數(shù)字電路及其應(yīng)用

1、數(shù)字電路及其應(yīng)用        編者的話當(dāng)今時(shí)代，數(shù)字電路已廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。本報(bào)將在“電路與制作”欄里，刊登系列文章介紹數(shù)字電路的基本知識(shí)和應(yīng)用實(shí)例。在介紹基本知識(shí)時(shí)，我們將以集成數(shù)字電路為主，該電路又分TTL和CMOS兩種類型，這里又以CMOS集成數(shù)字電路為主，因它功耗低、工作電壓范圍寬、扇出能力強(qiáng)和售價(jià)低等，很適合電子愛好者選用。介紹應(yīng)用時(shí)，以實(shí)用為主，特別介紹一些家電產(chǎn)品和娛樂產(chǎn)品中的數(shù)字電路。這樣可使剛?cè)腴T的電子愛好者盡快學(xué)會(huì)和使用數(shù)字電路。一、基本邏輯電路1.數(shù)字電路的特點(diǎn)在電子設(shè)備中，通常把電路分

2、為模擬電路和數(shù)字電路兩類，前者涉及模擬信號(hào)，即連續(xù)變化的物理量，例如在24小時(shí)內(nèi)某室內(nèi)溫度的變化量；后者涉及數(shù)字信號(hào)，即斷續(xù)變化的物理量，如圖1所示。當(dāng)把圖1的開關(guān)K快速通、斷時(shí)，在電阻R上就產(chǎn)生一連串的脈沖(電壓)，這就是數(shù)字信號(hào)。人們把用來傳輸、控制或變換數(shù)字信號(hào)的電子電路稱為數(shù)字電路。數(shù)字電路工作時(shí)通常只有兩種狀態(tài)：高電位(又稱高電平)或低電位(又稱低電平)。通常把高電位用代碼“1”表示，稱為邏輯“1”；低電位用代碼“0”表示，稱為邏輯“0”(按正邏輯定義的)。注意：有關(guān)產(chǎn)品手冊(cè)中常用“H”代表“1”、“L”代表“0”。實(shí)際的數(shù)字電路中，到底要求多高或多低的電位才能表示“1”或“0”，這

3、要由具體的數(shù)字電路來定。例如一些TTL數(shù)字電路的輸出電壓等于或小于0.2V，均可認(rèn)為是邏輯“0”，等于或者大于3V，均可認(rèn)為是邏輯“1”(即電路技術(shù)指標(biāo))。CMOS數(shù)字電路的邏輯“0”或“1”的電位值是與工作電壓有關(guān)的。討論數(shù)字電路問題時(shí)，也常用代碼“0”和“1”表示某些器件工作時(shí)的兩種狀態(tài)，例如開關(guān)斷開代表“0”狀態(tài)、接通代表“1”狀態(tài)。2.三種基本邏輯電路數(shù)字電路中的基本電路是與門、或門和非門(反相器)。與門和或門電路的基本形式有兩個(gè)或兩個(gè)以上的輸入端、一個(gè)輸出端。因輸入和輸出可以各自為“0”或“1”狀態(tài)，具有判定的功能，所以把它們稱為基本邏輯電路。三種基本邏輯電路的符號(hào)(圖形)和主要表達(dá)

4、式如附表所示。該表對(duì)初學(xué)者可能難于理解，一旦了解之后就會(huì)覺得比通常的模擬電路還簡單些。(1)與門電路。以下討論的與門是2輸入端的，它對(duì)多端輸入的與門同樣適用。2輸入端與門的功能設(shè)計(jì)成這樣：當(dāng)輸入端A、B同時(shí)都為邏輯“1”狀態(tài)時(shí)，輸出Z才是邏輯“1”狀態(tài)。2輸入端與門的這種邏輯關(guān)系可以用圖2模式的電路描述。對(duì)圖2，這里作如下規(guī)定：開關(guān)K1、K2斷開時(shí)，代表輸入A、B的“0”狀態(tài)、接通時(shí)代表輸入A、B的“1”狀態(tài)；燈L滅代表輸出的Z的“0”狀態(tài)，燈L亮代表輸出Z的“1”狀態(tài)。之后將開關(guān)K1、K2“接通”和“斷開”的各種組合狀態(tài)，以及由此引起燈“亮”和“滅”的輸出狀態(tài)列成表格，該表格叫做真值表，如附

5、表中所示。從真值表中看出，要使燈L點(diǎn)亮，即輸出Z必須是“1”狀態(tài)，輸入的A、B也必須是“1”狀態(tài)。具有圖2模式電路功能(指輸入、輸出關(guān)系)的電路稱為2輸入端與門，并用附表中的邏輯符號(hào)來代表。(2)或門和非門?；蜷T的邏輯關(guān)系如下：各輸入端只要有一個(gè)狀態(tài)為“1”時(shí)，輸出便是“1”。非門只有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，并且其輸出狀態(tài)總是和輸入狀態(tài)相反的，即求“反”。這里同樣可以用圖3和圖4模式的電路分別描述或門和非門的功能，也可以作相應(yīng)的真值表，繪出邏輯符號(hào)，如附表中所示。3.邏輯函數(shù)的表示方法在邏輯電路的設(shè)計(jì)時(shí)，常用四種方法表示邏輯電路的函數(shù)關(guān)系(指輸入、輸出關(guān)系)，即邏輯圖、真值表、函數(shù)表達(dá)式和卡諾

6、圖。附表中僅列出了三種表達(dá)式，實(shí)際應(yīng)用中邏輯圖和真值表是最常用的，應(yīng)必須掌握的；函數(shù)表達(dá)式和卡諾圖主要供設(shè)計(jì)人員按要求設(shè)計(jì)數(shù)字邏輯電路時(shí)使用。數(shù)字電路及其應(yīng)用(二)1999年電子報(bào)第17期 數(shù)字電路及其應(yīng)用(三)1999年電子報(bào)第18期   2.CMOS門電路的應(yīng)用門電路是一種基本邏輯部件，用它們可以構(gòu)成組合邏輯和時(shí)序邏輯電路。CMOS門電路產(chǎn)品種類很多，均可從相應(yīng)的手冊(cè)上查到，但歸納起來有八類：反相器、與非門、或非門、與門、或門、緩沖/電平變換器、組合邏輯和具有三態(tài)輸出的邏輯門等。熟悉門電路的特性和應(yīng)用，可為學(xué)習(xí)各種數(shù)字設(shè)備（包括PC機(jī)硬件）的工作原理打下良好的

7、基礎(chǔ)。（1）環(huán)形振蕩器。CD4069是六反相器集成電路（IC），采用雙列式塑封裝（14引腳），如圖6所示。該IC內(nèi)含六個(gè)獨(dú)立的反相器。每個(gè)反相器均可執(zhí)行邏輯的反相操作。用它還可構(gòu)成振蕩器、脈沖整形和小信號(hào)的電壓放大等。圖7是用奇數(shù)級(jí)（3）的反相器串聯(lián)，并首尾相接構(gòu)成的環(huán)形振蕩器電路，它的輸出波形如圖8所示。振蕩器的工作是基于電平通過每個(gè)反相器時(shí)，需要一定的傳輸時(shí)間，即每個(gè)反相器均存在電平傳輸?shù)难舆t而形成的方波輸出。例如，當(dāng)圖7電路加電時(shí)，其輸出端設(shè)定為“0”電平（也可設(shè)定為“1”電平），按圖的環(huán)形連接法，A點(diǎn)也為“0”電平。根據(jù)反相器求反邏輯，反相器的輸出為“1”電平，從的輸入到的輸出電平的傳

8、輸延時(shí)為。同理電平通過反相器和時(shí)，共需傳輸2的時(shí)間。“0”電平從A的輸入到的輸出端需傳輸3的時(shí)間。按反相器求反的功能，從的A點(diǎn)“0”電平經(jīng)3后，的輸出端從原來的“0”電平轉(zhuǎn)為“1”電平。該“1”電平又到A點(diǎn)，再經(jīng)3又到的輸出端使輸出又從“1”電平轉(zhuǎn)到“0”電平。結(jié)果，在的輸出端形成圖8的方波。從方波的形成過程可知，該方波的周期T=6。由于的時(shí)間很短，所以方波的頻率很高，只有用示波器才能把波形顯示出來。由于該電路簡單，所以工廠中批量用它時(shí)，常用圖7的電路并配上示波器以檢查CD4069產(chǎn)品的好壞，并從波形的周期上估算它們的傳輸特性。圖9是圖7方波發(fā)生器的改進(jìn)電路，特點(diǎn)是輸出的方波頻率是可調(diào)的。圖9

9、電路中，增加了附加的RC電路，使電平從反相器的輸入端到的輸出端，因RC的充放電時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于反相器的傳輸時(shí)間，電平通過反相器時(shí)，延時(shí)大大增加，加之R是可調(diào)電阻，結(jié)果在的輸出端形成的方波，其頻率是可調(diào)的。輸出的方波周期可根據(jù)公式T=2RC估算，按圖的RC值，方波的頻率下限約1Hz。圖9的電路，因電路簡單，一裝即成，對(duì)頻率穩(wěn)定度要求不高的場(chǎng)合是很適用的。若再配上圖10的LED驅(qū)動(dòng)電路，并把R值取大些，可觀察到LED的發(fā)光閃動(dòng)。利用該組合電路，無需配接示波器，就可批量、快速檢查CD4069產(chǎn)品的好壞。如果將驅(qū)動(dòng)級(jí)管子BG換成9018，其集電極上插入電聲器件（LED、R2去掉），調(diào)整R值，使組合電路工

10、作在音頻段，就可作訊響器。過去一些電碼練習(xí)器就是用了這種電路作訊響器的。湖北王紹華成都 遙約數(shù)字電路及其應(yīng)用(四)1999年電子報(bào)第19期     （2）與非和或非門的調(diào)制型振蕩器。CD4011（MC14011B）和CD4001（MC14001B）分別是一種42輸入端與非門和或非門IC，如圖11和圖12所示。它們都可以構(gòu)成調(diào)制振蕩器且電路形式完全相同，也極其簡單，用途很廣。把CD4011或CD4001的各輸入端并聯(lián)在一起就成了非門，再按圖13外接RC元件就組成改進(jìn)型的多諧振蕩器。振蕩器的周期T2.2RC，RS是穩(wěn)頻電阻，設(shè)計(jì)時(shí)取RSR，一般取RS>

11、3R。當(dāng)RS=10R時(shí)，其振蕩器的頻率穩(wěn)定性為5。利用與非門和或非門的一個(gè)輸入端受控，就可組成脈沖鍵控多諧振蕩器，如圖14所示。根據(jù)門電路的邏輯關(guān)系，對(duì)圖中的與非門，當(dāng)控制端A點(diǎn)為高電平時(shí)，電路振蕩，當(dāng)A點(diǎn)為低電平時(shí)，電路停振。對(duì)或非門正好相反。因此，若輸入端A點(diǎn)加上控制脈沖，就組成了脈沖鍵控振蕩器，輸出端的波形如圖15所示。這里在A點(diǎn)上的控制脈沖頻率必須低于多諧振蕩器的頻率。如果將CD4011 42輸入與非門，用其中的兩個(gè)門組成低頻多諧振蕩器，另兩個(gè)門組成38kHz高頻振蕩器，再將它們按鍵控方式連接就組成38kHz的調(diào)制振蕩器，如圖16所示。該振蕩器中IC1、IC2組成低頻振蕩器，IC3和I

12、C4組成38kHz的高頻振蕩器，輸出端C點(diǎn)信號(hào)即為38kHz的調(diào)制波。該調(diào)制波電路再與圖17的紅外管發(fā)射電路組合就構(gòu)成常用的單通道紅外遙控器（發(fā)射）電路。若再配上紅外接收解調(diào)器電路把低頻脈沖解調(diào)出來，就可用作各種家電產(chǎn)品的遙控信號(hào)。      湖北 王紹華成都 遙約數(shù)字電路及其應(yīng)用（五）1999年電子報(bào)第20期 三、組合電路和時(shí)序電路的應(yīng)用以上介紹的各種門電路均可組成組合電路。組合電路的特點(diǎn)是電路的輸出信號(hào)僅與該時(shí)刻的輸入信號(hào)有關(guān)而與電路原來所處的狀態(tài)無關(guān)，通常稱他們?yōu)榻M合邏輯電路，簡稱組合電路。常見的組合電路有編碼器、譯碼器、數(shù)字分

13、配器和數(shù)字選擇器等。時(shí)序電路是指電路的輸出狀態(tài)與電路輸入信號(hào)時(shí)間順序有關(guān)，所以稱為時(shí)序電路，如各類數(shù)碼寄存器、各種計(jì)數(shù)器和順序脈沖發(fā)生器等。上述的兩類電路均有相應(yīng)的器件，用戶只需學(xué)會(huì)他們的使用方法。鑒于這兩類電路的器件品種繁多，涉及的專業(yè)術(shù)語一時(shí)難于理解，要想系統(tǒng)地介紹他們實(shí)為困難，所以筆者以應(yīng)用實(shí)例出發(fā)介紹以上兩類電路的特點(diǎn)和使用方法，初學(xué)者可以按照所介紹的內(nèi)容再找有關(guān)書籍學(xué)習(xí)，即可深入學(xué)習(xí)數(shù)字電路了。1.BCD碼和數(shù)碼顯示電路數(shù)碼顯示在電子領(lǐng)域中處處需要、且制作十分容易，一裝即成。圖18是數(shù)碼顯示電路的原理框圖。初學(xué)者通過制作數(shù)碼顯示電路還可學(xué)到數(shù)字電路很多的基本知識(shí)。（1）編碼器編碼和譯

14、碼是數(shù)字電路（包括工業(yè)控制、單片機(jī)和PC機(jī)）常用的一種手段。通過編譯碼器可以解決家電、工業(yè)和工程上的許多問題，也是初學(xué)者必須掌握的數(shù)字電路知識(shí)。所謂“編碼”是指用若干數(shù)字或文字符號(hào)按照預(yù)先的約定（又稱規(guī)定或定義）表示特定對(duì)象的過程。例如電信局給某用戶編制了一個(gè)電話號(hào)碼3245110，實(shí)際上就是把這個(gè)用戶用代碼3245110表示出來，這就是編碼。日常生活中的一個(gè)數(shù)按一定的計(jì)數(shù)方式（制）寫出來也叫編碼，如寫成十進(jìn)制，就是按十進(jìn)制編碼；如果寫成二進(jìn)制，就是按二進(jìn)制編碼。一旦編碼的規(guī)則定義后，由此派生的問題都應(yīng)遵循編碼的規(guī)定。例如十進(jìn)制編碼規(guī)定，十進(jìn)制的一位數(shù)是按十個(gè)符號(hào)0、1、29來表示十種不同的代

15、碼，若超過9的數(shù)，則用多位數(shù)表示，且低位和高位關(guān)系是“逢十進(jìn)一”。在二進(jìn)制中，每個(gè)數(shù)位（即二進(jìn)制的1位）只能取兩種不同的數(shù)碼即“0”和“1”，其特點(diǎn)是：“逢二進(jìn)一”，即當(dāng)本位是1，又要再加1時(shí)，本位便成0，同時(shí)向高位進(jìn)1，例如11=10。為了熟悉二進(jìn)制的表示和運(yùn)算規(guī)則，我們用四位二進(jìn)制數(shù)碼來表示十進(jìn)制的一位數(shù)，并列成表，如附表所示。該表也是一種編碼方式，這種編碼就稱為BCD碼。所謂BCD碼就是用二進(jìn)制的編碼表示十進(jìn)制數(shù)。將四位二進(jìn)制碼一直加1時(shí)，還有六種狀態(tài)，但按BCD碼的約定，其余六種狀態(tài)（1010、1011、1100、1101、1110、1111）對(duì)BCD碼都是非法的，即在BCD碼中是不允

16、許出現(xiàn)的。（2）位、字節(jié)這里順便說說關(guān)于計(jì)算機(jī)技術(shù)中常見的專業(yè)用語：位、字節(jié)。計(jì)算機(jī)（包括單片機(jī)）中的“位”是指二進(jìn)制數(shù)的位，常用bit表示，例如BCD碼中的1001是4位。單片機(jī)中常處理8位二進(jìn)制數(shù)，常把它定義成一個(gè)字節(jié)，常用Byte表示。單片機(jī)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，處理速度都是以字節(jié)為單位的。表示存儲(chǔ)器容量的單位是kB，稱為千字節(jié)（實(shí)際是1024個(gè)字節(jié)）。在計(jì)算技術(shù)中，為了說明計(jì)數(shù)方式是二進(jìn)制數(shù)，常在二進(jìn)制數(shù)后面加B，以與其它計(jì)數(shù)制區(qū)別，如BCD碼中的1101B。湖北 王紹華 成都 遙約數(shù)字電路及其應(yīng)用(六)1999年電子報(bào)第21期 （3）顯示器件。顯示器件是圖18（上期連載圖）框圖電

17、路的末級(jí)電路，是將輸入數(shù)碼還原成數(shù)字（這里是十進(jìn)制）的。顯示器件有多種類型，各有特點(diǎn)，應(yīng)按使用的場(chǎng)所選購。液晶顯示器亮度不高但耗電小；熒光數(shù)碼管亮度一般，耗電亦小，但工作電壓較高（陽極電壓12V、20V兩種）；LED數(shù)碼管亮度高，售價(jià)低但耗電較高（指筆段耗電約10mA）。這里主要介紹LED數(shù)碼管顯示器。市售的LED數(shù)碼顯示器其品種很多，以WD系列為例，其數(shù)顯器的位數(shù)有一位、二位、三位和四位的；每位的外形尺寸和顯示的顏色也有多種，如：紅、綠、黃、橙等。這里以WD50系列為例說明其特點(diǎn)和用途。其外形尺寸如圖19所示，主要參數(shù)如下：正向電壓1.6V2.2V；功耗400mW，工作電流10mA；發(fā)光強(qiáng)度IV由具體型號(hào)而定，如WD506C（橙色）的IV為4500cd、WD508C（紅色超高亮）IV為13000cd（工作電流10mA的測(cè)試條件）。一位的LED數(shù)碼顯示器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖20所示，顯示字時(shí)其筆段是些發(fā)光二極管，它們工作時(shí)可分共陽極（連接）如圖20的（b）和共陰極（連接）如圖20（a）兩種。WD506A是共陽連接、WD506C是共陰極連接，其發(fā)光筆段引腳如圖21所示。引腳按頂視圖的1腳起，順時(shí)針讀數(shù)，其中5腳為小數(shù)點(diǎn)顯示位DP，若不用可不連接。由于顯示