数字电路入门

数字电路课件制作人：刘振来彭勇朱志斌石玉军张志荣参考书：1、康华光主编电子技术基础–数字部分（第四版）2、阎石主编数字电子技术基础（第四版）3、余孟尝主编数字电子技术基础简明教程（第二版）2001.8.16第一章数字电路基础1.1数字电路的基本概念一、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1.1.1典型的数字信号Vt(V)(ms)501020304050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1.1.1所示的数字电压信号就成为下图所示逻辑信号。二、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0三、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)0VmwtT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)1.2数制例1.2.1将二进制数10011.101转换成十进制数。解：将每一位二进制数乘以位权，然后相加，可得(10011.101)B＝1×24＋0×23＋0×22＋1×21＋1×20＋1×2－1＋0×2－2＋1×2－3＝（19.625)D一、几种常用的计数体制1.十进制(Decimal)2.二进制(Binary)3.十六进制(Hexadecimal)与八进制（Octal）二、不同数制之间的相互转换1．二进制转换成十进制231152122222………余0………余1………余1………余1………余10bbbbb01234读取次序例1.2.2将十进制数23转换成二进制数。解：用“除2取余”法转换:2.十进制转换成二进制则（23)D=（10111)B1.3二—十进制码（BCD码）BCD码——用二进制代码来表示十进制的0～9十个数。要用二进制代码来表示十进制的0～9十个数，至少要用4位二进制数。4位二进制数有16种组合，可从这16种组合中选择10种组合分别来表示十进制的0～9十个数。选哪10种组合，有多种方案，这就形成了不同的BCD码。1.4数字电路中的二极管与三极管(1)加正向电压VF时，二极管导通，管压降VD可忽略。二极管相当于一个闭合的开关。一、二极管的开关特性1．二极管的静态特性DVFIF(a)LRFKVFLRI(b)可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压vi控制的开关。当外加电压vi为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电压的变化在“开”态与“关”态之间转换。这个转换过程就是二极管开关的动态特性。(2)加反向电压VR时，二极管截止，反向电流IS可忽略。二极管相当于一个断开的开关。DVRISLR(a)KLRVR(b)2．二极管开关的动态特性给二极管电路加入一个方波信号，电流的波形怎样呢？ts为存储时间，tt称为渡越时间，tre＝ts十tt称为反向恢复时间。+－DLRivi(a)反向恢复时间：tre＝ts十tt产生反向恢复过程的原因：反向恢复时间tre就是存储电荷消散所需要的时间。+－区区PN耗尽层LpnL区中电子区中空穴浓度分布浓度分布PN(a)(b)x同理，二极管从截止转为正向导通也需要时间，这段时间称为开通时间。开通时间比反向恢复时间要小得多，一般可以忽略不计。二、三极管的开关特性1．三极管的三种工作状态（1）截止状态：当VI小于三极管发射结死区电压时，IB＝ICBO≈0，IC＝ICEO≈0，VCE≈VCC，三极管工作在截止区，对应图1.4.5（b）中的A点。三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压+V+－T123cbeRRbCCVIiBiCCiCIB1IB2B3IB4IB5IB=0=IBSABCDEvCEVCCVCC/RCICS0.7VI此时，若调节Rb↓，则IB↑，IC↑，VCE↓，工作点沿着负载线由A点→B点→C点→D点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区，其特点为IC＝βIB。三极管工作在放大状态的条件为：发射结正偏，集电结反偏（2）放大状态：当VI为正值且大于死区电压时，三极管导通。有bIbBEIBRVRVVI+V+－T123cbeRRbCCVIiBiCCiCIB1IB2B3IB4IB5IB=0=IBSABCDEvCEVCCVCC/RCICS0.7VI若再减小Rb，IB会继续增加，但IC已接近于最大值VCC/RC，不会再增加，三极管进入饱和状态。饱和时的VCE电压称为饱和压降VCES，其典型值为：VCES≈0.3V。三极管工作在饱和状态的电流条件为：IB＞IBS电压条件为：集电结和发射结均正偏（3）饱和状态：保持VI不变，继续减小Rb，当VCE＝0.7V时，集电结变为零偏，称为临界饱和状态，对应图（b）中的E点。此时的集电极电流称为集电极饱和电流，用ICS表示，基极电流称为基极临界饱和电流，用IBS表示，有:CCCC0.7V-RVRVICCCSCCCCSBSRVII解：根据饱和条件IB＞IBS解题。例1.4.1电路及参数如图1.4.6所示，设输入电压VI=3V，三极管的VBE=0.7V。（1）若β＝60，试判断三极管是否饱和，并求出IC和VO的值。（2）将RC改为6.8kW，重复以上计算。+V－++-T123RRbCCIVC（+12V）OV10kΩ100kΩ图1.4.6例1.4.1电路)mA0.023(1000.7-3BI)mA0.020(106012CCCBSRVI∵IB＞IBS∴三极管饱和。)mA1.2(1012CCCCSCRVIIV3.0CESOVVIB不变，仍为0.023mA)mA0.029(6.86012CCCBSRVI∵IB＜IBS∴三极管处在放大状态。)mA1.4(0.02360BIIC)V2.48(6.81.4-12-CCCCCEORIVVV（3）将RC改为6.8kW，再将Rb改为60kW，重复以上计算。由上例可见，Rb、RC、β等参数都能决定三极管是否饱和。该电路的则饱和条件可写为：即在VI一定（要保证发射结正偏）和VCC一定的条件下，Rb越小，β越大，RC越大，三极管越容易饱和。在数字电路中总是合理地选择这几个参数，使三极管在导通时为饱和导通。+V－++-T123RRbCCIVC（+12V）OV10kΩ100kΩ图1.4.6例1.4.1电路)mA0.038(600.7-3BIIBS≈0.029mA∵IB＞IBS∴三极管饱和。)mA1.76(6.812CCCCSRVIICV3.0CESOVVbIRVCCCRV＞2．三极管的动态特性（1）延迟时间td——从输入信号vi正跳变的瞬间开始，到集电极电流iC上升到0.1ICS所需的时间（2）上升时间tr——集电极电流从0.1ICS上升到0.9ICS所需的时间。（3）存储时间ts——从输入信号vi下跳变的瞬间开始，到集电极电流iC下降到0.9ICS所需的时间。（4）下降时间tf——集电极电流从0.9ICS下降到0.1ICS所需的时间。一、基本逻辑运算与逻辑举例：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。1.5基本逻辑运算与运算——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2．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+B3．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二、其他常用逻辑运算2．或非——由或运算和非运算组合而成。1．与非——由与运算和非运算组合而成。AB000011111110&ABL=A·B(a)(b)L=A·B01AB1011L=A+BA00B1(a)(b)000L=A+B≥13．异或异或是一种二变量逻辑运算，当两个变量取值相同时，逻辑函数值为0；当两个变量取值不同时，逻辑函数值为1。异或的逻辑表达式为：BAL1100(b)BA0AB10101(a)01L=A=1+AB+B1.6逻辑函数及其表示方法解：第一步：设置自变量和因变量。第二步：状态赋值。对于自变量A、B、C设：同意为逻辑“1”，不同意为逻辑“0”。对于因变量L设：事情通过为逻辑“1”，没通过为逻辑“0”。一、逻辑函数的建立例1.6.1三个人表决一件事情，结果按“少数服从多数”的原则决定，试建立该逻辑函数。第三步：根据题义及上述规定列出函数的真值表如表。一般地说，若输入逻辑变量A、B、C…的取值确定以后，输出逻辑变量L的值也唯一地确定了，就称L是A、B、C的逻辑函数，写作：L=f（A，B，C…）逻辑函数与普通代数中的函数相比较，有两个突出的特点：（1）逻辑变量和逻辑函数只能取两个值0和1。（2）函数和变量之间的关系是由“与”、“或”、“非”三种基本运算决定的。二、逻辑函数的表示方法例1.6.2列出下列函数的真值表：ABCCABCBABCALBABAL1．真值表——将输入逻辑变量的各种可能取值和相应的函数值排列在一起而组成的表格。2．函数表达式——由逻辑变量和“与”、“或”、“非”三种运算符所构成的表达式。由真值表可以转换为函数表达式。例如，由“三人表决”函数的真值表可写出逻辑表达式：反之，由函数表达式也可以转换成真值表。解：该函数有两个变量，有4种取值的可能组合，将他们按顺序排列起来即得真值表。3．逻辑图——逻辑图是由逻辑符号及它们之间的连线而构成的图形。由逻辑图也可以写出其相应的函数表达式。例1.6.4写出如图所示逻辑图的函数表达式。解：可由输入至输出逐步写出逻辑表达式：BABALACBCABL由函数表达式可以画出其相应的逻辑图。例1.6.3画出下列函数的逻辑图：解：可用两个非门、两个与门和一个或门组成。本章小结1．数字信号在时间上和数值上均是离散的。2．数字电路中用高电平和低电平分别来表示逻辑1和逻辑0，它和二进制数中的0和1正好对应。因此，数字系统中常用二进制数来表示数据。3．常用BCD码有8421码、242l码、542l码、余3码等，其中842l码使用最广泛。4．在数字电路中，半导体二极管、三极管一般都工作在开关状态，即工作于导通（饱和）和截止两个对立的状态，来表示逻辑1和逻辑0。影响它们开关特性的主要因素是管子内部电荷存储和消散的时间。5．逻辑运算中的三种基本运算是与、或、非运算。6．描述逻辑关系的函数称为逻辑函。逻辑函数中的变量和函数值都只能取0或1两个值。7．常用的逻辑函数表示方法有真值表、函数表达式、逻辑图等，它们之间可以任意地相互转换。