數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)

1、2011-202011-201212第一學(xué)期第一學(xué)期辛化梅辛化梅隨著信息時(shí)代的到來(lái)，隨著信息時(shí)代的到來(lái)，“數(shù)字?jǐn)?shù)字”這兩個(gè)字正以越來(lái)越高的頻率出現(xiàn)在這兩個(gè)字正以越來(lái)越高的頻率出現(xiàn)在各個(gè)領(lǐng)域，數(shù)字手表、數(shù)字電視、數(shù)各個(gè)領(lǐng)域，數(shù)字手表、數(shù)字電視、數(shù)字通信、數(shù)字控制字通信、數(shù)字控制數(shù)字化已成為數(shù)字化已成為當(dāng)今電子技術(shù)的發(fā)展潮流。當(dāng)今電子技術(shù)的發(fā)展潮流。是數(shù)字電子技術(shù)的核心，是計(jì)算機(jī)和是數(shù)字電子技術(shù)的核心，是計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信的硬件基礎(chǔ)。數(shù)字通信的硬件基礎(chǔ)。 學(xué)科發(fā)展概述學(xué)科發(fā)展概述典型應(yīng)用典型應(yīng)用數(shù)字電路的特點(diǎn)數(shù)字電路的特點(diǎn)課程基本內(nèi)容與要求課程基本內(nèi)容與要求學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)方法學(xué)科發(fā)展概述學(xué)科發(fā)展概述典

2、型應(yīng)用典型應(yīng)用數(shù)字電路的特點(diǎn)數(shù)字電路的特點(diǎn)課程基本內(nèi)容與要求課程基本內(nèi)容與要求學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)方法數(shù)字技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展最迅速的學(xué)科之一。數(shù)字技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展最迅速的學(xué)科之一。今天，各種中規(guī)模數(shù)字集成電路已得到廣泛的使用；今天，各種中規(guī)模數(shù)字集成電路已得到廣泛的使用；通用型的通用型的(PLD :(PLD : Programmable Logic Device)Programmable Logic Device)也迅速地被實(shí)際使也迅速地被實(shí)際使用；各種用；各種(ASIC :Application (ASIC :Application Specific Integrated CircuitSpecifi

3、c Integrated Circuit) )也普遍引起各行各也普遍引起各行各業(yè)的注意。此外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電業(yè)的注意。此外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路和數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也越來(lái)越多的采用路和數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也越來(lái)越多的采用(CAD :Computer Aided Design)(CAD :Computer Aided Design)。 集成電路集成電路CADCAD技術(shù)在其發(fā)展過(guò)程中，同時(shí)還技術(shù)在其發(fā)展過(guò)程中，同時(shí)還形成了形成了(CAM : Computer Aided (CAM : Computer Aided Manufacture )Manufacture )、(CAT :Co

4、mputer (CAT :Computer Aided Test)Aided Test)和和(CAE :Computer (CAE :Computer Aided Engineering)Aided Engineering)等概念，經(jīng)過(guò)發(fā)展融合，形成等概念，經(jīng)過(guò)發(fā)展融合，形成了了(EDA :Electronic Design (EDA :Electronic Design Automation)Automation)。 2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代出現(xiàn)的第三代工具使用標(biāo)準(zhǔn)化年代出現(xiàn)的第三代工具使用標(biāo)準(zhǔn)化的的(HDL :Hardware Description (HDL :Hardware De

5、scription Language)Language)描述電路的行為，自頂向下地跨越各個(gè)層描述電路的行為，自頂向下地跨越各個(gè)層次完成整個(gè)設(shè)計(jì)，特別強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的可交流性、可再次完成整個(gè)設(shè)計(jì)，特別強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的可交流性、可再利用性和對(duì)大規(guī)模設(shè)計(jì)的支持。利用性和對(duì)大規(guī)模設(shè)計(jì)的支持。集集成成電電路路電電子子管管晶晶體體管管分分立立元元件件（SSI（100以下以下）MSI（103）LSI（104）超大規(guī)模超大規(guī)模VLSI（105以上）以上）1906年，福雷斯特等發(fā)明了電子管；電子管體年，福雷斯特等發(fā)明了電子管；電子管體積大、重量重、耗電大、壽命短。世界上第一積大、重量重、耗電大、壽命短。世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)用

6、了臺(tái)計(jì)算機(jī)用了1.8萬(wàn)只電子管，占地萬(wàn)只電子管，占地170平方米，平方米，重重30噸，耗電噸，耗電150W。目前在一些大功率發(fā)射。目前在一些大功率發(fā)射裝置中使用。裝置中使用。1948年，肖克利等發(fā)明了晶體管，其年，肖克利等發(fā)明了晶體管，其性能在體積、重量方面明顯優(yōu)于電子性能在體積、重量方面明顯優(yōu)于電子管，但器件較多時(shí)由分立元件組成的管，但器件較多時(shí)由分立元件組成的分立電路體積大、焊點(diǎn)多、電路的可分立電路體積大、焊點(diǎn)多、電路的可靠性差?？啃圆?。1960年集成電路出現(xiàn)，成年集成電路出現(xiàn)，成千上萬(wàn)個(gè)器件集成在一塊千上萬(wàn)個(gè)器件集成在一塊芯片，大大促進(jìn)了電子學(xué)芯片，大大促進(jìn)了電子學(xué)的發(fā)展，尤其促進(jìn)數(shù)字電

7、的發(fā)展，尤其促進(jìn)數(shù)字電路和微型計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)路和微型計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展。展。芯片中集成上萬(wàn)個(gè)芯片中集成上萬(wàn)個(gè)等效門，目前高的等效門，目前高的已達(dá)上百萬(wàn)門。已達(dá)上百萬(wàn)門。 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法：傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法： 現(xiàn)代的設(shè)計(jì)方法：現(xiàn)代的設(shè)計(jì)方法：純硬件電路邏輯設(shè)計(jì)，采用試湊法；純硬件電路邏輯設(shè)計(jì)，采用試湊法；比較適合分立元件及小規(guī)模集成電路比較適合分立元件及小規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)電路需反復(fù)調(diào)試，而的設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)電路需反復(fù)調(diào)試，而且所用的元器件較多，出問(wèn)題幾率較且所用的元器件較多，出問(wèn)題幾率較高，電路的可靠性較差高，電路的可靠性較差從傳統(tǒng)的硬件邏輯設(shè)計(jì)發(fā)展為硬件邏從傳統(tǒng)的硬件邏輯設(shè)計(jì)發(fā)展為硬件邏輯設(shè)計(jì)

8、、軟件邏輯設(shè)計(jì)及兼有兩者優(yōu)輯設(shè)計(jì)、軟件邏輯設(shè)計(jì)及兼有兩者優(yōu)點(diǎn)的集成電路點(diǎn)的集成電路ASICASIC設(shè)計(jì)。采用從上到設(shè)計(jì)。采用從上到下設(shè)計(jì)方法，出現(xiàn)了相應(yīng)的電子設(shè)計(jì)下設(shè)計(jì)方法，出現(xiàn)了相應(yīng)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)（自動(dòng)化技術(shù)（EDAEDA）和復(fù)雜電路的測(cè)）和復(fù)雜電路的測(cè)試技術(shù)。試技術(shù)。EDA技術(shù)以計(jì)算機(jī)為基本工具、借助于技術(shù)以計(jì)算機(jī)為基本工具、借助于軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，自動(dòng)完成數(shù)字系統(tǒng)的邏軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，自動(dòng)完成數(shù)字系統(tǒng)的邏輯綜合、布局布線、仿真等工作。最后輯綜合、布局布線、仿真等工作。最后下載到芯片，實(shí)現(xiàn)方案。下載到芯片，實(shí)現(xiàn)方案。1 1、設(shè)計(jì)：、設(shè)計(jì)：在計(jì)算機(jī)上利用軟件平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)上利用軟件平臺(tái)進(jìn)

9、行設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)方法原理圖設(shè)計(jì)原理圖設(shè)計(jì)VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)語(yǔ)言設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì) EDA技術(shù)：技術(shù)：實(shí)驗(yàn)板實(shí)驗(yàn)板下載線下載線計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)通信（通信（DSP應(yīng)用）應(yīng)用）電視（高清晰度）電視（高清晰度）會(huì)議電視會(huì)議電視數(shù)字移動(dòng)蜂窩電話數(shù)字移動(dòng)蜂窩電話家庭信息中心家庭信息中心虛擬教育虛擬教育數(shù)字相機(jī)數(shù)字相機(jī)自動(dòng)駕駛汽車自動(dòng)駕駛汽車視覺(jué)感應(yīng)器視覺(jué)感應(yīng)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理 * * 基本工作信號(hào)為二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，基本工作信號(hào)為二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，0 0和和1 1兩個(gè)基本數(shù)字反映在電路上就是低電平和高電平兩兩個(gè)基本數(shù)字反映在電路上就是低電平和高電平兩種狀態(tài)種狀態(tài) * * 穩(wěn)態(tài)時(shí)，三極管一般工

10、作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)穩(wěn)態(tài)時(shí)，三極管一般工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài) * * 對(duì)元件精度要求不高，只要在工作時(shí)能可對(duì)元件精度要求不高，只要在工作時(shí)能可靠區(qū)分靠區(qū)分0 0和和1 1兩種狀態(tài)即可兩種狀態(tài)即可 * * 數(shù)字電路研究的主要問(wèn)題是輸入信號(hào)的狀態(tài)和輸數(shù)字電路研究的主要問(wèn)題是輸入信號(hào)的狀態(tài)和輸出信號(hào)的狀態(tài)之間的關(guān)系，即邏輯關(guān)系，亦即電路的出信號(hào)的狀態(tài)之間的關(guān)系，即邏輯關(guān)系，亦即電路的邏輯功能邏輯功能 * * 數(shù)字電路使用的主要方法為邏輯分析和邏輯設(shè)計(jì)，數(shù)字電路使用的主要方法為邏輯分析和邏輯設(shè)計(jì)，主要工具為邏輯代數(shù)主要工具為邏輯代數(shù) * * 數(shù)字電路不僅具有算術(shù)運(yùn)算的能力，還具備一定數(shù)字電路不僅具有算術(shù)運(yùn)算的能力，還

11、具備一定的的“邏輯思維邏輯思維”的能力的能力模擬電路：模擬電路：處理的信號(hào)是時(shí)間上或數(shù)值上連續(xù)的信號(hào)處理的信號(hào)是時(shí)間上或數(shù)值上連續(xù)的信號(hào)數(shù)字電路：數(shù)字電路：處理的信號(hào)是時(shí)間上和數(shù)量上離散的信號(hào)處理的信號(hào)是時(shí)間上和數(shù)量上離散的信號(hào)（2 2）按所用器件制作工藝的不同：數(shù)字電路可分為雙極型）按所用器件制作工藝的不同：數(shù)字電路可分為雙極型（TTLTTL型）和單極型（型）和單極型（MOSMOS型）兩類。型）兩類。（3 3）按照電路的結(jié)構(gòu)和工作原理的不同：數(shù)字電路可分為組）按照電路的結(jié)構(gòu)和工作原理的不同：數(shù)字電路可分為組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路兩類。組合邏輯電路沒(méi)有記憶功合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路兩類。組合

12、邏輯電路沒(méi)有記憶功能，其輸出信號(hào)只與當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)有關(guān)，而與電路以前的能，其輸出信號(hào)只與當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)有關(guān)，而與電路以前的狀態(tài)無(wú)關(guān)。時(shí)序邏輯電路具有記憶功能，其輸出信號(hào)不僅和狀態(tài)無(wú)關(guān)。時(shí)序邏輯電路具有記憶功能，其輸出信號(hào)不僅和當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)有關(guān)，而且與電路以前的狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)有關(guān)，而且與電路以前的狀態(tài)有關(guān)。（1 1）按集成度分類：數(shù)字電路可分為小規(guī)模（）按集成度分類：數(shù)字電路可分為小規(guī)模（SSISSI，每片，每片數(shù)十器件）、中規(guī)模（數(shù)十器件）、中規(guī)模（MSIMSI，每片數(shù)百器件）、大規(guī)模，每片數(shù)百器件）、大規(guī)模（LSILSI，每片數(shù)千器件）和超大規(guī)模（，每片數(shù)千器件）和超大規(guī)模（VLSIVLSI，每片器件數(shù)目，每片器件數(shù)目大于大于1 1萬(wàn)）數(shù)字集成電路。萬(wàn)）數(shù)字集成電路。 重點(diǎn)學(xué)習(xí)基本理論和基本設(shè)計(jì)方法，包括重點(diǎn)學(xué)習(xí)基本理論和基本設(shè)計(jì)方法，包括邏輯邏輯代數(shù)基礎(chǔ)、門電路、組合邏輯電路、觸發(fā)器、時(shí)序代數(shù)基礎(chǔ)、門電路、組合邏輯電路、觸發(fā)器、時(shí)序邏輯電路邏輯電路等，為將來(lái)從事數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)等，為將來(lái)從事數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。后續(xù)專業(yè)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 另外，考慮數(shù)字技術(shù)的近期發(fā)展，反映這些發(fā)另外，考慮數(shù)字技術(shù)的近期發(fā)展，反映這些發(fā)展所需要的基本知識(shí)和方法，以便將來(lái)能更好地適展所需要