数字电路及其应用
数字电路及其应用
编者的话
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。
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。
（2）与非和或非门的调制型振荡器。CD4011（MC14011B）和CD4001（MC14001B）分别是一种4－2输入端与非门和或非门IC，如图11和图12所示。它们都可以构成调制振荡器且电路形式完全相同，也极其简单，用途很广。
把CD4011或CD4001的各输入端并联在一起就成了非门，再按图13外接RC元件就组成改进型的多谐振荡器。振荡器的周期T?2.2RC，RS是稳频电阻，设计时取RS?R，一般取RS>3R。当RS=10R时，其振荡器的频率稳定性为5％。
利用与非门和或非门的一个输入端受控，就可组成脉冲键控多谐振荡器，如图14所示。根据门电路的逻辑关系，对图中的与非门，当控制端A点为高电平时，电路振荡，当A点为低电平时，电路停振。对或非门正好相反。
因此，若输入端A点加上控制脉冲，就组成了脉冲键控振荡器，输出端的波形如图15所示。这里在A点上的控制脉冲频率必须低于多谐振荡器的频率。
如果将CD4011 4－2输入与非门，用其中的两个门组成低频多谐振荡器，另两个门组成38kHz高频振荡器，再将它们按键控方式连接就组成38kHz的调制振荡器，如图16所示。该振荡器中IC－1、IC－2组成低频振荡器，IC－3和IC－4组成38kHz的高频振荡器，输出端C点信号即为38kHz的调制波。该调制波电路再与图17的红外管发射电路组合就构成常用的单通道红外遥控器（发射）电路。若再配上红外接收解调器电路把低频脉冲解调出来，就可用作各种家电产品的遥控信号。
三、组合电路和时序电路的应用
以上介绍的各种门电路均可组成组合电路。组合电路的特点是电路的输出信号仅与该时刻的输入信号有关而与电路原来所处的状态无关，通常称他们为组合逻辑电路，简称组合电路。常见的组合电路有编码器、译码器、数字分配器和数字选择器等。时序电路是指电路的输出状态与电路输入信号时间顺序有关，所以称为时序电路，如各类数码寄存器、各种计数器和顺序脉冲发生器等。上述的两类电路均有相应的器件，用户只需学会他们的使用方法。
鉴于这两类电路的器件品种繁多，涉及的专业术语一时难于理解，要想系统地介绍他们实为困难，所以笔者以应用实例出发介绍以上两类电路的特点和使用方法，初学者可以按照所介绍的内容再找有关书籍学习，即可深入学习数字电路了。
1.BCD码和数码显示电路 数码显示在电子领域中处处需要、且制作十分容易，一装即成。图18是数码显示电路的原理框图。初学者通过制作数码显示电路还可学到数字电路很多的基本知识。
（1）编码器 编码和译码是数字电路（包括工业控制、单片机和PC机）常用的一种手段。通过编译码器可以解决家电、工业和工程上的许多问题，也是初学者必须掌握的数字电路知识。
所谓“编码”是指用若干数字或文字符号按照预先的约定（又称规定或定义）表示特定对象的过程。例如电信局给某用户编制了一个电话号码3245110，实际上就是把这个用户用代码3245110表示出来，这就是编码。
日常生活中的一个数按一定的计数方式（制）写出来也叫编码，如写成十进制，就是按十进制编码；如果写成二进制，就是按二进制编码。一旦编码的规则定义后，由此派生的问题都应遵循编码的规定。例如十进制编码规定，十进制的一位数是按十个符号0、1、2……9来表示十种不同的代码，若超过9的数，则用多位数表示，且低位和高位关系是“逢十进一”。在二进制中，每个数位（即二进制的1位）只能取两种不同的数码即“0”和“1”，其特点是：“逢二进一”，即当本位是1，又要再加1时，本位便成0，同时向高位进1，例如1＋1=10。为了熟悉二进制的表示和运算规则，我们用四位二进制数码来表示十进制的一位数，并列成表，如附表所示。
该表也是一种编码方式，这种编码就称为BCD码。所谓BCD码就是用二进制的编码表示十进制数。将四位二进制码一直加1时，还有六种状态，但按BCD码的约定，其余六种状态（1010、1011、1100、1101、1110、1111）对BCD码都是非法的，即在BCD码中是不允许出现的。
（2）位、字节 这里顺便说说关于计算机技术中常见的专业用语：位、字节。计算机（包括单片机）中的“位”是指二进制数的位，常用bit表示，例如BCD码中的1001是4位。单片机中常处理8位二进制数，常把它定义成一个字节，常用Byte表示。单片机中的数据存储量，处理速度都是以字节为单位的。表示存储器容量的单位是kB，称为千字节（实际是1024个字节）。在计算技术中，为了说明计数方式是二进制数，常在二进制数后面加B，以与其它计数制区别，如BCD码中的1101B。
（3）显示器件。显示器件是图18（上期连载图）框图电路的末级电路，是将输入数码还原成数字（这里是十进制）的。显示器件有多种类型，各有特点，应按使用的场所选购。液晶显示器亮度不高但耗电小；荧光数码管亮度一般，耗电亦小，但工作电压较高（阳极电压12V、20V两种）；LED数码管亮度高，售价低但耗电较高（指笔段耗电约10mA）。这里主要介绍LED数码管显示器。
市售的LED数码显示器其品种很多，以WD系列为例，其数显器的位数有一位、二位、三位和四位的；每位的外形尺寸和显示的颜色也有多种，如：红、绿、黄、橙等。这里以WD50系列为例说明其特点和用途。其外形尺寸如图19所示，主要参数如下：正向电压1.6V～2.2V；功耗≤400mW，工作电流≤10mA；发光强度IV由具体型号而定，如WD506C（橙色）的IV为4500μcd、WD508C（红色超高亮）IV为13000μcd（工作电流10mA的测试条件）。
一位的LED数码显示器，其内部结构如图20所示，显示字时其笔段是些发光二极管，它们工作时可分共阳极（连接）如图20的（b）和共阴极（连接）如图20（a）两种。WD506A是共阳连接、WD506C是共阴极连接，其发光笔段引脚如图21所示。
引脚按顶视图的1脚起，顺时针读数，其中5脚为小数点显示位DP，若不用可不连接。由于显示器的笔段数字是7段组成的（不计小数点），所以常称他们为LED 7段数码显示器。
（4）BCD—锁存/7段译码/驱动器。数码显示器与配套的驱动器集成器件一起工作。这些驱动器常称BCD－7段译码器。不同的显示器配用相应的驱动器件，如CD4055专配液晶显示用的。CD4547是BCD－7段译码大电流驱动器，这些都属于BCD－7段译码器。图18中配LED的驱动器，是用CD4543集成器件，该器件是一种可驱动LED的，也可驱动LCD的7段译码器。用CD4543驱动LED时的配接电路如图22所示。图中R1～R7是LED的限流电阻。 ?