[高等教育]数字电路第1章.ppt

1,数字电路与逻辑设计 绪论,朱 敏,2,一、参考教材,数字电路逻辑设计 王毓银 高等教育出版社 数字电路与系统 刘宝琴 清华大学出版社 数字电子技术基础 高教出版社 阎石主编,3,二、考试成绩评定,平时 20%:出勤率，作业（每周一次） 期中 20% 期末 60%,4,三、课程性质,本课程是高校工科电气、电子信息类专业本科生在电子技术方面的学科基础课。学习本课程是为了给微机系统与接口技术、单片机原理与应用、数字信号处理、自动控制等后续课程打下基础。本课程具有较强的逻辑推理和实践性，能培养学生的思维能力和适应工作和科研的动手能力。,5,四、学习方法,1.培养较强的逻辑思维能力 2.与实验课密切配合。 3.抓紧课堂宝贵时间，课下独立完成作业，主动质疑； 4.对于集成电路，重点放在外部电气特性、逻辑功能和使用方法 5.课前要预习，独立思考，提高自学能力,6,五、数字电路的概念,数字信号和模拟信号 数字电路和模拟电路,7,在时间和幅值上连续变化,在时间和幅值上离散变化,矩形波信号,尖脉冲信号,0,t,u,t,0,u,u,特点,例,温度、压力、音频、视频等物理量变化的信号,例,速度表读数、产品数量统计、数字仪表显示值,电信号类型,模拟信号,数字信号,正弦波信号,锯齿波信号,u,u,0,0,t,t,数字电路输入、输出的高、低电平用1、 0表示,1.数字信号和模拟信号,8,例：,数字电路：记录自动生产线的产品数目，,开关的接通和断开,事件的是和非,电平的高和低,信号的有和无,生产 产品,有信号：“1”, 无信号：“0”。,数字信号,9,例,例,模拟电路: 研究电路输入、输出间的大小、相位关系。三极管工作在放大状态，作为放大元件。,数字电路：研究电路输入、输出间的因果（逻辑）关系。三极管工作在饱和或截止状态，作为开关元件。,单管放大电路：输入正弦波，输出正弦波，即输入、输出间的大小、相位关系为幅值增大或缩小，相位同相或反相 。,反相器：输入高电平，输出低电平，即输入、输出间的逻辑关系为逻辑非。,放大器,vi,vo,反相器,vi,vo,2.模拟电路和数字电路概念,10,门： 电子开关,满足一定条件时，电路允许信号通过 ? 开关接通 。,开门状态：,关门状态：,条件不满足时，信号通不过 ? 开关断开 。,11,输入、输出逻辑关系表 (真值表）,0 0,1,1 1,1,0 1,1,1 0,1,比较a、b两个数的大小,ab 红:,ab 绿:,a=b 黄:,例,数码比较器(数字电路),12,2.脉冲型,1.电位型,数值 1 1 0 1 0 0 0,3、数字信号数值“1”和“0”的波形表示,13,数字电路中采用二进制的特点,便于用具有两个稳定状态的元器件来表示二进制（两个基数0、1）。工程上制造和实现容易，且数码的存储、传递和处理简单、可靠。,为满足人们的十进制计数习惯，采用编码技术，经电路处理后，实现输入、输出的二、十进制数的转换。,若在电路中采用十进制，需有十个稳定状态与十个计数码对应，这样的电路在技术上实现困难。,二进制的一切数值运算均可分解成简单的算术运算（加法和乘法）亦称逻辑运算。,14,1、易集成化。 两个状态“0”和“1”，对元件精度要求低。 2、抗干扰能力强，可靠性高。 信号易辨别不易受噪声干扰。 3、便于长期存贮。 软盘、硬盘、光盘。 4、通用性强，成本低，系列多。 （国际标准）TTL系例数字电路、门阵列、可编程逻辑器件。 5、保密性好。 容易进行加密处理。,4、数字电子技术的优点,15,1.数字逻辑的基本理论 2.常用数字集成电路的结构、工作原理、逻辑功能和使用方法 。 3.数字电路的分析、设计方法。 4.数字系统设计初步,六、本课程的研究内容,16,第1章 数制与码制,1.1 数制（计数体制）,设一个R进制的数N，该数制的三要素为： 数码：0R-1，指计数制中使用的基本数字符号 。 基数：数码的进位制数R，也称为底数。进位规律：逢R进一，借1当R。例如十进制中R10。 位权：Ri，数码在一个数中的位置不同，其大小就不同。i是数码所在的位置，称为数位。,17,数可以写成如下展开式（n位整数，m位小数）；,18,一、十进制（Decimal）,数码：09 基数：10,逢10进1，借1当10 位权：10i 例如：,19,二、二进制（Binary）,数码：0、1，逢2进1，借1当2 基数：2, ，逢2进1，借1当2 位权：2i,例如：（1011）=123+121+120=,20,三、八进制（Octal）,数码：07，逢8进1，借1当8 基数：8 ，逢8进1，借1当8 位权：8i,（567）=583+681+720=,21,四、十六进制（Hexadecimal）,数码：09、AF（1015） 基数：16 ，逢16进1，借1当16 位权：16i 例如：,4BE.2=4162+11161+14 160+216-1,22,五、数制转换：,1. 非十进制十进制间2，8，16 10,方法：按位权展开相加法,解： (11.01)B = 121 + 120 + 0 2-1 + 1 2-2,例1：(11.01)B= (?)D,= (3.25)D,（8AF）16=8 162+10 161+15 =（2223）10,23,2)十进制转换为非十进制,方法：基数乘除法（整数部分用除基数取余法；小数部分用乘基数取整法）,例2：(57)D= (?)B,例3：(0.6875)D = (?)B,24,例2. 解：,57,2,28,2,14,2,7,2,3,2,1,2,0,余数,1,0,0,1,1,1,有效位,k0(最低位),k5(最高位),k1,k2,k3,k4,直到商为0为止。 所以：(57)D= (111001)B,25,例3. 解：,0.6875,整数,1.3750,1,0.7500,0,1,1.5000,1.0000,1,有效位,k-1(最高位),k-2,k-3,k-4(最低位),直到小数部分为0或已达到精度要求为止。 所以：(0.6875)D = (0.1011)B,26,3)小数的精度及转换位数的确定,n位R进制小数的精度,R-n,例1：(0.12)10 的精度为,10-2,例2：(0.101)2 的精度为,2-3,转换位数的确定,2-n 0.1，,解：设二进制数小数点后有n位小数，,则其精度为 2-n，由题意知：,例3：(0.39)10 = ( ? )2 ，要求精度达到 0.1。,解得 n 10。,所以 (0.39)10 = (0.0110001111)2 。,27,例4：（0.4526）10=( ? )2，要求转换后的精度不低于原精度。,解：原精度为10-4 ，设转换后为n位小数，则 10-42-n，解得：n (4lg10)/lg2=13.3 所以，n至少取14位。 （0.4526）10=(0.01110011110111 )2,练习： （0.875）10=( ? )2，要求转换后的精度不低于原精度。,答案： （0.875）10=( 0.1110000000)2，至少取10位。,28,(2) 二进制、八进制、十六进制间转换,特点：三种进制的基数都是2的正整数幂。,方法：直接转换。,例1：(101011.1)2 = ( ? )8 = ( ? )16,解：(101011.1)2 = (101 011 . 100)2 = (53.4)8,(101011.1)2 = (0010 1011. 1000)2 = (2B.8)16,29,转换方法,除二取余/乘二取整,除十六取余/乘十六取整,按位展开加权,按位展开加权,三位合一位、 四位合一位,以小数点为界左右缺位补“0”,十进制,二进制,八进制 十六进制,数制转换,一位分三位、 一位分四位,30,作业,1.4 1.5 1.6 1.7,31,1.2、码制（编码的制式）,数字系统只能识别0和1，怎样才能表示更多的数码、符号和字母呢？用编码可以解决此问题。 用一定位数的二进制数按照一定的规则来表示十进制数码、字母、符号等信息的过程称为编码。 这一定位数的二进制数就称为代码或码字。,32,三个术语,数制：代表一个确切的数字，如二进制数，八进制数 等。 代码：特定的二进制数码组，是不同信号的代号，不一定有数的意义。 编码：用一定位数的二进制数按照一定的规则来表示十进制数码、字母、符号等信息的过程称为编码。 数字系统中常用的编码有两类： 一类是二进制编码， 一类是二十进制编码。,33,1.二进制码,n位码元,2n个代码,(1) 自然二进制码,(2) 格雷码,任意两个相邻码的码间距为1的一种代码,结构形式与二进制数完全相同，概念不一样,循环码：格雷码的一种，特点为首尾代码也只有一位对应码元不同。,循环码的构成规律：互补反射、镜像对称,34,1位,0,2位,1,1,0,3位,10,11,01,00,35,代码(或数据)在传输和处理过程中，有时会出现代码中的某一位由 0 错变成 1，或 1 变成 0。奇偶校验码由信息位和一位奇偶检验位两部分组成。 信息位：是位数不限的任一种二进制代码。 检验位：仅有一位，它可以放在信息位的前面，也可以放 在信息位的后面。 编码方式有两种： 使得一组代码中信息位和检验位中“1”的个数之和为奇数，称为奇校验； 使得一组代码中信息位和检验位中“1”的个数之和为偶数，称为偶校验。,(3) 奇（偶）校验码,36,8421BCD奇偶校验码,37,信息码,校验位,0000,0,0000,1,偶校验,奇校验,发送方,接收方,错,“对”,检错结果,只能检出错一位码的情况,38,(1) 引入BCD码的原因：,习惯用十进制，而数字系统只处理二进制,(2)分类,1)有权码：有固定位权,8421BCD、5421BCD、2421BCD、631-1BCD,2)无权码：无固定位权,余3BCD、余3循环 BCD、格雷BCD、8421奇校BCD,2.二十进制（BCD）码（Binary Coded Decimal Codes）,39,8421码,0000,0001,0010,0011,1001,余3码,0011,0100,0101,0110,1100,循环码,0000,0001,0011,余3循环码,0010,40,(3)多位十进制数的表示,代码间应有间隔,例：( 380 )10 = ( ? )8421BCD,解：( 380 )10 = ( 0011 1000 0000 )8421BCD,(4)数制与BCD码间的转换,例1：( 0110 0010 0000 )8421BCD =,( 620 )10,例2：( 0001 0010 )8421BCD = ( ? )2,解：( 0001 0010 )8421BCD = ( 12 )10 = ( 1100 )2,41,(5) 8421 BCD的加减法运算,1)加法运算,例1：( 0010 )8421BCD + ( 0011 )8421BCD = ( ? )8421BCD,0010,0011,0101,所以 ( 0010 )8421BCD+( 0011 )8421BCD=( 0101)8421BCD,42,例2：( 0001 )8421BCD + ( 1001 )8421BCD = ( ? )8421BCD,0001,1001,1010,0110,0001 0000,( 0001 )8421BCD+( 1001 )8421BCD=( 0001 0000)8421BCD,所以,非法码,加6修正,43,例3：( 1000 )8421BCD + ( 1000 )8421BCD = ( ? )8421BCD,1000,1000,1 0000,0110,0001 0110,( 1000 )8421BCD+( 1000 )8421BCD=( 0001 0110)8421BCD,所以,个位产生进位,加6修正,44,1、相加后，得到有效码，则结果就是8421BCD码 2、相加后若得到非法码，则加6（0110）修正。 3、相加后若产生进位，则加6（0110）修正。 4、加6修正后，若再出现非法码，则加6（0110）修正，若产生进位不需修正。,结论：,45,2)减法运算,例1：( 0110 )8421BCD ( 0001 )8421BCD = ( ? )8421BCD,0110,0001,0101,( 0110 )8421BCD ( 00