数字电子线路第一章.ppt

电子技术基础精品课程数字电子技术基础,电子技术基础 数字部分,信息工程学院,登录电子技术教学平台：武汉理工大学网络学堂,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,课程介绍,1.课程的性质及特点,3.课程研究内容,5.参考书,4.课程的学习方法及要求,2.教学目标,前言,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,前言,1.课程的性质及特点,特点,2.教学目标,是电气信息类专业具入门性质的重要的专业基础课。,（1）,（2）非纯理论课程，实践性较强,（3）常以工程实践及试验方法处理分析数字电路的问题,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:,1)正确分析、设计数字电路，特别是集成电路的基础；,2)为进一步学习设计专用集成电路(ASIC)的基础。,发展快、应用广,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,前言,3.课程研究内容,将以器件为基础，以信号为主线，研究数字信号传输、变换、产生等各种数字电路的工作原理，特点及其性能指标。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、VerlogHDL、EDA工具软件QuartusII等,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,前言,打好基础、,关注发展、,主动更新、,注重实践,4.课程的学习方法及基本要求,a、掌握基本概念、基本电路和基本分析、设计方法,b、具有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。,（1）逻辑代数是分析和设计数字电路的重要工具，应熟练掌握。（2）重点掌握各种常用数字逻辑电路的逻辑功能、外部特性及典型应用。对其内部电路结构和工作原理不必过于深究。（3）本课程实践性很强。应重视习题、基础实验和课程设计等实践性环节。（4）注意加强查阅数字集成电路产品手册等技术资料的能力。,学好本课程之后，能够对一般性的，常用的，数字电子电路进行分析，调试，同时对简单的单元电路进行设计。,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,5.参考书,康华光.电子技术基础,数字部分,第五、四版.高教出版社,前言,阎石.数字电子技术基础,第五、四版.高等教育出版社,电子工程手册编委会中外集成电路简明速查手册-TTL、CMOS电子工业出版社,王金明,杨吉斌数字系统设计与VerliogHDL.电子工业出版社,罗杰、谭力编数字ASIC设计,有关书的习题解答等。,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,1 数制和数码,1.1 数字信号及与数字电路,1.2 数制,1.3 二进制数运算,1.4 二进制数码,1 数制和数码,基本要求：1）掌握各种进制之间的转换；2）掌握原码、反码、补码之间的关系。,作业：1.9，1.20将十进制数转换为二进制、八进制、十六进制、8421BCD码,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,-时间和数值均连续变化的电信号，如正弦波、三角波等,模拟信号,1.1 数字信号及数字电路,1.1.1 数字信号及电平,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,数字信号波形,-在时间上和数值上均是离散的信号。,数字电路和模拟电路：工作信号，研究的对象不同，分析、设计方法以及所用的数学工具也相应不同,数字信号,1.1数字电路与数字信号,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,逻辑电平与电压值及二值数字逻辑值的关系,数字电路中的输入、输出电压量通常归为2个逻辑电平值，分别定义为高电平和低电平，并用二值数字逻辑值表示。,数码0、1-表示数量时称二进制数,-表示事物状态时称二值逻辑,1.1数字电路与数字信号,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,(a)用逻辑电平描述的数字波形,(b)16位数据的图形表示,1.1.2 数字量的波形图,数字波形-是信号逻辑电平对时间的图形表示.,1.1数字电路与数字信号,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,非理想脉冲波形,实际脉冲波形及主要参数,1.1数字电路与数字信号,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,几个主要参数:,占空比Q-表示脉冲宽度占整个周期的百分比,上升时间tr 和下降时间tf-从脉冲幅值的10%到90%上升 下降所经历的时间(典型值ns),脉冲宽度(tw)-脉冲幅值的50%的两个时间所跨越的时间,周期(T)-表示两个相邻脉冲之间的时间间隔,1.1数字电路与数字信号,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,(4)时序图-表明各个数字信号时序关系的多重波形图。,由于各信号的路径不同，这些信号之间不可能严格保持同步关系。为了保证可靠工作，各信号之间通常允许一定的时差，但这些时差必须限定在规定范围内，各个信号的时序关系用时序图表达。,1.1数字电路与数字信号,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,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数字电路与数字信号,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,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数字电路与数字信号,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,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数字电路与数字信号,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,1.2.2 十进制,1.2数制,1.2.3 二进制,1.2.4 十-二进制的转换,十六进制和八进制,1.2数制,数制简介,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,一般表达式:,1.2.2 十进制,十进制采用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9十个数码，其进位的规则是“逢十进一”。,4587.29=4103+5102+8101+7100+2101+9102,系数,位权,任意进制数的一般表达式为:,各位的权都是10的幂。,1.2.1数制简介,数制:多位数码中的每一位数的构成及低位向高位进位的规则,1.2数制,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,1.2.3 二进制,二进制数的一般表达式为:,位权,系数,二进制数只有0、1两个数码，进位规律是：“逢二进一”.,1）二进制数的表示方法,各位的权都是2的幂。,1.2数制,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,（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。,2）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。,1.2.3 二进制,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,3）二进制数波形表示,1.2.3 二进制,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,（1）二进制数据的串行传输,4）二进制数据的传输,1.2.3 二进制,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,（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数制,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,1)十进制数转换成二进制数,a.整数的转换,“辗转相除”法:将十进制数连续不断地除以2,直至商为零，所得余数由低位到高位排列，即为所求二进制数.,整数部分小数部分,1.2.4 二-十进制之间的转换,1.2数制,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,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,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?,1.2.4 二-十进制之间的转换,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,解：由于27为128，而133128=5=2220，,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,1.2.4 二-十进制之间的转换,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,b.小数的转换:,对于二进制的小数部分可写成,将上式两边分别乘以2，得,由此可见，将十进制小数乘以2，所得乘积的整数即为,不难推知，将十进制小数每次除去上次所得积中的整数再乘以2，直到满足误差要求进行“四舍五入”为止，就可完成由十进制小数转换成二进制小数。,1.2.4 二-十进制之间的转换,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,解由于精度要求达到0.1%，需要精确到二进制小数10位，即1/210=1/1024。,所以,1.2.4 二-十进制之间的转换,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,十六进制数中只有0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A、B、C、D、E、F十六个数码，进位规律是“逢十六进一”。各位的权均为16的幂。,(1）十六进制,一般表达式：,例如,1.2.5 十六进制和八进制,各位的权都是16的幂。,1.2数制,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,(2）二-十六进制之间的转换,二进制转换成十六进制：,因为16进制的基数16=24，所以，可将四位二进制数表示一位16进制数，即 00001111 表示 0-F。,例(B=,将每位16进制数展开成四位二进制数，排列顺序不变即可。,例(BEEF)H=,(78AE)H,(1011 1110 1110 1111)B,十六进制转换成二进制：,例(B=,1.2.5 十六进制和八进制,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,(3）八进制,八进制数中只有0,1,2,3,4,5,6,7八个数码，进位规律是“逢八进一”。各位的权都是8的幂。,一般表达式,八进制就是以8为基数的计数体制。,1.2.5 十六进制和八进制,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,(4）二-八进制之间的转换,将每位八进制数展开成三位二进制数，排列顺序不变即可。,转换时，由小数点开始，整数部分自右向左，小数部分自左向右，三位一组，不够三位的添零补齐，则每三位二进制数表示一位八进制数。,因为八进制的基数8=23，所以，可将三位二进制数表示一位八进制数，即 000111 表示 07,例(10110.011)B=,例(752.1)O=,(26.3)O,(111 101 010.001)B,1.2.5 十六进制和八进制,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,(5)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。,1.2.5 十六进制和八进制,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,1.3.1二进制数的算术运算,1.3.2二进制数的负数表示方式,1.3二进制数运算,1.3二进制数运算,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,1）二进制加法,加法规则：0+0=0，0+1=1，1+1=10（进位 本位）。,例1.3.1 计算两个二进制数1010和0101的和。解：,1.3.1二进制数的算术运算,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,减法规则：0-0=0，1-1=0，1-0=1 0-1=11（借位 本位）,2）二进制减法,计算两个二进制数1010和0101的差。解：,1.3.1二进制数的算术运算,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,3）乘法和除法,例1.3.3 计算两个二进制数1010和0101的积。解：,1.3.1二进制数的算术运算,计算机实现方法：移位结合加法。,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,计算两个二进制数1010和111之商。解：,1.3.1二进制数的算术运算,计算机实现方法：移位结合减法（加法）。,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,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。（也可以最高位既表示符号位又表示数值大小的）,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。正数：补码、反码与原码相同。负数：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,即：正数：N补码N原码=N反码；负数：N补码2nN原码。,1.3.1二进制数的负数表示方式,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,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,采用补码运算，可以将减法运算转换成加法运算。,例如：A-B=A 原码+（2nB原码）2n=A+B补码-2n（借位C由此式决定）若A-B0，则C=0，即A原码+B补码将向高位产生进位1(2n)，即高位1-1=0，无借位;若A-B0，则C=1，即A原码+B补码不会产生进位，0-1(2n)有借位。,1.3.1二进制数的算术运算,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,2）二进制补码的减法运算,解：因为52=(5)补+(2)补-2n=0101+1110-2n=10011-10000=0011，无借位C，结果为正。（52=3）,1.3.1二进制数的算术运算,试用4位二进制补码计算52，10-11,解：因为1011=(10)补+(11)补-2n=1010+0101-2n=01111-10000=11111，有借位，结果为负。（1011=-1）,1 0 1 0+0 1 0 10 1 1 1 1,结论：A-B的借位C与A+B补码的进位位相反。,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,试用4位二进制补码计算5+7。,3）溢出,解决溢出的办法:进行位扩展.,解：因为(5+7)补=(5)补+(7)补=0101+0111=1100（-4）结果错,1.3.1二进制数的算术运算,当两个符号相同的数相加时可能产生溢出。若产生了溢出，运算结果就出错了。,0 1 0 1+0 1 1 10 1 1 0 0,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,4）溢出的判别-借助C及最高位符号位（也是数值位）,当方框中的进位位与和数的符号位（即b3位）相反时，则运算结果是错误的，产生溢出。,两个符号相同的数相加可能产生溢出。,1.3.1二进制数的算术运算,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,二进制数码的位数(n),与需要编码的事件（或信息）的个 数(N)之间应满足以下关系：,2n-1N2n,(1)二-十进制码(数值编码)(BCD码-Binary Code Decimal用二进制表示的十进制数）,用4位二进制数来表示一位十进制数中的09十个数码。,从4 位二进制数16种代码中,选择10种来表示09个数码的方案有很多种。每种方案产生一种BCD码。,码制:编制代码所要遵循的规则,1.4二进制数码,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,1)几种常用的BCD代码,自补性,余三性自补性,1.4二进制数码,余三码对应的格雷码,掌握,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,2)各种编码的特点,余码的特点:当两个十进制的和是10时，相应的二进制正好是16，于是可自动产生进位信号,而不需修正.0和9,1和8,.6和4的余码互为反码,对于求10的补码很方便。,余3码循环码：相邻的两个代码之间仅一位的状态不同。按余3码循环码组成计数器时，每次转换过程只有一个触发器翻转，译码时不会发生竞争冒险现象。,有权码：编码与所表示的十进制数之间的转换容易 如(10010000)8421BCD=(90),1.4二进制数码,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,对于有权BCD码，可以根据位权展开求得所代表的十进制数。例如：,3)求BCD代码表示的十进制数,1.4二进制数码,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,对于一个多位的十进制数，需要有与十进制位数相同的几组BCD代码来表示。例如：,4)用BCD代码表示十进制数,1.4二进制数码,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,(2)格 雷 码,格雷码是一种无权码。,编码特点：任何两个相邻代码之间仅有一位不同。,该特点常用于模拟量的转换。当模拟量发生微小变化，格雷码仅仅改变一位，这与其它码同时改变2位或更多的情况相比，更加可靠,且容易检错。,1.4二进制数码,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,(3)ASCII 码(字符编码),ASCII码即美国标准信息交换码，用7位2进制数表示。,它共有128(27)个代码，可以表示大、小写英文字母、十进制数、标点符号、运算符号、控制符号等，普遍用于计算机的键盘指令输入和数据等。,1.4二进制数码,电子技术基础精品课程数字电子技术基础,小 结,用0和1可以组成二进制数表示是数量的大小，也可以表示对立的两种逻辑状态。数字系统中常用二进制数来表示数值。在微处理器、计算机和数据通信中，采用十六进制。任意一种格式的数可以在十六进制、二进制和十进制之间相互转换。原码、反码、补码；二进制数有加、减、乘、除四种运算，加法是各种运算的基础。特殊二进制码即BCD码常用来表示十进制数。如8421码、2421码、5421码、余三码、余三码循环码。格雷码不属于BCD码,数制、数码,