電工電子技術(shù)與技能 第4版 課件 第13章 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)

第13章數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)目標(biāo)【知識(shí)目標(biāo)】1.了解模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)

2.了解常用數(shù)制及數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換方法

3.了解8421BCD碼的表示形式

4.了解與門、或門、非門等基本邏輯門的邏輯功能及其電氣符號(hào)

5.了解與非門、或非門等復(fù)合邏輯門的邏輯功能及其電氣符號(hào)

6.了解常用TTL及CMOS集成門電路的型號(hào)、使用常識(shí)及其引腳排列【技能目標(biāo)】

1.能識(shí)別常用集成邏輯門電路的型號(hào)及引腳功能。

2.會(huì)測試常用集成門電路的邏輯功能并判斷其好壞。主要內(nèi)容13.1數(shù)字電路基礎(chǔ)知識(shí)

13.1.1模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)

13.1.2數(shù)制

13.1.3BCD碼13.2邏輯門電路

13.2.1基本邏輯門

13.2.2復(fù)合邏輯門

13.2.3集成門電路13.2.4邏輯函數(shù)及其化簡13.1數(shù)字電路基礎(chǔ)知識(shí)13.1.1模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)在電子電路中傳輸和處理的信號(hào)是電信號(hào)，即指隨時(shí)間變化的電壓或電流。比如電視、手機(jī)接收的無線電信號(hào)和固定電話中傳輸?shù)碾娏餍盘?hào)等。電子技術(shù)中的電信號(hào)大致可分為兩大類：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。

【模擬信號(hào)】：如圖13-2a所示，在數(shù)值上和時(shí)間上都是連續(xù)變化的信號(hào)，稱為模擬信號(hào)。用來處理模擬信號(hào)的電路稱為模擬電路。

【數(shù)字信號(hào)】：如圖13-2b所示,在數(shù)值和時(shí)間上均離散（也就是不連續(xù)）的信號(hào)，稱為數(shù)字信號(hào)。對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳遞、處理、運(yùn)算和存儲(chǔ)的電路稱為數(shù)字電路。（a）模擬信號(hào)（b）數(shù)字信號(hào)圖13-2數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)13.1.2數(shù)制

1.常用數(shù)制

【十進(jìn)制】

十進(jìn)制是日常生活和工作中最常使用的進(jìn)位計(jì)數(shù)制，在十進(jìn)制數(shù)中，有0、1、2、3、4、5、6、7、8和9十個(gè)數(shù)碼，通常把數(shù)碼的個(gè)數(shù)稱為基數(shù)，所以十進(jìn)制數(shù)的基數(shù)是10，超過9的數(shù)必須用多位表示，其中低位和相鄰高位之間的關(guān)系是“逢十進(jìn)一”，故稱之為十進(jìn)制數(shù)。十進(jìn)制數(shù)中不同位置上的數(shù)的單位數(shù)值，稱為權(quán)值，例如，123.123，從小數(shù)點(diǎn)開始，左起第一位（個(gè)位）的權(quán)為100，第二位（十位）的權(quán)為101，從小數(shù)點(diǎn)開始，右起第一位（十分位）的權(quán)為10－1，第二位（百分位）的權(quán)為10－2。故123.123可按權(quán)展開成多項(xiàng)式形式：

(123.123)10＝1×102＋2×101＋3×100＋1×10－1＋2×10－2＋3×10－3

所以，任意一個(gè)十進(jìn)制數(shù)可表示為：

式中ki是第i位的系數(shù)，它可以是0~9十個(gè)數(shù)碼中的任意一個(gè)。如果以N取代上式中的10，則可得到任意進(jìn)制數(shù)按權(quán)展開的形式：

式中，ki為第i位的系數(shù)，Ni為第i位的權(quán)。

【二進(jìn)制】

二進(jìn)制數(shù)在數(shù)字電路中使用，其只有二個(gè)數(shù)碼，即0和1，遵循“逢二進(jìn)一”的進(jìn)位規(guī)律，比如二進(jìn)制數(shù)1101.11的權(quán)展開式為：

(1101.11)2＝1×23＋1×22＋0×21＋1×20＋1×2－1＋1×2－2

所以，任意一個(gè)二進(jìn)制數(shù)可表示為：

2.二進(jìn)制與十進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換

【二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制】

二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)的換算方法是：“按權(quán)展開相加法”,即將二進(jìn)制數(shù)按權(quán)的形式展開，然后按十進(jìn)制數(shù)求和,所得結(jié)果即為對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。例如：(1101.101)2=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=8+4+1+0.5+0.125=(13.625)10【十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制】

十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)可采用“除2取余法”，即用二進(jìn)制的基數(shù)2不斷去除待轉(zhuǎn)換十進(jìn)制數(shù)，直到商為0，將每次除基數(shù)所得余數(shù)從后往前按順序排列，也就是先得到的余數(shù)為低位，后得到的余數(shù)為高位。得到的結(jié)果就是對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。例如將(35)10轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。【二進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換】

由于十六進(jìn)制數(shù)的基數(shù)16=24，所以一個(gè)四位二進(jìn)制數(shù)相當(dāng)于一位十六進(jìn)制數(shù)。二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)的方法，是將一個(gè)二進(jìn)制數(shù)從高位到低位，每四位分成一組，每組應(yīng)轉(zhuǎn)換成一位十六進(jìn)制數(shù)。十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)的方法，是從高位到低位，將每一位十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成四位二進(jìn)制數(shù)。

例如將二進(jìn)制數(shù)（1100101111）2轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)。

（1100101111）2=（32F）1613.1.3BCD碼在數(shù)字系統(tǒng)中，對(duì)十進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算處理通常都是將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，再進(jìn)行運(yùn)算。這種用二進(jìn)制代碼表示的十進(jìn)制數(shù)的方法，稱為二—十進(jìn)制編碼，簡稱BCD碼。

BCD編碼的方式有很多，其中最常用的是8421BCD碼。這種方法是用4位二進(jìn)制碼表示十進(jìn)制數(shù)的0，1，2，3，4，5，6，7，8，9十個(gè)數(shù)碼。這四位二進(jìn)制數(shù)各位的權(quán)值從左至右依次為8、4、2、1，每組代碼加權(quán)系數(shù)之和，就是它代表的十進(jìn)制數(shù)，例如代碼0101，即代表十進(jìn)制數(shù)0+4+0+1=5。故稱8421碼。表13-1為十進(jìn)制數(shù)和8421BCD編碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系表。

表13-18421BCD碼13.2邏輯門電路13.2.1基本邏輯門

1、與門電路

【與邏輯關(guān)系】

與邏輯關(guān)系是指，只有當(dāng)決定某一事件的全部條件都具備之后，該事件才發(fā)生，否則就不發(fā)生的一種邏輯關(guān)系。例如圖13-3a所示電路中，只有當(dāng)開關(guān)A與B全部閉合時(shí)，燈泡Y才亮；若開關(guān)A或B其中有一個(gè)不閉合，燈泡Y就不亮。在數(shù)字電路中，這種邏輯關(guān)系表示為Y＝AB或Y=AB，讀作“A與B”。如果設(shè)開關(guān)的接通狀態(tài)為1，斷開狀態(tài)為0，指示燈亮為1，指示燈滅為0，則可得與邏輯關(guān)系的運(yùn)算規(guī)則為：00=0，01=0，10=0，11=1。與邏輯真值表ABY000110110001a)與邏輯舉例b)電路符號(hào)c)真值表圖13-3與邏輯運(yùn)算關(guān)系

【與門電路】

與門指能夠?qū)崿F(xiàn)與邏輯關(guān)系運(yùn)算的電路，其電路符號(hào)如圖14-3b所示。一個(gè)與門有兩個(gè)或兩個(gè)以上的輸入端，只有一個(gè)輸出端，輸入、輸出之間的邏輯函數(shù)，即邏輯關(guān)系為：

Y＝AB

與門的邏輯功能可以用真值表來描述，見圖14-3c所示。由真值表可以看出與門電路的邏輯功能為：當(dāng)輸入只要有一端為0時(shí)，輸出就為0；只有當(dāng)輸入全為1時(shí)，輸出才為1。2、或邏輯及或門

【或邏輯關(guān)系】

或邏輯是指：在決定某事件的諸條件中，只要有一個(gè)或一個(gè)以上的條件具備，該事件就會(huì)發(fā)生；當(dāng)所有條件都不具備時(shí)，該事件才不發(fā)生的一種邏輯關(guān)系。例如圖13-4a所示電路中，只要開關(guān)A或B其中任一個(gè)閉合，燈泡Y就亮；只有A、B都不閉合時(shí)，燈泡Y才不亮。在數(shù)字電路中，這種邏輯關(guān)系表示為Y＝A＋B，讀作“A或B”

邏輯關(guān)系的運(yùn)算規(guī)則為：0＋0=0，0＋1=1，1＋0=1，1＋1=1?；蜻壿嬚嬷当鞟BY000110110111a)或邏輯舉例b)電路符號(hào)c)真值表圖13-4或邏輯運(yùn)算關(guān)系

【或門電路】或門指能夠?qū)崿F(xiàn)或邏輯關(guān)系運(yùn)算的電路，其電路符號(hào)如圖14-4b所示。一個(gè)或門有兩個(gè)或兩個(gè)以上的輸入端，只有一個(gè)輸出端，輸入、輸出之間的邏輯函數(shù)為：

Y＝A＋B

或門電路的邏輯功能如真值表14-4c所示。由真值表可知或門電路的邏輯功能為：當(dāng)輸入只要有一端為1時(shí)，輸出就為1；只有當(dāng)輸入全為0時(shí)，輸出才為0。3、非邏輯及非門

【非邏輯關(guān)系】非邏輯是指：決定某事件的唯一條件不滿足時(shí)，該事件就發(fā)生；而條件滿足時(shí)，該事件反而不發(fā)生的一種因果關(guān)系。如圖13-5a所示電路，當(dāng)開關(guān)A閉合時(shí)，燈泡Y不亮；當(dāng)開關(guān)A斷開時(shí)，燈泡Y才亮。這種因果關(guān)系就是非邏輯關(guān)系。在數(shù)字電路中，這種邏輯關(guān)系表示為Y＝，讀作“A非”或“非A”。在邏輯代數(shù)中，非邏輯稱為“求反”?！狈沁壿嬯P(guān)系的運(yùn)算規(guī)則為：=1，=0。非邏輯真值表AY0110a)非邏輯舉例b)電路符號(hào)c)真值表圖13-5非邏輯運(yùn)算關(guān)系【非門電路】

非門是指能夠?qū)崿F(xiàn)非邏輯關(guān)系的門電路。它有一個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端。其電路符號(hào)如圖13-5b所示。邏輯函數(shù)為：

Y＝非門電路的真值表如表13-5c所示。由表可見，非門電路的邏輯功能就是取反。13.2.2復(fù)合邏輯門電路

1.與非門與非門電路符號(hào)如圖13-6b所示，實(shí)際就相當(dāng)于是將一個(gè)與門和一個(gè)非門按圖13-6a所示連接，它的邏輯函數(shù)式為：

Y＝＝與非門電路的真值表見表13-6c所示。由此可知，與非門的邏輯功能為：當(dāng)輸入全為高電平時(shí)，輸出為低電平；當(dāng)輸入有低電平時(shí)，輸出為高電平?；蜻壿嬚嬷当鞟BY000110111110a)與非門電路結(jié)構(gòu)b)圖形符號(hào)c)真值表圖13-6與非邏輯運(yùn)算關(guān)系2、或非門

把一個(gè)或門和一個(gè)非門連接起來就可以構(gòu)成一個(gè)或非門，如圖13-7a所示?；蚍情T也可有多個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。或非門的電路符號(hào)如圖13-7b所示，它的邏輯表達(dá)式為：

Y=

或非門真值表如表13-7c所示。由表可知，或非門的邏輯功能為：當(dāng)輸入全為低電平時(shí)，輸出為高電平；當(dāng)輸入有高電平時(shí)，輸出為低電平?；蜻壿嬚嬷当鞟BY000110111000a)或非門電路結(jié)構(gòu)b)圖形符號(hào)c)真值表圖13-7或非邏輯運(yùn)算關(guān)系13.2.3集成門電路

將若干個(gè)門電路，經(jīng)集成工藝制作在同一芯片上，加上封裝，引出管腳便成為集成門電路，常見的集成門電路有TTL系列和CMOS系列兩大類。

1.TTL集成電路簡介雙極型三極管—三極管邏輯電路，簡稱TTL電路，它是一種性能優(yōu)良的門電路，它的開關(guān)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，帶負(fù)載能力強(qiáng)因而得到廣泛應(yīng)用。

TTL集成門電路有許多不同的系列，總體可分為54系列和74系列，54系列為滿足軍用需要設(shè)計(jì)，工作溫度范圍為－50～+125℃；74系列為滿足民用要求設(shè)計(jì)，工作溫度范圍為0～+70℃。而每一大系列中可分為以下幾個(gè)子系列（以74為例）：

【74系列】

又稱標(biāo)準(zhǔn)TTL系列，屬中速TTL器件。

【74L系列】

為低功耗TTL系列，又稱LTTL系列。

【74H系列】

為高速TTL系列，又稱HTTL系列。

【74S系列】

為肖特基TTL系列，又稱STTL系列。

【74LS系列】

為低功耗肖特基系列，又稱LSTTL系列。

【74AS系列】

為先進(jìn)肖特基系列，又稱ASTTL系列。

【74ALS系列】

為先進(jìn)低功耗肖特基系列，又稱ALSTTL系列，是74LS系列的后繼產(chǎn)品。其中74（基本型）子系列為早期TTL產(chǎn)品，已基本淘汰，74LS子系列以其性價(jià)比高、綜合性能好而應(yīng)用最廣，目前仍為主流應(yīng)用品種之一。2.CMOS集成電路簡介

CMOS電路是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路的簡稱，由于功耗低（25～100μW），電源電壓范圍寬（3～18V），輸入阻抗高（大于100MΩ），扇出能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，集成度高，成本低等特點(diǎn)，應(yīng)用范圍很廣，正在逐漸取代TTL電路。在我國CMOS集成門電路分為CC4000系列和C000系列兩大類。CC4000系列產(chǎn)品與國際標(biāo)準(zhǔn)相同，只要4后面的數(shù)字相同，即為相同功能，相同特性的器件，可直接互換使用。C000系列產(chǎn)品與CC4000系列的引線排列不盡形同，大多不能直接代換，使用時(shí)應(yīng)注意區(qū)別。3.常見集成門電路

【集成邏輯門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)】一般一個(gè)邏輯門集成塊內(nèi)部包含幾個(gè)相同模塊的邏輯功能單元，它們?cè)诩蓧K內(nèi)部相對(duì)獨(dú)立，占用不同的管腳作為輸入和輸出端，但共用電源和接地管腳，如圖13-9所示是四路二輸入與非門74LS00內(nèi)部邏輯和管腳排列圖，“四路”表示它有相同的四個(gè)邏輯功能單元，“二輸入”指每個(gè)邏輯功能單元有二個(gè)輸入端，“與非門”表示每個(gè)邏輯單元的功能。從圖13-8可以清晰的看到該集成塊包含四個(gè)相同的相對(duì)獨(dú)立的與邏輯門，各自占用不同的集成塊管腳，在變量字母后加不同的數(shù)字加