数字逻辑课件ch01-1

1、数字逻辑与数字系统主讲教师：信息工程学院主讲教师：信息工程学院 E_mailE_mail：TelTel： 序序 课程介绍课程介绍1. 1. 课程的性质课程的性质 2. 2. 教学目标教学目标 3. 3. 课程学习内容课程学习内容 4. 4. 课程特点与学习要求课程特点与学习要求 5. 5. 教材和参考书教材和参考书 6. 6. 考核考核1. 1. 课程性质课程性质o 计算机类专业重要的专业基础课计算机类专业重要的专业基础课2. 2. 教学目标教学目标o 数字电子技术的基本理论、基本知识和基本数字电子技术的基本理论、基本知识和基本技能技能o 培养分析和解决实际问题的能力培养分析和解决实际问题的能

2、力o 为深入学习相关专业课程打好基础为深入学习相关专业课程打好基础3. 3. 课程学习内容课程学习内容硬件硬件 器件、功能电路及系统器件、功能电路及系统 处理数字信号的电子电路及其逻辑功能处理数字信号的电子电路及其逻辑功能 数字电路的分析方法数字电路的分析方法 数字电路的设计方法数字电路的设计方法 各种典型器件在电子系统中的应用各种典型器件在电子系统中的应用软件软件 系统分析、设计的软件：系统分析、设计的软件：HDLHDL语言语言 EDA EDA工具软件工具软件4. 4. 课程特点与学习要求课程特点与学习要求（1 1）课程特点）课程特点n 发展快发展快n 应用广应用广n 工程实践性强工程实践性

3、强（2 2）学习方法）学习方法 打好基础、明确要求、注重实践打好基础、明确要求、注重实践n 掌握基本概念、基本电路和基本（分析与设计）掌握基本概念、基本电路和基本（分析与设计）方法方法n 独立应用所学的知识去分析和解决数字电路的独立应用所学的知识去分析和解决数字电路的实际问题实际问题 关注发展、主动更新关注发展、主动更新5. 5. 主要教材及参考书主要教材及参考书电子技术基础（数字部分）第五版电子技术基础（数字部分）第五版 康华光主编康华光主编学习参考书学习参考书数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统. .第三版第三版) ) 王永军主编王永军主编数字电子技术基础数字电子技术基础. .第四版第四版

4、 阎石主编阎石主编数字电路与系统数字电路与系统. .第二版第二版) ) 刘宝琴主编刘宝琴主编数字电路逻辑设计数字电路逻辑设计. .第三版第三版) ) 王毓银主编王毓银主编6. 6. 考核考核o 平时成绩平时成绩 20% 20%o 实验成绩实验成绩 20% 20%o 考试成绩考试成绩 60% 60%o 作业：作业： 每周第一次课交上周的作业每周第一次课交上周的作业o 答疑：答疑： 时间待定时间待定1.1.数字逻辑基础数字逻辑基础1.1 1.1 数字电路与数字信号数字电路与数字信号1.2 1.2 数制数制1.3 1.3 二进制数的算术运算二进制数的算术运算1.4 1.4 二进制代码二进制代码1.5

5、 1.5 二值逻辑变量与基本逻辑运算二值逻辑变量与基本逻辑运算1.6 1.6 逻辑函数及其表示方法逻辑函数及其表示方法作为开篇，本章的目的作为开篇，本章的目的1 1、数字信号和数字电路的概念？、数字信号和数字电路的概念？ 建立有关基本概建立有关基本概念念2 2、数字信号代表数值大小时，应采用什么计数体制？、数字信号代表数值大小时，应采用什么计数体制？ 数数制制3 3、数字信号代表事件逻辑状态时，对事件编码的规则？、数字信号代表事件逻辑状态时，对事件编码的规则？ 码制码制4 4、数字电路处理基本逻辑问题，基本逻辑关系有哪些？、数字电路处理基本逻辑问题，基本逻辑关系有哪些？ 基本逻辑运算基本逻辑运

6、算5 5、在逻辑代数中基本逻辑关系如何描述？、在逻辑代数中基本逻辑关系如何描述？ 逻辑关系的描述逻辑关系的描述6 6、如何将实际问题抽象为数字逻辑？、如何将实际问题抽象为数字逻辑？ 逻辑抽逻辑抽象象1.1.1 1.1.1 数字技术的发展及其应用数字技术的发展及其应用1.1.2 1.1.2 数字集成电路的分类及特点数字集成电路的分类及特点1.1.3 1.1.3 模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号1.1.4 1.1.4 数字信号的描述方法数字信号的描述方法1.1 1.1 数字电路与数字信号数字电路与数字信号1.11.1数字电路与数字信号数字电路与数字信号1.1.1数字技术的发展及其应用数字技术的

7、发展及其应用o19061906年年 美国李美国李. .德福雷斯特发明了真德福雷斯特发明了真空三极管空三极管o19481948年年 晶体管之父威廉晶体管之父威廉. .肖克利发明肖克利发明了第一只晶体管了第一只晶体管o19581958年年 美国基尔比制成第一块集成美国基尔比制成第一块集成电路电路6 6个月后，诺伊斯制成第一块硅集成电路个月后，诺伊斯制成第一块硅集成电路发展特点发展特点: :以电子器件的发展为基础以电子器件的发展为基础电子管时代电子管时代19061906年，福雷斯特等发明了电子管；电子管年，福雷斯特等发明了电子管；电子管体积大、重量重、耗电大、寿命短。目前在体积大、重量重、耗电大、寿

8、命短。目前在一些大功率发射装置中使用一些大功率发射装置中使用。电压控制器件电压控制器件电真空技术电真空技术晶体管时代晶体管时代电流控制器件电流控制器件 半导体技术半导体技术半导体二极管、三极管半导体二极管、三极管器件器件半导体集成电路半导体集成电路1.1.1数字技术的发展及其应用数字技术的发展及其应用1.11.1数字电路与数字信号数字电路与数字信号8080年代后年代后- ULSI - ULSI ， 1 0 1 0 亿个晶体管亿个晶体管/ /片片 、 ASIC ASIC 制作技术成熟制作技术成熟目前目前- - 芯片内部的布线细微到亚微米芯片内部的布线细微到亚微米(0.130.09(0.130.0

9、9 m)m)量级量级微处理器的时钟频率高达微处理器的时钟频率高达3GHz3GHz（10109 9HzHz）9090年代后年代后- 97- 97年一片集成电路上有年一片集成电路上有4040亿个晶体管。亿个晶体管。60706070代代- -IC-IC技术迅速发展：技术迅速发展：SSISSI、MSIMSI、LSI LSI 、VLSIVLSI。 10 10万个晶体管万个晶体管/ /片。片。将来将来- - 高分子材料或生物材料制成密度更高、三维结构的电路高分子材料或生物材料制成密度更高、三维结构的电路可编程逻辑器件、多功能专用集可编程逻辑器件、多功能专用集成电路成电路10106 6以上以上甚大规模甚大规

10、模大型存储器、微处理器大型存储器、微处理器10,00099,99910,00099,999超大规模超大规模小型存储器、门阵列小型存储器、门阵列10099991009999大规模大规模计数器、加法器计数器、加法器12991299中规模中规模逻辑门、触发器逻辑门、触发器最多最多1212个个小规模小规模典型集成电路典型集成电路门的个数门的个数分类分类集成度集成度: :每一芯片所包含的门个数每一芯片所包含的门个数应用应用航空航天航空航天“勇气号勇气号” 火星探测器火星探测器雷达技术雷达技术通信技术通信技术计算机、自动控制计算机、自动控制电路设计方法电路设计方法伴随器件变化从传统走向现代伴随器件变化从传

11、统走向现代a)a)传统的设计方法：传统的设计方法：b)b)现代的设计方法：现代的设计方法：采用自下而上的设计方法；由人工组装采用自下而上的设计方法；由人工组装, ,经反复调试、验证、经反复调试、验证、修改完成。所用的元器件较多，电路可靠性差修改完成。所用的元器件较多，电路可靠性差, ,设计周期长。设计周期长。现代现代EDAEDA技术实现硬件设计软件化。采用从上到下设计方法，技术实现硬件设计软件化。采用从上到下设计方法，电路设计、电路设计、 分析、仿真分析、仿真 、修订、修订 全通过计算机完成。全通过计算机完成。 EDA EDA技术以计算机为基本工具、借助于软件设计平台，自动技术以计算机为基本工

12、具、借助于软件设计平台，自动完成数字系统的仿真、逻辑综合、布局布线等工作。最后下载完成数字系统的仿真、逻辑综合、布局布线等工作。最后下载到芯片，实现系统功能。使硬件设计软件化。到芯片，实现系统功能。使硬件设计软件化。1 1、设计：、设计：在计算机上利用软件平台进行设计在计算机上利用软件平台进行设计原理图设计原理图设计VerlogHDLVerlogHDL语言设计语言设计状态机设计状态机设计设计方法设计方法EDAEDA（Electronics Design AutomationElectronics Design Automation) )技术技术3 3、下载、下载2 2、仿真、仿真4 4、验证结

13、果、验证结果实验板实验板下载线下载线根据电路的结构特点及其对输入信号的响应规则的不同，根据电路的结构特点及其对输入信号的响应规则的不同， -数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。 从集成度不同从集成度不同 -数字集成电路可分为小规模、中规模、大规模、数字集成电路可分为小规模、中规模、大规模、超大规模和甚大规模五类。超大规模和甚大规模五类。 从电路的形式不同，从电路的形式不同， -数字电路可分为集成电路和分立电路数字电路可分为集成电路和分立电路从器件不同从器件不同 -数字电路可分为数字电路可分为TTL TTL 和和 CMOSCMOS电路电路1 1、数

14、字集成电路的分类、数字集成电路的分类1.1.21.1.2、数字集成电路的分类及特点、数字集成电路的分类及特点2 2、数字集成电路的特点、数字集成电路的特点1)1)电路简单电路简单, ,便于大规模集成便于大规模集成, ,批量生产批量生产2)2)可靠性、稳定性和精度高可靠性、稳定性和精度高, ,抗干扰能力强抗干扰能力强3)3)体积小体积小, ,通用性好通用性好, ,成本低成本低. .4)4)具可编程性具可编程性, ,可实现硬件设计软件化可实现硬件设计软件化5)5)高速度高速度 低功耗低功耗6)6)加密性好加密性好 3 3、数字电路的分析、设计与测试、数字电路的分析、设计与测试(1)(1)数字电路的

15、分析方法数字电路的分析方法数字电路的分析数字电路的分析: :根据电路确定电路输出与输入之间的逻辑关系。根据电路确定电路输出与输入之间的逻辑关系。(2) (2) 数字电路的设计方法数字电路的设计方法数字电路的设计数字电路的设计: :从给定的逻辑功能要求出发，选择适当的逻辑从给定的逻辑功能要求出发，选择适当的逻辑器件，设计出符合要求的逻辑电路。器件，设计出符合要求的逻辑电路。 设计方式设计方式: :分为传统的设计方式和基于分为传统的设计方式和基于EDAEDA软件的设计方式。软件的设计方式。 分析工具：逻辑代数。分析工具：逻辑代数。电路逻辑功能主要用真值表、功能表、逻辑表达式和波形图。电路逻辑功能主

16、要用真值表、功能表、逻辑表达式和波形图。1.1.3 1.1.3 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号1 1、信号及其表示、信号及其表示信号是信息的物理表现形式，即信号承载信息。信号是信息的物理表现形式，即信号承载信息。n 电子系统处理电信号，其物理形式是电压或电电子系统处理电信号，其物理形式是电压或电流波形流波形n 声音、图像、亮度、温度等等物理信息，都可声音、图像、亮度、温度等等物理信息，都可以通过传感器转换而得到相应的电信号以通过传感器转换而得到相应的电信号n 信号波形代表了相应物理量的变化信号波形代表了相应物理量的变化具有无限密集的时间定义区间具有无限密集的时间定义区间具有无穷密集的数值

17、定义区间具有无穷密集的数值定义区间u uOt Otu u模拟信号：模拟信号：2 2、 模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号几种模拟信号：几种模拟信号：数字信号：数字信号：在时间上和数值上均是离散的信号。在时间上和数值上均是离散的信号。数字电路和模拟电路：工作信号，研究的对象不同，分析、数字电路和模拟电路：工作信号，研究的对象不同，分析、设计方法以及所用的数学工具也相应不同。设计方法以及所用的数学工具也相应不同。p 仅在确定的时间点上有定义仅在确定的时间点上有定义p 定义时间点上的信号幅度仅有量化区间上的数值（量化编码）定义时间点上的信号幅度仅有量化区间上的数值（量化编码）3 3、模拟信号的数字

18、表示、模拟信号的数字表示由于数字信号便于存储、分析和传输，通常都将模拟信号转换为由于数字信号便于存储、分析和传输，通常都将模拟信号转换为数字信号数字信号. . 0 0 0 0 模拟信号模拟信号 模数转换器模数转换器 3 3 V V 数字输出数字输出 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 模数转换的实现模数转换的实现电压电压(V)(V)二值逻辑二值逻辑电电 平平+5+51 1H(H(高电平高电平) )0 00 0L(L(低电平低电平) )逻辑电平与电压值的关系（正逻辑）逻辑电平与电压值的关系（正逻辑）1.1.4 1.1.4 数字信号的描述方法数字信号的描述方法1 1、二值数字逻辑和逻辑

19、电平、二值数字逻辑和逻辑电平 a a 、在电路中用低、高电平表示、在电路中用低、高电平表示0 0、1 1两种逻辑状态两种逻辑状态 0 0、1 1数码数码-表示方式表示方式二值数字逻辑二值数字逻辑 - -(a) (a) 用逻辑电平描述的数字波形用逻辑电平描述的数字波形(b) 16(b) 16位数据的图形表示位数据的图形表示2 2、数字波形、数字波形数字波形数字波形-是信号逻辑电平对时间的图形表示是信号逻辑电平对时间的图形表示. .高电平高电平低电平低电平有脉冲有脉冲* *非归零型非归零型* *归零型归零型 比特率比特率 - - 每秒钟转输数据的位数每秒钟转输数据的位数无脉冲无脉冲(1)(1)数字

20、波形的两种类型数字波形的两种类型: :(2)(2)周期性和非周期性周期性和非周期性 非周期性数字波形非周期性数字波形周期性数字波形周期性数字波形 1 0 23 22 21 20 M SB LSB 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 3 2 1 0 7 6 5 4 10 11 8 14 9 15 12 13 十十 进进 制制例例1.1.1 某通信系统每秒钟传输某通信系统每秒钟传输1544

21、0001544000位位(1.544(1.544兆位兆位) )数数据，求每位数据的时间。据，求每位数据的时间。ns648s1067647s105441916 .解：按题意，每位数据的时间为解：按题意，每位数据的时间为例例1.1.2 设周期性数字波形的高电平持续设周期性数字波形的高电平持续6ms，低电平持续，低电平持续10ms，求占空比求占空比q。%.%q537100ms16ms6 解：因数字波形的脉冲宽度解：因数字波形的脉冲宽度tw=6ms，周期，周期T=6ms+10ms=16ms。非理想脉冲波形非理想脉冲波形(3)(3)实际脉冲波形及主要参数实际脉冲波形及主要参数几个主要参数几个主要参数: :占空比占空比Q Q -表示脉冲宽度占整个周期的百分比表示脉冲宽度占整个周期的百分比上升时间上升时间t tr r 和下降时间和下降时间t tf f -从脉冲幅值的从脉冲幅值的10%10%到到90% 90% 上升上升 下降所经历的时间下降所经历的时间( ( 典型值典型值ns )ns )脉冲宽度脉冲宽度(t(tw w ) )- 脉冲幅值的脉冲幅值的50%50%的两个时间所跨越的时间的两个时间所跨越的时间周期周期 (T) (T) - - 表示两个相邻脉冲之间的时间间隔表示两个相邻脉冲之间的时间间隔 tr脉冲宽度脉冲宽度 tw 0.5V 4.5V 2.5V 幅值幅值=5.0V 0.0V 5.0V