什么是数字电路

　　用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路，或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。逻辑门是数字逻辑电路的基本单元。存储器是用来存储二进制数据的数字电路。从整体上看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。

　　

　　学习数字电路的重要性

　　随着社会的进步和科学技术的发展，数字系统和数字设备已广泛应用于各个领域，大规模，超大规模集成电路技术的不断完善使得数字电路在现代电子系统的比重越来越大，数字电路建立了根本是信号的数字处理，这门学科现在发展的很快，随之，数字电路的设计理念也日新月异，可以说现在设备之间的竞争很大程度上就是其数字处理能力的抗衡，是数电工程师在推动系统的变迁，他们是系统的核心竞争力量。

　　现在的超大规模集成芯片已经向系统级芯片的方向发展，FPGA（Field Programmable Gate Array即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点） 已经可以达到ASIC（ApplicaTIon Specific Intergrated Circuits即专用集成电路，是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路） 的水平（如XILINX的V2 pro），所以工程师们有了更大发挥空间。说句半玩笑的话，一旦实现软件无线电，模电的工程师就可以下岗了。因而电子信息技术、计算机技术以及相关技术领域的工程师和技术人员必须掌握数字系统的基础知识。挑战和机遇并存，作为当代大学生和有志青年，储备知识、培养能力是当务之急，因此学好数字电子技术是非常必要的。

　　

　　数字电路的特点

　　1、同时具有算术运算和逻辑运算功能

　　数字电路是以二进制逻辑代数为数学基础，使用二进制数字信号，既能进行算术运算又能方便地进行逻辑运算（与、或、非、判断、比较、处理等），因此极其适合于运算、比较、存储、传输、控制、决策等应用。

　　2、实现简单，系统可靠

　　以二进制作为基础的数字逻辑电路，可靠性较强。电源电压的小的波动对其没有影响，温度和工艺偏差对其工作的可靠性影响也比模拟电路小得多。

　　3、集成度高，功能实现容易

　　集成度高，体积小，功耗低是数字电路突出的优点之一。电路的设计、维修、维护灵活方便，随着集成电路技术的高速发展，数字逻辑电路的集成度越来越高，集成电路块的功能随着小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）的发展也从元件级、器件级、部件级、板卡级上升到系统级。电路的设计组成只需采用一些标准的集成电路块单元连接而成。对于非标准的特殊电路还可以使用可编程序逻辑阵列电路，通过编程的方法实现任意的逻辑功能。

　　

　　数字电路的优点

　　1、稳定性好

　　数字电路不像模拟电路那样易受噪声的干扰。

　　2、可靠性高

　　数字电路中只需分辨出信号的有与无，故电路的组件参数，可以允许有较大的变化（漂移）范围。

　　3、可长期存储

　　数字信息可以利用某种媒介，如磁带、磁盘、光盘等进行长时期的存储。

　　4、便于计算机处理

　　数字信号的输出除了具有直观、准确的优点外，最主要的还是便于利用电子计算机来进行信息的处理。

　　5、便于高度集成化

　　由于数字电路中基本单元电路的结构比较简单，而且又允许组件有较大的分散性，这就使我们不仅可把众多的基本单元做在同一块硅片上，同时又能达到大批量生产所需要的良率。

　　

　　数字电路的学习方法

　　数字电路所需的先修课程是电路分析基础和模拟电路，后续课程是微机原理、微型计算机、接口技术等。

　　数字电路在研究的对象和方法上都跟模拟电路有很大的不同，表1把它们作了一个简单的对比。

　　

　　显然，模拟电路和数字电路的差异是很大的，初学者应当在学习方法上作一些改变，以适应数字电路的特点，才能取得良好的效果。

　　1、在数字电路中，所有的变量都归结为0和1两个对立的状态。通常，我们只需关心信号的有或无，电平的高或低，开关的通或断，等等，而不必理会某个变量的详细数值。比如电平幅值的微小变化就可能毫无意义。

　　2、数字电路的研究方法以逻辑代数（又称布尔代数）作为数学基础。它主要研究输入，输出变量之间的逻辑关系，并建立了一套逻辑函数运算及化简的方法。布尔代数又称双值代数，由于其变量取值只有0和1两种可能，比之模拟电路，数字电路中没有复杂的计算问题。

　　3、由于数字集成电路技术的高度发展，数字电路更鲜明地体现了管路合一的特点。初学者应充分注意这一特点。一般来说，学习电路结构不是我们的目的，目的是掌握电路功能。

　　数字电路学习要点

　　1、数字电路基础

　　要知道：数字信号中的1和0所表示的广泛含义，十进制数二进制数十六进制数的表示方法和相互之间的转换方法；8421bcd码的表示方法及其与十进制数的转换方法，逻辑函数逻辑变量逻辑状态的含义，与或非所表示的逻辑事件逻辑函数真值表的含义及表示规律和方法。

　　会写出：逻辑与、或、非、与非、或非、与或非、异或、同或等的逻辑表达式，真值表、逻辑符号及其规律；逻辑函数式、真值表及其逻辑图三者之间的转化，负逻辑符号的逻辑式。 会使用：逻辑代数化简逻辑函数式；最小项及其编号表示逻辑函数式，卡诺图化简逻辑函数式。

　　2、集成逻辑门电路

　　要知道：逻辑电路高电平低电平与正负逻辑状态的关系。cmos反相器阈值电压uth的含义与所表示的性能。逻辑符号控制端符号上非号、小圆圈含义及其门电路上小圆圈符号含义的区别。三态门使能控制的作用及输出高阻的含义。

　　会画出：od门oc门传输门三态门的逻辑符号。与门、或门、非门、与非门、或非门输入波形所对应的输出波形。

　　会使用：oc门od门传输门三态门的功能。 会处理：cmos集成逻辑电路的存放和焊接的措施，各种门电路空余的输入端，各种门电路系列间的接口。

　　3、组合逻辑电路

　　要知道：组合逻辑电路的特点，组合逻辑电路的分析步骤和设计步骤，编码器译码器数据分配器和数据选择器的含义。

　　会分析：用逻辑函数化简表达式、真值表描述的组合逻辑电路的逻辑功能。

　　会设计：根据逻辑事件设定输入和输出变量及其逻辑状态的含义，根据因果关系列出真值表，写出逻辑函数式并进行化简后的逻辑图。

　　会使用：用功能表表示的各种中规模集成器件的编码器、优先编码器、译码器、数码显示七段译码管、数据选择器的引脚功能。

　　4、集成触发器

　　要知道：触发器的工作特点、基本rs触发器功能、同步触发器特点、脉冲边沿触发器工作的特点，t和t’触发器的功能。

　　会画出：与非门、或非门组成基本rs触发器的电路及逻辑符号图，上升边沿触发的d触发器、下边沿触发的jk触发器和逻辑符号图及其输出波形图，用jk和d触发器构成t’触发器的连线图。

　　会写出：rs触发器，d触发器，jk触发器的状态方程式。

　　会背出：jk触发器的输出q的状态在cp下降沿作用下与输入jk状态下的关系。

　　会使用：集成触发器的直接置位，复位端sd、rd的状态在各种情况下的设置方法。

　　

　　5、时序逻辑电路

　　要知道：时序逻辑电路的工作特点、同步时序逻辑电路的分析方法， 寄存器和移位存储器及计数器的功能，同步和异步的含义。

　　会使用：由功能表所反映的双向移位寄存器、各种类型各种型号中规模集成设计器引脚功能、异步和同步清零或置数。

　　会画出：用反馈清零、反馈置数方法在异步或同步情况下的n进制计数器电路连线。

　　6、脉冲电路

　　要知道：微分积分电路功能；555定时器各引脚功能、阈值输入端及输出端电压的逻辑规律；单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器三种电路的基本功能。 会选用：实现脉宽定时，延时控制脉冲，脉宽调制、波形变换、整形、声响电源、时钟脉冲、标准时基脉冲信号等功能的电路结构类型。 会识别：各类结构单稳态触发器对输入触发脉宽的要求和有效触发的沿口类型。

　　会画出：施密特触发器的波形变换或整形的输出波形。

　　会计算：各类结构触发器的输出脉宽、各类结构多谐振荡器的振荡频率。

　　7、半导体存储器

　　要知道：只读存储器（rom）和随机存储器（ram）的逻辑功能和两者性能的区别，存储器地址译码器的功能，地址输入线与字线w下标i数值的关系，字线位线存储单元的区别。

　　prom的三种类型及其工作性能的区别，ram中两类存储单元结构的区别。

　　会计算：半导体存储器的存储容量。

　　会画出：ram存储容量字扩展和位扩展的电路连线。

　　8、数/模和模/数转换器

　　要知道：数/模和模/数转换器的功能、r~2r倒t形电阻网路dac输入数字量与输出电压关系式；数模转换器的采样保持量化和编码含义、v~t型双积分式和逐次逼近型两种ad转换器的基本工作原理和特点。

　　会计算：用电压值表示不同位数的adc或dac的分辨率和允许最大误差。

　　9、数字电路与模拟电路学习中的区别

　　数字电路所需的先修课程是电路分析基础和模拟电路，后续课程是微机原理、微型计算机、接口技术等。

　　

　　学习数字电路的注意事项

　　1、注重掌握基本概念、基本原理、基本分析和设计方法

　　数字电子技术发展很快，各种用途的电路千变万化，但它们具有共同的特点，所包含的基本原理和基本分析和设计方法是相通的。我们要学习的不是各种电路的简单罗列，不是死记硬背各种电路，而是要掌握它们的基本概念、基本原理、基本分析与设计方法。只有这样才能对给出的任何一种电路进行分析，或者根据要求设计出满足实际需要的数字电路。

　　2、抓重点，注重掌握功能部件的外特性

　　数字集成电路的种类很多，各种电路的内部结构及内部工作过程千差万别，特别是大规模集成电路的内部结构更为复杂。学习这些电路时，不可能也没有必要一一记住它们，主要是了解电路结构特点及工作原理，重点掌握它们的外部特性（主要是输入和输出之间的逻辑功能）和使用方法，并能在此基础上正确地利用各类电路完成满足实际需要的逻辑设计。

　　3、注意归纳总结

　　数字集成电路的应用广泛，学好数字电子技术课程需要掌握一些典型电路，因为这些典型电路是构成数字系统的部件。掌握它们包括了解它们的功能、结构特点及应用背景，并注意总结归纳，掌握其本质。例如，译码器和数据选择器都可以实现逻辑函数，但两者的区别是，一个n位二进制输入端的译码器，只能用于产生变量数不大于n的组合逻辑函数，它可以附加门电路，实现多个输出的组合逻辑电路二一个n个地址输人端的数据选择器，可以实现变量数为n+1的逻辑函数。由于数据选择器只有一个输出端，所以只能实现单个输出的逻辑函数。

　　4、注意理论联系实际

　　电子技术基础课程学习的最终落脚点是对实际电路的分析和设计。经过理论分析和计算得到 的设计结果还必须搭建实际电路进行测试，以检验是否满足设计要求。由于电子器件的电气特性具有分散性，理论设计出的电路在实际中也会出现意想不到的现象。例如用实验验证计数器74161和一些门构成的六十进制计数译码显示电路。一些同学的理论设计和线路连接均没有问题，但实验中出现了由竞争冒险产生的错误计数，此时只要在反馈门的输出端与地之间接一个小电容。即可消除竞争冒险。

　　5、注意新技术的学习

　　电子技术的发展是以电子器件的发展为基础的，新的器件层出不穷，旧的器件随时被淘汰。因此教材中出现的集成电路芯片有可能已不生产，要用发展的观点使用教材。