什么是數字電路

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

　　學習數字電路的重要性

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

　　現在的超大規模集成芯片已經向系統級芯片的方向發展，FPGA（Field Programmable Gate Array即現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、PLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現的，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有限的缺點） 已經可以達到ASIC（Application Specific Intergrated Circuits即專用集成電路，是指應特定用戶要求和特定電子系統的需要而設計、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揮空間。說句半玩笑的話，一旦實現軟件無線電，模電的工程師就可以下崗了。因而電子信息技術、計算機技術以及相關技術領域的工程師和技術人員必須掌握數字系統的基礎知識。挑戰和機遇并存，作為當代大學生和有志青年，儲備知識、培養能力是當務之急，因此學好數字電子技術是非常必要的。

　　數字電路的特點

　　1、同時具有算術運算和邏輯運算功能

　　數字電路是以二進制邏輯代數為數學基礎，使用二進制數字信號，既能進行算術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、決策等應用。

　　2、實現簡單，系統可靠

　　以二進制作為基礎的數字邏輯電路，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，功能實現容易

　　集成度高，體積小，功耗低是數字電路突出的優點之一。電路的設計、維修、維護靈活方便，隨著集成電路技術的高速發展，數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模集成電路（SSI）、中規模集成電路（MSI）、大規模集成電路（LSI）、超大規模集成電路（VLSI）的發展也從元件級、器件級、部件級、板卡級上升到系統級。電路的設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任意的邏輯功能。

　　數字電路的優點

　　1、穩定性好

　　數字電路不像模擬電路那樣易受噪聲的干擾。

　　2、可靠性高

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

　　3、可長期存儲

　　數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

　　數字信號的輸出除了具有直觀、準確的優點外，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

　　由于數字電路中基本單元電路的結構比較簡單，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所需要的良率。

　　數字電路的學習方法

　　數字電路所需的先修課程是電路分析基礎和模擬電路，后續課程是微機原理、微型計算機、接口技術等。

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

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

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

　　3、由于數字集成電路技術的高度發展，數字電路更鮮明地體現了管路合一的特點。初學者應充分注意這一特點。一般來說，學習電路結構不是我們的目的，目的是掌握電路功能。

　　數字電路學習要點

　　1、數字電路基礎

　　要知道：數字信號中的1和0所表示的廣泛含義，十進制數二進制數十六進制數的表示方法和相互之間的轉換方法；8421bcd碼的表示方法及其與十進制數的轉換方法，邏輯函數邏輯變量邏輯狀態的含義，與或非所表示的邏輯事件邏輯函數真值表的含義及表示規律和方法。

　　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、邏輯符號及其規律；邏輯函數式、真值表及其邏輯圖三者之間的轉化，負邏輯符號的邏輯式。 會使用：邏輯代數化簡邏輯函數式；最小項及其編號表示邏輯函數式，卡諾圖化簡邏輯函數式。

　　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的關系。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別。三態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的輸出波形。

　　會使用：oc門od門傳輸門三態門的功能。 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計步驟，編碼器譯碼器數據分配器和數據選擇器的含義。

　　會分析：用邏輯函數化簡表達式、真值表描述的組合邏輯電路的邏輯功能。

　　會設計：根據邏輯事件設定輸入和輸出變量及其邏輯狀態的含義，根據因果關系列出真值表，寫出邏輯函數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模集成器件的編碼器、優先編碼器、譯碼器、數碼顯示七段譯碼管、數據選擇器的引腳功能。

　　4、集成觸發器

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

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

　　會寫出：rs觸發器，d觸發器，jk觸發器的狀態方程式。

　　會背出：jk觸發器的輸出q的狀態在cp下降沿作用下與輸入jk狀態下的關系。

　　會使用：集成觸發器的直接置位，復位端sd、rd的狀態在各種情況下的設置方法。

　　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模集成設計器引腳功能、異步和同步清零或置數。

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

　　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律；單穩態觸發器、多諧振蕩器和施密特觸發器三種電路的基本功能。 會選用：實現脈寬定時，延時控制脈沖，脈寬調制、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構類型。 會識別：各類結構單穩態觸發器對輸入觸發脈寬的要求和有效觸發的沿口類型。

　　會畫出：施密特觸發器的波形變換或整形的輸出波形。

　　會計算：各類結構觸發器的輸出脈寬、各類結構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數值的關系，字線位線存儲單元的區別。

　　prom的三種類型及其工作性能的區別，ram中兩類存儲單元結構的區別。

　　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/模和模/數轉換器

　　要知道：數/模和模/數轉換器的功能、r~2r倒t形電阻網路dac輸入數字量與輸出電壓關系式；數模轉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的adc或dac的分辨率和允許最大誤差。

　　9、數字電路與模擬電路學習中的區別

　　數字電路所需的先修課程是電路分析基礎和模擬電路，后續課程是微機原理、微型計算機、接口技術等。

　　學習數字電路的注意事項

　　1、注重掌握基本概念、基本原理、基本分析和設計方法

　　數字電子技術發展很快，各種用途的電路千變萬化，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，或者根據要求設計出滿足實際需要的數字電路。

　　2、抓重點，注重掌握功能部件的外特性

　　數字集成電路的種類很多，各種電路的內部結構及內部工作過程千差萬別，特別是大規模集成電路的內部結構更為復雜。學習這些電路時，不可能也沒有必要一一記住它們，主要是了解電路結構特點及工作原理，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，并能在此基礎上正確地利用各類電路完成滿足實際需要的邏輯設計。

　　3、注意歸納總結

　　數字集成電路的應用廣泛，學好數字電子技術課程需要掌握一些典型電路，因為這些典型電路是構成數字系統的部件。掌握它們包括了解它們的功能、結構特點及應用背景，并注意總結歸納，掌握其本質。例如，譯碼器和數據選擇器都可以實現邏輯函數，但兩者的區別是，一個n位二進制輸入端的譯碼器，只能用于產生變量數不大于n的組合邏輯函數，它可以附加門電路，實現多個輸出的組合邏輯電路二一個n個地址輸人端的數據選擇器，可以實現變量數為n+1的邏輯函數。由于數據選擇器只有一個輸出端，所以只能實現單個輸出的邏輯函數。

　　4、注意理論聯系實際

　　電子技術基礎課程學習的最終落腳點是對實際電路的分析和設計。經過理論分析和計算得到 的設計結果還必須搭建實際電路進行測試，以檢驗是否滿足設計要求。由于電子器件的電氣特性具有分散性，理論設計出的電路在實際中也會出現意想不到的現象。例如用實驗驗證計數器74161和一些門構成的六十進制計數譯碼顯示電路。一些同學的理論設計和線路連接均沒有問題，但實驗中出現了由競爭冒險產生的錯誤計數，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、注意新技術的學習

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