精选数字电子技术讲解讲义(ppt)课件

1、精选数字电子技术讲解讲义(ppt)1.1.1 数字技术的发展及其应用1.1.2 数字集成电路的分类及特点1.1.3 模拟信号与数字信号1.1.4 数字信号的描述方法1.1 数字电路与数字信号1.1.1数字技术的发展及其应用80年代后- ULSI ， ASIC 制作技术成熟目前- 芯片内部的布线细微到亚微米(0.130.09m) 量级微处理器的时钟频率高达3GHz（109Hz）90年代后- 97年一片集成电路上有40亿个晶体管。6070代IC技术迅速发展：SSI、MSI、LSI 、VLSI。将来- 高分子材料或生物材料制成密度更高、 三维结构的电路发展特点:以电子器件的发展为基础电子管时代 19

2、06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。目前在一些大功率发射装置中使用。电压控制器件电真空技术晶体管时代半导体二极管电流控制器件，半导体技术晶体管时代半导体三极管电流控制器件，半导体技术半导体集成电路电路设计方法a)传统的设计方法：b)现代的设计方法：采用自下而上的设计方法；由人工组装,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,设计周期长。现代EDA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、 分析、仿真 、修订全通过计算机完成。电路设计方法伴随器件变化从传统走向现代Electronics Design Automation EDA技

3、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。EDA技术（Electronics Design Automation)1、EDA设计：原理图设计 (Electrnics WorkBench)VerilogHDL语言设计状态机设计设计方法在计算机上利用软件平台进行设计3、下载2、仿真4、验证结果实验板下载线数码相机智能仪器计算机数字技术的应用1、数字集成电路的分类1.1.2、数字集成电路的分类及特点 数字电路组合逻辑电路时序逻辑电路按电路的结构特点及对输入信号的响应规则 数字电路集成电路分立电路按电路的

4、形式 -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。 数字电路TTL电路CMOS电路按器件不同按集成度不同可编程逻辑器件、多功能专用集成电路106以上甚大规模大型存储器、微处理器10,00099,999超大规模小型存储器、门阵列1009999大规模计数器、加法器1299中规模逻辑门、触发器最多12个小规模典型集成电路门的个数分类集成度:每一芯片所包含的门个数2、数字集成电路的特点（自学）1)电路简单,便于大规模集成,批量生产2)可靠性、稳定性和精度高,抗干扰能力强3)体积小,通用性好,成本低.4)具可编程性,可实现硬件设计软件化5)高速度 低功耗6)加密性好 3、数字电路

5、的分析、设计与测试(1)数字电路的分析方法 根据电路确定电路输出与输入之间的逻辑关系，说明电路实现的逻辑功能。分析工具：逻辑代数。电路逻辑功能主要用真值表、功能表、逻辑表达式和卡诺图、波形图。(2) 数字电路的设计方法 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。 传统的设计方法 设计方法基于EDA软件的设计方法时间和数值均连续变化的电信号uOt Otu1. 模拟信号1.1.3 模拟信号与数字信号正弦波信号三角波信号数字信号波形时间和数值上均是离散的信号2. 数字信号3、模拟信号的数字表示 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. 模拟信号

6、模数转换器 3V数字输出00000011A/D转换器采样保持量化编码模拟信号数字信号模拟电路与数字电路的区别1、工作任务不同： 模拟电路研究的是输出与输入信号之间的大小、相位、失真等方面的关系；数字电路主要研究的是输出与输入间的逻辑关系（因果关系）。 模拟电路中的三极管工作在线性放大区,是一个放大元件；数字电路中的三极管工作在饱和或截止状态,起开关作用。 因此，基本单元电路、分析方法及研究的范围均不同。2、三极管的工作状态不同：模拟电路研究的问题基本电路元件:基本模拟电路:晶体三极管场效应管集成运算放大器 信号放大及运算 (信号放大、功率放大） 信号处理（采样保持、电压比较、有源滤波） 信号发

7、生（正弦波发生器、三角波发生器、）数字电路研究的问题基本电路元件基本数字电路逻辑门电路触发器 组合逻辑电路 时序逻辑电路（寄存器、计数器、脉冲发生器、脉冲整形电路） A/D转换器、D/A转换器1.1.4 数字信号的描述方法1、二值数字逻辑和逻辑电平二值（0、1）数字逻辑0、1数码-表示数量时称二进制数0、1 逻辑-表示事物状态时称二值逻辑电压(V)二值逻辑电 平+51H(高电平)00L(低电平)逻辑电平与电压值的关系（正逻辑）a 、在电路中用低、高电平表示 表示方式2、数字波形是信号逻辑电平对时间的图形表示。逻辑电平描述的数字波形16位数据的图形表示高电平低电平有脉冲 比特率 - 每秒钟转输数

8、据的位数无脉冲(1)数字波形的两种类型:非归零型归零型 非周期性数字波形周期性数字波形 例1.1.1 某通信系统每秒钟传输1 544 000位(1.544兆位)数据，求每位数据的时间。解：按题意，每位数据的时间为例1.1.2 设周期性数字波形的高电平持续6ms，低电平持续10ms，求占空比q。解：因数字波形的脉冲宽度tw=6ms，周期T=6ms+10ms=16ms。(2)实际脉冲波形及主要参数非理想脉冲波形上升时间Tr（ns） 脉冲宽度tw下降时间tf （ns） 主要参数周期 (T)脉冲宽度tw占空比 Q上升时间tr 下降时间tf(3)时序图表明各个数字信号时序关系的多重波形图。END1.2.

9、1 十进制1.2数 制1.2.2 二进制1.2.3 二-十进制之间的转换1.2.4 十六进制和八进制多位数码中的每一位数的构成及低位向高位进位的规则1.2.1 十进制数 码进位的规则0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9“逢十进一”4587.29=4103+5102+8101+7100+2101+9102系数位权1.2.2 二进制数 码进位的规则0, 1 “逢二进一”例如：1+1=10 = 121+ 020系数位权各位的权都是2的幂二进制的优点二进制数字装置所用元件少,电路简单、可靠易于电路实现基本运算规则简单, 运算操作方便二进制数波形表示（1）二进制数据的串行传输（2）二

10、进制数据的并行传输1.2.3 二-十进制之间的转换二进制十进制整数部分除以2取余法，直到商为零为止小数部分乘以2取整法，直到满足精度为止十进制二进制所以：(44.375)D(101100.011)B解要精确到二进制小数10位，1/210=1/1024。 例 将(0.39)D转换成二进制数,精度达到0.1%。0.392 = 0.78 b-1= 00.782 = 1.56 b-2= 10.562 = 1.12 b-3= 10.122 = 0.24 b-4= 00.242 = 0.48 b-5= 00.482 = 0.96 b-6 = 00.962 = 1.92 b-7 = 10.922 = 1.8

11、4 b-8 = 10.842 = 1.68 b-9 = 10.682 = 1.36 b-10= 11.2.4 十六进制和八进制数 码进位的规则各位的权都是16的幂0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,A,B,C,D,E,F“逢十六进一” 十六进制十六进制二进制= （ 1010 1111 0100 . 0111 0110）B(AF4.76)H1 1 1 0 1 0 1 0 0 . 0 1 1(0000）B (1D4.6)H十六进制的优点 与二进制之间的转换容易计数容量较其它进制都大书写简洁 八进制数 码进位的规则各位的权都是8的幂0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7

12、“逢八进一”八进制二进制（自学） (752.1)O=(111 101 010.001)B (10110.011)B =(26.3)O END1.3二进制的算术运算1.3.1无符号二进制的数算术运算1.3.2有符号二进制的数算术运算1、二进制加法0+0=0，0+1=1，1+1=10。1.3.1无符号数算术运算无符号二进制的加法规则2、二进制减法0-0=0，1-1=0，1-0=1，0-1=11。无符号二进制的减法规则3、二进制乘法和除法运算例1.3.4 计算两个二进制数1010和111之商。 1.3.2带符号二进制的减法运算二进制数的最高位表示符号位，且用0表示正数，用1表示负数。其余部分用原码的

13、形式表示数值位。有符号的二进制数表示 :(+11)D =(0 1011) B(11)D =(1 1011) B1. 二进制数的补码表示二进制数为正数时其补码、反码与原码相同将原码的数值位逐位求反，然后在最低位加1得到补码二进制数为负数时减法运算的原理:减去一个正数相当于加上一个负数AB=A+(B)，对(B)求补码，然后进行加法运算。2. 二进制补码的减法运算采用补码进行加、减法运算的步骤如下：（1）根据XY补=X补+Y补，分别求出X补、Y补和X+Y补。（2）补码相加时，符号位参与运算，若符号位有进位，则自动舍去。（3）根据XY补的结果求出XY原，进而求出XY的结果。3补+-4补为 必须指出，两

14、个补码相加时，如果产生的和超出了有效数字位所表示的范围，则计算结果会出错，之所以发生错误是因为计算结果产生了溢出，解决的办法是扩大字长。 即，符号位为1 故 341 例1.3.8 试用4位二进制补码计算5+7。3. 溢出解决溢出的办法:进行位扩展.解：因为(5+7)补=(5)补+(7) 补=0101+0111=11004. 溢出的判别当方框中的进位位与和数的符号位（即b3位）相反时，则运算结果是错误的，产生溢出。END1.4二进制代码1.4.1 二-十进制码1.4.2 格雷码1.4.3 ASCII码1.4二进代码1.编码：把若干个0和1按一定规律编排在一起，组成不 同的代码，并且赋予每个代码以

15、固定的含义。 用n位二进制代码可以表达2n个不同的信号 需要编码的信息有N项，则2n NA.每一组代码都可以看作是一个包含特定含义的符号，各组代码之间以及每组代码内部各位之间没有一定的数值进位关系。B.信息与代码间的对应关系完全是人为规定的，可以任意编，但在制定编码时，应该使编码顺序有一定的规律可循。编制代码所要遵循的规则码 制1.4.1 二-十进制码（BCD码） 用4位二进制编码表示十进制的0-9十个数码。 由于4位二进制码可以表示24=16种信号，所以在表示0-9这十个数码时就有不同的组合，即不同的编码方式： 8421BCD码 2421BCD码 5421BCD码 余3码：8421BCD码+

16、0011有权码 余码的特点:当两个十进制的和是10时，相应的二进制正好是16，于是可自动产生进位信号,而不需修正.0和9, 1和8,.6和4的余码互为反码,这对在求对于10的补码很方便。余3码循环码：相邻的两个代码之间仅一位的状态不同。按余3码循环码组成计数器时，每次转换过程只有一个触发器翻转，译码时不会发生竞争冒险现象。十进制数码8421码2421 码5421 码余3码余3循环码000000000000000110010100010001000101000110200100010001001010111300110011001101100101401000100010001110100501

17、011011100010001100601101100100110011101701111101101010101111810001110101110111110910011111110011001010有权码无权码 01118421BCD()D 7=11214180+=求BCD代码表示的十进制数对于有权BCD码，可以根据位权展开求得所代表的十进制数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BCD代码来表示。不能省略！不能省略！例：求十进制数876的8421BCD码8421例：求十进制数876的余3码 876D = （1011 1010 1001）余3码876D = 11011011

18、00B=36CH876D = （1000 0111 0110）8421BCD 1.4.2 格雷码格雷码是一种无权码二进制码格雷 码二进制 码格雷码00000000100011000001000110011101001000111010111100110010101111100100011011001010010101111101101101100101111010010111010011111000编码特点：任何两个相邻代码之间仅有一位不同。该特点常用于模拟量的转换 Gray码的特性有很重要的意义。例如，两个相邻的十进制数13和14相应的二进制码为1101和1110，在用二进制数作加1计数时，

19、如果从13变为14，则二进制码的最低两位都要改变，但实际上两位改变不可能同时发生，若最低位先置0，然后次低位再置1，则中间会出现110111001110，即出现暂短的误码1100，而Gray码只有一位变化，因而杜绝了出现这种错误的可能。1.4.3 ASCII 码即美国标准信息交换码。 它共有128个代码，可以表示大、小写英文字母、十进制数、标点符号、运算符号、控制符号等，普遍用于计算机的键盘指令输入和数据等。字符编码，用7位二进制码来表示128个符号ASCIIAmerican Standard Code for Information Interchange END1.5 二值逻辑变量与基本逻

20、辑运算*逻辑运算: 当0和1表示逻辑状态时，两个二进制数码按照某种特定的因果关系进行的运算。逻辑运算使用的数学工具是逻辑代数。与、或、非三种基本的逻辑运算* 逻辑代数与普通代数的区别!逻辑运算的描述方式逻辑代数表达式真值表逻辑图卡诺图波形图硬件描述语言（HDL）基本逻辑关系 与 ( and ) 或 (or ) 非 ( not )基本逻辑运算S1S2灯电源与运算 只有当决定某一事件的条件全部具备时，这一事件才会发生。这种因果关系称为与逻辑关系。与逻辑举例 电路状态表 逻辑真值表ABL001010110001与逻辑符号ABLS1S2灯电源ABL&与逻辑表达式：L = A = AB 真值表特点: 任

21、0 则0, 全1则1、或运算S1灯电源S2 或逻辑举例 电路状态表 只要在决定某一事件的各种条件中，有一个或几个条件具备时，这一事件就会发生。这种因果关系称为或逻辑关系。 逻辑真值表ABL001010110111ABL或逻辑符号ABL1或逻辑表达式：L = A +特点:任1 则1, 全0则0非逻辑举例状态表A灯不通电亮通电灭3. 非运算 事件发生的条件具备时，事件不会发生；事件发生的条件不具备时，事件发生。这种因果关系称为非逻辑关系。 非逻辑举例AVNC 灯AL011 非逻辑真值表0AL非逻辑符号AL1非逻辑表达式：特点: 1则0, 0则1 两输入变量与非逻辑真值表ABL00101011111

22、0ABL与非逻辑符号4. 几种常用复合逻辑运算1）与非运算ABL&与非逻辑表达式：2）或非运算 两输入变量或非逻辑真值表ABL001010111000或非逻辑符号ABL1ABL或非逻辑表达式：3）异或运算若两个输入变量的值相异，输出为1，否则为0。 异或逻辑真值表ABL001010110110异或逻辑符号ABL=1ABL异或逻辑表达式：4）同或运算若两个输入变量的值相同，输出为1，否则为0。 异或逻辑真值表ABL001010111001同或逻辑符号ABL=同或逻辑表达式：ABL5）与或非运算门电路是实现一定逻辑关系的电路。类型:与门、或门、非门、与非门、或非 门、异或门、同或门 1、用二极管、

23、三极管实现2、数字集成电路(大量使用) 1) TTL集成门电路 2) MOS集成门电路 实现方法:门电路小结门电路小结门电路 符号 表示式与门&ABYABY1或门非门1YAY=ABY=A+BY= A与非门&ABYY= AB或非门ABY1Y= A+B异或门=1ABYY= ABEnd逻辑运算的描述方式逻辑代数表达式真值表逻辑图卡诺图波形图硬件描述语言（HDL）1.6逻辑函数的建立及其表示方法abcdAB楼道灯开关示意图1. 真值表表示开关 A灯下下上下上下上上亮灭灭亮开关 B开关状态表逻辑抽象，列出真值表 逻辑真值表ABL001100010111A、B: 向上1 向下-0 L : 亮-1; 灭-0确定变量、函数，并赋值开关: 变量 A、B 灯 : 函数 L开关 A灯下下上下上下上上亮灭灭亮开关 B开关状态表2、逻辑函数表达式表示 用与、或、非等运算组合起来，表示逻辑函数与逻辑变量