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1、第1章 数字电路概述,目 录,1.1 数字信号与模拟信号 1.2 数字信号的表示方法 1.3 数字电路的基本功能及其应用 1.4 电路测试和故障排除 1.5 数字电路EDA仿真分析与设计,综述,电子技术是20世纪发展最迅速、应用最广泛的技术，已使人们的日常生活发生了根本的变革。 在我们的日常生活中有很多数字电子产品，如计算机、数码相机/摄像机、手机、DVD、MP3/MP4以及数字电视等。 因此，分析和设计数字电路已成为现代工程设计不可缺少的部分。,1.1 数字信号与模拟信号,在电子电路中，产生、传递、加工和处理的信号可以分为模拟信号和数字信号两大类。 模拟信号在时间和数值上都是连续的，即对应于
2、任意时间均有确定的电流或电压值，并且其幅值是连续的，如正弦波信号就是典型的模拟信号。,1.1 数字信号与模拟信号,某天最低气温是15C，最高气温是25C，则一天的气温变化是连续的。,1.1 数字信号与模拟信号,与模拟信号不同，数字信号在时间和数值上是离散的，或者说是不连续的，且其数值的变化都是某个最小量值的整数倍 。,1.1 数字信号与模拟信号,处理模拟信号的电路称为模拟电路。 处理数字信号的电路称为数字电路。 自然界存在大量的模拟信号和数字信号以及模拟系统和数字系统，并且这些系统往往并非独立，而是相互渗透的，因此在进行信号处理时需要将两者通过接口电路进行转换。,1.1 数字信号与模拟信号,数
3、字电路与模拟电路相比较，具有以下特点： 一般采用二进制，易实现，易复制 抗干扰能力强，精度高 可编程性强 便于长期存储，使用方便 保密性好,1.2 数字信号的表示方法,数字信号的表示采用二值逻辑。 1. 二值逻辑 在数字电路中，既可以用0和1组成二进制数，表示数量的大小，也可以用其表示一个事物的两种不同的逻辑状态。 当表示逻辑状态时，如：是与否、真与伪、有与无、开与关、高与低、通与断、亮与灭等，这里的0和1不是数值，而是逻辑0和逻辑1。,1.2 数字信号的表示方法,这种只有两种对立逻辑状态的逻辑关系称为二值逻辑。 用0和1表示逻辑关系时，二进制数可以进行逻辑运算。,1.2 数字信号的表示方法,
4、逻辑电平 在数字电路中，用电平的高低来表示逻辑1和逻辑0。因此，逻辑电平是指电路中表示逻辑1和逻辑0的电平。 不同工艺的数字集成电路具有不同的逻辑电平标准。当电源电压为5V时，数字集成电路的两大类TTL和CMOS电路对应的逻辑电平标准如下表所示。,1.2 数字信号的表示方法,1.2 数字信号的表示方法,3. 波形图 如果将数字电路的输入信号和输出信号的关系按时间顺序依次排列起来，就得到了其波形图，又称为时序图。,1.2 数字信号的表示方法,在画电路的波形图时，应特别注意输出与输入之间的对应关系 。第3章学习的反相器的波形图如下图所示：,1.2 数字信号的表示方法,实际脉冲波形一般如下图所示 ：
5、,1.3 数字电路的基本功能及其应用,典型的电子信息系统组成框图,1. 信号采集与处理 信号采集与处理电路完成对传感器的信号采集，并根据实际需要对其进行隔离、放大、滤波、运算、转换等处理。一般而言，该电路为模拟电路，在模拟电子技术中有其描述。 2. 接口电路-A/D转换器和D/A转换器 对于多数系统而言，传感器输出的信号为模拟信号 ，而处理系统为数字系统。,运算电路 运算电路可完成信息的算术运算和逻辑运算，这部分内容在第4章组合逻辑电路中介绍。 存储电路-存储器 数字系统都需要对大量的数据进行存储，存储器在第8章中介绍。 对存储器中的数据进行访问时，需要对其地址进行译码，即通过地址译码器寻址到
6、相应的单元。译码器内容将在第4章中介绍，如果需要对信息进行显示，也可在该章了解到七段译码器及数码显示等内容。,波形的产生与整形电路-多谐振荡器 CPU及很多数字电路正常工作时，需要时钟信号，该信号可通过多谐振荡器获得，该部分将在第7章波形的产生与整形电路中介绍。 分频电路-计数器 系统通过多谐振荡器产生了基准时钟以后，不同器件需要的时钟频率可能有所不同，此时可通过分频电路-计数器获得所需要的其他脉冲信号，分频器的设计与分析在第6章时序逻辑电路中介绍。,顺序脉冲发生器 系统各组成部分需要按照事先规定的顺序协调工作，顺序脉冲发生器便可产生此种信号以完成对各部分的控制。此部分内容在第6章中介绍。 信
7、号的驱动与执行 系统输出的控制信号经过功率放大后，驱动执行机构完成控制功能。功放电路在模拟电子技术中有说明。,1.3 数字电路的基本功能及其应用,某空调显示控制电路框图,1.4 电路测试和故障排除,故障排除是指系统地隔离、辨识及定位电路和系统故障的技术。 在进行故障排除时，需对电路进行测试，并进行故障诊断。故障诊断是一种了解和掌握设备在使用过程中的状态的技术，以确定其整体或局部是否正常，早期发现故障及其原因将能预报故障发展趋势。在诊断过程中，必须利用被诊断对象表现出来的各种有用信息，经过适当的处理和分析，做出正确的诊断结论。,1.4 电路测试和故障排除,电路测试组成框图,1.4.1 电路测试及
8、故障排除的仪器设备,在数字电路的故障排除和测试中经常用到的仪器设备有：万用表、示波器、逻辑分析仪、逻辑笔和信号发生器等。 万用表是一种多用途、多量程的便携式仪表，它集电压表、电流表和欧姆表于一体，可以进行交、直流电压和电流以及电阻等多种电量的测量，有的万用表还可以测量晶体管的主要参数及电容器的电容量等。,1.4.1 电路测试及故障排除的仪器设备,示波器是电子测量中一种常用的仪器，它是观察波形的窗口，可让设计人员或维修人员将人眼看不到的信号变化转换成可直接观察的波形，并显示在荧光屏上，以便人们进行电路观察、分析和测量。 逻辑分析仪是一种类似于示波器的波形测试设备，它可以监测硬件电路工作时的逻辑电
9、平（高或低），存储后采用图形的方式直观地表达出来，便于用户检测、分析电路设计中的错误。,1.4.1 电路测试及故障排除的仪器设备,逻辑笔是一种方便的手持式数字电路测试工具。它可检测到电路的高电平、低电平、单脉冲、连续脉冲以及开路等逻辑信息，并进行提示，其体积小、使用灵活、携带方便。 信号发生器又称为函数发生器，是一种应用非常广泛的电子设备，常作为电子测量系统中的信号源。信号发生器提供正弦波、方波、三角波等多种信号波形 。,1.4.2 故障排除,1. 故障排除的方法 直接观察法 直接观察法包括断电观察和加电观察两种方法。 断电观察是指检查元器件有无损坏、引脚有无接错、电路布局布线是否正确等。 加
10、电观察则是查看电路有无发烫、冒烟、发出焦味、打火、开路及短路等现象。,1.4.2 故障排除,参数测试法 该方法借助于仪器，测试电路或元器件的参数，通过理论分析找出故障原因。 信号跟踪法 该方法是在电路输入端接入合适信号，通过示波器，按信号的流向，从前级向后级逐级观察信号波形变化情况，以判定故障。 部件替换法 元器件替换法将电路中可能存在故障的元器件采用正常元器件进行更换，观察故障是否排除。,1.4.2 故障排除,断路法 使用断路法时，首先断开可能存在故障的电路，然后观察剩余电路是否正常，以此缩小故障范围，加快排除速度。 短路法 该方法采用临时短接部分电路，将信号跳过部分可能存在故障的电路，观察
11、结果是否正确，以缩小故障范围。,1.4.2 故障排除,2. 信号跟踪法故障排除的一般步骤 故障排除前的准备工作。 在任何故障排除前，首先应检查电源和地是否连接正确，是否存在电源和地的短路现象，这一点对保障电路器件的完好性非常重要，同时也应保证测试仪器与被测电路的共地性。,1.4.2 故障排除,根据故障现象判定故障可能发生的部位。 从故障部位的输入开始，一个一个芯片地进行分析, 对于每个芯片，对应其输入信号，采用逻辑笔、示波器或逻辑分析仪，测试其输出信号，并与理论输出结果相比较，判定芯片的完好性。 如果所测试芯片正常，则测试下一芯片，直至故障排除。,1.5 数字电路EDA仿真分析与设计,随着现代
12、电子系统的复杂化，计算机和相应的工程仿真软件已经成为现代电子技术的基本分析设计工具。仿真分析可以大大地缩短研制周期，节约成本，它已经具有举足轻重的作用。 所谓仿真分析，是指使用计算机对所设计电路的结构和行为进行预测，仿真器以文本形式或波形图等形式给出电路的输出，以便设计者分析系统，修改系统设计。,1.5 数字电路EDA仿真分析与设计,EDA仿真软件已有很多种，常用的有PSpice和Electronics Workbench EDA（EWB）等。 EWB支持模拟和数字混合电路的分析和设计。 Multisim2001为Multisim的一个版本，作为EDA仿真工具，目前已广泛应用于电子电路的仿真实
13、验和电子系统的仿真设计。,Multisim为用户提供了类型丰富的虚拟仪器，这些虚拟仪表主要包括示波器、万用表、函数发生器、失真度分析仪、频谱分析仪、逻辑分析仪和网络分析仪等，从而使电路仿真分析操作更符合电子工程技术人员的实验工作习惯。,1.5 数字电路EDA仿真分析与设计,对第3章介绍的反相器进行仿真时，可得其输入输出仿真波形如图所示。,1.5 数字电路EDA仿真分析与设计,需要说明的是本书一般采用A代表A的反变量，而在仿真中采用A代表A的反变量。 当采用EDA工具进行分析和设计时，需要将自己的设计输入到计算机中。此操作称为描述。常用的描述方式有两种：原理图方式和硬件语言输入方式。,本章小结,本章作为本书及数字电路的概述，介绍了数字信号的基本概念、数字信号的表示方法、数字电路的基本功能、数字电路的测试/故障排除及EDA仿真。,
