1.2 基本逻辑概念

1.2.1 模拟与数字

在RC电路、LC电路、放大器、积分器、整流器和集成运放等模拟电路中，所处理的信号都是连续变化的电信号。例如，话筒输出的语音信号、医学探头输出的心电图信号、光电器件输出的图像信号等均称为“模拟信号”，如图1.2（a）所示。对模拟信号进行传输、变换、处理的技术称为“模拟电子技术”，其相应的工作电路称为“模拟电路”。

图1.2 模拟信号和数字信号的电压-时间波形

但是对于某些传感器输出的脉冲信号或开关、键盘、计算机的数据信号则称为离散信号，又称为“数字信号”，如图1.2（b）所示。在这些情况下，电路处理的信号由“1”和“0”组成，对其进行传输、存储、运算、变换、合成处理的技巧称为“数字电子技术”，其相应的工作电路称为“数字电路”。同模拟电路相比较，数字电路具有工作可靠、抗干扰能力强；电路结构简单、集成度高、成本低；数字信息便于长期保存和加密；数字集成电路产品系列齐全，通用性强、价格低廉；数字电路既可完成数值运算，又可进行逻辑判断；利用同一数字信号处理器能同时处理多个通道信号等优点，因此其技术越来越成熟，用途越来越广泛。

1.2.2 逻辑状态

电路中的开关晶体管在任一时刻或者处于饱和状态，或者处于截止状态，二者必居其一。一般讨论电路中某一点的电压而不讨论通过该点的电流，其电平HIGH（高电平）和LOW（低电平），这两种状态可以代表信息各“位”（bit）的不同含义。例如，事件发生还是没有发生？某项工作是成功还是失败？信号存在还是不存在？开关是闭合还是断开？模拟电平高于还是低于已知界限？

图1.3 开关的闭合与断开

HIGH和LOW状态可以分别表示布尔逻辑的TRUE（真）和FALSE（假）状态，也可以分别用图1.3所示的状态来表示，开关S闭合时为真（TRUE），断开时为假（FALSE）。数字电路可以通过信号的来源“识别”信号代表的意义，就像模拟电路可以“识别”一些运算放大器的输出所代表的意义一样。一位二进制数字的“1”和“0”在布尔逻辑中分别表示真（TRUE）和假（FALSE），数字电路中通常也采用这种方式，即1=HIGH和0=LOW。

1.2.3 HIGH和LOW的电压范围

在数字电路中，HIGH和LOW具有一定的电压范围。例如，当高速CMOS（74HC系列）集成门电路用+5V电源供电时，其输入电压对地低于1.5V时为LOW，在1.5V至+5V之间时为HIGH。实际上，输出电压的典型值LOW和HIGH一般分别是电源电压的0.5V以下和+5V。信号在通过电路传输过程中不可避免地混入噪声，电路接收到激励信号，执行相应的响应，如果噪声没有将“1”扰乱成“0”，或将“0”扰乱成“1”，则一切顺利。噪声在每一级被消除，因为重新产生了没有噪声的1和0，可见数字电路是无噪声的，非常完美的。用“噪声容限”来表示电路保持在正常工作时允许干扰电压的最大值。例如，CMOS（74HC系列数字芯片）和TTL数字芯片在+5V电源条件下分别为1V和0.4V，因为其输入电压分别要求小于1.5V和0.8V为LOW，大于3.5V和2.0V为HIGH。可见CMOS的抗干扰能力比TTL好许多倍。

1.2.4 正逻辑和负逻辑

对于一个逻辑电路，若规定高电平为逻辑1，低电平为逻辑0，则称之为“正逻辑”。反之，若规定高电平为逻辑0，低电平为逻辑1，则称为“负逻辑”。同一个逻辑电路，在正、负逻辑关系下，其逻辑功能是不相同的。正、负逻辑的等价关系一般为：正与=负或非，正或=负与非，正与非=负或，正或非=负与等。几种常用的正、负逻辑门的逻辑符号及等价关系如表1.1所列。

表1.1 常用正、负逻辑门的逻辑符号及等价关系

逻辑图中任意一条线上输入端和输出端同时加上或消去小圆圈，其逻辑关系不变。任意一条线上的小圆圈从一端移到另一端，其逻辑关系不变。一端消去或加上小圆圈，同时将相应的变量取反，其逻辑关系不变。一般情况下，人们习惯采用正逻辑关系。但有时为了方便而正、负逻辑同时使用，这时可以把整个电路当成正逻辑看待，而把负逻辑符号中输入端的小圆圈当反相器处理。