數(shù)字電路1-1資料

1、數(shù)字邏輯(lu j)與數(shù)字系統(tǒng)2014-共三十八頁課程的重要性 在信息時(shí)代，數(shù)字電路無處不在。家電、通訊、計(jì)算機(jī)、自控、互聯(lián)網(wǎng)和儀器儀表等廣泛應(yīng)用數(shù)字技術(shù)。 數(shù)電是電類專業(yè)學(xué)生的一門看家本事。 在大學(xué)(dxu)期間，許多的后續(xù)課程與數(shù)電知識有關(guān)。如：計(jì)算機(jī)原理、單片機(jī)原理、電子工程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等等。引 言2022/7/272共三十八頁本課程是數(shù)字電路知識的入門課程，非常重要但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。要解決復(fù)雜的實(shí)際問題，必須學(xué)會(huì)使用先進(jìn)(xinjn)的工具，使設(shè)計(jì)工作更方便、更高效、更可靠。學(xué)習(xí)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件，如： Data I/O公司的 Synario Altera公司的 Max+plus

2、 II學(xué)習(xí)硬件描述語言(HDL)，如：VHDL， AHDL有些軟件可以從網(wǎng)上免費(fèi)下載，有時(shí)間學(xué)習(xí)一下。2022/7/273共三十八頁第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章數(shù)字(shz)邏輯概論邏輯(lu j)門電路組合邏輯電路鎖存器和觸發(fā)器時(shí)序邏輯電路脈沖波形的變換與產(chǎn)生 (555定時(shí)器)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器邏輯代數(shù)與硬件描述語言基礎(chǔ)課程內(nèi)容概括：CPLD和FPGA2022/7/274共三十八頁學(xué)習(xí)方法提示1. 強(qiáng)調(diào)基本概念的掌握; 2. 掌握基本的分析、設(shè)計(jì)方法（難度和復(fù)雜程度都不是(b shi)很大，以例題、作業(yè)為準(zhǔn)）;3. 在集成電路的內(nèi)部原理和外部特性中，

3、以外部特性的理解為主;4. 要合理的記筆記，提綱攜領(lǐng)。5. 許多考試內(nèi)容，都會(huì)在講課中提及、強(qiáng)調(diào)。 關(guān)于(guny)作業(yè)全部批改，登記；做題要求抄寫題目；表題工整，圖、標(biāo)用尺畫；每周交一次作業(yè)，暫定為周一2022/7/275共三十八頁內(nèi)容簡介1. 數(shù)字信號、數(shù)字技術(shù)等基本概念2. 常用的各種進(jìn)制數(shù)、碼制3. 二進(jìn)制的算術(shù)運(yùn)算和數(shù)字邏輯(lu j)的基本運(yùn)算第1章 數(shù)字邏輯(lu j)概論2022/7/276共三十八頁數(shù)字電路的分類(fn li)2、按所用器件制作工藝的不同(b tn)：雙極型（TTL型）、單極型（MOS型）3、按電路的結(jié)構(gòu)和對輸入信號響應(yīng)規(guī)則的不同：組合邏輯電路（沒有記憶功能，

4、其輸出信號只與當(dāng)時(shí)的輸入信號有關(guān)，而與電路以前的狀態(tài)無關(guān)）時(shí)序邏輯電路（具有記憶功能，其輸出信號不僅和當(dāng)時(shí)的輸入信號有關(guān)，而且與電路以前的狀態(tài)有關(guān)）1、按電路結(jié)構(gòu)的不同：分立元件電路、集成電路1.1 數(shù)字電路與數(shù)字信號2022/7/277共三十八頁4、按集成度分： 集成度：每塊集成電路芯片(xn pin)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 Scale 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 La

5、rge Scale IC，ULSI)巨大規(guī)模集成電路 (Gigantic Scale IC，GSI）2022/7/278共三十八頁數(shù)字電路的特點(diǎn)(tdin)（1）穩(wěn)定性高，結(jié)果的再現(xiàn)性好。數(shù)字電路的抗干擾能力強(qiáng)，固而可靠(kko)。在信號的傳送過程中，數(shù)字傳送比模擬傳送也要可靠(kko)的多。（2）易于設(shè)計(jì)。數(shù)字電路只有0、1兩種狀態(tài)，對電路精度要求不高，因此分析、設(shè)計(jì)也相對較容易。（3）大批量生產(chǎn)，成本低廉。數(shù)字電路結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)，便于集成化生產(chǎn)。（4）可編程性。（5）高速度，低功耗。集成度高。2022/7/279共三十八頁 數(shù)字電路的分析(fnx)、設(shè)計(jì)與測試（1）分析方法 數(shù)字電路的

6、研究對象是電路的輸入與輸出之間的邏輯關(guān)系，三極管工作(gngzu)在開關(guān)狀態(tài)，所以，分析方法不能再是模擬電路中的圖解法、微變等效電路法，而是采用布爾代數(shù)、真值表、功能表、邏輯表達(dá)式或波形圖等。（3）測試技術(shù) 測試設(shè)備為：數(shù)字萬用表、電子示波器等。具體測試技術(shù)將在實(shí)驗(yàn)課中詳細(xì)介紹。（2）設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)是從給定的邏輯功能要求出發(fā)，確定輸入、輸出變量，選擇適當(dāng)?shù)倪壿嬈骷?，設(shè)計(jì)出符合要求的邏輯電路。2022/7/2710共三十八頁模擬信號 模擬信號是在時(shí)間和幅值上都連續(xù)變化的信號，例如正弦波、指數(shù)函數(shù)等 ，如圖1.1(a)所示。 對模擬信號進(jìn)行傳輸、處理的電子線路稱為(chn wi)模擬電路。圖1.1

7、(a) 模擬信號波形(b xn) 模擬信號和數(shù)字信號2022/7/2711共三十八頁ut圖1.1(b) 數(shù)字信號波形(b xn) 數(shù)字信號是在時(shí)間和幅值上都不連續(xù)，并取一定離散數(shù)值的信號，通常是由數(shù)字0和1，也可以(ky)說是由低電平電信號和高電平電信號組成的信號，如圖1.1(b)所示。 對數(shù)字信號進(jìn)行傳輸、處理的電子線路稱為數(shù)字電路，如數(shù)字電子鐘、數(shù)字萬用表的電子電路都是由數(shù)字電路組成 數(shù)字信號2022/7/2712共三十八頁 模擬量可以用一系列的數(shù)字量0、1來表示，這一系列的數(shù)字0、1組成(z chn)的字符串，稱為二進(jìn)制碼 . 模擬量的數(shù)字(shz)表示 2022/7/2713共三十八頁

8、 數(shù)字電路又稱二值邏輯，它們可以用電子器件的開關(guān)特性來實(shí)現(xiàn)。例如(lr)，邏輯電平與電壓值的關(guān)系可用下表來描述：電壓(V)邏輯表示電平表示3.551H(高電平)01.50L(低電平)數(shù)字信號的描述(mio sh)方法2022/7/2714共三十八頁例：周期性數(shù)字(shz)脈沖波高電平持續(xù)時(shí)間為6ms，低電平持續(xù)時(shí)間為10ms, 則，占空比 2. 占空比 q - 脈沖寬度(kund)占整個(gè)周期的百分比 :q數(shù)字信號中的幾個(gè)概念1. 脈沖寬度 tw - 脈沖作用的時(shí)間 q = 6ms / (6+10)ms =37.5%3.上升時(shí)間t r 和下降時(shí)間t f -從脈沖幅值的10%到90% 所經(jīng) 歷的時(shí)

9、間 ，典型值為幾十個(gè)納秒（ns） 非理想脈沖波形 2022/7/2715共三十八頁進(jìn)位制/數(shù)制：表示數(shù)時(shí)，僅用一位數(shù)碼往往不夠用，必須用進(jìn)位計(jì)數(shù)(j sh)的方法組成多位數(shù)碼。多位數(shù)碼每一位的構(gòu)成以及從低位到高位的進(jìn)位規(guī)則稱為進(jìn)位計(jì)數(shù)(j sh)制，簡稱進(jìn)位制?；鶖?shù)：進(jìn)位制的基數(shù)，就是(jish)在該進(jìn)位制中可能用到的數(shù)碼個(gè)數(shù)位權(quán)（位的權(quán)數(shù)）：在某一進(jìn)位制的數(shù)中，每一位的大小都對應(yīng)著該位上的數(shù)碼乘上一個(gè)固定的數(shù)，這個(gè)固定的數(shù)就是這一位的權(quán)數(shù)。權(quán)數(shù)是一個(gè)冪。幾個(gè)概念（數(shù)制）：1.2 數(shù)制數(shù)碼：由數(shù)字符號構(gòu)成且表示物理量大小的數(shù)字和數(shù)字組合。2022/7/2716共三十八頁1. 十進(jìn)制 數(shù)字符號（

10、系數(shù)(xsh)）：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9計(jì)數(shù)規(guī)則：逢十進(jìn)一103、102、101、100稱為(chn wi)十進(jìn)制的權(quán)。各數(shù)位的權(quán)是10的冪。同樣的數(shù)碼在不同的數(shù)位上代表的數(shù)值不同。任意一個(gè)十進(jìn)制數(shù)都可以表示為各個(gè)數(shù)位上的數(shù)碼與其對應(yīng)的權(quán)的乘積之和，稱權(quán)展開式。即：(5555)105103 510251015100又如：(209.04)10 2102 0101910001014 1022022/7/2717共三十八頁十進(jìn)制一般(ybn)表達(dá)式:位權(quán)系數(shù)(xsh) 在數(shù)字電路中，計(jì)數(shù)的基本思想是要把電路的狀態(tài)與數(shù)碼一一對應(yīng)起來。顯然，采用十進(jìn)制是十分不方便的。它需要十種電路狀態(tài)，

11、要想嚴(yán)格區(qū)分這十種狀態(tài)是很困難的。2022/7/2718共三十八頁2. 二進(jìn)制 數(shù)字符號(fho)：0、1計(jì)數(shù)規(guī)則：逢二進(jìn)一基數(shù)：2權(quán)：2的冪例：（1011101）2 = （126+025+124+123+122+021+120）10 =（64+0+16+8+4+0+1）10=（93）10二進(jìn)制數(shù)的一般(ybn)表達(dá)式為:位權(quán)系數(shù)2022/7/2719共三十八頁 位數(shù)太多，不符合人的習(xí)慣，不能在頭腦(tuno)中立即反應(yīng)出數(shù)值的大小，一般要將其轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制后，才能反應(yīng)。二進(jìn)制的優(yōu)點(diǎn)(yudin)： 1、易于電路實(shí)現(xiàn)-每一位數(shù)只有兩個(gè)值，可以用管子的“導(dǎo)通”或“截止”，燈泡的“亮”或“滅”、繼電

12、器觸點(diǎn)的“閉合”或“斷開”來表示。二進(jìn)制的缺點(diǎn)：2、基本運(yùn)算規(guī)則簡單2022/7/2720共三十八頁3. 八進(jìn)制 數(shù)字符號：0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7計(jì)數(shù)規(guī)則(guz)：逢八進(jìn)一基數(shù)：8權(quán)：8的冪例：（127）8=（182+281+780）10 =（64+16+7）10 =（87）102022/7/2721共三十八頁4. 十六進(jìn)制(sh li jn zh) 數(shù)字符號：09、A(10)、B(11)、C(12)、D(13)、E(14)、F(15)計(jì)數(shù)規(guī)則(guz)：逢十六進(jìn)一基數(shù)：16權(quán)：16的冪例：（5D）16=（5161+13160）10 =（80+13）10 =（93）10

13、2022/7/2722共三十八頁 十六進(jìn)制在數(shù)字電路中，尤其在計(jì)算機(jī)中得到廣泛的應(yīng)用(yngyng)，因?yàn)椋菏M(jìn)制(sh li jn zh)優(yōu)點(diǎn) ：第一、與二進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換容易第二、計(jì)數(shù)容量較其它進(jìn)制都大。假如同樣采用四位數(shù)碼，第三、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，大量的寄存器、計(jì)數(shù)器等往往按四位一組排列。故使十六進(jìn)制的使用獨(dú)具優(yōu)越性。八進(jìn)制可計(jì)至 7777 O = 4095 D ；十進(jìn)制可計(jì)至 9999 D ；十六進(jìn)制可計(jì)至 FFFF H = 65535 D，其容量最大。二進(jìn)制最多可計(jì)至 1111 B = 15 D ；2022/7/2723共三十八頁結(jié)論(jiln)： 一般地，N進(jìn)制需要用到N個(gè)數(shù)碼(shm

14、)，基數(shù)是N；運(yùn)算規(guī)律為逢N進(jìn)一。 如果一個(gè)N進(jìn)制數(shù)M包含位整數(shù)和位小數(shù)，即 (an-1 an-2 a1 a0 a1 a2 am) N則該數(shù)的權(quán)展開式為：(M)N an-1Nn-1 an-2 Nn-2 a1N1 a0 N0a1 N-1a2 N-2 amN-m 由權(quán)展開式很容易將一個(gè)N進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。2022/7/2724共三十八頁不同(b tn)數(shù)制間的轉(zhuǎn)換 （1）二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)： 將二進(jìn)制數(shù)由小數(shù)點(diǎn)開始，整數(shù)(zhngsh)部分向左，小數(shù)部分向右，每3位分成一組，不夠3位補(bǔ)零，則每組二進(jìn)制數(shù)便是一位八進(jìn)制數(shù)。(三位聚一位)將N進(jìn)制數(shù)按權(quán)展開，即可以轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。1 1 0 1

15、 0 1 0 . 0 10 00 (152.2)8（2）八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)：將每位八進(jìn)制數(shù)用3位二進(jìn)制數(shù)表示。(一位變?nèi)?= 011 111 100 . 010 110(374.26)8二進(jìn)制數(shù)與八進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換12022/7/2725共三十八頁01 1 1 1 0 1 0 0 0 . 0 1 10 0 0 (1E8.6)16= 1010 1111 0100 . 0111 0110(AF4.76)16 二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)，按照(nzho)每4位二進(jìn)制數(shù)對應(yīng)于一位十六進(jìn)制數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。(四位聚一位)采用的方法 基數(shù)連除、連乘法(chngf)原理：將整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 整

16、數(shù)部分采用基數(shù)連除法; 小數(shù)部分采用基數(shù)連乘法; 轉(zhuǎn)換后再合并。 十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)，按照每一位十六進(jìn)制數(shù)對應(yīng)于4位二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。(一位變四位)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù) 32 二進(jìn)制與十六進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換 2022/7/2726共三十八頁整數(shù)部分采用基數(shù)(jsh)連除法：先得到的余數(shù)為低位，后得到的余數(shù)為高位。小數(shù)(xiosh)部分采用基數(shù)連乘法：先得到的整數(shù)為高位，后得到的整數(shù)為低位。所以：(44.375)10(101100.011)2采用基數(shù)連除、連乘法，可將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為任意的N進(jìn)制數(shù)。例：(44.375)10( ？ )22022/7/2727共三十八頁例：將(0.706)D轉(zhuǎn)換

17、(zhunhun)為二進(jìn)制數(shù)，要求其誤差不大于2-10。解：0.7062=1.4121 b1 由于最后的小數(shù)小于0.5，根據(jù)“四舍五入”的原則，應(yīng)為 0所以(suy)，(0.706)D=(0.101101001)B，其誤差 高位|低位0.4122=0.8240 b20.8242=1.6481 b30.6482=1.2961 b40.2962=0.5920 b50.5922=1.1841 b6 0.1842=0.3680 b7 0.3682=0.7360 b8 0.7362=1.4721 b9 將小數(shù)部分連續(xù)不斷地乘以2 , 每次所得乘積的整數(shù)部分取出，由高位到低位排列，即為所求2022/7/2

18、728共三十八頁表1-1 幾種(j zhn)計(jì)數(shù)進(jìn)制數(shù)的對照表十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制00000001000111200102230011334010044501015560110667011177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F2022/7/2729共三十八頁1.3 二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)(sunsh)運(yùn)算1. 無符號(fho)二進(jìn)制的算術(shù)運(yùn)算 二進(jìn)制的加、減、乘、除四種運(yùn)算的運(yùn)算與十進(jìn)制數(shù)類似，兩者唯一區(qū)別在于進(jìn)位或借位規(guī)則不同。無符號二進(jìn)制加法規(guī)則是： 二進(jìn)制加法無符號二進(jìn)制減法規(guī)則是：

19、 二進(jìn)制減法0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1= 1 00-0=0， 1-1=0 ，1-0=1， 0-1= 1 1進(jìn)位位借位位2022/7/2730共三十八頁例1 計(jì)算(j sun)兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)1010和0101的積： 二進(jìn)制乘法(chngf) 二進(jìn)制除法乘法運(yùn)算是由左移被乘數(shù)與加法運(yùn)算組成的例2 計(jì)算兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)1010和111的商：除法運(yùn)算是由右移被除數(shù)與減法運(yùn)算組成的1 0 1 0 0 1 0 11 0 1 01 0 1 00 0 0 00 0 0 00 1 1 0 0 1 01 0 1 01 1 111 1 11 1.00101 1 11 0 1011 1 11 100=0，

20、10=0， 01=0 ， 11=12022/7/2731共三十八頁 在定點(diǎn)運(yùn)算的情況下，二進(jìn)制數(shù)的最高位（即最左邊的位）表示符號位，且0表示正數(shù)，用1表示負(fù)數(shù)(fsh)。其余部分為數(shù)值位。例如：2. 帶符號二進(jìn)制的減法(jinf)運(yùn)算以上是用原碼的形式表示數(shù)值位。在數(shù)字電路中，常將負(fù)數(shù)用補(bǔ)碼表示，以便將減法運(yùn)算變?yōu)榧臃ㄟ\(yùn)算。2022/7/2732共三十八頁減法(jinf)運(yùn)算 補(bǔ)碼(b m)和反碼的關(guān)系式 : N補(bǔ)=N反+1。1、二進(jìn)制數(shù)補(bǔ)碼表示先只討論數(shù)值碼，即數(shù)碼中不包括符號位。原碼自然二進(jìn)制碼反碼將原碼中的0變?yōu)?，1變?yōu)?N反=（2n 1）N原 即： N原= 2n 1N反 補(bǔ)碼N補(bǔ)=2

21、n N原原碼： 0 1 0 1反碼： 1 0 1 01 1 1 1 補(bǔ)碼； 1 0 1 1所以，A -B = A -（2n-1-B反）= A+B反+1-2n = A+B補(bǔ)-2n 2022/7/2733共三十八頁當(dāng)考慮負(fù)數(shù)情況時(shí)，帶符號二進(jìn)制數(shù)補(bǔ)碼的計(jì)算方法如下：補(bǔ)碼或反碼的最高位為符號位，正數(shù)為0，負(fù)數(shù)為1。當(dāng)二進(jìn)制數(shù)為正數(shù)時(shí)，其補(bǔ)碼、反碼與原碼相同。當(dāng)二進(jìn)制數(shù)為負(fù)數(shù)時(shí)，將原碼的數(shù)值位逐位求反（即得到(d do)反碼），然后在最低位加1,得到補(bǔ)碼。（p24）例：分別計(jì)算出A6 和B =6 的4位二進(jìn)制原碼(yun m)、反碼和補(bǔ)碼A6B =6原碼 反碼 補(bǔ)碼0110011001101110100110102022/7/2734共三十八頁2、二進(jìn)制補(bǔ)碼(b m)的減法運(yùn)算 減法運(yùn)算的原理是減去一個(gè)正數(shù)(zhngsh)相當(dāng)于加上一個(gè)負(fù)數(shù)，即ABA（B），對（B）求補(bǔ)碼，然后進(jìn)行加法運(yùn)算。 進(jìn)行二進(jìn)制補(bǔ)碼的加法運(yùn)算時(shí)，必須注意被加數(shù)補(bǔ)碼與加數(shù)補(bǔ)碼的位數(shù)相等，即讓兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)補(bǔ)碼的符號位對齊。例：試用4位二進(jìn)制補(bǔ)碼計(jì)算 5 - 23、溢出例：試用4位二進(jìn)制補(bǔ)碼計(jì)算 5