数字电路基础知识

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数字电路基础知识

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所谓数字电路就是用于处理数字信号的电路。数字电路与模拟电路相比有很大的不同，数字电路主要是对数字信号进行逻辑运算和数字处理，这些运算和处理有时是相当复杂的，但主要通过软件来处理（进行各种逻辑处理和数字运算），这一点就决定了对数字电路的识图不同于模拟电路的识图。
关于数字电路这里先介绍下列一些特点，以便对这种电路有个初步印象：
（１）数字电路中只处理二进制中的“０”和“１”两种信号，“０”表示信号无，“１”表示信号有。从电路硬件这一角度上讲，电子电路中的元器件特别是三极管只工作在有信号和无信号两种状态，也就是数字电路中的三极管多伴工作在开关状态，不象模拟电路中的三极管工作在放大状态。
（２）数字电路中，用三极管的饱和状态与截止状态分别对应于数字信号中的“０”和“１”，可用三极管截止时输出的高电平表示数字信号的“１”状态，而用三极管饱和导通输出的低电平表示数字信号中的“０”状态。三极管的这一工作状态与模拟电路是完全不同的，在进行数字电路识图时电路分析方法就不能与模拟电路中三极管放大状态的分析方法相同。
（３）由于数字信号只有“１”和“０”两种，那么对数字电路的工作要求就是能够可靠地区别信号为“０”和信号为“１”两种状态，因此对数字电路的精度要求不高，这适合于对数字电路进行集成化，加上对数字信号的处理和运算都是相当复杂的过程，所以数字电路中都是采用集成电路，且许多是大规模集成电路，这一点又使数字电路工作的分析增加了一份神秘的色彩。
（４）数字电路是实现逻辑功能和进行各种数字运算的电路。数字信号在时间和数值上是不连续的，所以它在电路各只能表现为信号的有、无（或信号的高、低电平）两种状态。数字电路中用二进制数“０”和“１”来代表低电平和高电平两种状态，数字信号便可用“０”和“１”组成的代码序列来表示。因此，学习数字电路首先要了解有关二进制数知识，否则对数字电路的分析将寸步难行。
二进制数特点
在二进制数中，没有十进制数中的１０个数码而只有０与１两个数码，虽然只有０、１两个不同的数码，但通过这二个数码同样可以组成许许多多的数。通过研究发现，二进制数有如下两个明显的特点：
一是无论是多大的数，它都可以通过０、１组成的序列来表示出来。
二是二进制数按照“逢二进一”的原则计数

编码概念
人们生活中最熟悉的是十进制数，即０～９十个不同的数组成的数字，其实人们生活中也有大量的非十进制计数，例如每七天为一周，时钟转一圈为１２个小时等。在二进制数中，由于只有“０”与“１”两个数字，所以电子电路中的硬件（如晶体管）很容易实现“０”、“１”两种状态的变化。在数字系统电路中，主要是使用二进制数。
用一连串“０”、“１”表示的数称为二进制数，对一系列二进制数组按一定规则排成顺序的脉冲列叫做编码。
码的基本名称解说
１．数位与比特
码的位叫做数位，英文是 digdit 。对于十进制码叫做十进制数位，英文是decimal digit。对于二进制码叫做二进制数位，英文是binary digit，对于二进制数位一般简称为bit，中文读作比特。
例如，如某一个二进制码是１００１０１，该码共有６数位，所以称为６bit（比特），又如激光唱机（ＣＤ机）通常是１６比特的，这说明该ＣＤ机记录信息采用１６数位。当然，ＣＤ机也有多比特的，即大于１６比特，还有１比特的。如果不了解比特的含义，即么就不能理解ＣＤ机１６比特的具体含义。
２．字
用二进制数表示某一个数值或字符时，该二进制数称为字，英文是work。在数字系统电路中，所有的信息，包括数据、字母、符号、代表机器操作指令或数据以及指令在存储器中的存放地址等，都是以二进制代码表示的，作为一个整休来处理或运算的一组二进制数码，称为一个字，简称为字。字是二进制数的基本单位，是数据总线宽度。
３.字长
在微控制器中，一个字的二进制位数称之为字长。微控制器的字长有１位、４位、８位和１６位等。
４．字节
表示方案的信息量的单位常用字节，英文是byte。在字长较长时，把一个字分成若干节。现在国际上统一把８位二进制数定义为一个字节，而４位称为半字节。在习惯上，把２攩１０攪＝１０２４个字节称为１ｋ字节。
字节这一名词在数字系统电路中经常出现，要记住它的含义。
５．字内位的名称
字内各个位的名称是有规定的，具体规定如下所示：
最上位（最高一位）的比特叫做ＭＳＢ（most significant bit）。
次高位收做２ＳＢ（second significant bit）。
由此向下位移动依次各位叫做３ＳＢ（third significant bit）,......。
最后一位的比特叫做ＬＳＢ（least significant bit）。
二进制码传输概念
在模拟电路中信号的传输是相当熟悉的，那在数字电路中的二进制数码是如何传输的呢。数字系统电路中一切信号、一切控制操作都是二进制数，这些二进制码在数字系统电路的传输方式有两种：一是串行传输，二是并行传输。
１.串行传输方式
二进制数码是一连串１、０构成的数据，在串行传输方式中是将这些二进制数中的各位１、０码按先后顺序逐个数传输，传输数码所需要的导线数目只用一条就可以了
２.并行传输方式
并行传输是二进制数码的各位同时传输，这样要求传输导线的数目与二进制数码的的位数相同，例如传输一个８位二进制数码时要使用８条导线。在并行传输方式中，各位的数值用该位的电位的“高”或“低”来表示。高电平为“１”，用“Ｈ”表示，低电平为“０”，用“Ｌ”表示
码的传输速率和带宽概念
１.码的传输速率
在模拟电路中，有一个信号工作频率的问题。在数字系统中也一样，将单位时间内（每１秒）传输数码的比特数就叫做码的传送速率（transmission rate），或称为记录速率（recording rate），或称之为传输码率，简称码率。
在实际的数字音响和数字视频电路中，除了信息比特之外（即音频或视频信号数字化的比特），还要加入同步和误码校正（纠错）等冗余比特，因此传输速率还要增加３０～４０％。
码的传输速率的单位是比特/秒（bit/s）。
例如，ＣＤ机的取样频率是４４.１ＭＨｚ和１６比特的量化位，此时码的传输速率是１.４１Ｍbit/s，如果加入同步和误码校正（纠错）等冗余比特，传输速率约为２Ｍbit/s。
所谓高效率编码是指用某种手段把传送或记录数字化音响信号所需要的每单位时间的比特数减少的技术。高效率编码有两种方法：一是去掉信号的冗余度，并且希望在不降低信号质量的前提下节约传送通路。二是利用人耳听觉、视觉特性，容许信号质量有某种程度的降低，将信号压缩，节约比特数。
２.带宽
在模拟电路有个频带宽度指标，在数字电路也同样存在这一问题，当码的传输速率高时，就用求有相应宽的频带，码率愈高要求的带宽愈宽。
例如，ＣＤ机的传输速率是２Ｍbit/s，则要求电路带宽为１～１.５ＭＨｚ。
二进制数的存取概念
数字电路与模拟电路还有一个不同之处就是，数字电路中有许多存储器电路，在工作过程时常要从存储器里取出有关信息，或送入有关信息，这在模拟电路是不可能的，因为模拟电路中没有具有记忆功能的存储器电路。
１.信息存放电路
在数字电路中的有关信息的存放有专门的记忆功能电路，如寄存器、存储器，这两种存放信息的电路用来存放各种功能的二进制码，关于寄存器电路和存储器电路将在后面章节中详细介绍。
２.读写操作
在数字系统电路中，将信息（二进制码）从存储器电路中取出称为读操作，将信息存入存储器电路称为写操作，对存储器的读、写操作称为访问存储器。
对存储器进行存取时，起码需要下列两条控制线：
一条是区分读操作中写操作的读/写（Ｒ/Ｗ）控制线，这根线要连接到ＣＰＵ的Ｒ/Ｗ引出端，由ＣＰＵ决定读出或写入（即确定数据流向）。
第二条线是片选控制线ＣＳ，有时也称片启动控制线ＣＥ。当片选信号到来时（这里为高电平），存储器才工作。否则由于三状态驱动器的控制，存储器对数据总线呈高阻状态。
在数字系统中的微控制器使用了能够存储大量信息的存储器，为了识别各个存储单元，以便存取信息，给这些存储单元进行了编号，这个编号就是各个存储单元的地址，即用二进制代码表示的地址码。通常是根据地址总线上的地址来查找存储器中的存储单元，将数据写入或读出。