《电工电子技术--基本教程 教学课件 ppt 作者 殷瑞祥 罗昭智 第7章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电工电子技术--基本教程 教学课件 ppt 作者 殷瑞祥 罗昭智 第7章（215页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七章,数字集成电路及应用,模拟电路,数字电路,模拟信号：模拟信号是随时间连续变化的信号。,数字信号：数字信号是不连续变化的脉冲信号。,7.1 数字电路基础,由于数字信号在时间上和数值上都是离散的，故常用数字0和1来表示，,正逻辑：用高电平表示逻辑1，低电平表示逻辑0。,负逻辑：用高电平表示逻辑0，低电平表示逻辑1。,7.1.1 基本逻辑运算,分析数字电路的数学工具是逻辑代数，也叫布尔代数。,在逻辑代数中，变量的取值只有两个：1和0。它们分别表示两种不同的逻辑状态。例如：可以用1和0分别表示某事件的是和非、真和假、有和无等，也可以表示电路的导通和断开，电灯的亮和灭等等。,基本的逻辑运算有三种：
2、与运算、或运算和非运算。,所有逻辑运算都可以用这三种基本运算构成。,与运算,在决定某一事件的各种条件中，只有当全部条件同时具备时，事件才会发生，这种因果关系叫做与运算，也叫做逻辑与（或叫逻辑乘）。,或,或,A、B的与运算可写成,与运算实例：,设开关闭合为1，断开为0；灯亮为1，灯灭为0。,当两个开关都闭合（即A和B均为1）时，灯泡L才会通电发光（即L为1）；反之，只要有一个开关断开（即A和B中有一个为0），灯就不亮（即L为0）。,其逻辑表达式为L=AB,与运算的基本运算规则,只有当输入A、B均为高电位（即输入均为1）时，输出Y才具有高电位（即输出为1）；,当A、B中有一个（或一个以上）为低电位
3、（即输入为0）时，由于对应的二极管导通使输出Y被箝位于低电位（即输出为0）。,在电路中，多少伏的电位算高电位（高电平），多少伏的电位算低电位（低电平），不同的场合规定不同，而且高低电平一般不是一个确定值，而是有一定的范围 。,或运算,在决定某一事件的各种条件中，只要有一个（或一个以上）条件具备时，事件就会发生，这样一种因果关系叫做或运算，也叫做或逻辑，或叫逻辑加。,A、B的或运算可写成,或运算的基本运算规则 ：,当输入端A、B有一个（或一个以上）为高电位（即为1）时，与该端相连的二极管导通，使输出Y端为高电位，即Y为1；,当输入A、B都加上低电位，即输入全为0时，所有二极管截止，电阻R上没有电
4、流，使输出Y具有低电位，即输出Y为0。,逻辑符号,非运算,如果条件具备了，事件便不会发生；而条件不具备时，事件就会发生，这种因果关系叫做非运算，也叫做逻辑非（或反运算）。,变量A的非运算记为,非运算的基本运算规则 ：,晶体管工作于开关状态，当输入端A接高电位（即输入为1）时，晶体管饱和导通，输出Y端为低电位（即输出为0）；,当输入端A接低电位（即输入为0）时，晶体管发射结反向偏置而截止，输出Y端具有高电位（即输出为1）。,与非门,或非门,1,A,B,Y,与或非门,异或门,=1,A,B,Y,同或门,=,A,B,Y,国外门电路的符号,7.1.2 逻辑代数的运算规则,0-1律,公式1,公式2,自等律
5、,公式4,重叠律,公式5,公式6,互补律,公式7,公式8,还原律,公式9,交换律,公式10,公式11,结合律,公式12,公式13,分配律,公式14,公式15,例 证明公式15,证明,吸收律,公式16,公式17,反演律（摩根定律）,公式18,公式19,例 证明公式16,证明,例 证明公式17,证明,例 证明公式19,和公式18,证明,用列真值表的方法证明：,公式20,证明,公式21,证明,7.1.3 逻辑代数的基本定理,代入定理：在任何一个逻辑等式中，将某一变量全部代之以一个逻辑函数，则等式仍然成立。,反演定理：对于任意一个逻辑表达式Y，若将其中所有的“”换成“+”，“+”换成“”，0换成1，1
6、换成0，原变量换成反变量，反变量换成原变量，则得到的结果为原函数的非，即 。,对偶定理：对任意一个逻辑表达式Y，如果将其中的“+”换成“”，“”换成“+”，0换成1，1换成0，则得到一个新的逻辑表达式，叫做Y的对偶式Y，或者说Y与Y互为对偶式。如果两个逻辑式相等，则它们的对偶式也相等。,例 用代入定理证明摩根定律也适用于多变量的情况。,已知,用（BC）代入式中B的位置，得：,解,例 求,的反函数,解 根据反演定理可得：,7.1.4 逻辑函数的表示方法,逻辑函数有三种表示方法： 真值表、逻辑函数式和逻辑图。,3种表示方法可以相互转换,由逻辑表达式列真值表 ：,将输入变量的所有取值组合代入式中求出
7、其函数值，列成表格即可。如果有n个输入变量，则有2n种取值组合。,由真值表写逻辑函数式的方法：,找出真值表中所有使逻辑函数为1的最小项，取这些最小项的逻辑和即为逻辑函数的表达式。,真值表中的每一行表示输入变量的一种取值组合。如果以原变量（如A）表示其取值为“1”，以反变量（如）表示其取值为“0”，则可以用输入变量（原变量或反变量）的乘积表示每一个输入状态的组合。这些乘积项称为最小项。,最小项的特点：每个最小项都包含所有输入变量；在每个最小项中，输入变量以原变量或反变量的形式出现一次。,解,由于有三个输入变量，共有23=8种取值组合,一般输入变量的取值组合按照二进制数递增的顺序排列,0 0 0
8、0,0 0 1 0,0 1 0 0,0 1 1 1,1 0 0 0,1 0 1 1,1 1 0 1,1 1 1 1,逻辑图,例 将真值表用逻辑函数表示。,解,取值为1的最小项是,化简,例 将函数,表示成最小项的形式。,解,可见：任何一个逻辑函数可以通过配项的方式化为最小项之和的形式。,7.1.5 逻辑函数的化简,用逻辑公式化简,(1)并项法,例,(2)吸收法,应用 公式，消去多余项。,例,(3)消项法,例,(4)消因子法,例,(5)配项法,应用公式A+A=A配项,例 化简逻辑函数,解,例 化简,解,解 根据对偶定理求函数Y的对偶式，并化简,再求Y的对偶式得：,用卡诺图化简逻辑函数,卡诺图：将输
9、入自变量的全部最小项各用一个小方格表示，并使具有逻辑相邻性的最小项在几何位置上也相邻地排列起来，所得到的图形，也叫做最小项方格图。,卡诺图的绘制方法：（1）如果逻辑函数的输入自变量数为n，则将图划分为个小方格，每个方格代表一个最小项；（2）以行变量组为高位，列变量组为低位，给方格编号，而行、列变量的取值则按循环码的规则，例如两个变量则按00，01，11，10的顺序取值。,二变量的卡诺图,三变量的卡诺图,四变量的卡诺图,卡诺图中任意相邻两项（即上下或左右相邻）均仅有一个变量互反，而其余变量完全相同，这叫做逻辑相邻性。位于一行或一列两端的最小项也仅有一个变量互反，即也具有逻辑相邻性,用卡诺图表示逻
10、辑函数，就是将函数值为1的那些最小项，在卡诺图的相应位置上填入1，而在其余位置上填入0（或空着）即可。,例 用卡诺图表示逻辑函数,用卡诺图化简逻辑函数的步骤：,（1）画出逻辑函数的卡诺图；,（2）将取值为“1”的相邻小方格圈起来，所圈小方格的个数应为2n（n=0，1，2，3.)，所圈的小方格应尽可能多。另外，每圈1个新圈时，必须至少包含1个没有被圈过的最小项，每个最小项可被圈多次，但不能被遗漏。,（3）将每个圈中的最小项合并为1项，合并后的结果中只有公共因子。,（4）将合并后的所有项相加，即得到最简与或表达式。,例 用卡诺图化简逻辑函数,解,例 化简,解,例 用卡诺图化简,解,例 用卡诺图化简
11、,解一,解二,具有约束条件的逻辑函数的化简,自变量之间不可能出现的组合，称为约束项，也叫无关项或冗余项。,所有不可能出现的自变量组合的集合称为约束条件。,由于约束项实际上是不可能出现的逻辑状态，因此这些项取1和取0都不影响逻辑函数的值，若能很好的利用约束条件可以使逻辑函数得到进一步的化简。,约束项在卡诺图中用表示 。,例 化简,解,7.2 集成门电路,7.2.1 TTL门电路,集成电路的优点：与分立元件相比，集成电路具有可靠性高、体积小、功耗低等优点。,双极型逻辑门电路：TTL、ECL和I2L等。,单极型逻辑门电路：PMOS、NMOS和CMOS等。,TTL与非门,输入级,倒相级,输出级,相当于
12、与门,开门状态：A、B、C三个输入端均为高电平,发射结均处于反向偏置而截止,饱和,截止,输出为低电平，Y=0,关门状态：A、B、C中有一个（或一个以上）输入端为低电平,发射结正偏导通,1V,截止,导通,输出为高电平，Y=1,图形符号,逻辑表达式,TTL与非门的电压传输特性,TTL与非门的主要参数：,（1）开门电压UON：使输出端为低电平时的最小输入高电平值。其典型值为1.8V。,（2）关门电压UOFF： 使输出端为高电平时的最大输入低电平值，其典型值为0.8V，,（3）开门电阻RON和关门电阻ROFF,当输入端的电阻大于开门电阻RON时，则相当于接“1”；当输入端的电阻小于关门电阻ROFF时，
13、相当于接“0”。典型值为,输入端接电阻,（4）输出高电平UOH和输出低电平UOL,（5）输入端噪声容限,低电平噪声容限：在保证输出高电平不低于额定值的90%的条件下，允许叠加在输入低电平上的噪声（或干扰）电压，用UNL表示。,高电平噪声容限：在保证输出端为低电平的前提下，容许叠加到输入高电平上（极性和输入信号相反）的最大噪声电压，用UNH表示。,（6）输入高电平电流IIH和输入低电平电流IIL,（7）扇出系数NO ：是指一个与非门能带同类门的最大数目，它反映了与非门的带负载能力。,当与非门输出为低电平时,当与非门输出为高电平时,与非门的扇出系数应取NOL和NOH中较小的一个,（8）平均传输延迟
14、时间tpd：,TTL非门（反相器）,TTL三态输出与非门,输出端有三种状态：高电平、低电平和高阻状态。,多了一个使能端EN,当使能端EN为高电平（即EN为1）时,二极管VD截止，电路的工作状态和普通的与非门完全一样。,当EN为低电平（即EN为0）时,导通,截止,截止,输出端呈高阻状态,使能端高电平有效的三态门,使能端EN为1时电路为正常的与非门工作状态,使能端低电平有效的三态门,三态门在数字电路中非常有用，有了三态门，就可以实现在同一条导线上分时传递若干个不同的数据或控制信号。,集电极开路与非门电路,工作时，输出端需外接电源U和负载电阻RL,OC门的输出端不仅可直接接如继电器、指示灯、发光二极
15、管等负载，OC门的输出端还可以直接相联。,多余输入端的处理,当输入端有剩余时，必须对多余的输入端做适当的处理，保持其逻辑功能不变。,下面以与非门为例，说明多余输入端的处理方法。,（1）多余端接高电平,（2）多余端悬空：,（3）多余端与某信号端相联,注意：对或非门（或者或门），其多余输入端不能悬空。,7.2.2 CMOS门电路,CMOS非门电路,当输入端A为高电平时,导通,截止,Y=0,截止,导通,当输入端A为低电平时,Y=1,所以,CMOS非门的电压传输特性,CMOS非门的主要特点：,（1）静态功耗很小。,（2）抗干扰能力强。,（3）电源电压的允许范围为3V18V，所以输出幅度加大了。,缺点：
16、制造工艺复杂，集成度较低。,CMOS与非门电路,CMOS或非门电路,CMOS三态输出门电路,使能端低电平有效,Y=A,高阻状态,使能端高电平有效,Y=A,高阻状态,7.2.4 TTL电路和CMOS电路的连接,用TTL电路驱动CMOS电路,用TTL电路驱动74HCT系列的CMOS电路时，可以直接连接,用CMOS电路驱动TTL电路,用74HC/74HCT系列CMOS电路驱动TTL电路时，可以直接连接 。,用4000系列CMOS电路驱动TTL电路时，需要扩大CMOS电路在输出低电平时吸收负载电流的能力。,（1）将同一封装的门电路并联使用，以提高带负载能力。,（2）使用CMOS驱动器进行连接,（3）使用分立元件的放大器来实现电流扩展,7.3 组合逻辑电路,7.3.1 组
