1、數字電路是什么？

數字電路是利用電源電壓的高電平和低電平分別表示1和0，進而實現信息的表達。

模擬信號：隨時間連續變化的信號。處理模擬信號的電路就是模擬電路。

數字信號：隨時間不連續變化的信號，離散變化。處理數字信號的電路就是數字電路。

2、數值表達

我們常用的數值表達方式是十進制，但在數字電路中采用的是二進制，如下圖所示：

有符號二進制：

3、比特和字節

比特：二進制中的一個數字位稱為 binary digit，用bit表示，常簡寫為“b”

字節：1字節等于8比特，用byte表示，常簡寫為“B”。

4、1K 字節理解的差異

K、M、G、T 是表示大數據量時常用的單位。1K 的大小有 1000（10 的 3 次方）和 1024（2 的 10 次方）兩種計數方法。

通常，衡量計算機內存和網絡數據包大小時，1K 相當于 1024 比特。而在硬盤等存儲器的標簽上記述的尺寸或物理學中的 1K 相當于 1000。

5、反碼與補碼

反碼 = 原碼所有bit位取反

補碼 = 反碼+1

比如原碼=0101，則反碼=1010，補碼=1011

6、MOSFET 的結構

目前數字電路基本上都是由 MOSFET 場效應管構成的。MOSFET 是一種在施加電壓后可以像開關一樣工作的半導體器件。MOSFET 有 P 型 MOSFET 和 N 型 MOSFET 兩種。

7、邏輯運算與基本邏輯門電路

（1）邏輯運算使用 AND（邏輯與）、OR（邏輯或）、NOT（邏輯非）三種基本運算組合來實現各種運算。

（2）CMOS 基本邏輯門電路

8、存儲元件

鎖存器（Latch）就是一種存儲元件，具有像閂鎖一樣鎖住并維持數據的特性，通過組合基本的邏輯門可以實現。

（1）最簡單的鎖存器

由一個2輸入的AND門組成，將一路輸入與輸出連接形成回路。

（2）D鎖存器（Data Latch，D-Latch，數據鎖存器）

由4個NAND組成，輸入信號有D（DATA）和E（ENABLE），輸出信號有Q和/Q。

工作邏輯：E 為 0 時保持前一個數據，E 為 1 時將輸入 D 的數據輸出到 Q。E為1時輸入的 D 直接通過 Q 輸出。

D鎖存器構成以及電路組成如下：

真值表：
（3）D觸發器

D 鎖存器和 NOT 門組合，可以實現依據時鐘信號同步并保存數據的 D 觸發器。

D 觸發器有 D（Data） 和 C（Clock） 兩個輸入信號，Q 和兩個輸出信號。

D觸發器電路組合如下圖所示。

D觸發器的電路符號：

工作邏輯：當 D 觸 發器的 C 為 0 時，前端 D 鎖存器輸出信號 D 的值，后端 D 鎖存器保持之前的數據。當 C 為 1 時，前端 D 鎖存器保持之前的數據，后端 D 鎖存器將前端 D 鎖存器保持的數據直接通過 Q 輸出。

D觸發器由于原理和構造簡單，廣泛應用于同步電路。

擴展知識：《建立時間與保持時間》

D 觸發器是由時鐘信號的邊沿來觸發數據的存儲動作的。因此，需要在時鐘沿前后一段時間內將輸入信號穩定下來。如果在時鐘變化時輸入信號也在變化，很可能無法正確存儲數據。因此，為了讓 D 觸發器正確存儲數據，需要有建立時間（setup time）和保持時間（hold time）兩個基本條件。

建立時間是在時鐘變化前必須穩定輸入信號的時間，而保持時間是時鐘變化后必須穩定輸入信號的時間。

同時遵守建立時間和保持時間，就可以讓 D 觸發器正確的存儲數據。具體的時序圖如下所示：

9、組合邏輯電路和時序邏輯電路

數字電路可以分為組邏輯合電路和時序邏輯電路兩種。

（1）組合邏輯電路

組合邏輯電路是指輸出值僅由輸入信號的狀態決定的電路，不依賴于過去的輸入。從電路組成上來看，只包含門電路，不包含存儲元件。

（2）時序邏輯電路

時序邏輯電路是指輸出值同時依賴于現在和過去輸入信號的邏輯電路。

從電路組成上來看，時序邏輯電路等于組合邏輯電路+存儲電路。

從工作邏輯上來看，輸出狀態必須反饋到輸入端，與輸入信號共同決定組合邏輯的輸出。

動畫演示與門，或門，非門

“非”門電路

先來說最簡單的門電路非門，“非”乃“反”也，在電路中起到取反的作用在電路中即為有0出1，有1出0

“與”門電路

與門電路只有當條件全都具備時才會有所動作，在電路中即有0出0，全1出1

“或”門電路

或門電路只要符合一個條件時就會有所動作，在電路中即有1出1，全0出0

“與非”門電路

與非門電路就是與門和非門所組成的簡單組合門電路，在電路中即有0出1，全1出0

“或非”門電路

或非門電路就是或門和非門所組成的簡單組合門電路，在電路中即有1出0，全0出1

“異或”門電路

異或門電路內部是由與門，或門，非門所共同組成的組合門電路，在電路中即兩輸入信號相同出0，不同出1

“同或”門電路

同或門電路也被稱為異或非門電路，和異或門電路基本相同，只不過在輸出端加了一個非門，所以作用與異或門相反，在電路中即兩輸入信號相同出1，不同出0

最后總結

審核編輯：湯梓紅