数字电路基础课件

1、数字电路基础数字电路基础 南阳广播电视大学南阳广播电视大学郭英郭英知识目标知识目标了解数字电路特点及应用，熟知脉冲波形的五个主要参数；掌握微分电路、积分电路的功能和电路构成条件；熟知二进制、十六进制的表示方法，会进行数制间的转换。熟知8421、5421、余3码的表示形式；理解与门、或门、与非门、异或门的逻辑功能，熟知其图形符号；能对TTL非门电路的工作原理进行简要分析，了解TTL反相器的基本特性。了解TTL与非门、异或门、集电极开路门、三态门的功能及典型应用；了解常用COMS门电路的基本工作原理，掌握COMS门电路的使用常识；会应用公式法和卡诺图法对逻辑函数进行化简。技能目标技能目标初步具有使

2、用示波器观察脉冲波形并读出主要参数的能力；会查阅数字集成电路手册，能根据逻辑功能选用和代换集成门电路；掌握TTL和COMS 集成电路引脚识读方法，掌握其使用常识；通过实验，初步掌握基本集成电路的逻辑功能测试方法。第一节 数字电路概述一、数字电路的特点（1）、电路结构简单，稳定可靠。数字电路只要能区别高电平和低电平就可以，对元件的精度要求不高，因此有利于实现数字电路集成化。（2）、数字信号在传输时采用高、低电平二值信号，因此数字电路抗干扰能力强，不易受外界干扰。（3）、数字电路不仅能完成数值运算，还可以进行逻辑运算和判断。（4）、数字电路中元件处于开关状态，功耗较小。二、脉冲信号脉冲信号是指持续

3、时间极短的电压或电流信号。各参数的含义：（1）脉冲幅度Um：脉冲从起始值到峰值之间的变化幅度；（2）脉冲前沿时间tr：脉冲从0.1Um变到0.9Um所需要的时间；（3）脉冲后沿时间tf：脉冲从0.9Um变到0.1Um所需要的时间；（4）脉冲宽度tW：脉冲前沿0.5Um到脉冲后沿0.5Um 之间的时间；（5）脉冲周期T：对于周期性脉冲，相邻两脉冲波对应点之间的间隔时间。Um0.9Um0.1Umtwtftr 三、数字信号 通常把脉冲的出现或消失用1和0来表示，这样一串脉冲就变成由一串脉冲1和0组成的数码，这种信号称为数字信号。 注：（1）、数字信号的0和1并不表示数量的大小，而是代表电路的工作状态

4、； （2）、正逻辑：逻辑1为高电平，逻辑0为低电平； （3）、负逻辑：逻辑1为低电平，逻辑0为高电平。第二节RC电路的应用 用电阻R和电容C构成的电路叫RC电路，在数字电路中最常用的是RC微分电路和RC积分电路。 一、 RC微分电路 RC微分电路是一种常见的波形变换电路，能够将矩形脉冲变换成尖脉冲。电路构成如图： c + vi R vo -电路应具有如下条件：（1）输出信号取自RC电路的电阻R两端。即 VO=VR（2）电路的时间常数应远小于输入的矩形脉冲的宽度。即 tw通常，当 3 tw 时，可认为满足上述条件。第三节 数制与码制一、数制一、数制数制：选取一定的进位规则，用多位数码来表示某个数

5、的值。1、 十进制特点：有十个数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9写法：(D)10Decimal 或 11010)(nmiiiDD基数：10进位：逢十进一2、 二进制特点：有两个数码：0、1写法：(B)2Binary 或 122)(nmiiiBB基数：2进位：逢二进一3、十六进制特点：有十六个数码：0、1、2、9、A、B、C、D、E、F写法：(H)16Hexadecimal 或 例如：(349)16=3162+4161+9160=(841)10 (3AB.11)16=3162+A161+B160+116-1+116-2 =(939.0664)10基数：16进位：逢十六进一 4、不同数制

6、的转换（1）二进制数转换为十进制方法：把二进制数按权展开，再把每一位的位植相加，即可得到相应的十进制数。例如：(101.101)2=122+021+120+12-1+02-2+12-3 =4+0+1+1/2+0+1/8=(5.625)10(2)十进制数转换为二进制方法：除2取余逆序排列。例如： (215)10=( ? )2 最低位 2 215 2 107 余1 2 53 余1 2 26 余1 2 13 余0 2 6 余1 2 3 余0 2 1 余1 0 余1 最高位 (215)10=(11010111)2（3）二进制数转换为十六进制数方法：将二进制数的整数部分自左向右每4位分为一组，最后不足4

7、位的，高位用零补足；小数部分自右向左每4位分为一组，最后不足4位在右面补零。再把每四位二进制数对应的十六进制数写出即可。0000000100100011010001010110011101234767100010011010101111001101111011118910(A)11(B)12(C)13(D)14(E)15(F)例：(0101 1110. 1011 0010)2=(5E.B2 )16 5 E B 2 方法：将每个十六进制数用四位二进制数表示，然后按十六进制数的排序将四位二进制数排列好，就可得到相应的二进制数。例：将十六进制数（7E6AD）16转化为二进制。解： （7E6AD）16

8、=（0111 1110 0110 1101）例：将十六进制数（123A。CBF）16转化为二进制。解： （123A.CBF）16(4)十六进制数转换为二进制数=(0001 0010 0011A.11100 1011 1111)2十进制字符8421码2421（A） 2421（B）余3码Gray码012345678900000001001000110100010101100111100010010000000100100011010001010110011111101111000000010010001101001011110011011110111100110100010101100111100

9、010011010101111000000000100110010011001110101010011001101在数字系统中，可用多位二进制数码来表示数量的大小，也可表示各种文字、符号等，这样的多位二进制数码叫做代码。数字电路处理的是二进制数据，而人们习惯使用十进制，所以就产生了用四位二进制表示一位十进制的计数方法，这种用于表示十进制的二进制代码称为二十制代码，简称为BCD码。常有的BCD码有：8421码、2421码、余3码等。二、码制二、码制（1）它是一种有权代码，权值分别为8、4、2、1（2）编码简单直观：例：9 1 3. 5 4 1001 0001 0011，0101 0100 用BC

10、D码，可以将十进制数的每一位转换成相等的二进制数，而不是将整个十进制数转换成二进制数。例：202=11001010 而202的BCD码是0010000000102、 2421码（1）它是一种有权代码，权值分别为2、4、2、1（2）编码方案不是唯一的。1、8421BCD码3、余3码（1）每一个余3码所表示的二进制数要比它所对应的十进制数多3，即余3码是由8421码加3产生的。（2）余3码是一种无权代码。例如：将十进制数168用余3码表示。解：十进制 1 6 8 余3码 0100 1001 1011第四节 逻辑门电路基础 所谓“逻辑”是指事件的前因后果所遵循的规律，如果把数字电路的输入信号看作“条

11、件”，把输出信号看作“结果”，那麽数字电路的输入与输出信号之间存在着一定的因果关系，即存在逻辑关系，能实现一定逻辑功能的电路称为逻辑门电路。基本逻辑门电路有：与门、或门和非门，复合逻辑门电路有：与非门、或非门、与或非门、异或门等。 一、基本逻辑门一、基本逻辑门 1、与逻辑门 (1)与逻辑关系 定义： 当一件事件的几个条件全部具备之后，这件事情才能发生，否则不发生。 运算规则：0*0=0，0*1=0，1*0=0，1*1=1 （2 2）二极管与门电路）二极管与门电路ABCLR=3kD1D2D3Vcc (5V)（3 3）、真值表）、真值表 A B Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1（

12、4 4）、逻辑符号）、逻辑符号& &A AB BY Y2、或逻辑门(1)(1)或逻辑关系或逻辑关系 定义： 在决定一件事件的各个条件中，至少具备一个条件，这件事情就会发生。运算规则：0+0=0， 0+1=1，1+0=1，1+1=1（2 2）二极管或门电路）二极管或门电路ABCLRD1D2D30 0 00 0 00 1 10 1 11 0 11 0 11 1 11 1 1A B YA B YA AB BY Y11（3）、真值表、真值表（4 4）、逻辑符号）、逻辑符号3、非逻辑门（1 1）非逻辑关系）非逻辑关系定义：事情的结果和条件总是呈现相反状态。运算规则：1=0，0=1（2）三

13、极管非门电路VCCRCRbATL1 1A AY Y（3）、逻辑）、逻辑符号：符号：（4 4）、真值表）、真值表0 10 11 01 0A YA Y二、复合逻辑门二、复合逻辑门1 1、与非电路、与非电路在与门后接非门就够成与非门在与门后接非门就够成与非门ABCLR=3kD1D2D3Vcc (5V)VCCRCRbTL1表示式表示式：Y = AB& &A AB BY Y符号：符号：与非门真值表与非门真值表 A B AB Y 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 02 2、或非门、或非门表示式表示式： Y= A+B符号：符号：A AB BY Y11真值表真值表 A

14、 B A+B Y 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 03 3、与或非门、与或非门表示式表示式： Y= AB +CD符号：符号：C CD DY Y11A AB B& & &ABCDY000000010010001101000101011001111000100110101011110011011110111111101110111000004、 异或异或门门=1=1A AB BY Y符号：符号：真值表真值表 A B AB AB Y 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0真值表特点真值表特点: : 相同则相同

15、则0,0, 不同则不同则1 1Y=A B =AB + AB表示式表示式：门电路小结门电路小结门电路门电路 符号符号 表示式表示式与门与门& &A AB BY YA AB BY Y11或门或门非门非门1 1Y YA AY=ABY=ABY=A+BY=A+BY= AY= A与非门与非门& &A AB BY YY= ABY= AB或非门或非门A AB BY Y11Y= A+BY= A+B异或门异或门=1=1A AB BY YY= AY= A B B三、三、 TTLTTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路集成逻辑门电路是将逻辑电路的元件和连线都制作在一块半导体基片上。集成门电路

16、若是由三极管为主要元件，输入端和输出端都是三极管结构，这种电路称为三极管-三极管逻辑电路，简称TTL电路。TTL电路与分立元件电路相比，具有体积小、耗电少、工作可靠、性能好、速度高等优点。1、TTL反相器 （1）工作原理vI=3.6V，即输入为高电平时VB1= VBC1 + VBE2+ VBE3 =(0.7+0.7+0.7)V=2.1V，T1的e结反偏，c结正偏，处于倒置工作状态输出VC3 =0.2VVcc(5V)Rb14kRc21.6kRc4130Re21kT1T2T4T3DvI+-ALV VC2C2= = V VCES2CES2 + + V VB3B3 =(0.2+0.7)V=0.9V =

17、(0.2+0.7)V=0.9V，则，则V VB4B4= = V VC2C2 =0.9V =0.9V作用于作用于T T4 4的的e e结和二极管的串联支路的电压为结和二极管的串联支路的电压为V VC2C2 - -V VO O =(0.9 - 0.2)V=0.7V =(0.9 - 0.2)V=0.7V，则，则T T4 4及及D D均截止均截止输入为高电平，输出为低电平输入为高电平，输出为低电平 。 v vI I=0.2V=0.2V，即输入为低电平时，即输入为低电平时V VB1B1= (0.2+0.7)V=0.9V= (0.2+0.7)V=0.9V，T1T1的的e e结导通。结导通。此时，此时， V

18、 VB1B1 同时作用于同时作用于T T1 1 的的c c结、结、T2T2和和T3T3的的e e结支路上，结支路上，T T2 2，T T3 3显然截显然截止，则止，则VccVcc通过通过R Rc2c2 向向T T4 4提供基极电流提供基极电流T T4 4及及D D导通导通，则，则v vo o V Vcccc - - V VBE4BE4- - V VD D =(5-0.7-0.7)=3.6V =(5-0.7-0.7)=3.6V输入为低电平，输出为高电平输入为低电平，输出为高电平 。（2 2）说明：）说明：采用输入级以提高工作速度采用输入级以提高工作速度采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载的能力

19、采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载的能力（3 3） TTLTTL反相器传输特性反相器传输特性vIvOCBA3.6VED2.48V0.2V0.4V1.1V1.2V3VABAB段：段：v vI I很低，稳态时输出高；很低，稳态时输出高；BCBC段：段：v vI I值大于点值大于点B B，T1T1的的C C极供给极供给T2T2基极电流，但基极电流，但T1T1仍保持为饱和态，其仍保持为饱和态，其e e、c c结结均正偏；均正偏；T2T2对对v vI I的增量作线性放大：的增量作线性放大：CDCD段：的值继续增大并超越段：的值继续增大并超越C C点，使点，使T3T3饱和，输出电压迅速下降到饱和，输出

20、电压迅速下降到v vO O 0.2V0.2V，DEDE段：段： v vI I (D)(D)的值从点的值从点D D再继续增加时，再继续增加时，T1T1进入倒置放大状态，保持进入倒置放大状态，保持v vO O 0.2V0.2V。2 2、 TTLTTL门电路芯片简介门电路芯片简介(1)(1)、TTLTTL门电路芯片（门电路芯片（四四2 2输入与非门，输入与非门，型号型号7474LS00)LS00)& & & &14141313121211111010 9 9 8 8 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 & &地地GNDGND外形外形

21、电源电源V VCCCC（+5V+5V）管脚管脚(2)(2)、常用、常用TTLTTL逻辑门电路逻辑门电路名称名称国际常用系列型号国际常用系列型号 国产部标型号国产部标型号说明说明四四2 2输入与非门输入与非门7474LS00LS00T1000T1000四四2 2输入或门输入或门四四2 2异或门异或门四四2 2输入或非门输入或非门四四2 2输入与门输入与门双双4 4输入与非门输入与非门双双4 4输入与门输入与门六反相器六反相器8 8输入与非门输入与非门7474LS32LS327474LS02LS027474LS08LS087474LS86LS867474LS21LS217474LS20LS2074

22、74LS30LS307474LS04LS04T186T186T1008T1008T1086T1086T1021T1021T1002T1002一个组件内一个组件内部有四个门，部有四个门，每个门有两每个门有两个输入端一个输入端一个输出端。个输出端。一个组件内有两一个组件内有两个门，每个门有个门，每个门有4 4个输入端。个输入端。只一个门，只一个门，8 8个输个输入端。入端。有有6 6个反相器。个反相器。3、集电极开路的与非门（、集电极开路的与非门（OC门）门）电路结构与逻辑符号电路结构与逻辑符号&+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABCOC门可以实现门可以实现“线与线与”功能。功

23、能。4、三态门（、三态门（TSL门）门）符号及功能表符号及功能表使能端高使能端高电平电平起作用起作用使能端低使能端低电平电平起作用起作用&ABFE符号符号输输出出高高阻阻0E 1E ABF 功能表功能表&ABFE符号符号输输出出高高阻阻1E0EABF 功能表功能表四、CMOS集成门电路MOS集成电路：以场效应管为基础的集成电路。根据电路中MOS管的不同可分为PMOS、NMOS电路和CMOS电路，其中CMOS是PMOS管与NMOS管组成的互补型集成电路，具有功耗低、抗干扰性强，开关速度快等优点。1 1、CMOSCMOS反相器反相器UCCST2DT1uiuoDSPMOS管管NMOS

24、管管工作原理：工作原理：ui=0时：时： ugs2= UCC ， T2导通、导通、T1截止，截止，uo=“”；ui=1时：时： T1导通、导通、T2截止，截止，uo=“0”。2 2、CMOSCMOS与非门与非门+UDDAFT2T1BT3T4SSSSGG结构结构工作原理工作原理:A B T1 T2 T3 T4 F0 0 10 1 11 0 11 1 0BAF &ABF3 3、CMOSCMOS或非门或非门+UDDFAT2T1BT3T4GGSSS结构结构工作原理工作原理:A B T1 T2 T3 T4 F0 0 10 1 01 0 0 1 1 0BAF ABF4 4、CMOSCMOS传输门传

25、输门+5V CVICVO-5VTGCC结构结构:符号符号:工作原理工作原理:设被传输的模拟信号的变化范围为5v+5v。设控制信号：高电平VCH=+5v，低电平VCL=5v，两管的VT均为2v。 （1）当C端接低电平时，TN的栅压为5v，VI在5v+5v时，TN截止，同时TP亦截止开关断开。（2）当C端接高电平时： 若5vVI3v VGSN8vVTN TN导通 VGSP2vVTP TP截止 3vVI+3v VGSN2vVTN TN导通 VGSP2vVTP TP导通 +3vVI+5v VGSN2vVTN TN截止 VGSP8vVTP TP导通 即：在5vVI+5v的范围内，或者TN、TP单独导通，

26、或者它们同时导通，传输门被打开，VI顺利通过传输门开关闭合。 第五节逻辑代数的基本定律及逻辑函数的化简 一、逻辑代数运算定律一、逻辑代数运算定律1、常量与变量关系定律（1）0，1律 A+1=A A*0=0 A+1=1 A*1=A（2）互补律 A+A =1AA =02 2、逻辑代数基本定律、逻辑代数基本定律（1）交换律 A+B=B+A A*B=B*A（2）结合律A+(B+C)=(A+B)+C A*(B*C)=(A*B)*C(3)分配律 A*(B+C)=A*B+A*C A+B*C=(A+B)*(A+C) (4)(4)反演律反演律( (摩根定律摩根定律) ) AB =A+B A+B = AB用真值表

27、证明用真值表证明A B AB A+B0 0 10 1 11 0 11 1 0 1 1 1 0 3、常用公式公式1 AB+AB =A公式2A+AB =A公式3A+AB=A+B公式4AB+AC+BC =AB+AC二逻辑函数的公式化简法所谓化简逻辑函数,就是使逻辑函数的与或表达式中所含的或项数及每个与项的变量数为最少.常见的公式化简法有以下几种.1 合并项法利用AB+AB =A将两项并成一项,合并时消去一个变量.2 2、吸收法：、吸收法：利用A+AB=A消去多余的项3 3、消去法：、消去法：利用消 去多余的因子BABAA4 4、配项法：、配项法：利用公式A+A =1给某个与项配项，试探进一步化简函数

28、例例1：ABAC)BC(A)BCB(AABCBA)CC(ABCBAABCCABCBAF 例例2 2： 将将Y=ABC+ABC+ABC+ABC+ABC化简为最简逻辑代数式。化简为最简逻辑代数式。 =AB(C+C)+ABC+AB(C+C) =AB+ABC+AB =(A+A)B+ABC =B+BAC ; A+AB=A+B =B+AC；C+C=1Y=ABC+ABC+ABC+ABC+ABC例例3 3：将将Y化简为最简逻辑代数化简为最简逻辑代数式。式。 Y =AB+(A+B)CD解：解：Y =AB+(A+B)CD = AB+(A+B)CD = AB+AB CD =AB+CD;利用反演定理利用反演定理;将将

29、ABAB当成一个变量当成一个变量, ,利用公式利用公式A+AB=A+B；A=AZ = A D + AD+ A B +AC + B D + ABE F +BE F= A + A B +AC + B D +BE F= A +AC + B D +BE F = A + C + B D +BE F Z=AB+AC+BC+CB+BD+BD+ADE（F+G） =ACB+BC+BC+BD+BD+ADE（F+G） =A+BC+CB+BD+BD+ADE（F+G） =A+BC（D+D）+BC+BD+BD（C+C） =A+BCD+BCD+BC+BD+BCD+BCD =A+BD+BC+CD例例4 4：例例5 5：三、逻

30、辑函数的卡诺图化简法三、逻辑函数的卡诺图化简法 1、用卡诺图表示逻辑函数 最小项：包含了所有的变量，每个变量或以原变量或以反变量的形式出现，并且仅仅出现一次的乘积项。 对于n 变量来说，就有2n 个最小项。 卡诺图：由许多小方格组成的阵列图，每个小方格对应一个最小项，n变量的卡诺图有2n 个小方格。BABAABBAAB 00 01 11 10两变量ABC00011110010 1 3 2 4 5 7 7 6 0 1 3 2 4 5 7 7 6 12 1 13 3 1 15 5 14 8 9 1 11 1 10 ABABCDCD 00 01 11 10 00 01 11 10 四变量三变量用卡诺

31、图表示逻辑函数的具体方法是：（1）根据变量的个数画空白卡诺图；（2）将逻辑函数化成最小项和的形式；（3）在空白卡诺图上，与函数最小项对应的方格填1，其余的方格填0。例：已知真值表填卡诺图：在其相应的小方格中填入0或1。序号ABCZ=A+BC01234567000001010011100101110111000111110 0 1 01 1 1 1CBA2 2、卡诺图化简方法、卡诺图化简方法（1）、卡诺图化简法的依据卡诺图的基本特点是：任何两个几何是相邻的小方块所表示的最小项只有一个变量不同，其余变量均相同。根据公式AB+AB =A，可以将相邻的两个最小项并为一项，消去一个不同的变量。（2）化简方法2个相邻的小方格可以合并成一项，同时消去一个不同的变量。4个相邻的小方格可以合并成一项，同时消去两个不同