將模擬電路數字化:邏輯電路篇
發布時間:2020-03-24 責任編輯:lina
【導讀】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"。而在計算機的世界裏,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"。
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"。而在計算機的世界裏,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(bi)方(fang)說(shuo)模(mo)擬(ni)和(he)數(shu)字(zi)就(jiu)相(xiang)當(dang)於(yu)實(shi)數(shu)與(yu)整(zheng)數(shu)的(de)關(guan)係(xi)。實(shi)數(shu)可(ke)以(yi)表(biao)示(shi)直(zhi)線(xian)上(shang)的(de)每(mei)一(yi)個(ge)點(dian),就(jiu)象(xiang)是(shi)模(mo)擬(ni),而(er)整(zheng)數(shu)隻(zhi)能(neng)表(biao)示(shi)直(zhi)線(xian)上(shang)的(de)特(te)定(ding)點(dian),就(jiu)象(xiang)是(shi)數(shu)字(zi)。
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",把處理離散信息數字信號的電路稱作"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,需要將信息數字化(模擬信號→數字信號)。進行"模擬信號→數字信號"轉換的是 A/D 轉換器,A/D 轉換器按時間有規律地讀取(采樣)輸入信號,並將其轉換成用"0"和"1"表現的數值(2 進製)。
為了將連續值(模擬信號)轉換為離散值(數字信號),要對模擬信號進行"舍去"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,"把模擬信號數字化"的de好hao處chu在zai哪na裏li呢ne?它ta的de好hao處chu就jiu在zai於yu,數shu字zi信xin號hao有you較jiao強qiang的de抗kang噪zao音yin能neng力li,不bu容rong易yi被bei破po壞huai,計ji算suan機ji處chu理li起qi來lai比bi較jiao容rong易yi。現xian在zai,隨sui著zhe微wei處chu理li器qi性xing能neng的de不bu斷duan提ti高gao,已yi經jing可ke以yi高gao速su、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 進製"
數字信號表現數值的方法之一是"2 進製"。2 進製是以"0"和"1"表現數值的,各位數都是 2 的階乘。比如,4 位 2 進製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 進製的 2 進製換算
最初在數字信號中使用 2 進製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 進製來表現數值。
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隻有 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(這裏使用 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。
下麵我們對 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”,隻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 隻有一個為“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”,隻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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