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1、, 多媒体教学手段 理解概念、掌握方法、提升技能 充分发挥想象力,数电辅助教学课件,1,0,0,1,0,1,0,0,1,0,0,0,0,1,0,0,1,0,1,0,0,1,0,与成立主编数字电子技术基础（第3版）教材配套,北京西城区百万庄大街22号 100037 购书：010-88379203/9641/9639/68993821 Fax:010-68320405,Fundamentals of Digital Electronic Technology,第 1 章 数字电路基础 1.1 数字信号与数字电路 1. 模拟信号 无论从时间上看，还是从信号幅度上看，其变化都是连续的，这些物理量被称为
2、模拟量。当然，表示模拟量的电信号称为模拟信号，处理模拟信号的电子电路即为模拟电路。 2. 数字信号 它们是在一系列离散时刻取值，数值大小和每次的增减都是量化单位的整数倍，即它们是一系列时间离散、信号大小也不连续的信号，此类信号被称为数字信号。工程技术上将工作于数字信号下的电子电路称为数字电路。,3. 模拟量的数字表示 图1-1表示模拟信号取样编码后，变成时间离散、数字信号。,图1-1 模拟量的数字表示 a）模拟电压信号 b）取样信号 c）数字信号,*1.1.2 数字技术的发展及其应用 （1）音频信息存储 （2）视频信息存储 （3）MPEG（Moving Picture Experts Grou
3、p） （4）数码相机 （5）数字信号处理器（DSP）,1.1.3 数字集成电路的特点及其分类 1. 数字信号的电压范围与逻辑电平 数字集成电路中用0和1表示数字信号。如图1-2b。 图1-2 数字信号波形 a）标明时间及幅值的数字电压波形 b）脉冲数字电压波形简图,2. 数字电路的优点 （1）易于设计 （2）抗干扰能力强、精度高 （3）高速度、低功耗（4）可编程性和通用性 （5）便于存储、传输和处理 3. 数字电路的分类 从集成度来说，数字集成电路可分为小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（LSI）、超大规模（VLSI）和特大规模（ULSI）等5类数字集成电路一。所谓单片集成度，是指每一
4、块数字IC芯片中包含的门的数目。 也可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。,1.1.4 数字电路的分析方法 主要用逻辑表达式、真值表、功能表或波形图。,1.2 数制与编码 1.2.1 常用的计数制及其相互转换规律 1. 十进制 十进位计数制简称十进制，它用0，1，2，3，4，5，6，7，8，9等10个数码的组合来表示一个数，当任何1位数比9大1时，则向相邻高位进1，而本位复0，此为“逢十进一”。 任何一个十进制数都可以用其幂的形式表示。,例如： 125.681100210510060.180.01 110221015100610-1810-2。,推广： 任意一个十进制数N可以表示为 (N)1
5、0Kn-110n-1Kn-210n-2Ki10i K1101K0100K-110 -1K-210-2K-m10-m (N)RKn-1Rn-1Kn-2Rn-2KiRi K1R1K0R0K-1R-1K-2R-2K-mR-m,2. 二进制 二进位计数制简称二进制，它只有两个数字符号0和1，其计数规律为“逢二进一”，当11时，本位复0，并向相邻高位进1，即1110（读作“壹零”）。可表示为 (N)2Kn-12n-1Kn-22n-2Ki2i K121K020K-12-1K-22-2K-m2-m 任意1个二进制数按位权展开，都可转换为十进制数，称作多项式替代法。 例1-1 试将(1101.101)2转换成
6、十进制数。 解： (1101.101)212312202112012-102-212-3(13.625)10。,十进制数也可转换为二进制数，一般采用基数除/乘法。 例1-2 试将十进制数(13.625)10转换为二进制数。 解：,于是得(13.625)10(1101.101)2 。,3. 十六进制 共有16个数码：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A（对应于十进制数10），B（11），C（12），D（13），E（14），F（15），其计数规律为“逢十六进一”，即F110。 十六进制的进位基数为1624，因此二进制与十六进制数之间的转换可采用直接转换法：,例如： (11110100101.
7、011011)2(7A5.6C)16。 (68A.2C)16(11010001010.001011)2。,1.2.2 编码 若用一组代码，并给每个代码赋以一定的含义则称为编码。,编码信息有N项，则位数n应满足 2nN （1-4） 即nlog2N 例如若N8，则取nlog283。,表1-3 几种常见的BCD码,BCD（Binary-Coded-Decimal， BCD）码， 用4位二进制数代码表示1位十进制数。,1.3 逻辑代数基础 1.3.1 逻辑代数的3种基本运算 1. 与运算 一个事件的发生具有多个条件。只有当所有条件都具备之后，此事件才会发生。 图1-3 说明与逻辑运算的开关电路 a）电
8、路图 b）与逻辑符号,2. 或运算 在决定一事件发生的多个条件中，只要一个条件满足，此事件就会发生。 图1-4 说明或逻辑运算的开关电路 a）电路图 b）或逻辑符号,3. 非运算 一件事情（灯亮）的发生是以其相反的条件为依据的。 图1-5 说明逻辑非运算的开关电路 a）电路图 b）非逻辑符号,4. 其他5种常用的逻辑运算 图1-6 常用的5种逻辑运算及其逻辑符号 a）与非逻辑符号 b）或非逻辑符号 c）与或非逻辑符号 d）异或逻辑符号 e）同或逻辑符号,1.3.2 逻辑代数的基本公式和常用公式 1. 基本公式,2. 常用公式,（1）AABA 证：AABA(1B)A。 （2）A(AB)A 证：A
9、(AB)AABA。 （3）ABAB 证：AB(A)(AB）AB。 （4）ABCBCABC 证：ABCBCABC(A)BCABCABCBC AB(1C)C(1B)ABC。 （5）ABA=A 证：ABAA(B+)A。 （6）(AB)(A+)A 证：(AB)(A)AAABA(1B)A。,1.3.3 逻辑代数的基本规则 1. 代入规则 对于任意一个逻辑等式，如果将等式中所有出现某一变量之处都用同一个逻辑函数去置换，该等式仍然成立。 2. 反演规则 逻辑乘“”换成逻辑加“”，“”换为“”；“0”换为“1”，“1”换为“0”；原变量与反变量互换，则是原函数F的反函数。例如： 凡不是一个变量，其上非号均应保
10、持不变。 3. 对偶规则 逻辑乘“”换成逻辑加“”，“”换为“”；“1”换成“0”，“0”换为“1”，所得到称为原函数F对偶式。 如：,1.4 逻辑函数的建立及其表示方法 例1-3 有一水塔，用一大一小两台电动机MS和ML去分别驱动两个水泵向水塔注水，当水塔的水位降到C点时，小电动机MS单独驱动小水泵注水，当水位降到B点时，大电动机ML单独驱动大水泵注水，当水位降到A点时由两台电动机同时驱动。,图1-7 水塔注水控制示意图,解：（1）设水位C、B、A为逻辑变量； （2）填入真值表，如表1-12所示； （3） （4）根据式（1-5），可画出逻辑电路图。,图1-8 水塔注水控制逻辑电路图,1.5
11、逻辑函数的化简 1.5.1 逻辑函数的最简形式 与或式的最简形式是： 式中所含与项最少； 各与项中含变量数最少。,1.5.2 逻辑函数的公式化简法 1. 并项法,2. 吸收法,3. 消去法 4. 配项法 利用A1，AAA，AAA，1A1等,将与或式变换成与非-与非表达式。例如：,1.5.3 用卡诺图化简逻辑函数 1. 逻辑函数的最小项及其性质 最小项具有如下性质： 每一个最小项都分别对应着输入变量唯一的一组取值，使该最小项的值为1； 所有最小项的逻辑或为1； 任意两个最小项的逻辑与为0。,表1-13 3变量逻辑函数全部最小项及其相应取值,2. 用卡诺图表示逻辑函数 （1）卡诺图的构成 每一个方
12、格都代表逻辑函数的一个最小项，且任意两个相邻方格所代表最小项仅一个变量之别。,图1-9 两变量卡诺图,图1-10 3变量和4变量卡诺图,（2）已知逻辑函数画出卡诺图 例1-5 填写4变量逻辑函数FBADBDABCD的卡诺图。 解：,图1-11 最小项逻辑函数表达式填图方法,例1-6 已知逻辑函数 ，试直接将其填入卡诺图。 解：,图1-12 非最小项逻辑函数表达式填图方法,3. 用卡诺图化简逻辑函数 （1）相邻方格的合并规则 1）两个相邻小方格可以合并成一个与项，且消去一个变量， 2）4（22）个相邻的方格可合并成一个与项，且消去两个变量 3）N（2k，k为正整数）个相邻方格可合并成一个与项，且
13、消去k个变量。,图1-13 卡诺图相邻方格的圈法 a）圈两个方格 b）圈4个方格 c）圈8个方格 d）圈16个方格,（2）卡诺图法化简步骤 1）变换及填图 2）画圈 3）写式 例1-7 用卡诺图法化简逻辑函数F 解：,F,1.6 具有无关项逻辑函数的化简 函数的逻辑值可以是任意的，或者这些变量取值根本不会出现，称为无关项或任意项。记为“d”，在卡诺图中用“” 表示。 例1-3完整的真值表,MSAC，MLB,1.7 数字电路中的半导体器件 1.7.1 本征半导体 1. 半导体和本征半导体 物质按其导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体。导电能力介于导体与绝缘体之间的一类物质称为半导体。 最常用
14、硅（Si）和锗（Ge）。 高度提纯、结构完整的称为“本征半导体”。 2. 本征半导体的原子结构及共价键 本征Si（或本征Ge）的原子结构和共价键结构，共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成。,图1-16 Si（或Ge）的原子结构和共价键结构,3. 本征激发及两种载流子自由电子和空穴 束缚电子在外部能量的作用下脱离共价键成为自由电子的过程称为本征激发束缚电子受激发脱离共价键后，留下一个空位，称此空位为“空穴”，自由电子和空穴总是成对出现、数目相等的。,图1-17 电子-空穴对和束缚电子 填补空穴的运动,结论： 半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴，它们都可以运载电荷而形成电流； 在一定的温度下，本征半导体中电子-空穴对的产生与复合相对平衡，电子-空穴对的数目相对稳定； 温度升高，受本征激发的电子-空穴对数量增加，半导体的导电能力增强。 具有空穴载流子是半导体导电区别于导体导电的一个重要特征。,1.7.2 杂质半导体 掺入的元素称为杂质，掺杂的半导体即为杂质半导体。 1. N型半导体 若在本征Si（或本征Ge）中掺入微量的5价元素，如磷（P）或砷（As）等，则构成N型半导体。,图1-18 N型半导体中的共价键结构,2. P型半导体 若在本征Si（或本征Ge）中，掺入微量的3
