中職《電子技術(shù)基礎(chǔ)與技能（電子信息類(lèi)）》（大連理工版·2010）4 數(shù)字電路基礎(chǔ) 同步課件

(電子信息類(lèi))電子技術(shù)基礎(chǔ)與技能4.2數(shù)字信號(hào)與數(shù)字電路4.1樓道照明燈的邏輯控制目錄4.3邏輯門(mén)電路4.5數(shù)制與碼制4.4邏輯函數(shù)及化簡(jiǎn)1.了解邏輯控制的概念。2.掌握表示邏輯控制的基本方法。實(shí)訓(xùn)目的安全注意事項(xiàng)1.一定要先接好電路再通電；拆線時(shí)要先斷電。2.注意安全用電，防止儀器設(shè)備損壞和觸電事故發(fā)生。3.嚴(yán)格按照操作規(guī)定使用工具和設(shè)備；嚴(yán)格按照安全規(guī)程進(jìn)行通電測(cè)試。4.安全使用電烙鐵，避免燙傷事故。5.注意電源、發(fā)光二極管的極性。1.直流電源2.電阻3.發(fā)光二極管4.雙刀單擲開(kāi)關(guān)5.萬(wàn)用表、電烙鐵、尖嘴鉗和偏口鉗等工具實(shí)訓(xùn)器材6V1個(gè)1kΩ/(1/4W)1只紅色?3mm1只1個(gè)1套1.原理圖圖4-1所示是一個(gè)樓道照明燈的控制電路。設(shè)A、B分別代表上、下樓層的兩個(gè)開(kāi)關(guān)，發(fā)光二極管Y代表照明燈。在樓上按下開(kāi)關(guān)A，可以將照明燈打開(kāi)，在樓下閉合開(kāi)關(guān)B，可以將燈關(guān)掉；同樣，也可以在樓下開(kāi)燈，樓上關(guān)燈。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容樓道照明燈原理圖2.電路的邏輯關(guān)系接通電源。按表的要求，改變開(kāi)關(guān)A、B的狀態(tài)，觀察發(fā)光二極管Y的亮滅情況，并將觀察結(jié)果填入表中。其中“合上”表示開(kāi)關(guān)A置1端、開(kāi)關(guān)B置2端，“合下”表示開(kāi)關(guān)A置4端、開(kāi)關(guān)B置3端。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容3.總結(jié)與分析通過(guò)上述操作，可做如下總結(jié)：(1)在開(kāi)關(guān)A、B狀態(tài)相反(一個(gè)合上，一個(gè)合下)時(shí)，由于沒(méi)有通路給發(fā)光二極管供電，所以發(fā)光二極管滅；在開(kāi)關(guān)A、B狀態(tài)相同(均合上或合下)時(shí)，發(fā)光二極管亮。(2)可以看出，發(fā)光二極管Y的狀態(tài)，是由開(kāi)關(guān)A、B的狀態(tài)決定的。若將開(kāi)關(guān)A、B稱(chēng)為輸入，發(fā)光二極管Y稱(chēng)為輸出，這種輸入和輸出關(guān)系稱(chēng)為邏輯關(guān)系，所構(gòu)成的電路為邏輯控制電路。在這種關(guān)系中，不管輸入量還是輸出量，都只對(duì)應(yīng)兩種狀態(tài)。(3)如果定義開(kāi)關(guān)合上和燈亮用邏輯“1”表示，定義開(kāi)關(guān)合下和發(fā)光二極管滅用邏輯“0”表示，則A、B、Y都可用兩種邏輯狀態(tài)“1”、“0”來(lái)描述(“1”和“0”不代表數(shù)量的大小)。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容將實(shí)訓(xùn)得到的表4-1重新寫(xiě)為表4-2。表格的左邊是兩個(gè)輸入狀態(tài)所有取值的組合，表格的右邊是對(duì)應(yīng)的輸出狀態(tài)。這種表征邏輯事件輸入和輸出之間全部可能狀態(tài)的表格稱(chēng)為邏輯函數(shù)的真值表。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容如表1-1和表1-2所示為常見(jiàn)二極管的技術(shù)指標(biāo)。模擬信號(hào)通常是指數(shù)值上連續(xù)的信號(hào)。模擬信號(hào)可以在一定范圍內(nèi)任意取值。例如，模擬話音或圖像各點(diǎn)的亮度變化、溫度或壓力變化等的信號(hào)，都是模擬信號(hào)。如圖(a)和圖(b)所示。幾種信號(hào)的波形4.2.1數(shù)字信號(hào)及特點(diǎn)數(shù)字信號(hào)是指在數(shù)值上不連續(xù)的信號(hào)。脈沖信號(hào)是數(shù)字信號(hào)的典型信號(hào)。圖(c)給出脈沖信號(hào)的理想波形。它的數(shù)值只有兩個(gè)，一個(gè)是高電平，另一個(gè)是低電平，沒(méi)有第三個(gè)數(shù)值。雖然理想脈沖信號(hào)波形與實(shí)際脈沖信號(hào)波形有差別，為了分析方便，常常忽略實(shí)際脈沖信號(hào)的上升時(shí)間(從低電平上升到高電平所需要的時(shí)間)和下降時(shí)間(從高電平下降到低電平所需要的時(shí)間)。把理想脈沖信號(hào)作為電路的信號(hào)源，除非高電平或低電平的持續(xù)時(shí)間比較短時(shí)，才考慮上升時(shí)間和下降時(shí)間對(duì)電路的影響。工作在數(shù)字信號(hào)下的電路稱(chēng)為數(shù)字電路。在數(shù)字電路中，電壓或電流通常只有兩個(gè)狀態(tài)：高電平或低電平，有電流或無(wú)電流。這樣兩個(gè)狀態(tài)可以用邏輯“1”及邏輯“0”表示。如圖所示。用邏輯量表示的兩種狀態(tài)便于高度集成化，工作可靠性高，抗干擾性強(qiáng)。數(shù)字信息便于長(zhǎng)期保存，凡是可以區(qū)分兩種狀態(tài)的物體就可以記錄數(shù)字信號(hào)，例如：可將數(shù)字信息存入磁盤(pán)、光盤(pán)等長(zhǎng)期保存。數(shù)字集成電路產(chǎn)品具有系列多、通用性強(qiáng)、成本低、保密性好等特點(diǎn)，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，例如：電視、光盤(pán)機(jī)、數(shù)字儀器、數(shù)字通信、數(shù)控裝置、雷達(dá)和電子計(jì)算機(jī)等。了解數(shù)字電路的功能和應(yīng)用，以便合理選擇、正確運(yùn)用器件和設(shè)備。數(shù)字電路的應(yīng)用實(shí)例如圖所示。數(shù)字電路的應(yīng)用實(shí)例4.2.2數(shù)字電路的特點(diǎn)數(shù)字電路的輸入和輸出只有低電平與高電平之分。當(dāng)?shù)?、高電平分別用邏輯“0”和邏輯“1”來(lái)表示時(shí)，數(shù)字電路也稱(chēng)為邏輯電路。集成電路是將若干個(gè)晶體管、二極管和電阻集成并封裝在一起的器件。與分立電路相比，集成電路的應(yīng)用使數(shù)字電路的體積大大縮小，功耗降低，工作速度和可靠性得到提高?，F(xiàn)在各種數(shù)字電路都廣泛采用集成電路。4.2.3集成數(shù)字電路的封裝與引腳集成電路的封裝有多種形式，如圖所示。最常見(jiàn)的是雙列直插式(DIP)。集成電路(IC)常見(jiàn)的幾種封裝形式DIP封裝的集成電路芯片外形及頂視如圖所示。引腳編號(hào)方法：芯片的一端有半月形缺口(有些是小圓點(diǎn)、凹口或斜切角)用來(lái)指示引腳編號(hào)的起始位置；起始標(biāo)志朝左，緊鄰這個(gè)起始引腳標(biāo)志的左下方引腳為第1腳，其他引腳按逆時(shí)針?lè)绞巾樞蚺帕?。DIP封裝的集成電路引腳順序基本邏輯門(mén)電路有與門(mén)、或門(mén)和非門(mén)。另外還有與或門(mén)、與非門(mén)、與或非門(mén)、異或門(mén)、同或門(mén)等復(fù)合邏輯門(mén)電路。4.3.1基本邏輯門(mén)電路1.與門(mén)與邏輯：決定事件發(fā)生的各條件中，所有條件都具備，事件才會(huì)發(fā)生(成立)。用圖來(lái)說(shuō)明與邏輯的關(guān)系。在圖中，門(mén)A與門(mén)B都打開(kāi)時(shí)，人才能通過(guò)該通道，否則，就不能通過(guò)。表列出了全部情況。用兩扇門(mén)來(lái)表示兩個(gè)條件的與運(yùn)算，只有當(dāng)門(mén)A與門(mén)B同時(shí)打開(kāi)時(shí)，人才能通過(guò)如果門(mén)關(guān)閉用邏輯“0”表示，打開(kāi)用邏輯“1”表示，不能通過(guò)該通道用邏輯“0”表示，能通過(guò)該通道用邏輯“1”表示，則上表可轉(zhuǎn)換成下表。圖給出了與門(mén)邏輯符號(hào)和邏輯表達(dá)式。與門(mén)邏輯符號(hào)和邏輯表達(dá)式常用的TTL集成電路與門(mén)有74LS08、74LS11和74LS21等，常用的CMOS集成電路與門(mén)有CD4081、CD4073和CD4082等。用兩扇門(mén)來(lái)表示兩個(gè)條件的或運(yùn)算，至少有一個(gè)門(mén)打開(kāi)時(shí)，人就能通過(guò)2.或門(mén)或邏輯：決定事件發(fā)生的各個(gè)條件中，有一個(gè)或一個(gè)以上的條件具備，事件就會(huì)發(fā)生(成立)。如圖所示。用門(mén)來(lái)表示兩個(gè)條件的或運(yùn)算，當(dāng)門(mén)A或門(mén)B打開(kāi)時(shí)，人就能通過(guò)。或門(mén)邏輯符號(hào)、邏輯表達(dá)式及真值表由圖所示的真值表可以看出，輸出Z和輸入變量A、B之間是或邏輯關(guān)系。常用的TTL集成電路或門(mén)有74LS32等，常用的CMOS集成電路或門(mén)有CD4071、CD4075和CD4072等。使用開(kāi)關(guān)來(lái)表示一個(gè)條件的非運(yùn)算，只有當(dāng)S打開(kāi)時(shí)，燈才會(huì)亮3.非門(mén)非邏輯：決定事件發(fā)生的條件只有一個(gè)，條件不具備時(shí)事件發(fā)生(成立)，條件具備時(shí)事件不發(fā)生?？梢岳秒娐分袡C(jī)械開(kāi)關(guān)的組合來(lái)說(shuō)明非運(yùn)算，其等效開(kāi)關(guān)圖如圖所示。非門(mén)邏輯符號(hào)、邏輯表達(dá)式、真值表及工作波形非門(mén)是實(shí)現(xiàn)非邏輯功能的電路。非門(mén)稱(chēng)為反相器，圖(a)所示為非門(mén)的邏輯符號(hào)。非門(mén)只有一個(gè)輸入變量和一個(gè)輸出變量。非門(mén)的輸入和輸出波形如圖(c)所示。常用的TTL集成電路非門(mén)有74LS04等，常用的CMOS集成電路非門(mén)有CD4069、CD40106和CD4502等。1.與非門(mén)與非門(mén)是在與門(mén)的輸出端級(jí)聯(lián)一個(gè)非門(mén)組成的，如圖所示，圖中符號(hào)上的小圓圈代表取反。常用的TTL集成電路與非門(mén)有74LS00、74LS10、74LS20和74LS00等，常用的CMOS集成電路與非門(mén)有CD4011、CD4023和CD4012等。與非門(mén)邏輯符號(hào)、邏輯表達(dá)式及真值表4.3.2復(fù)合邏輯門(mén)電路2.或非門(mén)如圖所示為或非門(mén)的邏輯符號(hào)?；蚍情T(mén)是在或門(mén)的輸出端級(jí)聯(lián)一個(gè)非門(mén)組成的。常用的TTL集成電路或非門(mén)有74LS02、74LS27和74LS25等，常用的CMOS集成電路或非門(mén)有CD4001、CD4025和CD4002等?；蚍情T(mén)邏輯符號(hào)、邏輯表達(dá)式及真值表3.與或非門(mén)與或非邏輯有若干個(gè)與門(mén)和一個(gè)或門(mén)組成。其中，所有與門(mén)的輸出端都接到或非門(mén)的輸入端。其邏輯符號(hào)如圖所示。與或非門(mén)邏輯符號(hào)邏輯表達(dá)式為：常用的TTL集成電路與或非門(mén)有74LS55、74LS64、74LS54和74LS51等，常用的CMOS集成電路與或非門(mén)有CD4086和CD4085等。4.同或和異或門(mén)同或和異或門(mén)的邏輯符號(hào)及真值表如圖所示。同或門(mén)異或門(mén)常用的TTL集成電路同或門(mén)有74LS135等，常用的CMOS集成電路同或門(mén)有CD4077等。常用的TTL集成電路異或門(mén)有74LS86等，常用的CMOS集成電路異或門(mén)有CD4077等。常用邏輯門(mén)如表所示。1.三態(tài)門(mén)(TSL)所謂三態(tài)門(mén)，簡(jiǎn)稱(chēng)TSL門(mén)，就是具有高電平、低電平和高阻抗三種輸出狀態(tài)的門(mén)電路。電路的特點(diǎn)：具有輸出電阻較小的高、低電平狀態(tài)外，還具有高輸出電阻的第三態(tài)。如圖為三態(tài)門(mén)邏輯符號(hào)。它和普通TTL與非門(mén)不同的地方是輸入端多了一個(gè)控制端EN。輸出端框內(nèi)“▽”為三態(tài)輸出門(mén)限定符號(hào)。當(dāng)EN=1時(shí)，Z=；當(dāng)EN=0時(shí)，Z

端相當(dāng)于與外電路斷開(kāi)。三態(tài)輸出TTL與非門(mén)邏輯符號(hào)4.3.3知識(shí)拓展：特殊邏輯門(mén)電路2.CMOS傳輸門(mén)圖所示是CMOS傳輸門(mén)的邏輯符號(hào)及等效模型。其中C

為控制端，當(dāng)C

為高電平時(shí)，兩端連通，信號(hào)可以雙向傳輸；當(dāng)C

為低電平時(shí)，兩端斷開(kāi)，信號(hào)被阻斷。CMOS傳輸門(mén)邏輯符號(hào)及等效模型1.TTL器件的電源電壓一般為5V，CMOS器件的電源電壓一般為3~15V。電源不能接反，也不能超壓。2.輸入端不能懸空，多余的輸入端應(yīng)根據(jù)邏輯功能接高電平或接低電平，防止感應(yīng)靜電而受干擾或損壞器件。4.3.4集成電路應(yīng)用時(shí)注意事項(xiàng)4.4.1邏輯代數(shù)的基本公式對(duì)于常量間的與、或、非三種基本邏輯運(yùn)算如表所示。設(shè)A為邏輯變量，則邏輯變量與常量間的運(yùn)算公式如表所示。4.4.2邏輯代數(shù)的基本定律表中列出了邏輯代數(shù)的基本定律。4.4.3邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)在圖中，圖(a)所示電路與圖(b)電路的邏輯功能是相同的，所以邏輯函數(shù)F=與F=AB

是相等的?？梢?jiàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)邏輯函數(shù)化簡(jiǎn)，使實(shí)現(xiàn)它的電路簡(jiǎn)單，電路工作更穩(wěn)定可靠。邏輯函數(shù)可利用邏輯代數(shù)的基本定律進(jìn)行化簡(jiǎn)。例如，A+AB=A?；?jiǎn)前后的邏輯電路在上述討論的各類(lèi)邏輯事件中，有且僅有兩個(gè)相互對(duì)立的狀態(tài)是其最重要的特點(diǎn)，這兩個(gè)對(duì)立的狀態(tài)在數(shù)字邏輯電路中往往用“0”、“1”來(lái)表示。只有0、1兩種狀態(tài)的數(shù)字，我們稱(chēng)之為二進(jìn)制數(shù)。二進(jìn)制數(shù)是數(shù)字邏輯電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，常用的數(shù)制有十進(jìn)制、二進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制。數(shù)制有三個(gè)要素：基、權(quán)和進(jìn)制?；簲?shù)碼的個(gè)數(shù)。例如，十進(jìn)制數(shù)的基為10，有10個(gè)數(shù)碼：0，1，2…9；二進(jìn)制數(shù)的基為2，有兩個(gè)數(shù)碼：0和1。權(quán)：數(shù)碼所在的位置表示數(shù)制的大小。例如，十進(jìn)制數(shù)每一位的權(quán)位為10n，二進(jìn)制數(shù)每一位的權(quán)位為2n。進(jìn)制：逢基進(jìn)一。例如，十進(jìn)制數(shù)是逢十進(jìn)一，二進(jìn)制數(shù)是逢二進(jìn)一。4.5.1常用數(shù)制1.十進(jìn)制日常生活中，十進(jìn)制數(shù)最為常用，以678.56這個(gè)數(shù)為例，按權(quán)展開(kāi)后是：(678.56)10=6×102+7×101+8×100+5×10-1+6×10-2其中，102、101、100……10n-1是十進(jìn)制數(shù)各位的權(quán)值。下面對(duì)其他幾種進(jìn)制加以簡(jiǎn)單介紹。2.二進(jìn)制二進(jìn)制計(jì)數(shù)系統(tǒng)中只有兩個(gè)數(shù)碼：0和1，基是2。運(yùn)算規(guī)律：逢二進(jìn)一。二進(jìn)制數(shù)的權(quán)展開(kāi)式：例如：(101.11)2=1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-2=(5.75)10所有計(jì)算機(jī)和其他數(shù)字系統(tǒng)都使用二進(jìn)制數(shù)。二進(jìn)制數(shù)可以按順序計(jì)數(shù)，這與十進(jìn)制數(shù)相同。3.八進(jìn)制八進(jìn)制數(shù)有0、1、2、3、4、5、6、7共8個(gè)數(shù)碼，基是8。運(yùn)算規(guī)律：逢八進(jìn)一。八進(jìn)制數(shù)的權(quán)展開(kāi)式：例如：(213.1)8=2×82+1×81+3×80+1×8-1=(139.125)104.十六進(jìn)制十六進(jìn)制數(shù)的數(shù)碼為：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F共16個(gè)數(shù)碼，基是16。運(yùn)算規(guī)律：逢十六進(jìn)一。十六進(jìn)制數(shù)的權(quán)展開(kāi)式：例如：(A6.F)16=10×161+6×160+15×16-1=(166.9375)101.十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)方法：將十進(jìn)制數(shù)逐次除2取余數(shù)，一直除到商為零。先得到的余數(shù)作為二進(jìn)制數(shù)的低位，后得到的余數(shù)為高位。例如：將十進(jìn)制數(shù)(13)10換算為二進(jìn)制數(shù)。解：

二進(jìn)制數(shù)(除2的余數(shù))1101所以，(13)10=(1101)22.二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)方法：將二進(jìn)制數(shù)按權(quán)展開(kāi)，再將每一位的位值相加，即可得相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。例如：(101.01)2=1×22+0×21+1×20+1×2-2=(5.25)104.5.2不同數(shù)制間的相互轉(zhuǎn)換