【合工大】数电第一章课件

【合工大】数电第一章课程名称：数字电路与逻辑设计课程名称：数字电路与逻辑设计学分学分/学时：学时：52+16开课学期：秋季开课学期：秋季先修课程：高等数学、模拟电路先修课程：高等数学、模拟电路后续课程：单片机与接口技术、嵌入式系统、后续课程：单片机与接口技术、嵌入式系统、计算机组成原理、计算机体系结构、计算机组成原理、计算机体系结构、数字信号处理技术数字信号处理技术课程简要介绍数字电路与逻辑设计是计算机科学与技术类各专业必修的一门重要专业技术基础课程，也是信息学科各专业的平台课程。2n本课程在学科体系中的位置课程简要介绍专业课公共基础课电类专业基础课电信类专业基础课3第1章 数制与码制第2章 逻辑函数及其化简第3章 集成逻辑门电路第4章 组合逻辑电路第5章 触发器第6章 时序逻辑电路第7章 半导体存储器第8章 可编程逻辑器件第9章 脉冲波形的产生和整形第10章 数模和模数转换器课程简要介绍l课程基本内容4数字电路基本逻辑关系课程简要介绍5l学习方法 2、数字电子技术比模拟电子技术好学。应该抓住数字 电路的特点，掌握逻辑分析及综合思维方法。3、重视习题。4、重视实验课。实验是培养动手能力，同时有助于 理论的深化，希望大家加强重视。1、数字电子技术是一门全新的课程，任何同学只要认真地 下点功夫就一定能学好。课程简要介绍6l设置本课程的目的：使学生了解组成数字计算机和其它数字系统的各种使学生了解组成数字计算机和其它数字系统的各种基本逻辑电路；基本逻辑电路；能熟练地运用有关知识和理论对各类逻辑电路进行能熟练地运用有关知识和理论对各类逻辑电路进行分析；分析；能针对客观提出的各种设计要求，综合运用多种方能针对客观提出的各种设计要求，综合运用多种方法和技术完成逻辑部件的设计与验证。法和技术完成逻辑部件的设计与验证。使学生真正掌握对数字系统硬件进行分析、设计和使学生真正掌握对数字系统硬件进行分析、设计和开发的基本技能，为信息学科培养高素质人才奠定开发的基本技能，为信息学科培养高素质人才奠定扎实宽厚的学科基础。扎实宽厚的学科基础。课程简要介绍7l参考书目 1.1.数字系统原理与应用（英文版数字系统原理与应用（英文版第第1010版）（美）托茨版）（美）托茨（Tocci,R.J.Tocci,R.J.）等）等 机械工业出版社机械工业出版社 2.2.Digital Design Principles and Practices（美）（美）JOHNJOHN 3.3.电子技术基础（数字部分电子技术基础（数字部分-第第5 5版），华中理工大学电子学版），华中理工大学电子学教研室，康华光等编著，高等教育出版社。教研室，康华光等编著，高等教育出版社。4.4.数字设计和计算机体系结构数字设计和计算机体系结构 （英文版（英文版第第5 5版）（美）哈版）（美）哈里斯（里斯（HarrisHarris）机械工业出版社）机械工业出版社课程简要介绍8课程简要介绍联系方式：联系方式：合肥工业大学合肥工业大学 计算机与信息学院计算机与信息学院 科技楼科技楼618618室室徐徐 娟：娟：1386679606713866796067 课时安排l l授课：授课：5252学时学时l l实验实验：1616学时，学时，4 4个实验个实验 成绩构成平时考勤平时考勤/作业：作业：2 20%0%平时实验：平时实验：20%20%期末考试：期末考试：60%60%91.数制与码制1.1 数字电路与数字信号1.2 数制1.3 数制转换1.4 编码1.1.1数字技术的发展及其应用1.1.2数字信号的描述方法1.1.3数字电路的特点101.1.1数字技术的发展及其应用1.1数字信号与数字电路数字电子技术是依托集成电路技术的发展而快速发展的。经历了电子管时代、晶体管时代和集成电路时代。19041904年发明电真空器件（电子管）电子管时代。19481948年发明半导体器件晶体管时代。2020世纪6060年代制造出集成电路集成电路时代 发展特点:以电子器件的发展为基础111、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1.1.1数字技术的发展及其应用122、晶体管时代电流控制器件半导体技术半导体二极管、三极管器件1.1.1数字技术的发展及其应用133、半导体集成电路1.1.1数字技术的发展及其应用14数字电子技术的应用广泛，很多原来使用模拟电子技术的领域开始过渡到采用数字电子技术。主要领域有广播电视、通信、医学诊断、测量、控制、消费类电子等。数码相机平板电脑电视机智能手机双向寻呼机机顶盒MP3PDA数码摄像机1.1.1数字技术的发展及其应用15MP31.1.1数字技术的发展及其应用16-时间和数值均连续变化的电信号，如正弦波、三角波等 uOt Otu1.1.模拟信号模拟信号电信号：随时间变化的电压和电流工作在模拟信号下的电路为工作在模拟信号下的电路为模拟电路模拟电路。1.1.2 数字信号的描述方法172、数字信号 在时间上和数值上均是离散的信号。只有两种状态，用只有两种状态，用“1 1”和和“0 0”表示。表示。数字电路和模拟电路：工作信号，研究的对象不同，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分析、设计方法以及所用的数学工具也相应不同工作在数字信号下的电路为工作在数字信号下的电路为数字电路数字电路。1.1.2 数字信号的描述方法183、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。0 0 模拟信号 模数转换器 3 V 数字输出 0 0 0 0 1 1 模数转换的实现1.1.2 数字信号的描述方法19电压(V)二值逻辑电 平+51H(高电平)00L(低电平)逻辑电平与电压值的关系（正逻辑！）1.1.2 数字信号的描述方法4、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数量时称二进制数表示方式二值数字逻辑 -表示事物状态时称二值逻辑表示事物状态时称二值逻辑负逻辑？205、数字波形数字波形-是信号逻辑电平对时间的图形表示.1.1.3 数字信号的描述方法高电平低电平有脉冲无脉冲*非归零型*归零型(1)数字波形的两种类型:21(2)周期性和非周期性 非周期性数字波形周期性数字波形 1.1.3 数字信号的描述方法22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 tr脉冲宽度 tw 0.5V 4.5V 2.5V 幅值=5.0V 0.0V 5.0V tf0.5V 2.5V 4.5V 1.1.3 数字信号的描述方法(3)(3)实际脉冲波形及主要参数实际脉冲波形及主要参数23(4)(4)时序图时序图-表明各个数字信号时序关系的多重波形图。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。1.1.3 数字信号的描述方法24数字电路的特点（与模拟电路比）2)容易设计,便于大规模集成：晶体管工作开关状态3)信息处理能力强：与计算机连接方便4)便于存储：数字存储器5)精度高，容易保持：增加二进制位数，传输与处理过程精度不会降低6)功耗低：元件处于开关状态，降低静态功耗 1)稳定性好,抗干扰能力强：判断高低电平1.1.3 数字电路的特点251.1 数字电路与数字信号1.2 数制1.3 数制转换1.4 编码1.1.1数字技术的发展及其应用1.1.2数字信号的描述方法1.1.3数字电路的特点26一般表达式:l 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27二进制数的一般表达式为:例如：1+1=10=121+020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”.l 二进制各位的权都是2的幂。1.2数制28v 有十六个数码有十六个数码:0:0、1 1、9 9、A A、B B、C C、D D、E E、F F。v 计数规律是计数规律是“逢十六进一逢十六进一”。v 十六进制是以十六进制是以十六十六为基数的计数体制。为基数的计数体制。v 十六进制的位权十六进制的位权：16 163 3 16 162 2 16161 1 16 160 0v 十六进制数的表达式十六进制数的表达式：式中：式中：K Ki i为基数为基数“1616”的第的第i i次幂的系数。次幂的系数。l 十六进制1.2数制29十进制数十进制数二进制二进制八进制八进制十六进制十六进制00000000000000000 001010001000101011 102020010001002022 203030011001103033 304040100010004044 405050101010105055 506060110011006066 607070111011107077 708081000100010108 809091001100111119 91010101010101212A A1111101110111313B B1212110011001414C C1313110111011515D D1414111011101616E E1515111111111717F F不同进制数的对照表1.2数制301.1 数字电路与数字信号1.2 数制1.3 数制转换1.4 编码1.1.1数字技术的发展及其应用1.1.2数字信号的描述方法1.1.3数字电路的特点31v R进制转换成十进制按位权展开v 十进制转换成R进制整数部分除R取余倒记法小数部分乘R取整顺记法注意（1）当乘积超过1时，下一步再乘仍然按整数部分为零零记；（2）有些数的乘积小数部分始终不为0，按要求达到一定精度一定精度即可。1.3 数制转换v 二十六进制的相互转换二进制的4位作为十六进制的1位，不够凑零32一、二一、二十转换十转换例：例：1.3 数制转换33二、十二转换整数部分整数部分:例：例：1.3 数制转换34除基取余法二、十二转换小数部分小数部分:例例:1.3 数制转换乘基取整法35二、十二转换1.3 数制转换例例1 1:十进制十进制 19.65 19.65转换成二进制数，小数部分取转换成二进制数，小数部分取4 4位有效数字位有效数字例例2 2：将十进制数：将十进制数0.390.39转换成转换成二进制数，要求精度达到转换成转换成二进制数，要求精度达到0 0。1%1%三、二十六转换例：将例：将(01011110.10110010)2(01011110.10110010)2化为十六进制化为十六进制四、十六二转换例：将例：将(8FAC6)16(8FAC6)16化为二进制化为二进制1.3 数制转换将二进制数由小数点开始，整数部分向左，小数部分向右，每4位分成一组，不够4位补零，则每组二进制数便是一位十六进制数。37五、八进制数与二进制数的转换例：将例：将(011110.010111)2(011110.010111)2化为八进制化为八进制例：将(52.43)8化为二进制1.3 数制转换38六、十六进制数与十进制数的转换十六进制转换为十进制十进制转换为十六进制：通过二进制转化1.3 数制转换39十六进制的优点：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 数制转换401.数制与码制1.1 数字电路与数字信号1.2 数制1.3 数制转换1.4 编码1.4.1二-十进制码1.4.2格雷码1.4.3 ASCII码41二进制代码的位数(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：2n-1N2n1.二十进制码进制码(数值编码)(BCD码-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。1.4.1二-十进制码v 数字系统中的信息可分为两类：一类是数值，另一类是二进制码。v 用一定位数的二进制数码来表示文字符号，称“代码”。v 建立这种代码与十进制数值、字母、符号的一一对应关系称为“编码”。42 编码规定：用四位二进编码规定：用四位二进制数制数b b3 3b b2 2b b1 1b b0 0来表示十进来表示十进制数中的制数中的0-90-9十个数码。十个数码。使用了使用了4 4位二进制数组合位二进制数组合中的中的0000-10010000-1001，而其余，而其余的的1010-1111 1010-1111 的的6 6种组合种组合无效。无效。v8421BCD码111111101101110010111010910018100070111601105010140100300112001010001000008421码码代代 码码 对对 应应 的的 十十 进进 制制 数数b3b2b1b0232221201.4.1二-十进制码自然权码43v 余3码由由84218421码加码加3 3（00110011）后得到，是后得到，是“无权码无权码”。有利于有利于简化运算器的结构。简化运算器的结构。11111110110191100810117101061001510004011130110201011010000011001000010000余余3码码代代 码码 对对 应应 的的 十十 进进 制制 数数b3b2b1b0232221201.4.1二-十进制码44v 2421 码与与8421 BCD8421 BCD码的不同在于码的不同在于b b3 3位的权是位的权是2 2不是不是8 8。911118111071101611005101110101001100001110110010140100300112001010001000002421码码代代 码码 对对 应应 的的 十十 进进 制制 数数b3b2b1b0232221201.4.1二-十进制码恒权码5 56 67 745BCD码十码十进制数码进制数码8421码码2421 码码5421 码码余余3码码余余3循环循环码码0000000000000001100100010100010001000101000110011020010001000100101011101113001100110011011001010101401000100010001110100010050101101110001000110011006011011001001100111011101701111101101010101111111181000111010111011111011109100111111100110010101010几种常用的BCD代码1.4.1二-十进制码46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：不能省略！不能省略！(3)用BCD代码表示十进制数1.4.1二-十进制码47【例例】将将173173转换成三位余转换成三位余3BCD3BCD码码解：（解：（1 17 73 3）各位加各位加3 3（4 410106 6）（010001001010101001100110）故故（173173）1010（010010100110010010100110）余余3BCD3BCD1.4.1二-十进制码48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：BCD8421 0111()D 7=11214180+=()D BCD2421 7112041211101=+=(4)求BCD代码表示的十进制数1.4.1二-十进制码49各种各种BCDBCD码之间可以互相转换，任意进制数与码之间可以互相转换，任意进制数与BCDBCD码之间也可以互相转换。在这类转换过程中，一般码之间也可以互相转换。在这类转换过程中，一般须以十进制数作为过渡状态。须以十进制数作为过渡状态。【例例】（100100110101100100110101）8421BCD8421BCD（）（）余余余余3 3BCDBCD解：解：（100100110101100100110101）8421BCD8421BCD（935935）1010（935935）1010 （110011000110011010001000）余余3BCD3BCD（5）BCD码的转换1.4.1二-十进制码1.4.2 格 雷 码无权码，循环码二进制码二进制码b3b2b1b0格雷码格雷码G3G2G1G000000001001000110100010101100111100010011010101111001101111011110000000100110010011001110101010011001101111111101010101110011000 编码特点：1.任何两个相邻代码之间仅有一位不同。2.首尾格雷码之间也只相差一位二进制数码。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。降低电路中的误码率。降低电路中的误码率。最右边：0110右边第二位：00 1111 00右边第三位：0000 1111 1111 000051 1.4.3 ASCII 码(字符编码)ASCII码即美国标准信息交换码,美国国家标准化协会制定。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。国际标准化组织（ISO）选定为国际通用代码。521.4.4 二进制原码、反码和补码v 原码表示法 用附加的符号位表示数的正负，符号位加在最高位之前(最左侧）。用“0”表示正数，用“1”表示负数。v 反码表示法 符号位表示与原码相同。正数的反码数值与原码相同，负数的反码数值是原码数值按位求反。v 补码表示法 正数：原码、反码、补码相同。负数：符号位不变，数值部分“求反加1”。如如 +5=+5=（0 01010 0101）-5=5=（1 10111 1011）注意：绝大多数机器数的表示采用补码表示法。象C语言中整数在计算机中就是以其补码的形式存储的。53v原原码的加减运算码的加减运算n n算法：算法：算法：算法：n n符号同，加运算，取共同符号；符号同，加运算，取共同符号；符号同，加运算，取共同符号；符号同，加运算，取共同符号；n n符号异，比较大小，大值减小值，结果取大值符号。符号异，比较大小，大值减小值，结果取大值符号。符号异，比较大小，大值减小值，结果取大值符号。符号异，比较大小，大值减小值，结果取大值符号。例：例：例：例：NN1 1=-0.0011 N=-0.0011 N2 2=0.1011=0.1011 N N1 1+N+N2 2(符号异符号异符号异符号异)NN1 1-N-N2 2(符号同符号同符号同符号同)真值真值 N N原码原码 NN+0.1000+0.10000.10000.1000-0.1110-0.11101.11101.11101.4.4 二进制原码、反码和补码10-5=510+712=5（舍弃进位）7+5=12 产生进位的模7是-5对模数12的补码 1.4.4 二进制原码、反码和补码v补码的运算1011101101110111=0100=0100 （11-7=411-7=4）10111011+1001+1001=1 10100 0100=0100=0100（舍弃进位）（舍弃进位）（11+911+916=416=4）0111+1001=20111+1001=24 410011001是是 -0111-0111对对模模2 24 4（1616）的补码的补码1.4.4 二进制原码、反码和补码v补码的运算v补码的运算补码的运算n n算法：算法：算法：算法：n nNN1 1+N+N2 2 补补=N=N1 1 补补NN2 2 补补n nNN1 1-N-N2 2 补补=N=N1 1 补补-N-N2 2 补补n nNN补补补补=N N 即：补码的加、减运算都可以转换成加法运即：补码的加、减运算都可以转换成加法运即：补码的加、减运算都可以转换成加法运即：补码的加、减运算都可以转换成加法运算，运算时符号位参加运算算，运算时符号位参加运算算，运算时符号位参加运算算，运算时符号位参加运算。符号位符号位符号位符号位进位丢弃，结果为负数再取补码。进位丢弃，结果为负数再取补码。进位丢弃，结果为负数再取补码。进位丢弃，结果为负数再取补码。1.4.4 二进制原码、反码和补码v补码运算例：例：例：例：NN1 1=-0.1100 =-0.1100 NN2 2=-0.0010=-0.0010 N N1 1 补补=1.0100 =1.0100 NN2 2 补补=1.1110=1.1110 -N -N2 2 补补=0.0010=0.0010取补：取补：1.11101.1110取补：取补：1.10101.1010丢弃丢弃1真值真值 ：-0.1110-0.1110真值真值 ：-0.1010-0.10101.4.4 二进制原码、反码和补码N1+N2补N1-N2补N1补N2补N1补-N2补N1+N2N1-N2例：用二进制补码运算求出（1001）2-（0101）21.4.4 二进制原码、反码和补码10010101-01000100111011+00100补码补码舍去159l二进制算术运算的特点二进制算术运算的特点 算术运算：1：和十进制算数运算的规则相同 2：逢二进一 特点：加、减、乘、除 全部可以用移位和相加这两种操作实现。简化了电路结构结构所以数字电路中普遍采用二进制算数运算1.4.4 二进制原码、反码和补码60小 结l 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。l 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。l 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、格雷码等。61