数字电路基础1

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1、（1-1）,电子技术,第一章 数字电路基础,数字电路部分,（1-2）,第一章 数字电路基础,1.1 数字电路的基础知识 1.2 基本逻辑关系 1.3 逻辑代数及运算规则 1.4 逻辑函数的表示法 1.5 逻辑函数的化简,（1-3）,1.1 数字电路的基础知识,1.1.1 数字信号和模拟信号,电子电路中的信号,模拟信号,数字信号,时间连续的信号,时间和幅度都是离散的,例：正弦波信号、锯齿波信号等。,例：产品数量的统计、数字表盘的读数、数字电路信号等。,（1-4）,模拟信号,数字信号,（1-5）,模拟电路主要研究：输入、输出信号间的大小、相位、失真等方面的关系。主要采用电路分析方法，动态性能用微变

2、等效电路分析。,在模拟电路中，晶体管一般工作在线性放大区；在数字电路中，三极管工作在开关状态，即工作在饱和区和截止区。,数字电路主要研究：电路输出、输入间的逻辑关系。主要的工具是逻辑代数，电路的功能用真值表、逻辑表达式及波形图表示。,模拟电路与数字电路比较,1.电路的特点,2.研究的内容,（1-6）,模拟电路研究的问题,基本电路元件:,基本模拟电路:,晶体三极管,场效应管,集成运算放大器,信号放大及运算 (信号放大、功率放大）信号处理（采样保持、电压比较、有源滤波）信号发生（正弦波发生器、三角波发生器、）,（1-7）,数字电路研究的问题,基本电路元件,基本数字电路,逻辑门电路,触发器,组合逻辑

3、电路时序电路（寄存器、计数器、脉冲发生器、脉冲整形电路）A/D转换器、D/A转换器,（1-8）,1.1.2 数制,一、十进制：,以十为基数的记数体制。,表示数的十个数码：,1、2、3、4、5、6、7、8、9、0,遵循逢十进一的规律。,157,=,一个十进制数数 N 可以表示成：,若在数字电路中采用十进制，必须要有十个电路状态与十个记数码相对应。这样将在技术上带来许多困难，而且很不经济。,（1-9）,二、二进制：,以二为基数的记数体制 。,表示数的两个数码：,0、1,遵循逢二进一的规律。,（1001）B =,= (9)D,二进制的优点：用电路的两个状态-开关来表示二进制数，数码的存储和传输简单、

4、可靠。,二进制的缺点：位数较多，使用不便；不合人们的习惯，输入时将十进制转换成二进制，运算结果输出时再转换成十进制数。,（1-10）,三、十六进制和八进制,十六进制记数码：,0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A(10)、B(11)、C(12)、D(13)、E(14)、F(15),(4E6)H=,4162+14 161+6 160,= (1254)D,说明：十六进制的一位对应二进制的四位。,1. 十六进制与二进制之间的转换。,Hexadecimal：十六进制的 Decimal：十进制的 Binary：二进制的,（1-11）,(0101 1001)B=,027+1 26+0 25+1 24

5、+1 23+0 22+0 21+1 20D,=,(023+1 22+0 21+1 20) 161 +(1 23+0 22+0 21+1 20) 160D,= (59)H,每四位2进制数对应一位16进制数,(10011100101101001000)B=,从末位开始四位一组,(1001 1100 1011 0100 1000)B,= (9CB48)H,（1-12）,2. 八进制与二进制之间的转换。,(10011100101101001000)O=,从末位开始三位一组,(10 011 100 101 101 001 000)B,=(2345510)O,八进制记数码：,0、1、2、3、4、5、6、7

6、,说明：八进制的一位对应二进制的三位。,（1-13）,四、十进制与二进制之间的转换,两边除2，余第0位K0,商两边除2，余第1位K1,十进制与二进制之间的转换方法：可以用二除十进制数，余数是二进制数的第0位K0，然后依次用二除所得的商，余数依次是第1位K1 、第2位K2 、。,（1-14）,例：十进制数25转换成二进制数的转换过程：,(25)D=(11001)B,（1-15）,1.1.3 二进制码,数字系统的信息,数值,文字符号,二进制代码,编码,为了分别表示N个字符，所需的二进制数的最小位数：,编码可以有多种，数字电路中所用的主要是二十进制码（BCD -Binary-Coded-Decima

7、l码）。,（1-16）,BCD码用四位二进制数表示09十个数码。四位二进制数最多可以表示16个字符，因此，从16种表示中选十个来表示09十个字符，可以有多种情况。不同的表示法便形成了一种编码。这里主要介绍：,8421码,5421码,余3码,2421码,首先以十进制数为例，介绍权重的概念。,(3256)D=3103+ 2102+ 5101+ 6100,个位(D0)的权重为100 ，十位(D1)的权重为101 ， 百位(D2)的权重为102 ，千位(D3)的权重为103,（1-17）,十进制数 (N)D,二进制编码 (K3K2K1K0)B,(N)D= W3K3 +W2K2+W1K1+W0K0,W3

8、W0为二进制各位的权重,8421码，就是指W3=8、 W3= 4、 W3= 2、 W3= 1。,用四位二进制数表示09十个数码，该四位二进制数的每一位也有权重。,2421码，就是指W3=2、 W3= 4、 W3= 2、 W3= 1。,5421码，就是指W3=5、 W3= 4、 W3= 2、 W3= 1。,（1-18）,二进制数,自然码,8421码,2421码,5421码,余三码,（1-19）,基本逻辑关系：与 ( and )、或 (or ) 非 ( not )。,1.2 基本逻辑关系,一、“与”逻辑,与逻辑：决定事件发生的各条件中，所有条件都具备，事件才会发生（成立）。,规定:开关合为逻辑“1

9、”开关断为逻辑“0”灯亮为逻辑“1”灯灭为逻辑“0”,（1-20）,逻辑符号：,逻辑式：F=ABC,逻辑乘法 逻辑与,真值表,真值表特点:任0 则0, 全1则1,与逻辑运算规则：,0 0=0 0 1=0 1 0=0 1 1=1,（1-21）,二、 “或”逻辑,或逻辑：决定事件发生的各条件中，有一个或一个以上的条件具备，事件就会发生（成立）。,规定:开关合为逻辑“1”开关断为逻辑“0”灯亮为逻辑“1”灯灭为逻辑“0”,（1-22）,真值表,逻辑符号：,逻辑式：F=A+B+C,逻辑加法 逻辑或,真值表特点：任1 则1, 全0则0。,或逻辑运算规则:,0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=1,

10、（1-23）,三、 “非”逻辑,“非”逻辑：决定事件发生的条件只有一个，条件不具备时事件发生（成立），条件具备时事件不发生。,规定:开关合为逻辑“1”开关断为逻辑“0”灯亮为逻辑“1”灯灭为逻辑“0”,（1-24）,逻辑符号：,逻辑非 逻辑反,真值表特点:1则0, 0则1。,逻辑式：,运算规则：,（1-25）,四、几种常用的逻辑关系逻辑,“与”、“或”、“非”是三种基本的逻辑关系，任何其它的逻辑关系都可以以它们为基础表示。,与非：条件A、B、C都具备，则F 不发生。,其他几种常用的逻辑关系如下表：,（1-26）,或非：条件A、B、C任一具备，则F 不发生。,异或：条件A、B有一个具备，另一个不

11、具备则F 发生。,同或：条件A、B相同，则F 发生。,（1-27）,基本逻辑关系小结,（1-28）,1.3 逻辑代数及运算规则,数字电路要研究的是电路的输入输出之间的逻辑关系，所以数字电路又称逻辑电路，相应的研究工具是逻辑代数（布尔代数）。,在逻辑代数中，逻辑函数的变量只能取两个值（二值变量），即0和1，中间值没有意义。,0和1表示两个对立的逻辑状态。,例如：电位的低高（0表示低电位，1表示高电位）、开关的开合等。,（1-29）,1.3.1 逻辑代数的基本运算规则,加运算规则:,0+0=0 ，0+1=1 ，1+0=1，1+1=1,乘运算规则:,00=0 01=0 10=0 11=1,非运算规则

12、:,（1-30）,1.3.2 逻辑代数的运算规律,一、交换律,二、结合律,三、分配律,A+B=B+A,A B=B A,A+(B+C)=(A+B)+C=(A+C)+B,A (B C)=(A B) C,A(B+C)=A B+A C,A+B C=(A+B)(A+C),（1-31）,求证: （分配律第2条） A+BC=(A+B)(A+C),证明:,右边 =(A+B)(A+C),=AA+AB+AC+BC ; 分配律,=A +A(B+C)+BC ; 结合律 , AA=A,=A(1+B+C)+BC ; 结合律,=A 1+BC ; 1+B+C=1,=A+BC ; A 1=1,=左边,（1-32）,四、吸收规则

13、,1.原变量的吸收：,A+AB=A,证明：,A+AB=A(1+B)=A1=A,利用运算规则可以对逻辑式进行化简。,例如：,吸收是指吸收多余（冗余）项，多余（冗余）因子被取消、去掉 被消化了。,长中含短，留下短。,（1-33）,2.反变量的吸收：,证明：,例如：,长中含反，去掉反。,（1-34）,3.混合变量的吸收：,证明：,例如：,正负相对，余全完。,（1-35）,五、反演定理,可以用列真值表的方法证明：,德 摩根 (De Morgan)定理：,（1-36）,反演定理内容：将函数式 F 中所有的,变量与常数均取反,（求反运算）,互补运算,1.运算顺序：先括号 再乘法 后加法。,2.不是一个变量

14、上的反号不动。,注意:,用处：实现互补运算（求反运算）。,新表达式：F,显然：,(变换时，原函数运算的先后顺序不变),（1-37）,例1：,与或式,注意括号,注意 括号,（1-38）,例2：,与或式,反号不动,反号不动,（1-39）,1.4 逻辑函数的表示法,四种表示方法,逻辑代数式 (逻辑表示式, 逻辑函数式),逻辑电路图:,卡诺图,真值表：将逻辑函数输入变量取值的不同组合与所对应的输出变量值用列表的方式一一对应列出的表格。,（1-40）,将输入、输出的所有可能状态一一对应地列出。 n个变量可以有2n个输入状态。,1.4.1 真值表,列真值表的方法：一般按二进制的顺序，输出与输入状态一一对应

15、，列出所有可能的状态。,例如：,（1-41）,1.4.2 逻辑函数式,逻辑代数式：把逻辑函数的输入、输出关系写成与、或、非等逻辑运算的组合式。也称为逻辑函数式，通常采用“与或”的形式。,例：,下面介绍两个重要概念最小项和逻辑相邻。,（1-42）,最小项：构成逻辑函数的基本单元。对应于输入变量的每一种组合。,以三变量的逻辑函数为例：,变量赋值为1时用该变量表示；变量赋值为0时用该变量的反来表示。,可见输入变量的八种状态分别唯一地对应着八个最小项。,（1-43）,(1) 若表达式中的乘积包含了所有变量的原变量或反变量，则这一项称为最小项。,最小项的特点：,(2) 当输入变量的赋值使某一个最小项等于1时，其他的最小项均等于0。,（1-44）,之所以称之为最小项，是因为该项已包含了所有的输入变量，不可能再分解。,例如：对于三变量的逻辑函数，如果某一项的变量数少于3个，则该项可继续分解；若变量数等于3个，则该项不能继续分解。,（1-45）,根据最小项的特点，从真值表可直接用最小项写出逻辑函数式。,例如：由左图所示三变量逻辑函数的真值表，可写出其逻辑函数式：,验证：将八种输入状态代入该表示式，均满足真值表中所列出的对应的输出状态。,（1-46）,