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杭州電子科技大學電子信息學院 參考書：1、閻石主編 數(shù)字電子技術基礎（第五版）2、康華光主編 電子技術應用 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)字電路應用精度高、抗干擾能力強 0+0V 1+5V結構簡單、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、通信等領域得到廣泛應

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、失真等方面的關系；數(shù)字電路主要研究的是輸出與輸入間的邏輯關系（因果關系）。 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轉換器、D/A轉換器數(shù)字技術是一門應用學科，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（電報、電話）首先引入二進制的信息存儲技術。而在1847年由英國科學家喬治.布爾(George Boole)創(chuàng)立布爾代數(shù)，并在電子電路中的得到應用，形成開關代數(shù)，并有一套完整的數(shù)字邏輯電路的分析和設計方法.A：._B：_ . . .數(shù)字技術的發(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)字技術有一個飛躍發(fā)展，除了計算機、通訊領域應用外，在其它如測量領域得到應用晶體管圖片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，微電子技術的發(fā)展，使得數(shù)字技術得到迅猛的發(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)字技術有了更廣泛的應用，在各行各業(yè)醫(yī)療、雷達、衛(wèi)星等領域都得到應用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 負金屬氧化物半導體（pMOS） 中低MSI,LSI 正金屬氧化物半導體（nMOS） 中中MSI,LSI,VLSI 互補金屬氧化物半導體（CMOS

7、） 低中SSI,MSI,LSI,VLSI 鎵砷化物（GaAs） 高高SSI,MSI,LSI 三、按電路結構分類組合邏輯電路時序邏輯電路四、當前數(shù)字設計的趨勢 越來越大的設計 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計工具（EDA技術） 多層次的設計表述 大量使用復用技術 IP（Intellectual Property）本課程學習要求深入掌握數(shù)字電路領域的基本概念和基本理論。熟練掌握數(shù)字電路的分析和設計方法。 分析和設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技術等。 數(shù)字邏輯電路是工學電子信息類專業(yè)、通訊類專業(yè)的重要專業(yè) 基礎課，主要講述數(shù)字電路原理、方法和應用。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）半導體存儲器及可編程邏輯器件PLD（十）數(shù)模（DA）及模數(shù)（AD）轉換平時要求1、堅持上課，無故曠課8學時以上，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。杭州電子科技大學電子信息學院 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