《数字电子技术》教学指导

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1、数字电子技术数字电子技术教学指导教学指导数字电子技术是电气、信息、通信类专业的一门专业基础课，它是研究各种半导体器件的性能、电路及其应用的学科。通过本课程学习,可使学生获得数字电子技术方面的基本概念、基本知识和基本技能，可以培养学生对数字电路的分析与设计的能力，为后续课程的学习及今后的实际工作打下良好的基础。本课程的先行课程有：电路 模拟电子技术等，后续课程有：计算机原理及应用 、 单片机原理及应用 、 计算机控制技术等。本数字电子技术教学指导可供学生学习和教师辅导之用，恳请教师和同学们在使用过程中提出宝贵意见与建议。第一章第一章 逻辑代数基础逻辑代数基础【本章教学目的和要求本章教学目的和要求

2、】本章主要介绍分析数字电路逻辑功能的数学方法。通过本章学习， 了解各种编码，掌握各种进制及其相互转换，熟练掌握逻辑代数的各种运算公式和定理以及逻辑函数的公式法和卡诺图法两种化简方法。理解约束项、任意项、无关项的概念，掌握无关项在化简逻辑函数中的应用。为后续章节的学习打下良好的基础。【教学内容教学内容】1.1 概述1.1.1 数字量和模拟量 模拟信号：指幅值和时间都连续。 数字信号：时间和幅值上都离散。 1.1.2 数制和码制 一 数制数字电路中常用的数制有：十进制、二进制、八进制和十六进制。任意进制（N 进制）数展开式的普遍形式为：，其中 N 成为计数的基数，iiNkDki为第 i 位的系数，

3、称为第 i 位的权。iN二 数制间的相互转换常用的数制转换有二十进制、八十进制、十六十进制、二八十六进制间的转换。在转换中常用的方法有按权展开法、基数除/乘法和直接转换法。三 码制若干位二进制数按一定的组合方式组合起来以表示数值和字符等信息，即为编码。而在编码时需遵循的一定规则即为码制。着重掌握 8421 BCD 码，它是用 4 位二进制码来表示一位十进制数的一种方法，从左到右每位的权依次为 8，4，2，1。1.2 逻辑代数中的三种基本运算一基本逻辑运算与运算（也称逻辑乘或逻辑积）1运算规律：“有 0 为 0，全 1 为 1” 。运算符记为“.”或“”或“” ，有时可略去。逻辑表达式为：或或或

4、CA BCABCABCAB或运算（也称逻辑加或逻辑和）2运算规律：“有 1 为 1，全 0 为 0” 。运算符记为“”或“” 。逻辑表达式为：或CABCAB非运算（也称逻辑反或逻辑否定）3运算特点：若A为 1，则为 0；若 A 为 0，则为 1。AA逻辑表达式为：CA二其他逻辑运算（1）与非逻辑运算 ： ABF （2）或非逻辑运算： BAF （3）异或逻辑运算：FABBABA （4）同或逻辑运算：F=AB=BAAB （5）与或非逻辑运算：CDABF13 逻辑代数的基本公式和常用公式1.3.1 基本公式 与或非基本定律A0=0A1=AAA=AA=0AA+0=AA+1=1A+A=AA+=1AAA结

5、合律（AB）C=A（BC） （A+B）+C= A+（B+C）交换律AB= BA A+B= B+A分配律A（B+C）=AB+AC A+ BC=（A+B）（A+C）摩根定律（反演律） A BABABA B1.3.2 若干常用公式ABAAB 吸收律 BABAAAABACAABBCCAAB推论：CAAB)ED(BCCAABA(A+B)=ABABAAABAAABBABABACABACAAB1.4 逻辑代数的基本定理1.4.1 代入定理代入定理：任何一个包含变量 A 的逻辑等式中，若以另外一个逻辑式代人式中所有 A的位置则等式仍然成立。1.4.2 反演定理运用反演准则求时，需遵循两个原则：Y仍需遵守“先括

6、号、然后乘、最后加”的运算优先次序。不属于单个变量上的反号应保留不变。1.4.3 对偶定理对偶定理：若两逻辑式相等，则它们的对偶式也相等。注意对偶定理和反演定理的区别。1.5 逻辑函数及其表示方法1.5.1 逻辑函数逻辑代数的逻辑变量只有 0 和 1，这里 0 和 1 不代表数量的大小，而是代表两种不同的逻辑状态。逻辑函数两个特点：逻辑函数中的变量只有 0 和 1 两种取值；1逻辑函数中的变量之间的运算关系只能是与、或、非三种逻辑关系的组合。21.5.2逻辑函数的表示方法四种表示方法：逻辑真值表（简称真值表） 、逻辑函数式（逻辑式或函数式） 、逻辑图和卡诺图。掌握四种表示方法之间的相互转换。1

7、.5.3逻辑函数的两种标准形式掌握最小项和最大项的概念，利用将逻辑函数表示为最小项之和形式。1AA在 n 变量逻辑函数中，若 m 为包含 n 个因子的乘积项，而且这 n 个变量均以原变量或反变量的形式在 m 中出现且出现一次，则称 m 为该组变量的最小项。n 变量的最小项个数为。n2输入变量的每一组取值都使一个对应的最小项的值等于 1，最小项取值对应的十进制数即为最小项的编号。1.6 逻辑函数的公式化简法1.6.1 逻辑函数的最简形式最简与或式的要求：（1）表达式中乘积项（与项）个数最少；（2）每个乘积项中变量个数最少。1.6.2 常用的化简方法逻辑函数化简的方法有公式化简法（代数法）和卡诺图

8、法（图解法） 。公式化简法是运用逻辑代数的基本定律和准则化简逻辑函数。常用的方法有：并项法、吸收法、消项法、消因子法和配项法。公式化简法化简灵活，没有固定步骤，需要熟练掌握逻辑代数的基本定律和准则。1.7 逻辑函数的卡诺图化简法1.7.1 逻辑函数的卡诺图表示法一 卡诺图将 n 变量的全部最小项各用一个小方块表示，并且将逻辑相邻（两个最小项仅有一个因子不同）的最小项放在相邻的几何位置上，所得到的图形就是 n 变量的卡诺图。掌握双变量、三变量和四变量的卡诺图的画法。二 用卡诺图表示逻辑函数用卡诺图表示逻辑函数：先将逻辑函数化为最小项表达式，画出 n 变量卡诺图，将表达式出现的项填入相应的表格中，

9、未出现的项略去不填。1.7.1 用卡诺图化简逻辑函数一 利用卡诺图化简的基本原理卡诺图化简逻辑函数的基本原理是公式ABABA如果有个最小项逻辑相邻，并排列成一个矩形圈则它们可以合并为一项，并消去n2n 对因子。合并后的结果中仅包含公共因子。二卡诺图化简法的步骤：将函数化为最小项之和的形式。l画出表示该逻辑函数的卡诺图。2找出可以合并的最小项画圈（个数满足） ，合并方法：保留相邻项中相同的因子，3n2舍弃不同的因子。将合并结果相加，即得最简与或表达式。4三 化简时，需要注意的问题：能大则大每个圈包含的最小项个数越多越好（但个数满足个） ；1n2能少则少圈的数目越少越好；2重复有新每圈至少包含一个

10、其他圈所未包含的最小项；3一个不漏不能漏掉任何一个最小项。41.8 含有无关项的逻辑函数的卡诺图化简法在实际的问题中， 有些变量会受到实际逻辑问题的限制，使某些取值不可能出现，或者对结果没有影响，这些变量的取值所对应的最小项称为无关项或任意项。无关项的在函数式中的存在可有可无，可以认为是“1“，也可以认为是“0“。所以在卡诺图或真值表中用或 来表示。化简方法： 对于含有约束项的逻辑函数的化简， 如果它对函数化简有利，则认为它是“1“；反之，则认为它是“0“。原则：使得到的相邻最小项矩形圈最大、圈的数目最少。 【教学中应注意及要求学生重点掌握的问题教学中应注意及要求学生重点掌握的问题】在本章教学

11、中，应重点掌握逻辑代数的基本公式和常用公式；逻辑代数的基本定理；逻辑函数的各种表示方法及相互转换；逻辑函数的化简方法；约束项、任意项、无关项的概念及无关项在化简逻辑函数中的应用。为后续章节的学习打下良好的基础。第二章第二章 门电路门电路【本章教学目的和要求本章教学目的和要求】通过本章的学习，了解二极管和晶体管的开关特性；掌握数字电路中最基本的逻辑门电路；了解 TTL 和 CMOS 集成电路，及其主要参数和特性曲线；了解集成电路在实际使用中注意的问题。【教学内容教学内容】2.1 概述正逻辑：高电位对应“1” ；低电位对应“0” 。 负逻辑：高电位对应“0” ；低电位对应“1” 。2.2 半导体二

12、极管和三极管的开关特性2.2.1 二极管的开关特性一个 PN 结，具有单向导电性。正向导通压降：硅管 0.7V，锗管 0.3V；理想状态下认为正向导通压降为 0。2.2.2 晶体管的开关特性晶体管工作在截止状态，相当于开关断开，be、ce 均断开；晶体管工作在饱和导通状态，相当于开关闭合，be 间导通压降硅管 0.7V，be 间导通压降 0.3V，理想状态均为 0。2.3 最简单的与、或、非门电路有二极管与门电路、二极管或门电路和晶体管非门电路。这些电路结构简单，但不常用。原因时，在使用中会发生电平偏移，级数越多偏移越大，误差也越大，故可靠性不高。2.4 TTL 门电路根据集成度分为：SSI(

13、100 个门以下)、MSI(1001000 个门)、LSI(1000010000 个门)、VLSI(10000 个门以上)。2.4.1 TTL 反相器的电路结构和工作原理TTL 门：三极管三极管逻辑电路，是双极型集成电路的典型代表。一电路结构 由输入级、倒相级和输出级三部分组成。二工作原理输出级的工作特点：稳定状态下，T4、 T5总是一个导通而另一个截止，故也称为推 拉式电路。 三电压传输特性曲线 特性曲线分为截止区、线性区、转折区和饱和区四部分，转折电压（也称为阈值电压） VTH1.4V。 四相关参数 VOH：输出高电平（门截止，输入为 0，输出为 1） VOL：输出低电平（门导通，输入为

14、1，输出为 0） VTH：转折电压或阈值电压（VTH1.4V） VOH(min)：输出高电平下限值（标准高电平 VSH） VIL(max)：输入低电平上限值（关门电压 VOFF） VOL(max)：输出低电平上限值（标准低电平 VSL） VIH(min)：输入高电平下限值（开门电压 VON） 输入端噪声容限： 1）单独的门： 输入为高电平的噪声容限为：VNHVIHVIH(min) 输入为低电平的噪声容限为：VNLVIL(max)VIL 2）对于门：输入为高电平的噪声容限为：VNHVOH(min)VIH(min) 输入为低电平的噪声容限为：VNLVIL(max)VOL(max)2.4.2 TTL

15、 反相器的静态输入、输出及输入端负载特性 一输入特性曲线 输入特性：输入电流随输入电压变化的特性。 仅考虑输入信号是高电平和低电平，输入电压介于高低电平之间的情况比较复杂，不 作分析。 二输出特性曲线 输出特性曲线：输出电压随负载电流变化的曲线。分为高电平输出特性曲线和低电平 输出特性曲线。 注意一个概念，扇出系数：74 系列反相器可驱动同类型反相器的最大数目。 三输入端负载特性曲线 输入端负载特性曲线：输入电压随输入端负载变化的曲线。 总结：本节的相关参数： IIL：低电平输入电流 IIs：输入短路电流 IIH：高电平输入电流 扇出系数 N： ROFF：关门电阻 RON：开门电阻2.4.4 其它类型的 TTL 门电路 一其他逻辑功能的门电路 11VoVI1TTL 与非门由三部分组成：多发射极构成的输入与逻辑，反相器和推挽式输出电路，了解工作原理。2或非门3与或非门二 集电极开路（OC）门将普通 TTL 门电路的输出级改为集电极开路的三极管结构即为 OC 门。OC 门的符号是在普通门的符号上加或（打斜杠） 。OC 门可以实现线与功能，使用时输出端要外接一负载电阻和电源。L RCCV三 三态门三态指的是高电平、低电平和高阻态。高阻态时，输出端悬空，其电压值可浮动在