数字电路特点以及应用

姓名：揭展明专业：测控仪器与技术学号：2010071010005

数字电路特点以及应用

⑴结果再现性。给定相同的输入组(包括其值和时间序列)，一个设计完好的数字电路总是能精确地产生相同的结果。而模拟电路的输出则会受到温度、电源电压、元件老化以及其他因素的影响而发生变化。

⑵易于设计。数字设计是逻辑的，不需要特别的数学技能。对于小的逻辑电路的工作状态，一般人的智力就可以理解。而不像电容器、晶体管或其他模拟器件那样，要求对模型进行计算才能理解和认识它们的内部特性和工作过程。

⑶灵活性和功能性。一个问题一旦被简化成为数字的形式，就可以采用空间和时间上的一组逻辑步骤进行解决。例如，可以设计一个数字电路对录音进行扰频（加密），不知道“密钥”（口令）的任何人都绝对破译不出来，而具有密钥的任何人却可以听到真正不失真的录音。

⑷可编程性。现今大多数数字设计也都是采用硬件描述语言进行编程来完成的。这些语言可以将数字电路的结构和功能进行规格化或模型化。一种标准的HDL除了带有编译器外，还带有模拟与综合程序。在构建任何真实硬件之前，要使用这些软件工具来测试硬件模型的运行情况，然后才将模型用特别的组件技术综合成为电路。

⑸快捷性。在最快的集成电路中，单个晶体管的开关时间可以小于10ps，由于这些晶体管构成的一个完整、复杂的器件从检测输入到产生输出的时间，还不到2ns。这就意味着这种期间每秒钟能够产生1亿或更多的结果。

⑹经济性。数字电路能够在一个很小的空间里提供大量的功能。重复使用的电路可以被集成到单个芯片里，以很低的成本进行大量的生产，将那些各种科技产品的东西集成到一起。

一、基本逻辑电路

1.数字电路的特点在电子设备中,通常把电路分为模拟电路和数字电路两类,前者涉及模拟信号,即连续变化的物理量,例如在24小时内某室内温度的变化量;后者涉及数字信号,即断续变化的物理量,如图1所示.当把图1的开关K快速通、断时,在电阻R上就产

生一连串的脉冲(电压),这就是数字信号.人们把用来传输、控制或变换数字信号的电子电路称为数字电路.

数字电路工作时通常只有两种状态:高电位(又称高电平)或低电位(又称低电平).通常把高电位用代码“1”表示,称为逻辑“1”;低电位用代码“0”表示,称为逻辑“0”(按正逻辑定义的).注意:有关产品手册中常用“H”代表“1”、“L”代表“0”.实际的数字电路中,到底要求多高或多低的电位才能表示“1”或“0”,这要由具体的数字电路来定.例如一些TTL数字电路的输出电压等于或小于0.2V,均可认为是逻辑“0”,等于或者大于3V,均可认为是逻辑“1”(即电路技术指标).CMOS数字电路的逻辑“0”或“1”的电位值是与工作电压有关的.

讨论数字电路问题时,也常用代码“0”和“1”表示某些器件工作时的两种状态,例如开关断开代表“0”状态、接通代表“1”状态.

2.三种基本逻辑电路数字电路中的基本电路是与门、或门和非门(反相器).与门和或门电路的基本形式有两个或两个以上的输入端、一个输出端.因输入和输出可以各自为“0”或“1”状态,具有判定的功能,所以把它们称为基本逻辑电路.三种基本逻辑电路的符号(图形)和主要表达式如附表所示.该表对初学者可能难于理解,一旦了解之后就会觉得比通常的模拟电路还简单些.

(1)与门电路.以下讨论的与门是2输入端的,它对多端输入的与门同样适用.2输入端与门的功能设计成这样:当输入端A、B同时都为逻辑“1”状态时,输出Z才是逻辑“1”状态.2输入端与门的这种逻辑关系可以用图2模式的电路描述.对图2,这里作如下规定:开关K1、K2断开时,代表输入A、B的“0”状态、接通时代表输入A、B的“1”状态;灯L灭代表输出的Z的“0”状态,灯L亮代表输出Z的“1”状态.之后将开关K1、K2“接通”和“断开”的各种组合状态,以及由此引起灯“亮”和“灭”的输出状态列成表格,该表格叫做真值表,,如附表中所示.从真值表中看出,要使灯L点亮,即输出Z必须是“1”状态,输入的A、B也必须是“1”状态.

具有图2模式电路功能(指输入、输出关系)的电路称为2输入端与门,并用附表中的逻辑符号来代表.

(2)或门和非门.或门的逻辑关系如下:各输入端只要有一个状态为“1”时,输出便是“1”.非门只有一个输入端和一个输出端,并且其输出状态总是和输入状态相反的,即求“反”.这里同样可以用图3和图4模式的电路分别描述或门和非门的功能,也可以作相应的真值表,绘出逻辑符号,如附表中所示.

3.逻辑函数的表示方法在逻辑电路的设计时,常用四种方法表示逻辑电路的函数关系(指输入、输出关系),即逻辑图、真值表、函数表达式和卡诺图.附表中仅列出了三种表达式,实际应用中逻辑图和真值表是最常用的,应必须掌握的;函数表达式和卡诺图主要供设计人员按要求设计数字逻辑电路时使用.

数字电路及其应用(二)

现在数字集成电路产品已完全取代了早期分立元件组成的数字电路.数字电路产品的种类愈来愈多,其分类方法也有多种.若按用途来分,可分成通用型的IC(中、小规模IC)产品,微处理(MPU)产品和面向特定用途的IC产品三大类.可编程逻辑器件是特定用途产品的一个重要分支.若按逻辑功能来分,可以分成组合逻辑电路,简称组合电路,如各种门电路,各种编译码器;时序逻辑电路,简称为时序电路,如各种触发器、各种计数器、各种寄存器等.若按电路结构来分,可分成TTL型和CMOS型两大类.

常见的TTL54/74系列,有如下的共同的特性:电源电压为5.0V,逻辑“0”输出电压为≤0.2V,逻辑“1”输出电压为≥3.0V和抗扰度为1.0V.

CMOS数字集成电路比TTL型占有更多的优点,前者的工作电源电压范围宽,静态功耗低、抗干扰能力强、输入阻抗高、成本低等.所以电子钟表、电子计算器等均用了该种电路.鉴于此,以后介绍数字集成电路时,主要以CMOS型为实例.

CMOS数字集成电路品种繁多,包括了各种门电路、编译码器、触发器、计数器和存贮器等上百种器件.

一、CMOS集成电路的应用

⑴工作电源电压常用的CMOS集成电路工作电压范围为3~18V，因此使用该种器件时，电源电压灵活方便,甚至未加稳压的电源也可使用。

⑵输入阻抗高。CMOS电路的输入端均有保护二极管和串联电阻构成的保护电路，在正常工作范围内，保护二极管均处于反向偏置状态,直流输入阻抗取决于这些二极管的泄漏电流.通常情况下,等效输入电阻大于108Ω，因此驱动CMOS集成电路时,所消耗的驱动功率几乎可以不计。

⑶输出电流。CMOS集成电路的输出电流(指内部各独立功能的输出端)一般是10mA,所以使用时应加推动级输出，但输出端若连接CMOS电路时，因CMOS电路的输入阻抗高,对于低频工作时，一个输出端可以带动50个以上输入端,实际上几乎不需考