1kΩ電阻器