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1、数字逻辑与系统函授自学指导书20032004第2学期教师：张宇威数字逻辑与系统课程是通信、电子、自动化和计算机等专业的技术基础课，是一门实践性很强的课程。其任务是使学生掌握数字逻辑与系统的工作原理和分析方法，能对主要的逻辑部件进行分析和设计，学会使用标准的集成电路和高密度可编程逻辑器件，掌握数字系统的基本设计方法，为进一步学习各种超大规模数字集成电路的系统设计打下基础。课程的主要内容包括数字逻辑基础和数字电路两个部分，学生自学时应把握好这两条贯穿整个课程的主线。数字逻辑基础是研究数字电路的数学基础，要求学生明确数字电路中逻辑变量的概念，掌握逻辑代数（布尔代数）的基本运算公式、定理，能够熟练对逻
2、辑函数进行化简。数字电路是解决逻辑问题的硬件电路，包括组合逻辑电路和时序逻辑电路两种基本形式。对于每一种电路形式，要从基本单元电路入手，熟悉其常用中规模集成电路的原理及使用方法，掌握数字电路（组合和时序电路）的分析和设计方法，并了解数字系统的现代设计方法。全书共分9个章节，要求熟练掌握第一至第六章以及第七章前三节内容，八、九章可做一般了解。一、主要内容与学习要求第一章、数字逻辑基础数字逻辑基础是研究数字电路的数学基础，本部分首先讨论数字系统中数的表示方法及常用的几种编码，然后介绍逻辑代数的基本概念和基本理论，说明逻辑函数的基本表示形式及其化简。在本章中，要求学生：掌握常用的数制二进制、十进制、
3、十六进制的相互转换；了解二进制数的原码、反码及补码的表示方法； 掌握常用的编码及它们与二进制数间的相互转换； 熟悉逻辑代数的基本定律与规则； 掌握逻辑函数的表示方法及各种表示方法之间的相互转换； 熟练掌握代数法和卡诺图法化简逻辑函数。重点：1、数字电路的特点数字电路处理的是不连续的数字信号，只有逻辑高和逻辑低两种状态。主要研究电路输入和输出间的逻辑关系。 逻辑代数（布尔代数）是分析逻辑电路的数学工具。 数字电路中采用二进制计数，只有0、1两个数码。由于数字电路研究日常生活中的逻辑问题，即不考虑事件的大小，而只考虑事件的有无及其因果关系。因而数字电路中的数没有大小的概念，而是代表事件的两种相互对
4、立的矛盾状态。例如描述考试这一问题，通过用1表示，不通过用0表示。可见二进制数0与1，不具备数学中1、2、3等数字大小的含义，而是表示两种对立的逻辑状态。2、数制与数制转换常用数制有十进制、二进制、八进制和十六进制。在日常生活中，我们习惯于用十进制数，而在数字系统中多采用二进制，有时也采用八进制和十六进制。不同数制有不同的基数、位权和进位方式。基数位权进位十进制0、1、2、3、4、5、6、7、8、910i逢10进一二进制0、12i逢2进一八进制0、1、2、3、4、5、6、78i逢8进一十六进制0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F16i逢16进一3、常用编码常用的有自然
5、二进制码、格雷码、二十进制码等。二十进制编码（Binery Coded Decimal Codes）简称BCD码。它用二进制代码对十进制数的各个数码进行编码。二十进制编码有很多，最常用的是8421BCD码。4、逻辑代数基础逻辑代数的基本公式反映了二值逻辑的基本思想，是逻辑运算的重要工具，也是学习数字电路的必备基础。逻辑代数有三个基本规则，利用代入规则、反演规则和对偶规则使逻辑函数的公式数目倍增。5、逻辑问题的描述逻辑问题的描述可用真值表、函数式、逻辑图、卡诺图和时序图，它们各具特点又相互关联，可按需选用，它们之间的转换关系见图1-1所示。图1-1 逻辑电路的描述方法卡诺图真值表标准式一般式卡诺
6、图真值表逻辑图逻辑图表达式简化变简化变展开填图换换时序图6、图形法化简逻辑函数利用卡诺图的逻辑相邻性对逻辑函数进行简化。若图中两个相邻的方格均为1，则这两个相邻的最小项的和将消去一个变量，若图中四个相邻的方格均为1，则这四个相邻的最小项的和将消去两个变量，依此类推，几何相邻的2i（i = 1、2、3n）个方格为1，则2i个相邻的最小项的和将消去i个变量，这样可使逻辑函数得到简化。难点：1、给定逻辑函数，如何将逻辑函数化为最简逻辑函数化简可选择代数法与图形法（卡诺图法）。用代数法化简逻辑函数，要求熟练掌握逻辑代数的基本公式和规则，熟练运用四个基本方法并项法、消项法、消元法及配项法对逻辑函数进行化
7、简。图形法比较适合于具有三、四变量的逻辑函数的简化。用图形法化简逻辑函数时，一定要注意卡诺图的循环邻接的特点，画包围圈时应把每个包围圈尽可能画大。第二章、逻辑门电路基本逻辑门是构成数字电路的单元电路，集成逻辑门主要有双极型集成逻辑门和MOS集成逻辑门。本章要求学生了解TTL及CMOS门电路的电路结构及工作原理；掌握TTL门电路的逻辑功能、外特性及典型应用。重点：1、基本逻辑门基本逻辑运算有与、或、非三种，在此基础上可复合出与非、或非、异或、同或等逻辑关系。每一种逻辑关系分别由相应的逻辑门来实现，如与门实现与的逻辑关系，异或门实现异或关系。要求熟练掌握各逻辑门的逻辑关系和逻辑符号。2、集成电路的
8、分类集成电路按其内部有源器件的不同可分为两类：双极型晶体管集成电路和绝缘栅场效应管集成电路。常见的双极型电路有TTL、ECL、HTL和I2L等几个系列，MOS电路则包括PMOS、NMOS和CMOS三种。目前应用较广的有TTL、ECL和CMOS电路。TTL电路驱动能力强，工作速度中等，但功耗大、集成度低；CMOS电路则具有集成度高、功耗低的特点，其子系列HCMOS的工作速度可与TTL相当；ECL电路的工作速度最快，广泛用于数字通信系统等高速且干扰小的电路中。3、TTL电路的使用规则（1）TTL电路典型电源电压为+5V5%。（2）闲置输入端的处理。由TTL器件的电路结构可知，输入端悬空相当于接逻辑
9、“1”电平，在小规模集成电路实验时允许悬空处理，但是容易受到外界干扰，破坏电路功能。所以在时序电路或复杂的数字系统中，闲置输入端应根据逻辑功能的要求接至相应电平，不允许悬空。（3）输出端处理。采用推拉式输出结构的TTL电路，其输出端不允许并联使用，否则，会导致电路逻辑功能混乱，甚至损毁器件。集电极开路OC门和三态门除外。此外，TTL电路的输出端不允许直接接地或电源。但有时为了使后级电路获得较高的输出电平，允许输出端通过电阻与电源相连。难点：对于本章的学习，同学们应从实际应用的角度出发，掌握集成电路的使用规则，不要求分析具体电路。第三章、组合逻辑电路组合逻辑电路是数字电路的一个重要部分。本章在掌
10、握了第二章基本逻辑门电路的基础上，进一步研究由门电路构成的常用组合逻辑模块，进而掌握组合逻辑电路的分析方法与设计方法。要求学生：掌握常用中规模组合逻辑器件的逻辑功能及使用方法；正确理解常用中规模组合逻辑器件的工作原理；一般了解组合逻辑电路的竞争与冒险。掌握组合逻辑电路分析和设计的基本方法；重点：1、组合逻辑电路的特点（1）组合逻辑电路某时刻的输出仅决定于该时刻的输入，与电路原状态无关。（2）无输出反馈到输入的回路 ；（3）由基本逻辑门构成，不含记忆元件。2、常用组合逻辑模块常用的组合逻辑模块包括：加法器、比较器、编码器、译码器、数据选择器与数据分配器。加法器：算术运算是数字系统的基本功能,更是
11、计算机中不可缺少的单元.而加法器就是实现算术运算功能的基本逻辑组件。分为半加器和全加器。（1）半加器不考虑低位进位，将两个一位二进制数相加求得和并向高一位进位的运算称为半加。完成半加功能的逻辑电路称为半加器。（2）全加器考虑低位进位，将低位的进位位与两个一位二进制数相加求和并向高一位进位的运算称作全加。完成全加功能的逻辑电路称为全加器。常用的加法器芯片有74LS283。数值比较器：能对两组同样位数的二进制数进行数值比较且判断其大小的逻辑电路称数值比较器。常用的比较器芯片有74LS85。编码器：编码即将某种代码或电位信号转换成二进制码，能实现编码功能的逻辑电路称为编码器。常用的编码器芯片有74L
12、S147、74LS148。（1）优先编码器优先编码器允许几个输入端同时加上信号（高电平或低电平），电路只对其中优先级别最高的信号进行编码。（2）二十进制编码器二十进制编码器可对10个输入信号（代表十进制数的十个状态）进行编码，输出相应的BCD代码。译码器：译码是将二进制代码翻译成它所代表的某特定信息，译码是编码的逆过程。完成译码功能的逻辑电路称为译码器。常用的译码器芯片如74LS138、74LS139、74LS247。（1） 二进制译码器 二进制译码器是将n位二进制代码的2n个状态按原意进行翻译，输出对应的信号。常见的有3-8译码器、2-4译码器等。(2)二十进制译码器可将BCD码翻译成十个对
13、应的输出信号的译码器称为二十进制译码器。它有四个输入端和十个输出端，所以又称4线10线译码器。(3)数字显示译码器能直接驱动数字显示器的译码器称显示译码器。常用的显示译码器是能驱动七段数码管的BCD七段字形译码器，它可以把输入的二十进制代码转换成七段显示管所需要的输入信息。数据选择器：数据选择器可等效于一个单刀多掷开关，其功能是通过地址代码从多个数字信号中选择任何一个需要的信号输出。常用的数据选择器芯片如74LS151、74LS153。3、组合逻辑电路的分析组合逻辑电路的分析是描述已知组合电路的功能。通常组合电路分析的步骤为：（1）由已知组合电路求函数表达式；（2）化简函数表达式（可用代数法或
14、图解法进行化简）；（3）列出真值表；（4）描述电路功能。4、组合逻辑电路的设计组合逻辑电路的设计是分析的逆过程，它根据预定的设计要求设计出能满足要求的实际组合逻辑电路。可以用经典法，即用小规模集成电路（SSI）进行设计，也可以用组合逻辑模块（MSI）进行设计。经典法的设计步骤为：（1）将设计要求转化为逻辑关系并列出真值表这一步十分重要，关键是根据设计要求确定输入变量、输出变量及输入输出的逻辑关系并进行逻辑赋值。列写真值表时要注意是否包含无关项。（2）简化函数根据得到的真值表可用代数法或卡诺图法进行简化。（3）根据化简结果及所用门画出逻辑电路用MSI设计组合逻辑电路的步骤逻辑电路适当形式的函数式
15、逻辑函数设计要求用MSI模块设计步骤为：重点：掌握组合逻辑电路分析和设计的基本方法；掌握用中规模组合逻辑器件组成的组合电路的分析和设计方法。第四章、触发器触发器是构成时序逻辑电路的记忆单元。在本章要求学生：掌握集成双稳态触发器的功能、特性方程、状态转换图、状态转换真值表；理解电平触发器、主从触发器、边沿触发器的特点；了解触发器的结构及工作原理。重点：1、触发器的特点及分类触发器具有两个稳定的状态0和1。在不同的输入信号作用下，触发器可以置成0，也可以置成1。当输入信号消失后，它能保持其状态不变。它与组合逻辑电路不同，触发器的输出不仅与信号输入有关，而且还与它原来的状态有关，即具有记忆功能，是构成时序电路的基本单元。按触发方式分类有：电位触发方式、主从触发方式、边沿触发方式。按逻辑功能分类有：R-S触发器、 D触发器、 J-K触发器、T触发器。2、触发器功能的描述方法触发器
