如何看懂?dāng)?shù)字邏輯電路

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(lái)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(guò)數(shù)字化處理后變成了一串串電脈沖，它們被稱(chēng)為數(shù)字信號(hào)。能處理數(shù)字信號(hào)的電路就稱(chēng)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(kāi)、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(mén)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(huà)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(lái)畫(huà)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(kāi) 0 和 1 ， 0 和 1 的組合關(guān)系沒(méi)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(wèn)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(mén)電路和觸發(fā)器

　（ 1 ）門(mén)電路

　　門(mén)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(mén)電路有 3 種：非門(mén)、與門(mén)和或門(mén)。非門(mén)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(xiě)成 P=A 。與門(mén)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(xiě)成 P=A·B ?；蜷T(mén)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(xiě)成 P=A ＋ B 。

　　把這三種基本門(mén)電路組合起來(lái)可以得到各種復(fù)合門(mén)電路，如與門(mén)加非門(mén)成與非門(mén)，或門(mén)加非門(mén)成或非門(mén)。圖 1 是它們的圖形符號(hào)和真值表。此外還有與或非門(mén)、異或門(mén)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(mén)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(chēng)為置 0 端， S D 端稱(chēng)為置 1 端。 D 觸發(fā)器的邏輯符號(hào)見(jiàn)圖 2 ，圖中 Q 、 D 、 SD 端畫(huà)在同一側(cè)； Q 、R D 畫(huà)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(lái)到后， Q=0 ；如 D=1 ， CP 來(lái)到后， Q=1 。 CP 脈沖起控制開(kāi)門(mén)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(lái)狀態(tài)不變。這樣的邏輯功能畫(huà)成表格就稱(chēng)為功能表或特性表，見(jiàn)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(lái)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(jiàn)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(huà)一個(gè)小圓圈以示區(qū)別。圖中， J 、 S D 、 Q 畫(huà)在同一側(cè)， K 、 R D 、 Q 畫(huà)在另一側(cè)。

　　J － K 觸發(fā)器的邏輯功能見(jiàn)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(lái)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(huà)。

　　能夠把數(shù)字、字母變換成二進(jìn)制數(shù)碼的電路稱(chēng)為編碼器。反過(guò)來(lái)能把二進(jìn)制數(shù)碼還原成數(shù)字、字母的電路就稱(chēng)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(chēng)為 8 － 4 － 2 － 1 碼或簡(jiǎn)稱(chēng) BCD 碼。所以這種編碼器就稱(chēng)為“ 10 線 -4 線編碼器”或“ DEC ／ BCD 編碼器”。

　　從圖看到，它是由與非門(mén)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(mén) D 輸出為 1 ，整個(gè)輸出成 0001 。

　　如按下“ 7 ”鍵，則 B 門(mén)、 C 門(mén)、 D 門(mén)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(jiàn)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。

?。?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(mén)電路組成的，現(xiàn)在也有集成化產(chǎn)品供選用。圖 5 是一個(gè) 4 線 —10 線譯碼器。它的左側(cè)為 4 個(gè)二進(jìn)制碼的輸入端，右側(cè)有 10 個(gè)輸出端，從上到下按 0 、 1 、 …9 排列表示 10 個(gè)十進(jìn)制數(shù)。輸出端帶小圓圈表示低電平有效。平時(shí) 10 個(gè)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。

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 ”。可見(jiàn)要把十進(jìn)制數(shù)用七段顯示管顯示出來(lái)還要經(jīng)過(guò)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(jiǎn)單，輸入二進(jìn)制碼可直接顯示十進(jìn)制數(shù)，見(jiàn)圖 6 。譯碼器左側(cè)有 4 個(gè)二進(jìn)制碼的輸入端，右側(cè)有 7 個(gè)輸出可直接和數(shù)碼管相連。左上側(cè)另有一個(gè)滅燈控制端 I B ，正常工作時(shí)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。

　　如果要想把十進(jìn)制數(shù)顯示出來(lái)，就要使用數(shù)碼管?，F(xiàn)以共陽(yáng)極發(fā)光二極管（ LED ）七段數(shù)碼顯示管為例，見(jiàn)圖 6 。它有七段發(fā)光

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(lái)的的部件叫數(shù)碼寄存器，簡(jiǎn)稱(chēng)寄存器。圖 7 是用 4 個(gè) 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(gè) CP 端連在一起作為控制端，只有 CP=1 時(shí)它才接收和存貯數(shù)碼。 4 個(gè) R D 端連在一起成為整個(gè)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(lái)到后 4 個(gè)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(gè)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(shí) CP 稱(chēng)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(gè) CP 后， 1 被打入第 1 個(gè)觸發(fā)器，寄存器成 0001 ；第 2 個(gè) CP 后， Qo 的 1 被移入 Q 1 ，新的 0 打入 D 1 ，成為 0010 ；第 3 個(gè) CP 后，成為 0100 ；第 4 個(gè) CP 后，成為 1001 。

　　可見(jiàn)經(jīng)過(guò) 4 個(gè) 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(jì)數(shù)器和分頻器

?。?1 ）計(jì)數(shù)器

　　能對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的部件叫計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器品種繁多，有作累加計(jì)數(shù)的稱(chēng)為加法計(jì)數(shù)器，有作遞減計(jì)數(shù)的稱(chēng)為減法計(jì)數(shù)器；按觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)來(lái)分又有同步計(jì)數(shù)器和異步計(jì)數(shù)器；按數(shù)制來(lái)分又有二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和其它進(jìn)位制的計(jì)數(shù)器等等。

　　現(xiàn)舉一個(gè)最簡(jiǎn)單的加法計(jì)數(shù)器為例，見(jiàn)圖 9 。它是一個(gè) 16 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，最大計(jì)數(shù)值是 1111 ，相當(dāng)于十進(jìn)制數(shù) 15 。需要計(jì)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。 J—K 觸發(fā)器的特性表告訴我們：當(dāng) J=1 、 K=1 時(shí)來(lái)一個(gè) CP ，觸發(fā)器便翻轉(zhuǎn)一次。在全部清零后， ① 第 1 個(gè) CP 后沿，觸發(fā)器 C0 翻轉(zhuǎn)成 Q0=1 ，其余 3 個(gè)觸發(fā)器仍保持 0 態(tài)，整個(gè)計(jì)數(shù)器的狀態(tài)是 0001 。 ② 第 2 個(gè) CP 后沿，觸發(fā)器 C0 又翻轉(zhuǎn)成“ Q0=0 ， C1 翻轉(zhuǎn)成 Q1=1 ，計(jì)數(shù)器成 0010 。 …… 到第 15 個(gè) CP 后沿，計(jì)數(shù)器成 1111 。可見(jiàn)這個(gè)計(jì)數(shù)器確實(shí)能對(duì) CP 脈沖計(jì)數(shù)。

?。?2 ）分頻器

　　計(jì)數(shù)器的第一個(gè)觸發(fā)器是每隔 2 個(gè) CP 送出一個(gè)進(jìn)位脈沖，所以每個(gè)觸發(fā)器就是一個(gè) 2 分頻的分頻器， 16 進(jìn)制計(jì)數(shù)器就是一個(gè) 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

生 32768 赫標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)脈沖，經(jīng)過(guò) 15 級(jí) 2 分頻處理得到 1 赫的秒信號(hào)。因?yàn)榫w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(hào)也是精確可靠的。把它們做到一個(gè)集成片上便是電子手表專(zhuān)用集成電路產(chǎn)品，見(jiàn)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(shí)處處要用邏輯分析的方法。讀圖時(shí)要： ① 先大致了解電路的用途和性能。

② 找出輸入端、輸出端和關(guān)鍵部件，區(qū)分開(kāi)各種信號(hào)并弄清信號(hào)的流向。

③ 逐級(jí)分析輸出與輸入的邏輯關(guān)系，了解各部分的邏輯功能。

④ 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(jìng)賽用的三路搶答器電路。裁判按下開(kāi)關(guān) SA4 ，觸發(fā)器全部被置零，進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。這時(shí) Q1 ～ Q3 均為 1 ，搶答燈不亮；門(mén) 1 和門(mén) 2 輸出為 0 ，門(mén) 3 和門(mén) 4 組成的音頻振蕩器不振蕩，揚(yáng)聲器無(wú)聲。

　　競(jìng)賽開(kāi)始，假定 1 號(hào)臺(tái)搶先按下 SA1 ，觸發(fā)器 C1 翻轉(zhuǎn)成 Q1=1 、 Q1=0 。于是： ① 門(mén) 2 輸出為 1 ，振蕩器振蕩，揚(yáng)聲器發(fā)聲； ②HL1 燈點(diǎn)亮； ③ 門(mén) 1 輸出為 1 ，這時(shí) 2 號(hào)、 3 號(hào)臺(tái)再按開(kāi)關(guān)也不起作用。裁判宣布競(jìng)賽結(jié)果后，再按一下 SA4 ，電路又進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。

　例 2 彩燈追逐電路

　　圖 12 是 4 位移位寄存器控制的彩燈電路。開(kāi)始時(shí)按下 SA ，觸發(fā)器 C1 ～ C4 被置成 1000 ，彩燈 HL1 被點(diǎn)亮。 CP 脈沖來(lái)到后，寄存器移 1 位，觸發(fā)器 C1 ～ C4 成 0100 ，彩燈 HL2 點(diǎn)亮。第 2 個(gè) CP 脈沖點(diǎn)亮 HL3 ，第 3 個(gè)點(diǎn)亮 HL4 ，第 4 個(gè) CP 又把觸發(fā)器 C1 ～ C4 置成 1000 ，又點(diǎn)亮 HL1 。如此循環(huán)往復(fù)，彩燈不停閃爍。只要增加觸發(fā)器可使燈數(shù)增加，改變 CP 的頻率可變化速度。