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1、返回,学习情境一 逻辑笔电路的制作与调试,任务1 门电路基本知识 任务2 逻辑笔电路的设计与仿真 任务3 逻辑笔电路的制作与调试,任务1 门电路基木知识,一、数制及其转换 数制是计数进位制的简称。日常生活中，人们最熟悉的是十进制，但是十进制并非唯一的计数方法，如一天等于二十四小时，一年等于十二个月。 1.十进制 十进制数有0,1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9这十个数码，通常把数制中所有的数码个数称为基数。十进制的基数为10。它是逢十进位。 任意一个N位十进制的数可以展开为:,下一页,返回,任务1 门电路基木知识,2.二进制 二进制数中只有0和1两个数码，它是逢二进位，各位的权
2、是2的幂 任意一个N位二进制数可以展开为: 3.八进制 八进制中只有07八个数码，它逢八进位，各位的权是八的幂。 任意一个N位八进制数可以展开为:,上一页,下一页,返回,任务1 门电路基木知识,4.十六进制 十六进制有09, A、B、C、D、E、 F十六个数码，其中1015分别用AF表示，逢十六进位，各位的权是16的幂。 任意一个N位十六进制数可以展开为: 十六进制可以用字母“H”来表示。表1. 1给出了一组各种进位制数间的对应关系。,上一页,下一页,返回,任务1 门电路基木知识,5.不同数制之间的转换 1)任意进制转换成十进制 通过前面的介绍，分别按公式展开，就是二进制、八进制、十六进制转化
3、成十进制的结果。例如:,上一页,下一页,返回,任务1 门电路基木知识,2)十进制转换成二进制 十进制转换成二进制的方法中整数转换和小数转换不同。 将十进制整数转换成二进制数的方法是连续除以2，直到商为0，每次所得的余数从后向前排列即为转换后的二进制数整数部分，这种方法简称“除2取余法”。小数部分的转换方法为“乘2取整法”。 3)二进制与八进制之间的相互转换 因为八进制的基数8 =23，所以3位二进制数构成1位八进制数。当要将二进制数转换成八进制数时，只要从最低位开始，按3位分组，不满3位者在前面加0，每组以对应八进制数字代替，再按原来顺序排列即为等值的八进制数。,上一页,下一页,返回,任务1
4、门电路基木知识,4)二进制与十六进制之间的相互转换 因为十六进制的基数16 = 24，所以4位二进制数构成1位十六进制数，从最低位开始，每4位二进制数一组，对应进行转换，不满4位者在前面加0，具体方法与前面介绍的八进制的转换相同。 二、编码 在数字系统中，由0和1组成的二进制数不仅可以表示数值的大小，还可以用来表示特定的信息。用二进制数来表示一些具有特定含义信息的方法称为编码，用不同形式可以得到多种不同的编码，这就是码制。例如，用4位二进制数表示1位十进制数，称为二一十进制代码。常用的编码有二一十进制BCD码、格雷码和ASCII码等表1. 2列出了几种常用的BCD码。,上一页,下一页,返回,任
5、务1 门电路基木知识,1.二一十进制代码 用四位二进制数组成一组代码，可用来表示09十个数字。4位二进制代码有24 = 16种状态，从中抽出十种组合表示0 9可以有多种方式，因此十进制代码有多种，几种常用的十进制代码有8421 BCD码、2421码、5211码、余3码(无权码)。最常用的是8421 BCD码，将十进制数的每一位用一个二进制数来表示，这个4位的二进制数每一位的权从高位到低位分别是8, 4, 2,1,由此规则构成的码称为8421 BCD码。,上一页,下一页,返回,任务1 门电路基木知识,对于2421码和5211码而言，若将每个代码看做是4位二进制数，不过从左向右每位的1表示2, 4
6、, 2, 1和5, 2, 1, 1，则与每个代码等值的十进制数恰好就是它表示的十进制数，其中2421中的0和9码，1和8码，2和7码，3和6码，4和5的代码均互为反码(即代码的每一位0和1的状态正好相反)。 余3码是一套无权码，即每一位的1没有固定的权相对应，如果仍将每个代码视为4位二进制数，且自左向右每位的1分别为8, 4, 2, 1，则等值的十进制数比它所表示的十进制数多3，所以称余3码。,上一页,下一页,返回,任务1 门电路基木知识,2.格雷码 格雷码又称循环码，这是在检测和控制系统中的一种常用代码。它的特点是:相邻两个代码之间仅有一位不同，其余各位均相同。计数电路按格雷码计数时，每次状
7、态仅仅变化一位代码，减少了出错的可能性。格雷码属于无权码，他有多种代码形式，其中最常用的一种是循环码 三、基本逻辑门电路 数字电路中的“逻辑”是指数字电路的输入信号与输出信号之间存在一定的因果关系，即存在逻辑关系。,上一页,下一页,返回,任务1 门电路基木知识,1.基本逻辑运算 数字电路中最基本的逻辑关系有三种:与逻辑、或逻辑和非逻辑，它们可以由相应的逻辑电路实现。 1)与逻辑(逻辑乘) 只有决定某一事件的所有条件全部具备，这一事件才能发生，这种因果关系称为与逻辑。 在图1.1 (A)所示的电路中，只有当开关A与B都闭合时灯Y才亮，否则灯就不亮。假设以“1”表示开关闭合或灯亮;以“0”表示开关
8、断开或灯灭，则可得表1. 3，这种用逻辑变量的可能出现的取值组合判断相应结果的表格称为真值表。,上一页,下一页,返回,任务1 门电路基木知识,逻辑变量间的与逻辑运算又称逻辑乘，可用逻辑表达式表示为: 2)或逻辑(逻辑加) 只要当决定某一事件的条件中有一个或一个以上具备，这一事件就能发生，这种因果关系称为或逻辑。 在图1.2 (A)所示的电路中，只要开关A或B有一个闭合时灯Y就亮，否则灯就不亮假设以“1”表示开关闭合或灯亮;以“0”表示开关断开或灯灭，则可得或逻辑真值 表1. 4。,上一页,下一页,返回,任务1 门电路基木知识,逻辑变量间的或运算又称逻辑加，可用逻辑表达式表示为: 式中，“+”为
9、或逻辑运算符，也有用“V”“”表示或运算。如图1.2(B)所示。 若或门有N个输入端时，则Y=A+B+C+ +N。 3)非逻辑(逻辑非) 当决定某一事件的条件满足时，事件不发生;反之事件发生，这种因果关系称为非逻辑。 非门电路如图1.3 (A)所示，开关A闭合，灯Y却不亮;开关A断开，灯Y才亮。非逻辑真值表见表1. 5。,上一页,下一页,返回,任务1 门电路基木知识,逻辑变量间的非运算又称逻辑非或逻辑反，其逻辑表达式写作: 2.复合逻辑运算 复合逻辑运算由基本逻辑运算组合而成，如与非、或非、同或、异或等。 1)与非逻辑 与非逻辑是与逻辑运算和非逻辑运算的复合，将输入变量先进行与运算，然后再进行
10、非运算。 逻辑表达式为:,上一页,下一页,返回,任务1 门电路基木知识,真值表:与非逻辑真值表如表1. 6所示。可知，对于与非逻辑只要输入变量中有一个为0，输出就为1。只有输入变量全部为1时，输出才为0。 逻辑符号:与非运算的逻辑符号如图1. 4所示。 2)或非逻辑 或非逻辑是或逻辑运算和非逻辑运算的复合，将输入变量先进行或运算，然后再进行非运算。 逻辑表达式为:,上一页,下一页,返回,任务1 门电路基木知识,真值表:或非运算的真值表如表1. 7所示。可知，对于或非逻辑，只要输入变量中有一个为1，输出就为0。或者说，只有输入变量全部为0时，输出才为1。 逻辑符号:或非运算逻辑符号如图1. 5所
11、示。 3)与或非逻辑 与或非逻辑是与逻辑运算和或非逻辑运算的复合。它是先将输入变量A, B及C, D分别进行与运算。然后再进行或非运算。 逻辑表达式为:,上一页,下一页,返回,任务1 门电路基木知识,逻辑符号:与或非逻辑电路如图1.6 (A)所示，图1.6(B)为与或非运算逻辑符号。 四、集成门电路 基本逻辑门电路都是由二极管、三极管组成的，它们称为分立元件门电路。目前广泛应用的是集成逻辑门。集成逻辑门包含有若干个晶体管和电阻，在一个集成门中又可以包含若干个门电路。目前，双极型集成门的主要形式是晶体管，简称TTL。 1. TTL与非门 1)电路组成 典型TTL与非门电路如图1. 7所示。,上一
12、页,下一页,返回,任务1 门电路基木知识,图中VT，是一个多发射极结构的晶体管，它有一个基极、一个集电极和两个发射极。这种晶体管称为多发射极晶体管，在原理上相当于基极、集电极分别连在一起的两个晶体管。其等效电路如图1. 8所示。 2)工作原理 (1)输入端有低电平的情况、 若输入端B接低电平或A, B全部接低电平，电路工作情况同上所述。可见，输入端有低电平时，输出端即为高电平。 (2)输入端全为高电平的情况。 由以上分析可知:TTL与非门在输入中有低电平时，输出即为高电平;输入全是高电平时，输出才为低电平。即具有与非逻辑功能，Y=AB。与非门的逻辑符号如图1. 9所示。,上一页,下一页,返回,
13、任务1 门电路基木知识,2.其他类型的下下L集成门电路 TTL集成逻辑门电路除了与非门外，常用的还有集电极开路与非门、或非门、三态门、异或门等。 1)集电极开路与非门(OC门) 将图1. 7典型的TTL与非门中的VT3、VT4 、R4 、R5去掉，使输出级VT5管的集电极处在开路的状态，就成为OC电路。由于输出级处在开路状态，故OC电路在实际使用时，需要在输出端Y和电源Vcc之间外接一个上拉电阻RP，如图1. 10所示。该OC门具有与非功能，即Y = AB。集电极开路(OC)与非门逻辑符号如图1. 11所示。,上一页,下一页,返回,任务1 门电路基木知识,集电极开路门电路简称OC ( Open
14、 Collector)电路，其主要特点是输出端可直接并联实现逻辑与的功能。 2)三态与非门(TS门) (1)三态门的工作原理。 前述OC门虽然可以实现与的功能，但外接电阻R,的选择要受一定的限制而不能取得太小，因而限制了工作速度。为了实现高速线与，人们又开发了一种三态与非门，它的输出具有三种状态，除了工作状态时输出电阻较小的高、低电平状态外，还具有高输出电阻的第三状态，称为高阻态，也称禁止态 一个简单的TS门的电路如图1. 12所示，图1. 13是它的逻辑符号。其中EN为片选信号输入端，A、B为数据输入端。,上一页,下一页,返回,任务1 门电路基木知识,(2)三态门的应用 用三态门可以构成单向
15、总线和双向总线。 图1. 14所示为由三态门构成的单向总线。 图1. 15所示为由三态门构成的双向总线。 五、CMOS门电路 由PMOS和NMOS构成的r补(Cotnpletnentary ) MOS集成电路，简称CMOS集成电路CMOS电路的突出优点是微功耗、抗干扰能力强，工作速度可与TTL相比较。几乎所有超大规模存储器件都采用CMOS工艺制造。,上一页,下一页,返回,任务1 门电路基木知识,1. CMOS反相器 1)电路的组成和工作原理 CMOS反相器原理图如图1. 16所示。它由一个增强型PMOS管作为负载管和一个增强型NMOS管作为驱动管串接而成。两管的栅极连在一起作为输入端，漏极连在
16、一起作为输出端。为了电路能正常工作，要求电源电压VDD大于两个管子的开启电压的绝对值之和，即:,上一页,下一页,返回,任务1 门电路基木知识,2 ) CMOS反相器的特点 第一，静态功耗低。由以上分析可知，无论输入为高电平还是低电平，TN和TP两个管子中总有一个处于截止状态，使静态漏极电流iD，接近于零。因此，CMOS反相器的静态功耗极小，有微功耗电路之称 第二，抗干扰能力强。由于CMOS反相器中的TN和TP两管特性对称相同，因此，其闽值电压为VDD/2，所以，CMOS反相器具有很高的噪声容限。 第三，逻辑摆幅大，输出高电平近似可达VDD，输出低电平近似等于电源的低电平电位。这样，电源电压被充分利用。 此外，CMOS反相器的工作电源电压VDD可在较宽范围内变化，一般为318 V。,上一页,下一页,返回,任务1 门电路基木知识,2. CMOS与非门 图1. 17所示是2输入端CMOS与非门电路，其中包括两个串联的N沟道增强型MOS管和两个并联的P沟道增强型MOS管。每个输入端连到一个N沟道和一个P沟道MOS管的栅极。当输入端中只要有一个为低电平时，就会使与它相连
