数字电子技术 简介

主讲教师：王玉（西南科技大学信息工程学院)教材：阎石主编《数字电子技术基础》高等教育出版社，2006年E_mail：[e-mail]数字电子技术基础（数字逻辑与数字系统）电话：[phone]学习参考书•王毓银主编《数字电路逻辑设计．第三版》高等教育出版社•电子工程手册编委会等编．中外集成电路简明速查手册-TTL、CMOS．(电子工业出版社)•康华光编，《电子技术基础》数字部分第五版，高教出版社•王永军主编《数字逻辑与数字系统》（第三版）电子工业出版社，2006年3数字技术是一门应用学科，它的发展可分为5个阶段①产生：20世纪30年代在通讯技术（电报、电话）首先引入二进制的信息存储技术。而在1847年由英国科学家乔治.布尔(GeorgeBoole)创立布尔代数，并在电子电路中的得到应用，形成开关代数，并有一套完整的数字逻辑电路的分析和设计方法数字技术的发展过程②初级阶段：20世纪40年代电子计算机中的应用，此时以电子管（真空管）作为基本器件。另外在电话交换和数字通讯方面也有应用电子管（真空管）1905年发明电真空管无线电科学技术迅速发展1946年电子数字积分计算机：18000只电真空管占地180平方米耗电150千瓦重30吨性能低于目前最简单的计算机③第二阶段：20世纪60年代晶体管的出现，使得数字技术有一个飞跃发展，除了计算机、通讯领域应用外，在其它如测量领域得到应用晶体管图片1947年发明晶体管:建立微电子技术学科1955年发明场效应管:半导体理论日趋成熟1958年生产第一块SSI:微电子技术成为电子工业的核心技术④第三阶段：20世纪70年代中期集成电路的出现，使得数字技术有了更广泛的应用，在各行各业医疗、雷达、卫星等领域都得到应用60~70年代:IC技术迅速发展：MSILSIVLSI.10万个晶体管/片，芯片中晶体管0.35um。⑤第四阶段：20世纪70年代中期到80年代中期，微电子技术的发展，使得数字技术得到迅猛的发展，产生了大规模和超大规模的集成数字芯片，应用在各行各业和我们的日常生活80年代后:ULSI：1G位芯片10亿个晶体管/片，芯片内部的布线细微到亚微米(0.1×10–6m)量级1GHz（109Hz）的微处理器和其他芯片90年代后:⑥20世纪80年代中期以后，产生一些专用和通用的集成芯片，以及一些可编程的数字芯片，并且制作技术日益成熟，使得数字电路的设计模块化和可编程的特点，提高了设备的性能、适用性，并降低成本，这是数字电路今后发展的趋势。课程特点1、发展快1905年发明电真空管无线电科学技术迅速发展1946年电子数字积分计算机：18000只电真空管占地180平方米耗电150千瓦重30吨性能低于目前最简单的计算机1947年发明晶体管:建立微电子技术学科1955年发明场效应管:半导体理论日趋成熟1958年生产第一块SSI:微电子技术成为电子工业的核心技术60~70年代:80年代后:ULSI：1G位芯片10亿个晶体管/片，IC技术迅速发展：MSILSIVLSI.10万个晶体管/片，芯片中晶体管0.35um。芯片内部的布线细微到亚微米(0.1×10–6m)量级1GHz（109Hz）的微处理器和其他芯片90年代后:92、应用广3、工程实践性强课程特点1、发展快电子、电气、计算机与自动化等专业的一门技术基础课。课程性质工程性质、实践性很强平时成绩：30％；期末考试：70％（闭卷）考核101.1概述1.2几种常用的数制1.3不同数制间的转换1.4二进制算数运算1.5几种常用的编码第一章数码和码制11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：正弦波、指数函数等1.模拟信号与数字信号模拟信号：在时间和幅值上都为连续的信号。OtOt几种模拟信号波形1.1概述12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。真实的世界是模拟的,例如电压、电流、温度、声音等。模拟信号13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。数字信号：在时间和幅值上都为离散的信号。14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。152.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：16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、…）2.模拟电路与数字电路的区别17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逻辑电路（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2.模拟电路与数字电路的区别18数字电路研究的问题特点：1.研究对象：输入-输出间的逻辑关系。2.采用二进制0、1例：交通信号灯控制停车场监控3.分析工具：逻辑代数4.表达方式：真值表、逻辑表达式、时序图等。19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。2.模拟电路与数字电路的区别203.数字电路的分类和学习方法(1)数字电路的分类（a）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。21(1).数字电路的分类（b）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＞1093.数字电路的分类和学习方法22(2).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。3.数字电路的分类和学习方法231.2几种常用的数制数码：由数字符号构成且表示物理量大小的数字和数字组合。数制计数制（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。241.十进制(Decimal)数码：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+9×1001.2几种常用的数制25一般表达式:]9~0[,10)(10iiiiKKN位权系数在数字电路中，计数的基本思想是要把电路的状态与数码一一对应起来。显然，采用十进制是十分不方便的。它需要十种电路状态，要想严格区分这十种状态是很困难的。1.十进制(Decimal)262.二进制(Binary)数码：0、1计数规则：逢二进一基数：2权：2的幂例:（11101）2=(1×24+1×23+1×22+0×21+1×20一般表达式：NB=bn-1×2n-1+bn-2×2n-2+…+b0×20+b-1×2-1+…1.2几种常用的数制27位数太多，不符合人的习惯，不能在头脑中立即反映出数值的大小，一般要将其转换成十进制后，才能反映。二进制的优点：1、易于电路实现---每一位数只有两个值，可以用管子的导通或截止，灯泡的亮或灭、继电器触点的闭合或断开来表示。2、基本运算规则简单二进制的缺点：28３.十六进制(Hexadecimal)数码：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+13×160一般表达式：NH=hn-1×16n-1+hn-2×16n-2+…+h0×160+h-1×16-1+…1.2几种常用的数制29十六进制优点：十六进制在数字电路中，尤其在计算机中得到广泛的应用，因为：1、与二进制之间的转换容易；2、计数容量较其它进制都大。假如同样采用四位数码，二进制最多可计至1111B=15D；八进制可计至7777O=14095D；十进制可计至9999D；十六进制可计至FFFFH=65535D，即64K。其容量最大。3、计算机系统中，大量的寄存器、计数器等往往按四位一组排列。故使十六进制的使用独具优越性。30任意进制数表达式的普遍形式：式中:S为任意数，N为进制，Ki为第i位的系数，N为基数，Ni为第i位的权。n为整数位数m为小数位数nmiiiNNKS)(1.2几种常用的数制31１.3几种常用数制之间的转换用“表达式展开法”:按权展开求和例：（1011）2+0×22+1×21+1×20=1×23=8+0+2+1=（11）10将代码为1的数权值相加，即得对应的十进制数。1.二进制数转换成十进制321.3几种常用数制之间的转换2.十进制数转换成二进制整数部分的转换：除2取余，低位在前，商零为止。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例：求（217）10=（）21101100133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,高位在前，积整为止（到需要精度为止）。2.十进制数转换成二进制1.3几种常用数制之间的转换0.010134３.二进制与八进制、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）21.3几种常用数制之间的转换35（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）16３.二进制与八进制、十六进制之间的转换1.3几种常用数制之间的转换36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