课题一-认识数字电路

电子电路处理的信号可以分为两类：

模拟信号：在时间和数值上连续变化的信号。

脉冲信号：在时间和数值上离散的信号，其高、低电平分别用数字1和0来表示，故又称为数字信号。某脉冲信号产生过程示意图课题一认识数字电路任务一认识数制与数制转换任务二学习二进制数算术运算任务三学习二进制代码任务四认识基本逻辑关系并测试逻辑门任务五测试TTL集成门电路任务六测试CMOS集成门电路任务七测试集成门电路的逻辑功能任务八化简逻辑函数课题一认识数字电路十进制是人们最熟悉的一种计数法。除此之外，还有其他计数法：

二十四进制计数法——每天24小时；七进制计数法——每周7天；十二进制计数法——一年12个月。八进制计数法——可编程控制器输入、输出端口采用。二进制计数法、十六进制计数法——数字电路

任务引入

任务一认识数制与数制转换课题一认识数字电路（1）由0，1，2，…，9十个数码组成，基数是10。（2）进位规则——“逢十进一”。（3）各位的权是“10”的幂。例如：1．十进制一、几种数制的特点相关知识课题一认识数字电路（1）由0、1两个数码组成，基数是2。（2）进位规则——“逢二进一”。（3）各位的权是“2”的幂。例如：

11位二进制整数的权权21029282726252423222120D102451225612864321684212．二进制课题一认识数字电路（1）由0，1，2，…，7八个数码组成，基数是8。（2）进位规则——“逢八进一”。（3）各位的权是“8”的幂。

将上式各项求和，可得等值的十进制数，即：

[627]8

=

[407]10例如：3．八进制课题一认识数字电路（1）由0～9，A(10)，B(11)，C(12)，D(13)，E(14)，F(15)十六个数码组成，基数是16。（2）进位规则——“逢十六进一”。（3）各位的权是“16”的幂。将上式各项求和，可得等值的十进制数，即：

[6AF]16

=

[1711]10例如：4．十六进制课题一认识数字电路十进制（D）二进制（B）八进制（O）十六进制（H）0000000100011120010223001133401004450101556011066701117781000108几种数制之间的对照表课题一认识数字电路十进制（D）二进制（B）八进制（O）十六进制（H）9100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F16100002010（续表）课题一认识数字电路二、二进制整数与十进制整数的相互转换1．二进制整数转换成十进制数

二进制数转换成十进制数是“按权展开求和”，将二进制数中所有数码1的位权值相加即转换成十进制数。例如：

[101]2

=

4

+

1

=

[5]10

[1111]2

=

8

+

4

+

2

+

1

=

[15]10

[1000010100]2

=

512

+

16

+

4

=

[532]10课题一认识数字电路十进制整数转换成二进制数要用“除2取余法”。【例1-1】将175转换为二进制数。解：应用除2取余法得到余数：所以[175]10

=

[10101111]22．十进制整数转换成二进制数对例题结果进行验证：

[10101111]2=128+32+8+4+2+1=[175]10课题一认识数字电路

三、二进制整数与八进制整数的相互转换

由于八进制的8个数码正好对应于3位二进制数的8种不同组合，所以二进制数码与八进制数码之间有简单的对应关系。课题一认识数字电路

1．二进制整数转换成八进制数二进制整数转换成八进制数时，从低位至高位每3位二进制数对应1位八进制数码。例如：

[1111010110]2=

[1726]8

2．八进制整数转换成二进制数八进制整数转换成二进制数时，每位八进制数对应3位二进制数。例如：

[354]8=

[011101100]2课题一认识数字电路四、二进制整数与十六进制整数的相互转换

由于十六进制的16个数码正好对应于4位二进制数的16种不同组合，所以二进制数码与十六进制数码之间有简单的对应关系。课题一认识数字电路

1．二进制整数转换成十六进制数二进制整数转换成十六进制数，从低位至高位每4位二进制数对应1位十六进制数码。例如：

[11101011110111]2=

[3AF7]16

2．十六进制整数转换成二进制数十六进制整数转换成二进制数，每位十六进制数对应4位二进制数。例如：

[9CB0]16

=

[1001110010110000]2课题一认识数字电路

五、十进制整数与十六进制整数的相互转换

1．十进制整数转换成十六进制数先将十进制整数转换成二进制数，然后再将二进制数转换成十六进制数。例如：

175=10101111B=0AFH

2．十六进制整数转换成十进制数十六进制整数转换成十进制数，用按权展开求和法。例如：课题一认识数字电路知识应用

某灯光显示电路由八盏灯组成，图中灯Y5、Y3和Y0不亮，其余灯均亮。试分别用二、十六、十进制表示电路当前的状态。YB=11010110B

YH=0D6H

YD=128+64+16+4+2=214特点：最直观地表示位状态特点：读写方便、转换简单特点：运算复杂，不能直观表示位状态课题一认识数字电路任务二学习二进制数算术运算

任务引入同十进制运算一样，二进制也可以进行加、减、乘、除运算。在生产实际控制中，当设备具有多个负载时，每个负载对应一个位元件。为了便于编写控制程序和提高控制能力，常将多个位元件组合为一个整体，这些位元件的组合称为字节元件或字元件。课题一认识数字电路相关知识1.加法运算

0+0=00+1=11+0=11+1=10【例1-2】求1001B+1011B的和。一、二进制数绝对值的运算

课题一认识数字电路2.减法运算

0－0=01－0=11－1=010－1=1【例1-3】求1011B－110B的差。课题一认识数字电路3.乘法运算0×0=00×1=01×0=01×1=1【例1-4】求110B×10B的积。

可以看出，二进制数乘以2后，数据向左移动一位；乘以4后，数据向左移动两位……课题一认识数字电路4.除法运算【例1-5】求10010B÷10B的商。

从被除数的高位开始减去除数，够减时商为1，不够减时商为0。从高位向低位继续做下去，就可以得到所求的商。

可以看出，二进制数除以2后，数据向右移动一位；除以4后，数据向右移动两位……课题一认识数字电路二进制数加法、减法、乘法和除法法则加法法则减法法则乘法法则除法法则0

+

0=00

−

0=00

×

0=00÷1=00

+

1=11

−

0=10

×

1=01÷1=11

+

0=11

−

1=01

×

0=01

+

1=1010

−

1=11

×

1=1课题一认识数字电路

二、二进制正负数的表示法

在多位二进制数中，规定最高位是符号位，符号位的数值为0表示正数，为1表示负数，这种表示方法称为二进制原码表示法。例如，十进制数+36和－

36的原码分别写作：课题一认识数字电路

三、字节、字

1.字节8位二进制数的组合称为字节，字节的高4位和低4位称为半字节。十进制数原码十进制数原码+12701111111－110000001+12601111110－210000010…………+200000010－12711111111+100000001－12810000000+000000000一个字节有符号二进制数原码对照表课题一认识数字电路

2.字

字通常由若干个字节组成，2个字节组成的字有16位。十进制数原码十进制数原码+327670111111111111111－11000000000000001+327660111111111111110－21000000000000010…………+20000000000000010－327671111111111111111+10000000000000001－327681000000000000000+0000000000000000016位字有符号二进制数原码对照表无负数0正数0课题一认识数字电路知识应用

某灯光显示电路由八盏灯组成，初始状态时Y1和Y0灯亮。要求电路状态按表中指定状态变化，分析应作何种运算。行数Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0十进制运算0000000113乘以21000001106乘以420001100024乘以8311000000192除以240110000096除以450001100024除以86000000113课题一认识数字电路任务三学习二进制代码

用来表示文字、符号和数码等各种特定信息的二进制数称为二进制代码。

在计算机中，像a，b，c这样的字母以及一些常用的符号（例如+，－，=，@）也要使用二进制代码来表示。要让计算机能以十进制形式输入或输出数据，因此，要解决如何用二进制代码表示十进制数0～9的问题。在工业生产中，为了保证产品质量和控制精度，要求控制系统必须应用可靠性高的代码，如格雷码。任务引入

课题一认识数字电路十进制数8421BCD码十进制数8421BCD码0000081000100019100120010在8421BCD码中1010～1111称为无效码1010300111011401001100501011101601101110701111111

一、8421BCD码BCD码是用4位二进制数来表示1位十进制数。8421BCD码各位的权分别是8，4，2，1。

相关知识课题一认识数字电路【例1-6】（1）写出十进制数256的8421BCD码。（2）将十进制数256转换为二进制数。

解：（1）256的8421BCD码

所以［256］10

=［001001010110］8421BCD（2）［256］10=

［000100000000］2课题一认识数字电路十进制数二进制数格雷码十进制数二进制数格雷码000000000810001100100010001910011101200100011101010111130011001011101111104010001101211001010501010111131101101160110010114111010017011101001511111000

二、格雷码格雷码与十进制数的对应关系见下表。格雷码的特点是任意两个相邻码之间仅有一位数码不同（包括首尾数码）。十进制数与格雷码对应关系课题一认识数字电路知识应用

拨码开关产生的是8421BCD码，与“53”对应的BCD码为“01010011”，由于在数控系统中数据的存储和操作都是二进制形式，因此，数控系统还要通过程序将8421BCD码变换为二进制形式后才能作为操作数据，即拨码开关产生“53”→[01010011]8421BCD→[00110101]2课题一认识数字电路

工业控制中，开关的接通或断开、负载的通电或断电等现象，可以分别用“1”或“0”表示两种相反的逻辑状态。

数字电路中的基本逻辑关系有“与”“或”“非”三种逻辑状态，可以组合表示其他复杂逻辑关系。能实现某种逻辑功能的数字电路称为逻辑门电路。逻辑门电路可以有一个或多个输入端，只有一个输出端。当输入条件满足时，门电路开启，按一定逻辑关系输出信号；否则，门电路关闭。任务引入

任务四认识基本逻辑关系并测试逻辑门课题一认识数字电路一、与逻辑相关知识与逻辑电路结构及与门符号:a）与逻辑电路b）现国家标准c）原国际通用课题一认识数字电路输入A输入B输出Y000010100111与逻辑真值表与逻辑波形图设与逻辑电路开关接通为1，断开为0；灯亮为1，灯灭为0。真值表和波形图如下：课题一认识数字电路0×0

=

00×1

=

01×0

=

01×1

=

1与逻辑运算法则为：与逻辑函数式为：

Y=A×B=A·B=AB

课题一认识数字电路二、或逻辑输入A输入B输出Y000011101111或逻辑真值表或逻辑波形图或逻辑电路结构及或门符号:课题一认识数字电路或逻辑运算法则：或逻辑函数式为：

Y=A＋B

0+0

=

00+1

=

11+0

=

11+1

=

1

课题一认识数字电路三、非逻辑非逻辑运算法则：非逻辑函数式为：输入A输出Y0110非逻辑真值表非逻辑波形图非逻辑电路结构及非门符号:课题一认识数字电路四、与非逻辑与非门逻辑电路结构及与非门符号：与非逻辑函数式:

与非门真值表与非门波形图课题一认识数字电路五、或非逻辑或非门逻辑电路结构及或非门符号：或非逻辑函数式:或非门真值表或非门波形图课题一认识数字电路六、异或逻辑异或逻辑函数式为:

异或逻辑功能是：当2个输入端的电平相同时，输出端为低电平；当2个输入端的电平相异时，输出端为高电平。异或门真值表异或门波形图异或门符号课题一认识数字电路一、与门逻辑测试

与门逻辑测试电路:与逻辑测试表:输入A输入B输出Y00011011任务实施课题一认识数字电路在Multisim2001软件仿真平台上操作步骤如下：（1）从混合元器件库中拖出2输入端与门逻辑符号AND2。（2）从电源库中拖出电源UCC和接地。（3）从基本元器件库中拖出2个电阻（阻值1kΩ）。（4）从基本元器件库中拖出2个开关，将开关的操作键定义为A，B。课题一认识数字电路（5）从显示器材库中拖出指示灯X1。（6）完成电路连接后按下仿真开关进行测试。（7）按照“与逻辑测试表”中所示数据操作按键A或B，并将输出结果填入表中。（8）检查测试结果是否符合与逻辑。（以下测试的操作步骤略）课题一认识数字电路二、或门逻辑测试或门逻辑测试电路:

或逻辑测试表:输入A输入B输出Y00011011课题一认识数字电路三、非门逻辑测试非门逻辑测试电路:

非逻辑测试表:输入A输出Y01课题一认识数字电路四、与非门逻辑测试与非门逻辑测试电路:

与非逻辑测试表:输入A输入B输出Y00011011课题一认识数字电路五、或非门逻辑测试或非门逻辑测试电路:

或非逻辑测试表:输入A输入B输出Y00011011课题一认识数字电路六、异或门逻辑测试

异或门逻辑测试电路:

异或逻辑测试表:输入A输入B输出Y00011011课题一认识数字电路任务五测试TTL集成门电路TTL电路的输入级和输出级均采用晶体管，所以称为晶体管－晶体管逻辑电路，简称为TTL电路。用万用表检测的方法是将待检测集成电路的各管脚与接地管脚之间的阻值与正常集成电路的阻值相比较，来判断被测集成电路好坏的一种方法。集成门电路空载时输出电压UO随输入电压UI变化的曲线称为电压传输特性。通过测试电压传输特性可获得门电路的一些重要参数，如输出高电平UOH、输出低电平UOL、关门电平UOFF、开门电平UON等。任务引入课题一认识数字电路一、TTL集成门电路的概念

1.电路结构相关知识课题一认识数字电路2．工作原理

当输入信号全为高电平（3.6V）时，电源+5V经R1和VT1（bc结）向VT2和VT5提供基极电流，VT2和VT5导通，VT4截止，输出电压为低电平，门电路导通电压值为：UY=UCES5=0.3V课题一认识数字电路

当输入信号有一个或全部为低电平（0.3V）时，VT1导通，VT1基极电位为1V（0.3V+0.7V），不足以向VT2和VT5提供基极电流，所以VT2和VT5截止，电源+5V经R2向VT3和VT4提供基极电流，VT4导通，输出电压为高电平，门电路截止电压值为：

显然，输出与输入是“全1出0，有0出1”的与非逻辑关系，其逻辑函数式为：UY=UCC-IBR2-Ube3-Ube4≈5-0.7-0.7=3.6V课题一认识数字电路74系列TTL集成电路型号分类型号名称74××标准型74LS××低功耗肖特基型74S××肖特基型74AS××先进肖特基型74ALS××先进低功耗肖特基型74F××高速型3．TTL集成电路分类课题一认识数字电路（1）TTL电路电压应稳定在额定值5V。（2）通常输入信号电压不得高于UCC，也不得低于GND。（3）TTL电路的输入端通过电阻接地时，通常，当R≤1kΩ时，输入端相当于逻辑0；当R≥10kΩ时，输入端相当于逻辑1。（4）严禁带电操作。插拔集成电路前要切断电源。（5）集成电路及其引线应远离脉冲高压源等装置，引线要尽量短。4．TTL集成电路使用注意事项课题一认识数字电路5．TTL集成电路中闲置逻辑门的处理

通常在TTL集成电路中有多个逻辑门，为了降低整个电路的功耗，集成电路中非使用的逻辑门应处于截止状态（即输出端为高电平）。对于与非门，应将其中一个输入端接地；对于或非门，应将全部输入端接地。课题一认识数字电路6．TTL集成电路多余输入端的处理

TTL集成电路多余输入端悬空相当于接入高电平，并不影响与逻辑关系，但悬空容易受干扰，因此，与逻辑的多余输入端可直接或通过电阻（100Ω～10kΩ）与电源UCC相接，或将多余的输入端与正常使用的输入端并联使用。或门电路的多余输入端不能悬空，只能接地，否则影响或逻辑关系。课题一认识数字电路

7．TTL集成电路输出端的处理

通常TTL集成电路（OC门、三态门除外）的输出端不允许并联使用，否则当各逻辑门输出状态不相同时，会出现较大的短路电流损坏元件。对于多余的输出端，应该悬空处理，不允许直接与电源或地相连接。但有时为了增大驱动负载的能力，对于同片相同功能的输出端可以并接，同时输入端也必须并接。课题一认识数字电路

二、TTL集电极开路门（OC门）电路

OC门电路正常工作时需要外接负载电阻R和驱动电压U（U=5～30V）。OC门电路结构和逻辑符号课题一认识数字电路

OC门在逻辑功能上可以实现线与逻辑，即两个以上的OC门的输出端可以直接连接（通过负载电阻接电源），当某一个输出端为低电平时，公共输出端Y为低电平，即实现“线与”逻辑功能。图示为两个OC门的“线与”逻辑电路，其逻辑函数式为：课题一认识数字电路

OC门导通OC门截止

OC门的另一个作用是电平转移，OC门常作为接口电路，驱动不同电压等级的负载。

课题一认识数字电路三、TTL三态门电路三态门除高电平和低电平两种输出状态外，还有第三种输出状态—高阻态（Z）。三态与非门的一个输入端在内部通过二极管VD1与晶体管VT2集电极相连，该端不再当作输入端，而称为控制端EN。

a)逻辑结构b)逻辑符号课题一认识数字电路三态门的特点使得在一根导线L（常称为总线）上可以连接多个三态门的输出端，轮流接收来自不同三态门的输出信号。例如，在图示电路中，总线L并接了两个三态与非门G1和G2

。课题一认识数字电路

四、TTL集成门电路的使用条件和电气参数74LS00的推荐使用条件符号名称最小值额定值最大值单位UCC电源电压4.7555.25VUIH输入高电平2VUIL输入低电平0.8VIOH高电平输出电流-0.4mAIOL低电平输出电流8mATA自然通风时环境温度070℃课题一认识数字电路

1.TTL与非门输出、输入电平幅度a）输出电平幅度b）输入电平幅度课题一认识数字电路2.输出低电平时电源电流ICCL

3.输出高电平时电源电流ICCH

实测ICCL=2.82mA，ICCH=0.96mA，所以，为了降低功耗，不使用的逻辑门应处于截止状态。课题一认识数字电路4.高电平输入电流IIH5.低电平输入电流IIL

实测IIH=0.3μA实测

IIL=0.22mA课题一认识数字电路6.输出高电平UOH

7.输出低电平UOL

实测UOH=3.51V实测UOL=0.39V课题一认识数字电路一、测试TTL集成门电路管脚阻值74LS00管脚功能图任务实施课题一认识数字电路

操作步骤

（1）将74LS00芯片插入面包板，IC凹口方向朝向测量人的左侧。（2）选择万用表R×1k量程，将万用表黑表笔接管脚7，红表笔依次接其他管脚，测试各管脚的正向阻值，测试结果填入表中。（3）将万用表红表笔接管脚7，黑表笔依次接其他管脚，测试各管脚的反向阻值，测试结果填入表中。课题一认识数字电路二、测试TTL与非门电压传输特性电压传输特性测试电路

课题一认识数字电路操作要点与注意事项

（1）检查万用表是否为直流电压挡位，20V量程。（2）在连接电路之前先检测直流电源的输出电压是否为5.0V。（3）安装IC时要认真辩认凹口方向。（4）用插接线连接电路，连接完毕检查无误，经指导教师检查后再接通电源。（5）如果测试数值偏差太大，应先断电，然后检查电路和仪表。课题一认识数字电路

操作步骤（1）将74LS00芯片插入面包板，凹口方向向左。（2）用红色插接线连接+5V电源正极与管脚14，用黑色插接线连接电源负极与管脚7。（3）将电位器连线插入面包板。（4）接通电源。测试时调节电位器RP使UI从0V向高电平缓慢变化，逐点测试UI和UO，并将测试值记入测试表中。（5）将测试表中的测试数值通过描点作图法绘在图1-41中，即可得出TTL门电路电压传输特性曲线。（6）根据测试结果在图1-41中标出74LS00门电路输出高电平UOH、输出低电平UOL、开门电平UON和关门电平UOFF。课题一认识数字电路任务六测试CMOS集成门电路

一、CMOS集成门电路的概念

1.CMOS非门电路结构和工作原理当A为高电平时，VT1管导通，VT2管截止，输出端Y为低电平。当A为低电平时，VT2管导通，VT1管截止，输出端Y为高电平。输出与输入之间符合“非”逻辑关系：相关知识课题一认识数字电路

2．CMOS与非门电路结构和工作原理

当输入信号有一个或全部为0时，相应的PMOS管导通，NMOS管截止，输出为高电平；当输入信号全部为高电平时，两个NMOS管导通，PMOS管截止，输出为低电平。输出信号与输入信号之间符合“与非”逻辑关系。课题一认识数字电路TTL集成电路与CMOS集成电路的区别（1）从型号上区分（2）从电源电压上区分（3）从输出电压的动态范围上区分3．CMOS型集成电路使用注意事项课题一认识数字电路任务实施CD4011共有14个管脚，内部有4个相互独立的与非门单元，分别为U1A、U1B、U1C和U1D。课题一认识数字电路操作步骤（1）将CD4011芯片插入面包板，IC凹口方向朝向测量人的左侧。（2）选择万用表R×1k量程，将万用表黑表笔接管脚7，红表笔依次接其他管脚，测试各管脚的正向阻值，测试结果填入表中。（3）将万用表红表笔接管脚7，黑表笔依次接其他管脚，测试各管脚的反向阻值，测试结果填入表中。（4）根据测试结果判断集成电路块的好坏。课题一认识数字电路

任务引入

任务七测试集成门电路的逻辑功能

数字电路中已广泛使用IC芯片，掌握IC芯片逻辑电平的测试方法，是开发和维护数字电子设备的必要技能。测试方法是在各逻辑输入端分别接入不同的电平值，用万用表测量逻辑输出端的电平值，并分析输入与输出是否符合逻辑关系。通常，TTL集成电路的负载电流远远大于CMOS集成门电路，可以直接驱动发光二极管，所以可以从LED的发光状态判断TTL输出端的逻辑电平。课题一认识数字电路电路输入端逻辑输出端逻辑输出端电压输出端电流LED1A1B1Y图a1100.32V5mA亮图b1014.74V0灭相关知识一、TTL与非门的负载驱动课题一认识数字电路二、CMOS与非门的负载驱动课题一认识数字电路1.74LS08与门逻辑功能测试74LS08四2输入与门测试电路

任务实施课题一认识数字电路操作步骤（1）关闭稳压电源开关，将74LS08插入面包板。（2）将+5V电源接到IC管脚14，将电源负极接到IC管脚7。（3）将逻辑门的输入端脚1、脚2用插接线接到逻辑电位上，高电平为逻辑1，低电平为逻辑0。（4）将电阻与LED串联接入逻辑门的输出端脚3。（5）将电压表接入逻辑门的输出端脚3。（6）检查无误后接通电源。（7）用插接线改变输入端的电位，并将测试结果记入表中。（8）检查测试结果是否符合与门逻辑。课题一认识数字电路2.74LS32或门逻辑功能测试74LS32四2输入或门测试电路课题一认识数字电路3.74LS04非门逻辑功能测试74LS04六非门测试电路课题一认识数字电路4.74LS00与非门逻辑功能测试74LS00四2输入与非门测试电路

课题一认识数字电路5.74LS86异或门逻辑功能测试74LS86四异或门测试电路课题一认识数字电路6.CD4011与非门逻辑功能测试CD4011四2输入与非门测试电路

课题一认识数字电路逻辑函数式越简单，它所表示的逻辑关系越清晰，有利于用最少的电子器件来实现这个逻辑函数。常用的化简工具是逻辑代数定律、卡诺图和相应的计算机软件。最简“与或”逻辑函数式的标准是：

（1）逻辑函数式中乘积项的个数最少。（2）每个乘积项中的逻辑变量数最少。任务八化简逻辑函数任务引入

课题一认识数字电路一、逻辑代数运算法则和基本定律1．逻辑代数的运算法则相关知识课题一认识数字电路2．逻辑代数的交换律、结合律和分配律课题一认识数字电路3．逻辑代数的吸收律课题一认识数字电路4．逻辑代数的摩根定律（反演率）课题一认识数字电路二、逻辑函数的公式化简法1．用并项法化简逻辑函数

运用公式，将两项合并为一项，消去一个变量。【例1-8】化简函数：课题一认识数字电路2．用吸收法化简逻辑函数3．用消去法化简逻辑函数运用吸收律A+AB=A，消去多余的与项。例如：运用吸收律消去多余的逻辑变量。例如：课题一认识数字电路4．用配项法化简逻辑函数课题一认识数字电路三、逻辑函数的卡诺图化简法1．真值表与逻辑函数的