数字电子技术第一章课件

1、第一章第一章 数制和码制数制和码制1.1概述一、数字电路的特点一、数字电路的特点四、设计方法变化四、设计方法变化五、考核方法五、考核方法一、数字电路的特点一、数字电路的特点 (一一) 模拟电路与数字电路的区别模拟电路与数字电路的区别模拟电路：模拟电路：处理的信号是时间上处理的信号是时间上连续连续的信号的信号数字电路：数字电路：处理的信号是处理的信号是离散离散的信号的信号1. 工作工作信号信号是是离散离散的，因此电路中工作的的，因此电路中工作的半导体管半导体管多数多数工作在工作在开关状态开关状态。如二极管工作在导通和截止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态三极管工作在饱和态和

2、截止态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，因此主要的分分析工具是逻辑代数析工具是逻辑代数，表达电路的功能主要是真值表、，表达电路的功能主要是真值表、逻辑表达式及波形图等。逻辑表达式及波形图等。一、数字电路的特点一、数字电路的特点 (二二) 数字电路的特点数字电路的特点计算机计算机通信（通信（DSP应用）应用）电视（高清晰度）电视（高清晰度）将来通信的发展趋势：将来通信的发展趋势：软件无线电软件无线电单片机单片机+DSP(数字信号处理）数字信号处理）+ FPGA（CPLD）（现场可编程电路）现场可编程电路）二、典型应用二、典型应用会议电视会议电视数字移

3、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；电子管体积大、重年，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。世界上第一台计算机用了量重、耗电大、寿命短。世界上第一台计算机用了1.8万万只电子管，占地只电子管，占地1500平方

4、米，重平方米，重30吨，耗电很大吨，耗电很大,据传据传ENIAC每次一开机，整个每次一开机，整个费城费城西区的电灯都为之西区的电灯都为之黯然失黯然失色色。目前在一些大功率发射装置中使用。目前在一些大功率发射装置中使用。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（集集成成电电路路SSI（100以下以下）MSI（103）LSI（104）超大规模超大规模VLSI（105以上）以上）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

5、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。绪绪 论论返返 回回1947年年12月月16日，威廉日，威廉邵克雷（邵克雷（WilliamShockley）、）、约翰约翰巴顿（巴顿（JohnBardeen）和沃特）和沃特布拉顿布拉顿（WalterBrattain）成功地在贝尔实验室制造出第一）成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管，开辟了电子技术的新纪元个晶体管，开辟了电子技术的新纪元;1950年，威年，威廉廉邵克雷开发出双极晶体管邵克雷开发出双极晶体管（BipolarJunctionTransistor），这是现在通行的标），这是现在通行的标准的晶

6、体管。准的晶体管。首款晶体管收音机内置有四个晶体管。英特尔研制首款晶体管收音机内置有四个晶体管。英特尔研制出的第一款计算机芯片仅包出的第一款计算机芯片仅包 2,300 个晶体管，而英个晶体管，而英特尔于特尔于 2007 年年 11 月发布的最新基于月发布的最新基于45纳米生产工纳米生产工艺的芯片则包含艺的芯片则包含 8.2 亿个晶体管。亿个晶体管。你可以在一根人类的头发宽度上摆放你可以在一根人类的头发宽度上摆放2000多个多个45纳米晶体纳米晶体管。管。 1947年贝尔实验室制造的第一个晶体管可握在手中，而英年贝尔实验室制造的第一个晶体管可握在手中，而英特尔制造的全新特尔制造的全新45纳米晶体

7、管仅在一个红血球细胞表面即纳米晶体管仅在一个红血球细胞表面即可容纳数百个可容纳数百个如果今天一个晶体管的价格还维持如果今天一个晶体管的价格还维持1968年的平均价格水平，年的平均价格水平，那么英特尔推出的新一代那么英特尔推出的新一代45纳米处理器纳米处理器Penryn中晶体管中晶体管的价格将比现在的价格高一百万倍。如果汽车价格以同样的价格将比现在的价格高一百万倍。如果汽车价格以同样的速度下滑，今天一部新车的价格将仅为的速度下滑，今天一部新车的价格将仅为1美分。美分。一个一个45纳米晶体管可在纳米晶体管可在1秒钟内切换约秒钟内切换约3千亿次。一个千亿次。一个45纳纳米晶体管开关一次所需时间，仅相

8、当于以光速（每秒米晶体管开关一次所需时间，仅相当于以光速（每秒30万万公里）穿行公里）穿行0.1英寸所需的时间。英寸所需的时间。 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）1960年集成电路出现，成千年集成电路出现，成千上万个器件集成在一块芯片，上万个器件集成在一块芯片，大大促进了电子学的发展，大大促进了电子学的发展，尤其促进数字电路和微型计尤其促进数字电路和微型计算机的飞速发展。算机的飞速发展。芯片中集成上万个芯片中集成上万个等效门

9、，目前高的等效门，目前高的已达上百万门。已达上百万门。1946年2月14日，世界上第一台电脑ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生. “埃尼阿克”(ENIAC)。运算速度为 5000次/秒左右，也就是说，还没有现在普通计算器的运算速度快2012年 ,日本京计算机（K computer）:日本理化研究所作为次时代超级电脑开发，总投资1120亿日元，购入富士通生产的CPU研发生产的，每秒计算速度1京回，10 16 这个数字。连续两届被世界权威机构评为计算速度最快的电子计算机。绪绪 论论四、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

10、设计，采用试凑法；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比较适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，而的设计，所设计电路需反复调试，而且所用的元器件较多，出问题几率较且所用的元器件较多，出问题几率较高，电路的可靠性较差高，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设计、软件逻辑设计及兼有两者优点的集成电路集成电路ASIC(特定用途集成电路特定用途集成电路)设计。设计。采用从上到下或从下到上设计方法，出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（现了相应的电

11、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 回回绪绪 论论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：（电子设计自动化）（电子设计自动化）返返 回回绪绪 论论2、仿真、仿真3、下载、下载4、

12、验证结果、验证结果实验板实验板下载线下载线返返 回回l大规模：提高系统可靠性、减小体积、降低成本和功耗。l低功耗：超大规模芯片功耗可低达mW级。l高速度：运算速度最快的计算机12.3万亿次。l可编程：PLD。l可测试：进行故障诊断。l多值化：提高信息密度（量）。五、数字电路的发展趋势七、参 考 资 料参考资料参考资料1. 数字电子技术基础简明教程数字电子技术基础简明教程闫石主编闫石主编清华大学出版社清华大学出版社2. 电子电路电子电路-数字部分数字部分康华光主编康华光主编高教出版社高教出版社返返 回回教教 材材数字电子技术基础（第五版）数字电子技术基础（第五版）清华大学电子学教研组清华大学电子

13、学教研组高等教育出版社高等教育出版社数制数制是人类表示数值大小的各种方法的统称。是人类表示数值大小的各种方法的统称。1.2、几种常用的数制、几种常用的数制按照进位的方式实现计数的制度按照进位的方式实现计数的制度进位计数制进位计数制 数制：每一位的构成从低位向高位的进位规则常用到的：十进制，二进制，八进制，十六进制1、十进制、十进制=3 102 + 3 101+ 3 100+ 3 10-1 +3 10-2权权 权权 权权 权权 权权)基数基数10，逢十进一逢十进一，即，即9+1=103)不同数位上的数具有不同的权值不同数位上的数具有不同的权值10i。 4)任意一个十进制数，都可按其位权任意一个十

14、进制数，都可按其位权展成多项式的形式展成多项式的形式(333.33)10位置计数法位置计数法按权展开式按权展开式(N)10=(Kn-1 K1 K0. K-1 K-m)101nmii10iK特点：特点： )有有0-9十个数字符号和小数点，数码十个数字符号和小数点，数码K i从从0-9=Kn-1 10n-1+K1101+K0100+K-1 10-1+K-m 10-m数基数基表示相对小数点表示相对小数点的位置的位置2、二进制数表示法、二进制数表示法2 ) 1011 (012321212021 2 ) 11 101. (210122121212021 1）基数）基数2，逢二进一逢二进一，即，即1+1=

15、10 3）不同数位上的数具有不同的权值）不同数位上的数具有不同的权值2i。4）任意一个二进制数，都可按其位权）任意一个二进制数，都可按其位权展成多项式的形式展成多项式的形式(N)2=(Kn-1 K1 K0. K-1 K-m)2=Kn-1 2n-1+K121+K020+K-1 2-1+K-m 2-m1nmii2iK2)有有0-1两个数字符号和小数点两个数字符号和小数点，数码，数码K i从从0-1任意进制任意进制 1）基数）基数R，逢逢R进一进一， 3）不同数位上的数具有不同的权值）不同数位上的数具有不同的权值Ri。4） 任意一个任意一个R进制数，都可按其权位进制数，都可按其权位展成多项式的形式展

16、成多项式的形式(N)R=(Kn-1 K1 K0. K-1 K-m)2=Kn-1 Rn-1+K1R1+K0R0+K-1 R-1+K-m R-m1nmiiRiK2) 有有R个数字符号和小数点个数字符号和小数点，数码，数码K i从从0到到R-13. 八进制八进制（Octal）- 逢八进一逢八进一数码数码：0 7位权：位权：8) 41 .37 (210181848783 4. 十六进制十六进制 (Hexadecimal) -逢十六进一逢十六进一数码：数码：0 9 , A(10) , B(11) , C(12) , D(13) , E(14) , F(15)位权：位权：i 8i 1616) 7F 2A.

17、 (210116151671610162 任意任意(N)进制数展开式的普遍形式：进制数展开式的普遍形式：iiNkD ikiN 第第 i 位的系数位的系数 第第 i 位的权位的权十进制，二进制，八进制，十六进制逢二进一逢八进一逢十进一逢十六进一不同进制数的对照表1.3. 几种常用进制数之间的转换几种常用进制数之间的转换(1) 二二-十转换：十转换： 将二进制数按位权展开后相加将二进制数按位权展开后相加2) 11 .101 (210122121212021 10)75 . 5(25 . 05 . 014 (2) 十十- -二转换二转换：整数的转换整数的转换-连除法连除法210) () 26 ( 2

18、6213余数余数206213202 110111010除基数除基数得余数得余数作系数作系数从低位从低位到高位到高位 整数部分的转换整数部分的转换除基取余法除基取余法：用目标数制的：用目标数制的基数基数（R=2R=2）去除去除十十进制数进制数，第一次第一次相除所得余数为目的数的相除所得余数为目的数的最低位最低位 K K0 0，将所得将所得商商再除以再除以基数基数，反复执行上述过程，反复执行上述过程，直到商为直到商为“0 0”，所得余数为目的数的所得余数为目的数的最高位最高位K Kn-1n-1。例：（例：（81）10=（？）（？）2得：（得：（8181）1010 = =（1010001101000

19、1）2 281402010520 2 2 2 2 2 2 21K00K10K20K31K40K51K61210) () 1258 . 0 ( 1101 . 00. 8125 21. 6250 21. 2500 20. 5000取整取整1100. 62500. 2500乘基数乘基数取整数取整数作系数作系数从高位从高位到低位到低位小数的转换小数的转换-连乘法连乘法 若小数在连乘多次后若小数在连乘多次后不为不为 0，一般按照精确度，一般按照精确度要求要求(如小数点后保留如小数点后保留 n 位位)得到得到 n 个对应位的系个对应位的系数即可。数即可。 21. 00001乘基取整法乘基取整法：小数小数乘

20、以目标数制的乘以目标数制的基数基数（R=2R=2），），第第一次一次相乘结果的相乘结果的整数整数部分为目的数的部分为目的数的最高位最高位K K-1-1，将其小将其小数部分再乘基数依次记下整数部分，反复进行下去，数部分再乘基数依次记下整数部分，反复进行下去，直直到小数部分为到小数部分为“0 0”，或满足要求的或满足要求的精度精度为止（即根据为止（即根据设备字长限制，取有限位的近似值）。设备字长限制，取有限位的近似值）。例：例： （0.650.65）1010 =( ? ) =( ? )2 2 要求精度为小数五位。要求精度为小数五位。0.65 2K-110.3 2K-200.6 2K-310.2 2

21、K-400.4 2K-500.8由此得：由此得：(0.65)10=(0.10100)2综合得：综合得：(26.65)10=(11010 .10100)2如如2-5，只要求到小只要求到小数点后第五位数点后第五位快速转换法：拆分法快速转换法：拆分法( 26 )10= 16 + 8 + 2 = 24 +23 + 21= ( 1 1 0 1 0 )216 8 4 2 1(3) 二二-八转换八转换:82) () 111 101 10 ( 25757(4) 八八-二转换二转换:每位每位 8 进制数转换为相应进制数转换为相应 3 位二进制数位二进制数28) () 47 .31 ( 011 001 . 100

22、 11128) () 64 375. ( 011 111 101. 110 100082) () 1 1 0 0 0 1. 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 ( 002341. 062从从小数点小数点开始，将二进制数的整数和小数开始，将二进制数的整数和小数部分部分每三位每三位分为分为一组一组，不足不足三位的分别在三位的分别在整数的最高位前和小数的最低位后整数的最高位前和小数的最低位后加加“0 0”补足，然后每组用等值的补足，然后每组用等值的八进制码替代八进制码替代, ,即得目的即得目的数数。（5）二）二-十六转换：十六转换：每每 4 位二进制数相当一位位二进制数相当一位 16 进制数进制

23、数16210) () () 26 ( 1010 11AA1（6）十六）十六-二转换：二转换：每位每位 16 进制数换为相应的进制数换为相应的 4 位二进制数位二进制数216) () 6 C . AF 8 ( 0 0 0 1216) () F 2 . 8 D E ( 0 1 1 11 1 1 1. 0 1 0 10 0 1 10 1 1 0 1 0 1 1. 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 ) () 1 0 0 . 0 1 1 0 1 1 0 1 1 (162 2 . 6 B 10000000非十进制转成十进制非十进制转成十进制方法方法：将相应进制的数按权展成多将相应进制的数按权

24、展成多项式，按十进制求和项式，按十进制求和( (F8C.B)F8C.B)16 16 = = F F16162 2+8+816161 1+C+C16160 0+B+B1616-1-1= = 3840+128+12+0.68753840+128+12+0.6875=3980.6875=3980.6875例：1.4二进制运算 所以数字电所以数字电路中普遍采用二进制算数运算路中普遍采用二进制算数运算1.4二进制数运算二进制数的补码： 最高位为符号位（0为正，1为负） 正数的补码和它的原码相同 负数的补码 = 数值位逐位求反(反码) + 1如 +5 = （0 0101） -5 = （1 1011） 通过

25、补码，将减一个数用加上该数的补码来实现 10 5 = 5 10 + 7 12= 5 （舍弃进位） 7+5=12 产生进位的模 7是-5对模数12的补码 1011 0111 = 0100 （11 - 7 = 4） 1011 + 1001 = 10100 =0100（舍弃进位） （11 + 916 = 4） 0111 + 1001 =24 0111是- 1001对模24 （16） 的补码 两个补码表示的二进制数相加时的符号位讨论例：用二进制补码运算求出1310 0100111011011001112310131110110101001001113101300011010110101101031013101110010100011010231013结论：将两个加数的符号位和来自最高位数字位的进位相加，结果就是和的符号 解：-10的补码编码：编码： 用二进制数表示文字、符号等信息的过程。用二进制数表示文字、符号等信息的过程。二进制代码：二进制代码：编码后的二进制数。编码后的二进制数。用二进制代码表示十个数字符号用二进制代码表示十个数字符号 0 9，又称为，又称为 BCD 码（码（Binary Coded Deci