数字电路第一章第一节.ppt

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1、数字电子技术基础,江苏科技大学电子信息学院2013年春,主讲：魏雪云,课程介绍,1.课程的性质,3.课程研究内容,5.教材和参考书,4.课程特点与学习方法,2.教学目标,序言,数字电子技术基础课程是电气信息类专业具入门性质的重要的专业基础课。,1.课程性质,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:,2.课程目标,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。,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

2、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、仿真的软件工具EWB、Multisim、Protel、ABEL、VHDL、VerlogHDL、EDA工具软件Max Plus II、Quartus II等,3.课程研究内容,a、发展快,b、应用广,(2)学习方法,打好基础、,关注发展、,主动更新、,注重实践,(1)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,4.课程特点与学习方法,a、掌握基本概念、基本电路和基本分析、设计方法,b、能独立的应用所学的知识去分析和解决数字电路的

3、实际问题的能力。,关于学习方法,抓住重点。重点应放在掌握基本概念、基本分析方法和设计方法以及常用电子器件的使用方法上。对于各种数字电子器件,重点放在其外特性及其应用上,而不是器件本身的设计和制造工艺。重视实践。应学会用实验的方法组装、测试和调整电子电路。注意培养自学能力。课本上属于扩展知识面的内容,需要学生自己阅读。按时完成作业，做好复习和预习。准备好笔记本和作业本。,阎 石主编数字电子技术基础第四版高等教育出版社,蔡惟铮主编基础电子技术 集成电子技术 高等教育出版社,电子工程手册编委会等编中外集成电路简明速查手册-TTL、CMOS电子工业出版社,5.主要参考书,李哲英主编电子技术及其应用基础

4、基础 高等教育出版社,王金明,杨吉斌编数字系统设计与VerliogHDL 电子工业出版社,罗杰、谭力编数字ASIC设计讲义,郑家龙、王小海主编集成电子技术基础教程 高等教育出版社,二极管、三极管、场效应管,电子技术,放大（线性区）,开关（非线性区）,模拟电路,数字电路,连续变化的信号,离散的数字信号,计算机,传感器,A/D,D/A,构 成,状 态,现场,数字电路的发展与分类,电子管电路 晶体管电路 半导体分离器件电路 集成电路其中集成电路按规模分为：小、中、大、超大、甚大规模的集成电路,数字电路,组合逻辑电路,时序逻辑电路,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

5、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,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,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,晶体管时代,电流控制器件 半导体技术,半导体集成电路,集成电路发展历史,（1）Small Scale IC（SSI）小规模 I

6、C 1965年 规模：10个门/片电路以下 主要产品：门电路 触发器（Flip Flop）,（2）Medium Scale IC（MSI）中规模 IC 1970年 规模：10100个门/片 主要产品：逻辑功能部件 4位ALU（8位寄存器）,集成电路发展历史,（3）Large Scale IC（LSI）大规模 IC 1976年 规模：1001000个门/片 主要产品：规模更大的功能部件，存储器，8位CPU,（4）Very large Scale IC（VLSI）超大规模 IC 80年代初 规模：1000个门以上，多个子系统集成,集成电路发展历史,（5）Ultra large Scale IC（U

7、LSI）甚大规模IC（微处理器等）每隔18个月，集成度翻一翻 价格1/2 品种多 性能高,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,数码相机,计算机,数字技术的应用,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,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: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

8、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。,电路设计方法伴随器件变化从传统走向现代,a)传统的设计方法：,b)现代的设计方法：,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,VerlogHDL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,第一章 数字逻辑基础,1.1 数字电路与数字信号,1.2

9、数制,1.3 二进制数的算术运算,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）掌握模拟信号和数字信号、数字逻辑基本概念；（2）了解数制以及它们之间的相互转换，了解8421BCD码以及格雷码的表示方法；（3）掌握与、或、非的基本逻辑运算；掌握从逻辑问题的描述中建立起逻辑函数。,教学基本要求,数字逻辑概论,-时间和幅值均连续变化的电信号，如正弦波、三角波等,1.模拟信号,模拟信号与数字信号,2、数字信号-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,3、模拟信号的数字表示,

10、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,1、二值数字逻辑和逻辑电平,a、在电路中用低、高电平表示0、1两种逻辑状态,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,(a)用逻辑电平描述的数字波形,(b)16位数据的图形表示,2、数字波形,数字波形-是信号逻辑电平对时间的图形表示.,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,(1)数字波形的两种类型:,(2)周期性和非周期性,非周期性数字波形,周期性数字波形,脉冲宽度,脉冲周期T,例 某通信系统每秒钟传输1544000位(1.544

11、兆位)数据，求每位数据的时间。,解：按题意，每位数据的时间为,数据率或比特率：每秒种所传输数据的位数。,例 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。,非理想脉冲波形,(3)实际脉冲波形及主要参数,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,(4)时序图-表明各个数字信号时序关系的多重

12、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。,十进制,1.2数制,1.2.2 二进制,1.2.3 二-十进制之间的转换,十六进制和八进制,一般表达式:,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数制,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,二进制,

13、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）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。,3、二进制数波形表示,（1）二进制数据的串行传输,4、二进制数据的传输,（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)、十进制数转换成二进制数：,a.整数的转换:,“辗转相除

14、”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,1.2.3 二-十进制之间的转换,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 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,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

15、，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。,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,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,1.2.4 十六进制和八进制,各位的权都是16的幂。,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，

16、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=,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。,八进制就是以8为基数的计数体制。,一般表达式,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

17、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,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。,1.3二进制的算术运算,无符号二进制数的算术运算,有符号二进制数的算

18、术运算,1.3二进制的算术运算,1、二进制加法,无符号二进制的加法规则：0+0=0，0+1=1，1+1=10。,例1.3.1 计算两个二进制数1010和0101的和。解：,无符号数算术运算,无符号二进制数的减法规则：0-0=0，1-1=0，1-0=1 0-1=11,2二进制减法,例1.3.2 计算两个二进制数1010和0101的差。解：,3、乘法和除法,例1.3.3 计算两个二进制数1010和0101的积。解：,例1.3.4 计算两个二进制数1010和111之商。解：,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

19、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(反码)，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 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,注意：被加数补码与加数补码的位数应相等。,练习：求-9的补码，计算(5-

20、9),例1.3.8 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.溢出的判别,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。,如何判断是否产生溢出？,两个符号相反的数相加不会产生溢出，但两个符号相同的数相加有可能产生溢出。,1.4二进制代码,1.4.1 二-十进制码,1.4.2 格雷码,1.4.3 ASCII码,1.4二进制代码,二进制代码的位数(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：,N2n,1.二十进制码(数值编码)(BCD码-

21、Binary Code Decimal）,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）几种常用的BCD代码,二-十进制码,（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,.4和5的余码互为反码,这对在求对于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

22、权码：编码与所表示的十进制数之间的转换容易 如(10010000)8421BCD=(90),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,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,1.4.2 格 雷 码,格雷码是一种无权码。,编码特点是：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。,1.4.3 ASCII 码(字符编码),ASCII码即美国标准信息交换码。

23、,它共有128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。,Americal Standard Code for Information Interchange,1.5 基本逻辑运算,*逻辑运算:当0和1表示逻辑状态时，两个二进制数码按照某种特定的因果关系进行的运算。逻辑运算使用的数学工具是逻辑代数。,逻辑运算的描述方式:逻辑代数表达式、真值表、逻辑图、卡诺图、波形图和硬件描述语言（HDL)等。,*逻辑代数与普通代数:与普通代数不同,逻辑代数中的变量只有0和1两个可取值，它们分别用来表示两个完全对立的逻辑状态。,在逻辑代数中

24、，有与、或、非三种基本的逻辑运算。,与运算,(1)与逻辑:只有当决定某一事件的条件全部具备时，这一事件才会发生。这种因果关系称为与逻辑关系。,与逻辑举例,逻辑表达式,与逻辑：L=A=AB,与运算,、或运算,只要在决定某一事件的各种条件中，有一个或几个条件具备时，这一事件就会发生。这种因果关系称为或逻辑关系。,或逻辑举例,逻辑表达式,或逻辑：L=A+,、或运算,3.非运算,事件发生的条件具备时，事件不会发生；事件发生的条件不具备时，事件发生。这种因果关系称为非逻辑关系。,非逻辑符号,逻辑表达式,3.非运算,4.几种常用复合逻辑运算,1)与非运算,2)或非运算,3)异或逻辑,若两个输入变量的值相异

25、，输出为1，否则为0。,异或逻辑表达式,4)同或运算,若两个输入变量的值相同，输出为1，否则为0。,同或逻辑表达式,1.6逻辑函数的建立及其表示方法,逻辑表达式:由逻辑变量和与、或、非等运算符连接起来所构成的式子。逻辑表达式中，等式右边的字母A,B,C,D等称为输入逻辑变量，等式左边的字母Y称为输出逻辑变量，字母上面没有非运算符的叫做原变量，有非运算符的叫做反变量。,逻辑函数：如果对应于输入逻辑函数A,B,C,的每一组确定值，输出逻辑变量Y就有唯一确定的值，则称Y是A,B,C,的逻辑函数。记为Y=f（A,B,C,）,逻辑函数相等的概念：设有两个逻辑函数Y1=f（A,B,C,）和 Y2=g（A,

26、B,C,），它们的变量都是A,B,C,如果对应于变量A,B,C,的任何一组变量取值，Y1和Y2的值都相同，则称Y1和Y2是相等的，记为Y1=Y2。,*两个逻辑函数相等 两个函数的真值表完全相同,1.6逻辑函数的建立及其表示方法,楼道灯开关示意图,1.真值表表示,逻辑抽象，列出真值表,2、逻辑函数表达式表示。,由真值表写出输出变量的逻辑表达式的方法：先将输出Y=1相对应的一组输入（A,B,C,）的组合状态以逻辑与的形式表示（输入变量中凡取1值的用原变量表示，取0值的用反变量表示），再将所有Y=1的逻辑与相加，即可得到Y的表达式。,例：已知某逻辑函数的真值表，试写出对应的逻辑函数表达式。,用与、或

27、、非等逻辑符号表示逻辑函数中各变量之间的逻辑关系所得到的图形称为逻辑图。,3.逻辑图表示方法,将逻辑函数式中所有的与、或、非运算符号用相应的逻辑符号代替，并按照逻辑运算的先后次序将这些逻辑符号连接起来，就得到图电路所对应的逻辑图,4.波形图表示方法,用输入端在不同逻辑信号作用下所对应的输出信号的波形图，表示电路的逻辑关系。,小 结,用0和1可以组成二进制数表示数量的大小，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。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、格雷码等。与、或、非是逻辑运算中的三种基本运算。数字逻辑是计算机的基础。逻辑函数的描述方法有真值表、逻辑函数表达式、逻辑图、波形图和卡诺图等。,复习1：,1.基本逻辑运算、逻辑门符号、逻辑函数表达式？,本章习题：,P36-1.1.1;1.1.4;,