數(shù)字電路的邏輯設(shè)計探究

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電路的工作核心，因此需要對其工作原理和設(shè)計方案進(jìn)行分析。文章通過對數(shù)字電路的發(fā)展、數(shù)字電路的邏輯設(shè)計與應(yīng)用的探究，對其未來的發(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；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，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。一個值帶內(nèi)的所有級別表示相同的信息狀態(tài)，由于這種離散化，在有信號衰減或噪聲時，模擬信號電平偏差不會很大。在大多數(shù)情況下，這些狀態(tài)的數(shù)量是兩個，并且它們由兩個電壓帶表示，一個接近參考值（通常稱為接地或零伏特），另一個接近電源電壓。這些分別對應(yīng)于布爾域的假和真值。數(shù)字技術(shù)是有用的，因為與精確地再現(xiàn)連續(xù)范圍的值相比，更容易使電子設(shè)備切換到多個已知狀態(tài)中的一個狀態(tài)。數(shù)字電子電路通常由邏輯門的大型組件，布爾邏輯功能的簡單電子器件表示。數(shù)字電路通常由稱為邏輯門的小電子電路構(gòu)成，其可用于產(chǎn)生組合邏輯。每個邏輯門被設(shè)計為當(dāng)作用于邏輯信號時執(zhí)行布爾邏輯的功能。邏輯門通常由一個或多個電控開關(guān)（通常為晶體管）創(chuàng)建，邏輯門的輸出又可以控制或饋入更多的邏輯門。集成電路由一個硅芯片上的多個晶體管組成，并且是制造大量互連邏輯門的最簡單的方式。集成電路通常由工程師使用電子設(shè)計自動化軟件來執(zhí)行某種類型的功能。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)計分析

當(dāng)前的數(shù)字電路邏輯設(shè)計主要集中于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)實現(xiàn)邏輯或其他電子功能。制造商通常為其生產(chǎn)過程提供組件庫，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)計工具遠(yuǎn)不是模塊化的，因為需要更多的功能，它們更強(qiáng)烈地交互從而實現(xiàn)設(shè)計的自動化和模塊化。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷擴(kuò)展，數(shù)字電路邏輯設(shè)計的重要性迅速增加，用戶通過操作半導(dǎo)體制造設(shè)施來對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計和改良。集成度高，體積小，功耗低是數(shù)字電路突出的優(yōu)點之一。電路的設(shè)計、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、器件級、部件級、板卡級上升到系統(tǒng)級。電路的設(shè)計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，通過編程的方法實現(xiàn)任意的邏輯功能。測試邏輯電路有幾個原因。當(dāng)電路首次開發(fā)時，有必要驗證設(shè)計電路是否滿足所需的功能和時序規(guī)范。當(dāng)制造正確設(shè)計的電路的多個副本時，必須測試每個副本以確保制造過程沒有引入任何缺陷。

可編程邏輯控制器（PLC）是工業(yè)數(shù)字計算機(jī)，其已經(jīng)加固并且適于控制制造過程，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和過程故障診斷。它們首先在汽車工業(yè)中開發(fā)，以提供靈活、堅固耐用且易于編程的控制器來替代硬連線繼電器和計時器。從那時起，它們已被廣泛用作適合惡劣環(huán)境的高可靠性自動控制器。PLC是實時系統(tǒng)的示例，因為必須在有限的時間內(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。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的簡單邏輯門。在大多數(shù)FPGA中，邏輯塊還包括存儲器元件，其可以是簡單的觸發(fā)器或更完整的存儲器塊。FPGA可以用于解決任何可計算的問題，這是事實證明，F(xiàn)PGA可以用于實現(xiàn)軟微處理器，如賽靈思MicroBlaze或Altera Nios II。它們的優(yōu)點在于對于某些應(yīng)用，它們速度可以顯著加快，因為它們在用于某個過程的門的數(shù)量方面具有并行性質(zhì)和最優(yōu)性。

3 邏輯設(shè)計在數(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”，盡管存在其他種類的PLD。查找表可以執(zhí)行與基于邏輯門的機(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)計者可以經(jīng)常修復(fù)設(shè)計錯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)計自動化軟件設(shè)計。規(guī)模變大并且邏輯控制較慢時或者涉及復(fù)雜的算法或序列時，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)僅需要一個數(shù)字電路，并且其設(shè)計是完全定制的時，對于工廠生產(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。簡稱組合電路，它由最基本的邏輯門電路組合而成。特點是：輸出值只與當(dāng)時的輸入值有關(guān)，即輸出惟一地由當(dāng)時的輸入值決定。電路沒有記憶功能，輸出狀態(tài)隨著輸入狀態(tài)的變化而變化，類似于電阻性電路，如加法器、譯碼器、編碼器、數(shù)據(jù)選擇器等都屬于此類。

時序邏輯電路。簡稱時序電路，它是由最基本的邏輯門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)別在于時序電路具有記憶功能。時序電路的特點是：輸出不僅取決于當(dāng)時的輸入值，而且還與電路過去的狀態(tài)有關(guān)。它類似于含儲能元件的電感或電容的電路，如觸發(fā)器、鎖存器、計數(shù)器、移位寄存器、儲存器等電路都是時序電路的典型器件。按電路有無集成元器件來分，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，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)體器件來分類，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。我國各層次的開發(fā)研究人員正不斷地改善當(dāng)前數(shù)字電路邏輯設(shè)計的應(yīng)用環(huán)境，為了充分利用計算機(jī)的價值。在當(dāng)前社會生活中，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算機(jī)價值的利用最大化。大量用戶的使用同時對其發(fā)展也有促進(jìn)作用，數(shù)字電路邏輯設(shè)計對于工業(yè)的發(fā)展將起著越來越重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]王威.多接口模式下的數(shù)字電路專網(wǎng)故障排查及解決策略[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2017（08）.

[2]秦夏偉.淺談物理電路與數(shù)字電路——以高中物理電路為例[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（02）.

[3]高蘭.基于模塊化的數(shù)字電路優(yōu)化設(shè)計研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2017（03）.

[4]唐勝春.數(shù)字電路多元化實驗教學(xué)模式研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2013（07）.

[5]龐乃悅.數(shù)字電路知識及應(yīng)用實踐的探討[J].電子技術(shù)與軟件工程，2013（14）.

作者簡介：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：講師，學(xué)歷：本科，研究方向：通信工程。