数字电路基础知识1

1、电子线路教案第11章 数字电路基础知识11.1 数字电路概述11.1.1 数字电路及其特点电子线路中的电信号有两大类：模拟信号和数字信号。1概念模拟信号：在数值上和时间上都是连续变化的信号。数字信号：在数值上和时间上不连续变化的信号。模拟电路：处理模拟信号的电路。数字电路：处理数字信号的电路。2数字电路特点(1) 电路中工作的半导体管多数工作在开关状态。(2) 研究对象是电路的输入与输出之间的逻辑关系，分析工具是逻辑代数，表达电路的功能主要用真值表，逻辑函数表达式及波形图等。11.1.2 数字电路的发展和应用数字电路的发展：与器件的改进密切相关，集成电路的出现促进了数字电路的发展。数字电路的应

2、用：范围广泛，国民经济许多部门中都将大量应用数字电路。11.2 基本逻辑门电路各种逻辑门电路是组成数字电路的基本单元。11.2.1 关于逻辑电路的几个规定一、逻辑状态的表示方法用数字符号0和1表示相互对立的逻辑状态，称为逻辑0和逻辑1。表11.2.1 常见的对立逻辑状态示例一种状态高电位有脉冲闭合真上是¼1另一种状态低电位无脉冲断开假下非¼0二、高、低电平规定用高电平、低电平来描述电位的高低。高低电平不是一个固定值，而是一个电平变化范围，如图11.2.1(a)所示。图11.2.1 正逻辑和负逻辑单位用“V”表示。在集成逻辑门电路中规定 标准高电平VSH 高电平的下限值；标准

3、低电平VSL 低电平的上限值。应用时，高电平应大于或等于VSH；低电平应小于或等于VSL。三、正、负逻辑规定正逻辑：用1表示高电平，用0表示低电平的逻辑体制。负逻辑：用1表示低电平，用0表示高电平的逻辑体制。11.2.2 与门电路基本的逻辑关系：与逻辑、或逻辑和非逻辑。一、与逻辑1与逻辑关系与逻辑关系如图11.2.2所示。当决定一件事情的几个条件全部具备后，这件事情才能发生，否则不发生。 图11.2.2 用串联开关说明与逻辑关系 图11.2.3 与门电路2与门电路，如图11.2.3(a)所示。A、B 输入端；Y 输出端。3逻辑符号，如图11.2.3(b)所示。二、工作原理1工作原理动画 与门电

4、路2逻辑函数式Y = A ×B或 Y = A × B或 Y = AB (11.2.1)3真值表真值表 表明逻辑门电路输入端状态和输出端状态逻辑对应关系的表。表11.2.2 与门真值表输 入输 出ABY001101010001图11.2.4 四输入端与门4逻辑功能如图11.2.4所示，与门逻辑功能为：“有0出0，全1出1”。即Y = ABCD说明：输入端不论是几个，逻辑关系相同。11.2.3 或门电路一、或逻辑1或逻辑关系或逻辑关系如图11.2.5所示。当决定一件事情的几个条件中只要有一个条件得到满足，这件事情就会发生。2或门电路或门电路如图11.2.6(a)所示。3逻辑符号

5、或门的逻辑符号如图11.2.6(b)所示。 图11.2.5 用并联开关说明或逻辑关系 图11.2.6 或门电路二、工作原理1工作原理VA = 0 V，VB = 0 V，V1 、V2均截止，Y = -12 V；VA = 6 V，VB = 0 V，V1导通，V2截止，Y = 6 V；VA = 0 V，VB = 6 V，V1截止，V2导通，Y = 6 V；VA = 6 V，VB = 6 V，V1、V2均导通，Y = 6 V。2逻辑函数式 Y = A + B (11.2.2)3真值表表 11.2.3 或门真值表输 入输 出ABY001101010111图11.2.7 四输入端或门4逻辑功能或门的逻辑功

6、能为“全0出0，有1出1”，其逻辑表达式为Y = A + B + C + D说明：输入端不论是几个，逻辑关系是相同的，如图11.2.7所示。11.2.4 非门电路一、非逻辑关系1非逻辑关系非逻辑关系：事情和条件总是相反状态。图11.2.8 非门电路2非门电路非门电路如图11.2.8(a)所示。3逻辑符号非门逻辑符号如图11.2.8(b)所示。二、工作原理1工作原理VA = 6 V，V导通，Y = 0；VA = 0 V，V截止，Y = VG。2逻辑函数式为 (11.2.3)3真值表表 11.2.4 非门真值表输 入输 出AY01104逻辑功能：有0出1，有1出0。11.3 组合逻辑门电路实用中常

7、把与门、或门和非门组合起来使用。11.3.1 几种常见的简单组合门电路一、与非门1电路组成图11.3.1 与非门在与门后面接一个非门，就构成了与非门，如图11.3.1所示。2逻辑符号在与门输出端加上一个小圆圈，就构成了与非门的逻辑符号。3函数表达示式与非门的函数逻辑式为 (11.3.1)4真值表表11.3.1给出了与非门的真值表。5逻辑功能与非门的逻辑功能为“全1出0，有0出1”。表11.3.1 与非门真值表ABA × B0011010100011110二、或非门图11.3.2 或非门1电路组成在或门后面接一个非门就构成了或非门，如图11.3.2所示。2逻辑符号在或门输出端加一小圆

8、圈就变成了或非门的逻辑符号。3逻辑函数式或非门逻辑函数式为 (11.3.2)4真值表表11.3.2给出了或非门的真值表。表11.3.2 或非门真值表ABA × B00110101011110005逻辑功能或非门的逻辑功能为“全0出1，有1出0”。图11.3.3 与或非门三、与或非门1电路组成把两个(或两个以上)与门的输出端接到一个或非门的各个输入端，就构成了与或非门。与或非门的电路如图11.3.3(a)所示。2逻辑符号与或非门的逻辑符号如图11.3.3(b)所示。3逻辑函数式与或非门的逻辑函数式为 (11.3.3)4真值表表11.3.3给出了与或非门真值表。表11.3.3 与或非门真

9、值表ABCDY000000001111111100001111000011110011001100110011010101010101010111101110111000005逻辑功能与或非门的逻辑功能为：当输入端中任何一组全为1时，输出即为0；只有各组输入都至少有一个为0时，输出才为1。图11.3.4 异或门四、异或门1电路组成异或门的电路如图11.3.4(a)所示。2逻辑符号异或门的逻辑符号如图11.3.4(b)所示。3逻辑函数式异或门的逻辑函数式为 (11.3.4)上式通常也写成 Y = A Å B (11.3.5)4真值表表11.3.4给出了异或门真值表。表11.3.4 异或

10、门真值表ABY0011010101105逻辑功能：当两个输入端的状态相同(都为0或都为1)时输出为0；反之，当两个输入端状态不同(一个为0，另一个为1)时，输出端为1。6应用：判断两个输入信号是否不同。图11.3.5 同或门五、同或门1电路组成在异或门的基础上，最后加上一个非门就构成了同或门，如图11.3.5(a)所示。2逻辑符号同或门逻辑符号如图11.3.5(b)所示。3逻辑函数式同或门逻辑函数式为 (11.3.6)同或门逻辑函数式通常也写成 Y = A B (11.3.7)4真值表表11.3.5给出了同或门的真值表。表11.3.5 同或门真值表ABY0011010110015逻辑功能：当两

11、个输入端的状态相同(都为0或都为1)时输出为1；反之，当两个输入端状态不同(一个为0，另一个为1)时，输出端为0。6应用：判断两个输入信号是否相同。六、三态门三态门：是在门电路上加一个使能端，输出状态有：高电平、低电平和高阻状态。三态门的逻辑符号如图11.3.6(a)所示。：使能端，控制输出状态。逻辑功能：= 1时，三态门呈高阻状态；= 0时，门电路恢复反相器常态，即Y =。图11.3.6 三态门逻辑符号及其应用图用途：实现数据传输的控制。如图11.3.6(b)所示。1 = 0，2 = 1，3 = 1时，Y2、Y3呈高阻态，Y1送数据A1到总线；1 = 1，2 = 0，3 = 1时，Y1、Y3

12、呈高阻态，Y2送数据A2到总线；1 = 1，2 = 1，3 = 0时，Y1、Y2呈高阻态，Y3送数据A3到总线。七、OC门图11.3.7 OC门电路逻辑符号OC门：输出晶体管集电极开路的TTL“与非门”电路。OC门的逻辑符号：如图11.3.7所示。逻辑功能：OC门同与非门一样；作用：作为计算机的母线驱动器；注意：使用时要外接负载电阻。11.3.2 组合逻辑门电路功能特点和数字集成电路简介一、组合逻辑门电路功能特点1任何时刻的输出状态直接由当时的输入状态决定；2电路没有记忆功能。二、数字集成电路简介1分类 晶体三极管型数字集成电路(简称TTL电路)； 场效应管数字集成电路(简称MOS电路)。2主

13、要产品系列数字集成电路的主要产品系列参见表11.3.6。表11.3.6 数字集成电路的主要产品系列系列子系列名 称国际型号部标型号TTLTTLHTTLSTTLLSTTLALSTTL基本型中速TTL高 速TTL超 高 速TTL低 功 耗TTL先进低功耗TTLCT5474CT5474HCT5474SCT5474LSCT5474ALST1000T2000T3000T4000MOSCMOSHCOMSHCMOST互补场效应管型高速CMOS与TTL兼容的高速CMOSCC4000CT5474HCCT5474HCTC0003数字集成电路外形举例数字集成电路目前大量采用双列直插式外形封装。如图11.3.8、11

14、.3.9所示。管脚的编号判读方法：把标志(凹口)置于左方，逆时针自下而上依次读出外引线编号。数字集成电路主要参数有： 图11.3.8 74LS00外引线排列图 图11.3.9 CC4011外引线排列图 输出高电平VOH和输出低电平VOL。图11.3.12 某逻辑电路输入、输出相应波形 输入高电平VIH和输入低电平VIL，有时把这两个值的中间值称为输入的阈值电压VIT。 输出高电平电流IOH和输出低电平电流IOL。 传输延时tPHL和tPLH它们的平均值称为平均传输延迟时间tpd。 扇出系数N：与非门输出端能驱动同类门的数目。例11.3.1 已知某逻辑电路的输入、输出相应波形如图11.3.12所

15、示，试写出它的真值表和逻辑函数式。解 由波形对应关系，列出真值表如下：ABY011000111000逻辑函数式为11.4 逻辑代数及其在逻辑电路中的应用11.4.1 逻辑代数概述逻辑代数是研究逻辑电路的数学工具。逻辑变量：逻辑代数的变量。在逻辑电路里，输入、输出状态相当于逻辑变量。逻辑变量的表示：用大写字母A、B、C等标记。逻辑变量特征：只有0和1两种取值。11.4.2 逻辑函数式与组合逻辑电路1逻辑函数式逻辑函数式：逻辑变量用逻辑运算符号连接起来，就成为逻辑函数式。如：；。图11.4.1 分析逻辑电路函数式运算的次序：如有括号先进行括号里的运算，没有括号则先算非号下的内容，取非后，再按乘、加

16、的次序依次运算。2组合逻辑电路组合逻辑电路：仅由基本门电路(在不加反馈的情况下)组成的逻辑电路称为组合逻辑电路。3逻辑函数与组合逻辑电路转换例11.4.1 把图11.4.1中逻辑电路的输出Y和输入A、B的逻辑关系写成逻辑函数式。解 (1) 图11.4.2 由逻辑函数式画电路图(2) (3) (4) (5) 例11.4.2 根据逻辑函数式，画出它的逻辑电路。解 逻辑电路如图11.4.2所示。11.4.3 逻辑代数的基本定律及其应用逻辑代数具有基本运算定律，运用这些定律可以把复杂的逻辑函数式恒等化简。一、逻辑代数基本定律交换律 ；结合律 分配律 ；反演律(又称摩根定律) ； = + 注意：逻辑函数

17、等式表示等号两边的函数式代表的逻辑电路所具有的逻辑功能是相同的。二、逻辑函数的化简(代数法)代数法：运用逻辑代数的基本定律和一些恒等式化简逻辑函数式的方法。化简的目的：使表达式是最简式。最简式的含义：乘积项的项目是最少的；每个乘积项中，变量的个数为最少。化简方法：1并项法利用的关系，将两项合并为一项，并消去一个变量。2吸收法利用的关系，消去多余的项。3消去法利用的关系，消去多余的因子。4配项法利用的关系，将其配项，然后消去多余的项。例11.4.3 求证解 例11.4.4 求证解 例11.4.5 化简 解 三、逻辑代数在逻辑电路中的应用 (a) (b)图11.4.3 逻辑电路图的简化实现一定逻辑

18、功能的逻辑电路有简有繁，利用逻辑代数化简，可以得到简单合理的电路。例11.4.6 设计一个体现函数式的逻辑电路。解 根据题意，可画出图11.4.3(a)的电路，但函数式化简后得，可简化成图11.4.3(b)的电路。例11.4.7 设计一个的逻辑电路。 图11.4.4 化简前的电路 图11.4.5 化简后的电路解 化简前后的逻辑电路分别如图11.4.4、11.4.5所示。例11.4.8 变换为与非与非表达式，并画出对应的逻辑电路图。解 逻辑电路如图11.4.6所示。图11.4.6 例11.4.8电路图逻辑函数表达式形式：本章小结一、数字电路是处理在数值上和时间上不连续变化的数字信号的电路。数字电路特点：电路中工作的晶体管多数工