数字电路及其应用

当今时代，数字电路已广泛地应用于各个领域。本报将在“电路与制作”栏里，刊登系列文章介绍数字电路的基本知识和应用实例。
　　在介绍基本知识时，我们将以集成数字电路为主，该电路又分TTL和CMOS两种类型，这里又以CMOS集成数字电路为主，因它功耗低、工作电压范围宽、扇出能力强和售价低等，很适合电子爱好者选用。
　　介绍应用时，以实用为主，特别介绍一些家电产品和娱乐产品中的数字电路。这样可使刚入门的电子爱好者尽快学会和使用数字电路。
　　一、基本逻辑电路
　　1.数字电路的特点　在电子设备中，通常把电路分为模拟电路和数字电路两类，前者涉及模拟信号，即连续变化的物理量，例如在24小时内某室内温度的变化量；后者涉及数字信号，即断续变化的物理量，如图1所示。当把图1的开关K快速通、断时，在电阻R上就产生一连串的脉冲(电压)，这就是数字信号。人们把用来传输、控制或变换数字信号的电子电路称为数字电路。
　　数字电路工作时通常只有两种状态：高电位(又称高电平)或低电位(又称低电平)。通常把高电位用代码“1”表示，称为逻辑“1”；低电位用代码“0”表示，称为逻辑“0”(按正逻辑定义的)。注意：有关产品手册中常用“H”代表“1”、“L”代表“0”。实际的数字电路中，到底要求多高或多低的电位才能表示“1”或“0”，这要由具体的数字电路来定。例如一些TTL数字电路的输出电压等于或小于0.2V，均可认为是逻辑“0”，等于或者大于3V，均可认为是逻辑“1”(即电路技术指标)。CMOS数字电路的逻辑“0”或“1”的电位值是与工作电压有关的。
　　讨论数字电路问题时，也常用代码“0”和“1”表示某些器件工作时的两种状态，例如开关断开代表“0”状态、接通代表“1”状态。
　　2.三种基本逻辑电路　数字电路中的基本电路是与门、或门和非门(反相器)。与门和或门电路的基本形式有两个或两个以上的输入端、一个输出端。因输入和输出可以各自为“0”或“1”状态，具有判定的功能，所以把它们称为基本逻辑电路。三种基本逻辑电路的符号(图形)和主要表达式如附表所示。该表对初学者可能难于理解，一旦了解之后就会觉得比通常的模拟电路还简单些。
　　(1)与门电路。以下讨论的与门是2输入端的，它对多端输入的与门同样适用。2输入端与门的功能设计成这样：当输入端A、B同时都为逻辑“1”状态时，输出Z才是逻辑“1”状态。2输入端与门的这种逻辑关系可以用图2模式的电路描述。对图2，这里作如下规定：开关K1、K2断开时，代表输入A、B的“0”状态、接通时代表输入A、B的“1”状态；灯L灭代表输出的Z的“0”状态，灯L亮代表输出Z的“1”状态。之后将开关K1、K2“接通”和“断开”的各种组合状态，以及由此引起灯“亮”和“灭”的输出状态列成表格，该表格叫做真值表，，如附表中所示。从真值表中看出，要使灯L点亮，即输出Z必须是“1”状态，输入的A、B也必须是“1”状态。
　　具有图2模式电路功能(指输入、输出关系)的电路称为2输入端与门，并用附表中的逻辑符号来代表。
　　(2)或门和非门。或门的逻辑关系如下：各输入端只要有一个状态为“1”时，输出便是“1”。非门只有一个输入端和一个输出端，并且其输出状态总是和输入状态相反的，即求“反”。这里同样可以用图3和图4模式的电路分别描述或门和非门的功能，也可以作相应的真值表，绘出逻辑符号，如附表中所示。
　　3.逻辑函数的表示方法　在逻辑电路的设计时，常用四种方法表示逻辑电路的函数关系(指输入、输出关系)，即逻辑图、真值表、函数表达式和卡诺图。附表中仅列出了三种表达式，实际应用中逻辑图和真值表是最常用的，应必须掌握的；函数表达式和卡诺图主要供设计人员按要求设计数字逻辑电路时使用。
现在数字集成电路产品已完全取代了早期分立元件组成的数字电路。数字电路产品的种类愈来愈多，其分类方法也有多种。若按用途来分，可分成通用型的IC（中、小规模IC）产品，微处理（MPU）产品和面向特定用途的IC产品三大类。可编程逻辑器件是特定用途产品的一个重要分支。若按逻辑功能来分，可以分成组合逻辑电路，简称组合电路，如各种门电路，各种编译码器；时序逻辑电路，简称为时序电路，如各种触发器、各种计数器、各种寄存器等。若按电路结构来分，可分成TTL型和CMOS型两大类。
　　常见的TTL54/74系列，有如下的共同的特性：电源电压为5.0V，逻辑“0”输出电压为≤0.2V，逻辑“1”输出电压为≥3.0V和抗扰度为1.0V。
　　CMOS数字集成电路比TTL型占有更多的优点，前者的工作电源电压范围宽，静态功耗低、抗干扰能力强、输入阻抗高、成本低等。所以电子钟表、电子计算器等均用了该种电路。鉴于此，以后介绍数字集成电路时，主要以CMOS型为实例。
　　CMOS数字集成电路品种繁多，包括了各种门电路、编译码器、触发器、计数器和存贮器等上百种器件。www.11hero.com

　二、CMOS集成电路的应用
　　1.常用特性　（1）工作电源电压。常用的CMOS集成电路工作电压范围为3～18V（也有7～15V的，如国产的C000系列），因此使用该种器件时，电源电压灵活方便，甚至未加稳压的电源也可使用。（2）供电引脚。CMOS集成电路外加供电时其引脚如图5所示。（3）输入阻抗高。CMOS电路的输入端均有保护二极管和串联电阻构成的保护电路，在正常工作范围内，保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄漏电流。通常情况下，等效输入电阻大于108Ω，因此驱动CMOS集成电路时，所消耗的驱动功率几乎可以不计。（4）输出电流。CMOS集成电路的输出电流（指内部各独立功能的输出端）一般是10mA，所以使用时应加推动级输出，但输出端若连接CMOS电路时（即扇出能力），因CMOS电路的输入阻抗高，对于低频工作时，一个输出端可以带动50个以上输入端，实际上几乎不需考虑扇出功能的限制。（5）抗干扰能力强。CMOS电路抗干扰能力是指电路在干扰噪声的作用下，能维持电路原来的逻辑状态并正确进行状态的转换。电路的抗干扰能力通常以噪声容限来表示，即直流电压噪声容限、交流（指脉冲）噪声容限和能量噪声（指输入端积累的噪声能量）三种。直流噪声容限可达电源电压的40％以上，所以使用的电源电压越高，抗干扰能力越强。这是工业中使用CMOS逻辑电路时，都采用较高的供电电压的原因。TTL相应的噪声容限只有0.8V（因TTL工作电压为5V）。（6）说明。目前市场上数字电路产品进口的较多，产品型号的前缀为公司代号，如MC、CD、μPD、HFE分别代表摩托罗拉半导体（MOTA）、美国无线电（RCA）、日本电气（NEC）、菲力蒲等公司。各产品的后缀相同的型号均可互换。
　　为了引起初学者的兴趣，笔者以下介绍时，先从应用电路切入，同时介绍它们的使用方法，以便能快速掌握它们的应用。
2.CMOS门电路的应用　门电路是一种基本逻辑部件，用它们可以构成组合逻辑和时序逻辑电路。CMOS门电路产品种类很多，均可从相应的手册上查到，但归纳起来有八类：反相器、与非门、或非门、与门、或门、缓冲/电平变换器、组合逻辑和具有三态输出的逻辑门等。熟悉门电路的特性和应用，可为学习各种数字设备（包括PC机硬件）的工作原理打下良好的基础。
　　（1）环形振荡器。CD4069是六反相器集成电路（IC），采用双列式塑封装（14引脚），如图6所示。该IC内含六个独立的反相器。每个反相器均可执行逻辑的反相操作。用它还可构成振荡器、脉冲整形和小信号的电压放大等。图7是用奇数级（3）的反相器串联，并首尾相接构成的环形振荡器电路，它的输出波形如图8所示。振荡器的工作是基于电平通过每个反相器时，需要一定的传输时间τ，即每个反相器均存在电平传输的延迟而形成的方波输出。例如，当图7电路加电时，其输出端设定为“0”电平（也可设定为“1”电平），按图的环形连接法，A点也为“0”电平。根据反相器求反逻辑，反相器Ⅰ的输出为“1”电平，从Ⅰ的输入到Ⅰ的输出电平的传输延时为τ。同理电平通过反相器Ⅱ和Ⅲ时，共需传输2τ的时间。“0”电平从A的输入到Ⅲ的输出端需传输3τ的时间。按反相器求反的功能，从Ⅰ的A点“0”电平经3τ后，Ⅲ的输出端从原来的“0”电平转为“1”电平。该“1”电平又到A点，再经3τ又到Ⅲ的输出端使输出又从“1”电平转到“0”电平。结果，在Ⅲ的输出端形成图8的方波。从方波的形成过程可知，该方波的周期T=6τ。
　　由于τ的时间很短，所以方波的频率很高，只有用示波器才能把波形显示出来。由于该电路简单，所以工厂中批量用它时，常用图7的电路并配上示波器以检查CD4069产品的好坏，并从波形的周期上估算它们的传输特性。
　　图9是图7方波发生器的改进电路，特点是输出的方波频率是可调的。图9电路中，增加了附加的RC电路，使电平从反相器Ⅱ的输入端到Ⅱ的输出端，因RC的充放电时间常数远大于反相器的传输时间，电平通过反相器Ⅱ时，延时大大增加，加之R是可调电阻，结果在Ⅲ的输出端形成的方波，其频率是可调的。输出的方波周期可根据公式T=2RC估算，按图的RC值，方波的频率下限约1Hz。
　　图9的电路，因电路简单，一装即成，对频率稳定度要求不高的场合是很适用的。若再配上图10的LED驱动电路，并把R值取大些，可观察到LED的发光闪动。利用该组合电路，无需配接示波器，就可批量、快速检查CD4069产品的好坏。如果将驱动级管子BG换成9018，其集电极上插入电声器件（LED、R2去掉），调整R值，使组合电路工作在音频段，就可作讯响器。过去一些电码练习器就是用了这种电路作讯响器的。