41数字电路基础42基本门电路.ppt

目录：4.1 数字电路基础 4.2 基本门电路 4.3 组合逻辑电路 4.4 触发器及时序逻辑电路 4.5 集成定时器 4.6 A/D和D/A转换器,学习任务4 数字电路基础,应知：脉冲、数制和数码的概念，脉冲的基本参数、三种逻辑关系、表达式及其真值表；基本门电路的逻辑功能及逻辑运算规律；编码器、译码器和数字显示器的原理；常用触发器逻辑功能，寄存器、计数器的工作原理及逻辑功能；555定时器工作原理，555定时器构成的单稳态触发器和无稳态触发器的工作原理；常用D/A、A/D转换器基本组成和工作原理。,学习任务4 数字电路基础,应会：基本门电路的逻辑功能及应用；常用触发器的逻辑功能及应用；编码器、译码器和数字显示器的应用；555定时器构成的单稳态触发器和无稳态触发器的应用。,学习任务4 数字电路基础,模拟信号:,数字信号,电子电路信号,电路,4.1 数字电路基础,随时间连续变化的信号。,如正弦信号、传感器信号等。,处理模拟信号的电路。,如整流电路、放大电路等，注重研究的是输入和输出信号间的大小及相位关系。,在模拟电路中，晶体管三极管通常工作在放大区。,模拟信号:,数字信号：,电子电路信号,电路,4.1 数字电路基础,随时间连续变化的信号。,如正弦信号、传感器信号等。,处理模拟信号的电路。,是一种跃变信号，并且持续时间短暂，其数值在时间上不连续。,如尖顶波和矩形波等。,如曲轴位置传感器信号、发动机转速信号及故障代码等。,处理数字信号的电路。,在数字电路中，晶体管一般工作在截止区和饱和区，起开关的作用。,研究输入、输出信号之间的逻辑关系。,数字电路因为其抗干扰能力强、能耗低、便于集成等优点而发展迅猛，在电子计算机、数字式仪表、数字控制装置、汽车电子控制单元等方面应用广泛。,4.1 数字电路基础,4.1.1 脉冲的基本概念,脉冲信号多种多样：方波、三角波、矩形波等。各种脉冲波的共同特点就是突然变化和不连续性。,1.脉冲的基本概念,脉冲信号也可以用一些参数来描述它的特征。,4.1.1 脉冲的基本概念,4.1 数字电路基础,2脉冲信号的主要参数正脉冲：脉冲跃变后的值比初始值高的脉冲。负脉冲：脉冲跃变后的值比初始值高的脉冲。,实际的矩形脉冲波形的脉冲上升和下降都需要一定的时间，不可能达到理想脉冲那么陡峭。,4.1.1 脉冲的基本概念,4.1 数字电路基础,2脉冲信号的主要参数(1)脉冲幅度Um是脉冲电压变化的最大值。表示脉冲信号强弱。(2)脉冲前沿时间tr和脉冲后沿时间tf前沿时间是幅度从0.1Um上升到0.9Um所需的时间。脉冲后沿时间是指幅度从0.9Um下降到0.1Um所需的时间。,4.1.1 脉冲的基本概念,4.1 数字电路基础,2脉冲信号的主要参数(3)脉冲宽度tk是指从前沿脉冲幅度的50%到后沿脉冲幅度的50%的时间。(4)脉冲频率f 和脉冲周期T脉冲频率是指单位时间(s)内的脉冲个数。脉冲周期是指脉冲前后两次出现的时间间隔。,4.1.2 数的进制和码制,4.1 数字电路基础,1数制,(1)二进制,数制就是计数的方法。,如十进制、二进制、十六进制、八进制等。常用的有二进制和十进制等。,组成：两个数码0、1；与电路的两个状态(开和关)对应。,进位规则：逢二进一；,以2为基数,2进制数,4.1.2 数的进制和码制,4.1 数字电路基础,1数制,4.1.2 数的进制和码制,4.1 数字电路基础,1数制,(2)十进制,数制就是计数的方法。,组成：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9共十个数码；日常生活用得最多。,进位规则：逢十进一；,以10为基数,对于一个n位十进制，其由高到低的各相应位的权分别为、。,10进制数,(3)二进制数和十进制数之间的转换将各位二进制乘以对应位的权，然后相加，其相加的和即为转换成的十进制数。,4.1.2 数的进制和码制,4.1 数字电路基础,1数制,十进制二进制？,若是十进制整数则采用除2取余法。,27,4.1.2 数的进制和码制,4.1 数字电路基础,1数制,(3)二进制数和十进制数之间的转换,若是十进制整数则采用除2取余法：,若是十进制小数则采用乘2取整法求：,0.432=0.86 取整数部分00.862=1.72 取整数部分10.722=1.44 取整数部分10.442=0.88 取整数部分00.882=1.76 取整数部分10.762=1.52 取整数部分10.522=1.04 取整数部分1,可得(0.43)10=(0.0110111)2,(0.43)10=(？)2,4.1 数字电路基础,1数制,(3)二进制数和十进制数之间的转换,01234567,十六进制,00000001001000110100010101100111,二进制,01234567,十进制,三种数制的数码比较,十进制,二进制,十六进制,89101112131415,10001001101010111100110111101111,89ABCDEF,4.1.2 数的进制和码制,4.1 数字电路基础,1数制,4.1.2 数的进制和码制,4.1 数字电路基础,2码制数字信息：数值信息、非数值信息(文字、图形、符号等)。非数值信息也用一定位数的二进制数来表示，以便计算机能够处理。这些代表信息的二进制码不再有数值的意义，称为代码。为了便于记忆、查找、区别，在编制各种代码时，总要遵循一定的规律，这一规律称为码制。建立二进制数与文字、符号等非数值信息之间一一对应关系的过程称为编码。,4.1.2 数的进制和码制,4.1 数字电路基础,2码制对数字系统而言，使用最为方便的是按二进制数编制代码。如在用二进制数码表示一位十进制数的09这十个状态时常用8421码制，而8、4、2、1是十位二进制数所在位的权。,用8421码制编制的代码属于BCD码的一种，意思是这种编码为“以二进制编码的十进制码”。,20,21,22,23,4.1.2 数的进制和码制,4.1 数字电路基础,2码制8421BCD码都以4位二进制数来表示1位十进制数，每位二进制都有固定的权位。,4.1.3 逻辑代数及基本运算,4.1 数字电路基础,1逻辑代数逻辑代数也称布尔代数，是分析和设计逻辑电路的一种数学工具，用来描述数字电路和数字系统的结构和方法。逻辑代数有1和0两种逻辑值，它们并不表示数量的大小，而是表示两种对立的逻辑状态，例如电平的高低、晶体管的导通与截止、脉冲信号的有无，事物的是非等。所以，逻辑1和逻辑0与自然数的1和0有本质的区别。在逻辑代数中，输出逻辑变量和输入逻辑变量的关系，叫逻辑函数。,4.1.3 逻辑代数及基本运算,4.1 数字电路基础,2逻辑代数的基本运算(1)逻辑“与”运算逻辑与是描述与逻辑关系的，又称与运算。意义：仅当决定事物发生的所有条件A、B均具备时，事件F才发生。例如把两只开关和一盏电灯串联到电源上，只有当两只开关均闭合时灯才亮。两只开关中有一只不闭合灯就不能亮。,4.1.3 逻辑代数及基本运算,4.1 数字电路基础,2逻辑代数的基本运算(1)逻辑“与”运算逻辑与是描述与逻辑关系的，又称与运算。意义：仅当决定事物发生的所有条件A、B均具备时，事件F才发生。在A和B分别取0或1时，F的逻辑状态列于表中，称为真值表。,4.1.3 逻辑代数及基本运算,4.1 数字电路基础,2逻辑代数的基本运算(2)逻辑“或”运算逻辑或是描述或逻辑关系的，又称或运算。意义：仅当决定事物发生的所有条件A、B中，只要有一个或一个以上的条件具备时，事件F就发生。例如把两只开关并联和一盏电灯串联到电源上，当两只开关中有一只或一个以上闭合时灯均能亮。只有当两只开关全断开时灯才不亮。,4.1.3 逻辑代数及基本运算,4.1 数字电路基础,2逻辑代数的基本运算(2)逻辑“或”运算逻辑或是描述或逻辑关系的，又称或运算。意义：仅当决定事物发生的所有条件A、B中，只要有一个或一个以上的条件具备时，事件F就发生。,4.1.3 逻辑代数及基本运算,4.1 数字电路基础,2逻辑代数的基本运算(3)逻辑“非”运算是描述非逻辑关系的，是对一个逻辑变量的否定，也称非运算。意义：事物的结果与发生的条件相反。例如一只开关与电灯并联后串联到电源上，当开关闭合时灯不亮，开关断开时灯亮。,4.2.1 与门电路,实现与逻辑关系的电子电路，简称与门。门电路内部是由二极管、晶体管或场效应管等半导体元件构成的电子电路，利用半导体元件的开关特性(导通或截止)实现开关作用。研究逻辑关系所关心的是，条件是否满足及结果是否发生，而在门电路中则是输入和输出电平的高与低两种状态。,4.2 基本门电路,门电路是数字电路的基础，也是组合成组合逻辑电路的基本单元，其应用极为广泛。所谓“门”就是一种开关，在一定条件下它能允许信号通过，条件不满足时，信号就通不过。因此利用开关的不同连接形式，可以实现一定的逻辑关系。,4.2.1 与门电路,输入至少有一个为低电平时与之相连二极管导通，输出为低电平，只有输入同时为高电平时输出才是高电平。,4.2 基本门电路,表达式：,真值表：,设：低电平、二极管截止用逻辑“0”表示，高电平、二极管导通用逻辑“1”表示。,“与”逻辑关系是指当决定某事件的条件全部具备时，该事件才发生。,0,1,0,4.2.1 与门电路,4.2 基本门电路,逻辑功能：“有0为0，全1为1”。,运算规律：00=001=010=0 11=1 A0=0A1=AAA=A,电路符号：,0,1,0,A,B,F,表达式：,真值表：,4.2.1 与门电路,4.2 基本门电路,与门电路应用广泛，利用与门电路，可以控制信号的传送。例：有一个2输入与门，假定在输入端B送入一个持续的脉冲信号，而在输入端A输入一控制信号，由与门逻辑关系可画出输出端F的输出信号波。只有当A为1时，信号才能通过，在输出端F得到所需的脉冲信号，此时相当于门被打开；当A为0时，信号不能通过，无输出，相当于门被封锁。,例：如图与门电路输入端A、B的输入波形如图所示，试画出输出端F的波形。,有“0”出“0”全“1”出“1”,4.2.1 与门电路,4.2 基本门电路,4.2.2 或门电路,4.2 基本门电路,输入有一个(或一个以上)为高电平时与之相连的二极管导通，输出端为高电平，只有输入同时为低电平时，输出才是低电平。,逻辑功能：“有1为1，全0为0”。,表达式：,“或”逻辑关系是指当决定某事件的条件之一具备时，事件就发生。,1,1,1,0,4.2.2 或门电路,4.2 基本门电路,逻辑功能：“有1为1，全0为0”。,表达式：,运算规律：0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=1 A+0=A A+1=1 A+A=A,真值表：,电路符号：,1,1,1,0,A,B,F,4.2.2 或门电路,4.2 基本门电路,或门电路应用广泛，如图为两路防盗报警电路。电路采用了一个2输入端的或门，S1和S2为微动开关，可装在门和窗户上，当门和窗户都关上时，开关S1和S2闭合，或门输入端全部接地，A=0，B=0，输出端F=0，报警灯不亮。如果门或窗任何一个被打开，相应的开关S断开，该输入端经1电阻接至5V电源，为高电平，故输出也为高电平，报警灯亮。输出端还可接音响电路实现声光同时报警。,例：如图或门电路，输入端A、B的输入波形如图所示，试画出输出端F的波形。,有“1”出“1”全“0”出“0”,4.2.2 或门电路,4.2 基本门电路,4.2.3 非门电路,4.2 基本门电路,非门又称反相器，是实现逻辑翻转的门电路。它对输入的逻辑电平取反，实现相反的逻辑功能输出。只要电阻R1、R2和负电源-Uss参数配合适当，则当输入低电平时，三极管基极为负电位，发射结反偏，三极管可靠截止，输出为高电平，而当输入为高电平时，三极管基极为正电位而饱和导通，输出为低电平，从而实现非运算。,表达式：,真值表：,4.2.3 非门电路,4.2 基本门电路,逻辑功能：“入1出0，入0出1”。,表达式：,真值表：,运算规律：,非门又称反相器，实现逻辑翻转。,电路符号：,4.2.3 非门电路,4.2 基本门电路,例：如图非门电路，输入端A的输入波形如图所示，试画出输出端F的波形。,4.2.4 集成逻辑门电路,4.2 基本门电路,常用的复合门电路有与非门、或非门、异或门、同或门等。,TTL(晶体管晶体管逻辑电路),按开关元件的不同分类：,集成门电路,MOS（金属氧化物半导体场效应管）,TTL电路生产早，制造工艺成熟，产量大，品种全，价格低，速度快，是中小规模集成电路的主流。,4.2.4 集成逻辑门电路,4.2 基本门电路,TTL(晶体管晶体管逻辑电路)电路：,分为74、74L、74H、74S、74LS、74AS、74ALS。国产TTL电路主要有CT1000CT4000四个系列。,MOS型数字集成电路可分为NMOS、PMOS和CMOS。CMOS电路是互补(结构)MOS电路的简称。它由两种不同MOS管组合而成，由P沟道增强型MOS管作负载管，由N沟道增强型MOS管作驱动管。COMS管特点是制造方便、功耗小，带负载和抗干扰能力强，工作速度接近于TTL电路，在大规模和超大规模集成电路中大多采用这种电路。国产CMOS电路主要有CC0000CC4000等几个系列。,MOS（金属氧化物半导体场效应管）电路：,4.2.4 集成逻辑门电路,4.2 基本门电路,1TTL与非门电路(1)电路组成实现与逻辑和非逻辑复合运算的门电路。TTL与非门电路中VT1是一个多发射极的晶体管。,4.2 基本门电路,1TTL与非门电路(2)工作原理当A或B至少一个为低电平时，VT1基极电位被箝在0.7V左右；由B1经VT1集电结、VT2发射结和VT4发射结到地经过三个PN结，0.7V的电压不可能让它们都导通；VT1饱和，VT2和VT4截止，VT3导通，F为高电平。,4.2 基本门电路,1TTL与非门电路(2)工作原理当A和B都为高电平时，电源经RB1、VT1集电结、VT2和VT4发射结到地构成通路，B1电位箝在2.1V左右，低于A和B电位3.6V，VT1截止，而VT2和VT4饱和导通，VT3截止，F为低电平。,4.2 基本门电路,1TTL与非门电路(2)工作原理简而言之，当输入全为高电平时，输出为低电平；当输入端至少有一个为低电平时，输出为高电平。,逻辑功能：有0为1，全1为0。,表达式：,电路符号：,4.2.4 集成逻辑门电路,4.2 基本门电路,1TTL与非门电路(3)常用电路举例,同一集成电路内可含有多个与非门电路，各个与非门电路可独立使用，但共用一个电源线和一个接地线，电源电压为+5V。,74LS10是一个三3输入与非门。,74LS10管脚排列图,另：74LS00(CT1000)四2输入与非门。,4.2.4 集成逻辑门电路,4.2 基本门电路,2CMOS或非门电路(1)电路组成实现或逻辑和非逻辑复合运算的门电路。上面两个增强型PMOS管串联，下面两个增强型NMOS管并联。NMOS管开启电压UGS(th)为正值，只有UGS UGS(th)时，NMOS导通，否则截止；PMOS管开启电压UGS(th)为负值，当UGSUGS(th)时，PMOS导通，否则截止。,4.2 基本门电路,2CMOS或非门电路(2)工作原理当A=0、B=0时，PMOS1和PMOS2导通，NMOS1和NMOS2截止，F=1。当A=0，B=1时，PMOS1导通，PMOS2截止，NMOS1截止，NMOS2导通，F=0。当A=1，B=0时，PMOS1截止，PMOS2导通，NMOS1导通，NMOS2截止，F=0。当A=1，B=1时，PMOS1和PMOS2截止，NMOS1和NMOS2导通，F=0。,4.2.4 集成逻辑门电路,4.2 基本门电路,2CMOS或非门电路(2)工作原理,逻辑功能：有1为0，全0为1。,表达式：,电路符号：,4.2.4 集成逻辑门电路,4.2 基本门电路,2CMOS或非门电路(3)常用电路举例,同一集成电路内可含有多个或非门电路，各个或非门电路可独立使用，但共用一个电源线和一个接地线，电源电压在318V范围内都能正常工作。,74LS02(CT186)是一个四2输入或非门。,74LS02管脚排列图,4.2.4 集成逻辑门电路,4.2 基本门电路,表达式：,逻辑功能：相同出0，不同出1。,电路符号：,电路举例：,74LS86是一个四2异或门。,3异或门电路,4.2.4 集成逻辑门电路,4.2 基本门电路,4三态与非门电路引入：两个集成TTL与非门的输出线不能接在公共的信号传输线上的，否则，因两输出端并联，若一个输出为高电平，另一个输出低电平，两者之间会有很大的电流通过，会使元件损坏。但在实用中为了减少信号传输线的数量，以适应各种数字电路的需要，有时却需要将两个或多个与非门的输出端接在同一信号传输线上，这就需要一种输出端除了有低电平0和高电平1两种状态外，还要有第三种高阻状态（即开路状态）的门电路，即三态与非门。三态门可以使每个逻辑门能在不同时刻轮流向传输线送信号。,4.2.4 集成逻辑门电路,4.2 基本门电路,4三态与非门电路(1)电路组成何谓三态：输出1态、0态和高阻(即开路)状态。,为控制端或使能端。,4.2 基本门电路,当=0时，VD截止，与普通与非门一样，F1。当控制信号=1时，VT1有一个输入端为低电平，所以VT2、VT5截止，同时VD导通，VT3基极电位变低，VT4截止。因VT4、VT5截止，F被悬空，呈高阻态。,4三态与非门电路(2)工作原理,4.2 基本门电路,两种三态与非门：一种是低电平有效，即=1时F为高阻态，=0时；另一种是高电平有效，即=0时F为高阻态，=1时，。,4三态与非门电路(2)工作原理,4.2 基本门电路,4三态与非门电路(2)工作原理,控制端加非表示低电平有效，不加非表示高电平有效。三态与非门在信号传输、计算机等数字系统中是一种重要的接口电路。集成三态门除了三态与非门外，还有三态非门、三态缓冲门等。三态门在信号传输中是非常有用的。,低电平有效,高电平有效,4.2.5 门电路在汽车电路中的应用,4.2 基本门电路,1制动灯故障检测器电路用CD4011接成非门的形式，用来自动监测汽车制动灯泡工作状况，XD1、XD2为尾部制动信号灯泡，LED1和LED2为驾驶室内工作指示灯，K为制动开关。当XD1、XD2完好时，由于灯丝阻值较小，故二极管和与非门1、与非门3的输入端全为低电平，与非门2、与非门4的输出端也为低电平，LED1、LED2均不亮。,4.2.5 门电路在汽车电路中的应用,4.2 基本门电路,1制动灯故障检测器电路用CD4011接成非门的形式，用来自动监测汽车制动灯泡工作状况，XD1、XD2为尾部制动信号灯泡，LED1和LED2为驾驶室内工作指示灯，K为制动开关。,当XD1或XD2断路时，与非门1或与非门3的输入端由于R1、R2的接入变高电平，故与非门2、与非门4的输出端为高电平，发光二极管亮。LED1、LED2相对应。,4.2.5 门电路在汽车电路中的应用,4.2 基本门电路,2水箱水位过低报警电路当水箱水位低于最低水位时发出报警，提醒加水。CD4069为六反相器，HTD为压电陶瓷蜂鸣器，水箱中放置一根铜线作为传感器，铜线的下端应置于最低水位处，但不能与水箱体接触，水箱体搭铁。当水箱水位符合要求时，铜线浸在水中。,4.2.5 门电路在汽车电路中的应用,4.2 基本门电路,2水箱水位过低报警电路由于水箱搭铁和水的导电作用，使得CD4069的1脚为低电平，2脚为高电平，4、5脚为低电平，6、9脚为高电平，使得绿色LED发光，水位正常。8脚低电平，由于二极管钳位，11脚低电平，所以由G5、G6构成的多谐振荡器不工作，蜂鸣器不叫。,4.2.5 门电路在汽车电路中的应用,4.2 基本门电路,2水箱水位过低报警电路 当水位低于最低水位时，铜线离开冷却水悬空，使得1脚高电平，2脚低电平，4、5脚高电平，6、9脚低电平，使得红色LED发光，指示水位低于最低限制水位。8脚高电平，由于二极管的单向导电性，11脚被悬空，多谐振荡器开始振荡，蜂鸣器鸣叫，提醒司机加水。,