第一章 数字电路基础

第一章 数字电路基础,重庆工学院电子信息与自动化学院,第六章,时序逻辑电路分析和设计,数 字 电 子 技 术,电子信息与自动化学院,第一章 数字电路基础,第一章 数字电路基础,第二章 逻辑函数及其简化,第三章 逻辑门电路,第四章 组合逻辑电路的分析与设计,第五章 触发器,第六章 时序逻辑电路,第七章 半导体存储器,第八章 脉冲波形的产生与整形,第九章 模数与数模转换电路,目 录,重庆工学院电子信息与自动化学院,第一章,数字电路基础,1.1,基本概念,1.2,数字电路,1.3,数制,1.4 BCD码,1.1,基本概念,一、模拟信号与数字信号,模拟信号,： 时间连续数值也连续的信号。如速度、压力、温度等。在时间、数值是平滑地、连续地变化。所以 模拟信号在一定范围内的任意值必须测量其大小。,缺点：很难度量； 容易受噪声的干扰； 难以保存。,模拟电路：,是工作在模拟信号下的电路。,2.,数字信号,：,在时间上和数值上均是离散的、不连续的。如电子表的秒信号，生产线上记录零件个数的记数信号等。,用二元数,0,、,1,来表示，一个,0,或一个,1,称为一比特（,Bit,），,所以对数字信号只能计数其数目多少，而不需要大小。,数字电路：,是工作在,数字,信号下的电路。,3.,脉冲信号,：,是指一种持续时间极短的电压、电流波形。（ 持续时间是与电路的暂态过渡历程持续时间相比拟。）,从广义讲：凡按非正弦规律变化的电压、电流波形都可以称为脉冲信号。脉冲信号是属于模拟信号范畴。,例如：方波、矩形波、尖脉冲、锯齿波等。,数字信号的两个状态（高低电平）是由脉冲矩形波来表示的。所以说数字电路是工作在脉冲状态下的电压或电流。,5,V,(V),0,t,(ms),10,20,30,40,50,脉冲电路：,是用来产生和处理脉冲信号的电路,。,工作在脉冲信号下的脉冲电路。,从波形上分为,工作在正弦,信号下的模拟线性放大电路。,5,V,(V),0,t,(ms),t,w,T,V,m,一个理想的周期性脉冲信号，可用以下几个参数来描绘：,V,m,信号幅度。,T,信号的重复周期。,t,W,脉冲宽度。,Q,占空比。其定义为：,图中所示为三个周期相同,(,T,=20ms),，,但幅度、脉冲宽度及占空比各不相同的数字信号。,4.,脉冲电路与数字电路的区别,研究对象,：,数字电路是输入输出序列间的逻辑关系；,脉冲电路研究波形的产生,、,变换和整形，着重分析输入输出波形的形状,、,幅度及周期。,数学工具,：,数字电路：逻辑代数（开关理论）；,脉冲电路：微分方程，拉氏变换一类的暂态分析方法。,（三要素方法）,1.3,数字电路,一、数字电路的发展,数字电路的实现经历了由电子管、半导体分立器件到,SSI,、,MSI,、,LSI,到,VLSI,的过程，数字器件经历了由通用集成电路到专用集成电路的变化过程。,随着数字集成技术和电子设计自动化（,EDA,）,技术的发展，数字系统设计的理论和方法也随之发生了很大变化和发展，传统的设计方法逐步被基于,EDA,技术的芯片设计方法所替代。设计过程的自动化程度得到很大提高，改变过去传统搭积木式的设计方式（自底向上）变成一种自项向下的设计方法,。,二、,数字电路分类,1,、按集成电路规模分类,集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目,小规模集成电路,(Small Scale IC,，,SSI),中规模集成电路,(Medium Scale IC,，,MSI),大规模集成电路,(Large Scale IC,，,LSI),超大规模集成电路,(Very Large Scale IC,，,VLSI),特大规模集成电路,(Ultra Large Scale IC,，,ULSI),巨大规模集成电路,(Gigantic Scale IC,，,GSI,）,2,、按电路结构分类,组合逻辑电路,:,组合逻辑电路没有记忆功能，其输出信号只与当时的输入信号有关，而与电路以前的状态无关。 如：门电路、编码器、译码器、比较器、数据选择器、数据分配器，加法器等。,时序逻辑电路,:,时序逻辑电路具有记忆功能，其输出信号不仅和当时的输入信号有关，而且与电路以前的状态有关。如：寄存器、计数器等,三,、数字电路的特点,极高的稳定性与可靠性；,欲提高信号处理精度，可增加信号的长度（位数）；,具有智能；,可长期存储；,功耗低。,四、数字系统的应用,1.,数字系统的设计,器件设计：完成简单逻辑功能；,功能部件设计：实现某种功能的子系统；,系统设计： 如计算机、数控机床、控制器,等。,2.,逻辑器件的设计,基本逻辑器件：,SSIC,、,MSIC,；,由软件组成的大规模和超大规模集成逻辑器件如单片机、微处理器；,专用集成电路,ASIC,和可编程逻辑器件,PLD,。,3.,应用： 例如测量电机转速的数字系统,光电转换,脉冲放大整形,门 电 路,秒,信号,发生器,计 数 器,显示译码,数码显示,1s,1.3,数 制,一、,几种常用的计数体制（位置计数法）,(1).,十进制,(Decimal),(2).,二进制,(,Binary,),(3),.,十六进制,(Hexadecimal),与八进制（,Octal,）,数制是计数进位制的简称,十进制,： 是用,0,、,1,、,2,、,3,、, 9,这十个数码按一定规律排列而成。其按位权值展开为：,数码（系数）,：,0,、,1,、,2,、,3,、, 9,这十个数字；,位权值,：,10,的幂（,10,i,），,i,为位值；以,10,为基数的数制；,加权系数,：系数 * 位权值。,十进制数值,=,各加权系数之和（位权值展开）,10,3,、,10,2,、,10,1,、,10,0,称为十进制的权。各数位的权是,10,的幂。,同样的数码在不同的数位上代表的数值不同。,任意一个十进制数都可以表示为各个数位上的数码与其对应的权的乘积之和，称,权展开式,。,即：,(5555),10,510,3,510,2,510,1,510,0,又如：,(209.04),10,210,2,010,1,910,0,010,1,4 10,2,二进制,： 是用,0,、,1,这两个数码按一定规律排列而成。其按位权值展开为：,数码（系数）,：,0,、,1,这两个数字；,位权值,：,2,的幂（,2,i,），,i,为位值；以,2,为基数的数制；,加权系数,：系数 * 位权值。按 位 权 值 展 开：,如：,(101.01),2,12,2,02,1,12,0,02,1,1 2,2,(5.25),10,各数位的权是的幂,八进制和十六进制,八进制：,0,、,1,、,2,、, 7,这八个数码，位权值为,8,i,；,十六进制：,0,、,1,、,2,、, 9,、,A,、,B,、,C,、,D,、,E,、,F,这,十六个数码，位权值为,16,i,。,二、,不同数制之间的相互转换,1,将,R,进制转换成十进制,只要将,R,进制按位权值展开，再按十进制运算规则计算。,例,将二进制数,10011.101,转换成十进制数。,解：,将每一位二进制数乘以位权，然后相加，,可得,(10011.101),B,1,2,4,0,2,3,0,2,2,1,2,1,1,2,0,1,2,1,0,2,2,1,2,3,（,19.625),D,例,：,(207.04),8,28,2,08,1,78,0,08,1,4 8,2,(135.0625),10,例,：,(D8.A),16,1316,1,816,0,10 16,1,(216.625),10,2,将十进制转换成,R,进制,将十进制数分为,:,(,整数,),10,和,(,小数,),10,两部分。然后分别进行：,(,整数,),10,(,整数,),2,(,小数,),10,(,小数,),2,(,整数,小数,),2,(,整数,)10,(,整数,)2,：,采用逐次除以基数,R,取余数的方法（倒除法）,(,小数,)10,(,小数,)2,：,采用将,小数部分,逐次乘以,R,取乘积整数部分。,例,将十进制数,23,转换成二进制数。,解： 用“除,2,取余”法转换,:,则（,23),D,=,（,10111),B,3,十六进制 二进制 八进制,二进制 十六进制,以小数点为起点向左（整数）和向右（小数）将,4,位二进制数分为一组，对应于,1,位十六进制数。反之成立。,二进制 八进制,以小数点为起点向左（整数）和向右（小数）将,3,位二进制数分为一组，对应于,1,位八进制数。反之成立。,例,：,(1100101110.0110101),B,= ( 32E . 6A ),H,= ( 1456 . 324 ),O,1 1 1 0 1 0 1 0 0 . 0 1 1,(,0 0 0,0,),2,(1D4.6),16,= (1010 1111 0100 . 0111 0110),(AF4.76),16,4,二进制算术运算,加法运算,减法运算,乘法运算,除法运算,1001,+ 0101,1110,1001,- 0101,0100,1001, 0101,1001,0000,1001,0000,101101,11001,0101,）,1001,0101,1000,0101,0110,0101,001000,0101,011,1.4,二,十进制码（,BCD,码）,一、,编码： 用若干文字字符十字符号表示特定对象的过程，叫编码。,代码：,利用数码（数字符号）来作为某一特定信,息的代号。,二进制码：,用二进制数码中,0,、,1,来作为代码的符号。（用二进制数中,0,、,1,这两个数字符号来表示特定对象的代号。）,注：二进制码不一定表示二进制数（大小）。,BCD,码：,用二进制代码（,0,、,1,）来表示十进制的,0,9,这十个数。,要用二进制代码来表示十进制的,0,9,十个数，至少要用,4,位二进制数,。,4,位二进制数有,16,种组合，可从这,16,种组合中选择,10,种组合分别来表示十进制的,0,9,十个数。 所以共有,2.9*10,10,种方案，这就形成了不同的,BCD,码。,二、,二,十进制码（,BCD,码）,有权,BCD,码：如：,8421,码、,2421,码、,5121,码,无权,BCD,码：如：余,3,码、,格雷码,位权,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,十进制数,8 4 2 1,0 0 0 0,0 0 0 1,0 0 1 0,0 0 1 1,0 1 0 0,0 1 0 1,0 1 1 0,0 1 1 1,1 0 0 0,1 0 0 1,8421码,2 4 2 1,0 0 0 0,0 0 0 1,0 0 1 0,0 0 1 1,0 1 0 0,1 0 1 1,1 1 0 0,1 1 0 1,1 1 1 0,1 1 1 1,2421码,0 0 1 1,0 1 0 0,0 1 0 1,0 1 1 0,0 1 1 1,1 0 0 0,1 0 0 1,1 0 1 0,1 0 1 1,11 0 0,0 0 0 0,0 0 0 1,0 0 1 0,0 0 1 1,0 1 0 0,1 0 0 0,1 0 0 1,1 0 1 0,1 0 1 1,11 0 0,5 4 2 1,5421码,无权,余3码,常用,BCD,码,用,BCD,码表示十进制数,例如,( 863 ),10,=,（,1000 0110 0011,）,8421BCD,（,1110 1100 0011),2421BCD,