数字电路的逻辑设计探究

陈艳+++李文娟

摘 要：數字电路广泛应用与各种电子产品，数字电路中的逻辑部分是整个电路的工作核心，因此需要对其工作原理和设计方案进行分析。文章通过对数字电路的发展、数字电路的逻辑设计与应用的探究，对其未来的发展与优化提出了一些建议，力求为现代数字电路的发展提供创新的思路。

关键词：数字电路；逻辑设计；创新

1 数字电路的发展

数字电路是处理数字信号，例如模拟电平的离散频带而不是在模拟电子中使用的连续范围的电子设备。一个值带内的所有级别表示相同的信息状态，由于这种离散化，在有信号衰减或噪声时，模拟信号电平偏差不会很大。在大多数情况下，这些状态的数量是两个，并且它们由两个电压带表示，一个接近参考值（通常称为接地或零伏特），另一个接近电源电压。这些分别对应于布尔域的假和真值。数字技术是有用的，因为与精确地再现连续范围的值相比，更容易使电子设备切换到多个已知状态中的一个状态。数字电子电路通常由逻辑门的大型组件，布尔逻辑功能的简单电子器件表示。数字电路通常由称为逻辑门的小电子电路构成，其可用于产生组合逻辑。每个逻辑门被设计为当作用于逻辑信号时执行布尔逻辑的功能。逻辑门通常由一个或多个电控开关（通常为晶体管）创建，逻辑门的输出又可以控制或馈入更多的逻辑门。集成电路由一个硅芯片上的多个晶体管组成，并且是制造大量互连逻辑门的最简单的方式。集成电路通常由工程师使用电子设计自动化软件来执行某种类型的功能。集成电路通常在印刷电路板上互连，该印刷电路板是保持电气部件并且用铜迹线将它们连接在一起的板。

2 数字电路逻辑设计分析

当前的数字电路逻辑设计主要集中于EDA、PLC与FPGA技术。由于数字流是极为模块化的，前端产生标准化的设计描述，编译成调用，而不考虑内部技术，单元使用特定的集成电路技术实现逻辑或其他电子功能。制造商通常为其生产过程提供组件库，并提供适合标准仿真工具的仿真模型。模拟数字电路逻辑设计工具远不是模块化的，因为需要更多的功能，它们更强烈地交互从而实现设计的自动化和模块化。随着半导体技术的不断扩展，数字电路逻辑设计的重要性迅速增加，用户通过操作半导体制造设施来对产品进行设计和改良。集成度高，体积小，功耗低是数字电路突出的优点之一。电路的设计、维修、维护灵活方便，随着集成电路技术的高速发展，数字逻辑电路的集成度越来越高，集成电路块的功能随着小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）的发展也从元件级、器件级、部件级、板卡级上升到系统级。电路的设计组成只需采用一些标准的集成电路块单元连接而成。对于非标准的特殊电路还可以使用可编程序逻辑阵列电路，通过编程的方法实现任意的逻辑功能。测试逻辑电路有几个原因。当电路首次开发时，有必要验证设计电路是否满足所需的功能和时序规范。当制造正确设计的电路的多个副本时，必须测试每个副本以确保制造过程没有引入任何缺陷。

可编程逻辑控制器（PLC）是工业数字计算机，其已经加固并且适于控制制造过程，例如装配线或机器人装置或者需要高可靠性控制和易于编程的任何活动和过程故障诊断。它们首先在汽车工业中开发，以提供灵活、坚固耐用且易于编程的控制器来替代硬连线继电器和计时器。从那时起，它们已被广泛用作适合恶劣环境的高可靠性自动控制器。PLC是实时系统的示例，因为必须在有限的时间内响应于输入条件产生输出结果，否则将导致非预期的操作。

赛灵思FPGA的Spartan FPGA包含可编程逻辑块阵列和可重构互连层次，允许块连线在一起，如可以以不同配置互连的许多逻辑门。逻辑块可以被配置为执行复杂的组合功能或者仅仅是诸如AND和XOR的简单逻辑门。在大多数FPGA中，逻辑块还包括存储器元件，其可以是简单的触发器或更完整的存储器块。FPGA可以用于解决任何可计算的问题，这是事实证明，FPGA可以用于实现软微处理器，如赛灵思MicroBlaze或Altera Nios II。它们的优点在于对于某些应用，它们速度可以显著加快，因为它们在用于某个过程的门的数量方面具有并行性质和最优性。

3 逻辑设计在数字电路中的应用

数字电路是由查找表构成的，许多是作为“可编程逻辑器件”，尽管存在其他种类的PLD。查找表可以执行与基于逻辑门的机器相同的功能，但是可以容易地重新编程而不改变布线。这意味着设计者可以经常修复设计错误而不改变电线的布置。因此，在小批量产品中，可编程逻辑器件通常是优选的解决方案。它们通常由工程师使用电子设计自动化软件设计。规模变大并且逻辑控制较慢时或者涉及复杂的算法或序列时，小型微控制器被编程以制作嵌入式系统。这些通常由软件工程师编程。当仅需要一个数字电路，并且其设计是完全定制的时，对于工厂生产线控制器，常规解决方案是可编程逻辑控制器或PLC，这些通常由电工编程，使用梯形逻辑。

组合逻辑电路。简称组合电路，它由最基本的逻辑门电路组合而成。特点是：输出值只与当时的输入值有关，即输出惟一地由当时的输入值决定。电路没有记忆功能，输出状态随着输入状态的变化而变化，类似于电阻性电路，如加法器、译码器、编码器、数据选择器等都属于此类。

时序逻辑电路。简称时序电路，它是由最基本的逻辑门电路加上反馈逻辑回路（输出到输入）或器件组合而成的电路，与组合电路最本质的区别在于时序电路具有记忆功能。时序电路的特点是：输出不仅取决于当时的输入值，而且还与电路过去的状态有关。它类似于含储能元件的电感或电容的电路，如触发器、锁存器、计数器、移位寄存器、储存器等电路都是时序电路的典型器件。按电路有无集成元器件来分，可分为分立元件数字电路和集成数字电路。按集成电路的集成度进行分类，可分为小规模集成数字电路（SSI）、中规模集成数字电路（MSI）、大规模集成数字电路（LSI）和超大规模集成数字电路（VLSI）。按构成电路的半导体器件来分类，可分为双极型数字电路和单极型数字电路。

4 总结与展望

数字电路逻辑设计技术发展迅速，因其易用性、稳定性、快捷性受到广大科研人员和工业控制生产人员的欢迎。我国各层次的开发研究人员正不断地改善当前数字电路逻辑设计的应用环境，为了充分利用计算机的价值。在当前社会生活中，各方面应用人员应加强自身的学习与探究，在合理的体系中力求计算机价值的利用最大化。大量用户的使用同时对其发展也有促进作用，数字电路逻辑设计对于工业的发展将起着越来越重要的作用。

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作者简介：陈艳（1986，07-），性别：女，民族：汉，籍贯：四川南充，当前职务：教师，当前职称：讲师，学历：本科，研究方向：通信工程。