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文档简介

1、会计学1 数字电子技术概述数字电子技术概述 2 先修课:电工与电子技术;离散数学 后续课:计算机组成原理 微机原理与接口 计算机系统结构 单片机原理及应用 第1页/共62页 3 内容简介 数字逻辑数字逻辑 基础知识:基础知识:数制和码制、逻辑代数基础数制和码制、逻辑代数基础 门电路:门电路:二极管、三极管、二极管、三极管、CMOS、TTL门电路门电路 组合逻辑:组合逻辑:分析与设计、组合逻辑器件、竞争分析与设计、组合逻辑器件、竞争-冒险冒险 时序逻辑时序逻辑:触发器、分析与设计、时序逻辑器件:触发器、分析与设计、时序逻辑器件 半导体存储器半导体存储器:ROM、RAM 可编程逻辑器件可编程逻辑器

2、件:PAL、GAL、EPLD、CPLD、FPGA 第2页/共62页 4 第第1章章 数字电子技术概述(数字电子技术概述(4学时)学时) 第第2章章 逻辑代数基础及基本逻辑门电路(逻辑代数基础及基本逻辑门电路(10学时)学时) 第第3章章 组合逻辑电路(组合逻辑电路(16学时)学时)第第5章章 时序逻辑电路(时序逻辑电路(16学时)学时) 第第4章章 触发器(触发器(10学时)学时) 第六章第六章 存储器(存储器(8学时)学时) 第七章第七章 脉冲的产生与变换(自学)脉冲的产生与变换(自学) VHDL 第3页/共62页 5 学习方法 课前预习,课堂理解,课后练习,温故知新 把握重点,突破难点,注

3、重特点,融会贯通 重视实践,勤思多练,善于归纳,勇于创新 (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)掌握基本的分析和设计方法。 (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)此外,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。 第4页/共62页 6 学学 习习 方方 法法 保证基础(第保证基础(第1、2章)章) 熟练掌握有关逻辑设计的基础知识、设计方法熟练掌握有关逻辑设计的基础知识、设计方法 中小规模集成电路(

4、第中小规模集成电路(第3、4、5、6) 理解电路的逻辑功能理解电路的逻辑功能应用它设计逻辑电路应用它设计逻辑电路 贯穿课程的始终的是:贯穿课程的始终的是: 逻辑电路分析、设计逻辑电路分析、设计 第第7章自学章自学 补充内容:补充内容:VHDL 第5页/共62页 7 教材: 1吴继娟主编. 数字逻辑. 哈尔滨工程大学出版社,2004. 主要参考书: 1王永军、李景华主编.数字逻辑与数字系统(第二版).电子工业出版社,2002.2 2沈嗣昌主编 . 数字设计引论 . 高等教育出版社, 2000.8 在 第6页/共62页 第一章第一章 数字电子技术概述数字电子技术概述 1.1 数字电子技术和模拟电子

5、技术的区别数字电子技术和模拟电子技术的区别 1.2 半导体器件的开关运用特性半导体器件的开关运用特性 1.3 数制数制 1.4 码制码制 8 第7页/共62页 1.1 数字电子技术和模拟电子技术的区别数字电子技术和模拟电子技术的区别 1.1.1 模拟量与数字量模拟量与数字量 信息(信息(Information):表征物理量数值特征的量叫做信息。):表征物理量数值特征的量叫做信息。 模拟量模拟量(Analogue Value):时间上和数值上均作连续变化的量):时间上和数值上均作连续变化的量 离散量(离散量(Discrete Value):将物理量在一定精度以数值表示出来):将物理量在一定精度以

6、数值表示出来 数字量数字量(Digital Value):时间上和数值上均作断续变化的量):时间上和数值上均作断续变化的量 1.1.2 数字信号与数字系统数字信号与数字系统 数字信号数字信号(Digital Signal):是表示数字量的信号。一般指在两):是表示数字量的信号。一般指在两 个稳定状态之间作阶跃式变化的信号。表示法有:个稳定状态之间作阶跃式变化的信号。表示法有:电位型电位型与与 脉冲脉冲 型型。 数字系统(数字系统(Digital System):使用数字量来传递和加工处理信息):使用数字量来传递和加工处理信息 的实际工程系统。的实际工程系统。 9 第8页/共62页 1.1.为什

7、么要用数字系统为什么要用数字系统 数字电子器件的飞速发展,数字信息的传递和加工数字电子器件的飞速发展,数字信息的传递和加工速度速度达到很高水平(传送延迟达到很高水平(传送延迟1010-9-9),即使串行速度也相当可观。),即使串行速度也相当可观。成本成本降低,对模拟系统的竞争愈来愈强。数字系统具有降低,对模拟系统的竞争愈来愈强。数字系统具有标准化、通用性、灵活性特点,便于修改和改进标准化、通用性、灵活性特点,便于修改和改进。除了信息的数值运算,还可以进行。除了信息的数值运算,还可以进行逻辑加工逻辑加工。 2.2.数字电路的分类数字电路的分类 (1)(1)按电路组成结构按电路组成结构分立元件电路

8、、集成电路分立元件电路、集成电路 (2)(2)按电路集成度大小按电路集成度大小小规模小规模(SSI)(SSI)、中规模、中规模(MSI)(MSI)、大规模、大规模(LSI)(LSI)、超大规、超大规 模模(VLSI)(VLSI) 集成度:指在同一块集成芯片上制作的逻辑门电路或元器件数量的多少。集成度:指在同一块集成芯片上制作的逻辑门电路或元器件数量的多少。 小规模集成电路(Small Scale IC,SSI) 中规模集成电路(Medium Scale IC,MSI) 大规模集成电路(Large Scale IC,LSI) 超大规模集成电路(Very Large Scale IC,VLSI)

9、特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC,ULSI) 巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC,GSI) (3)(3)按构成电路的半导体器件按构成电路的半导体器件双极型电路、单极型电路双极型电路、单极型电路 (4)(4)按电路有无记忆功能按电路有无记忆功能组合逻辑电路、时序逻辑电路组合逻辑电路、时序逻辑电路 10 第9页/共62页 划分集成电路规模的标准划分集成电路规模的标准 数字集成电路数字集成电路 类类 别别 MOS IC 双极双极IC 模拟集成电路模拟集成电路 SSI 102 100 30 MSI 102103 100500 30100 LSI 103105

10、 5002000 100300 VLSI 105107 2000 300 ULSI 107109 GSI 109 11 第10页/共62页 1.2 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性 逻辑0和1: 电子电路中用高、低电平来表示。 获得高、低电平的基本方法:利用半导体开关元件的导 通、截止(即开、关)两种工作状态。 1.2.1 二极管开关运用特性二极管开关运用特性 二极管符号: 正极 负极 uD 12 第11页/共62页 + ui RL + uo D 开关电路 IF 0.5 0.7 iD(mA) uD(V) 伏安特性 UBR 0 + ui=0V RL + uo D ui=0V时的等效电路

11、+ + ui=5V RL + uo D 0.7V ui=5V 时的等效电路 uo uo ui0V时,二极管截止, 如同开关断开,uo0V。 ui5V时,二极管导通,如 同0.7V的电压源,uo4.3V。 Ui0.5V时, 二极管导通。 13 第12页/共62页 ui iB e Rb b +VCC iC uo 工作原理电路 0 0.7 uBE(V) 输入特性曲线 iB(A) Rc c Rb Rc +VCC b c e 截止状态 饱和状态 iBIBS ui=UIL0.7Vuo=+VCC ui=UIH uo=0.3V Rb Rc +VCC b c e 0.7V 0.3V 1.2.21.2.2、三、三

12、极管的开关运用特极管的开关运用特 性性 14 第13页/共62页 1.2.21.2.2、三、三极管的开关运用特极管的开关运用特 性性 N PN 型 三极 管 截 止、 放 大 、饱 和 3 种工 作 状 态的 特 点 工 作 状 态截 止放 大饱 和 条 件iB 00 iB IBSiB IBS 偏 置 情 况 发 射 结 反 偏 集 电 结 反 偏 uB E0, uB C0, uB C0, uB C0 集 电 极 电 流iC 0iCiBiC ICS ce 间 电 压uCE VCC uCE VCC iCRc uCE U CE S 0.3V 工 作 特 点 ce 间 等 效 电 阻 很 大 , 相

13、 当 开 关 断 开 可 变 很 小 , 相 当 开 关 闭 合 15 第14页/共62页 1.2.3 1.2.3 场效应场效应管的开关特管的开关特 性性 两个背对背的PN结,无论在源、漏间加载什么电压,总有一个PN结反偏。 将源、基(P衬底)连在一起,栅、源间加电压,形成表面场效应,漏源之间加电压可导通。 第15页/共62页 1.2.31.2.3、MOSMOS管的开关运用特性管的开关运用特性 0 UT uGS(V) iD(mA) 工作原理电路 转移特性曲线 ui ui G D S RD +VDD G D S RD +VDD G D S RD +VDD 截止状态 uiUT uo0 17 第16

14、页/共62页 1.3 数数 制制 1.3.1 进位计数制进位计数制 进位计数制也叫位置计数制, 其计数方法是把数 划分为不同的数位,当某一数位累计到一定数量之后, 该位又从零开始,同时向高位进位。在这种计数制中, 同一个数码在不同的数位上所表示的数值是不同的。进 位计数制可以用少量的数码表示较大的数,因而被广泛 采用。下面先给出进位计数制的两个概念:进位基数和 数位的权值。 18 第17页/共62页 进位基数进位基数: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,每个数位规定使用的数码符号为0, 1, 2, , 9, 共10个, 故其进位基数

15、R=10。 数位的权值数位的权值: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。按如 下方法确定:整数部分,以小数点为起点,自右向左依次 为0,1,2,n-1;小数部分,以小数点为起点,自左向 右依次为-1,-2, ,-m。n是整数部分的位数,m是小数部 分的位数。 19 第18页/共62页 某个数位上的数码ai所表示的数值等于数码ai与该位 的权值Ri的乘积。所以,R进制的数 mnnR aaaaaaaaN .)( 2101221 又可以写成如下 多项式/ 按权展开式 的形式: 1 2 2 1 1 0

16、 0 1 1 2 2 2 2 1 1 )( n mi i i m m n n n nR Ra RaRaRa RaRaRaRaRaN 上式为 位置记数法/ 并列表示法 20 第19页/共62页 1.3.2 常用进位计数制常用进位计数制 1. 十进制十进制 在十进制中,每个数位规定使用的数码为0,1, 2,, 9,共10个,故其进位基数R为10。其计数规则是 “逢十进一”。各位的权值为10i,i是各数位的序号。 十进制数用下标“10”表示,也可用D表示,也可省 略。例如: 3210 12 108105102108 106103258368 10 ).( 十进制数人们最熟悉, 但机器实现起来困难。

17、21 第20页/共62页 2. 二进制二进制 与十进制数类似,二进制数也由两个主要特点,每 个数位规定使用的数码为0,1,共2个数码,故其进位 基数R为2。其计数规则是“逢二进一”。 各位的权值 为2i,i是各数位的序号。 二进制数用下标“2”表示(也可用B)。例如: 210 123 212021 212021)01.1011( 2 =11.25 22 第21页/共62页 23 第22页/共62页 然后按照位置记数法展开为多项式表示法: m210122n1n N k.kk .kkk.kk)( 2 同理,对于任意一个二进制数N,可以用位置记数法表 示为: 1n mi i i m m 2 2 1

18、1 0 0 1 1 2 2 2n 2n 1n 1n N 2k 2k2k2k 2k2k2k2k2k)( 2 例如: 24 第23页/共62页 定可靠。 10 3210123 2 37511 212120212120210111011 ).( ).( 25 第24页/共62页 算数运算规则简单。二进制数的算数运算和十进制数的算术运 算规则基本相同,惟一区别在于二进制数是“逢二进一”及“借 一当二”,而不是“逢十进一”及“借一当十”。 例如: 26 第25页/共62页 27 第26页/共62页 3. 八进制八进制(Octal) 在八进制中,每个数位上规定使用的数码为0,1, 2, 3,4,5,6,7

19、,共8个,故其进位基数R为8。其 计数规则为“逢八进一”。各位的权值为8i,i是各数 位的序号。 八进制数用下标“8”表示,也可用O。例如: (752.34)8=782+581+280+38-1+48-2 八进制数同样可以用位置记数法和按权展开表达 式表示。 28 第27页/共62页 4. 十六进制十六进制(Hexadecimal) 在十六进制中,每个数位上规定使用的数码符号为0, 1, 2,, 9, A, B, C, D, E, F,共16个,故其进位基数R为16。 其计数规则是“逢十六进一”。各位的权值为16i, i是各个 数位的序号。 十六进制数用下标“16”表示,也用H。例如: (BD

20、2.3C)16=B162+D161+2160+316-1+C16-2 =11162+13161+2160+316-1+1216-2 十六进制数同样可用位置记数和多项式表示。 在计算机应用系统中,二进制主要用于机器内部的数据处 理,八进制和十六进制主要用于书写程序,十进制主要用 于运算最终结果的输出。 29 第28页/共62页 1.3.3 不同数制之间的转换不同数制之间的转换 二进制数与十进制数之间的转换二进制数与十进制数之间的转换 1) 二进制数转换成十进制数二进制数转换成十进制数按权展开法按权展开法 二进制数转换成十进制数时,只要将二进制数按权展 开,然后将各项数值按十进制数相加,便可得到等

21、值的十 进制数。 例如: 10 21124 2 )75.22(2121212121)11.10110( 同理,若将任意进制数转换为十进制数,只需将数 (N)R写成按权展开的多项式表示式,并按十进制规则进行 运算, 便可求得相应的十进制数(N)10。 30 第29页/共62页 例例1 (2A.8)16=( ? )10 解解 (2A.8)16=2161+A160+816-1 =32+10+0.5=(42.5)10 31 第30页/共62页 例例 2 (165.2)8=( ? )10 解解 (165.2)8=182+681+580+28-1 =64+48+5+0.25=(117.25)10 例例3

22、(10101.11)2=( ? )10 解解 (10101.11)2=124+023+122+021 +120+12-1+12-2 =16+0+4+0+1+0.5+0.25=(21.75)10 32 第31页/共62页 2) 十进制数转换成二进制数十进制数转换成二进制数 整数转换整数转换除除2取余法。取余法。若将十进制整数(N)10转换 为二进制整数(N)2,则可以写成 01 01 1 2 3 2 1 1 0 0 1 1 2 2 1 110 2 2222 2222)( aQ aaaaa aaaaN n n n n n n n n )( 如果将上式两边同除以2,所得的商为 )222( 1 1 2

23、 3 2 2 11 aaaaQ n n n n 余数就是a0。 33 第32页/共62页 同理,这个商又可以写成 12 4 2 3 11 )22(2aaaaQ n n n n 显然,若将上式两边再同时除以2,则所得余数是a1。重 复上述过程,直到商为0,就可得二进制数的数码a0、 a1、an-1。 34 第33页/共62页 例如,将(57)10转换为二进制数: 35 第34页/共62页 小数转换小数转换乘乘2取整法。取整法。若将十进制小数(N)10转换 为二进制小数(N)2,则可以写成 m m aaaN 222)( 2 2 1 110 将上式两边同时乘以2, 便得到 )22()(2 11 21

24、10 m m aaaN 令小数部分 1 12 3 1 2 )222(Faaa m m 则上式可写成 1110 )(2FaN 因此,2(N)10乘积的整数部分就是a-1。若将2(N)10乘积的 小数部分F1再乘以2,则有 36 第35页/共62页 )222(2 22 4 1 321 m m aaaaF 所得乘积的整数部分就是a-2。显然,重复上述过程,便可 求出二进制小数的各位数码。 例如,将(0.724)10转换成二进制小数。 37 第36页/共62页 可见,小数部分乘2取整的过程,不一定能使最后乘 积为0,因此转换值存在误差。通常在二进制小数的精度 已达到预定的要求时,运算便可结束。 将一个

25、带有整数和小数的十进制数转换成二进制数 时,必须将整数部分和小数部分分别按除2取余法和乘2 取整法进行转换,然后再将两者的转换结果合并起来即 可。 同理,若将十进制数转换成任意R进制数(N)R,则整 数部分转换采用除R取余法;小数部分转换采用乘R取整 法。 38 第37页/共62页 十进制数转换成其它进制数十进制数转换成其它进制数 1. 整数部分转换整数部分转换 整数转换,采用基数连除法。把十进制整数N转换成 R进制数的步骤如下: (1) 将N除以R,记下所得的商和余数。 (2) 将上一步所得的商再除以R,记下所得商和余数。 (3) 重复做第(2)步,直到商为0。 (4) 将各个余数转换成R进

26、制的数码,并按照和运算过 程相反的顺序把各个余数排列起来,即为R进制的数。 39 第38页/共62页 例例 4 (427)10=( ? )16 16427 余数 16 26 11=B 最低位 16 110=A 01=1 最高位 (427)10=(1AB)16 即 解解 40 第39页/共62页 例例 5 (427)10=( ? )8 8 427 余数 8 53 3 最低位 8 65 06 最高位 (427)10=(653)8 即 解解 41 第40页/共62页 例例 46 (11)10=( ? )2 2 11 余数 2 5 1 最低位 2 21 21 0 01 最高位 (11)10=(1011

27、)2 即 解解 42 第41页/共62页 2. 纯小数转换纯小数转换 纯小数转换,采用基数连乘法。把十进制的纯小数M 转换成R进制数的步骤如下: (1) 将M乘以R,记下整数部分。 (2) 将上一步乘积中的小数部分再乘以R,记下整数 部分。 (3) 重复做第(2)步,直到小数部分为0或者满足精度 要求为止。 (4) 将各步求得的整数转换成R进制的数码,并按照 和运算过程相同的顺序排列起来,即为所求的R进制数。 43 第42页/共62页 例例 7 (0.85)10=( ? )16 解解 0.8516=13.613=D 最高位 0.616=9.6 9=9 0.616=9.6 9=9 最低位 即 (

28、0.85)10=(0.D99)16 44 第43页/共62页 例例 8 (0.35)10=( ? )8 解解 0.358=2.82 最高位 0.88=6.4 6 0.48=3.2 3 0.2 8=1.6 1 最低位 即 (0.35)10=(0.2631)8 45 第44页/共62页 例例 9 (11.375)10=( ? )2 2 11 2 5 1 2 21 21 0 01 (11)10=(1011)2 即 解解 0.3752=0.75 0.752=1.5 0.52=1.0 (0.375)10=(0.011)2 (11.375)10=(1011.011)2 即 故 46 第45页/共62页 二

29、进制数转换成八进制数或十六进制数二进制数转换成八进制数或十六进制数 二进制数转换成八进制数(或十六进制数)时,其整数 部分和小数部分可以同时进行转换。其方法是:以二进 制数的小数点为起点,分别向左、向右,每三位(或四位) 分一组。对于小数部分,最低位一组不足三位(或四位)时, 必须在有效位右边补0,使其足位。然后,把每一组二进 制数转换成八进制(或十六进制)数,并保持原排序。对于 整数部分,最高位一组不足位时,可在有效位的左边补0, 也可不补。 47 第46页/共62页 例例10 (1011011111.10011)2=( ? )8=( ? )16 解解 1011011111.100110 1

30、337 . 46 所以(1011011111.100110)2=(1337.46)8 1011011111.10011000 2DF . 98 即 (1011011111.10011)2=(2DF.98)16 48 第47页/共62页 八进制数或十六进制数转换成二进制数八进制数或十六进制数转换成二进制数 八进制(或十六进制)数转换成二进制数时, 只要把八 进制(或十六进制)数的每一位数码分别转换成三位(或四 位)的二进制数, 并保持原排序即可。整数最高位一组左 边的0,及小数最低位一组右边的0,可以省略。 例例11 (36.24)8=( ? )2 解解 (36.24)8=(011110.010

31、100)2=(11110.0101)2 3 6 . 2 4 例例 12 (3DB.46)16=( ? )2 解解 (3DB.46)16=(001111011011. 01000110)2 =(1111011011.0100011)B 3 DB . 46 49 第48页/共62页 1.4 码码 制制 1.4.1 二一十进制码二一十进制码(BCD码码) 二-十进制码是用二进制码元来表示十进制数符“09” 的代码, 简称BCD码(Binary Coded Decimal的缩写)。 用二进制码元来表示“09”这10个数符,必须用四位 二进制码元来表示,而四位二进制码元共有16种组合,从 中取出10种组

32、合来表示“09”的编码方案约有2.91010种。 几种常用的BCD码如表1-4所示。若某种代码的每一位都 有固定的“权值”,则称这种代码为有权代码;否则,叫 无权代码。 50 第49页/共62页 表表 1 4 几种常用的几种常用的BCD码码 十进制数 8421码 5421码 2421码 余3码 BCD Gray码 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0000 0001 0010 0011 0100 1000 1001 1010 1011 1100 0000 0001 0010 0011 01

33、00 1011 1100 1101 1110 1111 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1000 51 第50页/共62页 1. 8421BCD码码 在十进制数的代码表示中最常见的就是8421BCD 码。8421BCD码是有权码,从左到右各位的权值分别 为23,22,21,20即8,4,2,1。设8421BCD码四个数字符 号 为 a 3 , a 2 , a 1 , a 0 , 则 它 所 代 表 的 十 进 制 数 为 8a3+4a2+

34、2a1+1a0,虽然8421BCD码的权值与四位自然二 进制码的权值相同,但二者是两种不同的代码。要注 意8421BCD码只是取用了四位自然二进制代码的前10 种组合,在8421BCD码中不允许出现1010-1111这几个 代码,因为在十进制中没有单个的数字与它们对应, 因此称作“伪码”。 52 第51页/共62页 2. 余3码 余3码是8421BCD码的每个码组加0011形成的, 故称为余3BCD码。其中的0和9,1和8,2和7,3和 6,4和5,各对码组相加均为1111,具有这种特性的 代码称为自补代码。 余3码各位无固定权值,故属于无权码。 两个余3BCD码表示的数相加,无进位,减3;

35、有进位,加3。 53 第52页/共62页 3. 2421码码 2421BCD码的各位权值分别为2,4,2,1, 2421码是有权码,也是一种自补代码。 用BCD 码表示十进制数时,只要把十进制数的 每一位数码,分别用BCD码取代即可。反之,若要 知道BCD码代表的十进制数,只要把BCD码以小数 点为起点向左、向右每四位分一组,再写出每一组 代码代表的十进制数,并保持原排序即可。 54 第53页/共62页 例例13 (902.45)10=( ? )8421BCD 解解 (902.45)10=(100100000010.01000101)8421BC 例例14 (10000010.1001)542

36、1BCD=( ? )10 解解 (10000010. 1001)5421BCD=(52.6)10 5 2 . 6 若把一种BCD码转换成另一种BCD码,应先求出 某种BCD码代表的十进制数,再将该十进制数转换成 另一种BCD码。 55 第54页/共62页 例例15 (01001000.1011)余3BCD=( ? )2421BCD 解解 (01001000.1011)余3BCD=(15.8)D=(00011011.1110)2421BCD 若将任意进制数用BCD码表示,应先将其转换成十进 制数,再将该十进制数用BCD码表示。 例例16 (73.4)8=( ? )8421BCD 解解 (73.4)8=(59.5)10=(01011001.0101)8421BCD 56 第55页/共62页 1.4.2 可靠性编码可靠性编码 代码在产生和传输的过程中,难免发生错误。为 减少错误的发生,或者在发生错误时能迅速地发现或 纠正, 广泛采用了可靠性编码技术。利用该技术编 制出来的代码叫可靠性代码,最常用的有格雷码和奇 偶校验码。 57 第56页/共62页 1. 格雷格雷(Gray)码码 具有如下特点的代码叫格雷码: 任何相邻的两个码组 (包括首、 尾两个码组)中,只有一个码元不同。 在编码技术中,把两个码组

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