數字電路
| 數字電路 |
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中文名: 數字電路 外文名: digital circuit 別 名: 數字系統，數字邏輯電路 構成材料: 半導體工藝製成的數字集成器件 |
用數字信號完成對數字量進行算術運算和邏輯運算的電路稱為數字電路，或數字系統。由於它具有邏輯運算和邏輯處理功能，所以又稱數字邏輯電路。現代的數字電路由半導體工藝製成的若干數字集成器件構造而成。邏輯門是數字邏輯電路的基本單元。存儲器是用來存儲二進制數據的數字電路。從整體上看，數字電路可以分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類。[1]
目錄
發展
從前面的介紹，大家已經了解到數字電路是以二值數字邏輯為基礎的，其工作信號是離散的數字信號。電路中的電子晶體管工作於開關狀態，時而導通，時而截止。 數字電路的發展與模擬電路一樣經歷了由電子管、半導體分立器件到集成電路等幾個時代。但其發展比模擬電路發展的更快。從60年代開始，數字集成器件以雙極型工藝製成了小規模邏輯器件。隨後發展到中規模邏輯器件；70年代末，微處理器的出現，使數字集成電路的性能產生質的飛躍。 數字集成器件所用的材料以硅材料為主，在高速電路中，也使用化合物半導體材料，例如砷化鎵等。 邏輯門是數字電路中一種重要的邏輯單元電路 。TTL邏輯門電路問世較早，其工藝經過不斷改進，至今仍為主要的基本邏輯器件之一。隨着CMOS工藝的發展，TTL的主導地位受到了動搖，有被CMOS器件所取代的趨勢。 近幾年來，可編程邏輯器件PLD特別是現場可編程門陣列FPGA的飛速進步，使數字電子技術開創了新局面，不僅規模大，而且將硬件與軟件相結合，使器件的功能更加完善，使用更靈活。 數字電路或數字集成電路是由許多的邏輯門組成的複雜電路。與模擬電路相比，它主要進行數字信號的處理（即信號以0與1兩個狀態表示），因此抗干擾能力較強。數字集成電路有各種門電路、觸發器以及由它們構成的各種組合邏輯電路和時序邏輯電路。一個數字系統一般由控制部件和運算部件組成，在時脈的驅動下，控制部件控制運算部件完成所要執行的動作。通過模擬數字轉換器、數字模擬轉換器，數字電路可以和模擬電路互相連接。
分類
按功能來分：
組合邏輯電路
簡稱組合電路，它由最基本的邏輯門電路組合而成。特點是：輸出值只與當時的輸入值有關，即輸出惟一地由當時的輸入值決定。電路沒有記憶功能，輸出狀態隨着輸入狀態的變化而變化，類似於電阻性電路，如加法器、譯碼器、編碼器、數據選擇器等都屬於此類。
時序邏輯電路
簡稱時序電路，它是由最基本的邏輯門電路加上反饋邏輯迴路（輸出到輸入）或器件組合而成的電路，與組合電路最本質的區別在於時序電路具有記憶功能。時序電路的特點是：輸出不僅取決於當時的輸入值，而且還與電路過去的狀態有關。它類似於含儲能元件的電感或電容的電路，如觸發器、鎖存器、計數器、移位寄存器、儲存器等電路都是時序電路的典型器件。 按電路有無集成元器件來分，可分為分立元件數字電路和集成數字電路。 按集成電路的集成度進行分類，可分為小規模集成數字電路(SSI)、中規模集成數字電路(MSI)、大規模集成數字電路(LSI)和超大規模集成數字電路(VLSI)。 按構成電路的半導體器件來分類，可分為雙極型數字電路和單極型數字電路。
特點
1、 同時具有算術運算和邏輯運算功能 數字電路是以二進制邏輯代數為數學基礎，使用二進制數字信號，既能進行算術運算又能方便地進行邏輯運算（與、或、非、判斷、比較、處理等），因此極其適合於運算、比較、存儲、傳輸、控制、決策等應用。 2、 實現簡單，系統可靠 以二進制作為基礎的數字邏輯電路，可靠性較強。電源電壓的小的波動對其沒有影響，溫度和工藝偏差對其工作的可靠性影響也比模擬電路小得多。 3、 集成度高，功能實現容易 集成度高，體積小，功耗低是數字電路突出的優點之一。電路的設計、維修、維護靈活方便，隨着集成電路技術的高速發展，數字邏輯電路的集成度越來越高，集成電路塊的功能隨着小規模集成電路（SSI）、中規模集成電路（MSI）、大規模集成電路（LSI）、超大規模集成電路（VLSI）的發展也從元件級、器件級、部件級、板卡級上升到系統級。電路的設計組成只需採用一些標準的集成電路塊單元連接而成。對於非標準的特殊電路還可以使用可編程序邏輯陣列電路，通過編程的方法實現任意的邏輯功能。
應用
數字電路與數字電子技術廣泛的應用於電視、雷達、通信、電子計算機、自動控制、航天等科學技術領域。 數字電路的分類： 包括數字脈衝電路和數字邏輯電路。 前者研究脈衝的產生、變換和測量；後者對數字信號進行算術運算和邏輯運算。 數字電路的劃分： 1.按功能分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類。 前者在任何時刻的輸出，僅取決於電路此刻的輸入狀態，而與電路過去的狀態無關，它們不具有記憶功能。常用的組合邏輯器件有加法器、譯碼器、數據選擇器等。 後者在任何時候的輸出，不僅取決於電路此刻的輸入狀態，而且與電路過去的狀態有關，它們具有記憶功能。 2.按結構分為分立元件電路和集成電路。 前者是將獨立的晶體管、電阻等元器件用導線連接起來的電路。 後者將元器件及導線製作在半導體硅片上，封裝在一個殼體內，並焊出引線的電路。集成電路的集成度是不同的。
分析方法
數字電路主要研究對象是電路的輸出與輸入之間的邏輯關係，因而在數字電路中不能採用模擬電路的分析方法，例如，小信號模型分析法。由於數字電路中的器件主要工作在開關狀態，因而採用的分析工具主要是邏輯代數，用功能表、真值表、邏輯表達式、波形圖等來表達電路的主要功能。 隨着計算技術的發展，為了分析、仿真與設計數字電路或數字系統，還可以採用硬件描述語言，使用如ABEL語言等軟件，藉助計算機來分析、仿真與設計數字系統。
測試技術
數字電路在正確設計和安裝後須經嚴格的測試方可使用。事實上，在邏輯設計階段就應該考慮到數字電路的測試。如果對電路的測試目的只是為了檢查電路是否發生了故障，則稱這種測試為數字電路的故障檢測；對電路的邏輯功能的測試稱為功能測試或靜態測試；對電氣特性或時間特性的測試稱為動態測試；如果測試的目的不僅是為了檢查電路是否有故障，而且還要確定發生故障的部位，則稱這種測試為故障定位。
電路研究
數字電路中研究的主要問題是輸出信號的狀態（「0」或「1」）和輸入信號（「0」或「1」）之間的邏輯關係，即電路的邏輯功能。 數字電路的研究方法是邏輯分析和邏輯設計，所需要的工具是邏輯代數。 （在正邏輯下，「0」是低電平，「1」是高電平，高低電平沒有明確的界限）
優點
電子設備從以模擬方式處理信息，轉到以數字方式處理信息的原因，主要在以下幾個方面： 穩定性好：數字電路不像模擬電路那樣易受噪聲的干擾。 可靠性高：數字電路中只需分辨出信號的有與無，故電路的組件參數，可以允許有較大的變化（漂移）範圍。 可長期存儲：數字信息可以利用某種媒介，如磁帶、磁盤、光盤等進行長時期的存儲。 便於計算機處理：數字信號的輸出除了具有直觀、準確的優點外，最主要的還是便於利用電子計算機來進行信息的處理。 便於高度集成化：由於數字電路中基本單元電路的結構比較簡單，而且又允許組件有較大的分散性，這就使我們不僅可把眾多的基本單元做在同一塊硅片上，同時又能達到大批量生產所需要的良率。