本文我們將從“數(shù)字意味著什么？”開(kāi)始，講解數(shù)字電路的基本設(shè)計(jì)方法。什么是“模擬”和“數(shù)字”。在自然界中，象聲音、溫度、光等信息是以連續(xù)的值進(jìn)行變化的。這種連續(xù)值就稱作“模擬”。

　　而在計(jì)算機(jī)的世界里，信息是以一段一段的離散值表示的。這種離散值就稱作“數(shù)字”。

　　比方說(shuō)模擬和數(shù)字就相當(dāng)于實(shí)數(shù)與整數(shù)的關(guān)系。實(shí)數(shù)可以表示直線上的每一個(gè)點(diǎn)，就象是模擬，而整數(shù)只能表示直線上的特定點(diǎn)，就象是數(shù)字。

　　于是，我們把處理連續(xù)信息的——模擬信號(hào)的電路稱作“模擬電路”，把處理離散信息——數(shù)字信號(hào)的電路稱作“數(shù)字電路”。

　　圖1：模擬與數(shù)字的不同

　　為了將自然界的模擬信息輸入到象計(jì)算機(jī)那樣的數(shù)字電路，需要將信息數(shù)字化（模擬信號(hào)→數(shù)字信號(hào)）。

　　進(jìn)行“模擬信號(hào)→數(shù)字信號(hào)”轉(zhuǎn)換的是A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器按時(shí)間有規(guī)律地讀取（采樣）輸入信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成用“0”和“1”表現(xiàn)的數(shù)值（2進(jìn)制）。

　　為了將連續(xù)值（模擬信號(hào)）轉(zhuǎn)換為離散值（數(shù)字信號(hào)），要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行“舍去”和“進(jìn)位”處理。這種處理造成信息缺失，而產(chǎn)生了誤差。而為了減少誤差，就需要縮短轉(zhuǎn)換間隔和增加轉(zhuǎn)換時(shí)的位數(shù)。

　　那么，“把模擬信號(hào)數(shù)字化”的好處在哪里呢？它的好處就在于，數(shù)字信號(hào)有較強(qiáng)的抗噪音能力，不容易被破壞，計(jì)算機(jī)處理起來(lái)比較容易。

　　現(xiàn)在，隨著微處理器性能的不斷提高，已經(jīng)可以高速、大量地處理數(shù)字信息。由于在信號(hào)傳輸和再現(xiàn)的過(guò)程中都不會(huì)造成信號(hào)質(zhì)量下降，從而使數(shù)字電路得到了十分廣泛的應(yīng)用。

　　強(qiáng)大的“2進(jìn)制”

　　數(shù)字信號(hào)表現(xiàn)數(shù)值的方法之一是“2進(jìn)制”。2進(jìn)制是以“0”和“1”表現(xiàn)數(shù)值的，各位數(shù)都是2的階乘。比如，4位2進(jìn)制可以表現(xiàn)的整數(shù)是從0到15的值（表1）。更大的數(shù)值就要通過(guò)增加位數(shù)來(lái)表現(xiàn)了。

　　表1：10進(jìn)制的2進(jìn)制換算

　　最初在數(shù)字信號(hào)中使用2進(jìn)制的原因是因?yàn)殡娐返?ldquo;開(kāi)”和“關(guān)”可以很方便地用“1”和“0”來(lái)表示。并且，開(kāi)（“1”）和關(guān)（“0”）在實(shí)際的IC中分別用“H”和“L” 表現(xiàn)高電壓狀態(tài)和低電壓狀態(tài)。

　　在一般的CMOS IC中，當(dāng)電源電壓為5V時(shí)，L表現(xiàn)為1.35V以下，H表現(xiàn)為3.15以上。像這樣用“0”和“1”表示一定的電壓范圍，就可以形成在一定范圍噪音下，不會(huì)發(fā)生誤操作的牢固電路結(jié)構(gòu)。

　　數(shù)字電路抗噪音強(qiáng)的理由，大家明白了嗎？沒(méi)錯(cuò)，是因?yàn)橛昧?進(jìn)制來(lái)表現(xiàn)數(shù)值。

　　什么是數(shù)字電路

　　數(shù)字電路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，也被稱為邏輯電路。

　　邏輯電路的基本要素只有AND電路、OR電路和NOT電路這3種，通過(guò)這`3種電路的不同組合可以做出具有各種功能的電路。

　　邏輯電路使用邏輯表達(dá)式和電路符號(hào)（這里使用MIL符號(hào)。其他還有JIS符號(hào)。）進(jìn)行表示。另外，我們把邏輯電路的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的一覽表稱為真值表。

　　下面我們對(duì)3種基本邏輯電路進(jìn)行說(shuō)明。

　　串聯(lián)電路，AND電路

　　AND電路也被稱為“邏輯與”，只有當(dāng)兩個(gè)輸入同時(shí)為1時(shí)，才會(huì)輸出1。

　　◇邏輯表達(dá)式

　　用“?”表示?。ɡ℡=A?B

　　◇電路符號(hào)

　　◇真值表　　

　　讓我們仔細(xì)看一看AND電路的工作方式。如果用開(kāi)關(guān)和LED來(lái)表現(xiàn)AND電路的話，就是如下圖2所示的串聯(lián)電路。

　　◇開(kāi)關(guān)A（SW A）的“開(kāi)”和“關(guān)”表示輸入A的“1”和“0”

　　◇開(kāi)關(guān)B（SW B）的“開(kāi)”和“關(guān)”表示輸入B的“1”和“0”

　　◇LED Y的亮起和熄滅以輸出Y的“1”和“0”表示

　　圖2：AND電路的運(yùn)作方式

　　該AND電路的工作方式如下。

　　◇開(kāi)關(guān)A和開(kāi)關(guān)B都為“開(kāi)”時(shí)，LED Y點(diǎn)亮

　　◇開(kāi)關(guān)A或B只有一個(gè)為“開(kāi)”，另一個(gè)為“關(guān)”時(shí)，LED Y熄滅

　　◇開(kāi)關(guān)A和開(kāi)關(guān)B都為“關(guān)”時(shí)，LED Y熄滅

　　基本邏輯電路也稱作門(mén)（gate）電路，可以通過(guò)單個(gè)輸入來(lái)固定輸出（關(guān)閉門(mén)），或反映輸出（打開(kāi)門(mén)）。

　　AND電路的門(mén)電路的工作情況可以用圖2的電路圖進(jìn)行說(shuō)明。

　　◇A或B的開(kāi)關(guān)之一固定為“關(guān)”，LED保持熄滅，也就是說(shuō)輸出固定為“關(guān)”（關(guān)閉門(mén)）

　　◇相反，A或B的開(kāi)關(guān)之一固定為“開(kāi)”，未固定的另一個(gè)輸入能夠直接反映輸出（打開(kāi)門(mén)）

　　并聯(lián)電路、OR電路

　　OR電路也被稱為“邏輯或”，只要有任何一個(gè)輸入為1，或者都為1的情況下，都會(huì)輸出1。

　　◇邏輯表達(dá)式

　　用“＋”表示 （例）Y=A＋B

　　◇電路符號(hào)

　　◇真值表

　　如果用開(kāi)關(guān)和LED來(lái)表現(xiàn)OR電路的工作方式的話，就是如下圖3所示的并聯(lián)電路。

　　◇由于是并聯(lián)電路，因此開(kāi)關(guān)A（SW A）或開(kāi)關(guān)B（SW B）中任意一個(gè)為“開(kāi)”，或兩者均為“開(kāi)”時(shí)，LED Y就點(diǎn)亮。

　　OR電路的門(mén)功能與AND電路的工作方式正好相反。

　　◇A和B的開(kāi)關(guān)之一固定為“開(kāi)”時(shí)，LED保持點(diǎn)亮，也就是說(shuō)輸出固定為“開(kāi)”（關(guān)閉門(mén)）

　　◇相反，A和B的開(kāi)關(guān)之一固定為“關(guān)”，未固定的另一個(gè)輸入能夠直接反映輸出（打開(kāi)門(mén)）

　　圖3：OR電路的運(yùn)作方式

　　反向輸出的NOT電路

　　NOT電路也被稱作變頻或反向電路，具有將輸入反向輸出的功能。是輸入為1時(shí)輸出0，輸入0時(shí)輸出1的電路。

　　◇邏輯表達(dá)式

　　用“¯”表示 （例）Y=

　　◇電路符號(hào)

　　◇真值表