發展
從前面的介紹,大家已經了解到數字電路是以二值數字邏輯為基礎的,其工作信號是離散的數位訊號。電路中的電子電晶體工作於開關狀態,時而導通,時而截止。
數字電路的發展與模擬電路一樣經歷了由電子管、半導體分立器件到積體電路等幾個時代。但其發展比模擬電路發展的更快。從60年代開始,數字集成器件以雙極型工藝製成了小規模邏輯器件。隨後發展到中規模邏輯器件;70年代末,微處理器的出現,使數字積體電路的性能產生質的飛躍。
數字集成器件所用的材料以矽材料為主,在高速電路中,也使用化合物半導體材料,例如砷化鎵等。
邏輯門是數字電路中一種重要的邏輯單元電路。TTL邏輯門電路問世較早,其工藝經過不斷改進,至今仍為主要的基本邏輯器件之一。隨著CMOS工藝的發展,TTL的主導地位受到了動搖,有被CMOS器件所取代的趨勢。
近幾年來,可程式邏輯器件PLD特別是現場可程式門陣列FPGA的飛速進步,使數字電子技術開創了新局面,不僅規模大,而且將硬體與軟體相結合,使器件的功能更加完善,使用更靈活。
數字電路或 數字積體電路是由許多的邏輯門組成的複雜電路。與模擬電路相比,它主要進行數位訊號的處理(即信號以0與1兩個狀態表示),因此抗干擾能力較強。數字積體電路有各種門電路、觸發器以及由它們構成的各種組合邏輯電路和時序邏輯電路。一個數字系統一般由控制部件和運算部件組成,在時脈的驅動下,控制部件控制運算部件完成所要執行的動作。通過模擬數字轉換器、數字模擬轉換器,數字電路可以和模擬電路互相連線。
分類
按功能來分:
組合邏輯電路
簡稱組合電路,它由最基本的邏輯門電路組合而成。特點是:輸出值只與當時的輸入值有關,即輸出惟一地由當時的輸入值決定。電路沒有記憶功能,輸出狀態隨著輸入狀態的變化而變化,類似於電阻性電路,如加法器、解碼器、編碼器、數據選擇器等都屬於此類。
時序邏輯電路
簡稱時序電路,它是由最基本的邏輯門電路加上反饋邏輯迴路(輸出到輸入)或器件組合而成的電路,與組合電路最本質的區別在於時序電路具有記憶功能。時序電路的特點是:輸出不僅取決於當時的輸入值,而且還與電路過去的狀態有關。它類似於含儲能元件的電感或電容的電路,如觸發器、鎖存器、計數器、移位暫存器、儲存器等電路都是時序電路的典型器件。
按電路有無集成元器件來分,可分為分立元件數字電路和集成數字電路。
按積體電路的集成度進行分類,可分為小規模集成數字電路(SSI)、中規模集成數字電路(MSI)、大規模集成數字電路(LSI)和超大規模集成數字電路(VLSI)。
按構成電路的半導體器件來分類,可分為雙極型數字電路和單極型數字電路。
特點
1、 同時具有算術運算和邏輯運算功能
數字電路是以二進制邏輯代數為數學基礎,使用二進制數位訊號,既能進行算術運算又能方便地進行邏輯運算(與、或、非、判斷、比較、處理等),因此極其適合於運算、比較、存儲、傳輸、控制、決策等套用。
2、 實現簡單,系統可靠
以二進制作為基礎的數字邏輯電路,可靠性較強。電源電壓的小的波動對其沒有影響,溫度和工藝偏差對其工作的可靠性影響也比模擬電路小得多。
3、 集成度高,功能實現容易
集成度高,體積小,功耗低是數字電路突出的優點之一。電路的設計、維修、維護靈活方便,隨著積體電路技術的高速發展,數字邏輯電路的集成度越來越高,積體電路塊的功能隨著小規模積體電路(SSI)、中規模積體電路(MSI)、大規模積體電路(LSI)、超大規模積體電路(VLSI)的發展也從元件級、器件級、部件級、板卡級上升到系統級。電路的設計組成只需採用一些標準的積體電路塊單元連線而成。對於非標準的特殊電路還可以使用可程式序邏輯陣列電路,通過編程的方法實現任意的邏輯功能。
套用
數字電路與數字電子技術廣泛的套用於電視、雷達、通信、電子計算機、自動控制、航天等科學技術領域。
數字電路的分類:
包括數字脈衝電路和數字邏輯電路。
前者研究脈衝的產生、變換和測量;後者對數位訊號進行算術運算和邏輯運算。
數字電路的劃分:
1.按功能分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類。
前者在任何時刻的輸出,僅取決於電路此刻的輸入狀態,而與電路過去的狀態無關,它們不具有記憶功能。常用的組合邏輯器件有加法器、解碼器、數據選擇器等。
後者在任何時候的輸出,不僅取決於電路此刻的輸入狀態,而且與電路過去的狀態有關,它們具有記憶功能。
2.按結構分為分立元件電路和積體電路。
前者是將獨立的電晶體、電阻等元器件用導線連線起來的電路。
後者將元器件及導線製作在半導體矽片上,封裝在一個殼體內,並焊出引線的電路。積體電路的集成度是不同的。
分析方法
數字電路主要研究對象是電路的輸出與輸入之間的邏輯關係,因而在數字電路中不能採用模擬電路的分析方法,例如,小信號模型分析法。由於數字電路中的器件主要工作在開關狀態,因而採用的分析工具主要是邏輯代數,用功能表、真值表、邏輯表達式、波形圖等來表達電路的主要功能。
隨著計算技術的發展,為了分析、仿真與設計數字電路或數字系統,還可以採用硬體描述語言,使用如ABEL語言等軟體,藉助計算機來分析、仿真與設計數字系統。
測試技術
數字電路在正確設計和安裝後須經嚴格的測試方可使用。事實上,在邏輯設計階段就應該考慮到數字電路的測試。如果對電路的測試目的只是為了檢查電路是否發生了故障,則稱這種測試為數字電路的故障檢測;對電路的邏輯功能的測試稱為功能測試或靜態測試;對電氣特性或時間特性的測試稱為動態測試;如果測試的目的不僅是為了檢查電路是否有故障,而且還要確定發生故障的部位,則稱這種測試為故障定位。
電路研究
數字電路中研究的主要問題是輸出信號的狀態(“0”或“1”)和輸入信號(“0”或“1”)之間的邏輯關係,即電路的邏輯功能。
數字電路的研究方法是邏輯分析和邏輯設計,所需要的工具是邏輯代數。 (在正邏輯下,“0”是低電平,“1”是高電平,高低電平沒有明確的界限)
優點
電子設備從以模擬方式處理信息,轉到以數字方式處理信息的原因,主要在以下幾個方面:
穩定性好:數字電路不像模擬電路那樣易受噪聲的干擾。
可靠性高:數字電路中只需分辨出信號的有與無,故電路的組件參數,可以允許有較大的變化(漂移)範圍。
可長期存儲:數字信息可以利用某種媒介,如磁帶、磁碟、光碟等進行長時期的存儲。
便於計算機處理:數位訊號的輸出除了具有直觀、準確的優點外,最主要的還是便於利用電子計算機來進行信息的處理。
便於高度集成化:由於數字電路中基本單元電路的結構比較簡單,而且又允許組件有較大的分散性,這就使我們不僅可把眾多的基本單元做在同一塊矽片上,同時又能達到大批量生產所需要的良率。