數(shù)字電路課件：第1章數(shù)制與編碼

1、數(shù) 字 電 路 Digital Logic Circuits杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院 參考書：1、閻石主編 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）2、康華光主編 電子技術(shù)應(yīng)用 數(shù)字部分（第五版）教材：龔之春 編著 數(shù)字電路數(shù) 字 電 路電子線路兩門課：1、線性電子線路處理模擬信號2、數(shù)字邏輯電路處理數(shù)字信號（脈沖與數(shù)字電路）數(shù)字電路應(yīng)用精度高、抗干擾能力強 0+0V 1+5V結(jié)構(gòu)簡單、容易制造，便于集成及系列化生產(chǎn) 可以抽象到系統(tǒng)級、寄存器級、門級、物理級瘋狂的數(shù)字音樂：CD、MP3電影：MPEG、RM、DVD數(shù)字電視數(shù)字照相機數(shù)字攝影機手機數(shù)字電路在日常生活、自動控制、測量儀器、通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)

2、用電子電路中的信號模擬信號數(shù)字信號幅度隨時間連續(xù)變化的信號例：正弦波信號、鋸齒波信號等。幅度不隨時間連續(xù)變化,而是跳躍變化計算機中,時間和幅度都不連續(xù),稱為離散變量模擬電路與數(shù)字電路的區(qū)別:1、工作任務(wù)不同： 模擬電路研究的是輸出與輸入信號之間的大小、相位、失真等方面的關(guān)系；數(shù)字電路主要研究的是輸出與輸入間的邏輯關(guān)系（因果關(guān)系）。 模擬電路中的三極管工作在線性放大區(qū),是一個放大元件；數(shù)字電路中的三極管工作在飽和或截止狀態(tài),起開關(guān)作用。 因此，基本單元電路、分析方法及研究的范圍均不同。2、三極管的工作狀態(tài)不同：模擬電路研究的問題基本電路元件:基本模擬電路:晶體三極管場效應(yīng)管集成運算放大器 信號放

3、大及運算 (信號放大、功率放大） 信號發(fā)生（正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、）數(shù)字電路研究的問題基本電路元件基本數(shù)字電路邏輯門電路觸發(fā)器 組合邏輯電路 時序電路（寄存器、計數(shù)器、脈沖發(fā)生器、脈沖整形電路） A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)字技術(shù)是一門應(yīng)用學(xué)科，它的發(fā)展可分為5個階段 產(chǎn)生：20世紀30年代在通訊技術(shù)（電報、電話）首先引入二進制的信息存儲技術(shù)。而在1847年由英國科學(xué)家喬治.布爾(George Boole)創(chuàng)立布爾代數(shù)，并在電子電路中的得到應(yīng)用，形成開關(guān)代數(shù)，并有一套完整的數(shù)字邏輯電路的分析和設(shè)計方法.A：._B：_ . . .數(shù)字技術(shù)的發(fā)展過程第一臺通用電子計算機：ENIAC Elec

4、tronic Numerical Integrator and Calculator1946年2月14日Moore School，Univ. of Pennsylvania18,000個電子管組成初級階段：20世紀40年代電子計算機中的應(yīng)用，此時以電子管（真空管）作為基本器件。另外在電話交換和數(shù)字通訊方面也有應(yīng)用電子管（真空管）第二階段：20世紀60年代晶體管的出現(xiàn)，使得數(shù)字技術(shù)有一個飛躍發(fā)展，除了計算機、通訊領(lǐng)域應(yīng)用外，在其它如測量領(lǐng)域得到應(yīng)用晶體管圖片1947年12月23日第一個晶體管NPN Ge晶體管 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain獲得1956年No

5、bel物理獎第四階段：20世紀70年代中期到80年代中期，微電子技術(shù)的發(fā)展，使得數(shù)字技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，產(chǎn)生了大規(guī)模和超大規(guī)模的集成數(shù)字芯片，應(yīng)用在各行各業(yè)和我們的日常生活第三階段：20世紀60年代集成電路的出現(xiàn)，使得數(shù)字技術(shù)有了更廣泛的應(yīng)用，在各行各業(yè)醫(yī)療、雷達、衛(wèi)星等領(lǐng)域都得到應(yīng)用1958年第一塊集成電路：TI公司的Kilby，12個器件，Ge晶片獲得2000年Nobel物理獎數(shù)字電路分類一、按集成電路規(guī)模分類集成度：每塊集成電路芯片中包含的元器件數(shù)目小規(guī)模集成電路(Small Scale IC，SSI)中規(guī)模集成電路(Medium Scale IC，MSI)大規(guī)模集成電路(Large S

6、cale IC，LSI)超大規(guī)模集成電路(Very Large Scale IC，VLSI)特大規(guī)模集成電路(Ultra Large Scale IC，ULSI)巨大規(guī)模集成電路(Gigantic Scale IC，GSI）二、按集成工藝分類工藝類型 電源消耗 速度 封裝 電阻晶體管邏輯（RTL）高低分粒 二極管晶體管邏輯（DTL） 高低分粒,SSI 晶體管晶體管邏輯（TTL） 中中SSI,MSI 發(fā)射極耦合邏輯（ECL） 高高SSI,MSI,LSI 負金屬氧化物半導(dǎo)體（pMOS） 中低MSI,LSI 正金屬氧化物半導(dǎo)體（nMOS） 中中MSI,LSI,VLSI 互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS

7、） 低中SSI,MSI,LSI,VLSI 鎵砷化物（GaAs） 高高SSI,MSI,LSI 三、按電路結(jié)構(gòu)分類組合邏輯電路時序邏輯電路四、當前數(shù)字設(shè)計的趨勢 越來越大的設(shè)計 越來越短的推向市場的時間 越來越低的價格 大量使用計算機輔助設(shè)計工具（EDA技術(shù)） 多層次的設(shè)計表述 大量使用復(fù)用技術(shù) IP（Intellectual Property）本課程學(xué)習(xí)要求深入掌握數(shù)字電路領(lǐng)域的基本概念和基本理論。熟練掌握數(shù)字電路的分析和設(shè)計方法。 分析和設(shè)計方法是貫穿本課程的主線逐步提高閱讀集成電路產(chǎn)品手冊的能力，以便從中獲取更多的信息。積極實踐，提高使用儀器、測試電路和排除故障的能力先修課程有：電路分析 線

8、性電子電路等。后續(xù)課程為：計算機組成原理、微機原理， EDA技術(shù)等。 數(shù)字邏輯電路是工學(xué)電子信息類專業(yè)、通訊類專業(yè)的重要專業(yè) 基礎(chǔ)課，主要講述數(shù)字電路原理、方法和應(yīng)用。課程內(nèi)容包括：（一）數(shù)制與編碼（二）邏輯代數(shù)（三）邏輯門 （四）雙極型和單極型晶體管開關(guān)特性（五）脈沖波形產(chǎn)生和整形電路 （六）組合邏輯電路 （七）觸發(fā)器（八）時序邏輯電路（九）半導(dǎo)體存儲器及可編程邏輯器件PLD（十）數(shù)模（DA）及模數(shù)（AD）轉(zhuǎn)換平時要求1、堅持上課，無故曠課8學(xué)時以上，取消考試資格。2、遵守課堂紀律，認真聽課。課堂上講話影響他人聽課的， 作曠課處理。3、認真按時親自做作業(yè)。對缺交1/3以上者，取消考試資格。4

9、、平時成績：共20分 （1）作業(yè)：每次作業(yè)占12分 （2）平時表現(xiàn)：包括到課情況，課堂紀律。杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院 教材原著：數(shù)字電路 龔之春 編著主講人：徐麗燕第一章 數(shù) 制 與 編 碼第一章 數(shù)制與編碼一、信號（模擬信號、脈沖信號、數(shù)字信號）1、模擬信號特點：幅值隨時間連續(xù)變化2、脈沖信號3、數(shù)字信號特點：幅值隨時間離散變化tV(t)數(shù)字信號高電平低電平上升沿下降沿 數(shù)字信號的特點 數(shù)字信號在時間上和數(shù)值上均是離散的。 數(shù)字信號在電路中常表現(xiàn)為突變的電壓或電流。 典型的數(shù)字信號數(shù)字信號是一種二值信號，用兩個電平（高電平和低電平）分別來表示兩個邏輯值（邏輯1和邏輯0）。 1、理想數(shù)字信

10、號的主要參數(shù) 一個理想的周期性數(shù)字信號，可用以下幾個參數(shù)來描繪： Vm信號幅度。 T信號的重復(fù)周期。 tW脈沖寬度。 q ( )占空比。其定義為： 二、波形參數(shù)下圖所示為三個周期相同（T=20ms），但幅度、脈沖寬度及占空比各不相同的數(shù)字信號。2、實際數(shù)字信號波形參數(shù)V0 起始電位 t0起始時間Vm脈沖幅度 tr上升時間VP脈沖峰值 tf下降時間 平頂下降 tw脈沖底部寬度 超量（過沖） twA脈沖平均寬度T 周期脈沖占空比VPPV0 起始電位 t0起始時間Vm脈沖幅度 tr上升時間 T 周期VP脈沖峰值 tf下降時間 平頂下降 tw脈沖底部寬度 超量（過沖） twA脈沖平均寬度三、數(shù)字波形N

11、RZ:非歸零1：高電平 0：低電平RZ: 歸零1：電平變 0：電平不變NRZI ：IBM非歸零 下一個為1 變 、為0不變BRZ 雙極歸零 1正脈沖，0負脈沖BPRZ 交替雙極歸零 1極性交替脈沖，0零電平MVL 多值邏輯 不同電平代表不同數(shù)值曼徹斯特碼 1下降沿，0上升沿十進制09 逢十進位二進制 0，1 逢二進位八進制 07 逢八進位十六進制 09,A,B,C,D,E,F 逢十六進位N進制 1.2、數(shù)制及變換一 、數(shù)制(123.4)10=1x102+2x101+3x100+4x10-1(123.4)8 =1x82+2x81+3x80+4x8-1 =(83.4) 10(123.4)16=1x

12、162+2x161+3x160+4x16-1 =(291.25) 10(1010.11) 2= 1x23+1x21+1x2-1 +1x2-2 =(10.75) 101、N十進制（權(quán)展開相加）二 、數(shù)制及變換(35)D= ( ? )B (35)D= ( ? ) O 2 35 余數(shù) 8 35 余數(shù) 2 17 1 4 3 2 8 1 注意 2 4 0最后余數(shù)為高 2 2 0基數(shù)越大轉(zhuǎn)換越快 1 (35)D= (10011 )B = (43 )O2、十進制 N 進制（整數(shù)：除N取余）注意： 小數(shù)轉(zhuǎn)換可能得不到完全相等的有限小數(shù)，取有效長度3、十進制 N （小數(shù)：乘N取整位）例：試將十進制數(shù)0.71變換

13、成二進制碼，且誤差解： 0.711.42 2 20.84 21.68 21.36 20.72 21.44例 將（173.39)D轉(zhuǎn)化成二進制數(shù),要求精度為1%。a. 整數(shù)部分解：其過程如下即(173)D=(10101101) Bb. 小數(shù)部分由于精度要求為1，故應(yīng)該令取對數(shù)，可得取m7 滿足精度要求，過程如下即(0.39)D=(0.0110001) B故（173.39)D =(10101101.0110001)B每3位二進制變1位八進制(1011110.11) B =001 011 110. 110=(136.6)O(23.42) O =010 011. 100 010=(10011.1000

14、1)B每4位二進制變1位十六進制(1011110.11) B =0101 1110. 1100=(5E.C)H(23.42) H =0010 0011.0100 0010 = (100011.0100001)B4、二進制、八進制、十六進制轉(zhuǎn)換用4位二進制表示1位十進制數(shù)0000 00101 50001 10110 60010 20111 70011 31000 80100 41001 9無效碼1010 1011 1100 1101 1110 1111三、BCD碼（二-十進制碼）例： (132.8) D=(1 0011 0010.1000) 8421BCD有權(quán)碼 8421 5421 4221 2

15、421 84-2-1BCD碼（二-十進制碼）格雷碼：相鄰碼組之間只有一個碼元不同，數(shù)字遞增和遞減時，產(chǎn)生誤碼可能性小。是一種循環(huán)碼。1、原碼： 約定字長，數(shù)據(jù)長度最高位為符號位 1 負數(shù) 0 正數(shù)例： 0 110 1100 B = + 108 D 1 110 1100 B = - 108 D1.3 、數(shù)的表示（符號數(shù)-原碼、反碼、補碼）約定字長，正數(shù)同原碼負數(shù)符號位保留，其余位取反 （或看成被全1碼減，“1的補碼”）例： 原碼 反碼 0 110 1100 B 0 110 1100 B 1 110 1100 B 1 001 0011 B2、反碼約定字長，正數(shù)同原碼，負數(shù)符號位保留，其余位取反后+1 （或看成被2N減，“1的補碼”）111 1111-110 1100+1=1000 0000-110 1100例： 原碼 反碼 補碼 0 1101100 B 0 1101100 B 0 1101100 B 1 1101100 B 1 0010011 B 1 0010100 3、補碼1符號位擴展：正數(shù)補0，負數(shù)補14、其他+108 -1088位 01101100 1001010016位 00000000 01101100 1111111