3.3 数字电路技术

数字电路的产生和发展是电子技术发展的重要标志，数字电路在现代电子技术中占有十重要的地位。由于数字电路比模拟电路具有更多独特的优点，因此它在通信、雷达、自动制、电子测量、电子计算机等领域都得到了非常广泛的应用，数字电路应用的广度和深度志着现代电子技术的发展水平。图3-21列出了数字电路与模拟电路的比较。

3.3.1 数字电路的基本概念与特征

用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路，或数字系统。于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。

所谓数字逻辑，就是用数字的方式描述事物的逻辑关系的工程方法。在数字逻辑中，使用逻辑变量作为基本量，数字逻辑中使用的逻辑变量只能取逻辑1或逻辑0两种逻辑值。逻辑变量之间的关系构成了数字逻辑系统的基本逻辑关系。因此，数字电路就是用电子技术实现的、具有数字逻辑信号处理能力的电子电路。数字逻辑电路只能处理代表逻辑变量的电信号——数字逻辑信号。

在对客观事物之间的逻辑关系进行描述和分析时，需要建立数字逻辑模型。当使用数字逻辑电路实现一个数字逻辑系统时，不仅需要建立数字逻辑模型，还需要建立电路的物理模型。数字逻辑模型描述了系统的理想逻辑行为特性，而物理模型则描述了实现数字逻辑行为的电路特性。数字电路的行为特性是实现逻辑模型的基础，也是实现逻辑模型的约束条件。

数字逻辑用数字方式研究和处理事物之间的逻辑关系。工程中的许多问题可以转化为数逻辑问题，如计算机对问题的处理、工业控制系统的开关等。

3.3.2 数字电路分类

数字电路按功能来分，有组合逻辑电路和时序逻辑电路；按电路有无集成元器件来分，有分立元件数字电路和集成数字电路；按集成电路的集成度进行分类，有小规模集成数字电路（SSI）、中规模集成数字电路（MSI）、大规模集成数字电路（LSI）和超大规模集成数字电路（VLSI）。

按照电路所用器件的不同，数字电路可分为双极型（晶体三极管型）电路和单极型（场效应管型）电路两大类。其中双极型电路常用的类型又有标准型TTL、高速型TTL（H-TTL）、低功耗型TTL（L-TTL）、肖特基型TTL（S-TTL）、低功耗肖特基型TTL（LS-TTL）等。单极型电路又有JFET、NMOS、PMOS、CMOS等。

3.3.3 基本逻辑电路

数字电路的系统集成，是指把完整的系统功能集成在一块集成电路芯片中。集成后的系统满足所有功能和技术指标，用户不必再对系统进行功能和技术指标调试，只要根据使用要求附加少量外部元器件，就可以设计应用系统。图3-22是与、或、非三种逻辑门集成电路的实物图。

1．与门

所有输入信号同为高电平时输出才是高电平，否则输出为低电平，这样的数字逻辑电路叫做与门电路。如有三个输入信号A、B和C的数字逻辑电路，只有当A、B和C同时为高电平时，电路输出才是高电平，否则为低电平。这样的数字电路所代表的运算关系就好似逻辑运算中的与运算，所以这个数字电路叫做与门电路，电路的功能是完成对输出信号的与运算。图3-23所示为与门电路的逻辑符号和与门电路的逻辑表达式。

2．非门

输入与输出信号反向（即输入为高电平时输出为低电平，输入为低电平时输出为高电平）的数字逻辑电路，叫做非门电路，如图3-24所示。非门的输入与输出永远是反向关系。

3．或门

所有输入信号中，只要有一个信号为高电平，输出就是高电平，这样的数字逻辑电路叫做或门电路。如有三个输入信号A、B和C的数字逻辑电路，只要A、B和C中有一个为高电平，电路输出就是高电平。这样的数字逻辑电路所代表的运算关系就是逻辑运算中的或运算，所以这个数字逻辑电路叫做或门电路，电路功能是完成对输入信号的或运算。图3-25所示为或门电路的逻辑符号和或门电路的逻辑表达式。

3.3.4 数字电路的应用

1．组合逻辑电路

组合逻辑电路的特点是电路输出与电路原来所处的状态无关。组合逻辑电路的基本单元于数字逻辑信号处理电路的基础。组合逻辑电路的基本电路模块一般包括数据开关、逻辑达式组合逻辑、编译器，以及逻辑函数发生器等。

假如，要设计一个表决器，由三个人来进行表决。每人一个按键，如果同意则按下，不同意则不按。结果用指示灯表示，多数同意时指示灯亮，否则不亮。这样一个简单的表决器的设计就会用到组合逻辑电路思想。首先指明逻辑符号的含义，根据题意列出逻辑状态表，画出卡诺图，写出表达式，然后根据表达式设计出电路，如图3-26所示。

组合逻辑电路是实现数字逻辑的基础，时序逻辑电路是在组合逻辑电路的基础上增加反馈环节而实现的。因此，组合逻辑的基本模型电路属于数字逻辑信号处理电路的基础。

2．触发器和时序逻辑电路

时序逻辑电路的特点是电路中存在反馈，电路的输出不仅与当前输入有关，还与电路原所处的状态有关。时序逻辑电路的基本单元是触发器。常用的时序逻辑电路有寄存器、移位存器、计数器、序列信号发生器等。

例如：设计一个四人抢答器电路。四人参加比赛，每人一个按钮，其中一人按下按钮后，相应的指示灯亮。并且，其他按钮再按下，不起作用。该电路的核心就是74LS175四D触发器，如图3-27所示。