如何看懂數(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)字電路是因為電路中傳遞的雖然也是脈沖，但這些脈沖是用來表示二進制數(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)過數(shù)字化處理后變成了一串串電脈沖，它們被稱為數(shù)字信號。能處理數(shù)字信號的電路就稱為數(shù)字電路。

　　這種電路同時又被叫做邏輯電路，那是因為電路中的“ 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、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系。這種電路除了能進行二進制算術運算外還能完成邏輯運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、有運算和邏輯推理能力等優(yōu)點，因此被廣泛用于計算機、自動控制、通信、測量等領域。一般家電產(chǎn)品中，如定時器、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特點是為了突出“邏輯”兩個字，使用的是獨特的圖形符號。數(shù)字邏輯電路中有門電路和觸發(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簡化了的圖形符號去表示它們，而不畫出它們的具體電路，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組合起來畫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 0 和 1 ， 0 和 1 的組合關系沒有破壞就行，脈沖波形的好壞我們是不大理會的。所以數(shù)字邏輯電路的第二個特點是我們主要關心它能完成什么樣的邏輯功能，較少考慮它的電氣參數(shù)性能等問題。也因為這個原因，數(shù)字邏輯電路中使用了一些特殊的表達方法如真值表、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。

門電路和觸發(fā)器

　（ 1 ）門電路

　　門電路可以看成是數(shù)字邏輯電路中最簡單的元件。目前有大量集成化產(chǎn)品可供選用。

　　最基本的門電路有 3 種：非門、與門和或門。非門就是反相器，它把輸入的 0 信號變成 1 ， 1 變成 0 。這種邏輯功能叫“非”，如果輸入是 A ，輸出寫成 P=A 。與門有 2 個以上輸入，它的功能是當輸入都是 1 時，輸出才是 1 。這種功能也叫邏輯乘，如果輸入是 A 、 B ，輸出寫成 P=A·B 。或門也有 2 個以上輸入，它的功能是輸入有一個 1 時，輸出就是 1 。這種功能也叫邏輯加，輸出就寫成 P=A ＋ B 。

　　把這三種基本門電路組合起來可以得到各種復合門電路，如與門加非門成與非門，或門加非門成或非門。圖 1 是它們的圖形符號和真值表。此外還有與或非門、異或門等等。

　　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。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電路復雜，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)器有一個輸入端 D 和一個時鐘信號輸入端 CP ，為了區(qū)別在 CP 端加有箭頭。它有兩個輸出端，一個是 Q 一個是 Q ，加有小圈的輸出端是 Q 端。另外它還有兩個預置端 R D 和 S D ，平時正常工作時要 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 端稱為置 0 端， S D 端稱為置 1 端。 D 觸發(fā)器的邏輯符號見圖 2 ，圖中 Q 、 D 、 SD 端畫在同一側； Q 、R D 畫在另一側。 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，它的輸出和 D 的狀態(tài)相同。如 D=0 ， CP 來到后， Q=0 ；如 D=1 ， CP 來到后， Q=1 。 CP 脈沖起控制開門作用，如果 CP=0 ，則不管 D 是什么狀態(tài)，觸發(fā)器都維持原來狀態(tài)不變。這樣的邏輯功能畫成表格就稱為功能表或特性表，見圖 2 。表中 Q n+1 表示加上觸發(fā)信號后變成的狀態(tài)， Qn 是原來的狀態(tài)。“ X ”表示是 0 或 1 的任意狀態(tài)。

　　有的 D 觸發(fā)器有幾個 D 輸入端： D 1 、 D 2 … 它們之間是邏輯與的關系，也就是只有當 D 1 、 D 2 … 都是 1 時，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。它有兩個輸入端： J 端和 K 端，一個 CP 端，兩個預置端： R D 端和 S D 端，以及兩個輸出端： Q 和 Q 端。它的邏輯符號見圖 3 。 J － K 觸發(fā)器是在 CP 脈沖的下陣沿觸發(fā)翻轉的，所以在 CP 端畫一個小圓圈以示區(qū)別。圖中， J 、 S D 、 Q 畫在同一側， K 、 R D 、 Q 畫在另一側。

　　J － K 觸發(fā)器的邏輯功能見圖 3 。有 CP 脈沖時（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)器翻轉一下： Q n ＋ 1 =Qn 。如果不加時鐘脈沖，即 CP=0 時，不管 J 、 K 端是什么狀態(tài)，觸發(fā)器都維持原來狀態(tài)不變： Q n ＋ 1 =Qn 。有的 J—K 觸發(fā)器同時有好幾個 J 端和 K 端， J 1 、 J 2 … 和 K 1 、 K 2 … 之間都是邏輯與的關系。有的 J － K 觸發(fā)器是在 CP 的上升沿觸發(fā)翻轉的，這時它的邏輯符號圖的 CP 端就不帶小圓圈。也有的時候為了使圖更簡潔，常常把 R D 和 S D 端省略不畫。

　　能夠把數(shù)字、字母變換成二進制數(shù)碼的電路稱為編碼器。反過來能把二進制數(shù)碼還原成數(shù)字、字母的電路就稱為譯碼器。

　（ 1 ）編碼器

　　圖 4 （ a ）是一個能把十進制數(shù)變成二進制碼的編碼器。一個十進制數(shù)被表示成二進制碼必須 4 位，常用的碼是使從低到高的每一位二進制碼相當于

十進制數(shù)的 1 、 2 、 4 、 8 ，這種碼稱為 8 － 4 － 2 － 1 碼或簡稱 BCD 碼。所以這種編碼器就稱為“ 10 線 -4 線編碼器”或“ DEC ／ BCD 編碼器”。

　　從圖看到，它是由與非門組成的。有 10 個輸入端，用按鍵控制，平時按鍵懸空相當于接高電平 1 。它有 4 個輸出端 ABCD ，輸出 8421 碼。如果按下“ 1 ”鍵，與“ 1 ”鍵對應的線被接地，等于輸入低電平 0 、于是門 D 輸出為 1 ，整個輸出成 0001 。

　　如按下“ 7 ”鍵，則 B 門、 C 門、 D 門輸出為 1 ，整個輸出成 0111 。如果把這些電路都做在一個集成片內(nèi)，便得到集成化的 10 線 4 線編碼器，它的邏輯符號見圖 4 （ b ）。左側有 10 個輸入端，帶小圓圈表示要用低電平，右側有 4 個輸出端，從上到下按從低到高排列。使用時可以直接選用。

　（ 2 ）譯碼器

　　要把二進制碼還原成十進制數(shù)就要用譯碼器。它也是由門電路組成的，現(xiàn)在也有集成化產(chǎn)品供選用。圖 5 是一個 4 線 —10 線譯碼器。它的左側為 4 個二進制碼的輸入端，右側有 10 個輸出端，從上到下按 0 、 1 、 …9 排列表示 10 個十進制數(shù)。輸出端帶小圓圈表示低電平有效。平時 10 個輸出端都是高電平 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 ”。可見要把十進制數(shù)用七段顯示管顯示出來還要經(jīng)過一次譯碼。如果使用“ 4 線 —7 線譯碼器”和顯示管配合使用，就很簡單，輸入二進制碼可直接顯示十進制數(shù)，見圖 6 。譯碼器左側有 4 個二進制碼的輸入端，右側有 7 個輸出可直接和數(shù)碼管相連。左上側另有一個滅燈控制端 I B ，正常工作時應加高電平 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。

　　如果要想把十進制數(shù)顯示出來，就要使用數(shù)碼管。現(xiàn)以共陽極發(fā)光二極管（ LED ）七段數(shù)碼顯示管為例，見圖 6 。它有七段發(fā)光

寄存器和移位寄存器

　（ 1 ）寄存器

　　能夠把二進制數(shù)碼存貯起來的的部件叫數(shù)碼寄存器，簡稱寄存器。圖 7 是用 4 個 D 觸發(fā)器組成的寄存器，它能存貯 4 位二進制數(shù)。 4 個 CP 端連在一起作為控制端，只有 CP=1 時它才接收和存貯數(shù)碼。 4 個 R D 端連在一起成為整個寄存器的清零端。如果要存貯二進制碼 1001 ，只要把它們分別加到觸發(fā)器 D 端，當 CP 來到后 4 個觸發(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。要想取出這串數(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 CP 稱為移位脈沖。

　　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 CP 后， 1 被打入第 1 個觸發(fā)器，寄存器成 0001 ；第 2 個 CP 后， Qo 的 1 被移入 Q 1 ，新的 0 打入 D 1 ，成為 0010 ；第 3 個 CP 后，成為 0100 ；第 4 個 CP 后，成為 1001 。

　　可見經(jīng)過 4 個 CP ，寄存器就寄存了 4 位二進制碼 1001 。目前已有品種繁多的集成化寄存器供選用。

計數(shù)器和分頻器

　（ 1 ）計數(shù)器

　　能對脈沖進行計數(shù)的部件叫計數(shù)器。計數(shù)器品種繁多，有作累加計數(shù)的稱為加法計數(shù)器，有作遞減計數(shù)的稱為減法計數(shù)器；按觸發(fā)器翻轉來分又有同步計數(shù)器和異步計數(shù)器；按數(shù)制來分又有二進制計數(shù)器、十進制計數(shù)器和其它進位制的計數(shù)器等等。

　　現(xiàn)舉一個最簡單的加法計數(shù)器為例，見圖 9 。它是一個 16 進制計數(shù)器，最大計數(shù)值是 1111 ，相當于十進制數(shù) 15 。需要計數(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 J=1 、 K=1 時來一個 CP ，觸發(fā)器便翻轉一次。在全部清零后， ① 第 1 個 CP 后沿，觸發(fā)器 C0 翻轉成 Q0=1 ，其余 3 個觸發(fā)器仍保持 0 態(tài)，整個計數(shù)器的狀態(tài)是 0001 。 ② 第 2 個 CP 后沿，觸發(fā)器 C0 又翻轉成“ Q0=0 ， C1 翻轉成 Q1=1 ，計數(shù)器成 0010 。 …… 到第 15 個 CP 后沿，計數(shù)器成 1111 。可見這個計數(shù)器確實能對 CP 脈沖計數(shù)。

　（ 2 ）分頻器

　　計數(shù)器的第一個觸發(fā)器是每隔 2 個 CP 送出一個進位脈沖，所以每個觸發(fā)器就是一個 2 分頻的分頻器， 16 進制計數(shù)器就是一個 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 赫標準信號脈沖，經(jīng)過 15 級 2 分頻處理得到 1 赫的秒信號。因為晶體振蕩器的準確度和穩(wěn)定度很高，所以得到的秒脈沖信號也是精確可靠的。把它們做到一個集成片上便是電子手表專用集成電路產(chǎn)品，見圖 10 。

數(shù)字邏輯電路讀圖要點和舉例

　　數(shù)字邏輯電路的讀圖步驟和其它電路是相同的，只是在進行電路分析時處處要用邏輯分析的方法。讀圖時要： ① 先大致了解電路的用途和性能。

② 找出輸入端、輸出端和關鍵部件，區(qū)分開各種信號并弄清信號的流向。

③ 逐級分析輸出與輸入的邏輯關系，了解各部分的邏輯功能。

④ 最后統(tǒng)觀全局得出分析結果。

　　例 1 三路搶答器

　　圖 11 是智力競賽用的三路搶答器電路。裁判按下開關 SA4 ，觸發(fā)器全部被置零，進入準備狀態(tài)。這時 Q1 ～ Q3 均為 1 ，搶答燈不亮；門 1 和門 2 輸出為 0 ，門 3 和門 4 組成的音頻振蕩器不振蕩，揚聲器無聲。

　　競賽開始，假定 1 號臺搶先按下 SA1 ，觸發(fā)器 C1 翻轉成 Q1=1 、 Q1=0 。于是： ① 門 2 輸出為 1 ，振蕩器振蕩，揚聲器發(fā)聲； ②HL1 燈點亮； ③ 門 1 輸出為 1 ，這時 2 號、 3 號臺再按開關也不起作用。裁判宣布競賽結果后，再按一下 SA4 ，電路又進入準備狀態(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。開始時按下 SA ，觸發(fā)器 C1 ～ C4 被置成 1000 ，彩燈 HL1 被點亮。 CP 脈沖來到后，寄存器移 1 位，觸發(fā)器 C1 ～ C4 成 0100 ，彩燈 HL2 點亮。第 2 個 CP 脈沖點亮 HL3 ，第 3 個點亮 HL4 ，第 4 個 CP 又把觸發(fā)器 C1 ～ C4 置成 1000 ，又點亮 HL1 。如此循環(huán)往復，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。