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1、数字电路基础数字电路基础 南阳广播电视大学南阳广播电视大学郭英郭英2021/3/101知识目标知识目标了解数字电路特点及应用，熟知脉冲波形的五个主要参数；掌握微分电路、积分电路的功能和电路构成条件；熟知二进制、十六进制的表示方法，会进行数制间的转换。熟知8421、5421、余3码的表示形式；理解与门、或门、与非门、异或门的逻辑功能，熟知其图形符号；能对TTL非门电路的工作原理进行简要分析，了解TTL反相器的基本特性。了解TTL与非门、异或门、集电极开路门、三态门的功能及典型应用；了解常用COMS门电路的基本工作原理，掌握COMS门电路的使用常识；会应用公式法和卡诺图法对逻辑函数进行化简。202
2、1/3/102技能目标技能目标初步具有使用示波器观察脉冲波形并读出主要参数的能力；会查阅数字集成电路手册，能根据逻辑功能选用和代换集成门电路；掌握TTL和COMS集成电路引脚识读方法，掌握其使用常识；通过实验，初步掌握基本集成电路的逻辑功能测试方法。2021/3/103第一节 数字电路概述一、数字电路的特点（1）、电路结构简单，稳定可靠。数字电路只要能区别高电平和低电平就可以，对元件的精度要求不高，因此有利于实现数字电路集成化。（2）、数字信号在传输时采用高、低电平二值信号，因此数字电路抗干扰能力强，不易受外界干扰。（3）、数字电路不仅能完成数值运算，还可以进行逻辑运算和判断。（4）、数字电路
3、中元件处于开关状态，功耗较小。2021/3/104二、脉冲信号脉冲信号是指持续时间极短的电压或电流信号。各参数的含义：（1）脉冲幅度Um：脉冲从起始值到峰值之间的变化幅度；（2）脉冲前沿时间tr：脉冲从0.1Um变到0.9Um所需要的时间；（3）脉冲后沿时间tf：脉冲从0.9Um变到0.1Um所需要的时间；（4）脉冲宽度tW：脉冲前沿0.5Um到脉冲后沿0.5Um 之间的时间；（5）脉冲周期T：对于周期性脉冲，相邻两脉冲波对应点之间的间隔时间。Um0.9Um0.1Umtwtftr2021/3/105三、数字信号通常把脉冲的出现或消失用1和0来表示，这样一串脉冲就变成由一串脉冲1和0组成的数码，
4、这种信号称为数字信号。注：（1）、数字信号的0和1并不表示数量的大小，而是代表电路的工作状态； （2）、正逻辑：逻辑1为高电平，逻辑0为低电平； （3）、负逻辑：逻辑1为低电平，逻辑0为高电平。2021/3/106第二节RC电路的应用用电阻R和电容C构成的电路叫RC电路，在数字电路中最常用的是RC微分电路和RC积分电路。一、RC微分电路RC微分电路是一种常见的波形变换电路，能够将矩形脉冲变换成尖脉冲。电路构成如图：c+viRvo-电路应具有如下条件：（1）输出信号取自RC电路的电阻R两端。即VO=VR（2）电路的时间常数应远小于输入的矩形脉冲的宽度。即tw通常，当 3 tw 时，可认为满足上述
5、条件。2021/3/108第三节数制与码制一、数制一、数制数制：选取一定的进位规则，用多位数码来表示某个数的值。1、十进制特点：有十个数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9写法：(D)10Decimal或基数：10进位：逢十进一2、二进制特点：有两个数码：0、1写法：(B)2Binary或2021/3/109基数：2进位：逢二进一3、十六进制特点：有十六个数码：0、1、2、9、A、B、C、D、E、F写法：(H)16Hexadecimal或例如：(349)16=3162+4161+9160=(841)10(3AB.11)16=3162+A161+B160+116-1+116-2=(939.
6、0664)10基数：16进位：逢十六进一4、不同数制的转换（1）二进制数转换为十进制方法：把二进制数按权展开，再把每一位的位植相加，即可得到相应的十进制数。例如：(101.101)2=122+021+120+12-1+02-2+12-3 =4+0+1+1/2+0+1/8=(5.625)102021/3/1010(2)十进制数转换为二进制方法：除2取余逆序排列。例如：(215)10=(?)2最低位22152107余1253余1226余1213余026余123余021余10余1最高位(215)10=(11010111)22021/3/1011（3）二进制数转换为十六进制数方法：将二进制数的整数部分
7、自左向右每4位分为一组，最后不足4位的，高位用零补足；小数部分自右向左每4位分为一组，最后不足4位在右面补零。再把每四位二进制数对应的十六进制数写出即可。例：(01011110.10110010)2=(5E.B2)165EB22021/3/1012方法：将每个十六进制数用四位二进制数表示，然后按十六进制数的排序将四位二进制数排列好，就可得到相应的二进制数。例：将十六进制数（7E6AD）16转化为二进制。解： （7E6AD）16=（0111 1110 0110 1101）例：将十六进制数（123A。CBF）16转化为二进制。解： （123A.CBF）16(4)十六进制数转换为二进制数=(0001
8、00100011A.1110010111111)22021/3/1013在数字系统中，可用多位二进制数码来表示数量的大小，也可表示各种文字、符号等，这样的多位二进制数码叫做代码。数字电路处理的是二进制数据，而人们习惯使用十进制，所以就产生了用四位二进制表示一位十进制的计数方法，这种用于表示十进制的二进制代码称为二十制代码，简称为BCD码。常有的BCD码有：8421码、2421码、余3码等。二、码制二、码制2021/3/1014（1）它是一种有权代码，权值分别为8、4、2、1（2）编码简单直观：例：913.54100100010011，01010100用BCD码，可以将十进制数的每一位转换成相等
9、的二进制数，而不是将整个十进制数转换成二进制数。例：202=11001010而202的BCD码是0010000000102、2421码（1）它是一种有权代码，权值分别为2、4、2、1（2）编码方案不是唯一的。1、8421BCD码2021/3/10153、余3码（1）每一个余3码所表示的二进制数要比它所对应的十进制数多3，即余3码是由8421码加3产生的。（2）余3码是一种无权代码。例如：将十进制数168用余3码表示。解：十进制 1 6 8 余3码 0100 1001 10112021/3/1016第四节逻辑门电路基础所谓“逻辑”是指事件的前因后果所遵循的规律，如果把数字电路的输入信号看作“条件
10、”，把输出信号看作“结果”，那麽数字电路的输入与输出信号之间存在着一定的因果关系，即存在逻辑关系，能实现一定逻辑功能的电路称为逻辑门电路。基本逻辑门电路有：与门、或门和非门，复合逻辑门电路有：与非门、或非门、与或非门、异或门等。一、基本逻辑门一、基本逻辑门1、与逻辑门(1)与逻辑关系定义：当一件事件的几个条件全部具备之后，这件事情才能发生，否则不发生。运算规则：0*0=0，0*1=0，1*0=0，1*1=12021/3/1017（2 2）二极管与门电路）二极管与门电路ABCLR=3kD1D2D3Vcc (5V)（3 3）、真值表）、真值表 A B Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1
11、 1（4 4）、逻辑符号）、逻辑符号& &A AB BY Y2021/3/10182、或逻辑门(1)(1)或逻辑关系或逻辑关系 定义： 在决定一件事件的各个条件中，至少具备一个条件，这件事情就会发生。运算规则：0+0=0， 0+1=1，1+0=1，1+1=1（2 2）二极管或门电路）二极管或门电路ABCLRD1D2D32021/3/10190 0 00 0 00 1 10 1 11 0 11 0 11 1 11 1 1A B YA B YA AB BY Y11（3）、真值、真值表表（4 4）、逻辑符号）、逻辑符号2021/3/10203、非逻辑门（1 1）非逻辑关系）非逻辑关系定义：事情的结果
12、和条件总是呈现相反状态。运算规则：1=0，0=1（2）三极管非门电路VCCRCRbATL1 1A AY Y（3）、逻辑）、逻辑符号：符号：（4 4）、真值表）、真值表0 10 11 01 0A YA Y2021/3/1021二、复合逻辑门二、复合逻辑门1 1、与非电路、与非电路在与门后接非门就够成与非门在与门后接非门就够成与非门ABCLR=3kD1D2D3Vcc (5V)VCCRCRbTL1表示式表示式：Y = AB& &A AB BY Y符号：符号：2021/3/1022与非门真值表与非门真值表A B AB Y 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 02 2、或非门、或
13、非门表示式表示式： Y= A+B符号：符号：A AB BY Y11真值表真值表 A B A+B Y 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 02021/3/10233 3、与或非门、与或非门表示式表示式： Y= AB +CD符号：符号：C CD DY Y11A AB B& & &2021/3/10244、 异或异或门门=1=1A AB BY Y符号：符号：真值表真值表A B AB AB Y 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0真值表特点真值表特点: : 相同则相同则0,0, 不同则不同则1 1Y=A B =AB + AB表示式表示式
14、：2021/3/1025门电路小结门电路小结门电路门电路 符号符号 表示式表示式与门与门& &A AB BY YA AB BY Y11或门或门非门非门1 1Y YA AY=ABY=ABY=A+BY=A+BY= AY= A与非门与非门& &A AB BY YY= ABY= AB或非门或非门A AB BY Y11Y= A+BY= A+B异或门异或门=1=1A AB BY YY= AY= A B B2021/3/1026三、三、 TTLTTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路集成逻辑门电路是将逻辑电路的元件和连线都制作在一块半导体基片上。集成门电路若是由三极管为主要元件，输入端和输出端都是三极管结构，这种
15、电路称为三极管-三极管逻辑电路，简称TTL电路。TTL电路与分立元件电路相比，具有体积小、耗电少、工作可靠、性能好、速度高等优点。1、TTL反相器 （1）工作原理vI=3.6V，即输入为高电平时VB1= VBC1 + VBE2+ VBE3 =(0.7+0.7+0.7)V=2.1V，T1的e结反偏，c结正偏，处于倒置工作状态输出VC3 =0.2VVcc(5V)Rb14kRc21.6kRc4130Re21kT1T2T4T3DvI+-AL2021/3/1027V VC2C2= = V VCES2CES2 + + V VB3B3 =(0.2+0.7)V=0.9V =(0.2+0.7)V=0.9V，则，
16、则V VB4B4= = V VC2C2 =0.9V =0.9V作用于作用于T T4 4的的e e结和二极管的串联支路的电压为结和二极管的串联支路的电压为V VC2C2 - -V VO O =(0.9 - 0.2)V=0.7V =(0.9 - 0.2)V=0.7V，则，则T T4 4及及D D均截止均截止输入为高电平，输出为低电平输入为高电平，输出为低电平 。 v vI I=0.2V=0.2V，即输入为低电平时即输入为低电平时V VB1B1= (0.2+0.7)V=0.9V= (0.2+0.7)V=0.9V，T1T1的的e e结导通。结导通。此时，此时， V VB1B1 同时作用于同时作用于T
17、T1 1 的的c c结、结、T2T2和和T3T3的的e e结支路上，结支路上，T T2 2，T T3 3显然截显然截止，则止，则VccVcc通过通过R Rc2c2 向向T T4 4提供基极电流提供基极电流T T4 4及及D D导通导通，则，则v vo o V Vcccc - - V VBE4BE4- - V VD D =(5-0.7-0.7)=3.6V =(5-0.7-0.7)=3.6V输入为低电平，输出为高电平输入为低电平，输出为高电平 。（2 2）说明：）说明：采用输入级以提高工作速度采用输入级以提高工作速度采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载的能力采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载
18、的能力2021/3/1028（3 3） TTL TTL反相器传输特性反相器传输特性vIvOCBA3.6VED2.48V0.2V0.4V1.1V1.2V3VABAB段：段：v vI I很低，稳态时输出高；很低，稳态时输出高；BCBC段：段：v vI I值大于点值大于点B B，T1T1的的C C极供给极供给T2T2基极电流，但基极电流，但T1T1仍保持为饱和态，其仍保持为饱和态，其e e、c c结结均正偏；均正偏；T2T2对对v vI I的增量作线性放大：的增量作线性放大：CDCD段：的值继续增大并超越段：的值继续增大并超越C C点，使点，使T3T3饱和，输出电压迅速下降到饱和，输出电压迅速下降到
19、v vO O 0.2V0.2V，DEDE段：段： v vI I (D)(D)的值从点的值从点D D再继续增加时，再继续增加时，T1T1进入倒置放大状态，保持进入倒置放大状态，保持v vO O 0.2V0.2V。2021/3/10292 2、 TTL TTL门电路芯片简介门电路芯片简介(1)(1)、TTLTTL门电路芯片（门电路芯片（四四2 2输入与非门，输入与非门，型号型号7474LS00)LS00)& & & &14141313121211111010 9 9 8 8 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 & &地地GNDGND外形外形电源电源V VCCCC（+5V+5V）
20、管脚管脚2021/3/1030(2)(2)、常用、常用TTLTTL逻辑门电路逻辑门电路名称名称国际常用系列型号国际常用系列型号 国产部标型号国产部标型号说明说明四四2 2输入与非门输入与非门74LS0074LS00T1000T1000四四2 2输入或门输入或门四四2 2异或门异或门四四2 2输入或非门输入或非门四四2 2输入与门输入与门双双4 4输入与非门输入与非门双双4 4输入与门输入与门六反相器六反相器8 8输入与非门输入与非门74LS3274LS3274LS0274LS0274LS0874LS0874LS8674LS8674LS2174LS2174LS2074LS2074LS3074LS
21、3074LS0474LS04T186T186T1008T1008T1086T1086T1021T1021T1002T1002一个组件内一个组件内部有四个门，部有四个门，每个门有两每个门有两个输入端一个输入端一个输出端。个输出端。一个组件内有两一个组件内有两个门，每个门有个门，每个门有4 4个输入端。个输入端。只一个门，只一个门，8 8个输个输入端。入端。有有6 6个反相器。个反相器。2021/3/10313、集电极开路的与非门（、集电极开路的与非门（OC门）门）电路结构与逻辑符号电路结构与逻辑符号&+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABCOC门可以实现门可以实现“线与线与”功能。功能
22、。2021/3/10324、三态门（、三态门（TSL门）门）符号及功能表符号及功能表使能端高使能端高电平电平起作用起作用使能端低使能端低电平电平起作用起作用&ABF符号符号功能表功能表&ABF符号符号功能表功能表2021/3/1033四、CMOS集成门电路MOS集成电路：以场效应管为基础的集成电路。根据电路中MOS管的不同可分为PMOS、NMOS电路和CMOS电路，其中CMOS是PMOS管与NMOS管组成的互补型集成电路，具有功耗低、抗干扰性强，开关速度快等优点。1 1、CMOSCMOS反相器反相器UCCST2DT1uiuoDSPMOS管管NMOS管管2021/3/1034工作原理：工作原理：
23、ui=0时：时： ugs2= UCC ， T2导通、导通、T1截止，截止，uo=“”；ui=1时：时： T1导通、导通、T2截止，截止，uo=“0”。2 2、CMOSCMOS与非门与非门+UDDAFT2T1BT3T4SSSSGG结构结构2021/3/1035工作原理工作原理:A B T1 T2 T3 T4 F0 0 10 1 11 0 11 1 0&ABF2021/3/10363 3、CMOSCMOS或非门或非门+UDDFAT2T1BT3T4GGSSS结构结构工作原理工作原理:A B T1 T2 T3 T4 F0 0 10 1 01 0 0 1 1 0 ABF2021/3/10374 4、CM
24、OSCMOS传输门传输门+5V CVICVO-5VTGCC结构结构:符号符号:2021/3/1038工作原理工作原理:设被传输的模拟信号的变化范围为5v+5v。设控制信号：高电平VCH=+5v，低电平VCL=5v，两管的VT均为2v。（1）当C端接低电平时，TN的栅压为5v，VI在5v+5v时，TN截止，同时TP亦截止开关断开。（2）当C端接高电平时：若5vVI3vVGSN8vVTNTN导通VGSP2vVTPTP截止3vVI+3vVGSN2vVTNTN导通VGSP2vVTPTP导通+3vVI+5vVGSN2vVTNTN截止VGSP8vVTPTP导通即：在5vVI+5v的范围内，或者TN、TP单
25、独导通，或者它们同时导通，传输门被打开，VI顺利通过传输门开关闭合。2021/3/1039第五节逻辑代数的基本定律及逻辑函数的化简一、逻辑代数运算定律一、逻辑代数运算定律1、常量与变量关系定律（1）0，1律A+1=A A*0=0 A+1=1 A*1=A（2）互补律A+A =1AA =02021/3/10402 2、逻辑代数基本定律、逻辑代数基本定律（1）交换律 A+B=B+A A*B=B*A（2）结合律A+(B+C)=(A+B)+C A*(B*C)=(A*B)*C(3)分配律 A*(B+C)=A*B+A*C A+B*C=(A+B)*(A+C) 2021/3/1041(4)(4)反演律反演律(
26、(摩根定律摩根定律) ) AB =A+B A+B = AB用真值表证明用真值表证明A B AB A+B0 0 10 1 11 0 11 1 0 1 1 1 0 2021/3/10423、常用公式公式1AB+AB =A公式2A+AB =A公式3A+AB=A+B公式4AB+AC+BC =AB+AC二逻辑函数的公式化简法所谓化简逻辑函数,就是使逻辑函数的与或表达式中所含的或项数及每个与项的变量数为最少.常见的公式化简法有以下几种.1 合并项法利用AB+AB =A将两项并成一项,合并时消去一个变量.2021/3/10432 2、吸收法：、吸收法：利用A+AB=A消去多余的项3 3、消去法：、消去法：利
27、用消去多余的因子4 4、配项法：、配项法：利用公式A+A =1给某个与项配项，试探进一步化简函数例例1：2021/3/1044例例2 2： 将将Y=ABC+ABC+ABC+ABC+ABC化简为最简逻辑代数式。化简为最简逻辑代数式。 =AB(C+C)+ABC+AB(C+C) =AB+ABC+AB =(A+A)B+ABC =B+BAC ; A+AB=A+B =B+AC；C+C=1Y=ABC+ABC+ABC+ABC+ABC2021/3/1045例例3 3：将将Y化简为最简逻辑代数化简为最简逻辑代数式。式。 Y =AB+(A+B)CD解：解：Y =AB+(A+B)CD = AB+(A+B)CD = A
28、B+AB CD =AB+CD;利用反演定理利用反演定理;将将ABAB当成一个变量当成一个变量, ,利用公式利用公式A+AB=A+B；A=A2021/3/1046例例4 4：例例5 5：2021/3/1047三、逻辑函数的卡诺图化简法三、逻辑函数的卡诺图化简法1、用卡诺图表示逻辑函数最小项：包含了所有的变量，每个变量或以原变量或以反变量的形式出现，并且仅仅出现一次的乘积项。 对于n 变量来说，就有2n 个最小项。 卡诺图：由许多小方格组成的阵列图，每个小方格对应一个最小项，n变量的卡诺图有2n 个小方格。2021/3/1048AB00011110两变量ABC0001111001ABABCDCD0
29、001111000011110四变量三变量2021/3/1049用卡诺图表示逻辑函数的具体方法是：（1）根据变量的个数画空白卡诺图；（2）将逻辑函数化成最小项和的形式；（3）在空白卡诺图上，与函数最小项对应的方格填1，其余的方格填0。例：已知真值表填卡诺图：在其相应的小方格中填入0或1。00101111CBA2021/3/10502 2、卡诺图化简方法、卡诺图化简方法（1）、卡诺图化简法的依据卡诺图的基本特点是：任何两个几何是相邻的小方块所表示的最小项只有一个变量不同，其余变量均相同。根据公式AB+AB =A，可以将相邻的两个最小项并为一项，消去一个不同的变量。（2）化简方法2个相邻的小方格可
30、以合并成一项，同时消去一个不同的变量。4个相邻的小方格可以合并成一项，同时消去两个不同的变量。8个相邻的小方格可以合并成一项，同时消去三个不同的变量。2021/3/1051（3 3）、化简的步骤）、化简的步骤用卡诺图表示逻辑函数；按化简方法，将相邻的1方格圈起来，直到所有1方格被圈完为止；将每个圈所表示的最小项写出并相加，得到逻辑函数的最简与或表达式。卡诺图“圈1”的技巧由于卡诺图圈1方格的方法可以有多种形式，因此化简的结果也就不同，为获得最简与或式，圈1时应掌握基本方法与技巧。圈应尽量的大。圈越大，消去的变量越多。2021/3/1052圈的个数应尽量少。圈越少，或项越少。先圈孤立的1方格，再
31、圈仅与一个方格唯一相邻的1方格；最后再先大圈后小圈圈定。不要遗漏1方格，否则函数会出错。同一个1方格可以被圈多次，但每个圈应包含有未被圈过的1方格，否则该圈所表示的与项是多余的。1111ACBF=AC+BC+ABACBCAB2021/3/1053ACBD11111111BC2021/3/1054ACBD1111111111四个角为相邻的方格。2021/3/1055ACBD1111111函数的最简“与或”式不一定是唯一的。2021/3/1056ACBD11111110111011112021/3/1057ACBD0111011100000111若卡诺图中各小方格被1占去了大部分，这时采用包围0的
32、方法化简更简单，即先求出非函数，再对非函数求非，得到F。2021/3/1058 小结小结1、数字电子技术是有关数字信号的产生、整形、编码、存储、记数和传输的科学技术。脉冲组成的数码称为数字信号。脉冲的主要参数有幅度、上升时间、下降时间、脉冲宽度、脉冲周期等。2、RC电路可以对矩形脉冲进行变形，RC微分电路的构成条件为tw ，在C的两端输出为三角波。2021/3/10593、基本逻辑门电路有：与门、或门、非门三种，由基本门组成复合门有：与非门、或非门、与或非门和异或门等，它们是构成各种数字电路的基本单元。4、目前广泛应用的是数字集成器件，主要有TTL和CMOS两大系列，应用是应弄清其基本功能和引脚排列。5、逻辑函数的化简有利于电路的简化，可减少器件和提高工作可靠性。逻辑函数化简的方法有二种，一是公式化简法，二是卡诺图化简法2021/3/1060内容结束谢谢收看2021/3/1061
