数字电路基础讲述

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1、LOGO 电子技术基础(数字部分) 张岩 是电类专业电类专业 的： 1.课课程性质质： 获获得适应应信息时时代的数字电电子技术术方面的基本理论论、 基本知识识和基本技能。培养分析和解决实际问题实际问题 的能力 ，为为以后学习习与数字电电子技术术相关学科和专业应专业应 用打好 以下两方面的基础础: 2.课课程目标标： 1）正确分析、设计设计 数字电电路，特别别是集成电电路 2）进进一步学习设计专习设计专 用集成电电路(ASIC) 具入门门性质质的、重要的专业专业 基础课础课 3.课课程研究内容 -数字信号传输、变换、产生等。内容涉及信号处理 的器件、功能电路及系统。 4.课课程特点与学习习方法

2、1 ) 发发展快2 )应应用广3 )工程实实践性强 学习习方法 打好基础础、关注发发展、主动动更新、注重实实践 课课程学习习中: 了解电电路功能的应应用背景,注重学习习分析问题问题 、解决问题问题 能力的培养。 课程特点 每18个月芯片的集成度提高1倍,而功耗下降一半。 注重理解和掌握功能部件的外特性、多练习、多动手 数电的内容 第1章 数字逻辑概论 第2章 逻辑代数与HDL基础 第3章 逻辑门电路 第4章 组合逻辑电路 第5章 锁锁存器与触发发器 第6章 时时序逻辑电逻辑电 路 第7章 存储器 复杂可编程逻辑器件和现场可编程门阵列 第8章 脉冲波形的产生与变换 第9章 数模与模数转换器 第1

3、0章 数字系统设计基础 第一章 数字逻辑概论 v1.1数字电路与数字信号 v1.2数制 v1.3逻辑函数及其表示方法 1.1数字电路与数字信号 信号承载信息，即信号是信息的物理表现形式 温度波动曲线 电子系统处理电信号，其物理形式是电压或电流波形 声音、图像、亮度、温度等等物理信息，都可以通过传感器转换而得到相应 的电信号 信号波形代表了相应物理量的变化 正弦波三角波调幅波 模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号 具有无限密集的时间定义区间 具有无穷密集的数值定义区间 模拟信号与数字信号 0 t 数字信号：在时间和幅值上都是离散的信号 仅在确定的时间点上有定义(tn) 定义时间点上的信号幅度仅

4、有量化区间上的数值(量化编码) 数字逻辑信号和波形 用符号0和1来表示幅度，称为逻辑0和逻辑1 数字波形是逻辑电平对时间的图形表示。 (a) 非周期数字波形 (b) 周期数字波形 v二进制数字波形（bit） 一个比特表示两个状态，多个状态要用更多比特才能表示 在数字电子技术和计算机应用中，采用多比特数字信号 v 多比特二进制信号的串行或并行处理 v 1）串行方式：多比特信号按比特位依次处理，要求信号按位依次传 送 v 2）并行方式：多比特信号的所有位同时处理，要求各比特位要同时 传送 1.2数制 v1. 十进制： v以十为基数的记数体制表示数的十个数码： v1、2、3、4、5、6、7、8、9、

5、0 v遵循逢十进一的规律 143.75 = 任意一个十进制数N可以表示成： ai：第i位的系数 v2. 二进制： v以二为基数的记数体制表示数的两个数码： v0、1 v遵循逢二进一的规律 （101.11）2 = =（5.75）10 任意一个二进制数N可以表示成： v3. 八进制：以八为基数的记数体制表示数的 八个数码：0、1 、2、3 、4、5、6 、7 v遵循逢八进一的规律 v任意一个八进制数N可以表示成： v4. 十六进制： v0 、 1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C 、D、E、F v任意一个十六进制数展开式为： 数置转换 v1. 二 十进制转换 v2. 十 二进制转换 v3

6、. 十 二进制转换 v4. 二进制 八进制转换 v5. 二进制 十六进制转换 v6. 十六进制二进制转换 v7. 十六进制数与十进制数的转换 v第二章 逻辑代数与硬件描述语言 v2.1逻辑代数 v2.2逻辑函数的卡诺图化简法 逻辑函数与真值表 逻辑代数 逻辑值 逻辑运算 运算的表示 0、1 代表两种不同的状态 三个基本运算与、或、非 最基本的表示真值表 逻辑变量取值为逻辑值0 或 1 A BF 0 00 0 10 1 01 1 11 例：给定函数F=(A,B) 两个自变量，共有四种取值组合 F(0,0)=0；F(0,1)=0； F(1,0)=1；F(1,1)=1； 三个自变量，有八种取值组合

7、四个自变量，有十六种取值组合 序号公式a公式b名称 1A 0 = 0A + 1=10-1律 2A 1 = AA + 0 =A自等律 3A B = B AA + B = B + A交换律 4A (B C) = (A B) CA + ( B + C)= (A + B) +C结合律 5A (B + C) = A B +A CA + B C= (A + B) (A + C)分配律 6互补律 7A + A =AA A = A重叠律 8非非律 9A + AB =AA (A+B) = A吸收律 10摩根律 例 证明，按A、B取值 A BA BA+BA+B 0 01 10+0=1100 = 11 0 11 0

8、0+1=0001 = 11 1 00 11+0=0010 = 11 1 10 01+1=0011 = 00 ， 情况列出真值表，从表中可以直接得出结果。 一个控制楼梯照明灯的电路。A、B是两个单刀双 掷开关，A装在楼上，B装在楼下。共同控制灯F 的亮、灭。试写出灯F亮的逻辑函数。 只有开关A、B 都接上面或都接下面时，灯F才 亮。而一个接上面，另一个接下面时，灯不亮。 逻辑描述 问题分析 工程上，一般先提出逻辑命题，然后用真值表加以描述，最后写出 逻辑函数表达式。 ABF 001 010 100 111 真值表 假设输入变量为A、B； 用0表示开关接下面，1表示接上面 假设输出变量为F； 用0

9、表示灯灭，用1表示灯亮 则输入输出变量之间的关系可以用真值表来表示 由真值表，在A、B的四种组合中，只有一、四两种能使灯亮。这两种情况中，A 、B之间是与的关系，而两种状态之间则是或的关系。故灯亮的逻辑函数为： 逻辑函数： 2.2逻辑函数的卡诺图化简法 v另外的课件 第三章 逻辑门电路 v3.1MOS逻辑门电路 v3.2TTL逻辑门电路 1 高、低电电平产产生的原理 当S闭闭合，O= 当S断开， O= 0 V +5 V (低电电平) (高电电平) 理想的开关： 接通状态态： 要求阻抗越小越好，相当于短路。 断开状态态： 要求阻抗越大越好，相当于开路。 i D/mA O vDS / V V GS

10、1 V GS2 V GS3 V GS4 饱饱和区 可变电变电 阻区 截止区 2.产产生的高、低电电平半导导体器件 vO Rd VDD v I 工作在可变电变电 阻区:输输出低电电平工作在饱饱和区:输输出低电电平 27 非逻辑门中，小圆圈表示非运算。 可以表示在输入端或输出端 对应三种基本逻辑运算，分别有三种门符号 与门或门非门 3种基本逻辑门 基本逻辑门的真值表和相应的基本运算完全相同 28 1. 与、非合成为与非逻辑 2. 或、非合成为或非逻辑 常用的复合逻辑及其逻辑门 与非门： 当且仅当输入全部为1时 输出才为0 或非门： 当且仅当输入全部为0时 输出才为1 29 3 异或逻辑及同或逻辑

11、异或门： 输入相异，输出为1 同或门： 输入相同，输出为1 异或逻辑 同或逻辑 第四章 组合逻辑电路 v4.1组合逻辑电路的分析与设计 v4.2若干典型的组合逻辑集成电路 31 组合逻辑电路的一般设计步骤（四步法） 原则：电路要最简（要求所用器件的种类和数量都尽可能 少，且器件之间的连线也最少)。 1.根据实际逻辑问题确定输入、输出变量，并定义逻辑状态 的含义； 根据题意列真值表 逻辑式化简 卡诺图化简 画逻辑电路图 写最简逻辑式 4.1 组合逻辑电路的分析与设计 2.根据输入、输出的因果关系，列出真值表； 3.由真值表写出逻辑表达式，根据需要简化和变换逻辑表达式 4.画出逻辑图 32 2.

12、设计举例1 设计一个表决电路，该电路输入为A、B、C，输出是L。当 输入有两个或两个以上为1时，输出为1，其他情况输出为 0。用与非门设计该表决电路。 解： 例1 1） 根据题意可列出真值表 2） 画出卡诺图 3）简化和变换逻辑表达式 L = AB+AC+BC ABC L 000 001 010 011 100 101 110 111 0 0 0 1 0 1 1 1 BC ACAB L A B C +5V 要设 计的 逻辑 电路 33 3）简化和变换逻辑表达式 L = AB+AC+BC 4）画出逻辑电路图。 34 2. 设计举例2 某董事会有一位董事长和三位董事进行表决，当满足以下 条件时决议

13、通过：有三人或三人以上同意；或者有两人同 意，但其中一人必须是董事长。试用两输入与非门设计满 足上述要求的表决电路。 解 1) 逻辑抽象。 2) 列出真值表； 3) 画出卡诺图，求输出L的表达式； 用变量A、B、C、D表示输入，A代表董事长，B、C、D代表董 事，1表示同意，0表示不同意； 用L表示输出，L1，代表决议通过，L0，代表不通过。 4) 画出由与非门组成的逻辑电路。 35 2. 设计举例2 L = AB + AC + AD + BCD 输 入出 ABCDL 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 输 入出 ABCDL 1000 1001 10

14、10 1011 1100 1101 1110 1111 0 1 1 1 1 1 1 1 2) 列出真值表 3) 画出输出L的卡 诺图并化简得 BCD AB 4) 画出由与非门组成的逻辑电路。 0 0 0 0 0 0 0 1 AC 2. 设计举例2 L = AB + AC + AD + BCD 4) 画出由与非门组成的逻辑电路。 (1) 由逻辑图写出各输出端的逻辑表达式 (2) 化简和变换各逻辑表达式或列真值表 (3) 根据真值表或逻辑表达式确定逻辑电路功能 2. 组合逻辑电路的分析步骤： 1. 分析的目的：确定电路的的逻辑功能 化简得出结论（逻辑功能） 组合逻辑电路图 写出逻辑表达式 分析方法

15、： 38 & & & & A B YAB AAB BAB 异或门门 例1：分析下图所示逻辑电路 Y=AAB BAB 组合逻辑电路的分析举例 方法1：直接写出逻辑表达式 例2 一个双输入端、双输出端 的组合逻辑电路如图所 示，分析该电路功能。 输 入输 出 ABSC 0000 0110 1010 1101 逻辑功能：半加器 方法2：逐级变量代换 40 例3 逻辑电路如图所示，分析该电路功能 1.根据逻辑图写出输出函数的逻辑表达式 2. 列写真值表 10111 00011 01101 11001 01110 11010 10100 00000 CBA 方法3：通过真值表确 定逻辑功能： 解： 电路完成奇校验功能 4.2若干典型的组合逻辑集成电路 v编码器 v译码器 v数据选择器 v数值比较器 v算数运算电路 编码编码 器 (Encoder)的概念与分类类 编码编码 ：赋赋予二进进制代码码特定含义义的过过程称为编码为编码 。 如：8421、BCD码码中，用1000表示数字8 如：ASCII码码中，用100000