第01章-数字电路基础知识

2020/4/11第1章数字电路基础知识1.1.3数字电路的分类和学习方法1.1.1电子技术的发展与应用1.1.2数字电路与模拟电路1.1数字电路概述2020/4/121.1.1电子技术的发展与应用1.电子技术的应用科学研究中，先进的仪器设备；传统的机械行业，先进的数控机床、自动化生产线；通信、广播、电视、雷达、医疗设备、新型武器、交通、电力、航空、宇航等领域；日常生活的家用电器；电子计算机及信息技术。2020/4/132.电子技术的发展←→电子器件的改进与创新1904年发明电真空器件（电子管）——电子管时代。1948年发明半导体器件——晶体管时代。20世纪60年代制造出集成电路——集成电路时代。3.电子技术的分类电子技术：研究电信号的产生、传送、接收和处理。模拟电子技术数字电子技术2020/4/141.1.2数字电路与模拟电路1.基本概念电信号：指随时间变化的电压和电流。模拟信号：在时间和幅值上都为连续的信号。数字信号：在时间和幅值上都为离散的信号。模拟电路：处理和传输模拟信号的电路。数字电路：处理和传输数字信号的电路。2020/4/15模拟信号：时间上连续：任意时刻有一个相对的值。数值上连续：可以是在一定范围内的任意值。例如：电压、电流、温度、声音等。真实的世界是模拟的。缺点：很难度量；容易受噪声的干扰；难以保存。优点：用精确的值表示事物。模拟电路：处理和传输模拟信号的电路。三极管工作在线性放大区。2020/4/16数字信号：时间上离散：只在某些时刻有定义。数值上离散：变量只能是有限集合的一个值，常用0、1二进制数表示。例如：开关通断、电压高低、电流有无。2020/4/17数字化时代：音乐：CD、MP3电影：MPEG、RM、DVD数字电视数字照相机数字摄影机手机数字电路：处理和传输数字信号的电路。三极管工作在开关状态，即饱和区或截止区。2020/4/182.数字电路特点（与模拟电路相比）（1）数字电路的基本工作信号是用1和0表示的二进制的数字信号，反映在电路上就是高电平和低电平。（2）晶体管处于开关工作状态，抗干扰能力强、精度高。（3）通用性强。结构简单、容易制造，便于集成及系列化生产。（4）具有“逻辑思维”能力。数字电路能对输入的数字信号进行各种算术运算和逻辑运算、逻辑判断，故又称为数字逻辑电路。2020/4/191.1.3数字电路的分类和学习方法1.数字电路的分类（1）按电路结构分类组合逻辑电路：电路的输出信号只与当时的输入信号有关，而与电路原来的状态无关。时序逻辑电路：电路的输出信号不仅与当时的输入信号有关，而且还与电路原来的状态有关。2020/4/110（2）按集成电路规模分类集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目小规模集成电路(SmallScaleIC，SSI)中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)大规模集成电路(LargeScaleIC，LSI)超大规模集成电路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大规模集成电路(GiganticScaleIC，GSI）划分集成电路规模的标准数字集成电路类别MOSIC双极IC模拟集成电路SSI＜102＜100＜30MSI102～103100～50030～100LSI103～105500～2000100～300VLSI105～107＞2000＞300ULSI107～109GSI＞1092020/4/1112.数字电路的学习方法（1）逻辑代数是分析和设计数字电路的重要工具，应熟练掌握。（2）重点掌握各种常用数字逻辑电路的逻辑功能、外部特性及典型应用。对其内部电路结构和工作原理不必过于深究。（3）掌握基本的分析方法。（4）本课程实践性很强。应重视习题、基础实验和综合实训等实践性环节。（5）注意培养和提高查阅有关技术资料和数字集成电路产品手册的能力。2020/4/112越来越大的设计越来越短的推向市场的时间越来越低的价格大量使用计算机辅助设计工具（EDA技术）多层次的设计表述大量使用复用技术IP（IntellectualProperty）3.当前数字电路设计的趋势2020/4/1131.2数制及编码1.2.1数制1.2.2数制转换1.2.3编码2020/4/1141.2.1数制1.十进制数字符号（系数）：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9计数规则：逢十进一基数：10权：10的幂例：（1999）10=（1×103+9×102+9×101+9×100）10数码：由数字符号构成且表示物理量大小的数字和数字组合。计数制（简称数制）：多位数码中每一位的构成方法，以及从低位到高位的进制规则。2020/4/1152.二进制数字符号：0、1计数规则：逢二进一基数：2权：2的幂一般形式为：（N）2=（bn-1bn-2…b1b0）2=(bn-1×2n-1＋bn-2×2n-2＋……＋b1×21＋b0×20)10例：（1011101）2=（1×26+0×25+1×24+1×23+1×22+0×21+1×20）10=（64+0+16+8+4+0+1）10=（93）10数值越大，位数越多，读写不方便，容易出错！2020/4/1163.八进制数字符号：0~7计数规则：逢八进一基数：8权：8的幂例：（127）8=（1×82+2×81+7×80）10=（64+16+7）10=（87）102020/4/1174.十六进制数字符号：0~9、A、B、C、D、E、F计数规则：逢十六进一基数：16权：16的幂例：（5D）16=（5×161+13×160）10=（80+13）10=（93）102020/4/1181.2.2数制转换1.十进制数转换成二进制整数部分的转换：除2取余法。例：求（217）10=（）2解：∵2∣217…………余1b02∣108…………余0b12∣54…………余0b22∣27…………余1b32∣13…………余1b42∣6…………余0b52∣3…………余1b62∣1…………余1b70∴（217）10=（11011001）22020/4/119例：求（0.3125）10=（）2解：∵0.3125×2=0.625…………整数为0b-10.625×2=1.25…………整数为1b-20.25×2=0.5…………整数为0b-30.5×2=1.0…………整数为1b-4说明：有时可能无法得到0的结果，这时应根据转换精度的要求适当取一定位数。小数部分的转换：乘2取整法。∴（0.3125）10=（0.0101）22020/4/1202.二进制与八进制、十六进制之间的转换（1）二进制与八进制之间的转换三位二进制数对应一位八进制数。（101011100101）2=（101，011，100，101）2=（5345）8（6574）8=（110，101，111，100）2=（110101111100）22020/4/121（2）二进制与十六进制之间的转换例如：（9A7E）16=（1001101001111110）2=（1001101001111110）2四位二进制数对应一位十六进制数。（10111010110）2=（010111010110）2=（5D6）162020/4/122表1-1几种计数进制数的对照表十进制二进制八进制十六进制00000001000111200102230011334010044501015560110667011177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F1.2.3编码二进制代码：具有特定意义的二进制数码。编码：代码的编制过程。BCD码：用一个四位二进制代码表示一位十进制数字的编码方法。1.二—十进制编码（BCD码）2020/4/124表1-2几种常用的BCD码十进制数8421码5421码余3码00000000000111000100010100200100010010130011001101104010001000111501011000100060110100110017011110101010810001011101191001110011002020/4/125（1）8421码选取0000~1001表示十进制数0~9。按自然顺序的二进制数表示所对应的十进制数字。是有权码，从高位到低位的权依次为8、4、2、1，故称为8421码。1010~1111等六种状态是不用的，称为禁用码。例：（1985）10=（0001100110000101）8421BCD2020/4/126（2）5421码（3）余3码选取0000~0100和1000~1100这十种状态。0101~0111和1101~1111等六种状态为禁用码。是有权码，从高位到低位的权值依次为5、4、2、1。选取0011~1100这十种状态。与8421码相比，对应相同十进制数均要多3（0011），故称余3码。2020/4/1272.其它常用的代码（1）格雷码（又称循环码）特点：任意两个相邻的数所对应的代码之间只有一位不同，其余位都相同。循环码的这个特点，使它在代码的形成与传输时引起的误差比较小。2020/4/128表1-3四位循环码的编码表十进制数循环码十进制数循环码000008110010001911012001110111130010111110401101210105011113101160101141001701001510002020/4/129（2）奇偶校验码具有检错能力，能发现奇数个代码位同时出错的情况。构成：信息位(可以是任一种二进制代码)及一位校验位。校验位数码的编码方式：“奇校验”时，使校验位和信息位所组成的每组代码中含有奇数个1；“偶校验”时，使校验位和信息位所组成的每组代码中含有偶数个1。2020/4/130表1-4奇偶校验码（以8421BCD码为例）2020/4/131（3）字符码字符码：专门用来处理数字、字母及各种符号的二进制代码。最常用的：美国标准信息交换码ASCII码。用7位二进制数码来表示字符。可以表示27＝128个字符。2020/4/132表1-5美国标准信息交换码（ASCII码）2020/4/1331.3逻辑函数及其化简1.3.1逻辑代数的基本运算1.3.2逻辑函数及其表示法2020/4/134内容提要1.3逻辑函数及其化简逻辑代数的基本运算；逻辑函数及其表示方法（真值表、逻辑表达式、逻辑图和卡诺图）；逻辑代数的运算公式和基本规则；逻辑函数的化简方法（代数化简法和卡诺图化简法）。2020/4/1351.3.1逻辑代数的基本运算逻辑：一定的因果关系。逻辑代数是描述客观事物逻辑关系的数学方法，是进行逻辑分析与综合的数学工具。因为它是英国数学家乔治·布尔(GeorgeBoole)于1847年提出的,所以又称为布尔代数。逻辑代数有其自身独立的规律和运算法则，不同于普通代数。相同点：都用字母A、B、C……表示变量；不同点：逻辑代数变量的取值范围仅为“0”和“1”，且无大小、正负之分。逻辑代数中的变量称为逻辑变量。“0”和“1”表示两种不同的逻辑状态：是和非、真和假、高电位和低电位、有和无、开和关等等。2020/4/1361.三种基本逻辑运算（1）与运算当决定某一事件的全部条件都具备时，该事件才会发生，这样的因果关系称为与逻辑关系，简称与逻辑。开关A开关B灯Y断开断开灭断开闭合灭闭合断开灭闭合闭合亮ABY000010100111表1-6与逻辑的真值表A、B全1，Y才为1。串联开关电路功能表图1-1(a)串联开关电路设定逻辑变量并状态赋值：逻辑变量：A和B，对应两个开关的状态；1－闭合，0－断开；逻辑函数：Y，对应灯的状态，1－灯亮，0－灯灭。2020/4/137图1-1(b)与逻辑的逻辑符号逻辑表达式：Y＝A·B＝AB符号“·”读作“与”（或读作“逻辑乘”）；在不致引起混淆的前提下，“·”常被省略。实现与逻辑的电路称作与门，与逻辑和与门的逻辑符号