电子技术基础与技能 第4版 教案 14 数制与码制

PAGE2武汉市仪表电子学校电工电子教案第五章教案授课班级课程名称电子技术基础与技能教学内容数制与码制课堂类型学时学时授课时间教学目标知识目标：1、十进制数、二进制数、十六进制数2、不同数制的转换3、8421BCD码素养目标：培养学生认真严谨的分析问题能力教学重、难点教学重、难点：不同数制的转换教学内容及步骤备注5.2数制与码制人们习惯使用的是十进制数（如563），而在实际的数字电路中采用十进制十分不便，因为十进制有十个数码，要想严格的区分开必须有十个不同的电路状态与之相对应，这在技术上实现起来比较困难。因此在实际的数字电路中一般不直接采用十进制，而广泛应用二进制，但又由于二进制数有字码长、位数多的缺点，在数字计算机编程中，为了书写方便也常采用十六进制，有时也采用八进制的计数方式。5.2.1数制【相关概念】（1）数制：就是数的进位制。（2）位权（位的权数）：同一数码在不同位置上所表示的数值是不同的。【十进制数】（1）采用0、1、2、…、9十个基本数码。（2）运算规律：逢十进一、借一当十。例如：十进制数55所以：十进制数55的位权展开式为：(55)10＝5×101＋5×100【二进制数】（1）采用0和1两个基本数码。（2）运算规律：逢二进一，借一当二。二进制数的位权展开式：二进制数只有0、1两个数码，适合数字电路状态的表示，（例如用晶体二极管的开和关表示0和1、用晶体三极管的截止和饱和表示0和1），电路实现起来比较容易。【十六进制数】（1）采用0～9、A～F十六个数码，符号A～Ｆ对应10～15。（2）运算规律：逢十六进一，借一当十六。十六进制数的位权展开式：例如：(8F8)16＝8×162＋15×161＋8×160【不同数制的转换】（1）二进制转换为十进制的方法是：先写出二进制的位权展开式，然后按十进制相加，就可得到等值的十进制数。（2）十进制转换为二进制：分为整数部分转换和小数部分转换，转换后再合并。整数部分转换采用除2倒取余法，小数部分转换采用乘2顺取整法。5.2.2码制在数字系统中可用多位二进制数码来表示数量的大小，也可表示各种文字、符号等，这样的多位二进制数码叫代码。数字电路处理的是二进制数据，而人们习惯使用十进制，所以就产生了用四位二进制数表示一位十进制数的计数方法，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。其中8421BCD码使用最多。【8421BCD码】表示方法为：四位二进制数码的位权从高位到低位依次是8（23）、4（22）、2（21）、1（20）。十进制数与8421BCD码对应关系如表5-1所示。在8421BCD码中利用4位二进制数的16种组合0000～1111中的前10种组合：0000～1001代表十进制数的0～9，后6种组合1010～1111为无效码。用8421BCD码表示十进制数时，将十进制数的每个数码分别用对应的8421BCD码组代入即可。例如十进制365用8421BCD码表示时，直接将十进制数3、6、5对应的四位二进制数码0011、0110、0101代入即可得到转换结果，即：(365)10＝(001101100101)8421BCD【例5-3】把十进制数78表示为8421BCD码的形式。解：(78)10＝(01111000)8421BCD第五章教案授课班级课程名称电子技术基础与技能教学内容逻辑门电路课堂类型学时学时授课时间教学目的1、与逻辑关系和与门电路2、或逻辑关系与或门电路教学重、难点教学重、难点：逻辑关系、逻辑真值表教学内容及步骤备注5.3逻辑门电路逻辑门电路是用以实现一定逻辑关系的电子电路，简称门电路，是组成数字电路的最基本单元。【分类】（1）按逻辑功能不同可分为：基本逻辑门和复合逻辑门。基本逻辑门包括与门、或门、非门；复合逻辑门包括与非门、或非门、与或非门、同或门、异或门等。（2）按功能特点不同可分为：普通门(推拉式输出)、输出开路门、三态门等。（3）按电路结构不同可分为：分立元件门电路和集成门电路两大类。其中集成门电路又包括输入端和输出端都由双极型晶体三极管构成的TTL集成门电路和以互补对称单极型MOS管构成的CMOS集成门电路。5.3.1简单门电路（1）与逻辑关系和与门电路课堂演示1用2个串联开关控制一盏灯——与逻辑如图5-8所示,很显然，若要灯亮，则2个开关必须全都闭合。如有一个开关断开，灯就不亮。图5-8与运算（与逻辑）【与逻辑关系】仅当决定事件（Y）发生的所有条件（A，B，C，…）均满足时，事件（Y）才能发生,这种逻辑关系称为与逻辑关系。在逻辑代数中，与逻辑又称逻辑乘。【逻辑真值表】用A和B分别代表2个开关，并假定闭合为1，断开为0，Y代表灯，亮为1，灭为0，则与逻辑关系可用表5-2表示。这种把所有可能的条件组合及其对应结果依次列出来的表格叫做真值表。表5-2与逻辑真值表【逻辑表达式】Y=A·B=AB其中，“·”为逻辑乘符号，也可省略。读作“A与B”【逻辑符号】实现与逻辑关系的电路称为与门电路。其逻辑符号如图5-9所示。图5-9与逻辑符号【逻辑功能】与逻辑功能可表述为：输入全1，输出为1；输入有0，输出为0。【波形图】与逻辑波形图，如图5-10所示。AABY100000010111图5-10与逻辑波形图（2）或逻辑关系与或门电路课堂演示2用2个开关并联控制一盏灯——或逻辑如图5-11所示，可以看出，2个开关中只要有一个闭合，灯就亮；如果想要灯灭，则2个开关必须全断开。【或逻辑关系】当决定事件（Y）发生的各种条件（A，B，C，…)中，只要有一个或多个条件具备，事件（Y）就发生。在逻辑代数中，或逻辑又称逻辑加。【真值表】用A和B分别代表2个开关，并假定闭合为1，断开为0，Y代表灯，亮为1，灭为0，则或逻辑的真值表如表5-3所示。表5-3或逻辑的真值表ABY000011101111【逻辑表达式】Y=A+B其中，“+”为逻辑加符号。A+B读作“A或B”【逻辑符号】实现或逻辑关系的电路称为或门电路。其逻辑符号如图5-12所示。图5-12或逻辑符号【逻辑功能】或逻辑功能可表述为：输入有1，输出为1；输入全0，输出为0。【波形图】或逻辑波形图，如图5-13所示。AABY101000011111图5-13或逻辑波形图第五章教案授课班级课程名称电子技术基础与技能教学内容非逻辑关系与复合门电路课堂类型学时学时授课时间教学目的1、非逻辑关系与非门电路2、复合门电路教学重、难点教学重、难点：复合门电路教学内容及步骤备注课堂演示3用1个开关控制一盏灯——非逻辑如图5-14所示，开关闭合，灯就灭，如果想要灯亮，则开关需断开。a)非运算电路b）电路实物图c）非逻辑关系图5-14非运算（非逻辑）【非逻辑关系】当决定事件（Y）发生的条件（A）满足时，事件不发生；条件不满足，事件反而发生。在逻辑代数中，非逻辑又称反逻辑。【真值表】用A和B分别代表2个开关，并假定闭合为1，断开为0，Y代表灯，亮为1，灭为0，则非逻辑的真值表如表5-4所示。表5-4非逻辑的真值表【逻辑表达式】Y=其中，“”为逻辑非符号。读作“A非或A反”。【逻辑符号】实现非逻辑关系的电路称为非门电路。其逻辑符号如图5-15。图5-15非逻辑符号【逻辑功能】非逻辑功能可表述为：输入为1，输出为0；输入为0，输出为1。【波形图】非逻辑波形图,如图5-16所示。AAY100011图5-16非逻辑波形图（4）复合门电路:表5-5所示为常用与非门、或非门和异或门的逻辑组成、逻辑表达式、逻辑功能及逻辑符号的对比。表5-5常用逻辑门的逻辑表达式、逻辑功能和逻辑符号第五章教案授课班级课程名称电子技术基础与技能教学内容晶体二极管和晶体晶体三极管等元件构成的最简单与、或、非门电路课堂类型学时学时授课时间教学目的1、掌握电路连接2、稳压电源的使用教学重、难点教学重、难点：电路的连接教学内容及步骤备注（5）由晶体二极管和晶体晶体三极管等元件构成的最简单与、或、非门电路。课堂演示4【最简单的晶体二极管与门电路】如图5-17所示。a)b）图5-17晶体二极管与门电路a)原理图b）实物图在晶体二极管与门的两个输入端A、B分别输入一定大小的电压信号，并测量出输出端Y的电压大小，测量情况如表5-6所示。如果灯亮用逻辑1表示高电平，灯不亮用逻辑0表示低电平，则可根据表5-6列出其真值表，如表5-7所示。表5-6与逻辑表表5-7与门真值表A/VB/VY/V0．30．310．33130．31333．7ABY000010100111结论：晶体二极管与门电路只有当A、B均输入高电平时，输出Y才为高电平，在其他情况下输出均为低电平。符合与逻辑关系，其逻辑表达式为Y＝AB。【最简单的晶体二极管或门电路】如图5-18所示。a)原理图b）实物图图5-18晶体二极管或门电路在晶体二极管或门的两个输入端A、B分别输入一定大小的电压信号，并测量出输出端Y的电压大小。测量情况如表5-8所示。根据表5-8列出其真值表，如表5-9所示。表5-8或逻辑表表5-9或门真值表A/VB/VY/V0．30．300．332．330．32．3332．3ABY000011101111结论：晶体二极管或门电路中只要A、B有高电平输入时，输出Y就为高电平。只有A、B都为低电平时，Y才为低电平，符合或逻辑关系，其逻辑表达式为Y＝A＋B。【最简单的晶体三极管非门电路】如图5-19所示。a)原理图b）实物图图5-19晶体三极管非门电路在晶体三极管输入端A分别输入一定大小的电压信号，并测量出输出端Y的电压大小。测量结果是：输入低电压时，输出为高电压，反之输出为低电压。从而可以得出该电路的真值表，如表5-9所示。表5-10非门真值表AY0110结论：当输入为高电平时，晶体三极管饱和导通，输出Y为低电平，而输入为低电平时，晶体三极管截止输出为高电平，因此，输出与输入的电平之间是反相关系，它实际上就是一个非门（亦称反相器），其逻辑表达式为。第五章教案授课班级课程名称电子技术基础与技能教学内容集成TTL门电路课堂类型学时学时授课时间教学目的1、集成TTL门电路2、TTL门电路使用注意事项教学重、难点教学重、难点：TTL门电路使用注意事项教学内容及步骤备注5.3.2集成TTL门电路集成TTL门电路的输入端和输出端都采用了晶体三极管，称之为双极型晶体三极管集成电路，简称集成TTL门电路。他开关速度快，是目前应用较多的一种集成逻辑门。这里我们不再介绍其内部电路组成，主要了解它的外部特性、逻辑功能主要参数和使用注意事项等。【普通集成TTL门电路】（1）与非门：如图5-21所示为74LS00（T4000）四2输入与非门管脚排列图，其逻辑表达式分别为。图5-21常用的集成与非门74LS00（T4000）管脚排列图（2）与门。如图5-22a)所示为三3输入与门的管脚排列图。其逻辑表达式为Y=ABC。（3）非门。如图5-22b)所示为六反相器（非门）的管脚排列图。其逻辑表达式为Y=。（4）或非门。如图5-22c)所示为四2输入或非门的管脚排列图。其逻辑表达式为Y=。a）与门b）非门c)或非门图5-22与门、非门、或非门【OC门】在实际电路中，往往需要将两个或以上门电路的输出端并联在一起使用，称为线与。但前面介绍的普通TTL与非门不能实现线与，而OC门可以实现线与。集电极开路的与非门称为OC门。OC门逻辑符号如图5-23所示。图5-23OC门逻辑符号【OC门主要功能】（1）实现与非功能：如图5-25所示。图5-25OC门实现与非功能（2）实现线与功能：如图5-26所示：G1、G2任一导通，Y=0；G1、G2全截止，Y=1。所以：图5-26OC门实现线与功能（3）用于数字系统接口部分的电平转换：如图5-27所示，即利用OC门把输出的高电平转换为12V电路。图5-27OC门实现电平转换（4）用于驱动指示灯、驱动器等：如图5-28所示的是OC门驱动指示灯。图5-28OC门实现驱动【三态输出门（TSL门）】具有三种输出状态——高电平、低电平、高电阻状态的门电路，称为三态门电路。图5-29所示为三态门的逻辑符号，是在普通门电路的基础上，多了一个控制端EN或，EN或称使能端。a）＝0有效b）EN＝1有效图5-29三态门的逻辑符号（1）使能端低电平有效的三态门：＝0时，输出；=1时，输出Y呈现高阻态；（2）使能端EN高电平有效的三态门：EN＝1时，输出；EN=0时，输出Y呈现高阻态。【TTL门电路使用注意事项】（1）电源电压及电源干扰的消除74系列电源电压满足（5±5%）V，54系列电源电压满足（5±10%）V。为防止外来干扰通过电源串入电路，需对电源进行滤波。在印制板电源输入端接10~100mF电容至地，对低频滤波。电路中每隔6~8个门接0.01~0.1mF电容至地，对高频滤波。（2）输出端的连接普通TTL门输出端不允许直接并联使用。三态输出门的输出端可并联使用，但同一时刻只能有一个门工作，其他门输出处于高阻状态。集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端和电源VCC之间应接负载电阻RL。输出端不允许直接接电源VCC或直接接地。输出电流应小于产品手册上规定的最大值。（3）多余输入端的处理与门和与非门的多余输入端接逻辑1。即可以直接接5V的电源，或通过1～10k电阻接电源。如图5-31所示。图5-31多余输入端的处理或门和或非门的多余输入端接逻辑0。即可以直接接地。如图5-32所示。图5-32多余输入端的处理第五章教案授课班级课程名称电子技术基础与技能教学内容CMOS门电路课堂类型学时学时授课时间教学目的1、常见CMOS门电路2、CMOS集成门电路的特点3、CMOS集成门的使用注意事项教学重、难点教学重、难点：CMOS集成门的使用注意事项教学内容及步骤备注*5.3.3CMOS门电路MOS集成逻辑门是采用MOS管作为开关元件的数字集成电路。它具有工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低等优点，MOS门有PMOS、NMOS和CMOS三种类型，CMOS电路又称互补MOS电路，突出的优点是静态功耗低、抗干扰能力强、工作稳定性好、开关速度高，是性能较好且应用较广泛的一种电路。【CMOS反相器】CMOS反向器由N沟道和P沟道的MOS管互补构成，电路组成如图5-33所示。当输入端A为高电平1时，输出Y为低电平0；反之，当输入A为低电平0时，输出Y为高电平。其逻辑表达式为：。图5-33CMOS反相器【CMOS与非门】常用的CMOS与非门如CC4011等，图5-34(a)为CC4011与非门引脚排列图【CMOS或非门】常用的CMOS或非门如CC4001等，图5-34(b)为CC4001或非门引脚排列图。a)CC4011与非门引脚排列图b)CC4001或非门引脚排列图图5-34CMOS与非门和或非门引脚排列图注意：CMOS“与非”门的输入端越多，串联的驱动管越多，导通时的总电阻就愈大，输出低电平值将会因输入端的增多而提高，对于CMOS“或非”门因驱动管并联，不存在这个问题，因此，CMOS门电路中“或非”门用的较多。【CMOS集成门电路的特点】与TTL集成电路相比，CMOS电路具有如下特点：（1）制造工艺较简单，集成度和成品率较高。（2）功耗低。（3）电源电压范围宽。（4）输入阻抗高。（5）抗干扰能力强。（6）当配备适当的缓冲器后，能与现有的大多数逻辑电路兼容【CMOS集成门的使用注意事项】（1）电源电压1）注意不同系列CMOS电路允许的电源电压范围不同，一般为3~18V，多用+5V。电源电压越高，抗干扰能力也越强。2）电源电压极性不能接反也不能超压，否则，可能会造成电路永久性失效。3）在进行CMOS电路实验或对CMOS数字系统进行调试、测量时，应先接入直流电源，后接入信号源；使用结束时，应先关信号源，后关直流电源。（4）其他注意事项1）CMOS集成门焊接时，电烙铁必须接地良好，必要时，将电烙铁的电源插头拔下，利用余热焊接。2）集成电路在存放和运输时，应放在导电容器或金属容器内。3）组装、调试时，应使所有的仪表、工作台面等有良好的接地。第五章教案授课班级课程名称电子技术基础与技能教学内容逻辑代数的基本运算及规则课堂类型学时学时授课时间教学目的1、逻辑代数的基本运算及规则2、逻辑代数的基本定律和公式教学重、难点教学重、难点：逻辑代数的基本运算及规则教学内容及步骤备注5.4基本逻辑运算逻辑代数又称布尔代数，是分析数字电路所使用的数学工具。任何事物的因果关系均可用逻辑代数中的逻辑关系表示，这些逻辑关系也称逻辑运算。5.4.1逻辑代数的基本运算及规则（1）逻辑代数运算规则逻辑代数基本运算只有：与（AND）、或（OR）、非（NOT）三种。【与运算规则】0·0=0，0·1=0，1·0=0，1·1=1。【或运算规则】0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=1。【非运算规则】（2）逻辑代数的基本定律和公式逻辑代数的基本定律和公式，如表5-11所示。表5-11逻辑代数的基本定律和公式注意：证明上述各定律可用列真值表的方法，即分别列出等式两边逻辑表达式的真值表，若两个真值表完全一致，则表明两个表达式相等，定律得证。案例解析【例5-4】证明反演律:证明：将等式两端列出真值表，如表5-12所示，表5-12真值表由表可知，，所以等式成立。第五章教案授课班级课程名称电子技术基础与技能教学内容逻辑函数的公式化简法课堂类型学时学时授课时间教学目的1、逻辑函数的表达式及最简的概念2、逻辑函数的公式化简法教学重、难点教学重、难点：逻辑函数的公式化简法教学内容及步骤备注*5.4.2逻辑函数的公式化简法逻辑函数化简的意义在于逻辑表达式越简单，实现它的电路越简单，电路工作越稳定可靠。逻辑函数的公式化简法就是运用逻辑代数的运算规则、基本公式和定律来化简逻辑函数。【逻辑函数的表达式及最简的概念】对于一个逻辑函数可用多种不同的表达式表示，大致可分为：“与或”、“或与”、“与非—与非”、“或非—或非”、“与或非”表达式。所谓最简式，必须是乘积项的个数最少，其次是每个乘积项中所含变量个数为最少。注意：由于同一个逻辑函数可用多种不同的表达式表示，所以公式化简法是没有固定的步骤的，下面我们介绍几种常用的化简方法。【并项法】利用公式，将两乘积项合并为一项，并消去一个互补（相反）的变量。如【吸收法】利用公式A+AB=A吸收多余的乘积项。如【消去法】利用公式 消去多余因子,如【配项法】利用公式，给某函数配上适当的项，进而可以消去原函数式中的某些项。如案例解析【例5-5】化简函数 分析表面看来似乎无从下手，好像Y不能化简，已是最简式。但如果采用配项法，则可以消去一项。解法一：解法二：若前2项配项，后2项不动，则由此可见，公式法化简的结果并不是唯一的。如果两个结果形式（项数、每项中变量数）相同，则二者均正确，可以验证二者逻辑相等。第五章教案授课班级课程名称电子技术基础与技能教学内容逻辑函数的表示法课堂类型学时学时授课时间教学目的1、常用的逻辑函数表示法2、相互转换方法教学重、难点教学重、难点：相互转换方法教学内容及步骤备注5.4.3逻辑函数的表示法表示一个逻辑函数有多种方法，常用的有：真值表、逻辑函数式、逻辑图、波形图。它们各有特点又相互联系，还可以相互转换。【例5-6】已知函数的逻辑表达式，列出Y的真值表，画出逻辑图和波形图解：该函数有两个变量，有4种取值的可能组合，将他们按顺序排列起来即得真值表。如表5-14所示。表5-14真值表（2）由真值表求逻辑表达式。将真值表中函数值等于1的变量组合选出；每个组合中凡取值为1的变量写成原变量的形式（如A，B，C），取值为0的变量写成反变量的形式（如，，）；将同一组合中的所有变量相乘得到一个乘积项；最后将所有组合的乘积项相加就可得到逻辑表达式。案例解析【例5-7】已知逻辑函数的真值表，如表5-15所示，求逻辑表达式。表5-15真值表解：Y=1的变量组合有011、101、110、111。各个组合对应的乘积项为、、、。将所有乘积项相加，即得（3）由逻辑图求逻辑表达式根据已知逻辑图，由逻辑图逐级写出逻辑表达式。案例解析【例5-8】写出图5-38所示逻辑图的函数表达式。图5-38逻辑图解：由输入至输出逐步写出逻辑表达式：Y1=ABY2=BCY3=ACY=Y1+Y2+Y3=AB+BC+AC（4）由逻辑表达式画逻辑图与、或、非的运算组合可实现逻辑表达式，相应地逻辑图的组合也能给定逻辑表达式相应的逻辑图。案例解析【例5-9】画出逻辑函数式Y=AB+的逻辑图。解：可用两个非门、两个与门和一个或门组成。如图5-39所示。图5-39Y=AB+逻辑图2.逻辑函数的逻辑图如图5-40所示，请写出表达式，并列出逻辑函数的真值表。图5-40逻辑图第五章教案授课班级课程名称电子技术基础与技能教学内容技能训练集成TTL逻辑门电路逻辑功能的测试课堂类型学时学时授课时间教学目的1、熟悉常见TTL集成门电路的外形和引脚排列规律，并能正确识读其逻辑功能2、掌握门电路逻辑功能的测试方法，验证常用逻辑门的逻辑功能。3、了解数字实验箱的结构、基本功能和使用方法。教学重、