第一章数字逻辑基础.ppt

授课教师鞠艳杰,同学们好！,课程性质,电类专业三大技术基础课之一！电路理论、模拟电子线路、脉冲与数字电路64学时考试课 考研专业课之一 数字电子技术基础是电专业人才必备的理论与技术基础 数字电子技术是高级应用型人才所具有的基本职业素质,课程目标,获得适应信息时代的数字电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能。培养分析和解决实际问题的能力，为以后深入学习数字电子技术及其相关学科和专业打好以下两方面的基础:正确分析、设计数字电路，特别是集成电路的基础；为进一步学习设计专用集成电路(ASIC)的基础。,数字信号传输、变换、产生等。内容涉及相关器件、功能电路及系统。,硬件 处理数字信号的电子电路及其逻辑功能 数字电路的分析方法 数字电路的设计方法 各种典型器件在电子系统中的应用,软件 系统分析、设计的软件工具ABEL、VHDL、VerilogHDL、EDA工具软件QuartusII等,课程研究内容,a、发展快,b、应用广,学习方法,打好基础、,关注发展、,主动更新、,注重实践,课程特点,摩尔定律:集成度按10倍/6年的速度发展。,c、工程实践性强,课程特点与学习方法,掌握基本概念、基本电路和基本分析、设计方法,能独立的应用所学的知识去分析和解决数字电路的实际问题的能力。,教学方法与安排,教 材 数字电子技术基础康华光 主编高等教育出版社 2006.1 第五版 教学方法通过教、学、做相结合的教学模式，从应知、应会两个方面进行教学，在内容的安排上采用双循环的知识结构教学进度 十六周，64学时，九章的教学内容。,教学要求与考核,基本要求本课程要求理论讲授与操作实践紧密结合。通过本课程的学习，要求学生在数字电子技术的理论、技能和素质方面达到教材的基本要求。考 核理论考试（期末笔试）占80%，平时成绩占20%。平时成绩：出勤、课堂纪律、听课态度、课堂问答、作业完成情况，综合评定。,电子技术基础数字部分（第五版）,康华光主编,电子技术基础数字部分（第五版）,第一章 数字逻辑概论 第二章 逻辑代数与硬件描述语言基础 第三章逻辑门电路 第四章 常用组合逻辑电路 第五章 锁存器和触发器 第六章 时序逻辑电路 第七章 存储器、复杂可编程器件和现场可编 程门阵列 第八章 脉冲波形的产生与变换 第九章 数模与模数转换器,第一章 数字逻辑概论,第一章 数字逻辑概论,1.1数字电路与数字信号1.2数制1.3二进制数的算数运算1.4二进制代码1.5二值逻辑变量与基本逻辑运算1.6逻辑函数及其表示方法,1.1.1数字技术的发展及其应用,1.1.3 模拟信号与数字信号,1.1.4 数字信号的描述方法,1.1 数字电路与数字信号,1.1.2数字集成电路的分类及特点,1.1.1 数字技术的发展及其应用,6070年代，IC技术迅速发展小规模 中规模 大规模 超大规模（SSI）（MSI）（LSI）（VLSI）10万个晶体管/片。70年代末，微处理器的出现，使数字电子的性能产生了质的飞跃 80年代后-ULSI，1 0 亿个晶体管/片、ASIC 制作技术成熟 90年代后-97年一片集成电路上有40亿个晶体管。目前-芯片内部的布线细微到亚微米(0.130.09m)量级;微处理器的时钟频率高达3GHz（109Hz）将来-高分子材料或生物材料制成密度更高、三维结构的电路 目前较先进的器件：可编程逻辑器件（PLD）微处理器（CPU）数字信号处理器（DSP),电子管,晶体管,集成电路,发展特点:以电子器件的发展为基础,电子管时代,1906年，福雷斯特等发明了电子管；电子管体积大、重量重、耗电大、寿命短。目前在一些大功率发射装置中使用。,电压控制器件电真空技术,1.1.1 数字技术的发展及其应用,电子管,晶体管,集成电路,发展特点:以电子器件的发展为基础,晶体管时代,电流控制器件 半导体技术,1.1.1 数字技术的发展及其应用,电子管,晶体管,集成电路,发展特点:以电子器件的发展为基础,半导体集成电路,1.1.1 数字技术的发展及其应用,6070年代，IC技术迅速发展小规模 中规模 大规模 超大规模（SSI）（MSI）（LSI）（VLSI）10万个晶体管/片。70年代末，微处理器的出现，使数字电子的性能产生了质的飞跃 80年代后-ULSI，1 0 亿个晶体管/片、ASIC 制作技术成熟 90年代后-97年一片集成电路上有40亿个晶体管。目前-芯片内部的布线细微到亚微米(0.130.09m)量级;微处理器的时钟频率高达3GHz（109Hz）将来-高分子材料或生物材料制成密度更高、三维结构的电路 目前较先进的器件：可编程逻辑器件（PLD）微处理器（CPU）数字信号处理器（DSP),电子管,晶体管,集成电路,发展特点:以电子器件的发展为基础,1.2数字电路的应用,模拟量的数字表示：模拟量可以用数字0、1的编码来表示。,传感器,放大器,模数转换器,数模转换器,执行机构,功率放大,数字电路（CPU）,一般测控系统框图,数码相机,计算机,数字技术的应用,根据电路的结构特点及其对输入信号的响应规则的不同，-数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。,从集成度不同-数字集成电路可分为小规模、中规模、大规模、超大规模和甚大规模五类。,从电路的形式不同，-数字电路可分为集成电路和分立电路,从器件不同-数字电路可分为TTL 和 CMOS电路,1、数字集成电路的分类,1.1.2、数字集成电路的分类及特点,集成度:每一芯片所包含的门个数,1.1.2、数字集成电路的分类及特点,2、数字集成电路的特点,1)电路简单,便于大规模集成,批量生产,2)可靠性、稳定性和精度高,抗干扰能力强,3)体积小,通用性好,成本低.,4)具可编程性,可实现硬件设计软件化,5)高速度 低功耗,6)加密性好,1.1.2、数字集成电路的分类及特点,3、数字电路的分析、设计与测试,(1)数字电路的分析方法,数字电路的分析:根据电路确定电路输出与输入之间的逻辑关系。,(2)数字电路的设计方法,数字电路的设计:从给定的逻辑功能要求出发，选择适当的逻辑器件，设计出符合要求的逻辑电路。,设计方式:分为传统的设计方式和基于EDA软件的设计方式。,分析工具：逻辑代数。电路逻辑功能主要用真值表、功能表、逻辑表达式和波形图。,1.1.2、数字集成电路的分类及特点,电路设计方法伴随器件变化从传统走向现代,传统的设计方法：,现代的设计方法：,1.1.2、数字集成电路的分类及特点,EDA技术以计算机为基本工具、借助于软件设计平台，自动完成数字系统的仿真、逻辑综合、布局布线等工作。最后下载到芯片，实现系统功能。使硬件设计软件化。,原理图设计,VerilogHDL语言设计,状态机设计,EDA（Electronics Design Automation)技术,4、验证结果,实验板,下载线,EDA（Electronics Design Automation)技术,1.1.3、模拟信号和数字信号,电子电路中的信号,模拟信号,数字信号,时间、数值连续的物理量(电信号),时间和数值离散的物理量(电信号),1.1.3模拟信号,表示信号的物理参量之一是信号的强度随时间变化的特性，即信号的时域特性，具体到电子系统中所采用的信号则是电压或电流的时间特性模拟信号的特点是信号参量的取值随连续时间的变化而保持其连续性，模拟信号的特性一般如图1-1-1所示。通常把工作在模拟信号下的电子电路称为模拟电路。,1.1.3 模拟信号,u,正弦波信号,锯齿波信号,研究模拟电路时，注重电路输入、输出信号间的大小、相位关系。包括交直流放大器、滤波器、信号发生器等。,在模拟电路中，晶体管一般工作在放大状态。,图1-1-1模拟信号波形,1.1.3 数字信号,一、数字信号的特点 数字信号在时间上和数值上均是离散的。（其强度的取值是有限个数）数字信号在电路中常表现为突变的电压或电流。图1-1-2所示为数字信号。图1.1.2 典型的数字信号,V,t,1.1.3 模拟信号的数字表示,由于数字信号便于存储、分析和传输，通常都将模拟信号转换为数字信号.,1.1.4 数字信号的描述方法,二值数字逻辑和逻辑电平数字信号是一种二值信号，用两个电平（高电平和低电平）分别来表示两个逻辑值（逻辑1和逻辑0）。二值数字逻辑:0、1数码-表示数量时称二进制数;-表示事物状态时称二值逻辑有两种逻辑体制：正逻辑体制规定：高电平为逻辑1，低电平为逻辑0。负逻辑体制规定：低电平为逻辑1，高电平为逻辑0。,(a)用逻辑电平描述的数字波形,(b)16位数据的图形表示,数字波形-是信号逻辑电平对时间的图形表示.,1.1.4 数字信号的描述方法,高电平,低电平,有脉冲,*非归零型,*归零型,比特率-每秒钟转输数据的位数,无脉冲,数字波形的两种类型:,1.1.4 数字信号的描述方法数字波形,周期性和非周期性,非周期性数字波形,周期性数字波形,1.1.4 数字信号的描述方法数字波形,数字信号的主要参数,一个周期性数字信号，可用以下几个参数来描绘：Vm信号幅度。T信号的重复周期。表示两个相邻脉冲之间的时间间隔 tW脉冲宽度。脉冲幅值的50%的两个时间所跨越的时间 q占空比。其定义为：,1.1.4 数字信号的描述方法数字波形,数字信号的主要参数上升时间tr从脉冲幅值的10上升到90所需的 时间。下降时间tf从脉冲幅值的90下降到10所需的 时间。脉冲宽度tw 脉冲幅值的50的两个时间点所跨越的时间。,1.1.4 数字信号的描述方法数字波形,例1.1.1 某通信系统每秒钟传输1544000位(1.544兆位)数据，求每位数据的时间。,解：按题意，每位数据的时间为,1.1.4 数字信号的描述方法数字波形,例1.1.2 设周期性数字波形的高电平持续6ms，低电平持续10ms，求占空比q。,解：因数字波形的脉冲宽度tw=6ms，周期T=6ms+10ms=16ms。,1.1.4 数字信号的描述方法数字波形,非理想脉冲波形,1.1.4 数字信号的描述方法数字波形,下图所示为三个周期相同（T=20ms），但幅度、脉冲宽度及占空比各不相同的数字信号。,1.1.4 数字信号的描述方法,数字波形-是信号逻辑电平对时间的图形表示.二值位形图：二值数据的数字波形。时序图：表明相互时间关系的多重数字波形图。,模拟信号与数字信号比较表,项目,模拟信号,(Analog),数字信号,(Digital),特点,连续,离散,波形,数学,十进制,二进制,电平数,无穷多个,有限个,典型,温度、压力等,数字系统的信号,数字电路,通常把工作在数字信号下的电子电路称为数字电路。数字电路的特点：数字电路的输入、输出都是数字信号。在数字电路中，晶体管工作在开关状态，即工作在饱和与截止状态。数字电路抗干扰能力强。,三极管饱和导通用高电平“1”表示，三极管截止用低电平“0”表示，而且我们只关心信号的“有”和“无”，电平的“高”和“低”，而不去理会其具体的精确数值。,1.2 数制,数制：是构成多位数码中每一位的方法和由低位向高位的进位规则，它也是人们在日常生活和科学研究中采用的计数方法。几种常用的计数体制 1.十进制(Decimal)2.二进制(Binary)3.十六进制(Hexadecimal)4.八进制（Octal）,（1）进位制：表示数时，仅用一位数码往往不够用，必须用进位计数的方法组成多位数码。多位数码每一位的构成以及从低位到高位的进位规则称为进位计数制，简称进位制。,1.2 数制,（2）基 数：进位制的基数，就是在该进位制中可能用到的数码个数。,（3）位 权（位的权数）：在某一进位制的数中，每一位的大小都对应着该位上的数码乘上一个固定的数，这个固定的数就是这一位的权数。权数是一个幂。,数码为：09；基数是10。运算规律：逢十进一，即：9110。十进制数的权展开式：,1.2.1 十进制,103、102、101、100称为十进制的权。各数位的权是10的幂。,同样的数码在不同的数位上代表的数值不同。,任意一个十进制数都可以表示为各个数位上的数码与其对应的权的乘积之和，称权展开式。,即：(5555)D5103 510251015100,又如：(20.04)D 2101 010001014 102,1.2.2 二进制,数码为：0、1；基数是2。运算规律：逢二进一，即：1110。二进制数的权展开式：如：(101.01)B 122 0211200211 22(5.25)D,加法规则：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=10乘法规则：0.0=0，0.1=0，1.0=0，1.1=1,运算规则,（1）易于电路表达-0、1两个值，可以用管子的导 通或截止，灯泡的亮或灭、继电器触点的闭合或断开来表示。,二进制的优点,（2）二进制数字装置所用元件少,电路简单、可靠。,（3）基本运算规则简单,运算操作方便。,1.2.2 二进制,二进制数波形表示,1.2.2 二进制,（1）二进制数据的串行传输,二进制数据的传输,1.2.2 二进制,（2）二进制数据的并行传输,将一组二进制数据所有位同时传送。传送速率快,但数据线较多，而且发送和接收设备较复杂。,1.2.2 二进制,数码为：07；基数是8。运算规律：逢八进一，即：7110。八进制数的权展开式：如：(207.04)O 282 0817800814 82(135.0625)D,1.2.4 八进制和十六进制,2、十六进制,数码为：09、AF；基数是16。运算规律：逢十六进一，即：F110。十六进制数的权展开式：如：(D8.A)H 13161 816010 161(216.625)D,各数位的权是8的幂,各数位的权是16的幂,1、八进制,结论,一般地，N进制需要用到N个数码，基数是N；运算规律为逢N进一。如果一个N进制数M包含位整数和位小数，即(an-1 an-2 a1 a0 a1 a2 am)2则该数的权展开式为：(M)N an-1Nn-1 an-2 Nn-2 a1N1 a0 N0a1 N-1a2 N-2 amN-m 由权展开式很容易将一个N进制数转换为十进制数。,1.2.3 数制转换,（1）二进制数转换为八进制数：将二进制数由小数点开始，整数部分向左，小数部分向右，每3位分成一组，不够3位补零，则每组二进制数便是一位八进制数。,将N进制数按权展开，即可以转换为十进制数。,1、二进制数与八进制数的相互转换,1 1 0 1 0 1 0.0 1,0 0,0,(152.2)O,（2）八进制数转换为二进制数：将每位八进制数用3位二进制数表示。,=011 111 100.010 110,(374.26)O,2、二进制数与十六进制数的相互转换,1 1 1 0 1 0 1 0 0.0 1 1,0 0 0,0,(1E8.6)H,=1010 1111 0100.0111 0110,(AF4.76)H,二进制数与十六进制数的相互转换，按照每4位二进制数对应于一位十六进制数进行转换。,3、十进制数转换为二进制数,采用的方法 基数连除、连乘法原理：将整数部分和小数部分分别进行转换。整数部分采用基数连除法，小数部分 采用基数连乘法。转换后再合并。,整数部分采用基数连除法，先得到的余数为低位，后得到的余数为高位。,小数部分采用基数连乘法，先得到的整数为高位，后得到的整数为低位。,所以：(44.375)10(101100.011)2,采用基数连除、连乘法，可将十进制数转换为任意的N进制数。,解：根据上述原理，可将(37)D按如下的步骤转换为二进制数,由上得(37)D=(100101)B,例1.2.2 将十进制数(37)D转换为二进制数。,当十进制数较大时，有什么方法使转换过程简化?,解：由于27为128，而133128=5=2220，,例1.2.3 将(133)D转换为二进制数,所以对应二进制数b7=1，b2=1，b0=1，其余各系数均为0，所以得(133)D=(10000101)B,1.2.3 数制转换,十六进制的优点：,1、）与二进制之间的转换容易；,2、）计数容量较其它进制都大。假如同样采用四位数码，二进制最多可计至(1111)B=(15)D；八进制可计至(7777)O=(2800)D；十进制可计至(9999)D；十六进制可计至(FFFF)H=(65535)D，即64K。其容量最大。,3、）书写简洁。,1.3二进制的算术运算（自学）,1.3.1无符号二进制的数算术运算,1.3.2有符号二进制的数算术运算,1、无符号二进制的加法规则：0+0=0，0+1=1，1+1=10。,2、无符号二进制数的减法规则：0-0=0，1-1=0，1-0=1 0-1=11,1.3.1无符号数算术运算,3、乘法和除法,乘法运算：由左移被乘数与加法运算组成乘法运算：由右移被除数与减法运算组成,1.3.2带符号二进制的减法运算,二进制数的最高位表示符号位，且用0表示正数，用1表示负数。其余部分用原码的形式表示数值位。,有符号的二进制数表示:,1.二进制数的补码表示,补码或反码的最高位为符号位，正数为0，负数为1。当二进制数为正数时，其补码、反码与原码相同。当二进制数为负数时，将原码的数值位逐位求反，然后在最低位加1得到补码。,(+11)D=(0 1011)B(11)D=(1 1011)B,减法运算的原理:减去一个正数相当于加上一个负数AB=A+(B)，对(B)求补码，然后进行加法运算。,2.二进制补码的减法运算,例1.3.7 试用4位二进制补码计算52。,自动丢弃,解：因为(52)补=(5)补+(2)补=0101+1110=0011所以 52=3,用一定位数的二进制数来表示十进制数码、字母、符号等信息称为编码。,用以表示十进制数码、字母、符号等信息的一定位数的二进制数称为代码。,1.4 二进制代码,数字系统只能识别0和1，怎样才能表示更多的数码、符号、字母呢？用编码可以解决此问题。,二-十进制代码：用4位二进制数b3b2b1b0来表示十进制数中的 0 9 十个数码。简称BCD码。,2421码的权值依次为2、4、2、1；余3码由8421码加0011得到；格雷码是一种循环码，其特点是任何相邻的两个码字，仅有一位代码不同，其它位相同。,用四位自然二进制码中的前十个码字来表示十进制数码，因各位的权值依次为8、4、2、1，故称8421 BCD码。,在数字系统中，广泛地采用二进制计数制。主要原因是二进制的每一位数只有两种可能取值，即“0”或“1”，可以用具有两个不同稳定状态的电子开关来表示，使数据的存储和传送用简单而可靠的方式进行。,1.4 二进制码,1.4 二进制码,通常数字系统中所携带的信息分为两类，一类是字符信息，另一类是数值信息。在二进制编码中，采用结构形式与二进制数完全相同的自然二进制码是最简单的编码方式。,1.4 二进制码,二十进制BCD码一位十进制数有09个不同的信息，必须至少使用4位二进制数字。8421编码是靠取自然二进制数的前10个数码并付给等值的十进制数字而获得的，权值分别为23，22，21，1。,余3码是在8421码的基础上把每个代码都加（0011）2（3）10而形成的。余3码是一种自补码，即表1-2-1中以虚线为中心04和95的代码互为反码。这种码的优点是求补方便，所以在计算机系统中得到广泛的应用。用格雷码作运算时，必须首先将它转换成二进制。,1-5 逻辑代数基础,逻辑变量及基本逻辑运算,逻辑函数及其表示方法,逻辑代数的运算公式和规则,逻辑变量及基本逻辑运算,一、逻辑变量,取值：逻辑0、逻辑1。逻辑0和逻辑1不代表数值大小，仅表示相互矛盾、相互对立的两种逻辑状态,二、基本逻辑运算,与运算,或运算,非运算,返 回,与逻辑真值表,与逻辑关系表,与逻辑,开关A,开关B,灯F,断 断断 合合 断,合 合,灭灭灭,亮,A,B,F,1 0,1 1,0 1,0 0,0,0,1,0,只有决定某一事件的所有条件全部具备，这一事件才能发生,或逻辑真值表,或逻辑,1,A,B,F,1 0,1 1,0 1,0 0,1,1,1,0,F=A+B+.+N,返 回,返 回,非逻辑,非逻辑真值表,1,A,F,0,1,1,0,三、复合逻辑运算,与非逻辑运算,或非逻辑运算,与或非逻辑运算,异或运算,A,B,F,1 0,1 1,0 1,0 0,1,1,0,0,=1,同或运算,返 回,0V,3V,工作原理,A、B中有一个或一个以上为低电平0V,只有A、B全为高电平3V，,二极管与门电路,0V,3V,3V,3V,A,B,F,3V,返 回,（四）正逻辑与负逻辑,则输出F就为低电平0V,则输出F才为高电平3V,A,B,F,VL VL,VL,VL,VH,VL,VL VH,VH VL,VH VH,电平关系,正逻辑,负逻辑,正与=负或,正或=负与,正与非=负或非,正或非=负与非,在一种逻辑符号的所有入、出端同时加上或者去掉小圈，当一根线上有两个小圈，则无需画圈,原来的符号互换（与或、同或异或）,返 回,（四）正逻辑与负逻辑,（与门）,（或门）,逻辑函数及其表示方法,一、逻辑函数,用有限个与、或、非逻辑运算符，按某种逻辑关系将逻辑变量A、B、C、.连接起来，所得的表达式F=f（A、B、C、.）称为逻辑函数。,二、逻辑函数的表示方法,真值表,逻辑函数式,逻辑图,波形图,取值：逻辑0、逻辑1。逻辑0和逻辑1不代表数值大小，仅表示相互矛盾、相互对立的两种逻辑态,F,断“0”,合“1”,亮“1”,灭“0”,0,0,0,0,1,1,0,挑出函数值为1的项,1,每个函数值为1的输入变量取值组合写成一个乘积项,这些乘积项作逻辑加,返 回,返 回,