第1周数字电路与逻辑设计课件大课

数字电路与逻辑设计主讲宗建华曹淑宽邓革本课程的性质、地位和作用

《数字电路与逻辑设计》是电子、通信、计算机、自动控制等专业重要的专业基础课。它是一门实践性很强的课程，主要任务是为学习专业知识和从事工程技术工作打好数字电子技术的理论基础。电地暖

教学目的和要求

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。掌握数字电路的分析与设计方法，将理论与实验相结合，加强基本技能的训练，进一步培养学生分析问题与解决问题的能力,为以后深入学习数字电子技术领域的相关内容和专业应用打好基础。第1章数字概念

第2章计数系统、运算和编码第3章逻辑门

第4章布尔代数和逻辑化简第5章组合逻辑

第6章组合逻辑电路函数第7章锁存器、触发器和定时器第8章计数器第9章移位寄存器课程内容第10章内存和外存

第11章数字信号处理第12章集成电子技术

实验安排将于11周后的小课安排实验，主要分为以下几部分：

1、数字器件的认识与验证

2、组合逻辑电路实验

3、时序逻辑电路实验课程考核标准考核内容分数百分比平时成绩作业与课堂练习88%实验1212%考勤1010%期末考试7070%本门课程的最终成绩为各项成绩之和。教材：《数字电子技术》（第九版），[美]ThomasL.Floyd著，余璆等译电子工业出版社，2008.5参考教材：《数字电子技术基础》，阎石主编，高等教育出版社，2007.6《数字电子技术》（第二版），杨志宗主编，高等教育出版社，《电子技术基础》（数字部分），康华光主编，高等教育出版社，课程采用的教材、参考书第1章数字概念1.1数字量和模拟量1.2二进制数、逻辑电平和数字波形

教学内容教学要求1、理解数字信号与模拟信号的区别，掌握数字量的概念；2、掌握二进制数、逻辑电平与数字波形之间的对应关系。

数字技术的发展及其应用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）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.90年代后-97年一片集成电路上有40亿个晶体管。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、三极管器件半导体集成电路集成度:每一芯片所包含的门个数分类门的个数典型集成电路小规模最多12个典型集成电路中规模12~99逻辑门、触发器大规模100~9999小型存储器、门阵列超大规模10,000~99,999大型存储器、微处理器甚大规模106以上可编程逻辑器件、多功能专用集成电路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。数码相机智能仪器计算机数字技术的应用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TTL和CMOS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。

1、数字集成电路的分类数字集成电路的分类及特点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)加密性好数字集成电路的分类及特点3、数字电路的分析、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。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。(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。数字集成电路的分类及特点模拟量和数字量电子电路分为两大类：一类是模拟电路，一类是数字电路。模拟电路研究的是模拟量，数字电路研究的是数字量。

模拟量具有连续的值，数字量具有离散的值。

模拟量和数字量1.模拟信号

电子电路中的信号分为两大类：一类是模拟信号，指在时间和数值上都是连续变化的信号，如模拟话音、温度、压力等一类物理量的信号。工作在模拟信号下的电子电路称为模拟电路。tV(t)在工程上，为了便于分析，常用传感器将模拟量转换为电流、电压或电阻等电量，再进行分析。模拟量和数字量时间温度2.数字信号 另一类是数字信号，指在时间和数值上都是离散的信号，如各种脉冲信号等。工作在数字信号下的电子电路称为数字电路。t(ms)V(V)5010203040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。模拟量和数字量模拟量和数字量时间温度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

模数转换的实现模拟电子系统模拟电子电路处理的是模拟信号，扩音系统是一个典型的模拟电子系统。线性放大器原始声音麦克风音频信号放大的音频信号扬声器还原的声音使用数字方法和模拟方法的系统

光盘播放器是一个同时使用数字电路和模拟电路的系统。二进制数、逻辑电平和数值波形二值数字逻辑和逻辑电平在电路中用高、低电平表示1、0两种逻辑状态

0、1数码---表示数量时称二进制数。（1个二进制数为1位,1bit）表示方式二值数字逻辑电压(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二进制数、逻辑电平和数值波形二值数字逻辑和逻辑电平无特殊说明，通常指正逻辑电压(V)二值逻辑正逻辑负逻辑+51H(高电平)L(高电平)00L(低电平)H(低电平)逻辑电平用来表示1和0的电压称为逻辑电平。一个电平表示高电压，另一个电平表示低电压。高电压可以是指定的一个电压取值范围内的任意值。低电压可以是指定的最小值和最大值之间的任意值。二进制数、逻辑电平和数值波形数字信号所表现的形式是一系列高、低电平组成的脉冲波，即信号总是在高电平和低电平之间来回变化。重要的是要能正确区分出信号的高、低电平，并正确反映电路的输出与输入之间的关系，至于高、低电平值精确为多少的电压值则无关紧要。

t(ms)V(V)(a)用逻辑电平描述的数字波形(b)16位数据的图形表示数字波形数字波形------是信号逻辑电平对时间的图形表示。二进制数、逻辑电平和数值波形波形特性周期性和非周期性二进制数、逻辑电平和数值波形非周期性数字波形周期性数字波形实际脉冲波形及主要参数占空比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的时间间隔，周期与频率成倒数

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

例：下图为某周期数字波形的一部分，单位为ms，试计算：周期、频率和占空比。解：

(a)周期是

10ms(b)频率是

(c)占空比为

例：

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。Vt(ms)0VmwtT

数字波形携带二进制信息计数系统处理的二进制信息以波形的形式出现，它表示一系列的二进制位。当波形为高电平时，表示1；为低电平时，表示0.

每个位在一个序列里所占的固定时间间隔称为位时间。

数字波形携带二进制信息所有波形都与一个基本时序波形同步，称之为时钟。时钟是周期波，每两个脉冲之间的间隔等于一个位时间。波形A的位序列时钟位时间

数字波形携带二进制信息时序图：表示两个或以上个波形的实际时间关系。在此时钟周期内，A、B和C信号都为高电平数据传送数据传送就是把某种信息从一个电路传递到另一个电路。如果是一位一位的传送，则是串行传送；多位一起传送则是并行传送。数据传送串行传送并行传送计算机调制解调器计算机打印机数据传送例：试给出下图波形A中串行传送8个位所需要的时间，并指出位的顺序，时钟以100khz为基准。并行传送8个位需要多少时间？数据传送解：因为时钟的频率为100kHz，周期为传送每位需要的时间，传送8位需要的时间为并行传输8位需要的时间为小结