1.1 概述

对数字信号进行传递和处理的电路称为数字电路。由于数字电路不仅能对信号进行数值运算，还能进行逻辑运算和逻辑判断，数字电路的输入量和输出量之间的关系是一种因果关系，它可以用逻辑函数来描述，所以又称为数字逻辑电路或逻辑电路。数字逻辑主要研究电路的输出信号状态与输入信号状态之间的逻辑关系。

1.1.1 数字逻辑研究的对象及方法

1．数字电路与数字系统

在自然界中，所有物理量都可以分为模拟量和数字量两种。模拟量是指取值连续的物理量，如温度、速度和压强等。数字量是指取值分立的物理量，如人口数量、书本页数等。在电路中，电信号同样可以分为模拟信号和数字信号两种。

（1）模拟信号和数字信号

当用电路表达物理量时，必须先将物理量变换为电路易于处理的信号形式，一般用变化的电压（或电流）表示。模拟信号是一种连续信号，任一时间段都包含了信号的信息分量。如图1-1所示的模拟信号为正弦电压信号。

而数字信号是离散的，一方面，其变化在时间上是不连续的，总是发生在一系列离散的瞬间；另一方面，数字信号的取值也是分立的，只包含有限个数值，属于一种脉冲信号。应用最广泛的数字信号是二值信号，它只有“0”和“1”两种取值。除二值信号外，还有多值信号。图1-2a所示的是一个二值电压信号的波形图，该信号只有0V和+5V两种电压取值，其中低高电平可分别用以表示“0”和“1”两种逻辑值。若用“0”表示低电平，用“1”表示高电平，称为正逻辑表示；若用“0”表示高电平，用“1”表示低电平，则称为负逻辑表示。图1-2b展示了多值电压信号的波形图。

（2）模拟电路和数字电路

处理模拟信号的电路称为模拟电路，如集成运算放大器等；处理数字信号的电路称为数字电路，如编码器、译码器和计数器等。从概念上讲，凡是利用数字技术对信息进行处理和传输的电子系统均可称为数字系统。

相比于模拟电路，数字电路具有以下优点：

● 稳定性好。数字电路不像模拟电路那样易受噪声的干扰。

● 可靠性高。数字电路中只需分辨出信号的有无，因此电路的元件参数允许存在较大的变化（漂移）范围。

● 易于长期存储。数字信息可以利用某种媒介，如磁带、磁盘或光盘等进行长期存储。

● 便于计算机处理。数字信号的输出除了具有直观、准确的优点外，最主要的还是便于利用电子计算机来对信息进行处理。

● 便于高度集成化。由于数字电路中基本单元电路的结构比较简单，并允许元件有较大的分散性，这不仅可把众多的基本逻辑单元集成在同一块硅片上，还能达到大批量生产所需要的合格率。

2．数字电路的分析和设计

数字电路是以二值数字逻辑为基础的，输入和输出信号为离散数字信号，电子元器件工作在开关状态。数字电路响应输入的方式称为数字逻辑，服从布尔代数的逻辑规律。因此，数字电路又称为逻辑电路。

在数字电路中，人们关注的是输入、输出信号之间的逻辑关系。输入信号和输出信号分别被称为输入和输出逻辑变量，它们之间的因果关系可由逻辑函数来描述，其数学基础为逻辑代数（布尔代数）。所谓数字分析，就是针对已知的数字系统，分析其工作原理、确定输入与输出信号之间的关系、明确整个系统及其各组成部件的逻辑功能。描述数字电路逻辑功能的常用方法有真值表、逻辑表达式、波形图和逻辑电路图等。

数字设计是与数字分析互逆的过程，即针对特定的功能需求，采用一定的设计手段和步骤，实现一个符合功能要求的数字系统。数字设计的层次由高到低可以分为系统级、模块级、门级、晶体管级和物理级。最终数字系统的逻辑功能被表示为一组逻辑函数，进而可以利用逻辑门单元实现。逻辑门是实现基本逻辑运算的最小逻辑单元，用逻辑门实现逻辑功能是数字电路设计的基本内容之一。随着可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）的广泛应用，硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL）已成为数字系统设计的主要描述方式，目前较为流行的硬件语言有VHDL、Verilog HDL等。

1.1.2 数字电路的发展

数字技术的应用已经渗透到了人类生活和生产的各个方面。从计算机到家用电器，从手机到数字电话，以及绝大多数医用设备、军用设备和导航系统等，无不尽可能地采用数字技术。从概念上讲，凡是利用数字技术对信息进行处理和传输的电子系统均可称为数字系统。

1．数字集成电路的发展

数字系统的发展很大程度上得益于器件和集成技术的发展。几十年来，半导体集成电路的发展印证了著名的摩尔定律，即每18个月，芯片的集成度提高一倍，而功耗下降一半。数字电路的发展经历了从电子管、半导体分立器件到集成电路等几个阶段，由于自身的独特优势，其发展越来越快。从20世纪60年代开始，以双极型工艺制成了小、中规模逻辑器件。20世纪70年代末，随着微处理器的出现，使数字集成电路的性能产生质的飞跃。数字集成器件所用的材料以硅材料为主，在高速电路中也使用化合物半导体材料，如砷化镓等。逻辑门是数字电路中一种重要的逻辑单元电路。晶体管-晶体管逻辑门（Transistor-Transistor Logic，TTL）问世较早，其制作工艺经过不断完善，是目前主要的基本逻辑器件之一。随着互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，CMOS）制作工艺的发展，CMOS器件广泛应用于各种数字电路，大有取代TTL器件的趋势。

PLD器件和电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）技术的出现使数字系统的设计思想和设计方式发生了根本变化。PLD是作为一种通用集成电路生产的，其逻辑功能通过用户对器件编程来实现。PLD的集成度很高，足以满足一般数字系统的功能需求。随着PLD器件的快速发展，集成度越来越高，速度也越来越快，并可以将微处理器、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、存储器和标准接口等功能部件全部集成其中，真正实现“系统芯片（System On a Chip）”。EDA技术以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上用硬件描述语言VHDL完成设计文件，然后由计算机自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。

总之，数字电路集成规模越来越大，并将硬件与软件相结合，使器件的逻辑功能更加完善，使用更加灵活，功能也更加强大。

2．数字集成电路的发展趋势

目前，数字集成电路正朝着大规模、低功耗、高速度、可编程、可测试和多值化方向发展。

1）大规模。随着集成电路技术的飞速发展，一块半导体硅片上能够集成百万个以上的逻辑门，新兴的纳米技术进一步扩大了数字电路的集成规模。集成规模的提高不仅缩小了数字系统的体积，降低了功耗与成本，而且显著提升了可靠性。

2）低功耗。功耗是制约电子设备研制、生产、推广及使用的一个重要因素。它在很大程度上取决于所使用的芯片或模块，功耗的降低大大扩展了数字集成电路的应用领域。

3）高速度。当今社会处于信息大爆炸的时代，人们对信息处理速度的要求越来越高。以电子计算机为例，人们急需越来越快的运行速度。虽然这种高速度在很大程度上依赖于并行处理技术，但集成芯片本身的速度在不断提高也是毋庸置疑的。

4）可编程。传统的标准中，大规模集成电路是一种通用性集成电路。当使用这种集成电路设计复杂数字系统时，所需要的逻辑模块数量和种类往往比较多，这不仅增加了系统的体积和功耗，也降低了系统的可靠性，而且给器件的保存、电路和设备的调试、知识产权的保护带来了难题。可编程的数字集成电路可以很好地解决上述问题。

5）可测试。数字集成电路的规模越来越大，功能也越来越复杂。为了便于数字系统的使用与维护，要求可以方便地对逻辑模块进行功能测试和故障诊断，即具有“可测试性”。

6）多值化。传统的数字集成电路是一种二值电路，在信号的产生、存储、传输、识别和处理等方面具有明显优势。为了进一步提升集成电路的信息处理能力，除了在速度上下工夫外，还可采用多值逻辑电路。

1.1.3 数字电路的分类

根据不同的区分角度，数字电路可以分成不同类型。例如，根据电路结构的不同，数字电路可分为分立元件电路和集成电路两大类；根据所用器件的制作工艺，数字电路可分为双极型（TTL型）和单极型（MOS型）两类；根据电路的结构和工作原理，数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。

1．按电路结构分类

根据电路结构，数字电路可分为分立元件电路和集成电路两大类。分立元件电路是由二极管、晶体管、电阻和电容等元件组成的电路；集成电路是将上述元件通过半导体制造工艺集成在一块芯片上的。根据集成度不同，可分为小规模、中规模、大规模和超大规模集成电路。

小规模集成电路（Small-Scale Integration，SSI）：集成度在100个元件以内或10个门电路以内，如常见的与门、或非门等逻辑实验电路。

中规模集成电路（Medium-Scale Integration，MSI）：集成度在100～1000个元件之间，或在10～100个门电路之间，如译码器、编码器及数据选择器等。

大规模集成电路（Large-Scale Integration，LSI）：集成度在1000个元件以上，或100个门电路以上，如微处理器和小型控制器等。

超大规模集成电路（Very Large-Scale Integration，VLSI）：集成度达10万个元件以上，或等效于1万个门电路，如中央处理机（Central Processing Unit）、数字化视频光盘（Digital Video Disk，DVD）解码器和大容量内存芯片等。

2．按制作工艺分类

根据所用器件的制作工艺不同，可将数字电路分为双极型（TTL型）和单极型（MOS型）两类。双极型和单极型是针对组成集成电路的晶体管的极性而言的。

1）双极型集成电路由NPN或PNP型晶体管组成。由于电路中载流子有电子和空穴两种极性，故称为双极型集成电路，即通常所说的TTL集成电路。

2）单极型集成电路由MOS场效应晶体管组成。因场效应晶体管只有多数载流子参加导电，故称为单极晶体管，即通常所说的MOS集成电路。

此外，还常常将单极型电路作输入电路，双极型晶体管作输出电路，构成BIMOS集成电路。

3．按工作原理分类

根据电路的结构和工作原理的不同和是否具有记忆，可将数字电路分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。

1）组合逻辑电路：任意时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入组合，而与输入信号作用前电路的原状态无关（与过去的输入无关）。常用的电路有编码器、译码器、数据选择器、加法器和数值比较器等。

2）时序逻辑电路：任意时刻的输出不仅仅与该时刻的输入有关，而且还与电路的原状态有关（与过去的输入有关）。图1-3所示的电路是由最基本的逻辑门电路加上反馈逻辑回路或器件组合而成的电路，如触发器、锁存器、计数器、移位寄存器和储存器等电路都是时序电路的典型器件。