數(shù)字電路基礎

1、電子技術基礎與技能配套多媒體CAI課件 電子教案 第6章 數(shù)字電路基礎教學重點1. 理解模擬信號與數(shù)字信號的區(qū)別。2. 掌握基本邏輯門、復合邏輯門的邏輯功能和電路圖形符號，會使用真值表。3. 了解TTL、CMOS門電路的型號、引腳功能，會測試其邏輯功能。4. 了解集成門電路的外形與封裝，能合理使用集成門電路。5. 會進行二進制數(shù)、十進制數(shù)和十六進制數(shù)之間的相互轉換。6. 了解8421BCD碼的表示形式。7. 會用邏輯代數(shù)基本公式化簡邏輯函數(shù)，了解其在工程應用中的實際意義。教學難點1集成門電路的合理使用。2二進制數(shù)、十進制數(shù)和十六進制數(shù)之間的相互轉換。3用邏輯代數(shù)基本公式化簡邏輯函數(shù)。學時分配序

2、號內 容學 時16.1邏輯門電路626.2數(shù)制與編碼43*6.3邏輯函數(shù)化簡26本章總學時126.1邏輯門電路電信號可分為兩大類：一類是模擬信號，另一類是數(shù)字信號，如圖所示。ttuu處理數(shù)字信號的電子電路稱為數(shù)字電路。（a） （b）在數(shù)字電路中，通常用電位的高、低去控制門電路，輸入與輸出信號只有兩種狀態(tài)：高電平狀態(tài)和低電平狀態(tài)。規(guī)定用1表示高電平，用0表示低電平，稱為正邏輯，反之為負邏輯。6.1.1基本邏輯門電路數(shù)字電路中往往用輸入信號表示“條件”，用輸出信號表示“結果”，而條件與結果之間的因果關系稱為邏輯關系，能實現(xiàn)某種邏輯關系的數(shù)字電子電路稱為邏輯門電路?；镜倪壿嬯P系有：與邏輯、或邏輯、

3、非邏輯，與之相應的基本邏輯門電路有與門、或門、非門。做一做：與邏輯、或邏輯和非邏輯1與門電路（1）與邏輯關系 當一件事情的幾個條件全部具備之后，這件事情才能發(fā)生，否則不發(fā)生。這樣的因果關系稱為與邏輯關系，也稱為邏輯乘。（2）與邏輯關系的表示用邏輯函數(shù)表達式表示 Y=A·B或Y=AB用真值表表示（將全部可能的輸入組合及其對應的輸出值用表格表示稱之為真值表）與邏輯真值表輸入輸出AB Y001100010101從真值表分析可以看出，與邏輯功能為“有0出0，全1出1”。（3）與門電路 能實現(xiàn)與邏輯功能的電路稱為與門電路，簡稱與門，門電路可以用二極管、三極管、MOS管和電阻等分立元件組成，也可

4、以由集成電路組成。動畫：二極管組成的與門電路。與門電路的電路圖形符號（又稱邏輯圖）。YBA&2或門電路（1）或邏輯關系當決定一件事情的各個條件中至少具備一個條件，這件就會發(fā)事情才能發(fā)生，否則不發(fā)生。這樣的因果關系稱為或邏輯關系，也稱邏輯加。（2）或邏輯關系的表示邏輯函數(shù)表達式表示 Y=A+B或邏輯的真值表如下表輸入輸出ABY001101010111從真值表分析可以看出，或邏輯功能為“有1出1，全0出0”。（3）或門電路能實現(xiàn)或邏輯功能的電路稱為或門電路，簡稱或門。YBA1動畫：二極管組成的或門電路?；蜷T電路的電路圖形符號。電路評價：二極管門電路線路簡單，元件少、概念直觀。由于二極管導通

5、電壓和輸出端雜散電容的存在，在實際使用時，會引起信號電平偏離，開關速度變慢，帶負載能力變差，容易造成邏輯功能的混亂。因此，實際應用中很少使用二極管門電路。3非門電路（1）非邏輯關系事情（燈亮）和條件總是呈相反狀態(tài)。這樣的因果關系稱為非邏輯關系，也稱邏輯非。（2）非邏輯關系的表示用邏輯函數(shù)表達式表示 Y=輸入輸出AY0110非邏輯真值表非邏輯的真值表如表所示。從真值表分析可以看出，非邏輯功能為“有0出1，有1出0”。（3）非門電路能實現(xiàn)非邏輯功能的電路稱為非門電路，又稱反相器，簡稱非門。動畫：三極管組成的非門電路。YA1非門電路的電路圖形符號。4邏輯關系的波形圖表示方法ABY1 1 0 11 1

6、 0 01 0 0 1t1 t2 t3 t4所謂波形圖表示方法是用輸入端在不同邏輯信號作用下所對應的輸出端信號波形圖表示門電路實現(xiàn)的邏輯關系。由于波形圖表示的直觀性，也是表示和分析電路邏輯關系常用的方法。如圖所示是或門邏輯關系的波形圖，圖中在t1時間段內，A、B輸入端均為高電平1，此時輸出端Y為高電平1，依照此方法，可得出t2、t3和t4時間段內輸出端Y的波形。從波形圖中可以直觀地看出，對于或邏輯關系，只要輸入有1輸出就為1，只有輸入全為0時輸出才為0。例：與門電路的“開門”與“關門”解：與門的兩個輸入端A、B的輸入信號波形，則根據(jù)與邏輯功能不難畫出與門輸出端波形，如圖所示。A=0時，Y=0，

7、說明此時B端信號不能通過與門而出現(xiàn)在輸出端； A=1時，Y=B（波形相同），說明此時B端輸入信號通過與門出現(xiàn)在輸出端。ABYYBA&這里，A輸入端為控制端（門控端），當門控端A為1時，與門開放（開門），能讓B端的輸入信號通過；當門控端A為0時，與門閉鎖（關門），B端的輸入信號不能通過與門。 1 06.1.2復合邏輯門1與非門ABYAB&1&Y（a）（b）在與門后串接非門就構成了一個與非門。圖（a）所示為與非門的邏輯電路圖，圖（b）所示為與非門電路圖形符號。與非門的邏輯函數(shù)表達式為 與非門真值表，其邏輯功能可歸納為“有0出1，全1出0”。與非門真值表輸入AB輸出AB001

8、10101000111102或非門在或門后串接非門就構成了一個與非門。圖（a）所示為或非門的邏輯電路圖，圖（b）所示為或非門電路圖形符號。ABYAB111Y（a）（b）或非門的邏輯函數(shù)表達式為 或非門真值表，其邏輯功能可歸納為“有1出0，全0出1”?；蚍情T真值表輸入A+B輸出AB00110101011110003與或非門與或非門一般由兩個或多個與門和一個或門，再和一個非門串聯(lián)而成。圖（a）為與或非門的邏輯結構圖，圖（b）為與或非門電路圖形符號。與或非門的邏輯函數(shù)表達式為 根據(jù)上式可得與或非門真值表， A、B、C、D四個輸入變量有十六種可能的取值情況。其邏輯功能可歸納為“一組全1出0，各組有0出

9、1”。ABCD（b）Y11C&&AB1YCD&&（a）與或非門真值表輸入輸出ABCDY000000001111111100001111000011110011001100110011010101010101010111101110111000004異或門異或門的邏輯結構及電路圖形符號。AYY1&B&AB=111異或門的邏輯函數(shù)表達式為 Y=B+A根據(jù)上式可得異或門真值表，其邏輯功能可歸納為“同出0，異出1”。異或門真值表輸入輸出ABY001100010110異或門在數(shù)字電路中作為判斷兩個輸入信號是否相同的門電路，是一種常用的門電路。其邏輯函數(shù)表達

10、式還可寫成 Y= AB電路評價：上述討論的各種邏輯門電路是由單個分立元件如二極管、三極管、電阻等連接而成的，在集成技術迅速發(fā)展和廣泛應用的今天，分立元件門電路已很少使用，大量使用的是集成門電路。但不管功能多強大，結構多復雜的集成門電路，都是以分立元件門電路為基礎，經(jīng)改造演變而來的。6.1.3集成邏輯門按內部所采用器件的不同，集成邏輯門電路分為TTL和CMOS集成門電路兩大類。1TTL集成門電路TTL集成門電路內部輸入、輸出級都采用三極管，這種電路也稱為三極管三極管邏輯電路。（1） 產(chǎn)品系列和外形封裝74LS系列為現(xiàn)代主要應用產(chǎn)品。TTL集成電路通常采用雙列直插式外形封裝。TTL集成電路的型號由

11、五部分構成。如CT74LS××CP。第一部分字母C表示國標。第二部分字母T表示TTL電路。第三部分是器件系列和品種代號，74表示國際通用74系列，54表示軍用產(chǎn)品系列；LS表示低功耗肖特基系列；××為品種代號。第四部分字母表示器件工作溫度，C為070，G為-2570，L為-2585，E為-4085，R為-5585。第五部分字母表示器件封裝，P為塑料雙列直插式，J為黑瓷雙列直插式。CT74LS××CP可簡稱或簡寫為74LS××或LS××。（2） 引腳識讀如圖說示是74LS系列集成門電路的引腳排列圖

12、。引腳編號的判斷方法是：把凹槽標志置于左方，引腳向下，逆時針自下而上順序依次為1、2、    做一做測試74LS00的邏輯功能（3）TTL集成電路使用技巧1）TTL集成電路功耗較大，電源電壓必須保證在4.75V5.25V，建議使用穩(wěn)壓電源供電。2）TTL集成電路若有不使用的多余引腳可以懸空，相當于高電平，但實際使用中抗干擾能力差，一般不建議采用。與門和與非門的多余引腳應將其接至固定的高電平，或門和或非門多余引腳應將其接地。3）TTL集成電路的輸入端不能直接與高于5.5V或低于-0.5V的低內阻電源連接，否則會造成器件損壞。4）TTL集成電路的輸出端不允許與正電源或

13、地短接，必須通過電阻與正電源或地連接。2CMOS集成門電路CMOS集成門電路是由PMOS場效晶體管和NMOS場效晶體管組成的互補電路。（1） 產(chǎn)品系列和外形封裝 CMOS集成門電路系列較多，現(xiàn)主要有4000（普通）、74HC（高速）、74HCT（與TTL兼容）等產(chǎn)品系列，其中4000系列品種多、功能全，現(xiàn)仍被廣泛使用。外形封裝與TTL集成門電路相同。CMOS集成電路的型號由五部分構成，如CC74HC××RP。第一部分字母C表示國標。第二部分字母C表示CMOS電路。第三部分是器件系列和品種代號，74表示國際通用74系列，54表示軍用產(chǎn)品系列；HC表示高速CMOS系列；

14、5;×為品種代號。第四部分字母表示器件工作溫度，G為-2570，L為-2585，E為-4085，R為-5585，M為-55125。第五部分字母表示器件封裝，P為塑封雙列直插式，J為黑瓷雙列直插式。CC74HC××RP可簡稱或簡寫為74HC××或HC××（對于4000系列，這部分用40××）。（2）引腳識讀 CMOS集成電路通常采用雙列直插式外形，引腳編號判斷方法與TTL相同，如CC4001是四2輸入或非門，CC4011是四2輸入與非門，都采用14腳雙列直插塑封裝，其引腳功能如圖所示，VDD、VSS與TTL

15、的VCC、GND表示字符不同，以作區(qū)別。 做一做測試CC4001的邏輯功能（3）CMOS集成電路使用技巧1）CMOS集成電路功耗低，4000系列的產(chǎn)品電源電壓在4.75V18V范圍內均可正常工作，建議使用10V電源電壓供電。2）COMS集成電路若有不使用的多余輸入端不能懸空。與門和與非門的多余端應將其接至固定的高電平，或門和或非門多余端應將其接地。3）COMS集成電路在存放、組裝和調試時，要有一定的防靜電措施。4）COMS集成電路的輸出端不允許與正電源或地短接，必須通過電阻與正電源或地連接。3CMOS 和TTL電路的主要差異CMOS電路的工作速度比TTL電路低。CMOS帶負載的能力比TTL電路

16、強。CMOS電路的電源電壓允許范圍較大，抗干擾能力比TTL電路強。CMOS電路的功耗比TTL電路小得多。門電路的功耗只有幾W，中規(guī)模集成電路的功耗也不會超過100W。CMOS集成電路的集成度比TTL電路高。4集成邏輯門電路的選用 （1）若要求功耗低、抗干擾能力強，則應選用CMOS 電路。其中4000 系列一般用于工作頻率 1 MHz 以下、驅動能力要求不高的場合；74HC系列 常用于工作頻率 20 MHz 以下、要求較強驅動能力的場合。 （2）若對功耗和抗干擾能力要求一般，可選用TTL 電路。目前多用 74LS 系列，它的功耗較小，工作頻率一般可至 20 MHz；如工作頻率較高，可選用 CT7

17、4ALS 系列，其工作頻率一般可至 50 MHz。 課外閱讀：常見集成電路（IC）芯片的封裝6.2數(shù)制與編碼6.2.1數(shù)制數(shù)制就是計數(shù)的方法。按進位方法的不同，有十進制計數(shù)、二進制計數(shù)和十六進制計數(shù)等。1十進制（1）十進制有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9共十個符號，這些符號稱為數(shù)碼。（2）相鄰位的關系，高位為低位的十倍，逢十進一，借一當十。（3）數(shù)碼的位置不同，所表示的值就不同，數(shù)碼位置分十分位、個位、十位、百位例如：（246.134）10=2×102+4×101+6×100+1×10-1+3×10-2+4×10-3上式中，

18、102、101、100、10-1、10-2、10-3是各位數(shù)碼的“位權”，十進制中位權是10的整數(shù)冪。2二進制（1）二進制僅有0和1兩個不同的數(shù)碼。（2）相鄰位的關系為逢二進一，借一當二。（3）數(shù)碼的位權是2的整數(shù)冪。例如：（1011）2=1×23+0×22+1×21+1×20（10011.01）2=1×24+0×23+0×22+1×21+1×20+0×2-1+1×2-2（4）二進制的加減運算例：10101+1101=？解：在加運算時，要注意“逢二進一”的原則，即遇到2就向相鄰高位進1

19、，本位為0。10101+ 1101 100010 （10101）2+（1101）2=（100010）2例：求1101-110=？解減法運算時，運算法則是“借一當二”，即遇到0減1時，本位不夠，需向高位借一，在本位作二使用。1 1 0 1- 1 1 0 1 1 1 （1101）2-（110）2=（111）2二進制數(shù)當位數(shù)較多時，比較難于讀取和書寫，為了減少位數(shù)可將二進制數(shù)用十六進制來表示。3十六進制十六進制有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F共十六個不同數(shù)碼。符號AF分別代表十進制的1015。各位的位權是16的整數(shù)冪，其計數(shù)規(guī)律是逢十六進一，借一當十六。例如，十六進制

20、數(shù)（3AE）16可以表示為（3AE）16=3×162+A×161+E×160 =3×162+10×161+14×1604不同數(shù)制的轉換（1）非十進制數(shù)轉換為十進制數(shù) 可將非十進制數(shù)按權展開，得出其相加結果，就是對應的十進制數(shù)。例： （11010）2=1×24+1×23+0×22+1×21+0×20 =24+23+0+21+0 =（26）10例： （174）16=1×162+7×161+4×160 =256+112+4 =（372）10（2）十進制整數(shù)轉換為

21、二進制數(shù) 可將十進制整數(shù)逐次地用2除取余數(shù)，一直到商為零。然后把全部余數(shù)按相反的次序排列起來，就是等值的二進制數(shù)。例： 將十進制數(shù)19轉化為二進制數(shù)。2 19 余12 9 余12 4 余0 讀數(shù)方向2 2 余02 1 余1 0所以 (19)10=(10011)2（3）二進制整數(shù)轉換為十六進制數(shù) 可將二進制整數(shù)自右向左每4位分為一組，最后不足4位的，高位用零補足，再把每4位二進制數(shù)對應的十六進制數(shù)寫出即可。例： 將二進制數(shù)11010110101轉換為十六進制數(shù)。二進制數(shù) 0110 1011 0101十六進制數(shù) 6 B 5所以 （11010110101）2=（6B5）16（4）十六進制數(shù)轉換為二進

22、制數(shù) 將每個十六進制數(shù)用4位二進制數(shù)表示，然后按十六進制數(shù)的排序將這些4位二進制數(shù)排列好，就可得到相應的二進制數(shù)。例： 將十六進制數(shù)4E6轉化為二進制數(shù)。十六進制數(shù) 4 E 6二進制數(shù) 100 1110 110所以 （4E6）16=（1001110110）26.2.2編碼用數(shù)碼來表示特定對象的過程稱為編碼，用于編碼的數(shù)碼稱為代碼。編碼的方法有很多種，我們把各種編碼的制式稱為碼制。1二進制代碼數(shù)字系統(tǒng)處理的信息，一類是數(shù)值，另一類則是文字和符號，這些信息往往采用多位二進制數(shù)碼來表示。通常把這種表示特定對象的多位二進制數(shù)稱為二進制代碼。二進制代碼與所表示的信息之間應具有一一對應的關系，用n位二進制

23、數(shù)可以組合成2n個代碼，若需要編碼的信息有N項，則應滿足2nN。2BCD碼用于表示1位十進制數(shù)的4位二進制代碼稱為二十進制代碼，簡稱BCD碼。由于4位二進制數(shù)可以組成24=16個代碼，而十進制數(shù)碼只需要其中的十個代碼。因此16種組合中選取10種組合方式，便可得到多種二-十進制編碼的方案，表中是三種常見的BCD碼。三種常見的BCD碼十進制數(shù)8421碼5421碼余3碼000000000001110001000101002001000100101300110011011040100010001115010110001000601101001100170111101010108100010111011

24、91001110011008421BCD碼是使用最多的一種編碼，在用4位二進制數(shù)碼來表示1位十進制數(shù)時，每1位二進制數(shù)的位權依次為23、22、21、20，即8421，所以稱為8421碼。從表中可發(fā)現(xiàn)，8421碼選取00001001前十種組合來表示十進制數(shù)，而后六種組合舍去不用。例： 將十進制數(shù)10用8421BCD碼表示。十進制數(shù) 1 08421碼 0001 0000（10）10=（00010000）8421例： 將十進制數(shù)396用8421BCD碼表示。十進制數(shù) 3 9 68421碼 0011 1001 0110（369）10=（001110010110）8421課外閱讀：美國信息交換標準代碼（ASCII碼）*6.3邏輯函數(shù)化簡6.3.1邏輯代數(shù)的運算法則1基本公式邏輯代數(shù)的基本公式公式名稱與運算公式或運算公式01律A·1=AA+1=1A·0=0A+0=A交換律A·B=B·AA+B=B+A結合律A·（B·C）=（A·B）·CA+（B+C）=（A+B）+C分配律A·（B+C）=A·B+A·CA+（B·C）=（A+B）（A+C）互補律A·=0A+=1同一律A