数字电路实用教案.ppt

主要要求：,了解数字电路的特点和分类。,了解脉冲波形的主要参数。,1.1概述,传递、处理模拟 信号的电子电路,传递、处理数字 信号的电子电路,数字电路中典型信号波形,一、数字电路与数字信号,二、数字电路特点,将晶体管、电阻、电容等元器件用导线在线路板上连接起来的电路。,将上述元器件和导线通过半导体制造工艺做在一块硅片上而成为一个不可分割的整体电路。,根据电路结构不同分,分立元件电路,集 成 电 路,根据半导体的导电类型不同分,双极型数字集成电路,单极型数字集成电路,以双极型晶体管作为基本器件,以单极型晶体管作为基本器件,例如 CMOS,例如 TTL、ECL,三、数字电路的分类,根据集成密度不同分,Um,tr,tf,T,tw,脉 冲 幅 度 Um： 脉冲上升时间 tr： 脉冲下降时间 tf： 脉 冲 宽 度 tw ： 脉 冲 周 期 T ： 脉 冲 频 率 f ： 占 空 比 q ：,脉冲电压变化的最大值,脉冲波形从 0.1Um 上升到 0.9Um 所需的时间,脉冲上升沿 0.5Um 到下降沿 0.5Um 所需的时间,脉冲波形从 0.9Um 下降到 0.1Um 所需的时间,周期脉冲中相邻两个波形重复出现所需的时间,1 秒内脉冲出现的次数 f = 1/T,脉冲宽度 tw 与脉冲周期 T 的比值 q = tw/T,四、脉冲波形的主要参数,主要要求：,理解逻辑值 1 和 0 的含义。,2.1 概 述,理解逻辑体制的含义。,一、逻辑代数,逻辑代数中的 1 和 0 不表示数量大小，仅表示两种相反的状态。,注意,例如：开关闭合为 1 晶体管导通为 1 电位高为 1 断开为 0 截止为 0 低为 0,主要要求：,掌握逻辑代数的常用运算。,理解并初步掌握逻辑函数的建立和表示的方法。,2.2 逻辑函数及其表示方法,掌握真值表、逻辑式和逻辑图的特点及其相 互转换的方法。,一、基本逻辑函数及运算,1. 与逻辑,决定某一事件的所有条件都具备时，该事件才发生,逻辑表达式 Y = A B 或 Y = AB,与门 (AND gate),若有 0 出 0；若全 1 出 1,开关 A 或 B 闭合或两者都闭合时，灯 Y 才亮。,2. 或逻辑,决定某一事件的诸条件中，只要有一个或一个以上具备时，该事件就发生。,若有 1 出 1 若全 0 出 0,逻辑表达式 Y = A + B,或门 (OR gate),1,3. 非逻辑,决定某一事件的条件满足时，事件不发生；反之事件发生。,1,非门(NOT gate) 又称“反相器”,二、常用复合逻辑运算,由基本逻辑运算组合而成,若相异出 1 若相同出 0,若相同出 1 若相异出 0,注意：异或和同或互为反函数，即,例 试对应输入信号波形分别画出下图各电路的输出波形。,解：,Y1,0 1 1 0 0 1 1 0,0 0 1 1 0 0 1 1,Y2,Y3,三、逻辑符号对照,概述,第 4 章 集成触发器,触发器的基本形式,无空翻触发器,触发器的应用,本章小结,主要要求：,了解触发器的基本特性和作用。,了解触发器的类型和逻辑功能的描述方法。,4.1 概述,一、触发器的基本特性和作用,Flip - Flop，简写为 FF，又称双稳态触发器。,一个触发器可存储 1 位二进制数码,触发器的作用,触发器有记忆功能，由它构成的电路在某时刻的输 出不仅取决于该时刻的输入，还与电路原来状态有关。 而门电路无记忆功能，由它构成的电路在某时刻的输 出完全取决于该时刻的输入，与电路原来状态无关；,触发器和门电路是构成数字电路的基本单元。,二、触发器的类型,根据逻辑功能不同分为,根据触发方式不同分为,根据电路结构不同分为,三、触发器逻辑功能的描述方法,主要有特性表、特性方程、驱动表 (又称激励表)、状态转换图和波形图 (又称时序图)等。,主要要求：,掌握与非门结构基本 RS 触发器的电路、逻辑 功能和工作特点。,了解同步触发器的结构、工作特点和存在问题。,4.2 触发器的基本形式,掌握触发器的 0 态、1 态、置 0、置 1、触发方 式、现态、次态和空翻等概念。,了解触发器逻辑功能的描述方法。,掌握 RS 触发器、D 触发器、JK 触发 器的逻辑功能及其特性方程。,一、基本 RS 触发器,(一)由与非门组成的基本 RS 触发器,1. 电路结构及逻辑符号,置0端，也称复位端。 R 即 Reset,置1端，也称置位端。 S 即 Set,Basic Flip - Flop,工作原理,2. 工作原理及逻辑功能,0,1,1,1 1,0,触发器被置 0,2. 工作原理及逻辑功能,1,0,0,1 1,1,触发器被置 1,2. 工作原理及逻辑功能,G1 门输出,G2 门输出,2. 工作原理及逻辑功能,特性表,3. 逻辑功能的特性表描述,基本 RS 触发器工作原理动画演示,与非门组成的基本 RS 触发器特性表,注意,(二)基本 RS 触发器的两种形式,二、同步触发器,Synchronous Flip - Flop,实际工作中，触发器的工作状态不仅要由触发输入 信号决定，而且要求按照一定的节拍工作。为此，需要 增加一个时钟控制端 CP。,CP 即 Clock Pulse，它是一串周期和脉宽一定的矩形脉冲。,具有时钟脉冲控制的触发器称为时钟触发器， 又称钟控触发器。,同步触发器是其中最简单的一种，而基本 RS 触发器称异步触发器。,(一)同步 RS 触发器,(一)同步 RS 触发器,工作原理, CP = 0 时，G3、G4 被封锁，输入信号 R、S 不起作用。基本 RS 触发 器的输入均为 1，触发器 状态保持不变。, CP = 1 时，G3、G4 解除封锁，将输入信号 R 和 S 取非后送至基本 RS 触发器的输入端。,1. 电路结构与工作原理,RS功能,R、S 信号高电平有效,2. 逻辑功能与逻辑符号,(二)同步 D 触发器,(二)同步 D 触发器,1. 电路结构、逻辑符号和逻辑功能,D,同步 D 触发器功能表,称为 D 功能,特点：Qn+1 跟随 D 信号,(三)同步 JK 触发器,(三)同步 JK 触发器,功能表,电路结构,称为 JK 功能，即 JK = 00 时保持； JK = 11 时翻转； J K 时 Qn+1 值与 J 相同。,不变,Qn,置 0,0,翻转,置 1,1,0,(四)同步触发器的特点,同步触发器的触发方式为电平触发式,同步触发器的共同缺点是存在空翻,主要要求：,了解无空翻触发器的类型，掌握其工作特点。,能根据触发器符号识别其逻辑功能和触发方式， 并进行波形分析。,4.3 无空翻触发器,Master - Slave Flip - Flop,Edge - Triggered Flip - Flop,一、无空翻触发器的类型和工作特点,工作特点：CP = 1 期间，主触发器接收输入信号；CP = 0 期间，主触发器保持 CP 下降沿之前状态不变，而从触发器接受主触发器状态。因此，主从触发器的状态只能在 CP 下降沿时刻翻转。 这种触发方式称为主从触发式。,工作特点：只能在 CP 上升沿(或下降沿)时刻接收输入信号，因此，电路状态只能在 CP 上升沿(或下降沿)时刻翻转。 这种触发方式称为边沿触发式。,主从触发器和边沿触发器有何异同？,只能在 CP 边沿时刻翻转，因此都克服了 空翻，可靠性和抗干扰能力强，应用范围广。,相 同 处,电路结构和工作原理不同，因此电路功能 不同。为保证电路正常工作，要求主从 JK 触 发器的 J 和 K 信号在 CP = 1 期间保持不变；而 边沿触发器没有这种限制，其功能较完善，因 此应用更广。,相 异 处,单击此处将跳过刚才讲过的主从RS触发器内容,给主从触发器提供反相的时钟信号，使它们在不同的时段交替工作。,主从 RS 触发器电路、符号和工作原理,表示时钟触发沿为下降沿,Q = Q从,主从 RS 触发器工作原理, CP = 1 期间，主触发器接受输入信号，从触发器被封锁，使主从 RS 触发器状态保持不变。,BACK,Q = Q从,无空翻触发器的学习重点是根据逻辑符号识别其功能，理解其应用。下面介绍常用无空翻触发器的符号及其应用注意事项。,二、常用无空翻触发器及其符号,主从触发器,边沿触发器,具有异步端的 边沿 JK 触发器,触发器五种逻辑功能的比较,无约束， 但功能少,无约束， 且功能强,令 J = K = T 即可,令J = K = 1 即可,触发器的逻辑功能是指触发器的次态与现态及输入信号之间的逻辑关系。其描述方法主要有特性表、特性方程、驱动表、状态转换图和波形图(又称时序图)等。, 触发器根据逻辑功能不同分为,第 5 章脉冲信号的产生与整形,概述,555 定时器及其应用,本章小结,主要要求：,了解脉冲信号产生与整形的方法。,了解多谐振荡器的常用电路及其工作原理。,5.1 概 述,了解施密特触发器和单稳态触发器的逻辑 功能、工作特点和典型应用。,常用的有施密特触发器和单稳态触发器。,一、脉冲信号产生与整形的方法,获取脉冲信号的方法,脉冲信号产生与整形电路的实现,是一种多用途集成电路，只要外接少量阻容元件就可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等，使用方便、灵活，应用广泛。,施密特触发器,主要用以将缓慢变化或快速变化的非矩形脉冲变换成陡峭的矩形脉冲。,单稳态触发器,主要用以将宽度不符合要求的脉冲变换成符合要求的矩形脉冲。,555 定时器简介,555 定时器是一种结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。它电源电压范围宽(双极型 555 定时器为 5 16 V，CMOS 555 定时器为 3 18 V)，可提供与 TTL 及 CMOS 数字电路兼容的接口电平，还可输出一定功率，驱动微电机、指示灯、扬声器等。 TTL 单定时器型号的最后 3 位数字为 555，双定时器的为 556；CMOS 单定时器的最后 4 位数为 7555，双定时器的为 7556。,一、555 定时器的工作原理和逻辑功能,555 定时器的电路结构与符号,集电极开路输出端,构成电阻分压器，为比较器 C1、C2 提供两个参考电压，UR1 = 2/3VCC，UR2 = 1/3VCC。,输出缓冲器OUT = Q,构成基本 RS 触发器，决定电路输出。,555 定时器的工作原理与逻辑功能,定时器 5G555 的功能表,定时器 5G555 的功能表,555 定时器的工作原理与逻辑功能,555 定时器的工作原理与逻辑功能,定时器 5G555 的功能表,555 定时器的工作原理与逻辑功能,定时器 5G555 的功能表,简化功能表,使用要点,通常不用 CO 端，为了提高电路工作稳定性，将其通过 0.01 F 电容接地。,二、用 555 定时器组成施密特触发器,电压传输特性为反相输出的滞回特性,UT+ = 2/3 VCC UT- = 1/3 VCC UT = UT+ - UT- = 1/3 VCC,例 试对应输入波形画出下图中输出波形。,+12V,解：,UT+ = 2/3 VCC = 8 V,UT- = 1/3 VCC = 4 V,因此可画出输出波形为,电路构成反相输出的施密特触发器,三、用555 定时器组成单稳态触发器,(一)电路结构,R、C 为定时元件,(二)工作原理、工作波形与参数估算,1. 稳定状态,接通电源后 VCC 经 R 向 C 充电，使 uC 上升。,该电路触发信号为负脉冲，不加触发信号时，uI = UIH (应 1/3 VCC)。,工作原理,导通,2. 触发进入暂稳态,(二)工作原理、工作波形与参数估算,3. 自动返回稳定状态,(二)工作原理、工作波形与参数估算,2. 触发进入暂稳态,这时 uI 必须已恢复为高电平,例 用上述单稳态电路输出定时时间为1 s 的正脉冲，R = 27 k，试确定定时元件 C 的取值。,(二)工作原理、工作波形与参数估算,输出脉冲宽度 tW 即为暂稳态维持时间，主要取决于充放电元件 R、C。,该单稳态触发器为不可重复触发器，且要求输入脉宽 tWI 小于输出脉宽 tWO 。,解：,因为 tWO 1.1 RC,故 可取标称值 33 F。,估算公式 tWO 1.1 RC,四、用 555 定时器组成多谐振荡器,(一)电路结构,(二)工作原理、工作波形与周期估算,UOH,工作原理,(二)工作原理、工作波形与周期估算,UOL,工作原理,(二)工作原理、工作波形与周期估算,工作原理,(二)工作原理、工作波形与周期估算,电容 C 如此循环充电和放电，使电路产生振荡，输出矩形脉冲。,周期与占空比估算,tWH 0.7 (R1 + R2)C tWL 0.7 R2C T = tWH + tWL 0.7 (R1 + 2R2)C,例 指出右图中控制扬声器鸣响与否和调节音调高低的分别是哪个电位器？若原来无声，如何调节才能鸣响？欲提高音调，又该如何调节？,解：,R1、R2、RP1 和 C 共同构成定时元件，因此调节 RP1 可调节音调高低。,欲提高音调，则应减小 RP1 ，因此触头应下移。,RP2,RP1,施密特触发器和单稳态触发器是两种常用的整形电路，可将输入的周期信号整形成符合要求的同周期矩形脉冲。,施密特触发器具有回差特性，它有两个稳态状态，有两个不同的触发电平。,施密特触发器可将任意波形变换成矩形脉冲，输出脉冲宽度取决于输入信号的波形和回差电压的大小。施密特触发器还可用来进 行幅度鉴别、构成单稳态触发器和多谐振荡 器等。实用中，常选用集成施密特触发器 或 采用555 定时器构成施密特触发器。,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，与输入信号没有关系。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，因此，常 用于脉冲的定时、整形和展宽等。,实用中，常选用集成单稳态触发器 或 采用 555 定时器构成单稳态触发器。,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。,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。因此，多谐振荡器接通电 源后就能输出周期性的矩形脉冲。改变 R、C 定时元件数值的大小，可调节振荡频率。,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施密特触发器、单稳态 触发器和多谐振荡器等。此外，它还可组成其 它多种实用电路。由于 555 定时器使用方便、 灵活，有较强的负载能力和较高的触发灵敏度， 因此，在自动控制、仪器仪表、家用电器等许 多领域都有着广泛的应用。,除 555 单定时器外，还有双定时器 556、 四定时器 558 等。,单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器的电路符号为,555 定时器构成的施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器典型电路为,