如何学好数字电路?入门精华整理了解一下

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楼主 2021-01-11 16:44:05
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本文来自电源网网友:cjhk(版主)。感谢版主好帖~ 大家学习之后,要记得到电源网论坛顶帖哦!



搞电源开发也有8年多了,有些厌倦,电源方面的知识点看了很多,懂一点电源,但是纵观电子技术领域,仅仅懂一点电源技术其实是远远不够的,于是有了搞数字电路的念头。


之前也断断续续的写了一些代码,但总感觉是浮在表面上的功夫,对于数字电路的理解很肤浅,仅仅停留在各种逻辑门的层次。这段时间想了很多,感觉目前的自己更想学一点数字电路,更想把各类数字功能电路以及CPU的底层工作原理弄通,弄精。可能这又得花上八九年的时间了,但是那又如何呢?活着不就是为了不断地折腾吗,是不是?


市面上铺天盖地的是各类功能芯片,做单片机开发的工程师应该更有体会。需要什么功能,只需要增加相应的集成芯片就行了,至于说芯片的工作原理,也就仅仅局限在技术手册层面的理解吧!


都知道数字电路其实就只有两个状态,开和关。但是几乎所有的数字系统都是由开和关组成的,这就是数字电路的力量,也是它深深吸引我的地方。我想把数字电路的学习研究当作自己的业余爱好,慢慢地学,慢慢地练,一点一点的积累自己的技术。不急躁,不浮躁,打呆仗,打硬仗,这样走下去总会有一点收获吧!以上和诸位有此志向的朋友们共勉。


先将准备写的知识点罗列出来吧。这一帖想接着<<【我是工程师第四季】0和1的故事>>继续写。先期准备先写一点通过三极管实现各类门电路,接着准备通过各类逻辑门电路组建常规的功能电路,诸如计数器、加法器、锁存器、触发器、存储器、译码器、移位寄存器、存储器等数字电路,最终目的是想通过各类逻辑电路搭建出一个简易的CPU出来。


逻辑门电路搭建CPU,目前主流的方法是通过FPGA实现,需要掌握VERLOG语言,直接用逻辑门电路制作CPU周期长,费时费力。不过我还是想先用逻辑门电路搭出来,这样对于底层的原理会理解的更加透彻深刻。


先从最基本的逻辑门电路的实现开始吧。


三极管组成的与门电路,和之前的二极管以及继电器组成的与门电路类似,只是实现的手段不同而已,其实原理大同小异。




三极管组成的或门电路,如下图所示:




三极管非门电路以及时序图如下所示:




欢迎大家一起讨论学习数字电路的知识点,以前我认识的工程师给我灌输的观点是模拟电路难学,数字电路简单。其实真实的情况并不是如此,数字电路个人认为非常的繁琐,和模拟电路比较,有过之而无不及。简简单单的两个状态开和关或者说零和一就可以几乎囊括了电子世界的大半个江山,这简单吗,很显然不简单。说数字电路简单的朋友,其实大多数人对于数字电路的理解仅仅是门外汉都算不上的层次。


广大的电源工程师其实很多人都不懂数字电路,至于底层驱动的编程,CPU结构的理解,RSIC架构和CSIC架构的区别,不同指令集的理解等等,其实几乎都不懂,很多人连涉及的层次都达不到,仅仅是根据自己的理解就大言不惭的告诉新手们,数字电路简单。个人觉得这是对广大新手能力的扼杀,同时也是对刚入门的新人的极大的不负责任。


接下来准备写点用逻辑门组成的时序逻辑和组合逻辑电路,常规的各类触发器等等。慢慢写,学习鸿哥好榜样,用一辈子的时间去学习,去写帖子,写高质量的帖子,帮助更多的迷茫的新人们,同时也希望诸多老鸟们能一起加入进来共同讨论学习,谢谢。


曾经的我很迷茫,也理解新手们刚步入这个行业的痛楚,希望通过自己的努力能够将电子技术写的通俗大众一点,帮助更多的后来者扫清入门阶段的障碍。限于自己的水平,我自己遇到很多问题,也是边写边学边练。我想只要勤奋,总能在电子技术有所收获吧。


之前讲解了通过三极管,二极管等器件构建门电路。接下来开始正式讲讲数字电路。


数字电路的基础部件是门电路,而常规的门电路不过三种而已,与或非。考虑到器件的制造工艺以及批量化生产等诸多问题,真正应用较多的门电路是与非门以及或非门。通过与非门或者是或非门便可以组合出数字电路中的任意功能模块电路(时钟电路除外),很奇妙,也很好玩。所谓大道至简,应该便是此理。


首先将与门电路进行了仿真测试,通过设定输入时序逻辑来控制输出端的状态,输入和输出的状态关系表明与门电路一项重要的应用功能,那就是使能功能,同时也表明了与门电路另一项功能,位与逻辑功能。




接下来是或门逻辑电路,输入端的逻辑电平也进行了设置,从而控制输出端的逻辑状态。或门应用较广的功能为位或功能,实现寄存器的按位或变化。




今天主要讲的电路是非门电路。非门电路从逻辑控制的角度看就是输入和输出反相而已,实际工程应用中,非门电路作用非常大。通过非门电路可以实现自激振荡电路(方波时钟信号),和与门以及或门组成与非门及或非门,用作缓冲器,使能控制端等等。




针对与,或,非门再进行一些补充吧。


先说与门,之前帖子中提到与门有一项比较重要的作用就是作为使能端口的应用。其实原理很简单,最直观的方法是观察与门的真值表便可一目了然。


与门相当于乘法运算,有零即为零,全一才初一。作为双输入与门,如果其中一个门作为使能端,一直处于低电平状态,另一个输入端口不管是何种状态,输出固定为零。当使能端口置一,另一输入端口则可以将数据输送至输出端口。




上述与门使能电路,其使能端口为低电平使能,如果需要高电平使能如何处理呢,很简单,前级加入一个非门电路即可解决这一问题。




接下来讲讲译码器的原理。


译码器,顾名思义就是翻译编码的作用,说的专业点,就是可以将n位输入码转换为2^n的输出码,说的通俗点就是能够用较少的信号位表示较多的信号码。为什么这样做呢,集成芯片中,我们知道可谓寸土寸金,通过译码器可以节省很多的信号走线,极大的节约了芯片内的空间,是不是很有意思?


先给大家来个简单一点的译码器,一二译码器。也就是说通过一个电信号可以表示两个信号,原理很简单,其实就是个非门而已。




接下来升级一下,来个相对复杂一点的译码器,二四译码器。由该电路的名称即可知道该译码器可以将两个位信号表示为四种不同的状态信号。




通过上述我个人的理解描述以及电路时序图,译码器的原理应该说是比较明朗了,本质思想就是想通过较少的电路信号表示相对较多的电信号,降低信号线的条数,达到节省电路面积的作用,就这么简单。


接下来考虑将使能电路和译码器电路结合起来。只有带使能端口的译码器以及其他的功能数字电路才算是真正完整的数字电路。


讲讲带使能端口的二四译码器吧。结合我之前帖子中提到的,通常使用与门作为使能端口,这次也不例外。原理其实很简单,就是在二四译码器的后级再加一级与门端口即可。当使能端口为1低电平时,译码器的输出不动作,当使能端口为高电平时,正常输出。但是这样的后级电路其实并不算完美,如果后级加上三态门电路就完美了。使能端口为高电平时,译码器正常输出,当使能端口为低电平时,译码器输出端为高阻态,也就是断开状态。



如果想让使能端口低电平有效则需要在使能端口再接入一级非门电路即可,是不是觉得很简单呢?变来变去,其实还是与门,非门,的不同组合而已,是不是呢。



上一帖讲解了译码器,接着就得讲讲编码器了。


……

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