数字电路第五版 康华光 ch1-1

1、数字电路的分析与设计1.分析电路分析:根据电路确定电路输出与输入之间的逻辑关系。2.设计设计: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。 设计方式:分为传统的设计方式和基于EDA软件的设计方式。 分析工具：逻辑代数（又称布尔代数）。分析方法：真值表、电路图、卡诺图、逻辑表达式和波形图。1电路设计方法伴随器件变化从传统走向现代传统的设计方法：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

2、。返回2 EDA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。1.设计：在计算机上利用软件平台进行设计原理图设计VerlogHDL语言设计状态机设计设计方法EDA（Electronics Design Automation)技术33.下载2.仿真4.验证结果实验板下载线返回4发展特点:以电子器件的发展为基础电子管时代1906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数字技术的发展5晶体管时代电流控制器件：半导体二极管、三极

3、管6半导体集成电路7数字技术的发展80年代后：ULSI，10亿个晶体管/片 、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年代：IC技术迅速发展：SSI、MSI、LSI 、VLSI。10万个晶体管/片。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。返回8数码相机智能仪器计算机数字技术的应用返回910课程介绍1. 课程性质3. 课程研究内容5. 教材和参考书4. 课程特点与学习方法2. 教学目标序言11 数字电子技术课程是电类各专业具有入门性质的

4、重要的专业基础课。 1.课程性质 获得适应信息时代的数字电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能。培养分析和解决实际问题的能力，为以后深入学习数字电子技术及其相关学科和专业打好以下两方面的基础:2.教学目标正确分析、设计数字电路，特别是集成电路的基础；为进一步学习、设计专用集成电路(ASIC)打下坚实基础。12 数字信号传输、变换、产生等。内容涉及相关器件、功能电路及系统。 硬件 处理数字信号的电子电路及其逻辑功能 数字电路的分析方法 数字电路的设计方法 各种典型器件在电子系统中的应用软件 系统分析、设计、仿真的软件工具：EWB、 Multisim、Protel、VHDL、Max Plus

5、II和 Quartus II等。3. 课程研究内容13发展快应用广摩尔定律:是指集成电路芯片上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，而价格下降一倍。摩尔定律是Intel公司的创始人之一戈登摩尔（Gordon Moore）提出来的。工程实践性强4.课程特点与学习方法课程特点144.课程特点与学习方法掌握基本概念、基本电路和基本分析、设计方法。能独立的应用所学的知识去分析和解决数字电路的实际问题的能力。学习方法打好基础、关注发展、主动更新、注重实践。155.主要教材及参考书阎 石主编数字电子技术基础第五版 高等教育出版社蔡惟铮主编集成电子技术 高等教育出版社 电子工程手

6、册编委会等编中外集成电路简明速查手册-TTL、CMOS 电子工业出版社 李哲英主编电子技术及其应用基础基础 高等教育出版社王金明,杨吉斌编数字系统设计与Verliog HDL 电子工业出版社郑家龙、王小海主编集成电子技术基础教程高等教育出版社 161.数字逻辑基础1.1 数字电路与数字信号1.2 数制1.3 二进制数的算术运算1.4 二进制代码1.5 二值逻辑变量与基本逻辑运算1.6 逻辑函数及其表示方法171.1 数字电路与数字信号模拟电路： 电子电路数字电路： 传递、处理模拟信号的电子电路 传递、处理数字信号的电子电路数字信号时间上和幅度上都离散变化的物理量 模拟信号时间上和幅度上都连续变

7、化的物理量18uOt Otu1. 模拟信号：时间和数值均连续变化的物理量，如正弦波、 三角波等。 一、模拟信号与数字信号19数字信号波形2.数字信号：在时间上和数值上均离散变化的物理量。如矩形波。数字电路和模拟电路：工作信号，研究的对象不同，分析、设计方法以及所用的数学工具也相应不同。20模拟电路数字电路工作信号时间和数值均连续变化的物理量时间和数值均离散变化的物理量研究对象输出与输入信号在大小和相位之间的关系输出与输入信号之间的逻辑关系分析工具普通代数逻辑代数分析方法图解法、估算法和微变等效电路法真值表、电路图、卡诺图、表达式和波形图半导体器件工作状态放大状态饱和或截止状态基本单元基本放大器

8、和运放逻辑门电路和锁存器3.模拟电路与数字电路的比较214.模拟信号的数字表示 由于数字信号便于存储、分析和传输，通常都将模拟信号转换为数字信号。 0 0 模拟信号 模数转换器 3 V 数字输出 0 0 0 0 1 1 模数转换的实现22二、数字电路的分类按所用器件制作工艺的不同：数字电路可分为双极型（TTL型）和单极型（MOS型）两类。按照电路的结构和工作原理的不同：数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两类。组合逻辑电路没有记忆功能，其输出信号只与当时的输入信号有关，而与电路以前的状态无关。时序逻辑电路具有记忆功能，其输出信号不仅和当时的输入信号有关，而且与电路以前的状态有关。按集成度分

9、类：数字电路可分为小规模（SSI，每片数十器件）、中规模（MSI，每片数百器件）、大规模（LSI，每片数千器件）和超大规模（VLSI，每片器件数目大于1万）数字集成电路。集成电路从应用的角度又可分为通用型和专用型两大类型。23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电路个数24三、数字电路的特点电路简单,便于大规模集成,批量生产可靠性、稳定性和精度高,抗干扰能力强体积小,通用性好,成本低

10、.具可编程性,可实现硬件设计软件化高速度 低功耗加密性好 25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）四、 数字信号的描述方法1.二值数字逻辑和逻辑电平 在电路中用低、高电平表示0、1两种逻辑状态 0、1数码-表示数量时称二进制数表示方式二值数字逻辑 -表示事物状态时称二值逻辑26(a) 用逻辑电平描述的数字波形(b) 16位数据的图形表示2.数字波形数字波形-是信号逻辑电平对时间的图形表示.27高电平低电平有脉冲*非归零型*归零型 比特率 - 每秒钟转输数据的位数无脉冲(1)数字波形的两种类型:28(2)周期性和非周期性 非周期性数字波形周期

11、性数字波形 29例1.1 某通信系统每秒钟传输1544000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30例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。31非理想脉冲波形(3)实际脉冲波形及主要参数32几个主要参数:占空比 Q - 表示脉冲宽度占整个周期的百分比上升时间tr 和下降时间tf -从脉冲幅值的10%到90% 上升 下降所经历的时间( 典型值ns )脉冲宽度 (tw )- 脉冲幅值的50%的两个时间所跨越的时间周期 (T) - 表示两个相邻脉冲之间

12、的时间间隔 tr脉冲宽度 tw 0.5V 4.5V 2.5V 幅值=5.0V 0.0V 5.0V tf0.5V 2.5V 4.5V 33(4)时序图-表明各个数字信号时序关系的多重波形图。 由于各信号的路径不同，这些信号之间不可能严格保持同步关系。为了保证可靠工作，各信号之间通常允许一定的时差，但这些时差必须限定在规定范围内，各个信号的时序关系用时序图表达。34一般表达式:一、十进制十进制采用0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9十个数码，其进位的规则是“逢十进一”。如:4587.29=4103+5102+8101+7100+2101+9102系数位权1.2数制数制:多位数码

13、中的每一位数的构成及低位向高位进位的规则35二、二进制二进制数的一般表达式为:位权系数二进制数只有0、1两个数码，进位规律是：“逢二进一” .1.二进制数的表示方法362.二进制数波形表示37二进制数据的串行传输3. 二进制数据的传输38二进制数据的并行传输 将一组二进制数据所有位同时传送。 传送速率快,但数据线较多，而且发送和接收设备较复杂。391.十进制数转换成二进制数 整数部分:除2取余，余数倒级联；小数部分:乘2取整，整数正级联。三、数制转换例1.3 将十进制数(37)D转换为二进制数。40解：根据上述原理，可将(37)D按如下的步骤转换为二进制数由上得 (37)D=(100101)B

14、例1.3 将十进制数(37)D转换为二进制数。问：当十进制数较大时，有什么方法使转换过程简化?41例 (111100010101110)B 2.二进制转换 成十六进制以小数点为基准，分别向左，右，每四位为一组，首尾不足四位补0，每组对应一位16进制数。将每位16进制数展开成四位二进制数，排列顺序不变即可。例 (BEEF)H =(1011 1110 1110 1111)B十六进制转换成二进制：例 (111100010101110)B =(78AE)H 例 (0111100010101110)B =423.二进制转换成八进制将每位八进制数展开成三位二进制数，排列顺序不变即可。 转换时，由小数点开始

15、，整数部分自右向左，小数部分自左向右，三位一组，不够三位的添零补齐，则每三位二进制数表示一位八进制数。例 (10110.011)B =例 (752.1)O=(26.3)O (111 101 010.001)B八进制转换成二进制：431.4二进制代码一、二十进制码(BCD码- Binary Code Decimal）用4位二进制数来表示一位十进制数中的09十个数码。 从4 位二进制数16种代码中,选择10种来表示09个数码的方案有很多种。每种方案产生一种BCD码。 二进制数不仅可以表示不同的数量大小，还可表示不同的事物。用二进制代码来表示特定的信息称为二进制代码。 44BCD码十进制数码8421

16、码2421 码5421 码余3码余3循环码0000000000000001100101000100010001010001102001000100010010101113001100110011011001014010001000100011101005010110111000100011006011011001001100111017011111011010101011118100011101011101111109100111111100110010101.几种常用的BCD代码45对于有权BCD码，可以根据位权展开求得所代表的十进制数。例如：BCD8421 0111()D 7=11214180+=()D BCD2421 7112041211101=+=2.求BCD代码表示的十进制数46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。例如：不能省略！不能省略！3.用BCD代码表示十进制数47二、格 雷 码 格雷码是一种无权码。二进制码b3b2b1b0格雷码G3G2G1G000000001001000110100010101100111100010011010101111001101