数字逻辑电路-生物医学工程研究所.PPT

第八章 数字逻辑电路 前面学习了能够处理随时间连续变化的信号(模拟信号)的模拟电路，本章将继续学习能够处理不连续的突变信号(数字信号)的数字电路(digital circuit)。 目前，数字电路正快速向多功能、高集成方向发展，其中电子计算机技术就是在此基础上发展起来的。数字电路与电子计算机技术已经被广泛应用在医疗仪器和设备中。本章主要阐述逻辑控制、脉冲计数和数字显示的基本原理，介绍常用的计数器和A/D、D/A转换器。 主要内容 第一节 基本逻辑电路 第二节 双稳态触发器 第三节 脉冲的计数和显示 第四节 数模和模数转换 第一节 基本逻辑电路 所谓逻辑是指“条件”与“结果”的关系。逻辑电路(logic circuit)是用电路的输入信号反映“条件”，用电路的输出信号反映“结果”。电路的输出与输入之间构成一定的逻辑关系。 逻辑变量是指具有“真”、“假”两个值的量，在逻辑运算中用0和1两个数码代表逻辑值，0代表“假”，1代表“真”。在电子线路中，如果一个电压变量只取高、低两个电平，且在这两个电平之间的转换都是快速的，那么它们就可以作为逻辑变量。在正逻辑中，把低电平作为逻辑值0，把高电平作为逻辑值1。而负逻辑则相反。以下的内容只使用正逻辑。 一. 基本逻辑门电路 基本逻辑门电路有与门(AND gate)、或门(OR gate)及非门(NOT gate)，分别可以完成与、或、非三种逻辑运算。这三种逻辑运算可以用晶体二极管和晶体三极管等分立元件组成的电路来实现，也可以用集成电路来实现。 1. 与门电路 上图为简单的具有两个输入端的二极管与门电路、常用逻辑符号、逻辑表达式及真值表。 其中A、B分别为两个输入端，F为输出端。这种电路之所以能实现与运算，是因为输出端的电平被最低电平的输入端钳位，只有在输入端全为高电平时，输出端才能是高电平。也就是说输入全为1时，输出才为1。 从电路的结构来看，这种基本的与门电路有它的局限性：①输出低电平时，其值比输入端低电平高一个二极管的正向电压降，因此一个逻辑量连续通过2~3个这样的门电路后，代表0值的低电平就不再符合要求。②输出端为高电平时，向负载供应电流的能力受电阻R的限制，负载电流过大时，R两端的压降就不容忽视，代表1值的高电平就不再符合要求。③当输入端电平变化时，输出端电平的变化总是要落后一定的时间。此时间主要是由二极管在导通状态和截止状态之间的转换过程而产生的，称为门电路的延迟时间。 2. 或门电路 上图为简单的具有两个输入端的二极管或门电路、常用逻辑符号、逻辑表达式及真值表。 其中A、B分别为两个输入端，F为输出端。这种电路之所以能实现或运算，是因为输出端的电平被最高电平的输入端钳位，只要输入端有一个高电平时，输出就是高电平。也就是说输入有一个为1时，输出即为1。输入端全为0时，输出才为0。 这种或门电路的局限性与前面的与门相类似。 3. 非门电路 非门电路只有一输入端，输出端与输入端的状态总是相反。当输入端A是高电平时，输出端F是低电平；当输入端是低电平时，输出端则是高电平。 简单的非门电路实际就是一个反相器，适当选择RC和RB，当输入端A为高电平时，三极管饱和导通，输出端F为低电平(约为0．2伏)；当输入端A为低电平时(0伏左右)，三极管截止，输出端F为高电子(约为Ec)。这就是说，输入1时，输出0；输入 0时，输出1，实现了非运算。上图为电路、逻辑符号、逻辑表达式及真值表。 这种简单的非门电路具有如下特点：①由于晶体三极管是有源器件，输出电平不但不会逐级恶化，而且比输入端有所改善，作串联使用时无电平偏移。所以常用它和与门、或门组成与非门及或非门。②这种电路向负载提供电流的能力一般比较差。③电路的延时主要发生在输出电平由0变1时，这是由于三极管的延时主要产生在由饱和变为截止的恢复阶段上。 为了扩展逻辑功能，由上述三种基本逻辑门电路还可以组成多种复合门电路。如与门和非门串联可组成与非门，或门和非门串联可组成或非门，与门、或门和非门串联组成与或非门等。实际应用的逻辑系统往往具有较复杂的逻辑关系。它需要用一些基本门电路和复合门电路组合起来，以实现一定的逻辑功能。这种由若干个门电路组成的电路称为组合逻辑电路。常用的组合逻辑电路有编码器、译码器等，它们在数字电路中有着广泛的应用。 上图是数字频率计控制电路，其中的与门是用来控制脉冲信号能否进入计数器的开关。它有两个输入端；被测信号（频率为fx）经脉冲形成电路变成计数脉冲（重复频率fx）加到A端