陳艷+++李文娟

摘 要：數(shù)字電路廣泛應(yīng)用與各種電子產(chǎn)品，數(shù)字電路中的邏輯部分是整個(gè)電路的工作核心，因此需要對(duì)其工作原理和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析。文章通過(guò)對(duì)數(shù)字電路的發(fā)展、數(shù)字電路的邏輯設(shè)計(jì)與應(yīng)用的探究，對(duì)其未來(lái)的發(fā)展與優(yōu)化提出了一些建議，力求為現(xiàn)代數(shù)字電路的發(fā)展提供創(chuàng)新的思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電路；邏輯設(shè)計(jì)；創(chuàng)新

1 數(shù)字電路的發(fā)展

數(shù)字電路是處理數(shù)字信號(hào)，例如模擬電平的離散頻帶而不是在模擬電子中使用的連續(xù)范圍的電子設(shè)備。一個(gè)值帶內(nèi)的所有級(jí)別表示相同的信息狀態(tài)，由于這種離散化，在有信號(hào)衰減或噪聲時(shí)，模擬信號(hào)電平偏差不會(huì)很大。在大多數(shù)情況下，這些狀態(tài)的數(shù)量是兩個(gè)，并且它們由兩個(gè)電壓帶表示，一個(gè)接近參考值（通常稱(chēng)為接地或零伏特），另一個(gè)接近電源電壓。這些分別對(duì)應(yīng)于布爾域的假和真值。數(shù)字技術(shù)是有用的，因?yàn)榕c精確地再現(xiàn)連續(xù)范圍的值相比，更容易使電子設(shè)備切換到多個(gè)已知狀態(tài)中的一個(gè)狀態(tài)。數(shù)字電子電路通常由邏輯門(mén)的大型組件，布爾邏輯功能的簡(jiǎn)單電子器件表示。數(shù)字電路通常由稱(chēng)為邏輯門(mén)的小電子電路構(gòu)成，其可用于產(chǎn)生組合邏輯。每個(gè)邏輯門(mén)被設(shè)計(jì)為當(dāng)作用于邏輯信號(hào)時(shí)執(zhí)行布爾邏輯的功能。邏輯門(mén)通常由一個(gè)或多個(gè)電控開(kāi)關(guān)（通常為晶體管）創(chuàng)建，邏輯門(mén)的輸出又可以控制或饋入更多的邏輯門(mén)。集成電路由一個(gè)硅芯片上的多個(gè)晶體管組成，并且是制造大量互連邏輯門(mén)的最簡(jiǎn)單的方式。集成電路通常由工程師使用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件來(lái)執(zhí)行某種類(lèi)型的功能。集成電路通常在印刷電路板上互連，該印刷電路板是保持電氣部件并且用銅跡線將它們連接在一起的板。

2 數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)分析

當(dāng)前的數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)主要集中于EDA、PLC與FPGA技術(shù)。由于數(shù)字流是極為模塊化的，前端產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)描述，編譯成調(diào)用，而不考慮內(nèi)部技術(shù)，單元使用特定的集成電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)邏輯或其他電子功能。制造商通常為其生產(chǎn)過(guò)程提供組件庫(kù)，并提供適合標(biāo)準(zhǔn)仿真工具的仿真模型。模擬數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)工具遠(yuǎn)不是模塊化的，因?yàn)樾枰嗟墓δ埽鼈兏鼜?qiáng)烈地交互從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化和模塊化。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷擴(kuò)展，數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)的重要性迅速增加，用戶(hù)通過(guò)操作半導(dǎo)體制造設(shè)施來(lái)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)和改良。集成度高，體積小，功耗低是數(shù)字電路突出的優(yōu)點(diǎn)之一。電路的設(shè)計(jì)、維修、維護(hù)靈活方便，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字邏輯電路的集成度越來(lái)越高，集成電路塊的功能隨著小規(guī)模集成電路（SSI）、中規(guī)模集成電路（MSI）、大規(guī)模集成電路（LSI）、超大規(guī)模集成電路（VLSI）的發(fā)展也從元件級(jí)、器件級(jí)、部件級(jí)、板卡級(jí)上升到系統(tǒng)級(jí)。電路的設(shè)計(jì)組成只需采用一些標(biāo)準(zhǔn)的集成電路塊單元連接而成。對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)的特殊電路還可以使用可編程序邏輯陣列電路，通過(guò)編程的方法實(shí)現(xiàn)任意的邏輯功能。測(cè)試邏輯電路有幾個(gè)原因。當(dāng)電路首次開(kāi)發(fā)時(shí)，有必要驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路是否滿足所需的功能和時(shí)序規(guī)范。當(dāng)制造正確設(shè)計(jì)的電路的多個(gè)副本時(shí)，必須測(cè)試每個(gè)副本以確保制造過(guò)程沒(méi)有引入任何缺陷。

可編程邏輯控制器（PLC）是工業(yè)數(shù)字計(jì)算機(jī)，其已經(jīng)加固并且適于控制制造過(guò)程，例如裝配線或機(jī)器人裝置或者需要高可靠性控制和易于編程的任何活動(dòng)和過(guò)程故障診斷。它們首先在汽車(chē)工業(yè)中開(kāi)發(fā)，以提供靈活、堅(jiān)固耐用且易于編程的控制器來(lái)替代硬連線繼電器和計(jì)時(shí)器。從那時(shí)起，它們已被廣泛用作適合惡劣環(huán)境的高可靠性自動(dòng)控制器。PLC是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的示例，因?yàn)楸仨氃谟邢薜臅r(shí)間內(nèi)響應(yīng)于輸入條件產(chǎn)生輸出結(jié)果，否則將導(dǎo)致非預(yù)期的操作。

賽靈思FPGA的Spartan FPGA包含可編程邏輯塊陣列和可重構(gòu)互連層次，允許塊連線在一起，如可以以不同配置互連的許多邏輯門(mén)。邏輯塊可以被配置為執(zhí)行復(fù)雜的組合功能或者僅僅是諸如AND和XOR的簡(jiǎn)單邏輯門(mén)。在大多數(shù)FPGA中，邏輯塊還包括存儲(chǔ)器元件，其可以是簡(jiǎn)單的觸發(fā)器或更完整的存儲(chǔ)器塊。FPGA可以用于解決任何可計(jì)算的問(wèn)題，這是事實(shí)證明，F(xiàn)PGA可以用于實(shí)現(xiàn)軟微處理器，如賽靈思MicroBlaze或Altera Nios II。它們的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)于某些應(yīng)用，它們速度可以顯著加快，因?yàn)樗鼈冊(cè)谟糜谀硞€(gè)過(guò)程的門(mén)的數(shù)量方面具有并行性質(zhì)和最優(yōu)性。

3 邏輯設(shè)計(jì)在數(shù)字電路中的應(yīng)用

數(shù)字電路是由查找表構(gòu)成的，許多是作為“可編程邏輯器件”，盡管存在其他種類(lèi)的PLD。查找表可以執(zhí)行與基于邏輯門(mén)的機(jī)器相同的功能，但是可以容易地重新編程而不改變布線。這意味著設(shè)計(jì)者可以經(jīng)常修復(fù)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤而不改變電線的布置。因此，在小批量產(chǎn)品中，可編程邏輯器件通常是優(yōu)選的解決方案。它們通常由工程師使用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件設(shè)計(jì)。規(guī)模變大并且邏輯控制較慢時(shí)或者涉及復(fù)雜的算法或序列時(shí)，小型微控制器被編程以制作嵌入式系統(tǒng)。這些通常由軟件工程師編程。當(dāng)僅需要一個(gè)數(shù)字電路，并且其設(shè)計(jì)是完全定制的時(shí)，對(duì)于工廠生產(chǎn)線控制器，常規(guī)解決方案是可編程邏輯控制器或PLC，這些通常由電工編程，使用梯形邏輯。

組合邏輯電路。簡(jiǎn)稱(chēng)組合電路，它由最基本的邏輯門(mén)電路組合而成。特點(diǎn)是：輸出值只與當(dāng)時(shí)的輸入值有關(guān)，即輸出惟一地由當(dāng)時(shí)的輸入值決定。電路沒(méi)有記憶功能，輸出狀態(tài)隨著輸入狀態(tài)的變化而變化，類(lèi)似于電阻性電路，如加法器、譯碼器、編碼器、數(shù)據(jù)選擇器等都屬于此類(lèi)。

時(shí)序邏輯電路。簡(jiǎn)稱(chēng)時(shí)序電路，它是由最基本的邏輯門(mén)電路加上反饋邏輯回路（輸出到輸入）或器件組合而成的電路，與組合電路最本質(zhì)的區(qū)別在于時(shí)序電路具有記憶功能。時(shí)序電路的特點(diǎn)是：輸出不僅取決于當(dāng)時(shí)的輸入值，而且還與電路過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)。它類(lèi)似于含儲(chǔ)能元件的電感或電容的電路，如觸發(fā)器、鎖存器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器、儲(chǔ)存器等電路都是時(shí)序電路的典型器件。按電路有無(wú)集成元器件來(lái)分，可分為分立元件數(shù)字電路和集成數(shù)字電路。按集成電路的集成度進(jìn)行分類(lèi)，可分為小規(guī)模集成數(shù)字電路（SSI）、中規(guī)模集成數(shù)字電路（MSI）、大規(guī)模集成數(shù)字電路（LSI）和超大規(guī)模集成數(shù)字電路（VLSI）。按構(gòu)成電路的半導(dǎo)體器件來(lái)分類(lèi)，可分為雙極型數(shù)字電路和單極型數(shù)字電路。

4 總結(jié)與展望

數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展迅速，因其易用性、穩(wěn)定性、快捷性受到廣大科研人員和工業(yè)控制生產(chǎn)人員的歡迎。我國(guó)各層次的開(kāi)發(fā)研究人員正不斷地改善當(dāng)前數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)的應(yīng)用環(huán)境，為了充分利用計(jì)算機(jī)的價(jià)值。在當(dāng)前社會(huì)生活中，各方面應(yīng)用人員應(yīng)加強(qiáng)自身的學(xué)習(xí)與探究，在合理的體系中力求計(jì)算機(jī)價(jià)值的利用最大化。大量用戶(hù)的使用同時(shí)對(duì)其發(fā)展也有促進(jìn)作用，數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)對(duì)于工業(yè)的發(fā)展將起著越來(lái)越重要的作用。

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作者簡(jiǎn)介：陳艷（1986，07-），性別：女，民族：漢，籍貫：四川南充，當(dāng)前職務(wù)：教師，當(dāng)前職稱(chēng)：講師，學(xué)歷：本科，研究方向：通信工程。