数字电路的基础知识
数字电路的基础知识
维修数字高清、平板彩电和识读电路图需要较多的基础知识。由于研究、维修数字电视
的读者，大多数已经具有模拟电视技术、普通音响技术的基础，故本章重点讨论数字电路的基础知识。
为了减少基础内容的篇幅，本节内容写得比较简洁。基础较差的读者阅读本节时，可以参考、阅读一些别的书刊，本篇部分内容涉及大家比较熟悉的激光视盘机技术。
一、逻辑电路
逻辑电路是数字电路的基础，数字电路是微机、视盘机、数字电视等设备的基础。 逻辑，是指一定的规律性，或一定的因果关系。在数字电路理论里，所用的逻辑都是双值逻辑，即两种对立状态或结果。在电路里，利用电平的高、低表示两种对立状态，分别用符号0和1来处理各种事物的逻辑关系。在逻辑关系中，最基本的是“与”、“或”、“非”3种。完成逻辑运算的电路，称为逻辑电路。
1、“与”逻辑及其电路
所谓“与”逻辑是指，只有当决定某事物的各种条件同时具备时，该事物才会发生，缺少其中任一条件也不发生。例如，火焰的产生必须具有可燃物（A ）、氧气（B ）和适当的温度（C ）3个基本条件，缺一不可。火焰的生成是三者“与”的结果。当三者具备时，我们称A 、B 、C 皆为1时，火焰产生，称该事件Y 也为1。如果某个条件缺少，即某个条件为0，则火焰不能产生，即Y 为0。显然，Y 与A 、B 、C 的关系可用下式表示：Y=A. B . C 。上式是“逻辑与”，或称为“与逻辑”或“逻辑乘”。
因A 、B 、C 分别有两种可能情况，即取1或0两种值，故
可能8种可能情况，如表2. 1. 1所示。该表称为与逻辑的真值表。该真值表与逻辑乘函数式是等价的，都能表达与逻辑的关系。
利用图2. 1. 1所示二极管电路也可表示“与”逻辑。此电路称为与电路或与门。当3个输入端A 、B 、C 中任何一个（比如A 端）接地，即为0电位时，称为逻辑“0”，与该端相连的二极管将正偏导通，则输出端Y 与地间电压仅为二极管正向电压（0. 6V ），是低电压，即为逻辑“0”。只有当A 、B 、C 三端都处于高电压（比如5V ，称为逻辑“1”）时，3个二极管才均不导通，使输出端Y 是电压近于电源电压，是高电位，即为逻辑“1”。所以，Y 与A 、B 、C 的关系可用电路图或真值表表示。
2、“或”逻辑及其电路
所谓“或”逻辑是指，决定某事物的各种条件中，只要有一个条件具备，该事物就能成立，只有当所有条件都不具备时，该事件才不成立。该事件与各种条件之间的关系称为“或”的关系，也称为“或”逻辑。
表2.1.1 与逻辑真值表 0 1 0 0 1 1 0 1
0 0 1 0 1 0 1 1
0 0 0 1 0 1 1 1
0 0 0 0 0 0 0 1
C Y
Y
C Y
Y
图2.1.1 与门电路与符号 图2.1.2 或门电路与符号
在电路中，可用图2. 1. 2所示的电路实现“或”逻辑。此电路称为“或”逻辑电路或者“或”门。当任何一个输入端（例如A ）处于高电压（“1”），而另外二个输入端（则B 、C ）处于高电压（“0”）时，则正偏二极管将为正向导通状态，而其它管仍为截止状态，故输出端Y 为高电压，即“1”状态。只有各输入端都处0电压（“0”）时，输出端才为0电压（“0”）。因此，Y 与A 、B 、C 的关系可用下式表达：Y=A+B+ C。
上式的Y 与A 、B 、C 间的关系也可用表2. 1. 2所示的真值表表示。在表中，高电位与高电位之和仍为高电位，所以当A 、BC 都为“1”时，Y 也为“1”。上式为或逻辑函数，也称逻辑和。
3、“非”逻辑及其电路
所谓逻辑“非”是指：一个事物（Y ）是另一个事物（A ）的否定。可用下式表示：式中字母上面加横道，表示“非”的意思。
利用三极管的开关特性及倒相特性可以实现“非”功能，如图2.1.3所示（及其电路符号）。表2.1.3是它的真值表。
表2.1.2 与逻辑真值表 0 1
0 0 1 1 0 1
0 0 1 0 1 0 1 1
0 0 0 1 0 1 1 1
0 1 1
1 1 1 1 1
表2.1.3 与逻辑真值表
4
A Y
1 0
0 1
图2.1.3 非门电路与符号
4、“与非”门电路
在电路中，经常把“与”、“或”、“非”门电路组合起来。其中“与”门和“非”门是最重要的一种。现在的“与非”门都是由集成电路构成的，如图2.1.4所示。其中图2.1.4（B ）是图2.1.4（A ）的简化图。
因Y’与A 、B 、C 之间服从“与”逻辑，而Y 与Y ’之间为“非”逻辑，所以Y 与A 、B 、C
“0 由
S S A 0
瞬间置“0”，即输入触发信号，就可使触发器状态翻转。
上述触发器的翻转条件：在输入端的触发器信号从高电位“1”跳变为低电位“0”。为此图中S、R字母上加一横，且各输入端加圆圈。
2、自激多谐振荡器
自激多谐振荡器也叫无稳态多谐振荡器，是自激振荡器的一种，它是一种脉冲发生器，可以输出脉冲矩形波。
可有多种电路构成自激多谐振荡器，图2.1.6是常见的电路形式。由两级反相器构成，在两级电路中存在正反馈关系。现说明其工作原理。
电路内两个三极管总是工作于不同状态，一个导通时另一个截止，并且不断地转换导通、截止状态。转换状态不是依靠外界的输入信号，而是通过C1、C2的充放电来完成。例如，由于电路和元件的不对称性所决定，若起始状态是T1导通，T2截止，两管可暂时处于这种状态；但因T1的集电极电位降
图2.1.6 由分立元件组成
低，使电容C1经电阻R2和T1放电，(C1已经充上了电)，随着C1放电，C1右端电位不断升高，当其值达到一定程度后，可使T2由截止状态转入导通状态，随之T2集电极电位降低。因T1、T2之间存在强烈的反馈关系，可使T2迅速进入放大状态，甚至饱和导通状态，而T1很快进入截止状态，甚至深截止状态。如此循环下去，便形成了持续的振荡，可以由T1、T2集电极输出连续的矩形脉冲电压。 三、寄存器和存储器
1、寄存器
在数字运算或处理过程中，需要将它存放在指定的地点，有时还需要从一个地址转移到另一个地址。 例如，若对两个十进制数相加，应首先把一个十进制数通过编码器变成二进制数后送到某一寄存器中暂时寄存起来。再把另一个十进数变成二进制数后送到另一寄存器中，然后发出相加指令，把两数送到加法器中完加法运算，运算结果再送回寄存器中。实际上，这种寄存、储存功能是一种记忆功能，需要时可以再取出使用。
双稳态触发器是构成寄存器的基本电路。不同双稳态触发器的不同组合，可以构成不同功能的寄存器。 (1) 数据寄存器
图2.1.7是一个4位二进制寄存器。它是由4个基本R-S 触发器和4个与非门构成的。可以寄存4位二进制数据。下面简述数据存入寄存器的工作过程。
在输入数据之前，先在“置0端”输入置0脉冲，这个脉冲先由高电位“1”跳到低电位“0”，然后又跳回到高电位1，使各R-S 触发器均置0，即各Q0~Q3端均为0，此过程叫清零或复位。例如，要把数码1101存入寄存器中，应先把代表数码的二进制码分别加到寄存器相应输入端A3、A2、A1、A0，使A3=1、A2=1、A1=0、A0=1。当寄存器的寄存端送入一个正向控制脉冲，使与非门YF3、YF2、YF0的输入端皆为高电平“1”时，三个输出端电压为0状态，因此使RS3、RS2、RS0三个R －S 触发器翻转成1状态，即Q3=Q2=Q0=1，只有Q1仍然为0，即此时4个触发器输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态为1101。只要让该触发器寄存
端始终保持在低电位0状态，置0端不由高电位跳成低电位，则该寄存器输出端，即4个触发器的Q 端将保持在1101状态上，不管输入端A3~A0怎样变化，都不会改变寄存器所寄存的内容。
(2)
功能。器(简称（1可存储12561024由32行和可构成32为一
字。
那么32位。每根行选择线选中一行，每根列选择线选中一列，于是
图1.1.8
由行选择线和列选择线共同选中某地址，就是选中的对应于该地址的一个字。图示的矩阵需有32根行选择线和8根列选择线。存储单元都是由记忆功能的单元电路及有关部件构成的。例如，利用MOS 双稳态触发器单元电路、数据输入输出装置以及X、Y选择线可组成存储单元。
②地址译码器
RAM 的存储矩阵是由许多具有若干位的字组成。信息的读出或写入，通常是以字为单位进行的，即每次读出或写入一个字。为了确定各个字在存储矩阵中的位置，对每个字给定一个位置号码，称为地址。显然，一个字的几个存储单元，具有相同的地址，而不同的字具有不同的地址。
字的位置由地址译码器的输出确定。在大容量的RAM 中，采用图2.1.8所示的二维寻址结构，即将输入的地址分为行地址和列地址，分别由行地址译码器和列地址译码器进行译码。在任何时候，行和列地址译码器的诸多输出选择线中，只有一根行选择线和一根列选择线为高电平，其余均为低电平，于是在高电平的行和列选择线交叉处，即为选择存储一个字的几个单元。
仍以图2.1.8为例，该存储矩阵有32行，它的行地址码应为5位二进制码（25=32），即应设置A4－A0共五条行地址线，而字列数为8。需3位二进制地址码（23=8），即需要设置A7、A6、A5共三条列地址线。
（2）只读存储器（ROM）
在数字处理系统中，经常需要存入一些固定的信息，如常用数据、专用程序等。通常使用MOS 管只读存储器来满足这些需要。只读存储器ROM 在信息写入后，只能读出，不能或很难改写，即使断电，它所存储的内容也永不消失。ROM中存储的信息，是在该ROM 出厂前或使用前由工厂或用户一次性写入的（ROM的工作原理请参阅相关书籍）。 四、译码器
译码器又称解码器，它完成编码器的逆过程，它可将给定的代码“翻译”过来，即把某一代码翻译为所需要的另一种代码。能够实现译码功能的电路称为译码器。
图2.1.9是简易译码器。输入信号是2位二进制代码AB，因AB 可能有4种组合可能：00、01、10、11，可用4只发光二极管LED0－LED3表示AB 处于位，LED0点亮。 五、数模转换器
许多数字信号需要转变为模拟信号后再作进一步理，又有许多数字信号是由模拟信号转变而来。这些信号的转换是数字处理技术中十分重要的问题。可以把模拟信号转变为数字信号的电路，称作模—数转换器，或称作A/D转换器、ADC；可以把数字信号转变为模拟信号的电路，称作数—模转换器，或称作D/A转换器、DAC。这里重点谈D/A转换器。
图2.1.9
00 10 01 11
什么状态。由图可见当A=B=0时，反相器1、2输出为1状态，故与门0的输出为1，即高电
D/A 转换器的类型较多，图2.1.10是D/A转换器原理图。假设前级电路送来的信号是声音数据，它是16位数据字，各位数码分别通过K1－K16所代表的电子开关，电子开关闭合时对应数码1，电子开关断开时对应数码0，各个码位的1或0可控制16个电子开关。K1对应最高有效位（多用MSB 表示），K16对应最低有效位（用LSB 表示）。在图中还画有16个电流源，每个电流源输出一定的电流，设计要求其大小等于它左边电流的一半，即分别取1/2Im 、1/4 I m 、1/8 I m …1/65536 Im ，Im 是电流源总电流最大幅值。在
16位数码作用下，16个电子开关分别对应数码0或1，即处于闭合或断开状态。于是，电子开关可将各对应数码1的电流相加，并以总电流输出送至电流—电压变换器。于是，在总电路输出端可输出一个等于取样时的模拟电压值。例如，16位数码信号为[**************]1，即全1信号，则16个电子开关均处于闭合状态，各个电流源均有输出电流，则总输出电流I= I 1+I2…I16=1/2 Im +1/4 Im …1/65536 Im =65535/35536 Im ，即该输出电流仅与最大输出电流值相差1/65536。通常可以忽略不计。该输出电流通过负载电阻时，形成模拟输出电压。当数据连续不断地进入D/A转换器时，便可输出原始的模拟信号。应当看到，D/A转换的速度与数据流的取样频率有关，取样频率越高，数模转换速度就越快。
最高有效位
图2.1.10
祝学习进步！谢谢