数字电路：基于二进制信号的逻辑与算术运算电路

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：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。用于处理二进制信号的电路就是数字电路，它利用电路的通断来表示信息的1或0。数字电路最重要的单元电路就是逻辑门。数字集成电路有各种门电路、触发器以及由它们构成的各种组合逻辑电路和时序逻辑电路。以二进制作为基础的数字逻辑电路，可靠性较强。3）集成度高、功能实现容易、体积小、功耗低是数字电路突出的优点之一。

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的功能，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。

数字电路与模拟电路不同，它不利用信号大小强弱来表示信息，它是利用电压的高低或电流的有无或电路的通断来表示信息的1或0，用一连串的1或0编码表示某种信息（由于只有1与0两个数码，所以叫二进制编码，图1-1所示为数字信号与模拟信号波形对照）。用于处理二进制信号的电路就是数字电路，它利用电路的通断来表示信息的1或0。其工作信号是离散的数字信号。电路中的晶体管的工作状态，即可产生数字信号，即时而导通、时而截止就可产生数字信号。

图1-1 数字信号与模拟信号波形对照

最初的数字集成器件为以双极型工艺制成的小规模逻辑器件，随后发展到中规模逻辑器件；20世纪70年代末，微处理器的出现，使数字集成电路的性能产生了质的飞跃，出现了大规模的数字集成电路。数字电路最重要的单元电路就是逻辑门。

数字集成电路是由许多逻辑门组成的复杂电路。与模拟电路相比，它主要进行数字信号的处理（即信号以0与1两个状态表示），因此抗干扰能力较强。数字集成电路有各种门电路、触发器以及由它们构成的各种组合逻辑电路和时序逻辑电路。一个数字系统一般由控制部件和运算部件组成，在时钟脉冲的驱动下，控制部件控制运算部件完成所要执行的动作。通过模拟-数字转换器、数字-模拟转换器，数字电路可以和模拟电路实现互连互通。

学习数字电路主要应掌握以下概念：

1）组合逻辑电路：组合逻辑电路简称组合电路，它由最基本的逻辑门电路组合而成。特点是：输出值只与当时的输入值有关，即输出唯一地由当时的输入值决定。电路没有记忆功能，输出状态随着输入状态的变化而变化，类似于电阻性电路，如加法器、译码器、编码器、数据选择器等都属于此类。

2）时序逻辑电路：简称时序电路，它是由最基本的逻辑门电路加上反馈逻辑电路（输出到输入）或器件组合而成的电路，与组合电路最本质的区别在于时序电路具有记忆功能。时序电路的特点是：输出不仅取决于当时的输入值，而且还与电路过去的状态有关。它类似于含储能元器件的电感或电容的电路，如触发器、锁存器、计数器、移位寄存器、存储器等电路都是时序电路的典型器件。

按电路有无集成元器件来分，可分为分立元器件数字电路和集成数字电路。

按集成电路的集成度进行分类，可分为小规模集成数字电路（SSI）、中规模集成数字电路（MSI）、大规模集成数字电路（LSI）和超大规模集成数字电路（VLSI）。按构成电路的半导体器件来分类，可分为双极型数字电路和单极型数字电路。

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可靠性的影响也比模拟电路小得多。

3）集成度高、功能实现容易、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）的发展也从元器件级、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。

数字电路的应用：数字电路与数字电子技术广泛地应用于电视、雷达、通信、电子计算机、自动控制、航天等科学技术领域。

数字电路的分类：包括数字脉冲电路和数字逻辑电路。前者研究脉冲的产生、变换和测量；后者对数字信号进行算术运算和逻辑运算。

数字电路：基于二进制信号的逻辑与算术运算电路

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