数字电路与逻辑设计(第一、二章)PPT

10/30/20191数字电路逻辑设计授课教师:戢小亮10/30/20192•一、本课程的特点与要求：•1、概念多，知识更新快，是进入数字•领域的基础课。•2、中、大规模集成电路是重点。要求•掌握器件的功能及应用，即学会利用•器件的功能表进行电路的分析与设计。•3、工程性和实践性很强，要求认真做实•验，巩固理论知识,加强动手能力。•4、认真听讲，独立完成作业。•10/30/20193•二、教学安排及考核：•1、教学进程：见教学日历。•2、考核办法：•平时作业：30%期末：70%10/30/20194三、参考书：1、«数字电子技术常见题型解析及模拟题»西工大出版社2、«典型题解析与实战模拟数字电子技术基础»国防科大出版社3、新编考研辅导丛书«电子线路辅导»西安电子科技大学出版10/30/201954、《数字电子技术基础》闫石高教出版社5、《数字电子技术解题指南》唐竟新清华大学出版社6、《电子技术基础试题汇编》童诗白高教出版社10/30/20196第一章绪论•一、数字信号和模拟信号•二、数制及其转换•三、二——十进制代码（BCD码）•四、算术运算与逻辑运算•五、数字电路及其发展10/30/20197数字电路的基础知识一、数字信号和模拟信号电子电路中的信号模拟信号数字信号幅度随时间连续变化的信号例：正弦波信号、锯齿波信号等。幅度不随时间连续变化,而是跳跃变化计算机中,信号的时间和幅度都不连续,称为离散变量10/30/20198模拟信号tV(t)tV(t)数字信号高电平低电平上跳沿下跳沿10/30/20199模拟电路与数字电路的区别1、工作任务不同：模拟电路研究的是输出与输入信号之间的大小、相位、失真等方面的关系；数字电路主要研究的是输出与输入间的逻辑关系（因果关系）。模拟电路中的三极管工作在线性放大区,是一个放大元件；数字电路中的三极管工作在饱和或截止状态,起开关作用。因此，基本单元电路、分析方法及研究的范围均不同。2、三极管的工作状态不同：10/30/201910模拟电路研究的问题基本电路元件:基本模拟电路:晶体三极管场效应管集成运算放大器信号放大及运算(信号放大、功率放大）信号处理（采样保持、电压比较、有源滤波）信号发生（正弦波发生器、三角波发生器、…）10/30/201911数字电路研究的问题基本电路元件基本数字电路逻辑门电路触发器组合逻辑电路时序电路（寄存器、计数器、脉冲发生器、脉冲整形电路）A/D转换器、D/A转换器10/30/201912数字电路的基本概念1)、数字信号的特点数字信号在时间上和数值上均是离散的。数字信号在电路中常表现为突变的电压或电流。图1典型的数字信号10/30/201913有两种逻辑体制：正逻辑体制规定：高电平为逻辑1，低电平为逻辑0。负逻辑体制规定：低电平为逻辑1，高电平为逻辑0。如果采用正逻辑，图1所示的数字电压信号就成为下图所示逻辑信号。2)、正逻辑与负逻辑数字信号是一种二值信号，用两个电平（高电平和低电平）分别来表示两个逻辑值（逻辑1和逻辑0）。逻辑0逻辑1逻辑0逻辑1逻辑010/30/2019143)、数字信号的主要参数一个理想的周期性数字信号，可用以下几个参数来描绘：Vm——信号幅度。T——信号的重复周期。tW——脉冲宽度。q——占空比。其定义为：%100(%)WTtqVt(ms)0VmwtT10/30/201915下图所示为三个周期相同（T=20ms），但幅度、脉冲宽度及占空比各不相同的数字信号。Vt(V)(ms)501020304050Vt(V)(ms)01020304050Vt(V)(ms)010203040503.610(a)(b)(c)10/30/201916二、数制及其转换1、十进制数：“逢十进一”例：基数：10称为十进制数的基数。位权：100、10、1等10的幂称为各数位的位权值。2-105110101091108210701.051.0119108100710)15.789(10/30/201917inmiimmnnnnmnnaaaaaaaaaaaaaaaN1010...10101010...1010.......)(122110011221121012110inmiimmnnnnmnnRRaRaRaRaRaRaRaRaaaaaaaaN1221100112211210121.............)((ai:0~9)10/30/2019182、二进制数：“逢二进一”210123212211001122112101212212021202121)01.1101(22...2222...22.......)(例：inmiimmnnnnmnnaaaaaaaaaaaaaaaN(ai:0、1)基数：2称为二进制数的基数。位权：8、4、2、1等2的幂称为各数位的位权值。10/30/2019193、八进制和十六进制数：八个数码符号、、、、、、、八进制数有765432108)(18inmiiaN十六个数码符号、、、、、、、、、、、、、、、十六进制数有FEDCBAaNinmii987654321016)(11610/30/2019204、不同进制数的转换（1）将R进制数转换成十进制数：规则：只要将R进制数按位权展开，再按十进制运算规则运算，即可得到十进制数。（2）将十进制数转换成R进制数：规则：需将十进制数的整数部分和小数部分分别进行转换，然后将它们合并起来。整数部分转换时，用除R取余法。小数部分转换时，用乘R取整法.对于将十进制数转换成二进制数，整数部分转换时，用除2取余法。小数部分转换时，用乘2取整法（3）基数R为各进制之间的互相转换:举例k210/30/201921三、二-十进制代码（ＢＣＤ码）•数码的两种功能：数制:表示数量的大小，对应的即为计数体制.如十、二、八、十六进制。码制:作为事物的代码.是指用数码对不同事物、字符、状态等进行编码的原则或规律。•在二进制中只有0、1两个符号，如有n位二进制，它可有种不同的组合，即可代表种不同的信息。n2n210/30/201922三、二-十进制代码(ＢＣＤ码)•采用二进制码表示一个十进制数的代码，称为二-十进制代码（ＢＣＤ码）―（BinaryCodedDecimal)•0—9十个数码至少需要4位二进制码表示一位十进制数。4位二进制码共有16种码组。在这16种代码中，可以任选10种来表示10个十进制数码。常用的BCD代码表列于书上P.7表1-310/30/201923表1几种常用的BCD十进制数8421码5421码2421码余3码BCDGray码01234567890000000100100011010001010110011110001001000000010010001101001000100110101011110000000001001000110100101111001101111011110011010001010110011110001001101010111100000000010011001001100111010101001100100010/30/2019241、有权ＢＣＤ码：指在表示０－９十个十进制数的４位二进制代码中，每位二进制数都有确定的位权值。如：8421码、2421码、5121码例：［0111]8421BCD=0×8+1×4+1×2+1×1=（7）10［1101]2421BCD=1×2+1×4+0×2+1×1=（7）102、无权ＢＣＤ码：代码没有确定的位权值，不能按位权展开。如：余3BCD码。3、用ＢＣＤ代码表示十进制数：[863]10=[100001100011]8421BCD=（1101011111）2三、二-十进制代码(ＢＣＤ码)10/30/201925四、算术运算与逻辑运算•当二进制数码0和1表示的是数量大小时，两数之间的运算叫算术运算。如：1+1=10•当两个二进制数码表示的是不同的逻辑状态时，它们之间按照一定的因果关系所进行的运算叫逻辑运算。例如：以“1”表示高电平，以“0”表示低电平：1+1=110/30/201926五、数字电路及其发展•对数字信号进行算术运算与逻辑运算的电路通常称为数字电路•数字电路几乎都是数字集成电路：就是在一块半导体基片上，把众多的数字电路基本单元制作在一起。•集成电路按集成度的大小分为：小规模集成电路SSIC（SmallScaleIntegratedCirciut)中规模集成电路MSIC（100—1000个）大规模集成电路LSIC（1000—100000个）超大规模集成电路VLSIC（100000以上）10/30/20192710/30/201928•数字电路的发展趋势电子工作台仿真软件workbench可编程逻辑器件开发软件max+plusⅡQuartusⅡ参考书：1、«CPLD技术及其应用»宋万杰等西电出版2、«Altera可编程逻辑器件及其应用»清华3、«FPGA设计及应用»西电出版10/30/201929电子设计硬件描述语言（VHDL）VHDL（全称为Very－high－speed－integrated－circuitHardwareDescriptionLanguage）是用于描述数字电路的语言，经过专门的组织对其进行标准化后，现今已有VHDL’87和VHDL’93两个版本供我们使用.10/30/201930Problem:ReduceCost,Complexity&PowerFlashSDRAMCPUDSPI/OI/OI/OFPGAI/OI/OI/OCPUDSPSolution:ReplaceExternalDeviceswithProgrammableLogicFPGA10/30/201931Problem:ReduceCost,Complexity&PowerFlashSDRAMSolution:ReplaceExternalDeviceswithProgrammableLogicCPUisaCriticalControlFunctionRequiredforSystem-LevelIntegrationSystemOnAProgrammableChip(SOPC)FPGA10/30/201932第二章逻辑函数及其简化•本章介绍：1、逻辑代数的基本公式、重要定理及常用公式2、逻辑函数及其表示方法。3、应用逻辑代数简化逻辑函数的方法—代数法和卡诺图法。10/30/201933一、基本逻辑运算:数字电路要研究的是电路的输入输出之间的逻辑关系，所以数字电路又称逻辑电路，相应的研究工具是逻辑代数（布尔代数）。在逻辑代数中，逻辑函数的变量只能取两个值（二值变量），即0和1。§2-1逻辑代数10/30/201934一、基本逻辑运算:与、或、非例：设1表示开关闭合或灯亮；0表示开关不闭合或灯不亮.则得真值表。与运算——只有当决定一件事情的条件全部具备之后，这件事情才会发生。我们把这种因果关系称为与逻辑。1．与运算BAL若用逻辑表达式来描述，则可写为10/30/2019352．或运算——当决定一件事情的几个条件中，只要有一个或一个以上条件具备，这件事情就发生。我们把这种因果关系称为或逻辑。或逻辑举例：若用逻辑表达式来描述，则可写为：L＝A+B10/30/2019363．非运算——某事情发生与否，仅取决于一个条件，而且是对该条件的否定。即条件具备时事情不发生；条件不具备时事情才发生。非逻辑举例：若用逻辑表达式来描述，则可写为：AL10/30/201937二、其他常用复合逻辑运算2．或非——由或运算和非运算组合而成。AB000011111110&ABL=A·B(a)(b)L=A·B01AB1011L=A+BA00B1(a)(b)