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1、数字电路及系统 Digital Circuit & System,课程性质和课程任务,本课程是电类各专业的主要技术基础理论课程之一，是各专业的主干课程。 本课程的教学目的是使学生掌握数字逻辑与系统的基本工作原理、基本分析方法和基本应用技能，使学生能够对各种基本逻辑单元进行分析和设计，学会使用标准的集成电路和可编程逻辑器件，并初步具备根据实际要求应用这些单元和器件构成简单数字电子系统的能力，为后续专业课程的学习奠定坚实的基础。,本课程的研究内容,1.逻辑代数的基本理论；,2.常用数字集成电路的结构、工作原理、逻辑功能和使用方法 ；,3.数字电路的分析、设计方法；,4. 可编程逻辑器件简介；,5.
2、数字系统设计初步。,数字系统：用离散的数字方式表征与处理信息的系统，是一个相互连接的功能模块的集合。,学 习 方 法, 保证基础,熟练掌握有关逻辑设计的基础知识、设计方法, 中小规模集成电路,理解电路的逻辑功能,应用它设计逻辑电路, 数字系统,掌握从上到下的现代数字系统的设计方法，学会使用EDA软件设计平台,贯穿课程的始终的是：,逻辑设计,第一章 数字逻辑基础,1.1模拟信号和数字信号,1.模拟信号：幅值连续、时间连续。,2.数字信号：幅值离散、时间连续。,二进制代码“1”和“0”的波形表示,2.脉冲型,1.电位型,代码 1 1 0 1 0 0 0,以太网中使用的是：曼彻斯特码（Manches
3、ter）,代码 1 1 0 1 0 0 0,一拍,1.2数字电路,1.通信系统中：抗干扰能力强 ；保密性好。,信号用脉冲的有无或种类的不同、电平的高低来表示，与幅值无关；,判决门限电平,对数字信号进行抗干扰编码（即差错纠正编码）。,2.测量仪表中：测量精度高，测试功能强，,自动化、智能化程度高。,如数字示波器、数字频率计。,1. 工作信号是离散的，因此电路中工作的半导体管多数工作在开关状态。 如二极管工作在导通和截止态 三极管工作在饱和态和截止态,2. 研究对象是输入和输出的逻辑关系，因此主要的分析工具是逻辑代数，表达电路的功能主要是真值表、逻辑表达式及波形图等。,数字电路的特点,计算机,通信
4、（DSP应用）,电视（高清晰度）,将来通信的发展趋势：,软件无线电,单片机,+,DSP,+,CPLD,典型应用,会议电视,数字移动蜂窝电话,家庭信息中心,虚拟教育,数字相机,自动驾驶汽车,视觉感应器,数据存储与处理,返回,电子器件的发展,电 子 管,SSI（100以下）,MSI（103）,LSI（104）,（105以上）,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。世界上第一 台计算机用了1.8万只电子管，占地170平方米， 重30吨，耗电150W。目前在一些大功率发射 装置中使用。,1948年，肖克利等发明了晶体管，其 性能在体积、重量方面明显优于电子 管，但
5、器件较多时由分立元件组成的 分立电路体积大、焊点多、电路的可 靠性差。,1960年集成电路出现，成千上万个器件集成在一块芯片，大大促进了电子学的发展，尤其促进数字电路和微型计算机的飞速发展。,芯片中集成上万个 等效门，目前高的 已达上百万门。,1971年4位CPU(4004)出现，含2300个晶体管；,1997年Pentium CPU 出现，含750万个晶体管；,0.35m,0.25m,0.18m,0.13m,Pentium 4 3GHz,分立元件,分立元件电路,集成元件,元件的封装形式,双列直插,QFP,元件的封装形式,针阵式封装（PGA:Pin Grid Array,集成元件电路,分离元件
6、电路,设计方法的变化, 传统的设计方法：, 现代的设计方法：,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逻辑综合、布局布线、仿真等工作。最后下载到芯片，实现方案。,1、设计：,在计算机上利用软件平台进行设计,设计方法,原理图设计,VHDL语言设计,状态机设计, EDA技术：,2、仿真,3、下载,4、验证结果,实验板,下载线,一十进制（Decimal),用来表征数值信息。在数字电路中,经常会遇到计数问题。数制是以数码的个数（称为基数，用R表示）来命名的。人们习惯用十进制数，而在数字系统中则采用二进制八进制十六进制数。,构成：由0 9 十个数码； 逢十进一，借一当十， 基
7、数R=10。,1.3 数制（计数体制）,例1： （555）10 =,5102,+ 5101,+ 5 100,例2：（146.5)10 =,1102,+ 4101,+ 6 100,+ 5101,对于任一个十进制数N,按位权可表示为: (N)10 = an-110n-1+an-210n-2+ +a1101+a0100 +a-110-1+ a-210-2+ + a-m10-m,ai10i,式中:ai取值为: 0 9 中的任一个数码;,10i是第I位的权,10是基数。,n和m是正整数，n为整数部分，m为小数部分。,讨论：从计数电路考虑，采用十进制数是难于实现的。因为十进制数有十个数码（0 9）。要用十
8、个不同的而且能严格区分的电路状态与之对应，这将是很困难的。,结论：计数电路一般不直接采用十进制数，而采用二进制数。,原因： （1）运算规则简单（只有8条规则）,加法：0+0=0；0+1=1；1+0=1； 1+1=10。,乘法：00=0； 01=0； 10=0； 11=1。,（2）电路简单工作可靠,它的每一位数码都可以用任何具有两个不同稳定状态的元件来表示。,例如：D的导通与截止；,继电器触点的闭合和断开；,灯泡的亮和灭等。 都可构成两个不同的稳定状态。,T的饱和与截止；,二 二进制（Binary),构成：用二个数码 1 和 0 ； 且逢二进一，借一当二。 R = 2。,（N）2,Di2i,Di
9、取值为 1 或 0 ，基数为2。,例： （101.01) =122+ 120 +12-2,Di2i,三八进制(Octal),构成:用 0 7 八个数码; 且逢八进一,借一当八。 R = 8 。,Oi取值为： 0 7 中的任一个数，R = 8 。,例： （25.6)8= 281+ 580+ 68-1,Oi8i,（N）8,Oi 8i,四十六进制(Hexadecimal),构成:用 0 9, A, B, C, D, E, F等十六个数码; 且逢十六进一, 借一当十六。R =16。,（N）16 = （ N）H,Hi16i,举例:（4A.E)16= 4161+ 10160+ 1416-1,Hi16i,五
10、数制转换,1二八十六 进制 十进制,所谓数制转换是指将一种数制的数变换成等值的用另一种数制表示的数。,将二八十六 进制数转换成十进制数，只要把原数写成按权展开再相加即可。,例：分别将（101.01)2 (74.5)8 (3C.A)16转换成 十进制数。,（101.01)2=,(74.5)8=,(3C.A)16=,122 +120 +122=(5.25)10,781+480+58-1=(60.625)10,3161+ 12160 +1016-1=(60.625)10,2十 进制 二 八 十六进制,(1)整数的转换,十 进制 二 八 十六进制数只需将整数部分和小数部分分别转换成二 八 十六进制数,
11、再将转换结果连接在一起即可。,整数 . 小数,方法:除基数取余法, . ,例：将（60）10分别转换成二 八 十六进制数。,所以，（60）10 = （111100）2,余数,（60）10 = （？）8,（60）10 = （74 ）8,（60）10 = （？）16,（60）10 = （3C ）16,（2）小数的转换,方法：乘基数取整法。,例:将十进制数(0.625)10分别转换成二八十六进制数。,（0.625)10=( ? )2,（0.625)10=( ? )8,（0.625)10=( ? )16, (60.625)10=(111100.101)2=(74.5)8=(3C.A)16,（0.625
12、)10=( 0.101)2,（0.625)10=( 0.5 )8,（0.625)10=( 0.A )16,3转换误差,对于小数采用的乘基数取整法将十 二八十六进制数的小数时,可能会出现多次相乘后乘积的小数部分仍不为0的情况。,小数的精度及转换位数的确定：,n位R进制小数的精度,例1：(0.12)10 的精度为,10-2,例2：(0.101)2 的精度为,2-3,如果转换取了n位，则转换的剩余误差小于该n位小数的精度，即： R-n 。,此时, 2-i0.1% , 2-i 1/1000,取 i 10 , 2-10 = 1/210 =1/1024 1/1000, i 的取值为: i 10 (取 10
13、 位),转换位数的确定,例3：(0.39)10 = ( ? )2 ，要求精度达到 0.1。,解：设二进制数小数点后有n位小数，,解得 n 10。,所以 (0.39)10 = (0.0110001111)2 。,4数的进制表示方法,5 二 八,十 10 或 D ; 八 8 或 O ; 二 2 或 B ; 十六 16 或 H 。,转换方法：二进制数由小数点开始分别向左和向右每三位分成一组，每组便是一位八进制数，这样的表示法叫二 八进制。（八进制数对应三位二进制数，即：000 111。） . ,例1： （111 100 . 101 )2 =,例2: ( 010 011 101 . 010 )2 =,
14、(74.5)8,( 235 . 2 )8,6 二 进制十六进制,7 八进制 二进制 转换方法:先将八进制 二 八进制, 再把二 八进制二进制。,例: (0011 1100 . 1010 )2 =,转换方法:二进制数由小数点开始分别向左和向右每4位分成一组,每组便是一个十六进制数,这样的表示法叫做二 十六进制。,例： （345.1)8=( ? )2,1) 二 八进制: (011 100 101.001);,2) 二进制: (11100101.001)2,(3C.A )16,8十六 进制二进制 转换方法:先将十六进制 二 十六进制, 再把二 十六进制 二进制。,9非十进制之间的互换,例： （AF.
15、26)16 =( ? )2,1) 二 十六进制: (1010 1111 . 0010 0110),2) 二 进制: (10101111.0010011)2,不同数制转换时,可采用的转换方法:,1)先转换成十进制数;,2)然后再将十进制数转换成新数制的数。,例： （4321）5=（ ？ ）2,解：,1）先求出（4321）5= （？）10,（4321）5=453+ 352+ 251+ 150 = （586）10,2）（586）10=（？）2, （4321）5 =（586）10 =（1001001010）2,1.4二进制码,用来表征非数值信息。,不同的数码不仅可以表示数量的不同大小,而且还能用来表示不同的事物。而用来表示不同的事物的这些数码已没有表示数量大小的含意，只是表示不同事物的代码而已。这些数码称为代码。,编码：人为规定的码制。,例如：在举行长跑比赛时，为便于识别运动员，通常给每个运动员编一个号码。显然，这些号码仅仅表示不同的运动员，已失去了数量大小的含意。,为便于记忆和处理，在编制代码时总要遵循一定的规则，而这些规则就叫做码制。,例如： 在用四位二进制数码表示一位十进制数的 0 9这十个状态时，
