电子技术基础数字部分(第五版)(康华光)第一章

电子技术基础数字部分（第五版）主编：康华光主讲：康华光1.课程性质《数字电路》课程是电气信息类专业入门性质的一门重要的专业基础课程，是一门核心课程，学分3分。本课程是后续专业课程的基础。专业课程——单片机原理与接口技术、DSP原理及应用、嵌入式系统等等。2.课程目的及要求：获得数字电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能；培养分析和解决问题的能力。3.课程考试平时成绩(作业+考勤)30%；期末考试70%。获得学士学位要求课程成绩≥70分。课程简介参考资料阎石主编《数字电子技术基础》高等教育出版社余孟尝主编《数字电子技术基础》高等教育出版社欧阳星明主编《数字逻辑》华中科技大学出版社罗杰主编《电子技术基础数字部分习题全解》高等教育出版社王冠华主编《Muitisim10电路设计及应用》国防工业出版社电子工程手册编委会等编《标准TTL集成电路数据手册》电子工业出版社《标准CMOS集成电路手册》电子工业出版社存储器、复杂可编程器件和现场可编程门阵列8.脉冲波形的变换与产生9.模数与数模转换器10.数字系统设计基础*1.数字逻辑基础1.1数字电路与数字信号1.2数制1.3二进制数的算术运算1.4二进制代码1.5二值逻辑变量与基本逻辑运算1.6逻辑函数及其表示方法1.掌握2、10、8、16进制数的表示与相互转化；2.掌握二进制数的原码、反码、补码的表示方法；3.掌握8421码、余3码、格雷码的表示方法；4.掌握与、或、非、与非、或非、异或、同或基本逻辑运算；5.掌握逻辑函数的4种表示方法：真值表、逻辑表达式、逻辑图、波形图。教学要求1.1数字电路与数字信号1.1.1数字技术的发展及其应用电子技术是20世纪发展最迅速、应用最广泛的技术，特别是数字电子技术，已经广泛用于广播、电视、通信、医疗、控制、测量、交通、航空、军事、探测、文娱、家用电器领域···。数字电视计算机数码摄像机计算机网络智能仪器手机1.1数字电路与数字信号电子技术发展特点：以电子器件的发展为基础电子管，1906年，福雷斯特等发明了电子管，电真空技术晶体管，1947年第一只晶体三极管问世，半导体技术半导体集成电路，20世纪60年代初，模拟和数字集成电路相继上市。1.1.1数字技术的发展及其应用电路设计方法伴随器件变化从传统走向现代传统的设计方法：采用自下而上的设计方法；由人工组装，经反复调试、验证、修改完成。所用的元器件较多，电路可靠性差，设计周期长。现代的设计方法：现代EDA技术实现硬件设计软件化。采用从上到下设计方法，电路设计、分析、仿真、修订，全通过计算机完成。1.1数字电路与数字信号1.1.1数字技术的发展及其应用EDA技术以计算机为基本工具、借助于软件设计平台，采用从上到下设计方法，电路设计、分析、仿真、修订，全通过计算机完成。最后下载到芯片，实现系统功能。使硬件设计软件化。硬件描述语言HDL是EDA技术中的重要组成部分，当前最流行的并成为IEE标准的硬件描述语言是VHDL和Verilog。本书介绍VerilogHDL硬件描述语言。本书介绍的QuartusⅡ软件，是Altera公司近几年推出的新一代的可编程逻辑器件设计环境，支持PLD设计的设计输入、编译、综合、布局、布线、时序分析、仿真、编程下载等EDA设计过程。EDA（ElectronicsDesignAutomation)技术1.1数字电路与数字信号1.1.1数字技术的发展及其应用虚拟实验与电子电路设计和仿真软件Multisim10介绍随着计算机技术飞速发展，虚拟实验作为一种新兴实验技术迅速倔起，虚拟实验就是利用仿真软件在计算机上做实验。在计算机屏幕上，将逻辑符号表示的逻辑器件连接起来构成逻辑电路，用键盘或鼠标控制开关通断，用显示器件显示相关结果或用虚拟仪器进行测量。Multisim10是由美国NI公司在EWB(电子工作平台)基础上推出的电子电路设计和仿真的优秀软件，尤其在教育领域取得了巨大成功。Multisim10界面直观，操作方便。测试仪表和某些仿真元件的外形与实物接近，操作方法也基本相同，因而该软件易学易用。本书介绍的QuartusⅡ软件，也具有仿真的功能。1.1数字电路与数字信号1.1.1数字技术的发展及其应用电子电路按功能分为模拟电路和数字电路。根据电路的结构特点及其对输入信号相应规则的不同，数字电路分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。数字电路中的电子器件，如二极管、三极管，都工作在开关状态，或导通，或截止，构成电子开关。这些电子开关是组成逻辑门电路的基本单元，逻辑门电路又是数字电路的基本单元。如果将这些门电路集成在一块半导体芯片上就构成了数字集成电路。集成度：每一芯片所包含的门个数。1.1数字电路与数字信号1.1.2数字集成电路的分类及特点1.数字集成电路的分类1、根据采用半导体器件分类双极型MOSTTLECLI2LPMOSNMOSCMOS2、根据集成规模分类SSIMSILSIVLSI3、根据设计方法和功能定义分类非用户定制全用户定制半用户定制ULSI1.1数字电路与数字信号1.1.2数字集成电路的分类及特点2、数字集成电路的特点①电路简单，便于大规模集成，批量生产；②可靠性、稳定性和精度高，抗干扰能力强；③体积小，通用性好，成本低；④具可编程性，可实现硬件设计软件化；⑤高速度，低功耗；⑥加密性好。1.1数字电路与数字信号1.1.2数字集成电路的分类及特点1.1.3模拟信号与数字信号3、数字电路的分析、设计(1)、数字电路分析分析：根据给定的逻辑电路确定电路输出与输入之间的逻辑关系。分析工具：逻辑代数。表达电路输出与输入之间逻辑关系主要用：真值表、功能表、逻辑表达式和波形图。(2)、数字电路设计设计：从给定的逻辑功能要求出发，选择适当的逻辑器件，设计出符合要求的逻辑电路。设计方式：分为传统的设计方式和基于EDA软件的设计方式。1.1数字电路与数字信号1.模拟信号模拟量：在时间上是连续变化的，数值上也是连续取值的物理量。例如温度、压力等。模拟信号：表示模拟量的电信号叫模拟信号。处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。在工程技术上，为了便于处理和分析，通常用传感器将模拟量转换为与之成比例的电压或电流信号，然后再送到电子系统中进一步处理。电压或电流信号常用图形来表示——波形图。热电偶得到的模拟电压信号波形1.1数字电路与数字信号1.1.3模拟信号与数字信号2.数字信号数字量：在时间上、数值上都是离散物理量。例如学生成绩记录、用温度计每隔1小时测量出的某一天的温度等。数字信号：表示数字量的电信号叫数字信号。数字电路：处理数字信号的电子电路。用数字信号也能表示温度，用温度计每隔1小时测量出的某一天的温度，取1℃作为量化单位，这样，一天内温度记录在时间上、数值上都不是连续的，温度以1℃的单位增加或减少。显然，用数字信号表示温度存在一定的误差，误差取决于量化单位的选择。随着计算机的广泛应用，绝大多数电子系统都是采用计算机对信号进行处理。由于计算机无法直接处理模拟信号，所以需要将模拟信号转换为数字信号。1.1数字电路与数字信号1.1.3模拟信号与数字信号3、模拟信号的数字表示由于计算机处理模拟信号的需要，且数字信号便于存储、分析和传输，通常都将模拟信号转换为数字信号。模拟信号3V数字输出模数转换器模数转换的实现00000011温度模拟信号转换为数字信号1.1数字电路与数字信号1.1.3模拟信号与数字信号141295电压(V)二值逻辑电平+51H(高电平)00L(低电平)逻辑电平与电压值的关系（正逻辑）1、二值数字逻辑和逻辑电平在电路中用低、高电平表示0、1两种逻辑状态0、1数码——表示数量时称二进制数表示方式二值数字逻辑——表示事物状态时称二值逻辑1.1.4数字信号的描述方法1.1数字电路与数字信号(a)用逻辑电平描述的数字波形(b)16位数据的图形表示2、数字波形数字波形------是信号逻辑电平对时间的图形表示。0101110011110100最高位1.1数字电路与数字信号1.1.4数字信号的描述方法横轴，时间纵轴，电压(1)、数字波形的两种类型：①非归零型，②归零型。一定的时间间隔T，称为1位(1bit)，或者一拍。①非归零型：如果在一个时间拍内用高电平代表1，低电平代表0，称为非归零型。②归零型：如果在一个时间拍内用有脉冲代表1，无脉冲代表0，称为归零型。非归零型归零型高电平低电平有脉冲无脉冲1.1数字电路与数字信号1.1.4数字信号的描述方法比特率：每秒钟传输数据的位数。例1.1.1某通信系统每秒钟传输1544000位(1.544兆位)数据，求每位数据的时间。ns648s1067.647s10544.1916解：按题意，每位数据的时间为1.1数字电路与数字信号1.1.4数字信号的描述方法(2)、周期性和非周期性非周期性波形周期性波形周期性数字波形几个参数周期T和频率f：脉冲宽度tW：脉冲作用的时间。占空比q：%100Tt(%)qW1.1数字电路与数字信号1.1.4数字信号的描述方法T1f例1.1.2设周期性数字波形的高电平持续6ms，低电平持续10ms，求占空比q。%5.37%100ms16ms6解：因数字波形的脉冲宽度tw=6ms，周期T=6ms+10ms=16ms。%100Tt(%)qW1.1数字电路与数字信号1.1.4数字信号的描述方法(3)实际数字信号波形在实际数字系统中，数字信号并不是理想矩形波，如图所示。上升时间tr和下降时间tf：从脉冲幅值的10%到90%上升或下降所经历的时间(典型值ns)。脉冲宽度tw：脉冲幅值的50%的两个时间所跨越的时间。除非特别需要，一般只画理想波形。1.1数字电路与数字信号1.1.4数字信号的描述方法(4)时序图时序图：表明各信号之间时序关系的多重波形图，又称脉冲波形图。在数字电路中，常用时序图来分析实现逻辑电路的功能。如图所示为一典型的时序图，图中CP为时钟脉冲信号，它是数字系统中的参考时间。1.1数字电路与数字信号1.1.4数字信号的描述方法注意，横轴是时间进位计数制的进位基数和数位的权值。进位基数：在一个数位上，规定使用的数码符号的个数叫该进位计数制的进位基数或进位模数，记作R。例如十进制，R=10：数码符号为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。二进制，R=2：数码符号为0、1。八进制，R=8：数码符号为0、1、2、3、4、5、6、7。十六进制，R=16：数码符号为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。数位的权值：某个数位上数码为1时所表征的数值，称为该数位的权值，简称“权”。各个数位的权值均可表示成Ri的形式，其中R是进位基数，i是各数位的序号。1.2数制1)基数10个，数字符号0～9；2)逢十进一，即1+9=10；3)不同数位上的数具有不同的权值10i；4)十进制数用下标“D”表示，也可省略；5)任意一个十进制数，都可按其权位展成多项式的形式：(368.258)D=3×102+6×101+8×100+2×10-1+5×10-2+8×10-3一般地说，任意十进制数可表示为：同理，任意进制数可表示为：十进制数人们最熟悉，但机器实现起来比较困难。1.2.1十进制1nmii10iK)N(D系数权1nmiiRiK)N(R1.2数制1.二进制数的表示方法1)基数2个，数字符号0、1；2)逢二进一，即1+1=10；3)不同数位上的数具有不同的权值2i；4)二进制数用下标“B”表示；5)任意一个二进制数，都可按其权位展成多项式的形式：(1011.01)B=1×23+0×22+1×21+1×20+0×2-1+1×2-2二进制数转换成十进制数的方法：将二进制的数按权展成多项式，按十进制求和。例1.2.1：(1010110)B=(?)D解：(1010110)B=1×26+0×25+1×24+0×23+1