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文档简介

数字电子技术基础2024/3/11数字电子技术基础序课程介绍1.课程的性质3.课程研究内容5.教材和参考书4.课程特点与学习方法6.考核2.教学目标2数字电子技术基础《数字电子技术基础》课程是电气信息类专业具入门性质的重要的专业基础课。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.课程目标1、正确分析、设计数字电路,特别是集成电路的基础;2、为进一步学习设计专用集成电路(ASIC)的基础。3数字电子技术基础数字信号传输、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、设计的软件工具——ABEL、VHDL、

VerlogHDL、EDA工具软件QuartusII等3.课程研究内容4数字电子技术基础a、发展快b、应用广(2)学习方法打好基础、关注发展、主动更新、注重实践(1)课程特点摩尔定律:集成度按10倍/6年的速度发展。c、工程实践性强4.课程特点与学习方法该发展速度还将持续到2015或2020年,此后将达到饱和。5数字电子技术基础基本电路:设计方法相同,电路形式多样。a、掌握基本概念、基本电路和基本分析、设计方法基本概念:以不变应万变的基础基本分析方法:不同类型的电路有不同的结构特征和不同的描述方法,分析方法和设计方法。b、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。6数字电子技术基础阎石主编《数字电子技术基础》第五版高等教育出版社5.主要教材及参考书康华光主编《电子技术基础数字部分(第五版)》高等教育出版社

阎石主编《帮你学数字电子技术基础释疑、解题、考试》高等教育出版社

JohnF.Wakerly编《数字电路--原理与实践(第四版)》高等教育出版社

罗杰主编《电子技术基础数字部分(第五版)习题全解》高等教育出版社

7数字电子技术基础6、考核

平时成绩+半期成绩50%期末考试成绩50%闭卷

8数字电子技术基础1.数字逻辑基础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9数字电子技术基础5、掌握基本逻辑运算及逻辑函数的表示方法教学基本要求1、了解数字信号与数字电路的基本概念2、了解数字信号的特点及表示方法3、掌握常用二~十、二~一十六进制数的转换4、了解常用二进制码,熟悉8421BCD码1.数字逻辑基础10数字电子技术基础1.1.1数字技术的发展及其应用1906年美国李.德福雷斯特发明了真空三极管1958年美国基尔比制成第一块集成电路6个月后诺伊斯制成第一块硅集成电路1948年晶体管之父威廉•肖克利发明了第一只晶体管诞生1.1数字电路与数字信号11数字电子技术基础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(0.13~0.09

m)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。60~70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1.1.1数字技术的发展及其应用数字技术的发展12数字电子技术基础发展特点: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1.1.1数字技术的发展及其应用13数字电子技术基础1946年2月由宾州大学研制成功ENIAC电子数字积分计算机重达30吨占地250m2启动工耗150000瓦1.8万个电子管保存80个字节1.1.1数字技术的发展及其应用电子管时代14数字电子技术基础晶体管时代电流控制器件半导体技术半导体二极管、三极管器件1.1.1数字技术的发展及其应用15数字电子技术基础半导体集成电路1.1.1数字技术的发展及其应用16数字电子技术基础电路设计方法伴随器件变化从传统走向现代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。1.1.1数字技术的发展及其应用17数字电子技术基础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(ElectronicsDesignAutomation)技术1.1.1数字技术的发展及其应用18数字电子技术基础3、下载2、仿真4、验证结果实验板下载线1.1.1数字技术的发展及其应用19数字电子技术基础1.1.1数字技术的发展及其应用1.将PLD焊在PCB板上

2.接好编程电缆

3.现场烧写PLD芯片20数字电子技术基础

应用:发展快、应用最广泛的现代技术.雷达技术通信技术计算机、自动控制航空航天“勇气”号火星探测器1.1.1数字技术的发展及其应用21数字电子技术基础22数字电子技术基础数码相机智能仪器计算机1.1.1数字技术的发展及其应用23数字电子技术基础根据电路的结构特点及其对输入信号的响应规则的不同,--数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。从集成度不同--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。从电路的形式不同,--数字电路可分为集成电路和分立电路从器件不同--数字电路可分为CMOS

和TTL电路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24数字电子技术基础可编程逻辑器件、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10,000~99,999超大规模小型存储器、门阵列100~9999大规模计数器、加法器12~99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1.1.2数字集成电路的分类及特点25数字电子技术基础2、数字集成电路的特点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1.1.2数字集成电路的分类及特点26数字电子技术基础3、数字电路的分析、设计与测试(1)数字电路的分析方法1.1.2数字集成电路的分类及特点数字电路的分析:根据电路确定电路输出与输入之间的逻辑关系。(2)数字电路的设计方法数字电路的设计: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。电路逻辑功能主要用真值表、功能表、逻辑表达式和波形图。27数字电子技术基础---时间和数值均连续变化的电信号,如正弦波、三角波等uOt

Otu1.模拟信号与数字信号1.1.3数字电路与数字信号模拟信号28数字电子技术基础数字信号---在时间上和数值上均是离散的信号。数字信号波形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1.1.3数字电路与数字信号29数字电子技术基础3、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

3V

数字输出

0

0

0

0

1

1

模数转换的实现

t/s

v/mV

0

v/mV0

t/s

t1

t2

t0

0

00001110t3

t/s

0000110000001001000010001.1.3数字电路与数字信号30数字电子技术基础电压(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)1.1.4数字信号的描述方法1、二值数字逻辑和逻辑电平a、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31数字电子技术基础(a)用逻辑电平描述的数字波形(b)16位数据的图形表示

/V

5

0

t/ms

50

100

150

200

逻辑0

逻辑1

2、数字波形1

0

1

0

0

1

1

1

1

0

0

1

0

1

0

1

数字波形------是信号逻辑电平对时间的图形表示.1.1.4数字信号的描述方法32数字电子技术基础ΔtΔt为一拍数字波形(a)1110110001高电平低电平有脉冲(b)*非归零型*归零型比特率--------每秒钟转输数据的位数无脉冲10(1)数字波形的两种类型:2、数字波形1.1.4数字信号的描述方法33数字电子技术基础(2)周期性和非周期性

TtW非周期性数字波形周期性数字波形

周期性数字波形1.1.4数字信号的描述方法 Q(%)

34数字电子技术基础

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

非理想脉冲波形(3)实际脉冲波形及主要参数理想脉冲波形1.1.4数字信号的描述方法35数字电子技术基础

上升时间脉冲宽度下降时间脉冲幅度脉冲周期占空比q=tW/T36数字电子技术基础占空比Q-----表示脉冲宽度占整个周期的百分比几个主要参数: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的时间间隔1.1.4数字信号的描述方法37数字电子技术基础(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。

某存储器读数据的时序图ttCO数据RD地址bbtAA1.1.4数字信号的描述方法t38数字电子技术基础1.2几种常用的数制数制: ①每一位的构成 ②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39数字电子技术基础十进制,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一40数字电子技术基础十进制数二进制八进制十六进制00000000001000101102001002203001103304010004405010105506011006607011107708100010809100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F不同进制数的对照表41数字电子技术基础一般表达式:1.2.1十进制十进制采用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”。(4587.29)D=4

103+5102+8101+7100+210

1+910

2系数位权任意进制数的一般表达式为:各位的权都是10的幂。数制:多位数码中的每一位数的构成及低位向高位进位的规则十进制:十进制数的展开式42数字电子技术基础二进制:(脚注也用B表示)(101.11)2=122+021+120+12

1+12

2=(5.75)10八进制:(脚注也用O表示)16进制:(脚注也用H表示)43数字电子技术基础1.3不同数制间的转换一、二-十转换例:44数字电子技术基础二、十-二转换整数部分:例:∟∟∟∟∟∟∟∟45数字电子技术基础二、十-二转换小数部分:例:46数字电子技术基础652余数=1=D0322余数=0=D1162余数=0=D282余数=0=D342余数=0=D422余数=0=D512余数=1=D60所以[例]:将十进制数65转换为二进制数:a.整数部分用“辗转相除”法:(××

×)D=(D7D6D5D4…D1D0)B47数字电子技术基础解由于二进制数基数为2,所以逐次除以2,取其余数(0或1):5322621322623120商余数101011LSBMSB所以(53)D=(110101)B()

53

D转换成二进制数。将十进制数练习a.整数部分用“辗转相除”法:48数字电子技术基础小数部分:乘2法0.625×21.250整数部分=1=D-10.250×20.500整数部分=0=D-20.500×21.000整数部分=1=D-3所以[例]:将十进制数0.625转换为二进制数:乘2法;将十进制数的小数部分乘2,取其整数得D-1,;再将小数部分乘2,取其整数得D-2;再将小数部分乘2…49数字电子技术基础解由于精度要求达到0.1%,0.1%

1/1024.所以,需要精确到二进制小数10位,即1/210。0.39×2=0.780.78×2=1.560.56×2=1.120.12×2=0.240.24×2=0.480.48×2=0.96b-6=00.96×2=1.92b-7=10.92×2=1.84b-8=10.84×2=1.68b-9=10.68×2=1.36b-10=1所以

%1.0。到例2将十进制小数(0.39)D转换成二进制数,要求精度达b-1=0b-2=1b-3=1b-4=0b-5=050数字电子技术基础方法:按二进制展开式展开,即将每位的系数乘以该位的权值,然后各项乘积相加,就可得到等值的十进制数。二-十转换[例]:将二进制数101.11转换为十进制数:51数字电子技术基础三、二-十六转换例:将(01011110.10110010)2化为十六进制四、十六-二转换例:将(8FAC6)16化为二进制52数字电子技术基础2、二--十六进制之间的转换

⑴二进制转换成十六进制:因为16进制的基数16=24,所以,可将四位二进制数表示一位16进制数,即0000~1111表示0-F。方法:从低位到高位将每4位二进制数分为一组,并将每一组以等值的十六进制数代之,即可得到对应的十六进制数。=(51B)H53数字电子技术基础(8FC6)H[例]:将十六进制数8FC6转换为二进制数:方法:将每位16进制数展开成四位二进制数,排列顺序不变即可。练习(BEEF)H=(1011111011101111)B⑵十六进制转换成二进制:54数字电子技术基础四、八进制数与二进制数的转换例:将(011110.010111)2化为八进制例:将(52.43)8化为二进制55数字电子技术基础根据式将各位按权展开后相加。十-十六转换先转换成二进制数,再转换成等值的十六进制数。十六进制数与十进制数的转换⑴十六-十转换⑵十-十六转换56数字电子技术基础1.4二进制运算1.4.1二进制算术运算的特点 算术运算:1:和十进制算数运算的规则相同2:逢二进一

特点:加、减、乘、除全部可以用移位和相加这两种操作实现。简化了电路结构

所以数字电路中普遍采用二进制算数运算57数字电子技术基础58数字电子技术基础1.4.2反码、补码和补码运算

二进制数的正、负号也是用0/1表示的。在定点运算中,最高位为符号位(0为正,1为负)如+89=(01011001)

-89=(1

1011001)59数字电子技术基础二进制数的补码: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=(00101)

-5=(11011)通过补码,将减一个数用加上该数的补码来实现60数字电子技术基础10–5=510+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61数字电子技术基础1011–0111=0100(11-7=4)1011+1001=10100

=0100(舍弃进位)(11+9-16=4)0111+1001=240111是-1001对模24(16)

的补码62数字电子技术基础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13+10

、13-10、-13+10、-13-10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:63数字电子技术基础

1.5二进制代码二进制代码的位数(n),与需要编码的事件(或信息)的个数(N)之间应满足以下关系:2n-1≤N≤2n1.二—十进制码进制码(数值编码)(BCD码-----BinaryCodeDecimal)用4位二进制数来表示一位十进制数中的0~9十个数码。

从4位二进制数16种代码中,选择10种来表示0~9个数码的方案有很多种。每种方案产生一种BCD码。码制:编制代码所要遵循的规则64数字电子技术基础BCD码十进制数码8421码2421码5421码余3码余3循环码0000000000000001100101000100010001010001102001000100010010101113001100110011011001014010001000100011101005010110111000100011006011011001001100111017011111011010101011118100011101011101111109100111111100110010100000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111(1)几种常用的BCD代码65数字电子技术基础对于有权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

BCD2

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