數字電路的邏輯設計探究

陳艷+++李文娟

摘 要：數字電路廣泛應用與各種電子產品，數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計方案進行分析。文章通過對數字電路的發展、數字電路的邏輯設計與應用的探究，對其未來的發展與優化提出了一些建議，力求為現代數字電路的發展提供創新的思路。

關鍵詞：數字電路；邏輯設計；創新

1 數字電路的發展

數字電路是處理數字信號，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范圍的電子設備。一個值帶內的所有級別表示相同的信息狀態，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。在大多數情況下，這些狀態的數量是兩個，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。這些分別對應于布爾域的假和真值。數字技術是有用的，因為與精確地再現連續范圍的值相比，更容易使電子設備切換到多個已知狀態中的一個狀態。數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。數字電路通常由稱為邏輯門的小電子電路構成，其可用于產生組合邏輯。每個邏輯門被設計為當作用于邏輯信號時執行布爾邏輯的功能。邏輯門通常由一個或多個電控開關（通常為晶體管）創建，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計自動化軟件來執行某種類型的功能。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 數字電路邏輯設計分析

當前的數字電路邏輯設計主要集中于EDA、PLC與FPGA技術。由于數字流是極為模塊化的，前端產生標準化的設計描述，編譯成調用，而不考慮內部技術，單元使用特定的集成電路技術實現邏輯或其他電子功能。制造商通常為其生產過程提供組件庫，并提供適合標準仿真工具的仿真模型。模擬數字電路邏輯設計工具遠不是模塊化的，因為需要更多的功能，它們更強烈地交互從而實現設計的自動化和模塊化。隨著半導體技術的不斷擴展，數字電路邏輯設計的重要性迅速增加，用戶通過操作半導體制造設施來對產品進行設計和改良。集成度高，體積小，功耗低是數字電路突出的優點之一。電路的設計、維修、維護靈活方便，隨著集成電路技術的高速發展，數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模集成電路（SSI）、中規模集成電路（MSI）、大規模集成電路（LSI）、超大規模集成電路（VLSI）的發展也從元件級、器件級、部件級、板卡級上升到系統級。電路的設計組成只需采用一些標準的集成電路塊單元連接而成。對于非標準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任意的邏輯功能。測試邏輯電路有幾個原因。當電路首次開發時，有必要驗證設計電路是否滿足所需的功能和時序規范。當制造正確設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）是工業數字計算機，其已經加固并且適于控制制造過程，例如裝配線或機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中開發，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境的高可靠性自動控制器。PLC是實時系統的示例，因為必須在有限的時間內響應于輸入條件產生輸出結果，否則將導致非預期的操作。

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行復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FPGA中，邏輯塊還包括存儲器元件，其可以是簡單的觸發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，FPGA可以用于實現軟微處理器，如賽靈思MicroBlaze或Altera Nios II。它們的優點在于對于某些應用，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量方面具有并行性質和最優性。

3 邏輯設計在數字電路中的應用

數字電路是由查找表構成的，許多是作為“可編程邏輯器件”，盡管存在其他種類的PLD。查找表可以執行與基于邏輯門的機器相同的功能，但是可以容易地重新編程而不改變布線。這意味著設計者可以經常修復設計錯誤而不改變電線的布置。因此，在小批量產品中，可編程邏輯器件通常是優選的解決方案。它們通常由工程師使用電子設計自動化軟件設計。規模變大并且邏輯控制較慢時或者涉及復雜的算法或序列時，小型微控制器被編程以制作嵌入式系統。這些通常由軟件工程師編程。當僅需要一個數字電路，并且其設計是完全定制的時，對于工廠生產線控制器，常規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：輸出值只與當時的輸入值有關，即輸出惟一地由當時的輸入值決定。電路沒有記憶功能，輸出狀態隨著輸入狀態的變化而變化，類似于電阻性電路，如加法器、譯碼器、編碼器、數據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，與組合電路最本質的區別在于時序電路具有記憶功能。時序電路的特點是：輸出不僅取決于當時的輸入值，而且還與電路過去的狀態有關。它類似于含儲能元件的電感或電容的電路，如觸發器、鎖存器、計數器、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，可分為分立元件數字電路和集成數字電路。按集成電路的集成度進行分類，可分為小規模集成數字電路（SSI）、中規模集成數字電路（MSI）、大規模集成數字電路（LSI）和超大規模集成數字電路（VLSI）。按構成電路的半導體器件來分類，可分為雙極型數字電路和單極型數字電路。

4 總結與展望

數字電路邏輯設計技術發展迅速，因其易用性、穩定性、快捷性受到廣大科研人員和工業控制生產人員的歡迎。我國各層次的開發研究人員正不斷地改善當前數字電路邏輯設計的應用環境，為了充分利用計算機的價值。在當前社會生活中，各方面應用人員應加強自身的學習與探究，在合理的體系中力求計算機價值的利用最大化。大量用戶的使用同時對其發展也有促進作用，數字電路邏輯設計對于工業的發展將起著越來越重要的作用。

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作者簡介：陳艷（1986，07-），性別：女，民族：漢，籍貫：四川南充，當前職務：教師，當前職稱：講師，學歷：本科，研究方向：通信工程。