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1、数字电路与逻辑设计,北京邮电大学 信通院 孙文生,邮箱： 手机：1391 065 9929 QQ ：15523 54585,教学资源,QQ群,课程群 3643 7175 (500人),课堂群 5611 2577,人人网公共主页 网址：http:/ 信息分享 微博、微群 资源下载： 新浪网盘，百度云盘,微信 sunwsun，1638 4425 91,微信公众平台二维码 微信号：1638442591,课程群 3643 7175 (500人),课堂群 5611 2577,引 论,模拟和数字的概念 集成电路的发展 本课程主要内容 学习方法 考试和参考书,模拟和数字的概念,模拟信号：时间和幅值上连续的信
2、号 模拟电路：实现模拟信号的处理 基本单元：放大电路 输入、输出为模拟信号,数字信号：时间和幅值上离散的信号 数字电路：实现数字信号的处理 基本单元：逻辑门电路 输入、输出为数字信号,引 论,模拟和数字的概念 集成电路的发展 本课程主要内容 学习方法 考试和参考书,集成电路的发展,电子学近百年发展史上三个重要的里程碑： 以电子器件的更新换代为标志！ 1906年 电子管发明(真正进入电子时代) 1948年 晶体管问世 20世纪60年代 集成电路出现 (SSI、MSI、LSI、VLSI),第一代电子器件电子管,1904年, 英国人弗莱明发明真空电子二极管。第一只电子管的诞生，标志着人类从此进入电子
3、时代。,真空二极管的发明得益于爱迪生发现的“爱迪生效应”。爱迪生在研究白炽灯的寿命时，在灯丝附近焊上一小块金属片，他发现：金属片虽未与灯丝接触，但如果在它们之间加电压，灯丝就会产生一股电流趋向附近的金属片。,弗莱明用金属圆筒代替金属片，套在灯丝外面，和灯丝一起封在玻璃泡里，使接收电子的面积大大增加，构成真空电子二极管。,第一代电子器件电子管,1906年，美国人福雷斯特（Lee De Fordst）发明真空电子三极管电子管，实现了第一个能放大电信号的电子器件。这是电子学发展史上第一个里程碑。用电子管可实现整流、稳压、检波、放大、振荡、变频、调制等多种功能电路。,电子管体积大、重量重、寿命短、耗电
4、大。世界上第一台计算机用1.8万只电子管，占地170m2，重30t，耗电150kW。,电子管收音机,第二代电子器件晶体管,1948年，肖克利（W.Shckly）等发明了半导体三极管，其性能明显优于电子管。晶体管的发明是电子学历史上的第二个里程碑。,1956年，肖克利、巴丁和布拉坦 因此获得诺贝尔物理学奖。,怀旧DIY矿石收音机,矿石收音机原理,古典的双晶体检波器：采用红锌矿和斑铜矿石,辉钼矿和金属接触，类似于锗二极管。,第三代电子器件集成电路,1958年，基尔比等提出将晶体管等元件和线路集成在一起的设想，三年后，集成电路实现了商品化。,集成电路按集成度可分为： (1) 小规模集成电路 （SSI
5、） (2) 中规模集成电路 （MSI） (3) 大规模集成电路 （LSI） (4) 超大规模集成电路 (VLSI),采用集成电路制作的电子钟,旋转后的样子,遥控对时,学生作品-数字电波钟,采用低频时码授时技术，可接收河南商丘校时信号，自动校时，30万年误差1秒。,市面上电波钟产品,JY8009-55E 光动能 可接收多局电波 参考价：15000元,AS5000-71A 光动能电波 参考价:4000元,电波钟，挂钟，参考价：150元,DIY作品，成本：几十元,典型的数字系统: 计算机,1946年美国宾夕法尼亚大学,机械计算器：算盘 3000年前,便携式计算机,台式计算机,集成电路的发展，使数字设
6、备变得越来越小巧，更加便于携带。,由1万8千个电子管、6千个开关、1万个电容器、 7万个电阻、 1千5百个继电器组成的，占地170m2，重达30吨。,数字技术的应用,数字技术的应用,视网膜屏：“当你拿的东西距离你10-12英寸(约25-30厘米)时，只要分辨率达到300ppi(每英寸300个像素点)，你的视网膜就无法分辨出像素点了。”,数字技术的应用,引 论,模拟和数字的概念 集成电路的发展 本课程主要内容 学习方法 考试和参考书,本课程主要内容,逻辑代数 组合逻辑电路 时序逻辑电路 可编程逻辑器件 VHDL语言 数模与模数转换,引 论,模拟和数字的概念 集成电路的发展 本课程主要内容 学习方
7、法 考试和参考书,学习方法,课程基础：二进制 数字： (51.625)10(110011.101)2 符号：ASCII、GB2312,数学工具: 布尔代数 常量：0，1 逻辑变量：A，B 逻辑运算：与 或 非；与非、或非、异或等 公理、定律、定理,数字电路的分析和设计: 基本逻辑门电路、复合逻辑门电路 中、小规模集成电路 大规模/超大规模集成电路,常用术语,位（bit) ：数字系统中最小的数据单位。 字节（byte)：8个二进制位，即 1byte = 8 bits 字(word)：若干个字节构成一个字 字长：指参与运算的数的基本位数， 决定了计算设备内部寄存器、加法器以及数据总线等的位数，反映
8、了计算设备的精度。,引 论,模拟和数字的概念 集成电路的发展 本课程主要内容 学习方法 考试和参考书,考试和参考书,平时 20% 期中 20% 期末 60%,注：1 每周二交作业 2 作业纸上写小班编号 3 解答采用简体中文、宋体书写，勿用草书,考试和参考书,数字电路与逻辑设计 数字电路与逻辑设计学习指导,第一章 数字技术基础,本章重点讲授数字电路的理论基础逻辑代数。,主要内容： 1. 数制和编码 2. 逻辑代数的概念 3. 逻辑函数的标准型 4. 逻辑函数的化简,1.1 数制和编码,1.1.1 数制简介 数制是进位计数制的简称，日常生活中最常用的是十进制，但数字系统采样的是二进制。,进位计数
9、制 十进计数制 (13.25)10 二进计数制 (1101.01)2 十六进计数制 (D.4)16,1. 十进制,在十进制数中，采用 0 9 十个不同的数码；计数规则是逢十进一和借一当十；各数码处于不同的数位所代表的数值不同，如：,565.65 5102 6101 5100 610-1 510-2,数码: 基本数字符号09。 基数：一种进制中可能用到数码的个数。 权：数码处于不同的位置对应的系数不同，这个系数就叫做权。 运算规则: 逢十进一，借一当十.,任意十进制数的按权展开式:,其中: n 为整数的位数, m 为小数位数, ai 为09.,1. 十进制,2. 二进制,二进制数只有0和1两个数
10、码，在计数时，“逢二进一”和“借一当二” ，二进制的基数是2，每一位的权值是2的幂。,3. 八进制和十六进制,数码: 基本符号0,1,2, ., (R-1) 基数: R 权: Ri 运算规则：逢R进一，借一当R.,4. R 进制,例如: ( 53.62)7 57137067-127-2 ( 38.898 )10 ( 24.3 )5 25145035-1 ( 14.6 )10,1.1.2 不同数制间的转换,十六进制 二进制 八进制,1位 4位,3位 1位,常用表格,( 7D.A6 )16 = ( 0111 1101 . 1010 0110)2 ( 101 1011 . 01)2 = ( 5B.4
11、)16 ( 712.45 )8 = ( 111 001 010 . 100 101)2 ( 011 010 101 . 010 110)2 = ( 325.26 )8,1. 二进制与十六进制之间的转换,十六进制 二进制,例：( 7D.A6 )16 = ( 0111 1101 . 1010 0110)2 = ( 1111101.1010011)2,1. 二进制与十六进制之间的转换,二进制 十六进制,例: ( 1011011.01 )2 = ( 0101 1011.0100 )2 = ( 5B.4)16,2. 二进制与八进制之间的转换,二进制数转换为八进制数 从小数点起每三位分一组，不足三位补零
12、例: ( 11010101.01011)2 = ( 011 010 101 . 010 110)2 = ( 325.26 )8 ( 111001010.100101)2 = ( 712.45 )8,八进制数转换为二进制数 将每一位数表示成三位二进制数 例: ( 325.26 )8 = ( 011 010 101 . 010 110)2 = ( 11010101.01011)2 ( 712.45 )8 = ( 111 001 010 . 100 101)2,例: ( 8FA.3 )16 = ( 1000 1111 1010.0011 )2 = ( 100 011 111 010.001 100
13、)2 = ( 4372.14 )8 ( 712.43 )8 = ( 111 001 010.100 011)2 = ( 0001 1100 1010 . 1000 1100)2 = ( 1CA.8C )16,3. 十六进制与八进制之间的转换,4. 十进制和R进制之间的转换,R 进制数转换为十进制数 原则：写出R进制数的按权展开式，然后相加。,例: ( 24.3 )8 281 + 480 + 38-1 16 + 4 + 0.375 ( 20.375 )10 ( 234.3 )5 252 + 351 + 45035-1 50 + 15 + 4 + 0.6 ( 69.6 )10 ( 110.01 )
14、2 122 + 121 + 02002-1 12-2 4+ 2 + 0 + 0.25 ( 6.25 )10,十进制转换为R 进制数 原则: 整数部分 基数连除法 (除以基数R取余数) 小数部分 基数连乘法 (乘以基数R取整数) 例：将（835.6875)10转换为十六进制数,4. 十进制和R进制之间的转换,(835.6875)10 = （343.B)16,4. 十进制和非十进制之间的转换,例：将(69.6875)10转换为二进制数,(69.6875)10=(1000101.1011)2,4. 十进制和非十进制之间的转换,常用表格,利用下面的表格，有时能较快地实现十进制到二进制的转换。,(68.
15、625)10= (64+4+0.5+0.125)10 =(1000100.101)2,(80)10= (64+16)10=(1010000)2,(130)10= (128+2)10=(10000010)2,(32)10= (100000)2,(126)10= (128-2)10=(1111110)2,总结：十进制转换为R进制数的方法,整数部分转换: 除以基数R取余数 a. 整数部分除以基数R, 余数做为等值的R进制数最低位; b. 将商再除以R,余数做为等值的R进制数的次低位; c. 重复步骤b,直到商等于零为止. 小数部分转换: 乘以基数R取整数 a. 小数部分乘以基数R,积的整数部分为R进制数的最高位; b. 将小数部分再乘以基数R,其积的整数部分为次高位; c. 重复步骤b,直到达到要求的精度为止.,有符号二进制数,无符号二进制数 特点：无符号位 有符号二进制数 原码 反码 补码,八位有符号数的最高位表示符号，0表示正数，1表示负数，其范围为 127 +127 或 128 +127,An-1An-2 A1A0,表示范围：0 2n-1,有符号二进制数的三种表示方法,原码：最高位为符号位，0表示正数，1表示负数。 例：正数 +18原 = 0 0010010 负数 - 18原 = 1 0010010 反码：正数的反码与原码相同； 负数的反码为原码按位取反 (数值
