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將模擬電路數字化：邏輯電路篇

發布時間：2020-03-24 責任編輯：lina

【導讀】在自然界中,象聲音、溫度、光等信息是以連續的值進行變化的。這種連續值就稱作"模擬"。而在計算機的世界里，信息是以一段一段的離散值表示的。這種離散值就稱作"數字"。

在自然界中,象聲音、溫度、光等信息是以連續的值進行變化的。這種連續值就稱作"模擬"。而在計算機的世界里，信息是以一段一段的離散值表示的。這種離散值就稱作"數字"。

比方說模擬和數字就相當于實數與整數的關系。實數可以表示直線上的每一個點，就象是模擬，而整數只能表示直線上的特定點，就象是數字。

于是，我們把處理連續信息的模擬信號的電路稱作"模擬電路"，把處理離散信息數字信號的電路稱作"數字電路"。

圖 1：模擬與數字的不同

為了將自然界的模擬信息輸入到象計算機那樣的數字電路，需要將信息數字化（模擬信號→數字信號）。進行"模擬信號→數字信號"轉換的是 A/D 轉換器，A/D 轉換器按時間有規律地讀取（采樣）輸入信號，并將其轉換成用"0"和"1"表現的數值（2 進制）。

為了將連續值（模擬信號）轉換為離散值（數字信號），要對模擬信號進行"舍去"和"進位"處理。這種處理造成信息缺失,而產生了誤差。而為了減少誤差，就需要縮短轉換間隔和增加轉換時的位數。

那么，"把模擬信號數字化"的好處在哪里呢？它的好處就在于，數字信號有較強的抗噪音能力，不容易被破壞，計算機處理起來比較容易。現在，隨著微處理器性能的不斷提高，已經可以高速、大量地處理數字信息。由于在信號傳輸和再現的過程中都不會造成信號質量下降，從而使數字電路得到了十分廣泛的應用。

強大的"2 進制"

數字信號表現數值的方法之一是"2 進制"。2 進制是以"0"和"1"表現數值的，各位數都是 2 的階乘。比如，4 位 2 進制可以表現的整數是從 0 到 15 的值（表 1）。更大的數值就要通過增加位數來表現了。

表 1：10 進制的 2 進制換算

最初在數字信號中使用 2 進制的原因是因為電路的"開"和"關"可以很方便地用"1"和"0"來表示。并且，開（"1"）和關（"0"）在實際的 IC 中分別用"H"和"L" 表現高電壓狀態和低電壓狀態。

在一般的 CMOS IC 中，當電源電壓為 5V 時，L 表現為 1.35V 以下，H 表現為 3.15 以上。像這樣用"0" 和"1"表示一定的電壓范圍，就可以形成在一定范圍噪音下，不會發生誤操作的牢固電路結構。

數字電路抗噪音強的理由，大家明白了嗎？沒錯，是因為用了 2 進制來表現數值。

什么是邏輯電路

數字電路進行邏輯運算，也被稱為邏輯電路。邏輯電路的基本要素只有 AND 電路、OR 電路和 NOT 電路這三種，通過這三種電路的不同組合可以做出具有各種功能的電路。

邏輯電路使用邏輯表達式和電路符號（這里使用 MIL 符號，其他還有 JIS 符號）進行表示。另外，我們把邏輯電路的輸入信號和輸出信號的一覽表稱為真值表。

下面我們對 3 種基本邏輯電路進行說明。

1. AND 電路

AND 電路也被稱為“ 邏輯與”，只有當兩個輸入同時為 1 時，才會輸出 1。邏輯表達式用“?”表示，例：Y=A?B。

電路符號

真值表

讓我們仔細看一看 AND 電路的工作方式。如果用開關和 LED 來表現 AND 電路的話，就是如下圖 2 所示的串聯電路。

開關 A（SW A）的“開”和“關”表示輸入 A 的“1”和“0”

開關 B（SW B）的“開”和“關”表示輸入 B 的“1”和“ 0”

LED Y 的亮起和熄滅以輸出 Y 的“1”和“0”表示

圖 2：AND 電路的運作方式

該 AND 電路的工作方式如下：

開關 A 和開關 B 都為“開”時，LED Y 點亮

開關 A 或 B 只有一個為“開”，另一個為“關”時，LED Y 熄滅

開關 A 和開關 B 都為“關”時，LED Y 熄滅

基本邏輯電路也稱作門（gate）電路，可以通過單個輸入來固定輸出（關閉門），或反映輸出（打開門）。AND 電路的門電路的工作情況可以用圖 2 的電路圖進行說明 —— A 或 B 的開關之一固定為“關”，LED 保持熄滅，也就是說輸出固定為“關”（關閉門）；相反，A 或 B 的開關之一固定為“開”，未固定的另一個輸入能夠直接反映輸出（打開門）。

2. OR 電路

OR 電路也被稱為“邏輯或”，只要有任何一個輸入為 1，或者都為 1 的情況下，都會輸出 1。邏輯表達式用“＋”表示，例：Y=A＋B。