數字電路之如雷貫耳的「邏輯電路」

2020-12-11 騰訊網

什麼是"模擬"和"數字"

在自然界中,象聲音、溫度、光等信息是以連續的值進行變化的。這種連續值就稱作"模擬"。而在計算機的世界裡，信息是以一段一段的離散值表示的。這種離散值就稱作"數字"。

比方說模擬和數字就相當於實數與整數的關係。實數可以表示直線上的每一個點，就象是模擬，而整數只能表示直線上的特定點，就象是數字。

於是，我們把處理連續信息的 —— 模擬信號的電路稱作"模擬電路"，把處理離散信息 —— 數位訊號的電路稱作"數字電路"。

圖1：模擬與數字的不同

為了將自然界的模擬信息輸入到象計算機那樣的數字電路，需要將信息數位化（模擬信號數位訊號）。進行"模擬信號數位訊號"轉換的是A/D轉換器，A/D轉換器按時間有規律地讀取（採樣）輸入信號，並將其轉換成用"0"和"1"表現的數值（2進位）。

為了將連續值（模擬信號）轉換為離散值（數位訊號），要對模擬信號進行"捨去"和"進位"處理。這種處理造成信息缺失,而產生了誤差。而為了減少誤差，就需要縮短轉換間隔和增加轉換時的位數。

那麼，"把模擬信號數位化"的好處在哪裡呢？它的好處就在於，數位訊號有較強的抗噪音能力，不容易被破壞，計算機處理起來比較容易。現在，隨著微處理器性能的不斷提高，已經可以高速、大量地處理數字信息。由於在信號傳輸和再現的過程中都不會造成信號質量下降，從而使數字電路得到了十分廣泛的應用。

強大的"2進位"

數位訊號表現數值的方法之一是"2進位"。2進位是以"0"和"1"表現數值的，各位數都是2的階乘。比如，4位2進位可以表現的整數是從0到15的值（ 表1）。更大的數值就要通過增加位數來表現了。

表1：10進位的2進位換算

最初在數位訊號中使用2進位的原因是因為電路的"開"和"關"可以很方便地用"1"和"0"來表示。並且，開（"1"）和關（"0"）在實際的 IC中分別用"H"和"L" 表現高電壓狀態和低電壓狀態。

在一般的CMOS IC中，當電源電壓為5V時，L表現為1.35V以下，H表現為3.15以上。像這樣用"0" 和"1"表示一定的電壓範圍，就可以形成在一定範圍噪音下，不會發生誤操作的牢固電路結構。

數字電路抗噪音強的理由，大家明白了嗎？沒錯，是因為用了2進位來表現數值。

什麼是邏輯電路

數字電路進行邏輯運算，也被稱為邏輯電路。邏輯電路的基本要素只有AND電路、OR電路和NOT電路這三種，通過這三種電路的不同組合可以做出具有各種功能的電路。

邏輯電路使用邏輯表達式和電路符號（這裡使用MIL符號，其他還有JIS符號）進行表示。另外，我們把邏輯電路的輸入信號和輸出信號的一覽表稱為真值表。

下面我們對3種基本邏輯電路進行說明。

1.

AND電路

AND電路也被稱為「 邏輯與」，只有當兩個輸入同時為1時，才會輸出1。邏輯表達式用「 」表示，例：Y=A B。

電路符號

真值表

讓我們仔細看一看AND電路的工作方式。如果用開關和LED來表現 AND電路的話，就是如下圖2所示的串聯電路。

開關A（SW A）的「開」和「關」表示輸入A的「1」和「0」

開關B（SW B）的「開」和「關」表示輸入B的「1」和「 0」

LED Y的亮起和熄滅以輸出Y的「1」和「0」表示

圖2：AND電路的運作方式

該AND電路的工作方式如下：

開關A和開關B都為「開」時，LED Y點亮

開關A或B只有一個為「開」，另一個為「關」時，LED Y熄滅

開關A和開關B都為「關」時，LED Y熄滅

基本邏輯電路也稱作門（gate）電路，可以通過單個輸入來固定輸出（關閉門），或反映輸出（打開門）。AND電路的門電路的工作情況可以用圖2的電路圖進行說明 ——A或B的開關之一固定為「關」，LED保持熄滅，也就是說輸出固定為「關」（關閉門）；相反，A或B的開關之一固定為「開」，未固定的另一個輸入能夠直接反映輸出（打開門）。

2.

OR電路

OR電路也被稱為「邏輯或」，只要有任何一個輸入為1，或者都為1的情況下，都會輸出1。邏輯表達式用「＋」表示，例：Y=A＋B。

電路符號

真值表

如果用開關和LED來表現OR電路的工作方式的話，就是如下圖3所示的並聯電路。由於是並聯電路，因此開關A（SW A）或開關B（SW B）中任意一個為「開」，或兩者均為「開」時，LED Y就點亮。

圖3：OR電路的運作方式

OR電路的門功能與 AND電路的工作方式正好相反 ——A和B的開關之一固定為「開」時，LED保持點亮，也就是說輸出固定為「開」（關閉門）；相反，A和B的開關之一固定為 「關」，未固定的另一個輸入能夠直接反映輸出（打開門）。

3.

NOT電路

NOT電路也被稱作變頻或反向電路，具有將輸入反向輸出的功能。是輸入為1時輸出0，輸入0時輸出1的電路。邏輯表達式用「 」表示 （例）Y=。

電路符號

真值表

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