數(shù)字電路及其應(yīng)用復(fù)習(xí)資料

 當(dāng)今時代，數(shù)字電路已廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。本報將在“電路與制作”欄里，刊登系列文章介紹數(shù)字電路的基本知識和應(yīng)用實例。
　　
　　在介紹基本知識時，我們將以集成數(shù)字電路為主，該電路又分TTL和CMOS兩種類型，這里又以CMOS集成數(shù)字電路為主，因它功耗低、工作電壓范圍寬、扇出能力強(qiáng)和售價低等，很適合電子愛好者選用。
　　
　　介紹應(yīng)用時，以實用為主，特別介紹一些家電產(chǎn)品和娛樂產(chǎn)品中的數(shù)字電路。這樣可使剛?cè)腴T的電子愛好者盡快學(xué)會和使用數(shù)字電路。
　　
　　一、基本邏輯電路1.數(shù)字電路的特點在電子設(shè)備中，通常把電路分為模擬電路和數(shù)字電路兩類，前者涉及模擬信號，即連續(xù)變化的物理量，例如在24小時內(nèi)某室內(nèi)溫度的變化量；后者涉及數(shù)字信號，即斷續(xù)變化的物理量，如圖1所示。當(dāng)把圖1的開關(guān)K快速通、斷時，在電阻R上就產(chǎn)生一連串的脈沖（電壓），這就是數(shù)字信號。人們把用來傳輸、控制或變換數(shù)字信號的電子電路稱為數(shù)字電路。
　　
　　數(shù)字電路工作時通常只有兩種狀態(tài)：高電位（又稱高電平）或低電位（又稱低電平）。通常把高電位用代碼“1”表示，稱為邏輯“1”；低電位用代碼“0”表示，稱為邏輯“0”（按正邏輯定義的）。注意：有關(guān)產(chǎn)品手冊中常用“H”代表“1”、“L”代表“0”。實際的數(shù)字電路中，到底要求多高或多低的電位才能表示“1”或“0”，這要由具體的數(shù)字電路來定。例如一些TTL數(shù)字電路的輸出電壓等于或小于0.2V，均可認(rèn)為是邏輯“0”，等于或者大于3V，均可認(rèn)為是邏輯“1”（即電路技術(shù)指標(biāo)）。CMOS數(shù)字電路的邏輯“0”或“1”的電位值是與工作電壓有關(guān)的。
　　
　　討論數(shù)字電路問題時，也常用代碼“0”和“1”表示某些器件工作時的兩種狀態(tài)，例如開關(guān)斷開代表“0”狀態(tài)、接通代表“1”狀態(tài)。
　　
　　2.三種基本邏輯電路數(shù)字電路中的基本電路是與門、或門和非門（反相器）。與門和或門電路的基本形式有兩個或兩個以上的輸入端、一個輸出端。因輸入和輸出可以各自為“0”或“1”狀態(tài)，具有判定的功能，所以把它們稱為基本邏輯電路。三種基本邏輯電路的符號（圖形）和主要表達(dá)式如附表所示。該表對初學(xué)者可能難于理解，一旦了解之后就會覺得比通常的模擬電路還簡單些。
　　
　　（1）與門電路。以下討論的與門是2輸入端的，它對多端輸入的與門同樣適用。2輸入端與門的功能設(shè)計成這樣：當(dāng)輸入端A、B同時都為邏輯“1”狀態(tài)時，輸出Z才是邏輯“1”狀態(tài)。2輸入端與門的這種邏輯關(guān)系可以用圖2模式的電路描述。對圖2，這里作如下規(guī)定：開關(guān)K1、K2斷開時，代表輸入A、B的“0”狀態(tài)、接通時代表輸入A、B的“1”狀態(tài)；燈L滅代表輸出的Z的“0”狀態(tài)，燈L亮代表輸出Z的“1”狀態(tài)。之后將開關(guān)K1、K2“接通”和“斷開”的各種組合狀態(tài)，以及由此引起燈“亮”和“滅”的輸出狀態(tài)列成表格，該表格叫做真值表，，如附表中所示。從真值表中看出，要使燈L點亮，即輸出Z必須是“1”狀態(tài)，輸入的A、B也必須是“1”狀態(tài)。
　　
　　具有圖2模式電路功能（指輸入、輸出關(guān)系）的電路稱為2輸入端與門，并用附表中的邏輯符號來代表。
　　
　　（2）或門和非門。或門的邏輯關(guān)系如下：各輸入端只要有一個狀態(tài)為“1”時，輸出便是“1”。非門只有一個輸入端和一個輸出端，并且其輸出狀態(tài)總是和輸入狀態(tài)相反的，即求“反”。這里同樣可以用圖3和圖4模式的電路分別描述或門和非門的功能，也可以作相應(yīng)的真值表，繪出邏輯符號，如附表中所示。
　　
　　3.邏輯函數(shù)的表示方法在邏輯電路的設(shè)計時，常用四種方法表示邏輯電路的函數(shù)關(guān)系（指輸入、輸出關(guān)系），即邏輯圖、真值表、函數(shù)表達(dá)式和卡諾圖。附表中僅列出了三種表達(dá)式，實際應(yīng)用中邏輯圖和真值表是最常用的，應(yīng)必須掌握的；函數(shù)表達(dá)式和卡諾圖主要供設(shè)計人員按要求設(shè)計數(shù)字邏輯電路時使用。
　　
　　數(shù)字電路及其應(yīng)用（二）
　　
　　1999年電子報第17期
　　
　　現(xiàn)在數(shù)字集成電路產(chǎn)品已完全取代了早期分立元件組成的數(shù)字電路。數(shù)字電路產(chǎn)品的種類愈來愈多，其分類方法也有多種。若按用途來分，可分成通用型的IC（中、小規(guī)模IC）產(chǎn)品，微處理（MPU）
　　
　　產(chǎn)品和面向特定用途的IC產(chǎn)品三大類?？删幊踢壿嬈骷翘囟ㄓ猛井a(chǎn)品的一個重要分支。若按邏輯功能來分，可以分成組合邏輯電路，簡稱組合電路，如各種門電路，各種編譯碼器；時序邏輯電路，簡稱為時序電路，如各種觸發(fā)器、各種計數(shù)器、各種寄存器等。若按電路結(jié)構(gòu)來分，可分成TTL型和CMOS型兩大類。
　　
　　常見的TTL54/74系列，有如下的共同的特性：電源電壓為5.0V，邏輯“0”輸出電壓為≤0.2V，邏輯“1”輸出電壓為≥3.0V和抗擾度為1.0V. CMOS數(shù)字集成電路比TTL型占有更多的優(yōu)點，前者的工作電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、輸入阻抗高、成本低等。所以電子鐘表、電子計算器等均用了該種電路。鑒于此，以后介紹數(shù)字集成電路時，主要以CMOS型為實例。
　　
　　CMOS數(shù)字集成電路品種繁多，包括了各種門電路、編譯碼器、觸發(fā)器、計數(shù)器和存貯器等上百種器件。
　　
　　二、CMOS集成電路的應(yīng)用1.常用特性（1）工作電源電壓。常用的CMOS集成電路工作電壓范圍為3～18V（也有7～15V的，如國產(chǎn)的C000系列），因此使用該種器件時，電源電壓靈活方便，甚至未加穩(wěn)壓的電源也可使用。（2）供電引腳。CMOS集成電路外加供電時其引腳如圖5所示。（3）輸入阻抗高。CMOS電路的輸入端均有保護(hù)二極管和串聯(lián)電阻構(gòu)成的保護(hù)電路，在正常工作范圍內(nèi)，保護(hù)二極管均處于反向偏置狀態(tài)，直流輸入阻抗取決于這些二極管的泄漏電流。通常情況下，等效輸入電阻大于108Ω，因此驅(qū)動CMOS集成電路時，所消耗的驅(qū)動功率幾乎可以不計。（4）輸出電流。CMOS集成電路的輸出電流（指內(nèi)部各獨(dú)立功能的輸出端）一般是10mA，所以使用時應(yīng)加推動級輸出，但輸出端若連接CMOS電路時（即扇出能力），因CMOS電路的輸入阻抗高，對于低頻工作時，一個輸出端可以帶動50個以上輸入端，實際上幾乎不需考慮扇出功能的限制。（5）抗干擾能力強(qiáng)。CMOS電路抗干擾能力是指電路在干擾噪聲的作用下，能維持電路原來的邏輯狀態(tài)并正確進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。電路的抗干擾能力通常以噪聲容限來表示，即直流電壓噪聲容限、交流（指脈沖）噪聲容限和能量噪聲（指輸入端積累的噪聲能量）三種。直流噪聲容限可達(dá)電源電壓的40％以上，所以使用的電源電壓越高，抗干擾能力越強(qiáng)。這是工業(yè)中使用CMOS邏輯電路時，都采用較高的供電電壓的原因。TTL相應(yīng)的噪聲容限只有0.8V（因TTL工作電壓為5V）。（6）說明。目前市場上數(shù)字電路產(chǎn)品進(jìn)口的較多，產(chǎn)品型號的前綴為公司代號，如MC、CD、μPD、HFE分別代表摩托羅拉半導(dǎo)體（MOTA）、美國無線電（RCA）、日本電氣（NEC）、菲力蒲等公司。各產(chǎn)品的后綴相同的型號均可互換。
　　
　　為了引起初學(xué)者的興趣，筆者以下介紹時，先從應(yīng)用電路切入，同時介紹它們的使用方法，以便能快速掌握它們的應(yīng)用。
　　
　　湖北王紹華成都遙約
　　
　　數(shù)字電路及其應(yīng)用（三）
　　
　　1999年電子報第18期
　　
　　2.CMOS門電路的應(yīng)用門電路是一種基本邏輯部件，用它們可以構(gòu)成組合邏輯和時序邏輯電路。
　　
　　CMOS門電路產(chǎn)品種類很多，均可從相應(yīng)的手冊上查到，但歸納起來有八類：反相器、與非門、或非門、與門、或門、緩沖/電平變換器、組合邏輯和具有三態(tài)輸出的邏輯門等。熟悉門電路的特性和應(yīng)用，可為學(xué)習(xí)各種數(shù)字設(shè)備（包括PC機(jī)硬件）的工作原理打下良好的基礎(chǔ)。
　　
　?。?）環(huán)形振蕩器。CD4069是六反相器集成電路（IC），采用雙列式塑封裝（14引腳），如圖6所示。該IC內(nèi)含六個獨(dú)立的反相器。每個反相器均可執(zhí)行邏輯的反相操作。用它還可構(gòu)成振蕩器、脈沖整形和小信號的電壓放大等。圖7是用奇數(shù)級（3）的反相器串聯(lián)，并首尾相接構(gòu)成的環(huán)形振蕩器電路，它的輸出波形如圖8所示。振蕩器的工作是基于電平通過每個反相器時，需要一定的傳輸時間τ，即每個反相器均存在電平傳輸?shù)难舆t而形成的方波輸出。例如，當(dāng)圖7電路加電時，其輸出端設(shè)定為“0”電平（也可設(shè)定為“1”電平），按圖的環(huán)形連接法，A點也為“0”電平。根據(jù)反相器求反邏輯，反相器Ⅰ的輸出為“1”電平，從Ⅰ的輸入到Ⅰ的輸出電平的傳輸延時為τ。同理電平通過反相器Ⅱ和Ⅲ時，共需傳輸2τ的時間?！?”電平從A的輸入到Ⅲ的輸出端需傳輸3τ的時間。按反相器求反的功能，從Ⅰ的A點“0”電平經(jīng)3τ后，Ⅲ的輸出端從原來的“0”電平轉(zhuǎn)為“1”電平。該“1”
　　
　　電平又到A點，再經(jīng)3τ又到Ⅲ的輸出端使輸出又從“1”電平轉(zhuǎn)到“0”電平。結(jié)果，在Ⅲ的輸出端形成圖8的方波。從方波的形成過程可知，該方波的周期T=6τ。
　　
　　由于τ的時間很短，所以方波的頻率很高，只有用示波器才能把波形顯示出來。由于該電路簡單，所以工廠中批量用它時，常用圖7的電路并配上示波器以檢查CD4069產(chǎn)品的好壞，并從波形的周期上估算它們的傳輸特性。
　　
　　圖9是圖7方波發(fā)生器的改進(jìn)電路，特點是輸出的方波頻率是可調(diào)的。圖9電路中，增加了附加的RC電路，使電平從反相器Ⅱ的輸入端到Ⅱ的輸出端，因RC的充放電時間常數(shù)遠(yuǎn)大于反相器的傳輸時間，電平通過反相器Ⅱ時，延時大大增加，加之R是可調(diào)電阻，結(jié)果在Ⅲ的輸出端形成的方波，其頻率是可調(diào)的。輸出的方波周期可根據(jù)公式T=2RC估算，按圖的RC值，方波的頻率下限約1Hz.圖9的電路，因電路簡單，一裝即成，對頻率穩(wěn)定度要求不高的場合是很適用的。若再配上圖10的LED驅(qū)動電路，并把R值取大些，可觀察到LED的發(fā)光閃動。利用該組合電路，無需配接示波器，就可批量、快速檢查CD4069產(chǎn)品的好壞。如果將驅(qū)動級管子BG換成9018，其集電極上插入電聲器件（LED、R2去掉），調(diào)整R值，使組合電路工作在音頻段，就可作訊響器。過去一些電碼練習(xí)器就是用了這種電路作訊響器的。
　　
　　湖北王紹華成都遙約
　　
　　數(shù)字電路及