数字电子技术第一章课件

1 数字逻辑概论,1.1.1,数字技术的发展及其应用,1.1.2,数字集成电路的分类及特点,1.1.3,模拟信号与数字信号,1.1.4,数字信号的描述方法,1.1,数字电路与数字信号,1.1.1,数字技术的发展及其应用,80,年代后,-,ULSI,，,ASIC,制作技术成熟,目前,-,芯片内部的布线细微到亚微米,(0.130.09,m),量级,微处理器的时钟频率高达,3GHz,（,10,9,Hz,）,90,年代后,-,97,年一片集成电路上有,40,亿个晶体管。,6070,代,IC,技术迅速发展：,SSI,、,MSI,、,LSI,、,VLSI,。,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,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,半导体二极管,电流控制器件，半导体技术,晶体管时代,半导体三极管,电流控制器件，半导体技术,半导体集成电路,电路设计方法,a),传统的设计方法：,b),现代的设计方法：,采用自下而上的设计方法；由人工组装,经反复调试,、,验证,、修改完成,。所用的元器件较多，电路可靠性差,设计周期长。,现代,EDA,技术实现硬件设计软件化。采用从上到下设计方法，电路设计,、 分析、仿真 、修订全通过计算机完成,。,电路设计方法伴随器件变化从传统走向现代,E,lectronics,D,esign,A,utomation,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。,EDA,技术,（,E,lect,ronics,D,esign,A,utomation,),1,、,EDA,设计：,原理图设计,(,E,lectrnics,W,ork,B,ench,),VerilogHDL,语言设计,状态机设计,设计方法,在计算机上利用软件平台进行设计,3,、下载,2,、仿真,4,、验证结果,实验板,下载线,数码相机,智能仪器,计算机,数字技术,的应用,1,、数字,集成,电路的分类,1.1.2,、数字集成电路的分类及特点,数字电路,组合逻辑电路,时序逻辑电路,按电路的结构特点及对输入信号的响应规则,数字电路,集成电路,分立电路,按电路的形式,-,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。,数字电路,TTL,电路,CMOS,电路,按器件不同,按集成度不同,可编程逻辑器件、多功能专用集成电路,10,6,以上,甚大规模,大型存储器、微处理器,10,00099,999,超大规模,小型存储器、门阵列,1009999,大规模,计数器、加法器,1299,中规模,逻辑门、触发器,最多,12,个,小规模,典型集成电路,门的个数,分类,集成度,:,每一芯片所包含的门个数,2,、数字集成电路的特点,（自学）,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,根据电路确定,电路输出与输入之间的逻辑关系，说明电路实现的逻辑功能。,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,卡诺图、,波形图,。,(2),数字电路的设计方法,从给定的逻辑功能要求出发，选择适当的,逻辑器件，设计出符合要求的逻辑电路,。,传统的设计方法,设计方法,基于,EDA,软件的设计方法,时间和数值均连续变化的电信号,u,O,t,O,t,u,1.,模拟信号,1.1.3,模拟信号与数字信号,正弦波信号,三角波信号,数字信号波形,时间和数值上均是离散的信号,2.,数字信号,3,、模拟信号的数字表示,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,.,模拟信号,模数转换器,3V,数字输出,00000011,A/D,转换器,采样保持,量化编码,模拟信号,数字信号,模拟电路与数字电路的区别,1,、工作任务不同：,模拟电路研究的是输出与输入信号之间的大小、相位、失真等方面的关系；,数字电路主要研究的是输出与输入间的逻辑关系,（因果关系）。,模拟电路中的三极管工作在线性放大区,是一个放大元件；,数字电路中的三极管工作在饱和或截止状态,起开关作用,。,因此，基本单元电路、分析方法及研究的范围均不同。,2,、三极管的工作状态不同：,模拟电路研究的问题,基本电路元件,:,基本模拟电路,:,晶体三极管,场效应管,集成运算放大器,信号放大及运算,(,信号放大、功率放大）,信号处理（采样保持、电压比较、有源滤波）,信号发生（正弦波发生器、三角波发生器、,）,数字电路研究的问题,基本电路元件,基本数字电路,逻辑门电路,触发器,组合逻辑电路,时序逻辑电路（寄存器、计数器、脉冲发生器、脉冲整形电路）,A/D,转换器、,D/A,转换器,1.1.4,数字信号的描述方法,1,、,二值数字逻辑和逻辑电平,二值（,0,、,1,）数字逻辑,0,、,1,数码,-,表示数量时称二进制数,0,、,1,逻辑,-,表示事物状态时称二值逻辑,电压,(V),二值逻辑,电 平,+5,1,H,(,高电平,),0,0,L,(,低电平,),逻辑电平与电压值的关系（正逻辑）,a,、,在电路中用低、高电平表示,表示方式,2,、数字波形,是信号逻辑电平对,时间的图形表示。,逻辑电平描述,的数字波形,16,位数据的图形表示,高电平,低电平,有脉冲,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,:,非归零型,归零型,非周期性数字波形,周期性数字波形,例,1.1.1,某通信系统每秒钟传输,1 544 000,位,(1.544,兆位,),数据，求每位数据的时间。,解：,按题意，每位数据的时间为,例,1.1.2,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,t,w,=6ms,，,周期,T,=6ms+10ms=16ms,。,(2),实际脉冲波形及主要参数,非理想脉冲波形,上升时间,T,r,（,ns,）,脉冲宽度,t,w,下降时间,t,f,（,ns,）,主要参数,周期,(T),脉冲宽度,t,w,占空比,Q,上升时间,t,r,下降时间,t,f,(3),时序图,表明各个数字信号时序关系的多重波形图。,END,1.2.1,十进制,1.2,数 制,1.2.2,二进制,1.2.3,二,-,十进制之间的转换,1.2.4,十六进制和八进制,多位数码中的每一位数的构成及低位向高位进位的规则,1.2.1,十进制,数 码,进位的规则,0, 1, 2, 3, 4,5, 6, 7, 8, 9,“逢十进一”,4587.29=4,10,3,+5,10,2,+8,10,1,+7,10,0,+2,10,1,+9,10,2,系数,位权,1.2.2,二进制,数 码,进位的规则,0, 1,“逢二进一”,例如：,1+1=10,= 12,1,+ 02,0,系数,位权,各位的权都是,2,的幂,二进制的优点,二进制数字装置所用元件少,电路简单、可靠,易于电路实现,基本运算规则简单,运算操作方便,二进制数波形表示,（,1,）二进制数据的串行传输,（,2,）二进制数据的并行传输,1.2.3,二,-,十进制之间的转换,二进制,十进制,整数部分除以,2,取余法，直到商为零为止,小数部分乘以,2,取整法，直到满足精度为止,十进制,二进制,所以：,(44.375),D,(101100.011),B,解要精确到二进制小数,10,位，,1/2,10,=1/1024,。,例,将,(0.39),D,转换成二进制数,精度达到,0.1%,。,0.392 = 0.78,b,-1,= 0,0.782 = 1.56,b,-2,= 1,0.562 = 1.12,b,-3,= 1,0.122 = 0.24,b,-4,= 0,0.242 = 0.48,b,-5,= 0,0.482 = 0.96,b,-6,= 0,0.962 = 1.92,b,-7,= 1,0.922 = 1.84,b,-8,= 1,0.842 = 1.68,b,-9,= 1,0.682 = 1.36,b,-10,= 1,1.2.4,十六进制和八进制,数 码,进位的规则,各位的权都是,16,的幂,0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,8, 9,A,B,C,D,E,F,“逢十六进一”,十六进制,十六进制,二进制,=,（,1010 1111 0100 . 0111 0110,）,B,(AF4.76),H,1 1 1 0 1 0 1 0 0 . 0 1 1,(000,0,）,B,(1D4.6),H,十六进制的优点,与二进制之间的转换容易,计数容量较其它进制都大,书写简洁,八进制,数 码,进位的规则,各位的权都是,8,的幂,0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,“逢八进一”,八进制,二进制（自学）,(,752.1),O,=,(111 101 010.001),B,(,10110.011),B,=,(26.3),O,END,1.3,二进制的算术运算,1.3.1,无符号二进制的数算术运算,1.3.2,有符号二进制的数算术运算,1,、二进制加法,0+0=0,，,0+1=1,，,1+1=10,。,1.3.1,无符号数算术运算,无符号二进制的加法规则,2,、二进制减法,0-0=0,，,1-1=0,，,1-0=1,，,0-1=11,。,无符号二进制的减法规则,3,、二进制乘法和除法运算,例,1.3.4,计算两个二进制数,1010,和,111,之商。,1.3.2,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。,有符号的二进制数表示,:,(+11),D,=(0 1011),B,(,11),D,=(1 1011),B,1.,二进制数的补码表示,二进制数为正数时,其补码、反码与原码相同,将原码的数值位逐位求反，然后在最低位加,1,得到补码,二进制数为负数时,减法运算的原理,:,减去一个正数相当于加上一个负数,A,B,=,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,采用补码进行加、减法运算的步骤如下：,（,1,）根据,XY,补,=,X,补,+,Y,补,，分别求出,X,补,、,Y,补,和,X+Y,补,。,（,2,）补码相加时，,符号位参与运算,，若符号位有进位，则自动舍去。,（,3,）根据,XY,补,的结果求出,XY,原,，进而求出,XY,的结果。,3,补,+,-4,补,为,必须指出，两个补码相加时，如果产生的和超出了有效数字位所表示的范围，则计算结果会出错，之所以发生错误是因为计算结果产生了溢出，解决的办法是扩大字长。,即,，符号位为,1,故,3,4,1,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,b,3,位）相反时，则运算结果是错误的，产生溢出。,END,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,1.4,二进代码,1.,编码,：把若干个,0,和,1,按一定规律编排在一起，组成不 同的代码，并且赋予每个代码以固定的含义。,用,n,位二进制代码可以表达,2,n,个不同的信号,需要编码的信息有,N,项，则,2,n,N,A.,每一组代码都可以看作是一个包含特定含义的符号，各组代码之间以及每组代码内部各位之间没有一定的数值进位关系。,B.,信息与代码间的对应关系完全是人为规定的，可以任意编，但在制定编码时，应该使编码顺序有一定的规律可循。,编制代码所要遵循的规则,码 制,1.4.1,二,-,十进制码（,BCD,码）,用,4,位二进制编码表示十进制的,0-9,十个数码。,由于,4,位二进制码可以表示,2,4,=16,种信号，所以在表示,0-9,这十个数码时就有不同的组合，即不同的编码方式：,8421BCD,码,2421BCD,码,5421BCD,码,余,3,码：,8421BCD,码,+0011,有权码,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,.6,和,4,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。,十进制数码,8421码,2421 码,5421 码,余3码,余,3,循环码,0,0000,0000,0000,0011,0010,1,0001,0001,0001,0100,0110,2,0010,0010,0010,0101,0111,3,0011,0011,0011,0110,0101,4,0100,0100,0100,0111,0100,5,0101,1011,1000,1000,1100,6,0110,1100,1001,1001,1101,7,0111,1101,1010,1010,1111,8,1000,1110,1011,1011,1110,9,1001,1111,1100,1100,1010,有权码,无权码,0111,8421BCD,(,),D,7,=,1,1,2,1,4,1,8,0,+,+,+,=,求,BCD,代码表示的十进制数,对于有权,BCD,码，可以根据位权展开求得所代表的十进制数,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。,不能省略！,不能省略！,例：求十进制数,876,的,8421BCD,码,8421,例：求十进制数,876,的余,3,码,876,D,=,（,1011 1010 1001,）,余,3,码,876,D,= 1101101100,B,=36C,H,876,D,= （1000 0111 0110）,8421BCD,1.4.2,格雷码,格雷码是一种无权码,二进制码,格雷,码,二进制,码,格雷码,0000,0000,1000,1100,0001,0001,1001,1101,0010,0011,1010,1111,0011,0010,1011,1110,0100,0110,1100,1010,0101,0111,1101,1011,0110,0101,1110,1001,0111,0100,1111,1000,编码特点,：,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,Gray,码的特性有很重要的意义。例如，两个相邻的十进制数,13,和,14,相应的二进制码为,1101,和,1110,，在用二进制数作加,1,计数时，如果从,13,变为,14,，则二进制码的最低两位都要改变，但实际上两位改变不可能同时发生，若最低位先置,0,，然后次低位再置,1,，则中间会出现,110111001110,，即出现暂短的误码,1100,，而,Gray,码只有一位变化，因而杜绝了出现这种错误的可能。,1.4.3 ASCII,码,即美国标准信息交换码。,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。,字符编码，用,7,位二进制码来表示,128,个符号,ASCII,A,merican,S,tandard,C,ode for,I,nformation,I,nterchange,END,1.5,二值逻辑变量与基本逻辑运算,*,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,。,与、或、非三种基本的逻辑运算,*,逻辑代数与普通代数的区别,!,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,硬件描述语言（,HDL,）,基本逻辑关系,与,(,and,),或,(or ),非,( not ),基本逻辑运算,S,1,S,2,灯,电源,与运算,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,电路状态表,逻辑真值表,A,B,L,0,0,1,0,1,0,1,1,0,0,0,1,与逻辑符号,A,B,L,S,1,S,2,灯,电源,A,B,L,&,与,逻辑表达式：,L,=,A,= AB,真值表特点,:,任,0,则,0,全,1,则,1,、,或,运算,S,1,灯,电源,S,2,或逻辑举例,电路状态表,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,。,逻辑真值表,A,B,L,0,0,1,0,1,0,1,1,0,1,1,1,A,B,L,或逻辑符号,A,B,L,1,或逻辑表达式：,L,= A,+,特点,:,任,1,则,1,全,0,则,0,非逻辑举例状态表,A,灯,不通电,亮,通电,灭,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。,非逻辑举例,A,V,NC,灯,A,L,0,1,1,非逻辑真值表,0,A,L,非逻辑符号,A,L,1,非逻辑表达式：,特点,: 1,则,0, 0,则,1,两输入变量,与非逻辑真值表,A,B,L,0,0,1,0,1,0,1,1,1,1,1,0,A,B,L,与非逻辑符号,4.,几种常用复合逻辑运算,1,）与非运算,A,B,L,&,与非逻辑表达式：,2,）或非运算,两输入变量,或非逻辑真值表,A,B,L,0,0,1,0,1,0,1,1,1,0,0,0,或非逻辑符号,A,B,L,1,A,B,L,或非逻辑表达式：,3,）异或运算,若两个输入变量的值相异，输出为,1,，否则为,0,。,异,或逻辑真值表,A,B,L,0,0,1,0,1,0,1,1,0,1,1,0,异或逻辑符号,A,B,L,=1,A,B,L,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,。,异,或逻辑真值表,A,B,L,0,0,1,0,1,0,1,1,1,0,0,1,同或逻辑符号,A,B,L,=,同或逻辑表达式：,A,B,L,5,）与或非运算,门电路是实现一定逻辑关系的电路。,类型,:,与门、或门、非门、与非门、或非,门、异或门、同或门,1,、用二极管、三极管实现,2,、数字集成电路,(,大量使用,),1) TTL,集成门电路,2) MOS,集成门电路,实现方法,:,门电路小结,门电路小结,门电路 符号 表示式,与门,&,A,B,Y,A,B,Y,1,或门,非门,1,Y,A,Y=AB,Y=A+B,Y= A,与非门,&,A,B,Y,Y= AB,或非门,A,B,Y,1,Y= A+B,异或门,=1,A,B,Y,Y= A,B,End,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,硬件描述语言（,HDL,）,1.6,逻辑函数的建立及其表示方法,a,b,c,d,A,B,楼道灯开关示意图,1.,真值表表示,开关,A,灯,下,下,上,下,上,下,上,上,亮,灭,灭,亮,开关,B,开关状态表,逻辑抽象，列出真值表,逻辑真值表,A,B,L,0,0,1,1,0,0,0,1,0,1,1,1,A,、,B:,向上,1,向下,-0,L :,亮,-1;,灭,-0,确定变量、函数，并赋值,开关,:,变量,A,、,B,灯,:,函数,L,开关,A,灯,下,下,上,下,上,下,上,上,亮,灭,灭,亮,开关,B,开关状态表,2,、逻辑函数表达式表示,用与、或、非等运算组合起来，表示逻辑函数与逻辑变量之间关系的,逻辑代数式,。,逻辑真值表,A,B,L,0,0,1,1,0,0,0,1,0,1,1,1,用与、或、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,A,B,L,=,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。,逻辑真值表,A,B,L,0,0,1,1,0,0,0,1,0,1,1,1,表达式 真值表,例,1,：已知,L=A+BC,试列出真值表。,0 0 0,0 0 1,0 1 0,0 1 1,1 0 0,1 0 1,1 1 0,1 1 1,A B C L,00011111,逻辑关系表达方式间的转换：,真值表 表达式：,把真值表中函数值等于,1,的变量组合挑出来；变量组合中变量是,1,的写成原变量，是,0,的写成反变量；把组合中各个变量相乘，这样对应于函数值为,1,的每个变量组合就可以写成一个乘积项，然后把这些,乘积项相加,就的得到相应的逻辑表达式,练习：有一电路当输入,A,、,B,、,C,中有两个有信号时，输出,L,有信号，试列出真值表、写出逻辑函数表达式、画出逻辑图。,A B C L,0 0 0,0 0 1,0 1 0,0 1 1,1 0 0,1 0 1,1 1 0,1 1 1,00010110,解：,依题意列真值表,由,真值表得表达式：,逻辑图：,1,L,A,&,B,C,A,&,B,C,A,&,B,C,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。,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。,数字逻辑概论小结,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。,End,作业,1.1.2,1.2.2,（,1,）（,3) 1.2.4 (4) 1.2.5 (2),1.3.1 (1,）（,4,）,1.3.3,（,3,）,1.4.1,（,2,）,1.4.2,（,4,）,1.6.1,