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電子電路設計主要分為類比電路(Analog Circuit)和數位電路(Digital Circuit)。類比電路又稱模擬電路,主要處理連續性時間信號。連續信號存在大自然中,例如聲音、光、溫度、色彩等,正弦波就是當中最具代表性的連續信號。類比電路涉及的電子元件包括電晶體,與及一些被動元件如電阻、電容等,一般作放大、濾波等實際應用。例如麥克風將聲音強弱轉換成電壓高低,隨著輸入聲音逐漸增強或變弱,電壓亦隨之有連續性變化。
連續信號的例子:正弦波
數位電路又稱為邏輯電路。它的世界則較為單純,只需處理「0」與「1」這兩種信號,亦即代表某時間段為高電壓或低電壓狀態,非常分明。方波和脈波就是非連續性信號的代表(現只是假設方波或脈波當由「0」變「1」或「1」變「0」時速度極高甚或沒有時間延遲)。構成數位電路一般需使用不同種類的邏輯 IC,要說明的是這些邏輯 IC 的內部其實是由許多不同電晶體、場效應管等組成電路,但由於 IC 內部運作及結構較為複雜,我們只需了解訊號的輸入和輸出的邏輯關係,亦即如前所述的「0」和「1」。電腦就是處理數位訊號的電子產品最佳例子,一般以低電壓(0V)代表低位準 =「0」,以高電壓(典型為 3V3 或 5V)代表高位準 =「1」,作二進制運算。
非連續性信號的例子:方波
設計類比電路相較數位電路更有挑戰性,效果並非可完全控制。以電晶體放大電路為例,輸入電流並非一定依比例增大或減少,當電晶體進入飽和區或靠近截止區時,輸出信號會出現非線性失真,這時需要一定技術解決,增加整體電路的複雜度。數位電路較不受雜訊干擾,然而若需要將處理後的數位信號轉成類比信號輸出,因解析度所限,信號常出現鋸齒狀,結果還原質素稍遜尤以初期產品為甚。但近年數位 IC 發展極快,解析度高、速度高比比皆是,還原質素漸入佳境;數碼相機、音响等就是最佳例証。有見於數位電路逐漸普及應用,筆者亦將向各位舉出一些數位電路的日常應用,希望令初學人士對電路設計產生興趣,打下基礎後繼續向更高層次的技述探究。
為方便討論,筆者先假設各位對電學有基本認識,例如歐姆定律、電阻、電容等元件的簡單運用。此外,亦假設各位對構成數位電路的三個基本邏輯元件:AND、OR 和 NOT 閘的輸入和對應的輸出狀態,有基本概念。現在先重溫這三個邏輯元件的特性。
邏輯元件快速重溫
AND 元件是當兩個輸入 A 和 B 同時為高電壓(慣常以「1」或「H」表示)時,輸出 Q 才會為高電壓,否則輸出為低電壓(慣常以「0」或「L」表示)。我們可利用兩個開關串聯,模擬 AND 電路,當兩個開關同時閉合,才有電流通過 LED,使其亮著。
OR 元件是當兩個輸入 A 和 B 其中一個為高電壓,輸出 Q 即為高電壓。將兩個開關並聯,模擬 OR 電路,則當其中一個開關閉合,均有電流通過 LED,使其亮著。
NOT 元件將輸入 X 反相,當輸入為高電壓,輸出 Y 為低電壓。用開關模擬 NOT 電路,將一個開關與 LED 並聯。關關不閉合時,電流通過 LED,使其亮著。但是當開關閉合,大量電流通過開關,LED 不會亮著。
其他邏輯元件如 NAND、NOR,exclusive OR 可以由以上基本的元件組成,在此省略。
數位電路設計:三人搶答系統(初階版)
設現在有一個搶答遊戲,我們需為此設計簡單的搶答系統。遊戲有三名參賽者,各人面前有一個按鈕,連接著旁邊代表他的燈泡。當遊戲主持人發問問題後,參賽者鬥快按下搶答按鈕並且一直不放。第一位按下按鈕的參賽者,其燈泡亮起。此後即使其他參賽者按下自己的按鈕,代表他的燈泡不會亮著。主持人便藉此知道那一位有回答權。直到所有參賽者放開按鈕,便可進行第二次搶答。換句話說,在任何時間裡三顆燈泡只能最多有一顆亮著。
電路設計方法五花百門,最基本要求是能正確執行、設計力求簡潔和節省成本。大家不妨花點時間思考如何製作,下回筆者與大家分享參考電路和進行分析。
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