《電工電子技術(shù)簡明教程》課件-第9章

項目9數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)9.1數(shù)字系統(tǒng)中的計數(shù)體制和編碼實訓(xùn)任務(wù)計數(shù)體制的轉(zhuǎn)換和編碼的認(rèn)識9.2邏輯代數(shù)基礎(chǔ)9.3邏輯函數(shù)9.4基本邏輯門電路實訓(xùn)任務(wù)邏輯電路的制作練習(xí)題

知識目標(biāo)

(1)了解數(shù)字系統(tǒng)中的計數(shù)體制和編碼,熟悉BCD8421碼的特點。

(2)了解三種基本邏輯運算,熟悉三種基本邏輯運算符號。

(3)了解邏輯代數(shù)中的基本定律和規(guī)則。

(4)了解半導(dǎo)體開關(guān)器件的特性。

(5)認(rèn)識三種基本邏輯電路。

技能目標(biāo)

(1)會進(jìn)行二進(jìn)制、八進(jìn)制、十進(jìn)制和十六進(jìn)制之間的相互轉(zhuǎn)換。

(2)會運用二極管和三極管作為開關(guān)器件。

(3)能將最基本的邏輯關(guān)系用邏輯符號表示出來。

(4)能進(jìn)行簡單邏輯函數(shù)的化簡。

9.1數(shù)字系統(tǒng)中的計數(shù)體制和編碼

數(shù)制是計數(shù)體制的簡稱,在電子技術(shù)領(lǐng)域常用到的數(shù)制除了二進(jìn)制外,還有八進(jìn)制和十六進(jìn)制。這些數(shù)制所用的數(shù)字符號叫作數(shù)碼;某種數(shù)制所用數(shù)碼的個數(shù)稱為基數(shù)。

9.1.1數(shù)字系統(tǒng)中常用的數(shù)制

1.二進(jìn)制數(shù)

常用的十進(jìn)制數(shù),由0、1、2、…、9十個數(shù)碼組成,十進(jìn)制數(shù)數(shù)制的基數(shù)為十。數(shù)的組成從左向右由高位到低位排列,計數(shù)時“逢十進(jìn)一,借一當(dāng)十”。數(shù)碼在不同的位置上,其代表的數(shù)值不同,稱為“位權(quán)”,或簡稱為“權(quán)”。

二進(jìn)制數(shù)只有兩個數(shù)碼,用0和1表示,兩個數(shù)碼按一定的規(guī)律排列起來,可以表示數(shù)值的大小,其計數(shù)規(guī)律是“逢二進(jìn)一,借一當(dāng)二”。二進(jìn)制數(shù)數(shù)制的基數(shù)是二。

2.八進(jìn)制數(shù)

八進(jìn)制數(shù)有0~7共八個數(shù)碼,基數(shù)為八,計數(shù)時“逢八進(jìn)一,借一當(dāng)八”。其組成也是從左向右由高位到低位排列,每一位的位權(quán)值為8的整數(shù)次冪。八進(jìn)制數(shù)按位權(quán)展開的方

法與二進(jìn)制數(shù)相同,例如(371)8這個三位八進(jìn)制數(shù),它可以寫成

3.十六進(jìn)制數(shù)

十六進(jìn)制數(shù)比二進(jìn)制數(shù)和八進(jìn)制數(shù)的位數(shù)少,因此在現(xiàn)代計算機技術(shù)中得到廣泛使用。十六進(jìn)制數(shù)有0~9和A、B、C、D、E、F共16個數(shù)碼,基數(shù)為十六,計數(shù)時“逢十六進(jìn)一,借一當(dāng)十六”。數(shù)的組成也是從左向右由高位到低位排列,每一位的位權(quán)值為16的整數(shù)次冪。例如3FA2這個四位十六進(jìn)制數(shù),它可以寫成:

9.1.2不同進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換

有了權(quán)的概念,就能夠很容易地將不同進(jìn)制的數(shù)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。

1.二進(jìn)制數(shù)和十進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換

欲將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù),只要將二進(jìn)制數(shù)中為1的那些位的權(quán)相加,所得的值就是它所對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。例如將二進(jìn)制數(shù)1011轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù),可寫成

欲將十進(jìn)制數(shù)換算為二進(jìn)制數(shù),可采用“除二取余法”。即將十進(jìn)制數(shù)連續(xù)除以2,直至商為零。十進(jìn)制數(shù)被2相除時,每次所得的余數(shù)非1即0,將余數(shù)由下到上依次排列,就得

到相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。

2.十六進(jìn)制數(shù)、八進(jìn)制數(shù)和十進(jìn)制數(shù)的互換

將十六進(jìn)制數(shù)、八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)的方法和將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)的方法相似,只需將十六進(jìn)制數(shù)或八進(jìn)制數(shù)的各位數(shù)碼與該位位權(quán)的乘積求和,例如將十六進(jìn)制

數(shù)4A5F轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù),可寫成

將八進(jìn)制數(shù)(247)8轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù),可寫成

3.二進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)、八進(jìn)制數(shù)的互換

由于十六進(jìn)制數(shù)的基數(shù)為16=24,因此一個四位二進(jìn)制數(shù)就相當(dāng)于一個一位十六進(jìn)制數(shù)。所以將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)的方法是,將一個二進(jìn)制數(shù)從低位向高位,每四位分成一組,每組對應(yīng)轉(zhuǎn)換成一位十六進(jìn)制數(shù)。

例如:

八進(jìn)制數(shù)的基數(shù)為8=23,因此一個三位二進(jìn)制數(shù)就相當(dāng)于一個一位八進(jìn)制數(shù)。所以將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)的方法是,將一個二進(jìn)制數(shù)從低位向高位,每三位分成一組,每

組對應(yīng)轉(zhuǎn)換成一位八進(jìn)制數(shù)。例如:

將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的方法,是從高位向低位開始,將每一位十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成四位二進(jìn)制數(shù)。

將八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的方法,是從高位向低位開始,將每一位八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成三位二進(jìn)制數(shù)。例如:

9.1.3二進(jìn)制數(shù)的四則運算

和十進(jìn)制數(shù)一樣,二進(jìn)制數(shù)也能進(jìn)行四則運算。

1.四則運算規(guī)則

(1)加法運算規(guī)則:

0+0=0,0+1=1,1+0=1,1+1=10

(2)乘法運算規(guī)則:

0×0=0,0×1=0,1×0=0,1×1=1

(3)減法和除法運算規(guī)則:

減法和除法運算為加法和乘法的逆運算。舉例如下:

(4)進(jìn)位規(guī)則和借位規(guī)則:

在二進(jìn)制數(shù)的加法計算中,進(jìn)位規(guī)則是逢二進(jìn)一,

即:1+1=10。

在二進(jìn)制數(shù)的減法計算中,借位規(guī)則是借一當(dāng)二,即當(dāng)某位被減數(shù)小于減數(shù)時,要向相鄰高位借位。

9.1.4數(shù)字系統(tǒng)中常用的編碼

1.代碼與編碼

在數(shù)字系統(tǒng)中,常常采用一定位數(shù)的二進(jìn)制碼來表示各種圖形、文字、符號等特定信息,通常稱這種二進(jìn)制碼為代碼。

2.幾種常見的二進(jìn)制碼

在數(shù)字系統(tǒng)中,所有的代碼都是用二進(jìn)制數(shù)碼“0”和“1”的不同組合構(gòu)成。在這里的二進(jìn)制數(shù)并不表示數(shù)值的大小,而是僅僅表示某種特定信息。n位二進(jìn)制數(shù)碼有2n種不同的組合,可以代表2n種不同的信息。

1)BCD碼

BCD碼是最常見的二進(jìn)制碼。BCD碼用四位二進(jìn)制數(shù)來表示一位十進(jìn)制數(shù)。由于四位二進(jìn)制數(shù)有16種不同的狀態(tài)組合,而十進(jìn)制數(shù)只有0~9十個數(shù)碼,所以只需選擇其中的

十種狀態(tài)組合,就可以實現(xiàn)編碼。從十六種組合中選擇十種組合有多種方案,所以BCD碼有多達(dá)8008種方案。

2)常用的BCD碼

如表9－1所示,為0~9十個數(shù)碼的常用的BCD碼編碼方案。

3)8421BCD碼

8421BCD碼是一種最基本最常用的編碼,它是一種有權(quán)碼?！?421”是指在這種編碼中,代碼從高位到低位的位權(quán)值分別為8、4、2、1。用8421BCD代碼對十進(jìn)制數(shù)進(jìn)行編碼,正好和十進(jìn)制數(shù)的各位數(shù)字分別用四位二進(jìn)制數(shù)表示出來相吻合。

雖然在一組8421BCD代碼中,每位的位權(quán)值與四位二進(jìn)制數(shù)的位權(quán)值相同,但二者的意義是完全不同的,一個是代碼,一個是數(shù)值。在8421BCD代碼中,每一組的四位數(shù)之間是二進(jìn)制關(guān)系,組與組之間卻是十進(jìn)制的關(guān)系。

實訓(xùn)任務(wù)25計數(shù)體制的轉(zhuǎn)換和編碼的認(rèn)識

9.2邏輯代數(shù)基礎(chǔ)

邏輯代數(shù)是研究邏輯電路的數(shù)學(xué)工具。因為邏輯代數(shù)是英國數(shù)學(xué)家喬治·布爾在十九世紀(jì)中葉首先提出的,所以邏輯代數(shù)又稱為布爾代數(shù)。

9.2.1邏輯變量和基本邏輯運算

1.邏輯變量

在數(shù)字電路中,經(jīng)常遇到電平的高與低、脈沖的有與無、燈泡的亮與暗、開關(guān)的通與斷等現(xiàn)象,這類現(xiàn)象都存在著相互對立的兩種結(jié)果。這種相互對立的邏輯關(guān)系,可以用僅有

兩個取值(0和1)的變量來表示,這種二值變量稱為邏輯變量。

2.最基本的邏輯關(guān)系和邏輯運算

所謂邏輯,是指事物本身的規(guī)律,即事物的條件與結(jié)果之間的因果關(guān)系。最基本的邏輯關(guān)系有三種,分別叫作“與”邏輯、“或”邏輯和“非”邏輯。在邏輯代數(shù)里有三種最基本的邏輯運算,即:“與”運算、“或”運算和“非”運算。

1)與邏輯和與運算

當(dāng)決定某事件的全部條件同時具備時事件才會發(fā)生,這種因果關(guān)系叫作“與”邏輯。如圖9－1(a)所示,只有當(dāng)開關(guān)A、B、C都閉合時(全部條件同時具備),燈Y才能點亮(事件發(fā)生)。圖91與邏輯的示意電路和邏輯符號

將邏輯變量之間的邏輯關(guān)系用列表的形式表示出來,稱為真值表。表9－2所示為三變量的與邏輯的真值表。

2)或邏輯和或運算

在決定某事件的條件中,只要任一條件具備,事件就會發(fā)生,這種因果關(guān)系叫作或邏輯。如圖9－2(a)所示,只要開關(guān)A、B、C中有一個閉合(任一個條件具備),燈Y就會點亮(事件就發(fā)生)。圖9－2或邏輯的示意電路和邏輯符號

或邏輯關(guān)系也可以用列真值表的形式表示出來。表9－3所示為三變量的或邏輯真值表。

3)非邏輯和非運算

決定某事件的條件只有一個,當(dāng)條件出現(xiàn)時事件不發(fā)生,而條件不出現(xiàn)時事件才發(fā)生,這種因果關(guān)系叫作非邏輯。如圖9－3(a)所示,開關(guān)A閉合(條件出現(xiàn)),燈Y熄滅,(事件不發(fā)生);開關(guān)A斷開,燈Y點亮。圖9－3非邏輯的示意電路和邏輯符號

表9－4所示為非邏輯的真值表。

3.常用的復(fù)合邏輯關(guān)系和邏輯運算

除上述三種基本的邏輯關(guān)系和邏輯運算外,還有一些復(fù)合的邏輯關(guān)系和邏輯運算。

1)與非邏輯關(guān)系和與非邏輯運算

與非邏輯由與邏輯和非邏輯組合而成,先與后非。三輸入變量的與非邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖9－4(a)所示。圖9－4與非邏輯的結(jié)構(gòu)和邏輯符號

2)或非邏輯關(guān)系和或非邏輯運算

或非邏輯是由或邏輯和非邏輯組合而成,先或后非。三變量的邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖9－5(a)所示。圖9－5(b)是或非邏輯的符號。圖9－5或非邏輯的結(jié)構(gòu)圖和邏輯符號

3)與或非邏輯關(guān)系和與或非邏輯運算

與或非邏輯由與邏輯、或邏輯和非邏輯組合而成,先與再或后非。四變量的與或非邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖9－6(a)所示。圖9－6(b)是與或非邏輯的符號。

與或非邏輯的邏輯表達(dá)式為圖9－6與或非邏輯的結(jié)構(gòu)圖和邏輯符號

4)異或邏輯關(guān)系和異或邏輯運算

異或邏輯:若兩個輸入變量A、B取值相異,則輸出變量Y的取值為1;若A、B的取值相同,則輸出變量Y的取值為0。圖9－7(a)所示是異或邏輯的邏輯符號。

異或邏輯的表達(dá)式為

讀作:Y等于A異或B。圖9－7異或邏輯和同或邏輯的符號

5)同或邏輯關(guān)系和同或邏輯運算

同或邏輯:若兩個輸入變量A、B的取值相同,則輸出變量Y的取值為1;A、B的取值相異,則輸出變量Y的取值為0。圖9－7(b)所示是同或邏輯的邏輯符號。同或邏輯的表達(dá)式為

讀作:Y等于A同或B。

9.2.2邏輯代數(shù)的基本定律和運算規(guī)則

從與、或、非這三種基本的運算規(guī)則,可以推導(dǎo)出邏輯代數(shù)的一些基本定律和運算規(guī)則。這些定律和規(guī)則是設(shè)計和分析邏輯電路的理論基礎(chǔ)。

1.邏輯代數(shù)的基本定律

例9－1證明公式:

證明:列出等式兩邊的真值表,如表9－5所示,然后進(jìn)行比較。由于等式兩邊的真值表相同,所以等式成立。

2.邏輯代數(shù)的基本運算規(guī)則

在邏輯代數(shù)中除上述基本定律外,還有三個重要的運算規(guī)則:代入規(guī)則、對偶規(guī)則和反演規(guī)則。這些規(guī)則和基本定律相結(jié)合,可以對任何邏輯問題進(jìn)行描述、推導(dǎo)和變換。

1)代入規(guī)則

在任何邏輯等式中,如果將等式兩邊的某一變量用同一個邏輯函數(shù)替代,則等式仍然成立,這個規(guī)則稱為代入規(guī)則。

利用代入規(guī)則,可以擴展等式的應(yīng)用范圍。如基本定律:

,用替換A,則有。這可以看作是原定律的一種變形,這種變形可以擴大原定律的應(yīng)用范圍。

2)對偶規(guī)則

對任一邏輯函數(shù)Y,如果將函數(shù)中所有的“·”換成“+”,“+”換成“·”,1換成0,0換成1,而變量保持不變,就得到一個新函數(shù)Y',則Y和Y'互為對偶式,這就是對偶規(guī)則。使用對偶規(guī)則時要注意,變換前后的運算順序不能改變。

3)反演規(guī)則

對任一邏輯函數(shù)Y,如果將函數(shù)中所有的“·”換成“+”,“+”換成“·”,1換成0,0換成1,原變量換成反變量,反變量換成原變量,則得到原來邏輯函數(shù)Y的反函數(shù)這一規(guī)則稱為反演規(guī)則。應(yīng)用反演規(guī)則時應(yīng)注意:

(1)變換前后的運算順序不能變,必要時可以加括號來保證原來的運算順序;

(2)反演規(guī)則中的反變量和原變量的互換只對單個變量有效。

實際上,反演規(guī)則是德·摩根定律的推廣。利用反演規(guī)則求邏輯函數(shù)的反函數(shù),可以簡化很多運算。比如,某個邏輯函數(shù)的表達(dá)式很復(fù)雜,而它的反函數(shù)卻很簡單,就可以先寫出它的反函數(shù),再利用反演規(guī)則求出這個邏輯函數(shù)。在實際設(shè)計和分析邏輯電路時,常常用到這種方法。

9.3邏輯函數(shù)

9.3.1邏輯函數(shù)的表示方法一般地講,若輸入邏輯變量A、B、C、…的取值確定以后,輸出邏輯變量Y的值也唯一確定,則稱Y是A、B、C、…的邏輯函數(shù)。寫作Y=F(A、B、C、…)一個邏輯函數(shù)有四種表示方法,即真值表、函數(shù)表達(dá)式、邏輯圖和卡諾圖。

1.真值表

真值表是將輸入邏輯變量的各種可能取值和相應(yīng)的函數(shù)值排列在一起而組成的表格。為避免遺漏,各變量的取值組合應(yīng)按照二進(jìn)制遞增的次序排列。

真值表的特點是直觀明了。用真值表表示邏輯函數(shù)時,變量的各種取值與函數(shù)值之間的關(guān)系一目了然。把一個實際的邏輯問題抽象成一個邏輯函數(shù)時,使用真值表是最方便的。

因此在對一個邏輯問題建立邏輯函數(shù)時,常常是先寫出真值表,再得到邏輯表達(dá)式。真值表的缺點是當(dāng)變量比較多時,真值表比較大,顯得過于繁瑣。

2.函數(shù)表達(dá)式

邏輯函數(shù)表達(dá)式就是由邏輯變量和“與”“或”“非”三種運算符構(gòu)成的表達(dá)式。如與非邏輯的函數(shù)表達(dá)式為

3.邏輯圖

邏輯圖就是由邏輯符號及它們之間的連線而構(gòu)成的圖形。與或非邏輯的邏輯圖如圖9－8所示。圖9－8與或非邏輯的邏輯圖

9.3.2邏輯函數(shù)表示形式的變換

1.由真值表轉(zhuǎn)換為邏輯函數(shù)式

具體方法是:

①找出真值表中使邏輯函數(shù)等于1的那些輸入變量取值的組合。

②寫出每組輸入變量取值的組合,其中取值為1的寫原變量,取值為0的寫反變量,得出對應(yīng)的乘積項。

③將各乘積項相加,即可得出真值表對應(yīng)的邏輯函數(shù)。

2.由邏輯函數(shù)式轉(zhuǎn)換為真值表

具體方法是:

①畫出真值表的表格,將變量及變量的所有取值組合按照二進(jìn)制遞增的次序列入表格左邊。

②按照表達(dá)式,依次對變量的各種取值組合進(jìn)行運算,求出相應(yīng)的函數(shù)值。

③將求出的函數(shù)值,填入表格右邊對應(yīng)的位置,即得真值表。

3.由邏輯函數(shù)式畫出邏輯圖

具體方法是:用圖形符號代替邏輯式中的運算符號,可得和邏輯式對應(yīng)的邏輯圖。圖9－9

4.由邏輯圖寫出邏輯函數(shù)式

具體方法是:從輸入端到輸出端逐級寫出每個圖形符號的邏輯式,可得對應(yīng)的邏輯函

例9－6寫出圖9－10所示邏輯圖的邏輯函數(shù)式。

解如圖9－10所示的邏輯圖,是由基本的“與”“或”邏輯符號組成的,可由輸入至輸出逐步寫出邏輯表達(dá)式:L=AB+BC+AC。圖9－10例96的邏輯圖

9.3.3邏輯函數(shù)的化簡

通常由實際問題得到的邏輯函數(shù)式比較復(fù)雜,為了便于了解邏輯函數(shù)的邏輯功能,使邏輯電路的結(jié)構(gòu)更簡單,常需要對邏輯函數(shù)進(jìn)行化簡。

利用前述邏輯代數(shù)的定理和規(guī)則,可實現(xiàn)邏輯函數(shù)的化簡。邏輯代數(shù)的化簡常用的方法有代數(shù)法(公式法)和卡諾圖法,這里只介紹介紹用代數(shù)法(公式法)化簡函數(shù)。

1.邏輯函數(shù)的最簡形式

一個邏輯函數(shù)的某種表達(dá)式,可以對應(yīng)地用一個邏輯電路來描述;反之,一個邏輯電路也可以對應(yīng)地用一個邏輯函數(shù)來表示。但是,一個邏輯函數(shù)的表達(dá)式不是唯一的,可以有多種形式,并且能互相轉(zhuǎn)換。常見的邏輯式主要有5種形式,例如:

最簡“與或”表達(dá)式含義為:

(1)邏輯函數(shù)中的與項最少;

(2)在條件(1)下,每一與項中的變量數(shù)最少。

2.用代數(shù)法化簡邏輯函數(shù)

代數(shù)化簡法是反復(fù)利用邏輯代數(shù)的基本公式、常用公式、基本定理消去函數(shù)式中多余的乘積項和多余的因子,以求得函數(shù)式的最簡形式。最常用的方法有:并項法、吸收法、消

項法、消因子法、配項法等。

(1)并項法:利用互補律,將兩項合并,從而消去一個變量。

(2)吸收法:利用吸收律A+AB=A,將AB項消去。

(3)消去法:運用吸收律A+AB=A+B消去多余的因子。

(4)配項法。

3.邏輯函數(shù)的卡諾圖化簡法

卡諾(Karnaugh,美國工程師)圖化簡法的基本原理是利用代數(shù)法中的并項法原則,即A+=1,消去一個變量。

諾圖實質(zhì)上是將代表邏輯函數(shù)的最小項用方格表示,并將這些方格按相鄰原則排列而成的方塊圖。由于任何一個邏輯函數(shù)都可以表示為若干最小項之和的形式,因此,也就可以用卡諾圖來表示任意一個邏輯函數(shù)。

在實際的邏輯電路中,經(jīng)常會遇到某些最小項的取值可以是任意的,或者說這些最小項在電路工作時根本不會出現(xiàn),例如BCD碼,用4位二進(jìn)制數(shù)組成的16個最小項中的10

個編碼,其中6個冗余項是不會出現(xiàn)的,這樣的最小項稱為任意項。在卡諾圖和真值表中用?表示這些任意項。由于任意項的取值可為1或0,利用卡諾圖化簡時,應(yīng)根據(jù)對邏輯函

數(shù)的化簡過程是否有利來決定任意項的取值。

二變量、三變量的卡諾圖如圖9－11和圖9－12所示。圖9－11二變量的卡諾圖圖9－12三變量的卡諾圖

9.4基本邏輯門電路

能實現(xiàn)一定邏輯關(guān)系的電路被稱為邏輯門電路。門電路可以用二極管、三極管等分立元件組成,稱作分立元件門電路;也可以通過半導(dǎo)體的集成電路制造工藝,將電路中的所有元件都做在一塊硅片上,成為一個不可分割的整體,稱作為集成門電路。

9.4.1數(shù)字電路概述

1.數(shù)字信號和數(shù)字電路

如果被傳遞和處理的信號在時間和數(shù)量上都是連續(xù)變化的,稱為模擬信號,如在模擬廣播電視體系中傳送的語言和圖像信號,如圖9－13(a)所示。用于傳遞和處理模擬信號的

電路稱為模擬電路。如果被傳遞和處理的信號在時間和數(shù)量上都是離散的,稱為數(shù)字信號,如圖9－13(b)所示。用于傳遞和處理數(shù)字信號的電路稱為數(shù)字電路。圖9－13模擬信號與數(shù)字信號

在數(shù)字電路中,用0和1這兩個量來表示脈沖的有和無,并規(guī)定每個0或1有相同的時間間隔,這樣一串脈沖信號就可以用一串由0和1組成的數(shù)碼來表示,如圖9－14所示。圖9－14數(shù)字信號組成的數(shù)碼

2.脈沖波的特點和主要參數(shù)

凡是斷續(xù)出現(xiàn)的電壓或電流都可稱為脈沖電壓或脈沖電流。從信號波形上來說,除了正弦波和由若干個正弦波分量合成的連續(xù)波以外,都可以稱為脈沖波。常見脈沖波有矩形

波、鋸齒波、尖脈沖、階梯波等,如圖9－15所示。圖9－15常見的脈沖信號波形

由于脈沖波是各種各樣的,因此用來描述各種不同脈沖波形的參數(shù)也不一樣。一般說來,描述脈沖波形的參數(shù)有以下幾個,如圖9－16所示。圖9－16矩形脈沖波形的參數(shù)

9.4.2半導(dǎo)體開關(guān)器件

在數(shù)字電路中,二極管和三極管都工作在開關(guān)狀態(tài)。對于一個理想開關(guān),應(yīng)具備的條件是:

(1)開關(guān)接通時,相當(dāng)于短路狀態(tài),其接觸電阻為零;開關(guān)斷開時,相當(dāng)于開路狀態(tài),其接觸電阻為無窮大,流過的電流等于零。

(2)開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換能在瞬間完成,即轉(zhuǎn)換速度要快。

1.二極管的開關(guān)特性

一個理想二極管相當(dāng)于一個理想的開關(guān),如圖9－17所示。二極管導(dǎo)通時相當(dāng)于開關(guān)閉合,即短路,不管流過其中的電流是多少,它兩端的電壓總是0V;二極管截止時相當(dāng)于開關(guān)斷開,即斷路,不管它兩端的電壓有多大,流過其中的電流均為0A;狀態(tài)的轉(zhuǎn)換能在瞬間完成。當(dāng)然,實際上并不存在這樣的二極管。下面以硅二極管為例,分析一下實際二極管的開關(guān)特性。圖9－17二極管開關(guān)電路

(1)導(dǎo)通條件及導(dǎo)通時的特點:

由二極管的伏安特性可知,當(dāng)二極管兩端所加的正向電壓UD大于死區(qū)電壓時,管子開始導(dǎo)通,此后電流ID隨著UD的增大而急劇增加,在UD=0.7V時,伏安特性曲線已經(jīng)很陡,即ID在一定范圍內(nèi)變化,UD基本保持在0.7V不變,因此在數(shù)字電路中,常常把UD≥0.7V看成是硅二極管導(dǎo)通的條件。而且二極管一旦導(dǎo)通,就近似認(rèn)為UD保持為0.7V不變,如同一個具有0.7V壓降的閉合開關(guān),如圖9－17(a)所示。

(2)截止條件及截止時的特點:

由硅二極管的伏安特性可知,當(dāng)UD小于死區(qū)電壓時,ID已經(jīng)很小,因此在數(shù)字電路中常把UD<0.5V看成硅二極管的截止條件,而且一旦截止,就近似認(rèn)為ID≈0A,如同斷開的開關(guān),如圖9－17(b)所示。

2.三極管的開關(guān)特性

三極管有三種工作狀態(tài):放大狀態(tài)、截止?fàn)顟B(tài)和飽和狀態(tài)。在數(shù)字電路中,三極管是最基本的開關(guān)元件,通常工作在飽和區(qū)和截止區(qū)。

(1)飽和導(dǎo)通條件及飽和時的特點:

由三極管組成的開關(guān)電路如圖9－18所示。當(dāng)輸入正的階躍信號ui時(設(shè)階躍電平為5V),發(fā)射結(jié)正向偏置,當(dāng)其基極電流足夠大時,將使三極管飽和導(dǎo)通。三極管處于飽和狀態(tài)時,其管壓降UCES很小(硅管約為0.3V,鍺管約為0.1V),在工程上可以認(rèn)為UCES=0,即集電極與發(fā)射極之間相當(dāng)于短路,在電路中相當(dāng)于開關(guān)閉合。這時的集電極電流:圖9－18三極管開關(guān)電路

晶體管處于放大與飽和兩種狀態(tài)邊緣時的狀態(tài),稱為臨界飽和狀態(tài),臨界飽和的基極電流為

所以三極管的飽和條件是

三極管飽和時的特點是:UCE=UCES≤0.3V,如同一個閉合的開關(guān)。

(2)截止條件及截止時的特點:

當(dāng)電路無輸入信號時,三極管的發(fā)射結(jié)偏置電壓為0V,所以其基極電流IB=0A,集電極電流為IC=0,UCE=UCC,三極管處于截止?fàn)顟B(tài),即集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于斷路。因此通常把ui=0V作為截止條件。

9.4.3集成邏輯門電路

1.集成門電路的類型

集成門電路按電路結(jié)構(gòu)的不同,可由三極管組成,或由絕緣柵型場效應(yīng)管組成。前者的輸入級和輸出級均采用三極管,故稱為晶體管晶體管邏輯電路,簡稱作TTL門電路;后者為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管邏輯電路,簡稱作MOS門電路。

2.TTL集成門電路的特點

TTL門電路的特點是運行速度快,電源電壓固定(5V),有較強的帶負(fù)載能力。在TTL門電路中,與非門的應(yīng)用最為普遍。

如圖9－19所示,為TTL集成4－2輸入與非門74LS00的管腳排列圖,其內(nèi)部的四個與非門互相獨立,可以單獨使用,但電源是共用的。圖9－1974LS004－2輸入與非門的管腳排列圖

3.TTL門多余輸入端的處理

TTL與非門有多個輸入端。當(dāng)輸入信號的數(shù)目較少時,對閑置端要保證其接在該邏輯的無效電平上。對與邏輯而言,高電平是無效電平,所以可以按照以下幾種方法進(jìn)行處理:

(1)將閑置端懸空(相當(dāng)于高電平,即1態(tài)),這樣處理的缺點是電路易受干擾;

(2)將閑置端與其他的信號輸入端并聯(lián),這樣處理的優(yōu)點是可以提高工作的可靠性,缺點是增加了前級門的負(fù)載;

(3)通過一個數(shù)千歐的限流電阻將閑置端接到電源UCC的正極。

4.集成TTL與非門的主要參數(shù)

TTL與非門空載時的輸出電壓Uo隨輸入電壓Ui變化的關(guān)系曲線稱為電壓傳輸特性,如圖9－20所示。它是通過實驗得出的。當(dāng)Ui從零開始增加時,在一定范圍內(nèi),輸出高電平基本上不變化。當(dāng)Ui上升到一定值后,輸出端很快下降為低電平,這時即使Ui繼續(xù)增加,輸出低電平也基本不變。如果輸入電壓從大到小變化,輸出電壓也將沿曲線作相反的變化。通過電壓傳輸特性曲線,可以獲得TTL與非門的一些特性參數(shù):圖9－20TTL與非門的電壓傳輸特性

1)輸出高電平UOH

UOH是指輸入低電平時的輸出電壓值。一般UOH=3.6V。

2)輸出低電平UOL

UOL是指輸入端全為高電平時的輸出電壓值。一般UOL≤0.3V。

3)開門電平Uon、關(guān)門電平Uoff和閾值電壓UT

保持輸出為高電平的最大輸入電壓叫作關(guān)門電平Uoff,對應(yīng)圖9－20中的A點,TTL門電路的產(chǎn)品規(guī)定:Uoff≥0.8V。

4)扇出系數(shù)N0

與非門輸出為額定低電平時,能夠驅(qū)動后級同類與非門的個數(shù)稱為扇出系數(shù)N0,它表示與非門帶負(fù)載的能力。TTL與非門的產(chǎn)品規(guī)定為:N0≥8。特殊制作的所謂“驅(qū)動器”的扇出系數(shù)可以大于20。

5)平均傳輸延遲時間Tpd

在TTL門電路中,晶體三極管工作狀態(tài)的變化,如由導(dǎo)通到截止,或從截止到導(dǎo)通,均需經(jīng)過一定時間才能完成,因此輸出波形比輸入波形要滯后一段時間,如圖9－21所示。Trd為導(dǎo)通延遲時間,Tfd為截止延遲時間,其平均傳輸延遲時間Tpd

定義為

圖9－21TTL門平均傳輸延遲時間的定義

5.集電極開路與非門(OC門