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数字电子技术基础简明教程,余孟尝 主编,目 录,第一章 逻辑代数基础与EDA技术的基础知识,第二章 门电路,第三章 组合逻辑电路,第四章 触发器,第五章 时序逻辑电路,第六章 脉冲产生与整形电路,第七章 数模与模数转换电路,第一章 小 结,一、数制和码制,1.数制：计数方法或计数体制（由基数和位权组成）,各种数制之间的相互转换，特别是十进制二进制的转换，要求熟练掌握。,2.码制：常用的 BCD 码有 8421 码、2421 码、5421 码、余 3 码等，其中以 8421 码使用最广泛。,几种常见的 BCD 代码,练习 1 完成下列数制和码制之间的相互转换,128 16 4 2 1,512 128 64 16 8 4 2,32 8 2 1,32 4 1,16 8 4 1,二、常用逻辑关系及运算,1.三种基本逻辑运算：,与、或、非(书P9),2.四种复合逻辑运算：,与非、或非、与或非、异或,三、逻辑代数的公式和定理,是推演、变换和化简逻辑函数的依据，有些与普通代数相同，有些则完全不同，要认真加以区别。这些定理中，摩根定理最为常用。(书P12),真值表 函数式 逻辑符号,练习2 求下列函数的反函数（用摩根定理），并化简。,解,四、逻辑函数的化简法,化简的目的是为了获得最简逻辑函数式，从而使逻辑电路简单、成本低、可靠性高。化简的方法主要有公式化简法和图形化简法两种。,1.公式化简法：,可化简任何复杂的逻辑函数，但要求能熟练和灵活运用逻辑代数的各种公式和定理，并要求具有一定的运算技巧和经验。,并项法：利用公式,把两项合并起来，消去一个变量。吸收法：利用公式,吸收掉多余的乘积项。消去法：利用公式,消去乘积项中多余的因子。配项消项法：利用公式，在函数的与或式中，进行配项，消去有关乘积项。,2.图形化简法：,简单、直观，不易出错，有一定的步骤和方法可循。但是，当函数的变量个数多于六个时，就失去了优点，没有实用价值。,约束项：（无关项）,可以取 0，也可以取 1，它的取值对逻辑函数值没有影响，应充分利用这一特点化简逻辑函数，以得到更为满意的化简结果。,画出函数的卡诺图。合并函数的最小项。圈大好有新意覆盖完选择乘积项，写出函数的最简与或表达式。,练习 3 用公式法将下列函数化简为最简与或式。,练习 4 用图形法将下列函数化简为最简与或式。,（1）画函数的卡诺图,（2）合并最小项：画包围圈,（3）写出最简与或表达式,1,1,1,1,1,1,1,1,解,1,1,练习 4 用图形法将下列函数化简为最简与或式。,（1）画函数的卡诺图,（2）合并最小项：画包围圈,（3）写出最简与或表达式,1,解,1,1,1,1,五、逻辑函数常用的表示方法：,真值表、卡诺图、函数式、逻辑图和波形图。,它们各有特点，但本质相同，可以相互转换。尤其是由真值表 逻辑图 和 逻辑图 真值表，在逻辑电路的分析和设计中经常用到，必须熟练掌握。,第二章 小结,一、半导体二极管、三极管和 MOS 管,是数字电路中的基本开关元件，一般都工作在开关状态。,1.半导体二极管：,是不可控的，利用其开关特性可构成二极管与门和或门。,2.半导体三极管：,是一种用电流控制且具有放大特性的开关元件，利用三极管的饱和导通与截止特性可构成 非门 和其它 TTL 集成门电路。,3.MOS管：,是一种具有放大特性的由电压控制的开关元件，利用 N 沟道 MOS 管和 P 沟道 MOS 管可构成CMOS 反相器和其它 CMOS 集成门电路。,二、分立元件门电路,主要介绍了由半导体二极管、三极管和 MOS 管构成的与门、或门和非门。,虽然，分立元件门电路不是本章的重点，但是通过对这些电路的分析，可以体会到与、或、非三种最基本的逻辑运算，是如何用半导体电子电路实现的，这将有助于后面集成门电路的学习。,三、集成门电路 本章重点,主要介绍了 CMOS 和 TTL 集成门电路，重点应放在它们的输出与输入之间的逻辑特性和外部电气特性上。,1.逻辑特性（逻辑功能）：,普通功能 与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门和异或门。,特殊功能 三态门、OC门、OD门和传输门。,2.电气特性：,静态特性 主要是输入特性、输出特性和传输特性。,动态特性 主要是传输延迟时间的概念。,四、集成门电路使用中应注意的几个问题,工作电源,VCC=5 V,VDD=3 18 V,输出电平,UOL=0.3 V UOH=3.6 V,UOL 0 V UOH VDD,UTH=0.5 VDD,UTH=1.4 V,阈值电压,输入端串接电阻Ri,当 Ri Ron（2.5 k）,输入由 0 1,在一定范围内，Ri的改变不会影响输入电平,输入端 悬空,即 Ri=,输入为“1”,多余输入端的处理,1.与门、与非门接电源；或门、或非门接地。,2.与其它输入端并联。,练习 写出图中所示各个门电路输出端的逻辑表达式。,TTL,CMOS,100,100k,=1,100,100k,=1,=1,100,100k,100,100k,=0,练习 写出图中所示各个门电路输出端的逻辑表达式。,TTL,CMOS,100,100k,100,100k,第三章 小结,一、组合逻辑电路的特点,组合逻辑电路是由各种门电路组成的没有记忆功能的电路。它的特点是任一时刻的输出信号只取决于该时刻的输入信号，而与电路原来所处的状态无关。,逻辑图,逻辑表达式,化简,真值表,说明功能,二、组合逻辑电路的分析方法,三、组合逻辑电路的设计方法,逻辑抽象,列真值表,写表达式化简或变换,画逻辑图,练习 写出图中所示电路的逻辑表达式，说明其功能,解,1.逐级写出输出逻辑表达式,2.化简,3.列真值表,0 0,0 1,1 0,1 1,1,0,0,1,4.功能,输入信号相同时输出为1，否则为0 同或。,四、常用中规模集成组合逻辑电路,1.加法器：,实现两组多位二进制数相加的电路。根据进位方式不同，可分为串行进位加法器和超前进位加法器。,2.数值比较器：,比较两组多位二进制数大小的电路。,集成芯片：,74LS183（TTL）、C661（CMOS）双全加器,两片双全加器（如74LS183）四位串行进位加法器,74283、74LS283（TTL）CC4008（CMOS）四位二进制超前进位加法器,集成芯片：,7485、74L 85（TTL）CC14585、C663（CMOS）四位数值比较器,3.编码器：,将输入的电平信号编成二进制代码的电路。主要包括二进制编码器、二 十进制编码器和优先编码器等。,4.译码器：,将输入的二进制代码译成相应的电平信号。主要包括二进制译码器、二 十进制译码器和显示译码器等。,集成芯片：,74148、74LS148、74LS348（TTL）8 线 3 线优先编码器,74147、74LS147（TTL）10 线 4 线优先编码器,集成芯片：,74LS138（TTL）3线 8线译码器（二进制译码器）,7442、74LS42（TTL）4线 10线译码器,74247、74LS247（TTL）共阳极显示译码器,7448、74248、7449、74249等（TTL）共阴极显示译码器,5.数据选择器：,在地址码的控制下，在同一时间内从多路输入信号中选择相应的一路信号输出的电路。常用于数据传输中的并-串转换。,集成芯片：,74151、74LS15174251、74LS251（TTL）8 选 1 数据选择器,6.数据分配器：,在地址码的控制下，将一路输入信号传送到多个输出端的任何一个输出端的电路。常用于数据传输中的串-并转换。,集成芯片：,无专用芯片，可用二进制集成译码器实现。,练习 用二-十进制编码器、译码器、发光二极管七段显示器，组成一个 1 数码显示电路。当 0 9 十个输入端中某一个接地时，显示相应数码。选择合适的器件，画出连线图。,解,五、用中规模集成电路实现组合逻辑函数,1.数据选择器：,为多输入单输出的组合逻辑电路，在输入数据都为 1 时，它的输出表达式为地址变量的全部最小项之和，适用于实现单输出组合逻辑函数。,2.二进制译码器：,输出端提供了输入变量的全部最小项，而且每一个输出端对应一个最小项，因此，二进制译码器辅以门电路（与非门）后，适合用于实现单输出或多输出的组合逻辑函数。,六、只读存储器（ROM）,1.功能：,用于存放固定不变的数据，存储内容不能随 意改写。工作时，只能根据地址码读出数据。,2.特点：,工作可靠，断电后，数据不会丢失。,3.分类：,固定 ROM（掩模 ROM）和可编程 ROM（PROM）包括 EPROM（电写入紫外线擦除）和 E2PROM（电写入电擦除）。PROM都要用专用的编程器对芯片进行编程。,七、竞争和冒险,当门电路的两个输入信号同时向相反方向变化时，输出端可能出现干扰脉冲。消除方法：加封锁脉冲、加选通脉冲、接滤波电容、修改逻辑设计等。,第四章 小 结,一、触发器和门电路一样，也是组成数字电路的基本逻辑单元。它有两个基本特性：,1.有两个稳定的状态（0 状态和 1 状态）。,2.在外信号作用下，两个稳定状态可相互转换；没有外信号作用时，保持原状态不变。,因此，触发器具有记忆功能，常用来保存二进制信息。,二、触发器的逻辑功能,指触发器输出的次态 Qn+1 与输出的现态 Qn 及输入信号之间的逻辑关系。触发器逻辑功能的描述方法主要有特性表、卡诺图、特性方程、状态转换图和波形图（时序图）。,二、触发器的分类,1.根据电路结构不同，触发器可分为,（1）基本触发器：输入信号电平直接控制。,特性方程,（2）同步触发器：时钟电平直接控制。,特性方程,同步 RS 触发器,CP=1（或 0）时有效,同步 D 触发器,（约束条件）,二、触发器的分类,1.根据电路结构不同，触发器可分为,（3）主从触发器：主从控制脉冲触发。,CP 下降沿（或上升沿）到来时有效,特性方程,主从 RS 触发器,主从 JK 触发器,（4）边沿触发器：时钟边沿控制。,CP上升沿（或下降沿）时刻有效,特性方程,边沿 D 触发器,边沿 JK 触发器,2.根据逻辑功能不同，时钟触发器可分为,二、触发器的分类,（1）RS 触发器,（约束条件）,（3）D 触发器,（4）T 触发器,（5）T 触发器,利用特性方程可实现不同功能触发器间逻辑功能的相互转换。,（2）JK 触发器,解,SD、RD 异步置位（置1）、复位（置0）端。,CP 上升沿触发。,CP,D,SD,RD,Q,第五章 小 结,一、时序逻辑电路的特点,数字电路,逻辑功能,组合逻辑电路,时序逻辑电路,（基本构成单元 门电路）,（基本构成单元 触发器）,任何时刻电路的输出，不仅和该时刻的输入信号有关，而且还取决于电路原来的状态。,1.逻辑功能：,2.电路组成：,与时间因素(CP)有关；,含有记忆性的元件(触发器)。,二、时序电路逻辑功能的表示方法,逻辑图、逻辑表达式、状态表、卡诺图、状态转换图（简称状态图）和时序图,三、时序电路的基本分析方法,实质：,逻辑图,状态图,关键：,求出状态方程，列出状态表，根据状态表画出状态图和时序图，由此可分析出时序逻辑电路的功能。,四、时序电路的基本分设计方法,实质：,状态图,逻辑图,关键：,根据设计要求求出最简状态表（图），再通过卡诺图求出状态方程和驱动方程，由此画出逻辑图。,五、计数器,1.按计数进制分：,二进制计数器、十进制计数器和任意进制计数器,2.按计数增减分：,加法计数器、减法计数器和可逆（加/减）计数器,3.按触发器翻转是否同步分：,同步计数器和异步计数器,记录输入脉冲 CP 个数的电路，是极具典型性和代表性的时序逻辑电路。,六、中规模集成计数器,功能完善、使用方便灵活，能很方便地构成 N 进制（任意）计数器。主要方法有两种：,1.用同步置 0 端或置数端归零获得 N 进制计数器,根据 N-1 对应的二进制代码写反馈归零函数。,2.用异步置 0 端或置数端归零获得 N 进制计数器,根据 N 对应的二进制代码写反馈归零函数。,当需要扩大计数器的容量时，可将多片集成计数器进行级联。如,两片16 进制集成计数器,16 16 进制计数器,两片10 进制集成计数器,10 10 进制计数器,七、其它时序逻辑电路,1.寄存器和移位寄存器,寄存器 存储二进制数据或者代码。,移位寄存器 不但可存放数码，还能对数据进行移 位操作。,移位寄存器有单向移位寄存器和双向移位寄存器。,用移位寄存器可方便地组成环形计数器、扭环形计数器和顺序脉冲发生器。,集成移位寄存器使用方便、功能全、输入输出方式 灵活。,2.读/写存储器 RAM（随机存取存储器）,组成：主要由地址译码器、读/写控制电路和存储矩 阵三部分组成。,功能：可以随时读出数据或改写存储的数据，并且 读、写数据的速度很快。,种类：分为静态 RAM 和动态 RAM。,应用：多用于经常更换数据的场合，最典型的应用 就是计算机中的内存。,3.顺序脉冲发生器、可编程逻辑器件等也都是比较典型、应用很广的时序电路。,特点：断电后，数据将全部丢失。,第六章 小 结,一、555 定时器,是一种多用途的集成电路。只需外接少量阻容元件便可构成各种脉冲产生、整形电路，如施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等。,双极型(TTL)电源:4.5 16 V,单极型(CMOS)电源:3 18 V带负载能力强,二、555 定时器,1.电路组成,分压器,比较器,RS 触发器,输出缓冲,晶体管开关,2.基本功能,0,UOL,饱和,2VCC/3,111,UOL,VCC/3,饱和,2VCC/3,VCC/3,不变,不变,2VCC/3,VCC/3,UOH,截止,0,1,1,0,二、多谐振荡器,是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。,多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。暂稳态间的相互转换完全靠电路本身电容的充电和放电自动完成。,改变 R、C 定时元件数值的大小，可调节振荡频率。,在振荡频率稳定度要求很高的情况下，可采用石英晶体振荡器。,三、施密特触发器,是一种脉冲整形电路，虽然不能自动产生矩形脉冲，却可将输入的周期性信号整形成所要求的同周期的矩形脉冲输出，还可用来进行幅度鉴别、构成单稳态触发器和多谐振荡器等。,施密特触发器有两个稳定状态，有两个不同的触发电平，因此具有回差特性。它的两个稳定状态是靠两个不同的电平来维持的，输出脉冲的宽度由输入信号的波形决定。此外，调节回差电压的大小，也可改变输出脉冲的宽度。,外接电压调节回差,施密特触发器可由 555 定时器构成，也可用专门的集成电路实现。,四、单稳态触发器,也属于脉冲整形电路，可将输入的触发脉冲变换为宽度和幅度都符合要求的矩形脉冲，还常用于脉冲的定时、整形、展宽（延时）等。,单稳态触发器有一个稳定状态和一个暂稳态。其输出脉冲的宽度只取决于电路本身 R、C 定时元件的数值，与输入信号无关。输入信号只起到触发电路进入暂稳态的作用。,改变 R、C 定时元件的数值可调节输出脉冲的宽度。,单稳态触发器可由 555 定时器构成，也可用集成的单稳态触发器实现。,第七章 小 结,一、D/A 转换器,1.功能：,将输入的二进制数转换成与之成正比的模拟电量。,2.种类：,权电阻网络、R-2R T 形电阻网络和 R-2R 倒 T 形电阻网络 D/A 转换器。,实现数模转换有多种方式，常用的是电阻网络 D/A 转换器，包括,其中以 R-2R 倒 T 形电阻网络 D/A 转换器为重点作了详细介绍，它的特点是速度快、性能好，适合于集成工艺制造，因而被广泛采用。,3.分辨率和转换精度：,与 D/A 转换器的位数有关，位数越多，分辨率和精度越高。,二、A/D 转换器,1.功 能：,将输入的模拟电压转换成与之成正比的二进制数。,2.转换过程：,采样、保持、量化、编码。,采样 保持电路,A/D转换器,采样-保持电路：,对输入模拟信号抽取样值，并展宽（保持）。,采样时必须满足采样定理，即 fs 2 fImax。,量化 对样值脉冲进行分级。,编码 将分级后的信号转换成二进制代码。,A/D 转换器：,二、A/D 转换器,3.种类：,直接转换型和间接转换型。,直接转换型 并联比较型（速度快、精度低）逐次渐近型（速度较快、精度较高）,间接转换型 双积分型（速度慢、精度高、抗干扰 能力强）,不论是 D/A 转换还是 A/D 转换，基准电压 VREF 都是一个很重要的应用参数，要理解基准电压的作用，尤其是在 A/D 转换中，它的值对量化误差、分辨率都有影响。,