數電第4版 課件 1緒論

數字電路與數字邏輯緒論2023年9月課程性質：

本課程是電子信息類本科專業(yè)大類基礎課程，它既是學習數字電子技術的入門課程，也為進一步學習微機原理和單片機原理等后續(xù)課程提供必要的電路基礎。

先修課程:電路原理后續(xù)課程:

模擬電子技術基礎，微機原理，單片機原理及實踐、電子系統設計等課程簡介

課程目標：課程教學目標1：掌握邏輯代數的基本概念、理論和方法；理解集成門電路的電路結構、邏輯功能和電氣特性；理解半導體存儲器、D/A轉換器和A/D轉換器的內部結構和工作原理；理解脈沖產生與整形電路的工作原理、參數計算和應用。課程教學目標2：掌握組合邏輯電路、時序邏輯電路的分析方法、設計方法和調試方法；掌握實驗報告的寫作方法。課程教學目標3：通過查閱文獻和撰寫讀書報告，了解數字電路的前沿技術和最新進展，培養(yǎng)學生自主學習能力和創(chuàng)新意識，激發(fā)學生科技報國的家國情懷和使命擔當。課程簡介課程簡介課程簡介1數字邏輯基礎2集成門電路3組合邏輯電路4觸發(fā)器、寄存器和計數器5同步時序邏輯電路6半導體存儲器7脈沖波形的產生與整形8數模及模數轉換器9數字系統設計理論課內容1門電路測試及應用2組合邏輯電路設計3同步時序邏輯電路設計實驗課內容課程簡介112進制計數器設計24位數字頻率計3自主設計題（信號發(fā)生器設計）課程設計課程簡介總評成績組成：課堂表現5%、作業(yè)10%、期中考試15%期末考試50%實驗

10%、讀書報告10%課程簡介

教材——《數字電路》課程簡介

參考書[1]康華光，電子技術基礎（數字部分），第6版.高等教育出版社，2014年.[2]閻石，數字電子技術基礎，第6版.高等教育出版社，2016年.[3]斯蒂芬?布朗著，數字邏輯基礎與VerilogHDL設計（加），第3版，機械工業(yè)出版社，2019年10月。課程簡介主講教師：賈立新電話公室：信息樓B302E-mail：jlx＠課程簡介1.1緒論※模擬信號和數字信號※數字電路的發(fā)展歷史※數字電路的優(yōu)點

※模擬電路、數字電路和數

?；旌想娐?.1.1模擬信號與數字信號模擬信號：連續(xù)時間信號或離散時間信號，它的幅值在上限和下限之間連續(xù)。時間和幅值均連續(xù)時間離散、幅值連續(xù)高電平低電平數字信號：連續(xù)時間信號或離散時間信號，它的幅值在上限和下限之間取離散值，這些離散值被表示為數字量。1.1.1模擬信號與數字信號1.1.2模擬電路、數字電路和數模混合電路模擬電路：用于傳遞和處理模擬信號的電路就稱為模擬電路。放大電路就是最典型的模擬電路。

數字電路：用以傳遞和加工處理數字信號的電路就稱為數字電路。

數字電路中晶體管多數工作在開關狀態(tài)。研究對象是輸入和輸出的邏輯關系，因此主要的分析工具是邏輯代數，表達電路的功能主要是真值表、邏輯表達式及邏輯圖等。

模擬電路中的晶體管一般工作在放大狀態(tài)，因而電路的靈敏度比較高，但也容易受環(huán)境溫度、元件容差的影響。

模擬電路注重指標，數字電路中注重功能。1.1.2模擬電路、數字電路和數模混合電路

數?；旌想娐罚杭瓤梢蕴幚頂底中盘栆部梢蕴幚砟M信號的電路。

A/D轉換器、D/A轉換器、電壓比較器、混合信號單片機。1.1.2模擬電路、數字電路和數?；旌想娐?.1.3數字電路的發(fā)展過程第一階段由電子管構成的數字電路1906年世界上第一只真空三極管的問世，發(fā)明人是美國發(fā)明家德福雷斯特（I.DeForest，1873-1961）。電子管實物（2019年攝于浙江省廣播電視70年成就展）1.1.3數字電路的發(fā)展過程世界上第一臺電子管計算機ENIAC

ENIAC使用了17468只電子管，1500個繼電器，70000多只電阻，10000多只電容，占地167m2，重量達30噸，耗電160kW，存儲容量為17KB，字長12位，是一個名副其實的龐然大物。其運算速度比當時最好的機電式計算機快1000倍，每秒可進行5000次加法運算，357次乘法運算或38次除法運算。1.1.3數字電路的發(fā)展過程第二階段由晶體管構成的數字電路經過對半導體材料深入細致的研究，終于在1948年，制出了世界上第一只半導體（晶體）三極管，1949年建立了PN結理論，從此以后，電子技術的發(fā)展進入快速發(fā)展的時期。1.1.3數字電路的發(fā)展過程第三階段數字集成電路1962年制出了第一片集成電路，它屬于是小規(guī)模集成電路（SmallScaleIntegrationCitcuit，簡稱SSI），只含12個元件。到1966年，中規(guī)模集成電路（MSI）問世，1967年制成了大規(guī)模集成電路（LSI），到了70年代末，就已出現超大規(guī)模集成電路（VLSI），即一個芯片上的門數已超過1000個門。1.1.3數字電路的發(fā)展過程小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路單門集成電路

SSI/MSILSI/VLSI最小特征尺寸：特征尺寸越小，芯片的集成度越高。在2006年，數字集成電路的最小特征尺寸為78nm，到了2012年，最小特征尺寸減小到約36nm。目前，世界上最先進的數字集成電路的特征尺寸已減小到5nm，甚至2nm的集成電路已經出現。1.1.3數字電路的發(fā)展過程參觀杭州士蘭集成電路制造有限公司1.1.3數字電路的發(fā)展過程集成電路的基礎材料——晶圓（Wafer)1.1.3數字電路的發(fā)展過程

3種常用的數字集成電路：標準集成電路、可編程邏輯器件（PLD）、專用集成電路（ASIC).

標準集成電路是指功能、物理配置固定，用戶無法修改的集成電路。標準集成電路品種多、價格低，缺點是采用標準集成電路設計的數字系統體積大、功能固定。

可編程邏輯器件允許用戶根據自己的要求實現相應的邏輯功能，并且可以多次編程?？删幊踢壿嬈骷Y構上由門陣列、可編程觸發(fā)器、可編程開關組成。常見的可編程邏輯器件有CPLD和FPGA。

專用集成電路是針對整機或系統的需要，專門為之設計制造的集成電路。1.1.3數字電路的發(fā)展過程數字電路的兩種設計方法：傳統設計方法（手工設計）和現代設計方法（計算機輔助設計）傳統設計方法：設計者+紙+筆。一般憑借設計者的經驗就可以實現。雖然很少使用了，但仍然是本課程將介紹的主要內容，其目的是幫助大家直觀理解數字電路工作原理?，F代設計方法：設計者+EDA工具+硬件描述語言+CPLD/FPGA。1.1.3數字電路的發(fā)展過程1.1.4數字電路的優(yōu)點（1）穩(wěn)定性好，精度高；

模擬電路容易受元件誤差，環(huán)境溫度等因素影響，精度難以超過千分之一。如果采用數字加法器，電壓值用二進制數表示，只要增加二進制數的位數就可以提高精度。例如，16位的數字加法器可以達到1/216的精度。（2）易于設計和測試；

數字電路設計通常也稱為邏輯設計，其主要數學工具為邏輯代數，不需要深奧的數學知識。對于簡單的數字電路，采用手工設計方法就可以完成設計。對于復雜的數字電路，則可以通過借助電子設計自動化（EDA）軟件和硬件描述語言（HDL）來完成設計。數字電路的設計效率要比模擬電路高得多。1.1.4數字電路的優(yōu)點（4）更易小型化、集成化。

（3）可以實現十分復雜的數字信號處理算法；

微控制器和FPGA均屬于大規(guī)模數字集成電路，通過C語言或HDL語言編程，這些器件可以實現數字濾波、壓縮、頻譜分析等復雜的算法。1.1.4數字電路的優(yōu)點1.1.4數字電路的優(yōu)點《實用數字電