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什么是
“
模拟
”
和
“
数字
”
在自然界中
,
象声音、温度、光等信息是以连续的值进行变化的。这种连续值就
称作
“
模
拟
”
。
而在计算机的世界里，信息是以一段一段的离散值表示的。这种离散值就称作
“
数字
”
。
< br>
比方说模拟和数字就相当
于实数与整数的关系。实数可以表示直线上的每一个点
,
就象<
/p>
是模拟，而整数只能表示直线上的特定点
,
就象是数字。
于是，
我们把处理连续信息的
——
模拟信号的电路称作
“
模拟电路
”
，
把处理离散信息
——
数字信号的电路称作
“
数字电路
”
。
图
1
：模拟
与数字的不同
< br>为了将自然界的模拟信息输入到象计算机那样的数字电路，需要将信息数字化
(<
/p>
模拟信
号→数字信号
)
< br>。
进行
“
模拟信号→数字信号
”
转换的是
A/D
转换器。
A/D
转换器按时间有规律地读取
(
采
样
)
输入信号，并将其转换成用<
/p>
“0”
和
“1”
表现的数值
(2
进制
)
。
为了将连续值
(
模拟信号
)
转换为离散值
(
数字信号
)
，要对模拟信号进行
“
舍去
”
和
“
进位
”
处理。这种处理造成信息缺失
,
而产生了误差。而为了减少误差，就需要缩短转换间隔和增
加转换时的位数
。
那么
，
“
把模拟信号数字化
”
的好处在哪里呢
?
它的好处就在于，数字信号有较强
的抗噪
音能力，不容易被破坏，计算机处理起来比较容易。
现在，
随
着微处理器性能的不断提高，已经可以高速、大量地处理数字信息。
由于在信
号传输和再现的过程中都不会造成信号质量下降，从而使数字电路得到了十分广泛的应用。
强大的
“2
进制
”
数字信号表现数值的方法之一是<
/p>
“2
进制
”
。<
/p>
2
进制是以
“0”
和
“1”
表现数值的，各位数都
是<
/p>
2
的阶乘。比如，
4
位
2
进制可以表现的整数是从
0<
/p>
到
15
的值
(<
/p>
表
1)
。更大的数值就要
通过增加位数来表现了。
表
1
：
10<
/p>
进制的
2
进制换算
最初在数字信号中使用
2
进制的原因是因为电路的
“
开
”
和
“
关
”
可以很方便地用
“1”
和
“0”
来表示。
并
且，
开
(“1”)
和关
(“0”)
在实际的
IC
中分
别用
“H”
和
“L”
表现高电压状态和低电压状
态。
在一般的
CMOS IC
中，当电源电
压为
5V
时，
L
表现为
1.35V
以下，
H
表现为
3.15
以
上。
像这样用
“0”
和
“1”
表示一定的电压范围，就可以形成在一定范围噪音下，不会发生误操
作的牢固
电路结构。
数字电路抗噪音强的理由，大家明白了吗
?
没错，是因为用
了
2
进制来表现数值。
什么是数字电路
数字电路进行逻辑运算，也被称为逻辑电路。
逻辑电路的基本要素只有
AND
电路、
OR
电路
和
NOT
电路这
3
种，
通过这
`3
种电路的
不同组合可以做出具有各种功能的电路。
逻辑电路使用逻辑表达式和电路符号
(
这里使用
MIL
符号。其他还有
JIS
符号。
)
进
行表
示。另外，我们把逻辑电路的输入信号和输出信号的一览表称为真值表。
下面我们对
3
种基本逻辑电路进行说明。
串联电路，
AND
电路
AND
电路也被称为
“
逻辑与
”
，只有当两个输入
同时为
1
时，才会输出
1
。
◇逻辑表达式
用
“
?
”
表示
(
例
)Y=A
?
B
◇电路符号
◇真值表
<
/p>
让我们仔细看一看
AND
电路的工作方式
。如果用开关和
LED
来表现
AND<
/p>
电路的话，
就是如下图
2
所示的串联电路。
◇开关
A(SW A)
的
“
开
”
和
< br>“
关
”
表示输入
A
的
“1”
和
“0”
◇开关
B(SW B)
的
“
开
”
和
< br>“
关
”
表示输入
B
的
“1”
和
“0”
◇
LED Y
的亮起和熄灭以输出
Y
的
“1”
和
“0”
表示
图
2
：
AND
电路的运作方式
< br>
该
AND
电路的工作方式如下。
◇开关
A
和
开关
B
都为
“
开
”
时，
LED
Y
点亮
◇开关
A
或
B
只有一个为
“
开
”
，另一个为
“
关
< br>”
时，
LED
Y
熄灭
◇开关
A
和开关
B
都为
“
关
”
时，
LED
Y
熄灭
基本逻辑电路也称作门
(gate)
电
路，可以通过单个输入来固定输出
(
关闭门
)
，或反映输
出
(
打开门
)
。
AND
电
路的门电路的工作情况可以用图
2
的电路图进行说明。
◇
A
或
B
的开关之一固定为<
/p>
“
关
”
，
LED
保持熄灭，也就是说输出固定为
“
关
”(
关闭门
)
◇相反，
A
或
B
的开关之一固定为
“
开
”
，未固定的另一个输
入能够直接反映输出
(
打开
门
)
并联电路、<
/p>
OR
电路
OR
电路也被称为
< br>“
逻辑或
”
，只要有任何一个输
入为
1
，或者都为
1
< br>的情况下，都会输
出
1
。
◇逻辑表达式
用
“+”
表示
(
例
)Y=A+B
◇电路符号
◇真值表
如果用开关和
LED
来表现
OR
电路的工作方式
的话，就是如下图
3
所示的并联电路。
◇由于是并联电路，因此开关
A(SW
A)
或开关
B(SW B)
中任意一个
为
“
开
”
，或
两者均为
“
开
”
时，
LED Y
就点亮。
OR
电路
的门功能与
AND
电路的工作方式正好相反。
< br>
◇
A
和
B
的开关之一固定为
“
开
”
时，
LED
保持点亮，也就是说输出固定为
“
开
”(
关闭门
)
◇相反，
A
和
B
的开关之一固定为
“
关
”
，未固定的另一个输
入能够直接反映输出
(
打开
门
)
图
3
：
OR
电路的运作方式
反向输出的
NOT
电路
NOT
电路也被称作变频或反向电路
，
具有将输入反向输出的功能。
是输入为
1
时输出
0
，
输入
0
时输出
1
的电路。
◇逻辑表达式
用
“?”
表示
(
例
)Y=
◇电路符号
◇真值表
什么是数字集成电路
IC?
数字集
成电路是指集成了一个或多个门电路的半导体元器件。
数字集成电路拥有多个种
类，根据用途不同，可分为如下几类。
◇微处理器
(microcompu
ter)
：进行各种处理的集成电路
◇存储器：记录数据的集成电路
◇标准逻辑
IC
：通过集成电路的组合实现各类功能的逻辑电路
◇专用逻辑
IC
：特定用途集成电路，允许用户设计自己专用的逻辑电路
“
标准逻
辑
IC”
是将逻辑电路的基本要素和可共通使用的功能集合于一
体的小规模集成
电路，是构成逻辑电路的基本要素。
本期将着重讲解
< br>“
标准逻辑
IC”
，学习数字<
/p>
IC
的知识。
数字
IC
和
标准逻辑
IC
图
1
：
TTL
IC
“
标准逻辑
IC”
的种类约有
600
多种，有最单纯的逻辑电路
IC
，也有高功能的、含有逻
辑运算的
IC
。
大致可分为
TLL
集成电路与
CMOS
集成电路两种。
◇
TTL
(Transistor-transistor logic) IC
：电路的主要部
分由双极性晶体管构成，工作电
压为
5V
。
◇
CMOS(Complementary Metal
Oxide Semiconductor) IC
：
电路的主
要部分是由
P
通道
和
< br>N
通道的
MOSFET
构成的，
工作电压范围比较大。
图
2
：
CMOS IC
数字
IC
之间传递信号时，需要规定信号的
“
高
(High)”
、
“
< br>低
(low)”
逻辑以及与其对应的
电压。这种与逻辑对应的电压称为逻辑电平。
不同的逻辑电平，将无法传输信号，还有可能损坏集成电路。
在
TTL
IC
中，判断标准如下：
◇输入信号时，
2.0V
以上为
“
高
(High)
”
，
0.8V
以下为
< br>“
低
(Low)”
◇输出信号时，
< br>0.4V
以下为
“
低
(Low)”
，
2.4V
以上
“
高
(High)”
TTL IC
就是根据规定的
TTL
接口标准制作的，该标
准规定了输入输出电压与逻辑之间
的关系。因此，在
TTL
IC
之间传递信号时，不需要考虑逻辑电平的问题。
但是，
CMOS IC
拥有许多系列，
各个系列的逻辑电平各不相同。有时还会根据电源电
压发生变化。因此，需要根据逻辑电
平进行连接。
注意误操作和扇出
在连接
“
标
准逻辑
IC”
时，需要考虑一个输出最大可连接的
IC
数量。
在
TTL IC
中，可连接
IC
的数量受到输出电流的限制，我们把允许连
接的
IC
上限个数
称为扇出。只要想起
TTL IC
是由双极性晶体管构成的，就能容易地想象出开关
切换时是需
要电流的。
TTL IC
的
扇出可以通过输出电流除以输入电流来求出
(
图
3)
。需要注意的是如果
连接的
IC
个数超过了扇出数，将无法保证输出的逻辑电平。
图
3
：
TTL
IC
的扇出
图
4
：
CMOS
IC
的扇出
由于
CMOS IC
的输入引脚中几乎没有电流，因此无法根据电流计算它的扇出数。需要
根据负载
容量计算
(
图
4)
。
在
CMOS IC
的数据表中，通过传
播延迟时间的测量方法明确记载了负载容量。如超过
负载容量，传播延迟时间将变长，可
能引起误操作，需要注意。
输出线之间连接，漏极开路
漏极开路是指不能输出高电平
(Hi
gh)
的
FET(
如图
A
右图
)
。在漏极开路的电路
中，不存
在通常
CMOS IC
输出段
(
如图
A
左图
)
中和
VCC
相连的
MOSFET
，所以，无法输出高电平。
只能输出
Low
或高阻抗
(<
/p>
输出端和电路是断开的，是一个无法输出电流和电压的状态
)
。