在自然界中,象声音、温度、光等信息是以连续的值进行变化的。这种连续值就称作"模拟"。而在计算机的世界里,信息是以一段一段的离散值表示的。这种离散值就称作"数字"。

 

比方说模拟和数字就相当于实数与整数的关系。实数可以表示直线上的每一个点,就象是模拟,而整数只能表示直线上的特定点,就象是数字。

 

于是,我们把处理连续信息的模拟信号的电路称作"模拟电路",把处理离散信息数字信号的电路称作"数字电路"。

 

图 1:模拟与数字的不同

 

为了将自然界的模拟信息输入到象计算机那样的数字电路,需要将信息数字化(模拟信号→数字信号)。进行"模拟信号→数字信号"转换的是 A/D 转换器,A/D 转换器按时间有规律地读取(采样)输入信号,并将其转换成用"0"和"1"表现的数值(2 进制)。

 

为了将连续值(模拟信号)转换为离散值(数字信号),要对模拟信号进行"舍去"和"进位"处理。这种处理造成信息缺失,而产生了误差。而为了减少误差,就需要缩短转换间隔和增加转换时的位数。

 

那么,"把模拟信号数字化"的好处在哪里呢?它的好处就在于,数字信号有较强的抗噪音能力,不容易被破坏,计算机处理起来比较容易。现在,随着微处理器性能的不断提高,已经可以高速、大量地处理数字信息。由于在信号传输和再现的过程中都不会造成信号质量下降,从而使数字电路得到了十分广泛的应用。

 

强大的"2 进制"

数字信号表现数值的方法之一是"2 进制"。2 进制是以"0"和"1"表现数值的,各位数都是 2 的阶乘。比如,4 位 2 进制可以表现的整数是从 0 到 15 的值( 表 1)。更大的数值就要通过增加位数来表现了。

 

表 1:10 进制的 2 进制换算

 

最初在数字信号中使用 2 进制的原因是因为电路的"开"和"关"可以很方便地用"1"和"0"来表示。并且,开("1")和关("0")在实际的 IC 中分别用"H"和"L" 表现高电压状态和低电压状态。

 

在一般的 CMOS IC 中,当电源电压为 5V 时,L 表现为 1.35V 以下,H 表现为 3.15 以上。像这样用"0" 和"1"表示一定的电压范围,就可以形成在一定范围噪音下,不会发生误操作的牢固电路结构。

 

数字电路抗噪音强的理由,大家明白了吗?没错,是因为用了 2 进制来表现数值。

 

什么是逻辑电路

数字电路进行逻辑运算,也被称为逻辑电路。逻辑电路的基本要素只有 AND 电路、OR 电路和 NOT 电路这三种,通过这三种电路的不同组合可以做出具有各种功能的电路。

 

逻辑电路使用逻辑表达式和电路符号(这里使用 MIL 符号,其他还有 JIS 符号)进行表示。另外,我们把逻辑电路的输入信号和输出信号的一览表称为真值表。

 

下面我们对 3 种基本逻辑电路进行说明。

 

1.
AND 电路

AND 电路也被称为“ 逻辑与”,只有当两个输入同时为 1 时,才会输出 1。逻辑表达式用“・”表示,例:Y=A・B。

 

电路符号

 

真值表

 

让我们仔细看一看 AND 电路的工作方式。如果用开关和 LED 来表现 AND 电路的话,就是如下图 2 所示的串联电路。

 

开关 A(SW A)的“开”和“关”表示输入 A 的“1”和“0”


开关 B(SW B)的“开”和“关”表示输入 B 的“1”和“ 0”


LED Y 的亮起和熄灭以输出 Y 的“1”和“0”表示

 

图 2:AND 电路的运作方式


该 AND 电路的工作方式如下:

 

开关 A 和开关 B 都为“开”时,LED Y 点亮


开关 A 或 B 只有一个为“开”,另一个为“关”时,LED Y 熄灭


开关 A 和开关 B 都为“关”时,LED Y 熄灭

 

基本逻辑电路也称作门(gate)电路,可以通过单个输入来固定输出(关闭门),或反映输出(打开门)。AND 电路的门电路的工作情况可以用图 2 的电路图进行说明 —— A 或 B 的开关之一固定为“关”,LED 保持熄灭,也就是说输出固定为“关”(关闭门);相反,A 或 B 的开关之一固定为“开”,未固定的另一个输入能够直接反映输出(打开门)。

 

2.
OR 电路

OR 电路也被称为“逻辑或”,只要有任何一个输入为 1,或者都为 1 的情况下,都会输出 1。逻辑表达式用“+”表示,例:Y=A+B。

 

电路符号

 

真值表

 

如果用开关和 LED 来表现 OR 电路的工作方式的话,就是如下图 3 所示的并联电路。由于是并联电路,因此开关 A(SW A)或开关 B(SW B)中任意一个为“开”,或两者均为“开”时,LED Y 就点亮。

 

图 3:OR 电路的运作方式


OR 电路的门功能与 AND 电路的工作方式正好相反 —— A 和 B 的开关之一固定为“开”时,LED 保持点亮,也就是说输出固定为“开”(关闭门);相反,A 和 B 的开关之一固定为 “关”,未固定的另一个输入能够直接反映输出(打开门)。

 

3.
NOT 电路

NOT 电路也被称作变频或反向电路,具有将输入反向输出的功能。是输入为 1 时输出 0,输入 0 时输出 1 的电路。逻辑表达式用“¯”表示 (例)Y=。 

 

电路符号

 

真值表