什么是数字逻辑电路?

时间:2020-12-06 09:27:23   作者:
数字逻辑电路是用电实现二进制逻辑的电子电路。什么是二进制逻辑?我会试着对这个问题给出一些不同的看法。

这将同时是一个简短和容易理解的数字电子基础课程。

如果我们站在一个冷却风扇前,那么气流正在吹/推动我们。然而,站在风扇后面的观察者会说气流正在吸/拉他。吹气力为正(膨胀力),吸气力为负(收缩力)。

让我们考虑一个只有两个叶片的风扇。如果叶片是完全平的,那么,当风扇转动时,它们只会像刀子一样切割空气,既不会吹也不会吸。为了使该风机正常工作,需要对叶片进行一定程度的扭转,具体做法如下:

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当这个,我们说,电动风扇,它的叶片扭曲到左边,开始转向右边,然后站在它的前面,我们感到压力,即它正在吹我们(+);当它向左转动时,我们感到压力降低,也就是说它在吸我们(-)。如果我们向相反的方向旋转叶片(向右),那么在风扇向右转动时,我们感到减压(-),而在风扇向左转动时,我们感到压力(+),或与前一情况相反。

[脚注1]关于叶片的弯曲,读者应该考虑拧干一条湿毛巾。如果右手向右转,那么我们说毛巾向右扭;如果它转到左边,毛巾就扭到左边。风扇叶片也是如此。(年底脚注)

我们可以看到,对于一个位置保持不变(即始终站在风扇前面)的观察者,可能会出现以下四种情况:

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将“左”和“负”用0(0)标记,将“右”和“正”用1(1)标记,得到:

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正如我们在结果中看到的,我们得到了平衡,即两个0和两个1。这就是为什么我们称它为平衡门。我不确定风扇,但在电子领域,我们可以制造两个(不平衡的)闸:占主导负(/零)和占主导正(/一)。

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我们可以用以下文字来描述正闸:如果至少有一个输入是正(1),那么输出是正(1)。

我们用同样的方式来描述负门,只是反过来:如果至少有一个输入是负(0),那么输出是负(0)。

我们用以下词语来描述平衡闸门:不同的给予正(1),相同的给予负(0)。当正遇到负,它意味着吸引,强化(+);当加号遇到加号时,它意味着斥力,衰减(-)。

,让它更容易记得给0,我们也可以否则说:0 + 0 = 0,和也和1 + 1 = 0的转移到下一个位置,这样在十进制加7 + 3,使零1转移到下一个位置。

我们先来看看别的东西,电池是什么。

如果两块由两种不同金属组成的板(比如铜和锌)部分浸入一种溶解剂(酸、碱、盐)中,那么在液体外的那部分铜板在一种意义上(正)极化,浸入的那部分在相反意义上(负)极化。对于锌板适用相反。正意味着吹,负意味着吸(请参阅Mitko Gorgiev对正电和负电命名法的回答任意?本杰明·富兰克林是否完全随机地把“玻璃”电归为正电,把“树脂”电归为负电,米特科·戈尔吉耶夫(Mitko Gorgiev)对此的回答也是如此。电池的两个金属板可以想象成两个风扇。在液体外吹(正电极=铜),在液体内吸;一个是吸在外面的液体(负极=锌),它是吹在里面。当电极与金属线连接时,就会产生闭合的磁通。正极是在正极附近最强的,当我们通过导线远离它时,它的强度持续下降。负号也是一样,只是从另一个极点开始。比喻地说,我们可以这样表示:

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所以,从铜板发出的电流是正电流,因为我们通常说通过连接线的电流。来自锌板的电流是负电流(请参阅Mitko Gorgiev对什么是电池的回答?)这些正负电流实际上是数字电子学中的“1”和“0”。它们在力量上完全相等,只是在符号上不同。

现在的电子逻辑门大多由晶体管制成。晶体管是什么?

不同于电气技术中的大多数元素有两个端点,即两个引线,这个元素有三个端点,因为内部它由三个部分组成(下图)。

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关于晶体管,我现在将象征性地说,我们只需要这个答案,但将在稍后的另一个答案解释更多。目前对我们来说最重要的是它的中间部分,我们暂时称之为晶体管的心脏。在图中我们可以看到,左边的晶体管有一个正心(我们称之为正晶体管),而右边的一个有一个负心(负晶体管)。我们还可以看到心脏是连接其他两个部分的桥梁。为了使晶体管工作,它的心脏应由电来驱动。这样桥梁就建立起来了。如果心脏受到电的作用,那么它就会表现得很冷淡。反向应用于(-)晶体管。

晶体管实际上是一种设备,如果没有信号到它的中间部分,它几乎有无限大的电阻[脚注2]。当对心脏有足够强的合适信号时,晶体管就完全导电了,也就是说,它的电阻实际上为零。在这种情况下,我们可以把它当作一根小铜线。

[脚注2]“信号”指电流或电压;电流是指双极结晶体管(BJT),电压是指金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。(年底脚注)

在数字电子学中还有一个非常重要的逻辑门,我上面没有提到。它被称为逆变器。逆变器是最简单的逻辑门,只有一个输入(IN)和一个输出(OUT)。这个门将输入端的信号转换为输出端的信号。这意味着如果在输入处是正的,那么在输出处是负的,反之亦然。这个门由两个互补的晶体管组成[在这个回答中,我将谈到互补mos逻辑(cmos逻辑),因为它是实现最多的,同时也是最简单的逻辑家族来理解]。

考虑一下这个电路:

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很多cmos家族的集成电路工作电压都是5V,所以我在例子中使用了它。减半的红蓝矩形是高阻电线(变阻器,电位器)。这两个互补的晶体管是mosfet。MOSFET在金属接触点和半导体的中间区域之间有一层非常薄的氧化物层(由此得名MOS, Metal_Oxide_Semiconductor),它作为一个电容器。由于这个原因,晶体管的中间区域是由电压驱动的,与BJT相反,它没有氧化物层(即金属接触直接粘在半导体上),因此它是由电流驱动的。因此MOSFET被称为电压控制,而BJT电流控制晶体管(更多关于与晶体管和电容器有关的物理你可以在这里找到https://newtheories。info)。

如果我们将“IN”直接连接到较低的“minus-rail”(通过它我们模拟了一个最大强度的“minus-signal”的到达),那么上面的pnp -晶体管就会完全导电,因此上面的“Plus”就会下降到“OUT”。它的意思是最大限度地吹出。这个在OUT处的加号会和下面的减号统一。因此,红色LED灯亮了起来。然而,如果我们将“IN”连接到上正轨(通过它我们模拟到达一个最大强度的正信号),那么较低的npn -晶体管就成为完全导电,因此负从下面将上升到“OUT”。这意味着最大限度的吸出。这个OUT处的负号会和上面的加号统一起来。因此,蓝色LED会亮起来。

因此,从输入处的负号我们得到了输出处的正号,反之亦然。在这两种情况下,“向外”的力的强度是相同的,只是在第一种情况下,它是一个吹力,而在第二种情况下,它是一个吸力。

CMOS集成电路的mosfet在1/3的电源电压下成为完全导电(进入所谓的饱和)。本例中的电源电压为5V。5的三分之一大约是1。7。这意味着PNP-MOSFET在0 - 1。7V的电压下完全导电。请看上面的电路。如果我们滑”“线沿着高电阻线从底部向上,那么什么都不会改变到1。7 v(也就是说,PNP-MOSFET整个时间完全导电和最大亮度的红色LED照明),因为的-这一点足以维持完整的PNP-MOSFET的电导率。

5减1。7等于3。3。这意味着,如果我们沿着高滑”“线电阻丝的“顶级”向下,然后不会发生任何改变,3。3 v(也就是说,NPN-MOSFET整个时间完全导电和蓝色LED灯的亮度),因为加到这一点足以维持完整的NPN-MOSFET的电导率。

这两个间隔(0V-1。7V和3。3V-5V)称为逻辑级别。第一种叫做低,第二种叫做高。当输入信号在这些间隔内有一个值时,那么两个mosfet中的一个是完全导电的,而另一个是完全不导电的(它的电阻实际上是无限的)。这两个间隔之间的值一定不能出现,因为在这种情况下,两个晶体管都有一定的导电性,输出将是不确定的(两个led会发出或多或少模糊的光)。

读者应该注意的事实,当输入一个-信号强度的假设1 v,然后是强大到足以驱动PNP-MOSFET饱和,但它仍强度明显小于输入的情况下到达- 0 v的信号。所以我们得到0V比1V强!

看起来,不管晶体管中发生了什么,两个led都会一起发光。但事实并非如此。我们假设较低的晶体管是全导电的。它的电阻为零。在这种情况下电流会流过上面的电阻器,蓝色LED,然后通过晶体管到负轨道,因为在红色LED的下面的支路有一个很大的电阻器阻止电流流过。当前总阻力最小的路径,这在我们的例子中0Ω之间的差异(即分支与导电晶体管)和1 kΩ(LED)的分支是巨大的,因此只有微不足道的电流将流过后者远远不够让红色LED照明灯。

然而,上面所示的两个灯(即两个负载)的输出,都在上和下分支,实际上并不存在。这个例子只是为了澄清一点。实际上,只在较低的分支上有一个负载。只有当输出有一个+信号时,它才会被“设置在运动中”。这一概念是因为操作角色有“一”——电+。当正电被选择为主动时,它就被称为正逻辑。也有电子电路的“零”有主动作用(负逻辑),但它仍然是罕见的。因此,既然在电路的末端应该优先考虑一种电,那么这里讨论“1”是一个闭合电路而“0”是一个开路电路是有意义的。例如,如果电梯的所有必要条件出发,反映在逻辑电路,是实现[门传感器提供了一个信号,表明它是封闭的(= 1),所需的地板上的按钮被按下(= 1),过载传感器提供了一个信号,电梯不是超载(= 1)(non-overload实际上为0,但与一个逆变器转换为1)),然后输出将plus-signal(因为所有的信号都加入了一个”和“功能,,我们很快就会看到,给加在输出只有在所有输入+),它和minus-rail之间将会有一个继电器(开关)将打开电梯的电动马达。否则,在输出端会有一个负号,所以这个负号和来自负轨的负号(实际上是相同的负号)不能打开任何东西,也就是说,没有电路是闭合的。

但当已经在刚开始的时候很多教科书(甚至用图纸表示),它是表示“零”意味着开放电路(没有电流),和“一”意味着关闭电路(电流),或者“一”是指“电压”和“零”意味着“没有电压,然后读者的困惑已经开始,很快就可能导致阻碍进步和戒烟。

下图显示了cmos技术中的逆变器。

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顶线是电池正轨(正轨/ + 5V / Vdd),底线是负轨(负轨/ 0V / GND / Vss)[脚注3]。上层MOSFET是负1 (PNP,所谓的p通道MOSFET),下层是正1 (NPN,所谓的n通道MOSFET)。在上部MOSFET中间的小圆表明它是一个负的MOSFET。从上往下看是PNP-NPN。由于p区必须附在正轨上,而n区必须附在负轨上,由此可以得到pnp - mosfts总是附在正轨上,而npn - mosfts总是附在负轨上。

[脚注3]表示法GND(地)为电池的负极没有多大意义,但它是建立和经常使用的表示法。我们认为“GND”作为负极是不合适的,因为“接地”意味着“质量”,质量不是电势的来源,而电池的负极是。在电子学领域,用“普通”这个词更为恰当。

最常用的逆变器符号如下图所示。“IN”和“OUT”通常用A和q表示。三角形后面的圆圈表示倒装,即否定(圆圈有时会站在三角形前面)。为了便于简单的绘图,通常不画电压轨。这个表叫做真值表。



这个逻辑门只有一个输入和一个输出。数字电子学所基于的下一个逻辑门有两个输入和一个输出[脚注4]。这些门有三个:两个不平衡的,一个平衡的。一个不平衡的,正如我上面所说的,我们称之为“显性正”(正门)和另一个“显性负”(负门)。正门通常被称为“或”和负门“和”。平衡门称为“异或”(异或)。如果我们在每个闸后加一个逆变器,我们就得到了它们的反向(NOR, NAND和XNOR);因此,三个基本闸(逆变器除外)加倍到六个。

输入也可以多于两个,但是,比方说,有三个输入的门可以被认为是一个双输入门,它的输出与第三个输入同时是下一个相同门的输入。

描述的门的真值表和符号如下:

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在cmos技术中,用于实现基本的或或门电路的初始门实际上是与非门和非门,然后在其上加上一个逆变器(原因将在下面讨论)。非门与非门的本质是晶体管的并联正、串联负的组合。

让我们看看非门和非门的电子实现。

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在NAND-gate(左)我们看到,在上半部分,它向(+)电池极(Vdd),有一个平行连接的两个pnp - mosfet,和在下半部分串联的两个npn - mosfet。平行的加号连接使它所吸引的轨道占据了主导地位,也就是说,它得到了扩张的机会;这样,我们得到了三正一负的结果。这意味着当在A或在B,或在两者同时到达(-)信号,然后至少一个上层MOSFET成为导电,因此从上面的加号将下降到输出。通过串联,另一个符号(/轨)减小了。为了使负号上升到中间,A和B必须接收(+)信号,以便两个较低的npn - mosfet成为导电(和不上的),因此负号从下面攀升到输出。

在非门的情况下,并联和串联设置相反,所以这里主导负。

注意,如果我们在非门或非门将输入A和B连接在一起,那么门就变成了逆变器。因此,在某种意义上,与非门和非门都可以看作是一个晶体管上下伸缩的逆变器,一边并联,另一边串联。

当在每个门的输出端再加一级逆变器时,就得到了基本的和或或门。它们必须被实现,因为电池的正极必须连接到p区和负极的n区。这意味着上必须PNP晶体管,所以当他们输入到-,在输出+出现,也就是说,我们将总是得到逆转盖茨和NAND也这样:从至少一个输入“0”,我们得到了‘一’的输出(三人总= NAND),至少有一个“一”的输入,得到“零”输出(3 0 =总也没有)。

为了展示一种实现异门的可能的解决方案,我们将首先介绍另一种重要的cmos集成电路“单元”。它被称为传输门(TG)。在下图的左侧显示了一个这样的例子。这个门的新特性是两个信号中的一个,在我们的例子中是B,并不到达晶体管的中间部分(所谓的门),而是到达晶体管的外部部分(所谓的源)。无论信号到达B,它不会通过输出如果有一个“一”,它会这样做只有一个“零”(本例中所示图(0)和在PNP-MOSFET和(1)逆变器后)。当a处有一个“零”时,两个晶体管的栅极都有相应的信号,因此TG是导电的。如果在B处有(1),它将通过较低的pnp晶体管;与(0)在B,通过上NPN。这个逻辑门就错了,现在真值表如下图中间,因为当有(1),然后输出没有任何信号,最后两个0列出来的不能代表“无信号”,但是他们是一个负信号。因此,如果我们同意X表示“无信号”,那么这一列的最后两个位置应该各有一个X。

当在某些逻辑电路中,有可能在输出端没有任何信号(所谓的“高阻抗状态”)是有目的实现的,这种情况并不少见,那么它被称为“三态逻辑”。

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当逆变器在PNP-MOSFET支路上重新定位时,只有当A有(1)时,B的信号才会通过TG,也就是说与之前的情况相反。

在图的右边显示了一个由传输门实现的异门。A'通过逆变器与A连接,B'与B也是如此。为了简单起见,不画这些逆变器。我们仍然画了虚线。当A=0时,只有上层TG是导电的,所以无论此时B处存在什么,它都将被传输出去。当A=1时,只有较低的TG是导电的,由于这里输入的是B’,所以在输出端会‘复制’B的反向值(见x -gate真值表)。

为了实现xnor门,我们不需要在前面描述的门之后再加一个逆变器;相反,我们只需要改变A和A'或B和B'的位置。

我们可以得出结论,在这个平衡的门,我们有一些非常类似的球迷从这个答案的开始。

对于某些任务执行的计算机给人的印象,同时执行,但有时这是一个错觉,因为它经常从一个未完成的操作跳到另一个,然后第三,第四个等等,然后回到第一个圈子等等,直到所有任务完成。然而,电流以惊人的速度做到这一点,所以我们有这一切同时发生的印象。在上面提到的逻辑电路中,信号将在任何地方都不等待的情况下通过最后一级。但它常常不得不在某个地方等待,直到轮到它恢复。实现这一功能的逻辑电路称为触发器。

触发器有两个输入。一个称为“set”,另一个称为“reset”,还有两个输出,Q和Q’(下图)。人字拖也被称为双稳态设备。这意味着它们可以在输出处有两个稳定的反向状态,第一个状态是Q=1 Q'=0,第二个状态是Q=0 Q'=1。Q和Q'必须总是不同的,这是用一个Q上的竖条符号表示的。这些建筑单元只不过是一段时间内一个位(二进制数字)的持有者(即存储器存储单元),也就是说,一个“1”或一个“0”。约定是这个1位信息的持有者是q输出。



操作的是(+)电流(即“一”),因为正逻辑是有效的。当s -输入到达(1)时,则r -输入为(0);当R-input到达(1)时,则S-input为(0);那么Q处必须出现(0)和Q'(1),这叫做复位。两个输入S-R不能,也就是说,不能同时有(1)如果两个输入都有一个0(这是允许的),那么它一定不会影响之前建立的状态。

基本双稳态元件是由两个非门或两个非门组成。

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请注意上面数字的一些细节。NAND-FF有条杠,也就是S和R的正负,而在no - ff没有这样的东西;但是这里R是上升的,S是下降的,这和通常的做法不一样,S是上升的,R是下降的。

为了了解发生了什么,我们将画出两个电路完全(下图)。

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在这两幅图中,我们可以看到s输入在上门极上操作两个mosfet[一个PNP (A1)和一个NPN (B1)],也可以在下门极上操作R输入。在上栅上的另外两个晶体管(A2和B2)由下栅的输出操作,在下栅上的晶体管由上栅的输出操作。

在电气方案中,两根导线交叉(+),交点不加厚,表示两根导线之间没有接触。

让我们看看NAND-FF发生了什么(图左)。如果输入端S的值是负的,那么A1就可以导电了正轨道上的加号会下降到q,这个加号也会下降到A2'和B2'。对A2'没有影响,但对B2'有影响。当S=0时,R应该是(1)。这意味着在较低的与非门的两个系列mosfet在其输入端都有一个(+)信号,因此两者都成为导电的,因此负从下面爬升到Q'。这个减号也加到A2和B2。它只影响A2,所以顶部的第二个MOSFET也导电,这是不必要的。

同样,我们可以推导出相反的情况:当S=1时,R=0。那么Q和Q'的值都将与之前的情况相反。

如果输入S和R都是(-),那么输出都是(+)。

如果输入S和R都得到(+),那么它将对之前建立的状态没有影响,因为只有一个(+)晶体管从两个串联连接,这是不够的。

现在让我们看一下反面。如果在输入R到达(+),则B1'成为导电,因此负号在Q'攀升。它也会上升到B2和A2。只有A2可以导电。当R得到(+)S应该得到(-)这意味着A1也是可导电的。两个系列A1和A2是导电的,所以正号下降到q,它也会下降到B2',因此它是导电的,这是不必要的。

如果输入S和R都得到(-),那么它对先前建立的状态没有影响。

如果输入S和R都是(+),那么输出都是(-)。

在下面的表中,我们可以看到NAND-和non - ff中的状态汇总。

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结果中Q和Q'的重复意味着输入信号对之前确定的Q和Q'的值没有影响。

因为我们使用的是积极逻辑,所以“一”具有积极的作用。但是输入的两个“1”不应该出现。输入处的两个“零”不能影响先前建立的状态。当S=1时,协议是Q =1,当R=1时,协议是Q' =1。(信息载体为Q-output)

如果我们看一下表格,我们会发现它们都不符合刚才所说的要求。当S=1 Q =1时,NAND-FF不满足条件,同样与R有关,也不满足输入处的两个零没有影响的要求。no - ff并不仅仅满足关于NAND-FF的前两个。因此,电路必须进行调整,以满足要求。如果我们在NAND-FF的两个输入端和NOR-FF的两个输出端各连接一个逆变器,就可以满足要求。对比也可以在这里看到:在第一幅图中,我们在输入端添加逆变器,在第二幅图中,在输出端添加逆变器。但在不发生ff的情况下,问题可以更容易地解决,通过简单地交叉输出引线节省一个阶段。下面的铅会向上引导,上面的铅会向下引导,这和上面的是一样的,Q'调用,Q调用。

现在它变得清楚为什么在象征NAND-FF有酒吧在字母S, R(他们代表添加的逆变器),并在象征NOR-FF S-input下来,和R(这是相同的,问和Q”交换他们的位置)。

不需要同时产生两个信号来到达触发器。可能因此输入通过两个电阻(比如1-10kΩ)应该继续负电位,也就是说,通过它们连接到电池minus-pole(两个零输入没有影响)。只有一个简短的+信号到s输入(我们可以通过它与电池+极简短的直接连接来模拟)将导致设置触发器(直接连接意味着一个最大的+;此时,通过电阻器的相当微弱的负电被消除了),在这种情况下,即使在触点终止后,负电仍将存在。然后,只有一个简短的接触的r输入的正极将导致复位触发器。

例如,当我们从外面按电梯上的按钮时,我们可以想象有那么一小会儿我们把S连接到电源的(+)极上。在输出Q(通过led灯连接到(-)极)出现加号,按钮上的灯亮起。松开按钮后,灯继续亮着,因为现在两个输入都有一个负号,这没有影响。当电梯停在我们这一层时,它会短暂地将r输入与电源的(+)极连接起来。现在Q=0和Q'=1,灯灭了。输出Q'没有连接到任何东西。如果我们把电阻器和另一种颜色的灯放在它和(-)极之间,那么,当电梯不被调用时,一种不同的颜色会发光,这将更令人困惑,而不是必要的。

在所谓的延迟触发器或数据触发器(d -触发器)的情况下,发送到它的唯一信号在它前面立即分裂成两条线,一条直接到S,另一条通过逆变器到r。因此,两个输入信号总是相反的。

现在我们将用第三个输入来扩展触发器,我们将通过and -gate分别连接到S-和r -输入(下图)。这个输入称为“启用”或“控制”。自从与门给(1)只有当或者所有的输入都是(1),由此可以得出这样的结论:当一个等待在年代或R,它不会通过输出如果允许输入(0),因此它被称为“启用”:只有当(1)到达,启用。

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前两个三位数以上,我们看到我们之前讨论的相同:触发器逻辑门的左边而不是两个和盖茨在EN-input有两个逻辑门(两个和盖茨和两个逆变器在NAND-FF面前,变成了两个逻辑门),或非门的触发器(中间)有两个和盖茨在EN-input,但这里的年代,而不是,它是。

计算机技术中的输入“EN”通常是一个时钟。时钟是正负交替变化,占空比为50%。下面的图显示了一个频率为1MHz的时钟信号,其周期为1微秒(1 s)。由于占空比为50%,这意味着0。5°s持续正信号,正如负信号(在1MHz时30%占空比将意味着正信号持续0。3°s,负信号持续0,7°s;百分比总是指加号信号)。上面第三幅图显示了这个触发器的符号。



我们可以通过在相等的时间间隔交替地触摸逆变器的输入引线到电池正极和负极的轨道来粗略地模拟时钟。

下图是由两个CMOS逆变器、一个电容和一个电阻组成的简单时钟发生器(也称为不稳定多谐振荡器):

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通过调整时钟(电容/电阻器在时钟发生器),这个显示器也可以作为一个数字时钟,计数10秒。与另一个3位模6计数器和7段显示,时钟可以做,计数60秒。
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