数字信号和门

虽然二进制计数系统是一个有趣的数学抽象，但我们还没有看到它在电子产品中的实际应用。本章致力于：将二进制位的概念实际应用到电路中。

使二进制计数对数字电子学的应用如此重要的原因在于可以轻松地用物理术语表示位。因为一个二进制位只能有两个不同值中的一个，要么是 0，要么是 1，任何能够在两种饱和状态之间切换的物理介质都可以用来表示一个位。

因此，任何能够表示二进制位的物理系统都能够表示数字量，并且可能具有操纵这些数字的能力。这是数字计算的基本概念。

晶体管二元运算

电子电路是非常适合表示二进制数的物理系统。晶体管在其偏置限制下工作时，可能处于两种不同状态之一：截止（无受控电流）或饱和（最大受控电流）。如果晶体管电路被设计为最大限度地降低陷入这些状态之一的可能性（并且不在线性或活动模式下运行），则它可以用作二进制位的物理表示。

晶体管输入为“高”

在这种电路的输出端测得的电压信号也可以用作单个位的表示，低电压代表二进制“0”，（相对）高电压代表二进制“1”。注意以下三极管电路：

在该电路中，晶体管由于通过两位开关施加的输入电压（5 伏）而处于饱和状态。由于饱和，晶体管的集电极和发射极之间的电压下降很小，导致输出电压（实际上）为 0 伏。

如果我们使用这个电路来表示二进制位，我们会说输入信号是二进制“1”，输出信号是二进制“0”。任何接近全电源电压的电压（当然是参考地测量）都被认为是“1”，电压不足被认为是“0”。

这些电压电平的替代术语是高（与二进制“1”相同）和低（与二进制“0”相同）。用电路电压表示二进制位的通用术语是逻辑水平。

“低”时的晶体管输入

将开关移到另一个位置，我们将二进制“0”应用于输入并在输出处接收二进制“1”：

什么是逻辑门？

我们在这里用单个晶体管创建的电路通常称为逻辑门，或简称为门 .门是一种特殊类型的放大器电路，用于接受和产生对应于二进制1和0的电压信号。

因此，门不打算用于放大模拟信号（0 和全电压之间的电压信号）。一起使用时，多个门可以应用于二进制数存储（存储电路）或操作（计算电路）的任务，每个门的输出代表多位二进制数的一位。

如何做到这一点是后面章节的主题。现在重要的是要专注于单个门的操作。

此处显示的带有单个晶体管的栅极称为 反相器 ，或非门，因为它输出与输入完全相反的数字信号。为方便起见，门电路通常用它们自己的符号表示，而不是用它们的组成晶体管和电阻器来表示。以下是逆变器的符号：

此处显示了逆变器的替代符号：

非门示意图符号

注意门符号的三角形，很像运算放大器的三角形。如前所述，门电路实际上是放大器。

输入或输出端子上显示的小圆圈或“气泡”是表示反演函数的标准。正如您可能怀疑的那样，如果我们从门符号中去除气泡，只留下一个三角形，则生成的符号将不再表示反转，而只是直接放大。

这样的符号和这样的门确实存在，它被称为缓冲区 ，下一节的主题。

就像运算放大器符号一样，输入和输出连接显示为单线，每个电压信号的隐含参考点是“接地”。在数字门电路中，地几乎总是单个电压源（电源）的负极连接。

双电源或“分离”电源很少用于门电路。因为门电路是放大器，所以它们需要电源才能工作。与运算放大器一样，为简单起见，数字门的电源连接通常从符号中省略。

电路中的非门

如果我们要显示所有操作此门所需的必要连接，原理图将如下所示：

电源导体很少出现在门电路原理图中，即使每个门的电源连接都是如此。最小化原理图中的线条，我们得到：

“Vcc”代表提供给双极结型晶体管电路集电极的恒定电压，以地为基准。栅极电路中标有“Vcc”标记的那些点都连接到同一点，该点是直流电压源的正极，通常为5伏。

正如我们将在本章的其他部分看到的那样，有很多不同类型的逻辑门，其中大多数都有多个输入端子来接受多个信号。任何门的输出取决于其输入的状态及其逻辑功能。

表达门电路特定功能的一种常用方法称为真值表。真值表根据逻辑电平状态（“高”或“低”、“1”或“0”，对于门的每个输入端子）以及相应的输出逻辑电平显示输入条件的所有组合，或者“高”或“低”。对于刚刚说明的逆变器或非电路，真值表确实很简单：

当然，更复杂门的真值表比非门的真值表大。门的真值表必须具有与唯一输入组合的可能性一样多的行。

对于像非门这样的单输入门，只有 0 和 1 两种可能性。对于双输入门，有四种可能性（00、01、10 和 11），因此对应的真值有四行表。

对于三输入门，有八种可能性（000、001、010、011、100、101、110和111），因此需要一个八行真值表。倾向于数学的人会意识到，一个门所需的真值表行数等于 2 的输入端数的幂。

评论：

在数字电路中，0 和 1 的二进制位值由参考称为接地的公共电路点测量的电压信号表示。没有电压代表二进制“0”，存在完整的直流电源电压代表二进制“1”。
逻辑门，或简称为门，是一种特殊形式的放大器电路，旨在输入和输出逻辑电平电压（用于表示二进制位的电压）。栅极电路在原理图中最常见的是用它们自己独特的符号表示，而不是用它们的组成晶体管和电阻器来表示。
就像运算放大器一样，为简单起见，在原理图中通常省略了与栅极的电源连接。
真值表是表示门电路输入/输出关系的标准方式，列出了所有可能的输入逻辑电平组合及其各自的输出逻辑电平。

相关工作表：

位分组非门

工业技术