KA_IX

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如何正确看懂数字电路图

2021-12-17 15:55:44 显示全部楼层
数字电路处理的是不连续的、离散的数字信号,数字信号一般只有“0”和“1”两种状态,这与传统的模拟电路完全不同。对于数字电路或含有数字电路的电路图,看懂它的关键是,通过分析各种输入信号的状态与输出信号的状态之间的逻辑关系,以搞清楚电路的逻辑功能。

一、数字集成电路引脚的特征

数字集成电路在电路图中通常以分散画法的形式出现,即一块集成电路中的若干个功能单元以逻辑符号的图形分布在电路图中的不同位置上,这是数字电路与模拟电路在电路图表现形式上的显著区别。分析数字电路,一般只需要掌握逻辑单元的功能,而不必去研究逻辑单元内部的电路。因此,熟识数字逻辑单元的符号和数字集成电路引脚的特征,能够帮助我们正确看懂数字电路图。

1、输入端


数字电路输入端包括数据输入端和控制输入端两大类,这些输入端从引脚图形上可分为一般输入端、反相输入端、边沿触发输入端、反相边沿触发输入端等。如下图所示。
1)一般输入端
对于数据输入端,数据信号以原码形态输入。如门电路的输入端,有时标注有字符“A,B,C......”等,如下图所示,
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触发器的数据输入端,标注有字符“D,J,K......”等,如下图所示
移位寄存器的数据输入端中,串行数据输入端标注有“D”字符,并行数据输入端标注有“P1,P2,P3......”等字符,如下图所示。
43370003cb483a540f25?from=pc.jpg
对于控制输入端,控制信号为“1”时起作用,如下图a)所示D触发器的“R”(置“0”端)和“S”(置“1”端)两个控制输入端,当R=1时,触发器被置“0”;当S=1时,触发器被置“1”;当R=0或S=0时,触发器不起任何控制作用。
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2、反相输入端
对于反相数据输入端,数据信号以反码形态输入,下图a)所示为具有反相数据输入端的门电路,反相输入端的标注字符上方有一短杠“-”,表示反相,。反相数据输入端的效果相当于将输入信号反相后再输入,下图b)所示为其等效电路。
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下图所示为具有反相数据输入端的移位寄存器。
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对于反相控制输入端,控制信号为“0”时起作用。
3)边沿触发输入端
边沿触发输入端常见于各类触发器的触发端,以及各种时序电路的时钟脉冲输入端。对于一般的边沿触发输入端,触发脉冲的上升沿起作用。如下图所示单稳态触发器的正触发端TR+,当触发脉冲的上升沿作用于“TR+”端时,单稳态触发器被触发翻转为暂稳态。
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4)反相边沿触发输入端
反相边沿触发器输入端相当于在边沿触发端前加入了一个反相器,所以对于反相边沿触发输入端,是触发脉冲的下降沿起作用。
5)其它输入端
在数字电路系统中,有时也会处理或传输模拟信号,因此,必要时可以在电路图中相关的输入端旁加注字符。如下图所示。
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下图所示的模拟开关的输入端中,用不同的字符表示输入端是模拟输入端还是数据输入端。
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2、输出端


数字电路输出端可分为一般输出端和反相输出端。如下图所示。
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1)一般输出端
对于一般输出端,数据信号以原码的形态输出。如门电路的输出端标注有字符“Y”,如下图所示;
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触发器的输出端标注有字符“Q”,如下图所示;
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加法器的输出端中,“和”输出端标注有字符“S”,“进位”输出端“标注有字符“Co”,如下图所示;
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移位寄存器的输出端中,并行数据输出端标注有“Q1,Q2,Q3,Q4......”字符,其中最后一位并行数据输出端也就是串行数据输出端,如下图所示。
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2)反相输出端
对于反相输出端,数据信号以反码的形态输出。如门电路的反相输出端标注有字符“Y”上面加了一个短杠“-”。如下图所示,这相当于在基本门电路后面加接了一个反相器(非门);
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译码器的多个反相输出端,分别标注有加了短杠“-”的字符,如下图所示。

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3、其它连接端

有些数字电路还具有若干外接电阻、电容、晶体等元器件的引脚,这些不属于逻辑连接的连接端,在电路图中用下图所示符号标注。
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例如,下图所示单稳态触发器中,其上部连接外接电阻Re和外接电容Ce的引脚,即位不属于逻辑连接的连接端。
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二、一般分析方法

数字电路多种多样,对于不同类型的数字电路,应根据具体电路的特点采用不同的分析方法。一般情况下,可采用顺向看图法或逆向看图法来分析数字电路。

1、顺向看图法

顺向看图法即顺着信号处理流程方向,从输入端到输出端依次分析。
下图所示为声光控楼道灯电路,线路图中,位于左边的驻极体话筒BM(接受声音信号)和光电二极管VD(接受光信号)是整个电路的输入端,位于右边的照明灯H是整个电路的最终负载,信号处理流程方向为从左到右。
顺向看图法就是按照从左到右的顺序,从当驻极体话筒BM接收到声音信号时,经声控电路放大、整形和延时后,其输出端A点为“1”,该信号送入与非门D1的上输入端。如果这时是在夜晚,无环境光,光控电路输出端B点为“0”,同时由于本灯未亮,故D点为“1”,所以与非门D2输出端C点为“1”。该信号送入与非门D1的下输入端。由于与非门D1的两个输入端都为“1”,其输出端D点变为“0”,反相器D3的输出端E点为“1”,使电子开关导通,照明灯H点亮。由于声控电路中含有延时电路,声音信号消失后再延时一段时间,A点电平才变为“0”,使照明灯H熄灭。当本灯H点亮时,D点的“0”同时加至D2的下输入端将其关闭,使得B点的光控信号无法通过。这样,即使本灯的灯光照射到光电二极管VD上,系统也不会误认为是白天而造成照明灯刚点亮就立即又被关闭。
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如果是在白天,环境光被光电二极管VD接收,光控电路输出端B点为“1”,由于本灯未亮故D点也为“1”,所以与非门D2输出端C点为“0”。该信号送入与非门D1的下输入端,关闭了与非门D1,此时不论声控电路输出如何,D1输出端D点恒为“1”,E点则为“0”,使电子开关关断,照明灯H不亮。
通过以上分析,我们可以知道,声光控楼道灯的逻辑控制功能为:
1)白天整个楼道灯不工作;
2)晚上有一定响度的声音时楼道灯打开;
3)声音消失后楼道灯延时一段时间才关闭;
4)本灯点亮后不会被误认为是白天。

2、逆向看图法


逆向看图法即逆着信号处理流程方向,从输出端到输入端倒推分析。仍以上面的声光控楼道灯电路为例,照明灯H点亮的条件是,电子开关输入端E点必须为”1“,即D点必须为”0“,D点为”0“的条件是与非门D1的两个输入端都为”1“,D1的上输入端连接的是声控电路的输出端A,有声时A=1,无声时A=0,D1的下输入端受与非门D2的输出C点控制,而D2的两个输入端分别接光控电路输出端B点和本灯信号D点,在无环境光或本灯已亮时C=1,在有较强环境光且本灯未亮时C=0。
通过以上分析可知,在白天环境光较强时,照明灯H被关闭,在夜晚,照明灯H则受声控电路的控制,有声音时亮,声音消失后延时一段时间然后关闭,这个分析结果与顺向看图法一致。

三、组合逻辑电路的分析方法

组合逻辑电路包括各种编码器、译码器、加法器、数值比较器、数值选择与分配器等。组合逻辑电路的基础单元是门电路。组合逻辑电路可以具有一个或多个输入端,同时具有一个或多个输出端,如下图所示。组合逻辑电路的特点是,输出信号的状态仅与当时的输入信号的状态有关,而与该时刻之前的电路状态无关。分析组合逻辑电路的关键是正确应用逻辑代数。
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1、运用逻辑函数表达式进行分析

运用逻辑函数表达时进行分析的方法,是从输入端到输出端逐级写出每一个逻辑单元的逻辑函数表达式,得出最终的逻辑函数表达式,并简化为最简形式,据此确定该电路的逻辑功能。
以下图所示组合逻辑电路为例,该电路具有两个输入端A和B,具有4个输出端T1,Y2,Y3,Y4。各级逻辑函数表达式如下。
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从逻辑函数表达式可知:当输入端AB=“00”时,输出端Y1=1,当输入端AB=“10”时,输出端Y2=1,输入端AB=“01”时,输出端Y3=1,输入端AB=“11”时,输出端Y4=1。可见,这是一个2线-4线译码器,它的功能是将2位二进制码译码后,从4个输出端中所对应的哪一个输出端输出。

2、运用逻辑函数真值表进行分析


运用逻辑函数真值表进行分析的方法,是列出所有输入端与所有输出端之间的逻辑函数真值表,然后根据真值表判断出电路的逻辑功能。
某组合逻辑电路如下图所示,它包含3个逻辑门电路D1,D2,D3,具有3个输入端A,B,C和1个输出端Y。3个输入端共有8种组合状态,逐一分析如下:
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当ABC=”000”时,D1输出为“0”,D2输出为“1”,Y=0;当ABC=“001”时,D1输出为“1”,D2输出为“1”,Y=1;当ABC=“010”时,D1输出为“1”,D2输出为“1”,Y=1;......当ABC=“111”时,D1输出为“1”,D2输出为“0”,Y=0;根据以上分析结果得到的逻辑函数真值表如下图所示。
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从逻辑函数真值表可见,只有当ABC=”000”或者ABC=”111”时,才有Y=0,否则Y=1,所以,这是一个逻辑不一致电路,当三个输入端的输入逻辑状态不一致时,电路输出为1,当3个输入端的逻辑状态一致时,电路输出为0。

四、时序逻辑电路的分析方法

时序逻辑电路包括各种移位寄存器和计数器等。时序逻辑电路一般由组合逻辑电路和存储电路两部分组成,如下图所示,存储电路的核心单元是触发器,它将电路的输出状态存储下来并反馈到电路的输入端,因此时序逻辑电路具有记忆功能。时序逻辑电路的特点是,任意时刻输出信号的状态不仅与当时的输入信号的状态有关,而且还与原来的电路状态有关,即与前一时刻的输入信号的状态有关。分析时序逻辑电路一定要抓住与时间有关这个关键。
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1、运用状态转换表进行分析


状态转换表是时序逻辑电路的真值表,它按时间顺序列出了每一时刻的输入状态与输出状态,需要特别注意的是,这里所说的输入状态包含该时刻输入信号的状态和前一时刻输出信号的状态。通过状态转换表可以清晰的看出时序逻辑电路的工作过程。
下图所示为二-十进制计数器电路,它由4个D触发器串联组成。每个D触发器的反相输出端与本身的数据输入端相连接,构成双稳态触发器。计数脉冲从第一个双稳态触发器D1的CP端输入,每一级的反相输出端接入下一级的CP端,因此,每输入1个计数脉冲,D1就翻转一次,每输入2个计数脉冲,D2就翻转一次,每输入4个计数脉冲,D3就翻转一次,每输入8个计数脉冲,D4就翻转一次。或非门D5的作用是,当输入第10个计数脉冲时输出一个清零信号,使4个D触发器全部为0,即返回起始状态,实现了十进制计数。计数结果由Q4,Q3,Q2,Q1输出。将以上分析结果列表,就是二-十进制计数器状态转换表,如下图所示。从状态转换表中可以非常清楚的看出二-十进制计数器的工作过程。

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2、运用时序波形图进行分析

时序波形图是以时钟脉冲为基准,将每一个输入端和每一个输出端的状态,以随时间而变化的波形的形式一一对应的画在一起。通过时序波波形图能够直观的看出时序逻辑电路的工作过程。
下图所示为4位右移移位寄存器电路,移存单元为4个D触发器,串行输入数据D0在时钟脉冲CP上升沿的触发下向右移位,Q4,Q3,Q2,Q1为并行输出端,Q4同时为串行输出端。,每一个时钟脉冲CP上升沿到来时,串行输入数据D0进入D1,D1数据进入D2,D2数据进入D3,D3数据进入D4,D4数据移出寄存器,
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下图所示为该移位寄存器的时序波形图,移位寄存器工作过程如下:设初始状态为“0000”,从时序波形图可以看出,当第一个CP脉冲上升沿到来时,D0的“1”进入触发器D1,Q1=1;当第2个CP脉冲上升沿到来时,Q1的“1”进入触发器D2,Q2=1;以此类推,经过4个CP脉冲后,D0的“1”到达D4,Q4=1,如果该移位寄存器有初始数据,那么经过4个CP脉冲周期后,其初始数据便串行移出了寄存器,D0的4位串行输入数据进入了寄存器,数据移位流程如下图所示。
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