数字电路09前言n

1、主讲教师：李晓光2011年2月绪绪 论论 数字电路的概述数字电路的概述学习方法学习方法考核方法考核方法基本知识基本知识 基本知识概述基本知识概述物理信号物理信号连续信号连续信号模拟信号模拟信号 离散信号离散信号数字信号数字信号数数模转换模转换 将数字信号转换为模拟信号（简称将数字信号转换为模拟信号（简称DA ）模模数转换数转换 将模拟信号转换为数字信号（简称将模拟信号转换为数字信号（简称A D 转换）转换） 数字系统数字系统-能对数字信号进行加工、传递和存储的实体，这能对数字信号进行加工、传递和存储的实体，这个个 实体由实现各种功能的数字逻辑电路相互连接而成。实体由实现各种功能的数字逻辑电路相

2、互连接而成。模拟系统模拟系统-能对模拟信号进行加工、传递和存储的实体，能对模拟信号进行加工、传递和存储的实体，这个实体由实现各种功能的电子电路相互连接而成。这个实体由实现各种功能的电子电路相互连接而成。一、数字电路的概述一、数字电路的概述 模拟电路与数字电路及区别模拟电路与数字电路及区别模拟电路：模拟电路：处理的信号是处理的信号是 模拟信号模拟信号数字电路：数字电路：处理的信号是数字信号处理的信号是数字信号一、数字电路的概述一、数字电路的概述 数字逻辑数字逻辑： 用数字方式研究和处理事件的逻辑状态用数字方式研究和处理事件的逻辑状态和事件之间逻辑关系的方法，就称为数字逻辑。和事件之间逻辑关系的方

3、法，就称为数字逻辑。 数字电路数字电路：数字电路只能处理数字信号，是物：数字电路只能处理数字信号，是物理实现数字逻辑关系的重要方法之一，也是理实现数字逻辑关系的重要方法之一，也是现代电子技术的重要组成部分。现代电子技术的重要组成部分。 数字逻辑模型及特点：数字逻辑模型及特点：所谓数字逻辑模型，是指用数字逻辑方法对一个实际逻辑系统的描述结果。 。逻辑模型表征的是逻辑特性，逻辑模型表征的是逻辑特性，只代只代表数字逻辑信号之间逻辑状态的相表数字逻辑信号之间逻辑状态的相互影响和逻辑运算关系，不代表各互影响和逻辑运算关系，不代表各逻辑信号之间的数值关系。逻辑关逻辑信号之间的数值关系。逻辑关系只有真和假、

4、有和无，不存在连系只有真和假、有和无，不存在连续变化的可能性。也不存在似是而续变化的可能性。也不存在似是而非的可能性。非的可能性。 逻辑模型表现形式多样性，逻辑模型表现形式多样性，同一个逻同一个逻辑模型可以有不同的表现形式。对同辑模型可以有不同的表现形式。对同一逻辑模型可有不同的数学描述形式一逻辑模型可有不同的数学描述形式。例如对同一个逻辑系统，可以使用。例如对同一个逻辑系统，可以使用表格作为逻辑模型，也可以使用状态表格作为逻辑模型，也可以使用状态图形作为逻辑模型。图形作为逻辑模型。各逻辑模型之间各逻辑模型之间可以相互转换。可以相互转换。 1. 工作信号是工作信号是离散离散的，因此电路中工作的

5、的，因此电路中工作的半导体管半导体管多数工作在多数工作在开关开关状态状态。如二极管工作在导通和截止态、三极管工作在饱和态和截止。如二极管工作在导通和截止态、三极管工作在饱和态和截止态态2. 研究对象是研究对象是输入输入和和输出输出的的逻辑关系逻辑关系，因此主要的，因此主要的分析工具是分析工具是逻辑代数逻辑代数，表达电路的功能主要是真值表、逻辑表达式及波形，表达电路的功能主要是真值表、逻辑表达式及波形图等。图等。一、数字电路的概述一、数字电路的概述 数字电路的特点数字电路的特点3. 电路结构简单，功能强，功耗低，集成度高，造价低。电路结构简单，功能强，功耗低，集成度高，造价低。4. 工作速度快工

6、作速度快, 精度高精度高, 可靠性好可靠性好。5. 数字电路的基本参数采用标准参数，通用性强，应用广泛。数字电路的基本参数采用标准参数，通用性强，应用广泛。一、数字电路的概述一、数字电路的概述 数字电路的类型数字电路的类型数字数字电路电路组合逻辑电路组合逻辑电路电路中无记忆器电路中无记忆器件，无反馈。件，无反馈。时序逻辑电路时序逻辑电路同步时序逻辑电路同步时序逻辑电路异步时序逻辑电路异步时序逻辑电路脉冲异步时脉冲异步时序逻辑电路序逻辑电路电平异步时电平异步时序逻辑电路序逻辑电路电路中含有记忆电路中含有记忆器件及反馈器件及反馈电路状态的电路状态的转换是在同转换是在同一时钟的控一时钟的控制下进行制

7、下进行电路状态的转换电路状态的转换不是在同一时钟不是在同一时钟的控制下进行的控制下进行由组合电路与延时电由组合电路与延时电路组成，电路在电平路组成，电路在电平控制下转换控制下转换 数字逻辑与电路的基本内容数字逻辑与电路的基本内容基本逻辑门电路基本逻辑门电路组合逻辑电路组合逻辑电路时序逻辑电路时序逻辑电路存储器电路存储器电路脉冲整形电路脉冲整形电路基本门、三态门、基本门、三态门、 OC门门编译码器、数据选编译码器、数据选择、比较器、启动择、比较器、启动、可编程器件可编程器件ROM、 EPROM、RAM触发器、寄存器、计数器触发器、寄存器、计数器单稳态触发器、振荡器、施单稳态触发器、振荡器、施密特

8、触发器密特触发器一、数字电路的概述一、数字电路的概述计算机计算机通信（通信（DSP应用）应用）数码像机等家电数码像机等家电返返 回回二、典型应用二、典型应用二、典型应用二、典型应用数字信号处理数字信号处理(DSP)简介：简介： 数字信号处理是一个较新的学科领域，它是把数字或符号表示的数字信号处理是一个较新的学科领域，它是把数字或符号表示的序列，通过计算机或专用处理设备，用数字的方法去处理这些序列，序列，通过计算机或专用处理设备，用数字的方法去处理这些序列，已达到更符合人们要求的信号形式。已达到更符合人们要求的信号形式。 数字滤波器和数字频谱分析是数字信号处理的两个分支，数字滤波器和数字频谱分析

9、是数字信号处理的两个分支， 可进行可进行复杂的数学运算，例如数学逼近，傅里叶变换、复杂的数学运算，例如数学逼近，傅里叶变换、Z变换、快速傅里叶变换、快速傅里叶变换、卷积积分等。所以，数字信号处理应用非常广泛，凡是用数字变换、卷积积分等。所以，数字信号处理应用非常广泛，凡是用数字方式对信号进行滤波、变换、增强、压缩、估计、识别等都是数字信方式对信号进行滤波、变换、增强、压缩、估计、识别等都是数字信号处理的研究对象。号处理的研究对象。前置预前置预滤波器滤波器模拟滤模拟滤波器波器A/D转转换器换器D/A转转换器换器数字信号数字信号处理器处理器Xa(t)Ya(t)Y (n)X (n)数字信号处理系统简

10、单框图会议电视会议电视数字移动蜂窝电话数字移动蜂窝电话家庭信息中心家庭信息中心虚拟教育虚拟教育数字相机数字相机自动驾驶汽车自动驾驶汽车视觉感应器视觉感应器数据存储与处理数据存储与处理返回返回集集成成电电路路绪绪 论论三、电子器件的发展三、电子器件的发展电电子子管管晶晶体体管管分分立立元元件件（SSI（100以下以下）MSI（103）LSI（104）超大规模超大规模VLSI（105以上）以上）1906年，福雷斯特等发明了电子管；电子管体年，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。世界上第一积大、重量重、耗电大、寿命短。世界上第一台计算机用了台计算机用了1.8万只电子管，占地

11、万只电子管，占地170平方米，平方米，重重30吨，耗电吨，耗电150KW。目前在一些大功率发射。目前在一些大功率发射装置中使用。装置中使用。1948年，肖克利等发明了晶体管，其年，肖克利等发明了晶体管，其性能在体积、重量方面明显优于电子性能在体积、重量方面明显优于电子管，但器件较多时由分立元件组成的管，但器件较多时由分立元件组成的分立电路体积大、焊点多、电路的可分立电路体积大、焊点多、电路的可靠性差。靠性差。1960年集成电路出现，成千上年集成电路出现，成千上万个器件集成在一块芯片，大万个器件集成在一块芯片，大大促进了电子学的发展，尤其大促进了电子学的发展，尤其促进数字电路和微型计算机的促进数

12、字电路和微型计算机的飞速发展。飞速发展。芯片中集成上万个芯片中集成上万个等效门，目前高的等效门，目前高的已达上百万门。已达上百万门。特大规模特大规模ULSI（106以上）以上）表表1-1 1-1 集成电路不同发展阶段的特征参数主要特征集成电路不同发展阶段的特征参数主要特征主要特征主要特征SSISSIMSIMSILSILSIVLSIVLSIULSIULSIGSLGSL元件数元件数/ /片片10 10 109 9特征线宽特征线宽mm5-105-103-53-51-31-3 11201201001004040151510-1510-15 结深结深 mm 1.2-20.5-1.20.2-0.50.1-

13、0.2 硅片直径硅片直径inchinch 2 22-32-3 4-54-56 68 8121206年Pentium 4 643 (3.2GHz)采用65nm工艺, 目前先进工艺为AMD公司的28nm工艺。 集成电路发展历程集成电路发展历程 电路集成规模集成度（晶体管数）国外实现时间段我国实现时间段小规模集成电路（SSI）1亿至今?不断提高产品的性能价格比不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力是微电子技术发展的动力?集成电路芯片的集成度每三集成电路芯片的集成度每三年提高年提高4倍，而加工特征尺寸倍，而加工特征尺寸缩小缩小 倍，这就是倍，这就是摩尔定摩尔定律律微电子发展的规律微电子发展的规

14、律2四、设计方法的变化四、设计方法的变化 传统的设计方法：传统的设计方法： 现代的设计方法：现代的设计方法：纯硬件电路逻辑设计，采用试凑法：比较适纯硬件电路逻辑设计，采用试凑法：比较适合分立元件及小规模集成电路的设计，所设合分立元件及小规模集成电路的设计，所设计电路需反复调试，而且所用的元器件较多，计电路需反复调试，而且所用的元器件较多，出问题几率较高，电路的可靠性较差。出问题几率较高，电路的可靠性较差。从传统的硬件逻辑设计发展为硬件逻辑设计、从传统的硬件逻辑设计发展为硬件逻辑设计、软件逻辑设计及兼有两者优点的集成电路软件逻辑设计及兼有两者优点的集成电路ASIC设计。采用从上到下或从下到上设计

15、设计。采用从上到下或从下到上设计方法，出现了相应的电子设计自动化技术方法，出现了相应的电子设计自动化技术（EDA）和复杂电路的测试技术。）和复杂电路的测试技术。返返 回回四、设计方法的变化四、设计方法的变化 目前比较流行的目前比较流行的数字逻辑数字逻辑电路电路或系统的或系统的仿真分析仿真分析工具都是具有工具都是具有一定智能化的软件平台。一定智能化的软件平台。对对数字数字电路电路或系统的物理模型或系统的物理模型进行描述的进行描述的计算机语言是计算机语言是SPICE（包括包括PC机支持的机支持的PSPICE），对数字电路或，对数字电路或系统的逻辑功能和特性进行描述的语言是系统的逻辑功能和特性进行描

16、述的语言是VHDL和和Verilog。此外，此外，还有一些可以直接输入物理模型还有一些可以直接输入物理模型或逻辑模型，或逻辑模型，而不使用语言输入方而不使用语言输入方式的式的数字逻辑数字逻辑电路与系统的分析、设计和仿真软件工具，例如电路与系统的分析、设计和仿真软件工具，例如SystemView、Multisim(Workbench)和和OrCAD等。等。EDA技术以计算机为基本工具、借助于软件设技术以计算机为基本工具、借助于软件设计平台，自动完成数字系统的逻辑综合、布局计平台，自动完成数字系统的逻辑综合、布局布线、仿真等工作。最后下载到芯片，实现方布线、仿真等工作。最后下载到芯片，实现方案。案

17、。 EDA技术：技术：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设计方法设计方法原理图设计原理图设计VHDL语言设计语言设计状态机设计状态机设计返返 回回2、仿真、仿真3、下载、下载4、验证结果、验证结果实验板实验板下载线下载线返返 回回 EDA工程：工程： EDA工程广义的定义范围应包括：工程广义的定义范围应包括：1、半导体工艺设计自动化；、半导体工艺设计自动化；2、可编程器件（、可编程器件（PLD、CPLD等等)设计自动化；设计自动化；3、电子系统设计自动化；、电子系统设计自动化；4、印刷电路板设计自动化；、印刷电路板设计自动化；5、仿真、测试、故障诊断

18、、形式验证自动化。、仿真、测试、故障诊断、形式验证自动化。6、EDA软件平台的研究与开发。软件平台的研究与开发。 EDA工程的应用范畴：工程的应用范畴：用户需求功能定义波形输入法波形输入法VHDL语言输入法语言输入法电路图输入法电路图输入法ASIC设计平台PLD设计平台PCB设计平台半导体厂半导体厂IC产品产品可编程可编程ASIC产品产品制版厂制版厂PCB产品产品电子系统整机设计、制造用户最终产品电子系统整机设计、制造用户最终产品学学 习习 方方 法法 保证基础保证基础熟练掌握有关逻辑设计的基础知识、熟练掌握有关逻辑设计的基础知识、基本概念、基本概念、分析和设计方法分析和设计方法 注意记笔记、独立完成作业和注意记笔记、独立完成作业和无旷课无旷课。 结合实验学习结合实验学习(包括虚拟实验和实际的实验包括虚拟实验和实际的实验)。学学 习习 要求要求 掌握逻辑函数的基本运算规则和表示方法、掌握逻辑函数的基本运算规则和表示方法、掌握数字表达式的简化方法、掌握逻辑表达式的掌握数字表达式的简化方法、掌握逻辑表达式的基本实现技术、记住所用过逻辑电路的功能和特基本实现技术、记住所用过逻辑电路的功能和特点点、掌握数字电路的一般分析和设计方法。掌握数字电路