第二節(jié) 數(shù)字電路基礎(chǔ) 1、模擬信號和數(shù)字信號2012

1、數(shù)字電路基礎(chǔ)數(shù)字電路基礎(chǔ)n模擬信號和數(shù)字信號模擬信號和數(shù)字信號n晶體管的開關(guān)作用晶體管的開關(guān)作用n基本邏輯門電路基本邏輯門電路n數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路第一課第一課 模擬信號和數(shù)字信號模擬信號和數(shù)字信號數(shù)碼照相機(jī) 數(shù)碼手機(jī) MP3 計數(shù)器 數(shù)碼顯示器 如：計算器 n 模擬信號與數(shù)字信號模擬信號與數(shù)字信號tu正弦波信號正弦波信號l 模擬信號模擬信號隨時間隨時間連續(xù)變化的連續(xù)變化的信號。信號。如：速度、如：速度、壓力、溫度壓力、溫度等。等。數(shù)字信號在電路中常表現(xiàn)為突變的電壓或電流數(shù)字信號在電路中常表現(xiàn)為突變的電壓或電流 l 數(shù)字信號數(shù)字信號隨時間跳隨時間跳躍式變化的信躍式變化的信號。號。 如：電子

2、表如：電子表的秒信號，生的秒信號，生產(chǎn)線上記錄零產(chǎn)線上記錄零件個數(shù)的記數(shù)件個數(shù)的記數(shù)信號等。信號等。脈沖信號脈沖信號數(shù)字電路數(shù)字電路v 處理數(shù)字信號的電路叫數(shù)字電路，電子計算機(jī)處理數(shù)字信號的電路叫數(shù)字電路，電子計算機(jī)就是建立在數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)上的。就是建立在數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)上的。v聲音、圖象等模擬信號可用聲音、圖象等模擬信號可用A/D轉(zhuǎn)換器（模數(shù)轉(zhuǎn)換器（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的數(shù)字信號，而轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的數(shù)字信號，而二進(jìn)制的二進(jìn)制的數(shù)字信號數(shù)字信號也可用也可用D/A轉(zhuǎn)換器（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換成聲音、圖象等模擬信號。成聲音、圖象等模擬信號。v 由于數(shù)字電路的可靠性強，受外界

3、干擾影響小，由于數(shù)字電路的可靠性強，受外界干擾影響小，因此具有高速度、高保密、高保真等優(yōu)點。因此具有高速度、高保密、高保真等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于電視機(jī)、音響、照相機(jī)、手機(jī)等。廣泛應(yīng)用于電視機(jī)、音響、照相機(jī)、手機(jī)等。 相對于模擬信號而言，數(shù)字信號中所包含的信相對于模擬信號而言，數(shù)字信號中所包含的信息量少，在定義、處理、傳輸、存儲等過程中可以息量少，在定義、處理、傳輸、存儲等過程中可以非常明確和方便。能夠以很大的概率避免傳輸媒介、非常明確和方便。能夠以很大的概率避免傳輸媒介、存儲介質(zhì)等物理環(huán)境和材料所產(chǎn)生的各種不確定性存儲介質(zhì)等物理環(huán)境和材料所產(chǎn)生的各種不確定性（如噪聲、誤差、突發(fā)錯誤）所帶來的不利影

4、響。（如噪聲、誤差、突發(fā)錯誤）所帶來的不利影響。 隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步和成熟，出于可靠性、隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步和成熟，出于可靠性、復(fù)雜度、功耗、尺寸、成本等問題的考慮，人們越復(fù)雜度、功耗、尺寸、成本等問題的考慮，人們越來越傾向于來越傾向于 應(yīng)用數(shù)字電路來完成原本必須用模擬電應(yīng)用數(shù)字電路來完成原本必須用模擬電路來完成的事情。路來完成的事情。 目前常用的電子電路越來越多的以集成芯片目前常用的電子電路越來越多的以集成芯片（ICIC）為核心，而集成芯片中大多數(shù)是基于數(shù)字技）為核心，而集成芯片中大多數(shù)是基于數(shù)字技術(shù)的。術(shù)的。第二課第二課 晶體管的開關(guān)作用晶體管的開關(guān)作用 數(shù)字電路中最基本的元器件數(shù)字

5、電路中最基本的元器件是是晶體二極管晶體二極管和和晶體三極管晶體三極管，它，它們一般都工作在開關(guān)狀態(tài)，即工們一般都工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作于作于導(dǎo)通導(dǎo)通和和截止截止兩個對立的狀態(tài)，兩個對立的狀態(tài)，來表示邏輯來表示邏輯1和邏輯和邏輯0，處理具有，處理具有開關(guān)特性的數(shù)字信號。開關(guān)特性的數(shù)字信號。l 二極管具有單向?qū)щ娦远O管具有單向?qū)щ娦?晶體二極管的開關(guān)作用晶體二極管的開關(guān)作用l 二極管在數(shù)字電路中表現(xiàn)為是一個二極管在數(shù)字電路中表現(xiàn)為是一個受外加電壓受外加電壓vi控制的開關(guān)控制的開關(guān)。當(dāng)外加電壓。當(dāng)外加電壓vi為一脈沖信號時，二極為一脈沖信號時，二極管將隨著脈沖電壓的變化在管將隨著脈沖電壓的變化在導(dǎo)

6、通導(dǎo)通與與截止截止?fàn)顟B(tài)之間轉(zhuǎn)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。換。 在電路中只有兩種在電路中只有兩種工作狀態(tài)：工作狀態(tài)：正向?qū)ㄕ驅(qū)ǎㄏ喈?dāng)開關(guān)接通），（相當(dāng)開關(guān)接通），反向截止反向截止（相當(dāng)開關(guān)斷開）（相當(dāng)開關(guān)斷開）二極管伏安特性二極管伏安特性 正向?qū)ㄕ驅(qū)ǎㄏ喈?dāng)開關(guān)接通），（相當(dāng)開關(guān)接通）， 反向截止反向截止（相當(dāng)開關(guān)斷開）（相當(dāng)開關(guān)斷開）l 通過控制基極電流，能使三極管分別處于通過控制基極電流，能使三極管分別處于放大放大、截止截止和和飽和飽和三種工作狀態(tài)。三種工作狀態(tài)。晶體三極管的開關(guān)作用晶體三極管的開關(guān)作用三極管的電路符號三極管的電路符號l 在數(shù)字電路中，三極管實在數(shù)字電路中，三極管實質(zhì)上是一個質(zhì)上

7、是一個受基極信號控制受基極信號控制的無觸頭開關(guān)。的無觸頭開關(guān)。只要在三只要在三極管的基極輸入相應(yīng)的極管的基極輸入相應(yīng)的控制信號，控制信號，就能使三極管就能使三極管處于處于截止截止（相當(dāng)開關(guān)斷開）（相當(dāng)開關(guān)斷開）和和飽和飽和（相當(dāng)開關(guān)接通）（相當(dāng)開關(guān)接通）狀狀態(tài)，起到開關(guān)的作用。態(tài)，起到開關(guān)的作用。三極管伏安特性三極管伏安特性通過控制基極電流，能使三極管分別通過控制基極電流，能使三極管分別處于處于放大、截止放大、截止和和飽和飽和三種工作狀態(tài)。三種工作狀態(tài)。 放大放大截止截止飽和飽和第三課第三課 基本邏輯基本邏輯 門電路門電路n 基本邏輯門電路基本邏輯門電路l在數(shù)字電路中，輸出信號和輸入信號之間存

8、在一定在數(shù)字電路中，輸出信號和輸入信號之間存在一定的邏輯關(guān)系。門電路是用以實現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路，的邏輯關(guān)系。門電路是用以實現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路，是數(shù)字電路的基本單元。是數(shù)字電路的基本單元。l最基本的門電路是一種有一個或多個輸入端，只有最基本的門電路是一種有一個或多個輸入端，只有一個輸出端的開關(guān)電路。門電路就像一扇門，當(dāng)具備一個輸出端的開關(guān)電路。門電路就像一扇門，當(dāng)具備開門條件時，輸出端就有一個信號輸出；反之，門關(guān)開門條件時，輸出端就有一個信號輸出；反之，門關(guān)閉，就有另一個信號輸出。閉，就有另一個信號輸出。l在數(shù)字電路中，最基本的邏輯關(guān)系有與、或、非三在數(shù)字電路中，最基本的邏輯關(guān)系有與、或、非

9、三種，因此，最基本的門電路有與門、或門、非門。由種，因此，最基本的門電路有與門、或門、非門。由這三種基本門電路可以組合成各種復(fù)雜的邏輯電路。這三種基本門電路可以組合成各種復(fù)雜的邏輯電路。與門電路的邏輯關(guān)系與門電路的邏輯關(guān)系“與與”邏輯（邏輯（AND）A、B、C條件都具備條件都具備時，事件時，事件F才發(fā)生。才發(fā)生。EFABC&ABCF邏輯符號邏輯符號邏輯式邏輯式F=ABC邏輯乘法邏輯乘法邏輯與邏輯與AFBC00001000010011000010101001101111真值表真值表 真值表是指用真值表是指用1 1和和0 0表示輸入表示輸入邏輯變量的各種可能取值和相應(yīng)邏輯變量的各種可能取值

10、和相應(yīng)的輸出變量之間對應(yīng)關(guān)系的表格。的輸出變量之間對應(yīng)關(guān)系的表格。與門電路的工作波形圖與門電路的工作波形圖或門電路的邏輯關(guān)系或門電路的邏輯關(guān)系“或或”邏輯（邏輯（OR）A、B、C只有一個只有一個條件具備時，事件條件具備時，事件F就發(fā)生。就發(fā)生。 1ABCFAEFBC邏輯符號邏輯符號F=A+B+C邏輯式邏輯式邏輯加法邏輯加法邏輯或邏輯或AFBC00001001010111010011101101111111真值表真值表思考：畫出或門電路的工作波形？思考：畫出或門電路的工作波形？非門電路的邏輯關(guān)系非門電路的邏輯關(guān)系“非非”邏輯（邏輯（NOT）A條件具備時條件具備時 ，事件事件F 不發(fā)生；不發(fā)生；A

11、不具備時，事件不具備時，事件F發(fā)發(fā)生。生。邏輯符號邏輯符號AEFR邏輯式邏輯式邏輯非邏輯非邏輯反邏輯反真值表真值表AF AF0110思考：畫出非門電路的工作波形？思考：畫出非門電路的工作波形？幾種常用的簡單組合邏輯幾種常用的簡單組合邏輯“與與”、“或或”、“非非”是三種基本的是三種基本的邏輯關(guān)系，任何其它的邏輯關(guān)系都可以邏輯關(guān)系，任何其它的邏輯關(guān)系都可以以它們?yōu)榛A(chǔ)表示。以它們?yōu)榛A(chǔ)表示。與非（與非（NAND）：）：條件條件A、B都具都具備，則備，則F 不發(fā)生。不發(fā)生。或非（或非（NOR）：）：條件條件A、B任一任一具備，則具備，則F不不 發(fā)生。發(fā)生。BABABAF異或（異或（XOR）：）：條

12、件條件A、B有一個有一個具備，另一個不具備，另一個不具備則具備則F 發(fā)生。發(fā)生。同或（同或（EQU）（異或非門）：（異或非門）：條件條件A、B有一個有一個具備，另一個不具備，另一個不具備則具備則F 不不發(fā)生。發(fā)生。小結(jié)小結(jié) 在數(shù)字電路中，輸出信號和輸入信號之間在數(shù)字電路中，輸出信號和輸入信號之間存在一定的邏輯關(guān)系，最基本的邏輯關(guān)系存在一定的邏輯關(guān)系，最基本的邏輯關(guān)系有與、或、非三種。有與、或、非三種。 門電路是用以實現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路，門電路是用以實現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路，是數(shù)字電路的基本單元，最基本的門電路是數(shù)字電路的基本單元，最基本的門電路有與門、或門、非門三種。有與門、或門、非門三種。

13、門電路的邏輯關(guān)系可用邏輯表達(dá)式、邏輯門電路的邏輯關(guān)系可用邏輯表達(dá)式、邏輯符號、真值表表示。符號、真值表表示。第四課第四課 數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路集成電路（英文縮寫集成電路（英文縮寫IC）簡介）簡介什么是集成電路什么是集成電路? 將整個電路的各個元件做在同一個半導(dǎo)體將整個電路的各個元件做在同一個半導(dǎo)體硅芯片上，外殼封裝構(gòu)成一個不可分割、完整硅芯片上，外殼封裝構(gòu)成一個不可分割、完整的電子器件，能完成特定的電子技術(shù)功能。的電子器件，能完成特定的電子技術(shù)功能。 集成電路的優(yōu)點：工作穩(wěn)定、使用方便、集成電路的優(yōu)點：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。體積小、重量輕、功耗小。集成電路的外形集成電

14、路的外形集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點l 集成電路中的元件都制作在一塊硅片上，因此元件集成電路中的元件都制作在一塊硅片上，因此元件參數(shù)偏差的方向一致，溫度均一性好，適于作差動參數(shù)偏差的方向一致，溫度均一性好，適于作差動放大電路、運算放大器等。放大電路、運算放大器等。l 在一塊硅片上制造一個三極管極其容易，但制造大在一塊硅片上制造一個三極管極其容易，但制造大電阻和大電容則相當(dāng)不方便也不經(jīng)濟(jì)，利用集成電電阻和大電容則相當(dāng)不方便也不經(jīng)濟(jì)，利用集成電路工藝目前還不能制造電感器。如果需要這些元件路工藝目前還不能制造電感器。如果需要這些元件則通過引腳外接。則通過引腳外接。l 集成電路中的電阻

15、器用集成電路中的電阻器用P型區(qū)的電阻構(gòu)成，阻值范圍型區(qū)的電阻構(gòu)成，阻值范圍一般在幾十歐至幾十千歐，電容器是用一般在幾十歐至幾十千歐，電容器是用PN結(jié)的結(jié)電結(jié)的結(jié)電容，電容量一般小于容，電容量一般小于100pF，集成電路中的二極管，集成電路中的二極管也很少，一般則利用三極管的一個也很少，一般則利用三極管的一個PN結(jié)作為二極管。結(jié)作為二極管。小規(guī)模集成電路：小規(guī)模集成電路：一般是集成十幾個到幾十個元器件，一般是集成十幾個到幾十個元器件，把一個單元電路集成在一塊把一個單元電路集成在一塊13mm2的硅片上。如邏輯的硅片上。如邏輯電路中的門電路及觸發(fā)器等。電路中的門電路及觸發(fā)器等。中規(guī)模集成電路：中規(guī)模

16、集成電路：一般具有一百到幾百個元器件，所一般具有一百到幾百個元器件，所占硅片面積約占硅片面積約10mm2。大規(guī)模集成電路：大規(guī)模集成電路：一般具有一千個元器件以上，它是一般具有一千個元器件以上，它是把一個系統(tǒng)或者分系統(tǒng)集成在一塊硅片上。把一個系統(tǒng)或者分系統(tǒng)集成在一塊硅片上。超大規(guī)模集成電路：超大規(guī)模集成電路：是把十萬個以上的元器件集成在是把十萬個以上的元器件集成在一塊硅片上，它具有很復(fù)雜的信息處理功能。一塊硅片上，它具有很復(fù)雜的信息處理功能。集成電路的分類集成電路的分類按集成度分按集成度分按功能分：按功能分： 可分為可分為模擬集成電路模擬集成電路和和數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路。模擬集成電路模擬集

17、成電路 常用的模擬集成電路有集成運算放大器、常用的模擬集成電路有集成運算放大器、集成功率放大器、集成穩(wěn)壓器、集成數(shù)集成功率放大器、集成穩(wěn)壓器、集成數(shù)- -模轉(zhuǎn)模轉(zhuǎn)換器和模換器和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換器等。數(shù)轉(zhuǎn)換器等。 家用電器如：收錄機(jī)、電視機(jī)等所用的家用電器如：收錄機(jī)、電視機(jī)等所用的集成電路大多屬于此類。集成電路大多屬于此類。數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路 按內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，數(shù)字集成電路按內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，數(shù)字集成電路可分為兩大類：可分為兩大類： 一類由晶體管組成，叫做晶體管一類由晶體管組成，叫做晶體管晶體管邏輯電晶體管邏輯電路，簡稱：路，簡稱：電路。電路。 一類由場效應(yīng)管組成，叫做互補型一類由場效應(yīng)管組成

18、，叫做互補型金屬金屬氧化氧化物物半導(dǎo)體電路，簡稱：半導(dǎo)體電路，簡稱：電路。電路。 兩者的邏輯功能相同，但外形、引腳稍有不同。兩者的邏輯功能相同，但外形、引腳稍有不同。TTL集成電路產(chǎn)品，國內(nèi)為集成電路產(chǎn)品，國內(nèi)為T1000系列，國外為系列，國外為74系列。系列。CMOS集成電路產(chǎn)品，國內(nèi)為集成電路產(chǎn)品，國內(nèi)為CC4000系列，系列，國外為國外為CD4000系列。系列。TTL與與CMOS的不同特點：的不同特點： TTL電路速度快、可靠性強，品種齊全，在電子電路速度快、可靠性強，品種齊全，在電子計算機(jī)、工業(yè)控制用儀器儀表、及民用電子產(chǎn)計算機(jī)、工業(yè)控制用儀器儀表、及民用電子產(chǎn)品中大量應(yīng)用。品中大量應(yīng)用。 CMOS電路具有功耗低、電源電壓范圍寬、抗電路具有功耗低、電源電壓范圍寬、抗干擾能力強等優(yōu)點。在速度要求不高，但功耗干擾能力強等優(yōu)點。在速度要求不高，但功耗要求較低的產(chǎn)品中（一般測量設(shè)備和民用電子要求較低的產(chǎn)品中（一般測量設(shè)備和民用電子裝置、電子表等）應(yīng)選