1-數(shù)字邏輯基礎(chǔ)

數(shù)字電子技術(shù)信電學(xué)院電工電子教研室張萱1.本課程的性質(zhì)

是一門技術(shù)基礎(chǔ)課(專業(yè)基礎(chǔ)課)。2.特點

實踐性很強

以工程實踐的觀點來處理電路中的一些問題。3.研究內(nèi)容

研究幾種電子器件的結(jié)構(gòu)、工作原理及技術(shù)參數(shù)（性能指標(biāo)）等；用電子器件組成一般電路的分析與設(shè)計。4.教學(xué)目標(biāo)

能夠?qū)σ话阈缘?、常用的電子電路進行分析，同時對一般性的單元電路、較簡單的電路系統(tǒng)進行設(shè)計。前言5.學(xué)習(xí)方法

重點掌握基本概念、基本電路原理、分析方法和設(shè)計方法。6.成績評定

平時：15%筆試：65%7.參考書

閻石主編，《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》第四版，高教出版社前言

實驗：20%第一章數(shù)字邏輯基礎(chǔ)第一章數(shù)字邏輯基礎(chǔ)1.1數(shù)字信號和模擬信號1.2數(shù)字電路1.4二進制碼1.5基本邏輯運算1.3數(shù)制1.6邏輯函數(shù)與邏輯問題的描述模擬信號數(shù)字信號時間連續(xù)、數(shù)值也連續(xù)的信號時間和幅度都是離散的例：正弦波信號、鋸齒波信號等。例：產(chǎn)品數(shù)量的統(tǒng)計、客觀世界中對立的兩個狀態(tài)。常用數(shù)字0和1表示，叫做邏輯0和邏輯1。1.1數(shù)字信號和模擬信號電路中的信號模擬信號：在時間上和數(shù)值上連續(xù)的信號。utut

在自然界許多物理量均屬于模擬性質(zhì)的,例如:速度、壓力、溫度、聲音、重量以及位置等等。為了便于分析常用傳感器將模擬量轉(zhuǎn)換成模擬電信號。二值數(shù)字邏輯：即邏輯0和邏輯1。在邏輯代數(shù)中用二值數(shù)字邏輯表示邏輯事物的對立的兩種狀態(tài)。utut數(shù)字信號：在時間上和數(shù)值上不連續(xù)的（即離散的）信號。邏輯電平：即高電平H和低電平L。在數(shù)字電路中的數(shù)字信號用邏輯電平來表示，進而用二值數(shù)字邏輯表示。數(shù)字波形：即邏輯電平對時間的圖形表示。當(dāng)某數(shù)字波形僅有兩個離散值時，常稱為脈沖波形。數(shù)字波形和脈沖波形是統(tǒng)一的，但表示方法不同。數(shù)字波形用邏輯電平表示，而脈沖波形用電壓值表示。例：u/Vt/ms0550100150200邏輯1邏輯0

如圖所示為一周期性數(shù)字波形（或周期性脈沖波形），其中一個周期的波形就是一個脈沖波形。周期性數(shù)字波形可用脈沖寬度tW

，周期T和占空比q等參數(shù)描述。例：0011101111000100

如圖所示為一表示16位數(shù)據(jù)的數(shù)字波形，這種數(shù)字波形圖可稱為二值位形圖。表示這種數(shù)字波形性能的參數(shù)有位時間（即一位數(shù)據(jù)占用的時間）和數(shù)據(jù)率（即每秒鐘所傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)）。實際脈沖波形及其參數(shù)5.0u/Vt4.52.50.50幅值脈沖寬度tWtr上升時間tf下降時間占空比q=twT×100%tV(t)數(shù)字信號高電平低電平上升沿下降沿電平：電位范圍；高電平：低電平：高電位范圍(1.3V—3.6V)低電位范圍(0V--0.4V)用1表示用0表示10101001模擬信號的數(shù)字表示由于數(shù)字信號便于存儲、分析和傳輸，通常都將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號.

0

0

模擬信號

模數(shù)轉(zhuǎn)換器

3

V

數(shù)字輸出

0

0

0

0

1

1

模數(shù)轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)模擬電路主要研究：輸入、輸出信號間的大小、相位、失真等方面的關(guān)系。主要采用電路分析方法，動態(tài)性能用微變等效電路分析。

在模擬電路中，傳輸?shù)氖悄M信號，晶體管一般工作在線性放大區(qū)；在數(shù)字電路中，傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，三極管工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在飽和區(qū)和截止區(qū)。數(shù)字電路主要研究：電路輸出、輸入間的邏輯關(guān)系。主要的工具是邏輯代數(shù)，電路的功能用真值表、邏輯表達式及波形圖表示。模擬電路與數(shù)字電路比較（1）電路的特點（2）研究的內(nèi)容（3）基本電路元件晶體三極管場效應(yīng)管二極管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

信號放大及運算(信號放大、功率放大）信號處理（采樣保持、電壓比較、有源濾波）信號發(fā)生（正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、…）數(shù)字電路研究的內(nèi)容—計算機硬件基礎(chǔ)基本單元電路基本數(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)換器基本電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)的晶體三極管、場效應(yīng)管，由此形成離散信號電壓（數(shù)字電壓）用邏輯電平表示；例如：+5V,用邏輯1表示，叫做高電平

0V,用邏輯0表示，叫做低電平1.2數(shù)字電路1.2.1數(shù)字電路的發(fā)展與分類1.數(shù)字電路的高度集成化

在短短幾十年的時間里，從分立元件電路到甚大規(guī)模集成電路，在電路的集成度上得到了大大的提高。特別是數(shù)字集成電路比模擬集成電路的發(fā)展更快.

在集成度上,分為數(shù)字電路可分為小規(guī)模（SSI，每片數(shù)十器件）、中規(guī)模（MSI，每片數(shù)百器件）、大規(guī)模（LSI，每片數(shù)千器件）和超大規(guī)模（VLSI，每片器件數(shù)目大于1萬）數(shù)字集成電路和甚大規(guī)模集成電路。80年代后-ULSI，10億個晶體管/片、ASIC制作技術(shù)成熟目前--芯片內(nèi)部的布線細微到亞微米(0.13~0.09

m)量級微處理器的時鐘頻率高達3GHz（109Hz）90年代后-97年一片集成電路上有40億個晶體管。60~70代-IC技術(shù)迅速發(fā)展：SSI、MSI、LSI、VLSI。10萬個晶體管/片。將來-高分子材料或生物材料制成密度更高、三維結(jié)構(gòu)的電路發(fā)展特點:以電子器件的發(fā)展為基礎(chǔ)電子管時代1906年，福雷斯特等發(fā)明了電子管；電子管體積大、重量重、耗電大、壽命短。目前在一些大功率發(fā)射裝置中使用。電壓控制器件電真空技術(shù)晶體管時代電流控制器件半導(dǎo)體技術(shù)半導(dǎo)體二極管、三極管器件半導(dǎo)體集成電路電路設(shè)計方法伴隨器件變化從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代a)傳統(tǒng)的設(shè)計方法：b)現(xiàn)代的設(shè)計方法：采用自下而上的設(shè)計方法；由人工組裝,經(jīng)反復(fù)調(diào)試、驗證、修改完成。所用的元器件較多，電路可靠性差,設(shè)計周期長。現(xiàn)代EDA技術(shù)實現(xiàn)硬件設(shè)計軟件化。采用從上到下設(shè)計方法，電路設(shè)計、分析、仿真、修訂全通過計算機完成。2.數(shù)字電路性能不斷提高

在工作速度、抗干擾能力、帶負載能力及功耗等方面，數(shù)字集成電路的性能得到了不斷的提高。根據(jù)內(nèi)部半導(dǎo)體元件的類型，集成電路可分為兩大系列：TTL系列和CMOS系列。TTL系列具有速度快、抗干擾能力強和帶負載能力大的優(yōu)點，缺點是功耗大。而CMOS系列具有功耗小、穩(wěn)定性高、成本低、電源電壓范圍寬等優(yōu)點，并且在速度上已經(jīng)得到不斷的提高。3.數(shù)字集成電路的功能和種類不斷發(fā)展

隨著集成度的不斷提高和新材料的應(yīng)用,從通用型到專用型,從小規(guī)模集成門電路；中規(guī)模編碼器、譯碼器、加法器和計數(shù)器；大規(guī)模的小型存儲器、門陣列；超大規(guī)模的大型存儲器、微處理器；到甚大規(guī)模的可編程邏輯器件、多功能集成電路。數(shù)字集成電路得到了飛速發(fā)展。1.2.2數(shù)字電路分析方法與測試技術(shù)1.數(shù)字電路的分析方法

數(shù)字電路的主要研究對象是電路的輸出與輸入之間的邏輯關(guān)系，因而采用邏輯代數(shù)作為分析工具。在邏輯代數(shù)中邏輯關(guān)系的表示方法主要有代數(shù)式、真值表、卡諾圖、邏輯圖及波形圖。2.數(shù)字電路的測試技術(shù)

數(shù)字電路在正確設(shè)計和安裝后，必須經(jīng)過嚴(yán)格的測試方可使用?？捎脭?shù)字電壓表和電子示波器在電路中測量各點的的電壓和波形從而驗證電路的邏輯關(guān)系。1.3.1十進制：以十為基數(shù)的計數(shù)體制。表示數(shù)的十個數(shù)碼：1、2、3、4、5、6、7、8、9、0遵循逢十進一的進制規(guī)律。157=一個十進制數(shù)數(shù)N可以表示成：若在數(shù)字電路中采用十進制，必須要有十個電路狀態(tài)與十個數(shù)碼相對應(yīng)。這樣將在技術(shù)上帶來許多困難，而且很不經(jīng)濟。1.3數(shù)制751=012107105101++×××1.3.2二進制：以二為基數(shù)的計數(shù)體制。表示數(shù)的兩個數(shù)碼：0、1遵循逢二進一的規(guī)律。（1001）B==(9)D二進制的優(yōu)點：用電路的兩個狀態(tài)---開關(guān)來表示二進制數(shù)，數(shù)碼的存儲和傳輸簡單、可靠。二進制的缺點：位數(shù)較多，使用不便；不合人們的習(xí)慣，輸入時將十進制轉(zhuǎn)換成二進制，運算結(jié)果輸出時再轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)。1.3.3數(shù)制的轉(zhuǎn)換十六進制數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A(10)、B(11)、C(12)、D(13)、E(14)、F(15)(4E6)H==4162+14161+6160=(1254)D*1.十六進制與二進制之間的轉(zhuǎn)換。Hexadecimal：十六進制Decimal：十進制Binary：二進制(10011100110)B=(010011100110)B=每四位2進制數(shù)對應(yīng)一位16進制數(shù)(10011100101101001000)B=從末位開始四位一組(1001

1100

1011

0100

1000)B()H84BC9=(9CB48)H2、十進制與二進制之間的轉(zhuǎn)換兩邊除2，余第0位K0商兩邊除2，余第1位K1

十進制與二進制之間的轉(zhuǎn)換方法（除2取余法）用二除十進制數(shù)，余數(shù)是二進制數(shù)的第0位K0，然后依次用二除所得的商，余數(shù)依次是第1位K1

、第2位K2

、……?！?25

余1

K0122

余0

K162

余0

K232

余1

K312

余1

K40例1：十進制數(shù)25轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)的轉(zhuǎn)換過程：(25)D=(11001)B例2：十進制數(shù)227轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)的轉(zhuǎn)換過程：(227)D=(11100011)B227=128+64+32+0+0+0+2+127262524232221200.72×2＝1.44取1

b－1將十進制小數(shù)乘2,取其個位數(shù)為b－1,乘積減1再乘2,取其個位數(shù)為b－2,

直到滿足誤差要求進行4舍5入。例3：十進制數(shù)0.72轉(zhuǎn)成二進制數(shù),要求轉(zhuǎn)換誤差小于0.05。(0.72)D=(0.1011)B對應(yīng)十進制數(shù)0.5，轉(zhuǎn)換誤差大0.44×2＝0.88取0

b－2

0.50.72－0.5=0.22＞0.050.88×2＝1.76取1

b－3

0.6250.72－0.625=0.095＞0.050.76×2＝1.52取1

b－4

0.68750.72－0.6875=0.0325＜0.05計算機A計算機B00110010011串行傳輸先高位后低位一個時鐘周期傳輸一位二進制數(shù)值計算機A計算機BN條數(shù)據(jù)線，一個時鐘周期傳輸一個n位二進制數(shù)值缺點：慢！并行傳輸，一組線分高位、次高位、……低位傳輸線；大家說：波形圖中顯示A向B傳輸?shù)氖菐孜欢M制數(shù)；若上邊是低位，下面是高位，則第一個數(shù)是幾？數(shù)字系統(tǒng)的信息數(shù)值文字、符號或不同事物二進制代碼編碼為了表示字符為了分別表示N個字符，所需的二進制數(shù)的最小位數(shù)：編碼可以有多種，數(shù)字電路中所用的主要是二–十進制碼（BCD-Binary-Coded-Decimal碼）。1.4二進制碼N2n≥BCD碼用四位二進制數(shù)表示0~9十個數(shù)碼。四位二進制數(shù)最多可以表示16個字符，因此，從16種表示中選十個來表示0~9十個字符，可以有多種情況。不同的表示法便形成了一種編碼。這里主要介紹：8421碼5421碼余3碼2421碼首先以十進制數(shù)為例，介紹權(quán)的概念。(3256)D=3103+2102+5101+6100個位(D0)的權(quán)為100

，十位(D1)的權(quán)為101

，百位(D2)的權(quán)為102

，千位(D3)的權(quán)為103……十進制數(shù)(N)D二進制編碼(K3K2K1K0)B(N)D=W3K3+W2K2+W1K1+W0K0W3~W0為二進制各位的權(quán)8421碼，就是指W3=8、W2=4、W1=2、W0=1。用四位二進制數(shù)表示0~9十個數(shù)碼，該四位二進制數(shù)的每一位也有權(quán)。2421碼，就是指W3=2、W2=4、W1=2、W0=1。5421碼，就是指W3=5、W2=4、W1=2、W0=1。000000010010001101100111100010011010101111011110111101011100010001236789101113141551240123578964012356789403456782910123678549二進制數(shù)自然碼8421碼2421碼5421碼余三碼無權(quán)碼有權(quán)碼0000000100100011011001111000100110101011110111101111010111000100自然碼格雷碼無權(quán)碼0000000100110010010101001100110111111110101110011000011110100110例1:求自然二進制數(shù)1000111B轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)。1000111B=1×26

+

0×25+0×24+0×23+1×22+1×21+

1×20=(64+0+0+0+4+2+1)D=71D例2:將自然二進制數(shù)1000111B轉(zhuǎn)換成8421BCD碼。首先將自然二進制數(shù)1000111B轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)，再將十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成8421BCD碼。將十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成8421BCD碼時，一位十進制數(shù)對應(yīng)轉(zhuǎn)換成一組8421BCD碼。=（01111000111B=71D0001）8421BCD數(shù)字電路要研究的是電路的輸入輸出之間的邏輯關(guān)系，所以數(shù)字電路又稱邏輯電路，相應(yīng)的研究工具是邏輯代數(shù)（布爾代數(shù)）。在邏輯代數(shù)中，邏輯函數(shù)的變量只能取兩個值（二值變量），即0和1，中間值沒有意義。0和1表示兩個對立的邏輯狀態(tài)。例如：電位的低高（0表示低電位，1表示高電位）、開關(guān)的開合等。1.5基本邏輯運算

邏輯代數(shù)與初等代數(shù)的比較初等代數(shù)邏輯代數(shù)變量A、X取值∞…0、1、…+∞0、1數(shù)值符號0、1、…………、90、1數(shù)值表示數(shù)值，有大小，例如：1＞0兩個對立的邏輯狀態(tài)，例如：

1表示有，

0表示無基本運算加、減、乘、除與、或、非基本邏輯運算1、“與”邏輯與邏輯：決定事件發(fā)生的各條件中，所有條件都具備，事件才會發(fā)生（成立）。規(guī)定:

開關(guān)合為邏輯“1”

開關(guān)斷為邏輯“0”

燈亮為邏輯“1”

燈滅為邏輯“0”EFABC與

(and)、或

(or)非(not)。&ABCF邏輯符號：AFBC00001000010011000010101001101111邏輯式：F=A?B?C邏輯乘法邏輯與真值表EFABC真值表特點:

任0則0,全1則1與邏輯運算規(guī)則：0?0=00?1=01?0=01?1=12.“或”邏輯AEFBC規(guī)定:開關(guān)合為邏輯“1”

開關(guān)斷為邏輯“0”

燈亮為邏輯“1”

燈滅為邏輯“0”決定事件發(fā)生的各條件中，有一個或一個以上的條件具備，事件就會發(fā)生（成立）。AFBC00001001010111010011101101111111真值表≥1ABCF邏輯符號：邏輯式：F=A+B+C邏輯加法（邏輯或）或邏輯運算規(guī)則:0+0=00+1=11+0=11+1=13、“非”邏輯決定事件發(fā)生的條件只有一個，條件不具備時事件發(fā)生（成立），條件具備時事件不發(fā)生。

規(guī)定:

通電為“1”

斷電為“0”

燈亮為“1”

燈滅為“0”EFNCAAF0110真值表邏輯非.邏輯反邏輯式：AF=邏輯符號：AF1AEFR1.5.2幾種常用的復(fù)合邏輯運算11011000L=AB+ABL=AB+ABL=A+B同或運算異或運算或非運算L=A?B與非運算邏輯運算AB邏輯變量邏輯門符號＆ABL≥1ABL=1ABL

=ABL1110100001101001基本邏輯關(guān)系小結(jié)與&ABYABY≥1或非1YAY=ABY=A+B與非&ABY或非ABY≥1異或=1ABYY=A

BY=AB+

AB電路結(jié)構(gòu)輸入輸出之間的邏輯關(guān)系1.6邏輯函數(shù)與邏輯問題的描述邏輯函數(shù)1)異或門2)同或門3)選通邏輯電路真值表特點：輸入相同為“0”；輸入不同為“1”。1)異或門=1ABF220VABL單刀雙擲開關(guān)A、B都扳上去，或都扳下來，燈泡L暗，否則燈泡L亮?？闪谐鲇疫叺恼嬷当碚嬷当硖攸c：輸入相同為“1”；輸入不同為“0”。2)同或門=1ABF220VABL單刀雙擲開關(guān)A、B都扳上去，或都扳下來，燈泡L亮，否則燈泡L暗?？闪谐鲎笊辖堑恼嬷当?例2：分析下圖的邏輯功能。

01被封鎖1=1BMF&&&A1=010被封鎖1特點：

M=1時選通A路信號；

M=0時選通B路信號。M&&&AB1F選通電路邏輯表達式F=A,M=1F=B,M=0復(fù)習(xí)：三極管輸出特性（以NPN為例）IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O510154321截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)

1.截止區(qū)

條件：兩個結(jié)都處于反向偏置。

IB=0時，IC=ICEO。

硅管約等于1A，鍺管約為幾十~幾百微安。截止區(qū)截止區(qū)2024/11/28542.放大區(qū)條件：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏

特點：各條輸出特性曲線比較平坦，近似為水平線，且等間隔。IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O510154321放大區(qū)

集電極電流和基極電流體現(xiàn)放大作用，即放大區(qū)放大區(qū)對NPN

管UBE>0，UBC<03.飽和區(qū)：條件：兩個結(jié)均正偏IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O510154321對NPN型管，UBE>0UBC>0

特點：IC基本上不隨IB而變化，在飽和區(qū)三極管失去放大作用。

IC

IB。當(dāng)UCE=UBE，即UCB=0時，稱臨界飽和，UCE

<

UBE時稱為過飽和。飽和管壓降

UCES<0.4V(硅管)，UCES<

0.2V(鍺管)飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)工作狀態(tài)截止放大飽和工作條件iB=00＜iB

＜IBSiB

＞IBS工作特點偏置情況發(fā)射結(jié)反偏發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏集電結(jié)反偏集電結(jié)正偏UBE＜0，UBE＜0UBE＞0，UBE＜0UBE＞0，UBE＞0集電極電流iC=0

i