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1、第一章 数字电路基础1.1 数字电路的基本概念 一、 模拟信号和数字信号电子电路中的信号可以分为两大类：模拟信号和数字信号。模拟信号时间连续、数值也连续的信号。数字信号时间上和数值上均是离散的信号。（如电子表的秒信号、生产流水线上记录零件个数的计数信号等。这些信号的变化发生在一系列离散的瞬间，其值也是离散的。）数字信号只有两个离散值，常用数字0和1来表示，注意，这里的0和1没有大小之分，只代表两种对立的状态，称为逻辑0和逻辑1，也称为二值数字逻辑。数字信号在电路中往往表现为突变的电压或电流，如图1.1.1所示。该信号有两个特点：图1.1.1 典型的数字信号（1）信号只有两个电压值，5V和0V。
2、我们可以用5V来表示逻辑1，用0V来表示逻辑0；当然也可以用0V来表示逻辑1，用5V来表示逻辑0。因此这两个电压值又常被称为逻辑电平。5V为高电平，0V为低电平。（2）信号从高电平变为低电平，或者从低电平变为高电平是一个突然变化的过程，这种信号又称为脉冲信号。二、 数字电路传递与处理数字信号的电子电路称为数字电路。数字电路与模拟电路相比主要有下列优点：（1）由于数字电路是以二值数字逻辑为基础的，只有0和1两个基本数字，易于用电路来实现，比如可用二极管、三极管的导通与截止这两个对立的状态来表示数字信号的逻辑0和逻辑1。（2）由数字电路组成的数字系统工作可靠，精度较高，抗干扰能力强。它可以通过整形
3、很方便地去除叠加于传输信号上的噪声与干扰，还可利用差错控制技术对传输信号进行查错和纠错。（3）数字电路不仅能完成数值运算，而且能进行逻辑判断和运算，这在控制系统中是不可缺少的。（4）数字信息便于长期保存，比如可将数字信息存入磁盘、光盘等长期保存。（5）数字集成电路产品系列多、通用性强、成本低。由于具有一系列优点，数字电路在电子设备或电子系统中得到了越来越广泛的应用，计算机、计算器、电视机、音响系统、视频记录设备、光碟、长途电信及卫星系统等，无一不采用了数字系统。 1.2 数 制一 几种常用的计数体制1十进制(Decimal)2二进制(Binary)3十六进制(Hexadecimal)与八进制（
4、Octal）二 不同数制之间的相互转换1二进制转换成十进制例1.2.1 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)B124023022121120121022123 （19.625）D2.十进制转换成二进制可用“除2取余”法将十进制的整数部分转换成二进制。 例1.2.2 将十进制数23转换成二进制数。解： 根据“除2取余”法的原理，按如下步骤转换: 则 （23）D =（10111）B可用“乘2取整”的方法将任何十进制数的纯小数部分转换成二进制数。3二进制转换成十六进制由于十六进制基数为16，而1624，因此，4位二进制数就相
5、当于1位十六进制数。因此，可用“4位分组”法将二进制数化为十六进制数。例1.2.4 将二进制数1001101.100111转换成十六进制数解： （1001101.100111)B（0100 1101.1001 1100)B（4D.9C)H 同理，若将二进制数转换为八进制数 ，可将二进制数分为3位一组，再将每组的3位二进制数转换成一位8进制即可。4十六进制转换成二进制 由于每位十六进制数对应于4位二进制数，因此，十六进制数转换成二进制数，只要将每一位变成4位二进制数，按位的高低依次排列即可。5十六进制转换成十进制可由“按权相加”法将十六进制数转换为十进制数。 例1.2.6 将十六进制数7A.58
6、转换成十进制数。解： (7A.58)H716110160516-18162 112100.31250.03125(122.34375)D 1.3 二十进制码由于数字系统是以二值数字逻辑为基础的，因此数字系统中的信息（包括数值、文字、控制命令等）都是用一定位数的二进制码表示的，这个二进制码称为代码。二进制编码方式有多种，二十进制码，又称BCD码（Binary-Coded-Decimal），是其中一种常用的码。BCD码用二进制代码来表示十进制的09十个数。要用二进制代码来表示十进制的09十个数，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09十
7、个数。选哪10种组合，有多种方案，这就形成了不同的BCD码。具有一定规律的常用的BCD码见表1.3.1。表1.3.1 常用BCD码十进制数8421码2421码5421码余三码01234567890 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 10 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 10 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 01 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 1
8、1 1 0 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 0位权8 4 2 1b3b2b1b02 4 2 1b3b2b1b054 2 1b3b2b1b0无权1.5 基本逻辑运算数字电路实现的是逻辑关系。逻辑关系是指某事物的条件（或原因）与结果之间的关系。逻辑关系常用逻辑函数来描述。一 基本逻辑运算逻辑代数中只有三种基本运算：与、或、非。1与运算与运算只有当决定一件事情的条件全部具备之后，这件事情才会发生。我们把这种因果关系称为与逻辑。（1）可以用列表的方式表示上述逻辑关系，称为真值表。（2）如果用二值
9、逻辑0和1来表示，并设1表示开关闭合或灯亮；0表示开关不闭合或灯不亮，则得到如图1.5.1（c）所示的表格，称为逻辑真值表。（3）若用逻辑表达式来描述，则可写为 与运算的规则为： “输入有0，输出为0；输入全1，输出为1”。（4）在数字电路中能实现与运算的电路称为与门电路，其逻辑符号如图（d）所示。与运算可以推广到多变量：2或运算 或运算当决定一件事情的几个条件中，只要有一个或一个以上条件具备，这件事情就会发生。我们把这种因果关系称为或逻辑。图1.5.2 或逻辑运算 （a）电路图 （b）真值表 （c）逻辑真值表 （d）逻辑符号或运算的真值表如图1.5.2（b）所示，逻辑真值表如图1.5.2（c
10、）所示。若用逻辑表达式来描述，则可写为 LA+B 或运算的规则为：“输入有1，输出为1；输入全0，输出为0”。在数字电路中能实现或运算的电路称为或门电路，其逻辑符号如图（d）所示。或运算也可以推广到多变量：3非运算非运算某事情发生与否，仅取决于一个条件，而且是对该条件的否定。即条件具备时事情不发生；条件不具备时事情才发生。例如图1.5.3（a）所示的电路，当开关A闭合时，灯不亮；而当A不闭合时，灯亮。其真值表如图1.5.3（b）所示，逻辑真值表如图1.5.3（c）所示。若用逻辑表达式来描述，则可写为: 非运算的规则为：；。在数字电路中实现非运算的电路称为非门电路，其逻辑符号如图1.5.3（d）
11、所示。 图1.5.3 非逻辑运算 （a）电路图 （b）真值表 （c）逻辑真值表 （d）逻辑符号二 其他常用逻辑运算任何复杂的逻辑运算都可以由这三种基本逻辑运算组合而成。在实际应用中为了减少逻辑门的数目，使数字电路的设计更方便，还常常使用其他几种常用逻辑运算。1与非与非是由与运算和非运算组合而成，如图1.5.4所示。图1.5.4 与非逻辑运算 （a）逻辑真值表 （b）逻辑符号2或非或非是由或运算和非运算组合而成，如图1.5.5所示。图1.5.5 或非逻辑运算 （a）逻辑真值表 （b）逻辑符号 3异或异或是一种二变量逻辑运算，当两个变量取值相同时，逻辑函数值为0；当两个变量取值不同时，逻辑函数值为
12、1。异或的逻辑真值表和相应逻辑门的符号如图1.5.6所示。图1.5.6 异或逻辑运算 （a）逻辑真值表 （b）逻辑符号1.6 逻辑函数及其表示方法描述逻辑关系的函数称为逻辑函数，前面讨论的与、或、非、与非、或非、异或都是逻辑函数。逻辑函数是从生活和生产实践中抽象出来的，但是只有那些能明确地用“是”或“否”作出回答的事物，才能定义为逻辑函数。一般地说，若输入逻辑变量A、B、C的取值确定以后，输出逻辑变量L的值也唯一地确定了，就称L是A、B、C的逻辑函数，写作：L=f（A，B，C）逻辑函数与普通代数中的函数相比较，有两个突出的特点：（1）逻辑变量和逻辑函数只能取两个值0和1。（2）函数和变量之间的
13、关系是由“与”、“或”、“非”三种基本运算决定的。二 逻辑函数的表示方法一个逻辑函数有四种表示方法，即真值表、函数表达式、逻辑图和卡诺图。这里先介绍前三种。1真值表真值表是将输入逻辑变量的各种可能取值和相应的函数值排列在一起而组成的表格。为避免遗漏，各变量的取值组合应按照二进制递增的次序排列。真值表的特点：（1）直观明了。输入变量取值一旦确定后，即可在真值表中查出相应的函数值。（2）把一个实际的逻辑问题抽象成一个逻辑函数时，使用真值表是最方便的。所以，在设计逻辑电路时，总是先根据设计要求列出真值表。（3）真值表的缺点是，当变量比较多时，表比较大，显得过于繁琐。2函数表达式函数表达式就是由逻辑变
14、量和“与”、“或”、“非”三种运算符所构成的表达式。由真值表可以转换为函数表达式，方法为：在真值表中依次找出函数值等于1的变量组合，变量值为1的写成原变量，变量值为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的每一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，就得到相应的函数表达式了。例如，用此方法可以直接由表1.6.1写出“三人表决”函数的逻辑表达式： 反之，由表达式也可以转换成真值表，方法为：画出真值表的表格，将变量及变量的所有取值组合按照二进制递增的次序列入表格左边，然后按照表达式，依次对变量的各种取值组合进行运算，求出相应的函数值，填入表格右边对应的位置，即得真值表。 例1.6.2 列出函数的真值表。解：该函数有两个变量，有4种取
