数字电子技术概述

数字电子技术概述1第一页，共六十三页，编辑于2023年，星期六m课程的目课程的目的和任务的和任务阐明数字逻辑电路的基本概念和分析设计方法。由门电路构成逻辑部件的“经典方法”作为一种基本技能训练。加强以全加器、译码器、多路选择器、多路分配器、触发器、寄存器、计数器，以及ROM、PLA等较复杂逻辑器件来构成更复杂的逻辑部件的分析与设计方法，进而掌握数字系统单元电路的逻辑功能。

2第二页，共六十三页，编辑于2023年，星期六本课程与其它课的关系先修课：电工与电子技术；离散数学后续课：计算机组成原理微机原理与接口计算机系统结构单片机原理及应用

……

3第三页，共六十三页，编辑于2023年，星期六内容简介数字逻辑基础知识：数制和码制、逻辑代数基础门电路：二极管、三极管、CMOS、TTL门电路组合逻辑：分析与设计、组合逻辑器件、竞争-冒险时序逻辑：触发器、分析与设计、时序逻辑器件半导体存储器：ROM、RAM可编程逻辑器件：PAL、GAL、EPLD、CPLD、FPGA4第四页，共六十三页，编辑于2023年，星期六课程内容的安排第1章数字电子技术概述（4学时）第2章逻辑代数基础及基本逻辑门电路（10学时）第3章组合逻辑电路（16学时）第5章时序逻辑电路（16学时）第4章触发器（10学时）

第六章存储器（8学时）第七章脉冲的产生与变换（自学）VHDL5第五页，共六十三页，编辑于2023年，星期六学习方法课前预习，课堂理解，课后练习，温故知新把握重点，突破难点，注重特点，融会贯通重视实践，勤思多练，善于归纳，勇于创新（1）逻辑代数是分析和设计数字电路的重要工具，应熟练掌握。（2）重点掌握各种常用数字逻辑电路的逻辑功能、外部特性及典型应用。对其内部电路结构和工作原理不必过于深究。（3）掌握基本的分析和设计方法。（4）本课程实践性很强。应重视习题、基础实验和综合实训等实践性环节。（5）此外，注意培养和提高查阅有关技术资料和数字集成电路产品手册的能力。

6第六页，共六十三页，编辑于2023年，星期六学习方法

保证基础（第1、2章）熟练掌握有关逻辑设计的基础知识、设计方法

中小规模集成电路（第3、4、5、6）理解电路的逻辑功能应用它设计逻辑电路贯穿课程的始终的是：逻辑电路分析、设计第7章自学补充内容：VHDL7第七页，共六十三页，编辑于2023年，星期六教材及主要参考书

教材：

[1]吴继娟主编.《数字逻辑》.哈尔滨工程大学出版社，2004.主要参考书：[1]王永军、李景华主编.《数字逻辑与数字系统》（第二版）.电子工业出版社，2002.2[2]沈嗣昌主编.《数字设计引论》.高等教育出版社，2000.8在8第八页，共六十三页，编辑于2023年，星期六第一章数字电子技术概述1.1数字电子技术和模拟电子技术的区别1.2半导体器件的开关运用特性1.3数制1.4码制9第九页，共六十三页，编辑于2023年，星期六1.1数字电子技术和模拟电子技术的区别1.1.1模拟量与数字量信息（Information）：表征物理量数值特征的量叫做信息。模拟量（AnalogueValue）：时间上和数值上均作连续变化的量离散量（DiscreteValue）：将物理量在一定精度以数值表示出来数字量（DigitalValue）：时间上和数值上均作断续变化的量1.1.2数字信号与数字系统数字信号（DigitalSignal）：是表示数字量的信号。一般指在两个稳定状态之间作阶跃式变化的信号。表示法有：电位型与脉冲型。数字系统（DigitalSystem）：使用数字量来传递和加工处理信息的实际工程系统。10第十页，共六十三页，编辑于2023年，星期六1.为什么要用数字系统数字电子器件的飞速发展，数字信息的传递和加工速度达到很高水平（传送延迟10-9），即使串行速度也相当可观。成本降低，对模拟系统的竞争愈来愈强。数字系统具有标准化、通用性、灵活性特点，便于修改和改进。除了信息的数值运算，还可以进行逻辑加工。2.数字电路的分类(1)按电路组成结构——分立元件电路、集成电路(2)按电路集成度大小——小规模(SSI)、中规模(MSI)、大规模(LSI)、超大规模(VLSI)

集成度：指在同一块集成芯片上制作的逻辑门电路或元器件数量的多少。小规模集成电路(SmallScaleIC，SSI)

中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)

大规模集成电路(LargeScaleIC，LSI)

超大规模集成电路(VeryLargeScaleIC，VLSI)

特大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)

巨大规模集成电路(GiganticScaleIC，GSI）(3)按构成电路的半导体器件——双极型电路、单极型电路(4)按电路有无记忆功能——组合逻辑电路、时序逻辑电路11第十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期六12第十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期六1.2半导体器件的开关特性逻辑0和1：电子电路中用高、低电平来表示。获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。1.2.1二极管开关运用特性二极管符号：正极负极＋uD－13第十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期六uououi＝0V时，二极管截止，如同开关断开，uo＝0V。ui＝5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo＝4.3V。Ui<0.5V时，二极管截止，iD=0。Ui>0.5V时，二极管导通。14第十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期六＋－RbRc+VCCbce＋－截止状态饱和状态iB≥IBSui=UIL<0.7Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3V＋－RbRc+VCCbce＋－＋＋－－0.7V0.3V1.2.2、三极管的开关运用特性15第十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期六1.2.2、三极管的开关运用特性16第十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期六1.2.3场效应管的开关特性两个背对背的PN结，无论在源、漏间加载什么电压，总有一个PN结反偏。将源、基（P衬底）连在一起，栅、源间加电压，形成表面场效应，漏源之间加电压可导通。第十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期六1.2.3、MOS管的开关运用特性工作原理电路转移特性曲线uiuiGDSRD+VDDGDSRD+VDDGDSRD+VDD截止状态ui<UTuo=+VDD导通状态ui>UTuo≈018第十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期六1.3数制

1.3.1进位计数制

进位计数制也叫位置计数制，其计数方法是把数划分为不同的数位，当某一数位累计到一定数量之后，该位又从零开始，同时向高位进位。在这种计数制中，同一个数码在不同的数位上所表示的数值是不同的。进位计数制可以用少量的数码表示较大的数，因而被广泛采用。下面先给出进位计数制的两个概念：进位基数和数位的权值。19第十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期六

进位基数：在一个数位上，规定使用的数码符号的个数叫该进位计数制的进位基数或进位模数，记作R。例如十进制，每个数位规定使用的数码符号为0，1，2，…，9，共10个，故其进位基数R=10。数位的权值：某个数位上数码为1时所表征的数值，称为该数位的权值，简称“权”。各个数位的权值均可表示成Ri的形式，其中R是进位基数，i是各数位的序号。按如下方法确定：整数部分，以小数点为起点，自右向左依次为0，1，2，…，n-1；小数部分，以小数点为起点，自左向右依次为-1，-2,…，-m。n是整数部分的位数，m是小数部分的位数。20第二十页，共六十三页，编辑于2023年，星期六

某个数位上的数码ai所表示的数值等于数码ai与该位的权值Ri的乘积。所以，R进制的数又可以写成如下多项式/

按权展开式

的形式：上式为位置记数法/

并列表示法

21第二十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期六1.3.2常用进位计数制

1.十进制在十进制中，每个数位规定使用的数码为0，1，2，…,9，共10个，故其进位基数R为10。其计数规则是“逢十进一”。各位的权值为10i，i是各数位的序号。十进制数用下标“10”表示，也可用D表示，也可省略。例如：十进制数人们最熟悉，但机器实现起来困难。22第二十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期六2.二进制与十进制数类似，二进制数也由两个主要特点，每个数位规定使用的数码为0，1，共2个数码，故其进位基数R为2。其计数规则是“逢二进一”。各位的权值为2i，i是各数位的序号。二进制数用下标“2”表示（也可用B）。例如：210123212021212021)01.1011(--×+×+×+×+×+×=2=11.2523第二十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期六

表1-3常用二进制的权

24第二十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期六然后按照位置记数法展开为多项式表示法：同理，对于任意一个二进制数N，可以用位置记数法表示为：例如：25第二十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期六

可见，一个数若用二进制数表示要比相应的十进制数的位数长得多，但采用二进制数却有以下优点：①因为它只有0、1两个数码，在数字电路中利用一个具有两个稳定状态且能相互转换的开关器件就可以表示一位二进制数，因此采用二进制数的电路容易实现，且工作稳定可靠。26第二十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期六②算数运算规则简单。二进制数的算数运算和十进制数的算术运算规则基本相同，惟一区别在于二进制数是“逢二进一”及“借一当二”，而不是“逢十进一”及“借一当十”。例如：27第二十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期六二进制与十进制相比缺点是：a.不熟悉，使用不习惯。b.同样一个数，二进制表示的位数多。二进制书写太长。28第二十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期六3.八进制(Octal)

在八进制中，每个数位上规定使用的数码为0，1，2，3，4，5，6，7，共8个，故其进位基数R为8。其计数规则为“逢八进一”。各位的权值为8i，i是各数位的序号。八进制数用下标“8”表示，也可用O。例如：(752.34)8=7×82+5×81+2×80+3×8-1+4×8-2八进制数同样可以用位置记数法和按权展开表达式表示。29第二十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期六4.十六进制(Hexadecimal)

在十六进制中，每个数位上规定使用的数码符号为0，1，2，…,9,A,B,C,D,E,F，共16个，故其进位基数R为16。其计数规则是“逢十六进一”。各位的权值为16i,i是各个数位的序号。十六进制数用下标“16”表示，也用H。例如：(BD2.3C)16=B×162+D×161+2×160+3×16-1+C×16-2=11×162+13×161+2×160+3×16-1+12×16-2

十六进制数同样可用位置记数和多项式表示。在计算机应用系统中，二进制主要用于机器内部的数据处理，八进制和十六进制主要用于书写程序，十进制主要用于运算最终结果的输出。30第三十页，共六十三页，编辑于2023年，星期六1.3.3不同数制之间的转换

二进制数与十进制数之间的转换

1)二进制数转换成十进制数——按权展开法二进制数转换成十进制数时，只要将二进制数按权展开，然后将各项数值按十进制数相加，便可得到等值的十进制数。例如：

同理，若将任意进制数转换为十进制数，只需将数(N)R写成按权展开的多项式表示式，并按十进制规则进行运算，便可求得相应的十进制数(N)10。31第三十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期六非十进制进制转换成十进制。不同数制之间的转换方法有若干种。把非十进制数转换成十进制数采用“按权展开相加法”。具体步骤是，首先把非十进制数写成按权展开的多项式，然后按十进制数的计数规则求其和。例1(2A.8)16=(?)10解

(2A.8)16=2×161+A×160+8×16-1=32+10+0.5=(42.5)1032第三十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期六例2(165.2)8=(?)10解

(165.2)8=1×82+6×81+5×80+2×8-1=64+48+5+0.25=(117.25)10例3(10101.11)2=(?)10解

(10101.11)2=1×24+0×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-2=16+0+4+0+1+0.5+0.25=(21.75)1033第三十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期六

2)十进制数转换成二进制数

①整数转换——除2取余法。若将十进制整数(N)10转换为二进制整数(N)2，则可以写成如果将上式两边同除以2，所得的商为余数就是a0。34第三十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期六同理，这个商又可以写成显然，若将上式两边再同时除以2，则所得余数是a1。重复上述过程，直到商为0，就可得二进制数的数码a0、a1、…、an-1。35第三十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期六例如，将(57)10转换为二进制数：36第三十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期六

②小数转换——乘2取整法。若将十进制小数(N)10转换为二进制小数(N)2，则可以写成将上式两边同时乘以2，便得到令小数部分则上式可写成因此，2(N)10乘积的整数部分就是a-1。若将2(N)10乘积的小数部分F1再乘以2，则有37第三十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期六所得乘积的整数部分就是a-2。显然，重复上述过程，便可求出二进制小数的各位数码。

例如，将(0.724)10转换成二进制小数。38第三十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期六

可见，小数部分乘2取整的过程，不一定能使最后乘积为0，因此转换值存在误差。通常在二进制小数的精度已达到预定的要求时，运算便可结束。将一个带有整数和小数的十进制数转换成二进制数时，必须将整数部分和小数部分分别按除2取余法和乘2取整法进行转换，然后再将两者的转换结果合并起来即可。同理，若将十进制数转换成任意R进制数(N)R，则整数部分转换采用除R取余法；小数部分转换采用乘R取整法。39第三十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期六

十进制数转换成其它进制数

1.整数部分转换整数转换，采用基数连除法。把十进制整数N转换成R进制数的步骤如下：

(1)将N除以R，记下所得的商和余数。

(2)将上一步所得的商再除以R，记下所得商和余数。

(3)重复做第(2)步，直到商为0。

(4)将各个余数转换成R进制的数码，并按照和运算过程相反的顺序把各个余数排列起来，即为R进制的数。40第四十页，共六十三页，编辑于2023年，星期六例4(427)10=(?)16427余数

1626…………11=B最低位

161……………10=A0……………1=1最高位(427)10=(1AB)16

即解41第四十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期六例5(427)10=(?)88427余数

853…………3最低位

86……………50……………6最高位(427)10=(653)8

即解42第四十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期六例46(11)10=(?)2211余数

25…………1最低位

22……………12…1…………00……………1最高位(11)10=(1011)2

即解43第四十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期六

2.纯小数转换纯小数转换，采用基数连乘法。把十进制的纯小数M转换成R进制数的步骤如下：

(1)将M乘以R，记下整数部分。

(2)将上一步乘积中的小数部分再乘以R，记下整数部分。

(3)重复做第(2)步，直到小数部分为0或者满足精度要求为止。

(4)将各步求得的整数转换成R进制的数码，并按照和运算过程相同的顺序排列起来，即为所求的R进制数。44第四十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期六

例7(0.85)10=(?)16

解

0.85×16=13.6…………13=D最高位

0.6×16=9.6…………9=90.6×16=9.6…………9=9最低位即(0.85)10=(0.D99…)16……45第四十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期六

例8(0.35)10=(?)8

解

0.35×8=2.8…………2最高位

0.8×8=6.4…………60.4×8=3.2…………30.2×8=1.6…………1

最低位即(0.35)10=(0.2631…)8……46第四十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期六例9(11.375)10=(?)221125…………122……………12…1…………00……………1(11)10=(1011)2

即解0.375×2=0.750.75×2=1.50.5×2=1.0(0.375)10=(0.011)2(11.375)10=(1011.011)2

即故47第四十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期六

二进制数转换成八进制数或十六进制数二进制数转换成八进制数(或十六进制数)时，其整数部分和小数部分可以同时进行转换。其方法是：以二进制数的小数点为起点，分别向左、向右，每三位(或四位)分一组。对于小数部分，最低位一组不足三位(或四位)时，必须在有效位右边补0，使其足位。然后，把每一组二进制数转换成八进制(或十六进制)数，并保持原排序。对于整数部分，最高位一组不足位时，可在有效位的左边补0，也可不补。48第四十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期六例10(1011011111.10011)2=(?)8=(?)16解1011011111.1001101337.46所以（1011011111.100110）2=（1337.46）81011011111.100110002DF.98即（1011011111.10011）2=（2DF.98）1649第四十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期六

八进制数或十六进制数转换成二进制数八进制(或十六进制)数转换成二进制数时，只要把八进制(或十六进制)数的每一位数码分别转换成三位(或四位)的二进制数，并保持原排序即可。整数最高位一组左边的0，及小数最低位一组右边的0，可以省略。例11(36.24)8=(?)2解

(36.24)8=(011110.010100)2=(11110.0101)236.24例12(3DB.46)16=(?)2解

(3DB.46)16=(001111011011.01000110)2

=(1111011011.0100011)B

3DB.4650第五十页，共六十三页，编辑于2023年，星期六1.4码制1.4.1二一十进制码(BCD码)

二-十进制码是用二进制码元来表示十进制数符“0~9”的代码，简称BCD码(BinaryCodedDecimal的缩写)。用二进制码元来表示“0~9”这10个数符，必须用四位二进制码元来表示，而四位二进制码元共有16种组合，从中取出10种组合来表示“0~9”的编码方案约有2.9×1010种。几种常用的BCD码如表1-4所示。若某种代码的每一位都有固定的“权值”，则称这种代码为有权代码；否则，叫无权代码。51第五十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期六表1–4几种常用的BCD码

十进制数8421码5421码2421码余3码BCDGray码01234567890000000100100011010001010110011110001001000000010010001101001000100110101011110000000001001000110100101111001101111011110011010001010110011110001001101010111100000000010011001001100111010101001100100052第五十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期六1.8421BCD码在十进制数的代码表示中最常见的就是8421BCD码。8421BCD码是有权码，从左到右各位的权值分别为23,22,21,20即8，4，2，1。设8421BCD码四个数字符号为a3,a2,a1,a0,则它所代表的十进制数为8a3+4a2+2a1+1a0,虽然8421BCD码的权值与四位自然二进制码的权值相同，但二者是两种不同的代码。要注意8421BCD码只是取用了四位自然二进制代码的前10种组合，在8421BCD码中不允许出现1010-1111这几个代码，因为在十进制中没有单个的数字与它们对应，因此称作“伪码”。53第五十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期六2.余3码余3码是8421BCD码的每个码组加0011形成的，故称为余3BCD码。其中的0和9，1和8，2和7，3和6，4和5，各对码组相加均为1111，具有这种特性的代码称为自补代码。余3码各位无固定权值，故属于无权码。两个余3BCD码表示的数相加，无进位，减3；有进位，加3。54第五十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期六

3.2421码

2421BCD码的各位权值分别为2，4，2，1，2421码是有权码，也是一种自补代码。用BCD码表示十进制数时，只要把十进制数的每一位数码，分别用BCD码取代即可。反之，若要知道BCD码代表的十进制数，只要把BCD码以小数点为起点向左、向右每四位分一组，再写出每一组代码代表的十进制数，并保持原排序即可。55第五十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期六例13(902.45)10=(?)8421BCD解(902.45)10=(100100000010.01000101)8421BC例14(10000010.1001)5421BCD=(?)10解（10000010.1001)5421BCD=(52.6)1052.6

若把一种BCD码转换成另一种BCD码，应先求出某种BCD码代表的十进制数，再将该十进制数转换成另一种BCD码。56第五十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期六例15(01001000.1011)余3BCD=(?)2421BCD解

(01001000.1011)余3BCD=(15.8)D=(00011011.1110)2421BCD

若将任意进制数用BCD码表示，应先将其转换成十进制数，再将该十进制数用BCD码表示。例16(73.4)8=(?)8421BCD解

(73.4)8=(59.5)10=(01011001.0101)8421BCD57第五十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期六1.4.2可靠性编码代码在产生和传输的过程中，难免发生错误。为减少错误的发生，或者在发生错误时能迅速地发现或纠正，广泛采用了可靠性编码技术。利用该技术编制出来的代码叫可靠性代码，最常用的有格雷码和奇偶校验码。58第五十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期六1.格雷(Gray)码