电子技术基础第5章-数字电路基础知识课件

1、 目 录 常用半导体器件01基本放大电路02直流稳压电源04数字电路基础知识05组合逻辑电路06 负反馈放大器及集成运算放大器03脉冲波形的产生和整形08大规模集成电路09数模与模数转换10时序逻辑电路07本章导读 将介绍有关数字电路的基础理论知识及实际应用技术。 这一章主要内容有: 数制的表示及数制转换、码制、基本逻辑门、逻辑函数化简、集成逻辑门电路等。 5.1.1 数制5.1 数制与码制选取一定的进位规则，用多位数码来表示某个数的值，这就是所谓的计数体制，简称数制。1.十进制 每一种进制中所用到的不同数码的个数，称为基数。十进制中，基本数码为0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，基数为1

2、0。 5.1.1 数制5.1 数制与码制2.二进制 二进制的基数为2，基本数码为0和1，它的进位规则是“逢二进一、借一当二”。3.十六进制 十六进制数的基数是十六，数码有0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F。它的进位规则是“逢十六进一”，每位数字符号的权值是基数16的不同次幂。 5.1.1 数制5.1 数制与码制4.不同进制之间的转换一个数从一种进位制的表示变成以另一种进制表示，称为数制转换。 （1）二进制转换成十进制 方法 把一个二进制数按权展开，然后按十进制运算规则算出相应的十进制数即可。 （2）十进制转换成二进制 方法 十进制整数转换成二进制整数的方法为“除2取

3、余逆排法”。具体做法是将十进制数逐次地用2除，取余数，一直除到商数为零。最后取出的余数作为最高位。 5.1.1 数制5.1 数制与码制（3）十进制数、二进制数与十六进制数的相互转换 十进制数与十六进制数之间的转换与十进制和二进制间的转换原则相同。即十进制转换成十六进制整数部分采用除十六取余逆排法，小数部分采用乘16取整顺排法。十六进制转换成十进制采用按权展开法。 二进制与十六进制的转换:由于4位二进制数有16个状态，而且当把这个4位二进制数看成一个数位时，它向高位进位正好是逢十六进一，所以可用4位二进制数表示1位十六进制数。 二进制转换成十六进制时，以小数点为分界线，向左向右每四位一组，不足四

4、位补0，然后把四位一组的二进制数转换成相应的十六进制数即可。5.1.2 码制5.1 数制与码制在编制代码时需遵循一定的规则，这些规则称为码制。数字电路通常用四位二进制数表示一位十进制数，这种用于表示十进制数的二进制代码称为二十进制代码，简称BCD码。5.1.2 码制5.1 数制与码制2.格雷码如果任意相邻的两组代码仅仅只有一位不同，则这种编码叫做格雷码，格雷码是无权码。格雷码并不惟一，格雷码有利于提高电路的可靠性和速度。小知识5.1 数制与码制二进制数的优缺点优点:首先，二进制数只有0和1两个数，因此很容易用电路元件的两种状态来表示，如开关的接通和断开、晶体管的导通与截止、电容器的充电与放电等

5、;其次，二进制数运算简单，便于实现逻辑运算;最后，采用二进制数，使用器材少，简化了电路。 缺点:书写冗长，不便阅读。 5.1.2 码制5.2 基本逻辑门数字电路的输入和输出信号之间存在着一定的逻辑关系，而能实现一定逻辑运算的电路称为逻辑门电路。逻辑门电路是数字系统的基本组成模块，它处理二进制码，因此又称为二进制逻辑门电路。5.2.1 与逻辑及与门5.2 基本逻辑门1.与逻辑（1）与逻辑的定义与真值表ABY000010100111与运算真值表 当决定一件事情的条件全部具备时，事情才会发生，这样的因果关系我们称之为与逻辑关系。5.2.1 与逻辑及与门5.2 基本逻辑门1.与逻辑（2）与逻辑的逻辑函

6、数式及运算规则第一：与逻辑也叫逻辑乘，或逻辑积，记作 “”，或“”或“”，有时也可略去不写。第二：与逻辑的逻辑函数式为 Y=AB或 Y=AB或 Y=AB或 Y=AB第三：由真值表分析可知与逻辑的运算规则为 00=0 01=0 10=0 11=15.2.1 与逻辑及与门5.2 基本逻辑门 2.与门与门电路5.2.2 或逻辑及或门5.2 基本逻辑门 1.或逻辑（2）或逻辑的逻辑函数式及运算规则 第一：或逻辑的运算符号记为“+”或“”， 第二：或逻辑函数式为 Y=A+B或 Y=AB 第三：根据真值表，逻辑或的运算规则为 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=15.2.2 或逻辑及或门5.2 基

7、本逻辑门 2.或门或门电路5.2.3 非逻辑及非门5.2 基本逻辑门 1.非逻辑（1）非逻辑的定义与真值表条件具备，事情就不发生;条件不具备，事情就发生，我们把这样的因果关系称为非逻辑关系。AY01105.2.3 非逻辑及非门5.2 基本逻辑门 1.非逻辑（2）非逻辑的逻辑函数式及运算规则第一：非运算也叫逻辑反，或叫逻辑否定，其运算符号记为“ ”。第二：根据真值表，可得出非逻辑的表达式为 ！Y=A第三：逻辑非的运算规则为: ！0=1 ！1=0 5.2.3 非逻辑及非门5.2 基本逻辑门 2.非门非门电路5.2.4 复合门 5.2 基本逻辑门 1.与非门在与门的输出端再接一非门就构成了与非门。与

8、非门的意义是:“有0出1，全1出0”与非门逻辑符号5.2.4 复合门 5.2 基本逻辑门3.异或门异或门的意义是:“相异出1，相同出0”异或门逻辑符号ABY000011101110异或门的真值表5.2.4 复合门 5.2 基本逻辑门4.与或非门与或非门的功能是:当输入端的任何一组A、B或C、D全为1时，输出为0，只有任何一组输入都至少有一个为0时，输出端才能为1。与或非门逻辑符号小知识 5.2 基本逻辑门正逻辑和负逻辑:在数字电路中，都是用电平的高低表示逻辑值，即规定高电平代表逻辑1，低电平代表逻辑0，这种逻辑称为“正逻辑”。当然也可以规定高电平代表逻辑0，低电平代表逻辑1，这样的逻辑称为“负

9、逻辑”。不过我们更习惯使用正逻辑。5.3 逻辑函数的化简逻辑代数又叫布尔代数或开关代数，是英国数学家George Bool在19世纪中叶创立的。它是分析设计数字电路的基础。逻辑代数和普通代数一样，也可用A、B、C、D等表示变量。5.3.1 逻辑代数的基本定律和公式5.3 逻辑函数的化简1.逻辑代数的基本定律（1）基本定律 A+0=A A0=0 A+1=1 A1=A（2）结合律 A+（B+C）=（A+B）+C A（BC）=（AB）C5.3.1 逻辑代数的基本定律和公式5.3 逻辑函数的化简1.逻辑代数的基本定律（3）交换律 A+B=B+A AB=BA（4）分配律 A（B+C）=AB+AC A+B

10、C=（A+B）（A+C）5.3.1 逻辑代数的基本定律和公式5.3 逻辑函数的化简3.逻辑代数的基本规则（1）代入规则 任何一个含有某变量的等式，如果将所有出现A的位置都代之以一个逻辑函数Y，则等式仍然成立。这个规则称为代入规则。（2）反演规则 设Y是一个逻辑函数表达式，如果将Y中所有的与运算符变为或运算符;或运算符变为与运算符;0变为1;1变为0;原变量变为反变量;反变量变为原变量，所得到的新的逻辑函数表达式就是Y。这就是反演规则。5.3.1 逻辑代数的基本定律和公式5.3 逻辑函数的化简3.逻辑代数的基本规则（3）对偶规则 设Y是一个逻辑函数表达式，如果将Y中所有的与运算符变为或运算符，或

11、运算符变为与运算符，0变为1，1变为0，所得到的新的逻辑函数表达式就是Y的对偶式，记作Y。所谓对偶规则，是指当某个逻辑恒等式成立时，其对偶式也成立。5.3.2 逻辑函数的化简5.3 逻辑函数的化简1.逻辑函数的公式化简法（1）与或式和或与式所谓最简的与或表达式，通常是指: 表达式中的乘积项的个数最少。 在满足上面条件的前提下，每个乘积项中变量的个数最少。5.3.2 逻辑函数的化简5.3 逻辑函数的化简1.逻辑函数的公式化简法（2）逻辑函数的代数化简法 并项法 吸收法 消去法 配项法5.3.2 逻辑函数的化简5.3 逻辑函数的化简2.逻辑函数的卡诺图化简法（1）最小项和卡诺图最小项:n个变量的最

12、小项是n个因子的乘积，在这些乘积项中，每个变量只以原变量或反变量的形式出现一次，且仅出现一次。卡诺图:逻辑函数的卡诺图就是将这个逻辑函数的最小项表达式中的各个最小项相应地填入一个特定的方格内，n个变量的卡诺图有2的n次幂 个方格。5.3.2 逻辑函数的化简5.3 逻辑函数的化简2.逻辑函数的卡诺图化简法（2）逻辑函数的卡诺图表示方法用卡诺图表示逻辑函数的具体方法是:将逻辑函数化成最小项和的形式;根据变量的数画空白格卡诺图;在空白格卡诺图上，与函数最小项对应的方格填入1，其余的方格填0（或空），这样就可以把逻辑函数填入到卡诺图中。5.3.2 逻辑函数的化简5.3 逻辑函数的化简2.逻辑函数的卡诺

13、图化简法（3）卡诺图化简方法方法:在卡诺图上按2，4，8，或2的n次幂 个为一组，将相邻且对称的项圈起来;对相邻的项进行合并。合并的方法是:保留相邻项中相同的因子，舍弃不同的因子;将合并结果相加，即得最简“与或”表达式。5.3.2 逻辑函数的化简5.3 逻辑函数的化简2.逻辑函数的卡诺图化简法（3）卡诺图化简方法 注意事项:所谓“相邻项”，是指只有一位不同的那些最小项。圈的面积越大，消去的变量越多，即乘积项越简单。圈的数目越少，化简得到的乘积项的数目越少。一个最小项可以多次被重复使用，但至少要使用一次。当所有的最小项都被圈完时，化简结束。5.4 集成TTL逻辑门集成逻辑门电路是将逻辑电路的元件

14、和连线都制作在一块半导体基片上。集成门电路若是以【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（也叫双极型集成电路）。与分立元件电路相比，TTL电路具有体积小、耗电少、重量轻、可靠性高等优点，所以集成电路受到人们极大的重视并得到了广泛应用。5.4.1 集成TTL与非门5.4 集成TTL逻辑门1.电路组成 该电路由三部分组成：第一部分是由多发射极晶体管V1 构成的输入与逻辑，第二部分是V2 构成的反相放大器，第三部分是由V3 、V4 、V5 组成的推拉式输出电路，用以提高输出的负载能力。TTL与非门电路原理图5.4.1 集成TTL与非门5.

15、4 集成TTL逻辑门2.功能分析（1）输入全接高电平（3.6V）（2）输入端中有低电平（0.3V）输入3.主要性能分析 （1）电压传输特性它反映了TTL与非门输出电压与输入电压的关系。TTL与非门的电压传输特性曲线如图所示5.4.1 集成TTL与非门5.4 集成TTL逻辑门3.主要性能分析（2）主要参数 电压电流参数 负载能力 抗干扰能力 平均功耗P 平均传输延迟时间5.4.2 其他功能的TTL门电路5.4 集成TTL逻辑门1.几种常用的TTL门电路（1）非门TTL非门，也叫反相器，通常由输入级、中间级和输出级三部分组成，典型电路如图所示5.4.2 其他功能的TTL门电路5.4 集成TTL逻辑

16、门1.几种常用的TTL门电路（2）或非门右图是一个二输入端或非门电路5.4.2 其他功能的TTL门电路5.4 集成TTL逻辑门1.几种常用的TTL门电路（3）与或非门与或非门电路图5.4.2 其他功能的TTL门电路5.4 集成TTL逻辑门2.两种特殊的门电路（1）集电极开路与非门（OC门）如果将其输出管V3 的集电极开路，就变成了“集电极开路”门，也称OC门，与TTL与非门一样，OC门也可以完成与非运算。5.4.2 其他功能的TTL门电路5.4 集成TTL逻辑门2.两种特殊的门电路（2）三态输出门（TSL）三态输出门简称TSL（Three-State Logic），与普通门电路不同，三态门输出

17、有3种状态:高电平、低电平、高阻态，其中高阻态也称悬浮态。三态输出与非门符号5.4.3 TTL门电路的改进和其他双极型集成电路介绍5.4 集成TTL逻辑门1.TTL门电路的改进（1）泄放电路工作原理 由于V2 的发射极必须经过V5 、V6 的发射极才能导通，因而在V5 与V6 导通以前，相当于原来电路中的R3 开路，所以就不会再有一个V2 导通而V5 尚未导通的阶段了。有源泄放电路5.4.3 TTL门电路的改进和其他双极型集成电路介绍5.4 集成TTL逻辑门1.TTL门电路的改进（2）饱和电路 电路组成及符号 它是采用肖特基二极管，该管是由金属和半导体相接触形成的，它的导通电压约为0.4V左右

18、，没有电荷存储效应，不会引起附加延迟。通常把肖特基二极管和三极管合在一起当作一个器件看待，叫肖特基三极管或抗饱和三极管。5.4.3 TTL门电路的改进和其他双极型集成电路介绍5.4 集成TTL逻辑门1.TTL门电路的改进（2）饱和电路肖特基二极管和三极管5.4.3 TTL门电路的改进和其他双极型集成电路介绍5.4 集成TTL逻辑门2.其他双极型集成电路介绍（1）射极耦合逻辑门（ECL）射极耦合逻辑门有如下特点:使晶体管按共基极方式工作，而不像TTL电路那样以共发射极方式工作，这样可以充分发挥晶体管的频率特性，从而可进一步减少其导通时间和截止时间。使晶体管工作在放大区、截止区两种状态。即不使晶体

19、管基区中出现多余存储电荷，这样可使存储时间减少到零。减少逻辑摆幅，同时减少集电极负载电阻，从而使电路中各节点的电容的充放电时间缩短，这对提高门的开关速度是很有利的。制造工艺要求高，功耗大，抗干扰能力较弱。5.4.3 TTL门电路的改进和其他双极型集成电路介绍5.4 集成TTL逻辑门2.其他双极型集成电路介绍（2）注入逻辑门注入逻辑门有如下特点: 结构紧凑，一个门只占用一个三极管空间。 电路简单，能在低电压微电流下工作，集成度高。 开关速度低，抗干扰能力差。 5.4.3 TTL门电路的改进和其他双极型集成电路介绍5.4 集成TTL逻辑门2.其他双极型集成电路介绍（3）高阈值逻辑（HTL） 高阈值

20、逻辑门有如下特点: 用稳压管起电平转换作用，提高了阈值电平。 因为它的阈值电压比较高，所以噪声容限较大，抗干扰能力较强。 开关速度低，电源电压高。思考题5.4 集成TTL逻辑门1.什么是TTL集成门电路?OC门与普通TTL门电路的主要差异是什么?适用于什么场合?2.三态门的输出有几种状态?何为低电平有效?何为高电平有效?3.什么叫带负载能力?它是如何估算的?4.什么是抗干扰能力?什么是噪声容限?5.TTL门电路的改进形式有几种?各有什么特点?5.5.1 CMOS反相器5.5 CMOS逻辑门1.电路形式CMOS管制成的非门电路，V1 为NMOS管，作为驱动管，V2 为PMOS管，作为负载。两管的

21、栅极接在一起，作为输入，漏极接在一起作为输出。V1 的源极接地，V2 的源极接UDD 。5.5.1 CMOS反相器5.5 CMOS逻辑门2.逻辑功能当输入端A为高电平1时，输出Y为低电平。反之，当输入端A为低电平0时，输出Y为高电平5.5.2 CMOS与非门和或非门5.5 CMOS逻辑门1.CMOS与非门 （1）电路形式CMOS与非门电路（2）逻辑功能当输入端A、B均为高电平1时，输出端Y为低电平;当A、B中至少有一个低电平0时，输出端为高电平5.5.3 CMOS传输门5.5 CMOS逻辑门CMOS传输门也是构成各种逻辑电路的一种基本单元电路，该电路在逻辑电平的控制下，既能传输数字信号，也能传输连续变化的模拟信号，故又称为模拟开关。5.5.3 CMOS传输门5.5 CMOS逻辑门1.CMOS传输门（1）电路形式与标号