数字电子技术第一章

1、2022-5-10数字电子数字电子技术技术Email: 2022-5-102022-5-10数字技术数字技术2022-5-10集集成成电电路路电子器件的发展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，占地万只电子管，占地170平方米，平方米，重重30吨，耗电吨，耗电150W。目前在一

2、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，成年集成电路出现，成千上万个器件集成在一块千上万个器件集成在一块芯片，大大促进了电子学芯片，大大促进了电子学的发展，尤其促进数字电的发展，尤其促进数字电路和微型计算机的飞速发路和微型计算机的飞速发展。展。芯片中集成上万个芯片中集成上万个等效门，目

3、前高的等效门，目前高的已达上百万门。已达上百万门。2022-5-10半导体集成电路半导体集成电路2022-5-10n本课内容：本课内容： “0”和“1”的问题n学习方法：学习方法：在具体的数字电路与分析和设计方法之间，以分析和设计方法分析和设计方法为主；在具体的设计步骤与所依据的概念和原理之间，以概概念和原理念和原理为主；在集成电路的内部工作原理和外部特性之间，以外部特性外部特性为主。2022-5-10EDA技术技术EDA技术以计算机为基本工具、借助于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软件设计平台，自动完成数字系统的逻辑综合、布局布线、仿真等工作。最后辑综合、布局

4、布线、仿真等工作。最后下载到芯片，实现方案。下载到芯片，实现方案。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 EDA技术：技术：2022-5-102、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2022-5-102022-5-10第第1 1章章 数字逻辑基础数字逻辑基础n模拟信号与数字信号n模拟电路与数字电路n数制 二进制、十进制、十六进制、八进制 进制之间的相互转换n码制n基本逻辑运算n逻辑函数2022-5-10一、模拟信号和数字信号一、模拟信号和数字

5、信号 模拟信号：在时间和数值上连续变化的信号。模拟信号：在时间和数值上连续变化的信号。 时间上连续，幅值上也连续时间上连续，幅值上也连续数字信号：在时间和数值上变化是离散的信号。数字信号：在时间和数值上变化是离散的信号。 时间上离散，幅值上整数化时间上离散，幅值上整数化 tt2022-5-10二、模拟电路和数字电路二、模拟电路和数字电路n 模拟电路：工作在模拟信号下的电子电路。模拟电路：工作在模拟信号下的电子电路。n 数字电路：工作在数字信号下的电子电路。具体讲，数字电路：工作在数字信号下的电子电路。具体讲，数字数字电路就是对数字信号进行产生、存储、传输、变换、运算电路就是对数字信号进行产生、

6、存储、传输、变换、运算及处理的电子电路。及处理的电子电路。三、数字电路的优点三、数字电路的优点n 精确度较高；精确度较高；n 有较强的稳定性、可靠性和抗干扰能力；有较强的稳定性、可靠性和抗干扰能力；n 具有算术运算能力和逻辑运算能力，可进行逻辑推理和逻具有算术运算能力和逻辑运算能力，可进行逻辑推理和逻辑判断；辑判断；n 电路结构简单，便于制造和集成；电路结构简单，便于制造和集成；n 使用方便灵活。使用方便灵活。2022-5-10一、数制的几个概念一、数制的几个概念：在某一进位制的数中，每一位的大小都对：在某一进位制的数中，每一位的大小都对应着该位上的数码乘上一个固定的数，这个固定的数就是这一位

7、应着该位上的数码乘上一个固定的数，这个固定的数就是这一位的权数。权数是一个幂。的权数。权数是一个幂。 ：表示数时，仅用一位数码往往不够用，必须用进：表示数时，仅用一位数码往往不够用，必须用进位计数的方法组成多位数码，且多位数码每一位的构成及低位到位计数的方法组成多位数码，且多位数码每一位的构成及低位到高位的进位都要遵循一定的规则，这种计数制度就称为进位计数高位的进位都要遵循一定的规则，这种计数制度就称为进位计数制，简称数制。制，简称数制。 ：进位制的基数，就是在该进位制中可能用到的数码个数：进位制的基数，就是在该进位制中可能用到的数码个数。2022-5-10类别类别十进制十进制(Decimal

8、)二进制二进制(Binary)八进制八进制(Octal)十六进制十六进制(Hexadecimal)数码数码0,1,90,10,1,70,1,9,AF基数基数102816进位规则进位规则逢逢10进进1逢逢2进进1逢逢8进进1逢逢16进进1第第i i位的权值位的权值10i i2i i8i i16i i二、几种常用数制二、几种常用数制结论：结论： 一般地，一般地，R进制需要用到进制需要用到R个数码，基数是个数码，基数是R ；运算规律为逢；运算规律为逢R进一。进一。 如果一个如果一个R进制数进制数M包含位整数和位小数，即包含位整数和位小数，即 (M)R (an-1 an-2 a1 a0 a1 a2 a

9、m)R 位置记数法位置记数法 an-1 R n-1 an-2 R n-2 a1 R 1 a0 R 0a1 R -1 a2 R -2 am R m 按权展开法按权展开法 R1nmiiRai2022-5-10 几几 种种进进制制 数数之之间间的的对对应应关关系系十进制数二进制数八进制数十六进制 数0123456789101112131415000000000100010000110010000101001100011101000010010101001011011000110101110011110123456710111213141516170123456789ABCDEF2022-5-1010

10、32101232)375.11(21212021212021)011.1011(1010128525450687643848687834376).(.).( 102101216066493916116116111610163113).()( AB 2101101061051021015612 .例：例： 数制转换：任意进制按权展开即可得到十进制数。数制转换：任意进制按权展开即可得到十进制数。2022-5-101.任意进制数转换为十进制数任意进制数转换为十进制数 按权展开，相加即可得按权展开，相加即可得。2.十进制数转换为任意进制数十进制数转换为任意进制数 整数部分：整数部分：除基数除基数R倒取

11、余法倒取余法 小数部分：小数部分：乘基数乘基数R取整法取整法例例2. 将十进制数将十进制数 (25.638)10 转换为二进制数。转换为二进制数。 三、数制间的转换三、数制间的转换(25)10=(11001)2(0.638)10=(0.1010)2(25.638)10=(11001.1010)22022-5-103.二进制数和八进制数、十六进制数间的转换二进制数和八进制数、十六进制数间的转换 八进制数和十六进制数的基数分别为八进制数和十六进制数的基数分别为 8=23，16=24， 所以三位二进制数恰好相当一位八进制数，四位二进制数所以三位二进制数恰好相当一位八进制数，四位二进制数相当一位十六进

12、制数，相当一位十六进制数， 它们之间的相互转换是很方便的。它们之间的相互转换是很方便的。1）2进制数转换为进制数转换为8进制、进制、16进制数进制数.小数点小数点2）8进制、进制、16进制数转换为进制数转换为2进制数进制数8进制数进制数 2进制数：进制数：1位变位变3位位16进制数进制数 2进制数：进制数：1位变位变4位位2022-5-10例例: : 求求(1101111010.1011)2 = (?)8 = (?)16二进制二进制 1 101 111 010 . 101 1 八进制八进制 1 5 7 2 . 5 4 所以所以 (01101111010.1011)2 = (1572.54) 8

13、 二进制二进制 0011 0111 1010 . 1011 十六进制十六进制 3 7 A . B 所以所以 (01101111010.1011)2 = (37AB) 16 00002022-5-10例例: : 求求(375.46)8 = (?)2 (678.A5)16 = (?)2八进制八进制 3 7 5 . 4 6二进制二进制 011 111 101.100 110十六进制十六进制 6 7 8 . A 5 二进制二进制 0110 0111 1000 . 1010 0101所以所以 (375.46)8 = (011111101.100110)2所以所以 (678.A5)16 = (110011

14、1100010100101)22022-5-10 用一定位数的二进制数来表示十进制数码、字母、符号用一定位数的二进制数来表示十进制数码、字母、符号等信息称为等信息称为编码编码。 这一定位数的二进制数就称为这一定位数的二进制数就称为代码代码。 数字系统只能识别数字系统只能识别0 0和和1 1，怎样才能表示更多的数码、符，怎样才能表示更多的数码、符号和字母呢？用编码可以解决此问题。号和字母呢？用编码可以解决此问题。 用用4 4位二进制数位二进制数b b3 3b b2 2b b1 1b b0 0来表示十进制数中的来表示十进制数中的 0 0 9 9 十十个数码。简称个数码。简称BCDBCD码。有多种编

15、码方式。码。有多种编码方式。一、二十进制码（一、二十进制码（BCDBCD码）码）( Binary Code Decimal( Binary Code Decimal）对于对于N个信息，要用几位的二进制数才能满足编码呢？个信息，要用几位的二进制数才能满足编码呢？ 2n N2022-5-108421码码 余余3码码 2421码码 5421码码 余余3循环码循环码编码0123456789十进种类制数几种常见的几种常见的BCDBCD码码8421BCD码和十进制间的转换是码和十进制间的转换是直接按位（按组）转换直接按位（按组）转换。2022-5-10对于有权对于有权BCDBCD码，可以根据位权展开求得所

16、代表的码，可以根据位权展开求得所代表的十进制数。十进制数。BCD8421 0111( )D 7=11214180+= ( )D BCD2421 7112041211101=+= 例例1：求求BCD代码表示的十进制数代码表示的十进制数2022-5-10对于一个多位的十进制数，需要有与十进制位对于一个多位的十进制数，需要有与十进制位数相同的几组数相同的几组BCD代码来表示。代码来表示。 BCD2421 236810 BCD8421 536410 0010 .0011 1100 11102 .8630101 .0011 0110 01005 .463 不能省略！不能省略！不能省略！不能省略！例例2：

17、用用BCD代码表示十进制数代码表示十进制数2022-5-10二、可靠性编码二、可靠性编码1.格雷码（格雷码（Gray码）码） 格雷码是一种典型的循环码。格雷码是一种典型的循环码。循环码特点：循环码特点： 相邻性相邻性：任意两个相邻：任意两个相邻码组间仅有一位的状态不同。码组间仅有一位的状态不同。 循环性循环性：首尾两个码组：首尾两个码组也具有相邻性。也具有相邻性。 十进制数十进制数格雷码格雷码十进制数十进制数格雷码格雷码0000081100100019110120011101111300101111104011012101050111131011601011410017010015100020

18、22-5-10两位格雷码两位格雷码00110000111100 000000111111 11三位格雷码三位格雷码四位格雷码四位格雷码0 00 11 11 01 01 10 10 00110 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 00 0 00 0 10 1 10 1 01 1 01 1 11 0 11 0 0一一 种种 典典 型型 的的 格格 雷雷 码码2022-5-10 2. 2. 奇偶校验码奇偶校验码 2022-5-10十进制数十进制数8421BCD奇校验码奇校验码8421BCD偶校验码偶校验码 信息位信息位 校验位校验位 信息位信息

19、位 校验位校验位00 0 0 0 10 0 0 0 010 0 0 1 00 0 0 1 120 0 1 0 00 0 1 0 130 0 1 1 10 0 1 1 040 1 0 0 00 1 0 0 150 1 0 1 10 1 0 1 060 1 1 0 1 0 1 1 0 0 70 1 1 1 00 1 1 1 181 0 0 0 01 0 0 0 191 0 0 1 11 0 0 1 08421BCD8421BCD奇偶校验码奇偶校验码3. ASCII3. ASCII码码（American Standard Cord for Information Interchange） ASCII

20、码，即美国信息交换标准代码。采用码，即美国信息交换标准代码。采用7位二进制编码，用来表示位二进制编码，用来表示27（即（即128）个字符。）个字符。2022-5-101.5 基本逻辑运算基本逻辑运算逻辑函数：各种事物逻辑关系的数学描述，又称逻 辑表达式，值为0 或1。如：CBACBBAFCABCBABFA逻辑变量：A、B、C等，值为0或1。 其中：A为原变量， 为反变量。逻辑运算：“与” “或” “ 非”2022-5-101. 与运算（逻辑乘）（与运算（逻辑乘）（AND）Y一、基本逻辑运算一、基本逻辑运算2022-5-102022-5-10与运算符，也有用与运算符，也有用 “” “”、“”“”

21、、“&”&”表示表示与门逻辑符号与门逻辑符号&AYBYABAYB2022-5-102. 或运算（逻辑加）或运算（逻辑加） （OR）BYA2022-5-10或运算真值表或运算真值表2022-5-10或运算真值表或运算真值表或运算符，也可用或运算符，也可用“”、“”表示表示或门逻辑符号或门逻辑符号1 1 ABYYAB + + ABY2022-5-103. 3. 非运算（逻辑反）（非运算（逻辑反）（NOTNOT）AY2022-5-10“”非逻辑运算符非逻辑运算符非运算真值表非运算真值表非门逻辑符号非门逻辑符号1AYYAAY2022-5-10二、复合逻辑运算二、复合逻辑运算1.

22、 1. 与非运算（与非运算（NANDNAND）与非逻辑真值表与非逻辑真值表ABABY Y &AYBYAB与非门逻辑符号与非门逻辑符号AYB2022-5-10 或非逻辑真值表或非逻辑真值表2. 2. 或非运算（或非运算（NORNOR）BAY或非门逻辑符号或非门逻辑符号1 1 ABYYAB+ + ABY2022-5-10与或非门逻辑符号与或非门逻辑符号3. 与或非运算（与或非运算（AND-OR-NOT）ABCDYYDCAB1 1&CDABY与或非逻辑真值表与或非逻辑真值表YDCAB+ +2022-5-10 4. 异或运算（异或运算（XOR）异或逻辑真值表异或逻辑真值表BABABAY

23、异或门逻辑符号异或门逻辑符号YAB=1AYBAYB 2022-5-10 5. 同或运算（同或运算（XNOR）同或逻辑真值表同或逻辑真值表ABBABAY异或与同或互为反运算异或与同或互为反运算：BA BA BABA 同或门逻辑符号同或门逻辑符号=AYBYABA YB2022-5-10与运算A0=0, A1=A或运算A+0=A, A+1=1非运算AA=0, A+A=1总结：总结：异或运算的特点: X，Y取值相同，Z为0； X，Y取值不同，Z为1。 A1=AA0=A 奇数个1异或得1， 偶数个1异或得0。 若C= A B， 则A=C B，B=A C； A(B C)=(AB) (AC)2022-5-10新新