数字集成电路基础入门及应用

[1]数字集成电路是指传输和处理数字信号的集成电路，外形如图1所示。数字集成电路种类很多，有TTL电路、HTL电路、CMOS电路等。CMOS电路具有电源电压范围宽、功耗小、输入阻抗高、逻辑摆幅大、扇出能力强、抗干扰和抗辐射能力强、温度稳定性好等特点，因而得到了广泛应用。 [2]数字集成电路的文字符号为“D”，图形符号如图2所示。有：门电路、触发器、计数器、译码器、寄存器和移位寄存器、模拟开关和数据选择器、运算电路等。 [3]由图3可见，模拟信号是连续变化的信号（左），而数字信号在时间上和数值上都是断续变化的离散信号（右）。数字信号往往采用二进制数表示，数字集成电路的工作状态则用“1”和“0”表示。 [4]数字电路图中，常不画电源接线，因为这并不影响电路功能的分析，实际应用时按规定接入工作电源，如图4所示。 [5]能够实现各种基本逻辑关系的电路通称为门电路。它是构成组合逻辑网络的基本部件，也是时序逻辑电路的部件之一。有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门等。与门的符号见图5，逻辑式为Y=AB，即只有当所有输入A、B均为“1”时，输出Y方为“1”；否则Y为“0”。 [6]或门的符号如图6所示，逻辑式为Y=A+B，即只要输入端有一个为“1”时，Y即为“1”；所有输入端均为“0”时，Y才为“0”。或门可以有更多的输入端。 [7]非门的符号如图7所示。非门又叫反相器，逻辑式为Y=A^-，即输出端Y总是与输入端A相反。 [8]与非门符号如图8所示，逻辑式为Y=AB^——，即只有当所有输入端均为“1”时，输出Y才为“0”；否则Y为“1”。与非门可以有更多的输入端。 [9]或非门的符号如图9所示，逻辑式为Y=A+B^——-，即只要输入端有一个为“1”时，Y即为“0”；所有输入端均为“0”时，Y才为“1”。或非门可以有更多的输入端。 [10]门电路主要用于逻辑控制。图10为声光控路灯电路，由反相器D1、与门D2实现逻辑控制。夜晚无光照时，D1输入为“0”，反相后为“1”，打开了与门D2，这时如有行人的脚步声（有声为“1”），则路灯自动点亮。白天有光照时，D1输出为“0”关闭了D2，即使有脚步声路灯也不会点亮。 [11]门电路作振荡器。图11为门控多谐振荡器，A=1时电路起振，输出900Hz方波。A=0时电路停振。振荡频率f=1/（2.2RC）。 [12]门电路作模拟放大器。图12的放大倍数A=R2/R1。 [13]触发器是时序电路的基本单元，在数字信号的产生、变换、存储、控制等方面应用广泛。有：RS触发器、D触发器、JK触发器、单稳态触发器、施密特触发器等。RS触发器的符号见图13，S为置“1”输入端、R为置“0”输入端；输出端Q、Q^-互为反相，附表为其真值表。 [14]图14为RS触发器构成的消抖动开关，当按下SB时，S高电平使触发器置“1”（Q=1）。这时即使SB产生机械抖动，只要机械触点不返回到R端，输出端Q仍保持“1”不变，从而消除了机械开关SB抖动产生的脉冲抖动。 [15]D触发器又称为延迟触发器，具有：数据端D、时钟端CP、输出端Q和Q^-。输出状态的改变依赖于时钟脉冲的触发，在时钟脉冲的作用下，数据由D传输到Q。D触发器常用于数据锁存、控制电路中，电路符号和真值表见图15。 [16]图16为D触发器组成的分频电路。每个触发器的D与输出端Q^-相连，构成2分频单元。图示为三级2分频单元串联组成8分频电路。增加分频单元即可增大分频比。 [17]单稳态触发器见图17，TR为触发端，R为清零端，Q和Q^-为输出端。TR端输入一个触发脉冲，其输出端有一个恒定宽度的矩形脉冲。Q和Q^-端的输出信号互为反相。单稳态触发器主要应用在脉冲信号展宽、整形、延迟，以及定时器、振荡器、数字滤波器、频率-电压变换器等。 [18]图18为单稳态触发器构成的100ms定时器电路，每按下一次SB，Q便输出一个宽度为100ms的高电平信号。输出脉宽Tw=0.69R1·C。 [19]施密特触发器见图19，A为输入端，Q为输出端，它可将缓慢变化的信号转变为边沿陡峭的矩形脉冲，施密特触发器常用于脉冲整形、电压幅度鉴别、模-数转换、接口电路等。 [20]图20为光控电路，光线的缓慢变化由光电三极管VT接收转换为电信号，施密特触发器将其整形成为边沿陡峭的脉冲信号传输给后续电路。