数字电路的基础知识ppt课件.ppt

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1、（2-1）,数字电路的基础知识,数字信号和模拟信号,电子电路中的信号,模拟信号,数字信号,时间连续的信号,时间和幅度都是离散的,（2-2）,模拟信号：,u,正弦波信号,锯齿波信号,u,（2-3）,研究模拟信号时，我们注重电路输入、输出信号间的大小、相位关系。相应的电子电路就是模拟电路，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。,（2-4）,数字信号：,数字信号,产品数量的统计。,数字表盘的读数。,数字电路信号：,（2-5）,研究数字电路时注重电路输出、输入间的逻辑关系，因此不能采用模拟电路的分析方法。主要的工具是逻辑代数，电路的功能用真值表、逻辑表达式及

2、波形图表示。,在数字电路中，三极管工作在开关状态，即工作在饱和和截止状态。,（2-6）,第二章 门电路和组合逻辑电路, 2.1 概述, 2.2 分离元件门电路, 2.3 TTL集成门电路, 2.4 MOS门电路,2.5 逻辑代数,2.6 组合逻辑电路分析,2.7 利用小规模集成电路设计组合电路2.8 几种常用的中规模组件,（2-7）, 2.1 概述,在数字电路中，门电路是最基本的逻辑元件。门电路的输入信号于输出信号之间存在一定的逻辑关系，所以门电路又称逻辑门电路。门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相对应，门电路主要有：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。,在数字电路中，门电路

3、的输入输出信号都是用电位（电平）的高低来表示。一般用高电平代表1、低点平代表0，即所谓的正逻辑系统。,（2-8）,只要能判断高低电平即可,K开-Vo=1, 输出高电平K合-Vo=0, 输出低电平,可用三极管代替,（2-9）,三极管的开关特性（截止区饱和区）：,截止,饱和,（2-10）, 2.2 分离元件门电路,一、二极管与门,（2-11）,“与”逻辑,A、B、C都具备时，事件F才发生。,逻辑符号,（2-12）,F=ABC,逻辑式,真值表,（2-13）,二、二极管或门,（2-14）,“或”逻辑,A、B、C只有一个具备时，事件F就发生。,逻辑符号,（2-15）,F=A+B+C,逻辑式,真值表,（2

4、-16）,三、三极管非门,嵌位二极管,（2-17）,“非”逻辑,A具备时 ，事件F不发生；A不具备时，事件F发生。,逻辑符号,（2-18）,逻辑式,真值表,（2-19）,与非门,（2-20）,几种常用的逻辑关系逻辑,“与”、“或”、“非”是三种基本的逻辑关系，任何其它的逻辑关系都可以以它们为基础表示。,与非：条件A、B、C都具备，则F 不发生。,（2-21）,或非：条件A、B、C任一具备，则F 发生。,异或：条件A、B有一个具备，另一个不具备则F 发生。,（2-22）,分离元件门电路缺点,1、体积大、工作不可靠。,2、需要不同电源。,3、各种门的输入、输出电平不匹配。,（2-23）, 2.3

5、TTL集成门电路,一、TTL与非门的基本原理,与分离元件电路相比，集成电路具有体积小、可靠性高、速度快的特点，而且输入、输出电平匹配，所以早已广泛采用。根据电路内部的结构，可分为DTL、TTL、HTL、MOS管集成门电路。,（2-24）,TTL与非门的内部结构,（2-25）,1、任一输入为低电平（0.3V）时,1V,不足以让T2、T5导通,（2-26）,1、任一输入为低电平（0.3V）时,1V,uo=5-uR2-ube3-ube43.6V高电平！,（2-27）,2、输入全为高电平（3.4V）时,电位被嵌在2.1V,全反偏,1V,（2-28）,2、输入全为高电平（3.4V）时,全反偏,uF=0.

6、3V,此电路,（2-29）,1、电压传输特性,二、 TTL与非门的特性和技术参数,测试电路,（2-30）,UOL,(0.3V),传输特性曲线,UOL,(0.3V),阈值UT=1.4V,理想的传输特性,输出高电平,输出低电平,（2-31）,（1）输出高电平UOH、输出低电平UOL,UOH2.4V UOL 0.4V 便认为合格。,典型值UOH=3.4V UOL 0.3V 。,(2) 阈值电压UT,uiUT时，认为ui是低电平。,uiUT时，认为ui是高电平。,UT=1.4V,（2-32）,2、输入、输出负载特性,（1）前后级之间电流的联系,（2-33）,前级输出为 高电平时,前级,后级,流出前级电

7、流IOH（拉电流）,（2-34）,前级输出为 低电平时,前级,后级,流入前级的电流IOL 约 1.4mA (灌电流),（2-35）,关于电流的技术参数,（2-36）,（2）扇出系数:,与非门电路输出驱动同类门的个数,前级输出为高电平时,例如：,（2-37）,前级,前级输出为 低电平时,（2-38）,输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）：,输出高电平时，流出前级的电流（拉电流）：,与非门的扇出系数一般是10。,（2-39）,1、悬空的输入端相当于接高电平。,2、为了防止干扰，可将悬空的输入端接高电平。,说明,（2-40）,（3）平均传输时间,tpd1,tpd2,平均传输时间,（2-41）,三、

8、 其它类型的TTL门电路（三态门）,E-控制端,（2-42）,（2-43）,（2-44）,符号,功能表,（2-45）,符号,功能表,（2-46）,三态门主要作为TTL电路与总线间的接口电路,用途：,E1、E2、E3分时接入高电平,（2-47）, 2.4 MOS门电路,半导体集成门电路按导电类型分为： 双极型（TTL)(双极型晶体管） MOS型（绝缘栅场效应管）（单极型晶体管）MOS型：优点： 制造工艺简单、集成度高、功耗低、抗 干扰能力强，便于向大规模集成电路发展。缺点：工作速度较低。,（2-48）,一、场效应晶体管,场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。,结型场

9、效应管JFET,绝缘栅型场效应管MOS,场效应管有两种:,（2-49）,1、 绝缘栅场效应管:,（1）结构和电路符号,P型基底,两个N区,SiO2绝缘层,（2-50）,金属铝,导电沟道,N沟道增强型,（2-51）,P沟道增强型,（2-52）,P沟道耗尽型,予埋了导电沟道,（2-53）,（2）MOS管的工作原理,以N沟道增强型为例,（2-54）,UGS=0时,对应截止区,（2-55）,UGS0时,感应出电子,VT称为阈值电压,（2-56）,UGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大此电阻越小。,（2-57）,当UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。,当UDS较大时，靠近

10、D区的导电沟道变窄。,（2-58）,UDS增加，UGS=VT时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。,（2-59）,（3）增强型N沟道MOS管的特性曲线,转移特性曲线,（2-60）,输出特性曲线,UGS0,（2-61）,二、 NMOS门电路1、NMOS“非”门电路,ui=“1”,ui=“0”,（2-62）,实际结构,？,等效结构,（2-63）,2、”与非”门电路,A,Y,UCC,B,（2-64）,2、”或非”门电路,A,Y,UCC,B,（2-65）,三、 CMOS反相器（互补对称）,（2-66）,ui=0,u=“”,1、“非”门电路,（2-67）,ui=,u=“”,（2-68）,2、“与非”门电

11、路（略）3、“或非”门电路（略）,（2-69）,三、CMOS电路的优点,、静态功耗小。,、允许电源电压范围宽（318V）。,3、扇出系数大，抗噪容限大。,（2-70）,2.5 逻辑代数,一、逻辑代数运算法则,在数字电路中，我们要研究的是电路的输入输出之间的逻辑关系，所以数字电路又称逻辑电路，相应的研究工具是逻辑代数（布尔代数）。,在逻辑代数中，逻辑函数的变量只能取两个值（二值变量），即0和1，中间值没有意义，这里的0和1只表示两个对立的逻辑状态，如电位的低高（0表示低电位，1表示高电位）、开关的开合等。,（2-71）,1、几种基本的逻辑运算,从三种基本的逻辑关系，我们可以得到以下逻辑运算：,0

12、 0=0 1=1 0=0,1 1=1,0+0=0,0+1=1+0=1+1=1,（2-72）,2、逻辑代数的基本定律,（1）基本运算规则,A+0=A A+1=1 A 0 =0 A=0 A 1=A,（2-73）,（2）基本代数规律,交换律,结合律,分配律,A+B=B+A,A B=B A,A+(B+C)=(A+B)+C=(A+C)+B,A (B C)=(A B) C,A(B+C)=A B+A C,A+B C=(A+B)(A+C),（2-74）,（3）吸收规则,a. 原变量的吸收：,A+AB=A,证明：,A+AB=A(1+B)=A1=A,利用运算规则可以对逻辑式进行化简。,例如：,（2-75）,b.反

13、变量的吸收：,证明：,例如：,（2-76）,c.混合变量的吸收：,证明：,例如：,（2-77）,(4) 反演定理：,可以用列真值表的方法证明：,（2-78）,二、 逻辑函数的表示法,1、真值表：将输入、输出的所有可能状态一一对应地列出。,（2-79）,请注意,n个变量可以有2n个组合，一般按二进制的顺序，输出与输入状态一一对应，列出所有可能的状态。,（2-80）,2、逻辑函数式,把逻辑函数的输入、输出关系写成与、或、非等逻辑运算的组合式，即逻辑代数式，称为逻辑函数式，我们通常采用“与或”的形式。,比如：,若表达式中的乘积包含了所有变量的原变量或反变量，则这一项称为最小项，上式中每一项都是最小项

14、。,若两个最小项只有一个变量以原、反区别，称它们逻辑相邻。,（2-81）,逻辑相邻的项可以合并，消去一个因子,（2-82）,3、卡诺图：,将n个输入变量的全部最小项用小方块阵列图表示，并且将逻辑相临的最小项放在相临的几何位置上，所得到的阵列图就是n变量的卡诺图。,卡诺图的每一个方块（最小项）代表一种输入组合，并且把对应的输入组合注明在阵列图的上方和左方。,（2-83）,两变量卡诺图,三变量卡诺图,（2-84）,四变量卡诺图,（2-85）,有时为了方便，用二进制对应的十进制表示单元编号。,F( A , B , C )=( 1 , 2 , 4 , 7 ),1,2,4,7单元取1，其它取0,（2-8

15、6）,（2-87）,4、逻辑图：,把相应的逻辑关系用逻辑符号和连线表示出来。,F=AB+CD,（2-88）,三、逻辑函数的化简,1、利用逻辑代数的基本公式：,例：,（2-89）,例：,反演,（2-90）,？,AB=AC,A+B=A+C,请注意与普通代数的区别！,（2-91）,2、利用卡诺图化简：,（2-92）,AB,（2-93）,F=AB+BC,化简过程：,（2-94）,利用卡诺图化简的规则：,（1）相临单元的个数是2N个，并组成矩形时，可以合并。,（2-95）,（2-96）,（2）先找面积尽量大的组合进行化简，可以减少每项的因子数。,（3）各最小项可以重复使用。,（4）注意利用无所谓状态，可

16、以使结果大大简化。,（5）所有的1都被圈过后，化简结束。,（6）化简后的逻辑式是各化简项的逻辑和(“与或”式）。,（2-97）,例：化简,F(A,B,C,D)=(0,2,3,5,6,8,9,10,11, 12,13,14,15),（2-98）,例：化简,（2-99）,例：已知真值表如图，用卡诺图化简。,（2-100）,化简时可以将无所谓状态当作1或0，目的是得到最简结果。,F=A,（2-101）,2.6 组合逻辑电路分析,1、由给定的逻辑图写出逻辑关系表达式。,分析步骤：,2、用逻辑代数或卡诺图对逻辑代数进行化简。,3、列出输入输出状态表并得出结论。,电路 结构,输入输出之间的逻辑关系,（2-

17、102）,例：分析下图的逻辑功能。,（2-103）,真值表,相同为“1”不同为“0”,同或门,（2-104）,例：分析下图的逻辑功能。,（2-105）,真值表,相同为“0”不同为“1”,异或门,（2-106）,例：分析下图的逻辑功能。,0,1,被封锁,1,1,（2-107）,1,0,被封锁,1,选通电路,（2-108）,2.7 组合逻辑电路设计,任务要求,最简单的逻辑电路,1、指定实际问题的逻辑含义，列出真值表 (状态表）。,分析步骤：,2、写出逻辑式并用逻辑代数或卡诺图对逻辑式进行化简。,3、画出逻辑图。,（2-109）,例：设计三人表决电路（A、B、C）。每人一个按键，如果同意则按下，不同

18、意则不按。结果用指示灯表示，多数同意时指示灯亮，否则不亮。,1、首先指明逻辑符号取“0”、“1”的含义。三个按键A、B、C按下时为“1”，不按时为“0”。输出是F，多数赞成时是“1”，否则是“0”。,2、根据题意列出逻辑状态表。,（2-110）,逻辑状态表,3、画出卡诺图：,（2-111）,用卡诺图化简,（2-112）,4、根据逻辑表达式画出逻辑图。,（2-113）,若用与非门实现,（2-114）,2.8 几种常用的组合逻辑组件 常用的组合部件的种类很多，如加法器、译码器、编码器、数据选择器、比较器、奇偶发生器及校验器等。它们应用很广泛，都由中规模集成产品。一、加法器（它是计算机系统的基本部件

19、之一）,举例：A=1101, B=1001, 计算A+B,0,1,1,0,1,0,0,1,1,（2-115）,加法运算的基本规则：,（1）逢二进一。,（2）最低位是两个数最低位的叠加，不需考虑进位。,（3）其余各位都是三个数相加，包括加数、被加数和低位来的进位。,（4）任何位相加都产生两个结果：本位和、向高位的进位。,（2-116）,（1）半加器：,半加运算不考虑从低位来的进位,A-加数；B-被加数；S-本位和；C-进位。,真值表,（2-117）,真值表,（2-118）,逻辑图,逻辑符号,（2-119）,（2）全加器：,多位数相加时，半加器可用于最低为求和，并给出进位数。第二位的相加还要考虑前

20、面低位的进位数。an-加数；bn-被加数；cn-1-低位的进位；sn-本位和；cn-进位。,逻辑状态表见下页,（2-120）,1,n,n,n,n,n,n,c,),b,a,b,a,(,c,),b,a,b,a,(,s,n,n,N-1,n,n,-,+,+,+,=,（2-121）,1,n,n,n,n,n,n,c,),b,a,b,a,(,c,),b,a,b,a,(,s,n,n,N-1,n,n,-,+,+,+,=,半加和：,所以：,（2-122）,全加器的和是半加器S与前级进位Cn-1的异或逻辑，因此可用两个半加器组成一个全加器。 用半加器1先得出半加和S，再将S与低位进位Cn-1输入半加器2，半加器2的

21、本位和输出即为全加和Sn。 另外把两个半加器的进位输出用一个或门进行或运算，即得到全加进位信号Cn。,（2-123）,逻辑图,逻辑符号,（2-124）,全加器SN74LS183的管脚图,（2-125）,应用举例：用一片SN74LS183构成两位串行进位全加器。,串行进位,（2-126）,其它组件：,SN74H83-四位串行进位全加器。,SN74283-四位超前进位全加器。,（2-127）,二、 编码器,所谓编码就是赋予选定的一系列二进制代码以固定的含义。,n个二进制代码（n位二进制数）有2n种不同的组合，可以表示2n个信号。,（1）二进制编码器,将一系列信号状态编制成二进制代码。,（2-128

22、）,例：用与非门组成三位二进制编码器,-八线-三线编码器,设八个输入端为I1I8，八种状态，与之对应的输出设为F1、F2、F3，共三位二进制数。,设计编码器的过程与设计一般的组合逻辑电路相同，首先要列出状态表，然后写出逻辑表达式并进行化简，最后画出逻辑图。,（2-129）,真值表,（2-130）,8-3译码器逻辑图,（2-131）,（2）二-十进制编码器,将十个状态（对应于十进制的十个代码）编制成BCD码（二-十进制码）。输入是09十个数字，输出的是对应的二进制代码。,十个输入,四位,输入：I0 I9,输出：F4 F1,这种编码器通常称为10/4线编码器。 列出状态表如下：,（2-132）,状

23、态表,（2-133）,逻辑图略,（2-134）,（3）优先编码器 若多个输入端同时有信号的情况如何处理呢？（比如：计算机系统的中断请求） 要求主机能自动识别这些请求信号的优先级别，按次序进行编码。即优先编码器。 例如：10/4线优先编码器的编码过程：输入信号（I1-I9)的优先次序为：I9-I1。,（2-135）,三、译码器,译码是编码的逆过程，即将某二进制翻译成电路的某种状态。,（1）二进制译码器,将n种输入的组合译成2n种电路状态。也叫n-2n线译码器。,译码器的输入：,一组二进制代码,译码器的输出：,一组高低电平信号,（2-136）,例如： 3/8译码器译码过程 ：输入为一组三位二进制，

24、译成对应的八个输出信号。a.列出译码器的状态表 设ABC每个输出代表一种组合。b.由状态表写出逻辑式c.由逻辑式画出逻辑图,（2-137）,2-4线译码器74LS139的内部线路,（2-138）,74LS139的功能表,“”表示低电平有效。,（2-139）,74LS139管脚图,一片139种含两个2-4译码器,（2-140）,例：利用线译码器分时将采样数据送入计算机。,（2-141）,工作原理：（以A0A1=00为例）,脱离总线, 中国最大的资料库下载,（2-142）,（2）显示译码器,二-十进制编码,显示译码器,显示器件,在数字系统中，常常需要将运算结果用人们习惯的十进制显示出来，这就要用到

25、显示译码器。,（2-143）,常用的显示器件有： 半导体数码管、液晶数码管和荧光数码管。半导体数码管（LED)： PN结（按分段式封装而成） 工作电压：1.53.0V 工作电流：几毫安到几十毫安,（2-144）,显示器件：,常用的是七段显示器件,（2-145）,显示器件：,常用的是七段显示器件,a,b,c,d,f,g,a b c d e f g,1 1 1 1 1 1 0,0 1 1 0 0 0 0,1 1 0 1 1 0 1,e,（2-146）,显示译码器：,74LS49的管脚图,（2-147）,功能表（简表）,8421码,译码,显示字型,完整的功能表请参考相应的参考书。,（2-148）,74LS49与七段显示器件的连接：,74LS49是集电极开路，必须接上拉电阻,（2-149）,本章小结：1、掌握与门、非门、与非门和异或门的逻辑功能，了解TTL与非门及其电压传输特性和主要参数，了解CMOS门电路的特点，了解三态门的概念。2、掌握逻辑代数的基本运算法则和应用逻辑代数分析和设计简单的组合逻辑电路。3、了解加法器、8421编码器和二进制译码器的工作原理，了解七段LED显示译码驱动器的功能。,