《数字电子技术基础-刘如军》ch课件

数字电子技术基础本课程旨在全面系统地介绍数字电子技术的基础知识,为后续学习打下坚实的基础。涵盖了逻辑门电路、数字系统设计、存储器、数字信号处理等核心内容。绪论数字电子技术是现代电子技术的重要组成部分,其基本原理和基本知识是电子信息技术专业必修的一门基础课程。该课程将系统地介绍数字电子技术的基本概念、基本原理和基本电路。数制与编码二进制数字系统二进制数字系统使用0和1两个数字表示信息,是计算机和数字电子系统的基础。它具有简单、可靠、易于实现的优点。十六进制数字系统十六进制数字系统使用0-9和A-F十六个数字,能更紧凑地表示二进制数。它广泛应用于计算机和嵌入式系统中。数字编码技术常见的数字编码技术包括BCD码、格雷码和ASCII码等,它们能将数字和字符转换为机器可识别的形式。布尔代数与逻辑门1布尔代数基础布尔代数是描述数字电路的重要数学工具,包括与、或、非等基本逻辑运算。2逻辑门电路逻辑门是实现布尔代数运算的基本电子元件,如AND、OR、NOT等。不同逻辑门有其特点和应用场景。3逻辑电路分析利用布尔代数和真值表等方法,可以分析逻辑电路的功能和输出状态。这为后续的电路设计奠定基础。4逻辑电路简化通过卡诺图等技术,可以化简复杂的布尔表达式,设计出更加优化的逻辑电路。组合逻辑电路分析1输入分析确定各输入变量的状态和逻辑关系2真值表整理根据输入变量状态列出输出的真值3化简逻辑表达式应用布尔代数规则简化逻辑表达式4电路分析根据简化后的逻辑表达式绘制电路图组合逻辑电路分析是通过确定输入变量的逻辑状态、建立真值表、应用布尔代数规则进行化简,最终绘制出电路图。这一过程需要逻辑思维和数学推理能力,是理解数字电子技术的基础。组合逻辑电路设计需求分析先明确逻辑电路的功能需求,确定输入输出信号及其逻辑关系。建立数学模型使用布尔代数工具将逻辑关系转化为数学表达式。逻辑化简采用Karnaugh图、布尔代数定理等方法,对数学模型进行化简优化。电路设计根据优化后的布尔表达式,选择合适的逻辑门电路进行设计。验证测试对设计的逻辑电路进行仿真或实物测试,确保符合预期功能。时序逻辑电路顺序逻辑电路与组合逻辑电路不同,时序逻辑电路的输出不仅取决于当前输入,还取决于前一时刻电路内部状态的历史信息。这种电路需要计时元件,如时钟脉冲,来同步各部件的工作。时序电路设计设计时序逻辑电路时,需要仔细分析电路的状态转移图,并确定每个状态下的输出。同时还需考虑电路的时序特性,如触发器的触发方式和工作频率。常见时序逻辑电路时序逻辑电路包括触发器、寄存器、计数器、移位寄存器等,这些电路广泛应用于数字系统的存储、计数和控制等功能。触发器作用触发器可用于存储和记忆单个二进制位,是数字电子系统中最基本的存储元件之一。种类常见的触发器包括D型触发器、JK触发器和T型触发器,各有不同的功能和应用场景。特性触发器具有稳定状态、可控状态转换和输出状态反映输入状态的特性,是构建时序逻辑电路的基础。寄存器数据存储寄存器用于临时存储数字电路中的数据和状态信息。它们可以有多个存储单元，用于保存各种不同的值。时钟控制寄存器的数据输入和输出通常由时钟信号控制，确保数据的正确传输和保存。逻辑电路寄存器是数字电路中重要的逻辑单元，可以参与各种逻辑运算和状态转换。计数器1基本结构计数器由触发器和逻辑门组成,可以对输入脉冲进行计数,输出计数结果。2工作原理每收到一个输入脉冲,计数器都会将计数值加1,直至达到预设的最大值。3应用场景计数器广泛应用于时间测量、过程控制、逻辑运算等领域,是数字电子系统的重要组成部分。4主要种类包括同步计数器、异步计数器、二进制计数器、十进制计数器等多种不同结构的计数器。移位寄存器数据位移移位寄存器可以将数据向左或向右移位,用于实现数据的串行/并行转换。时序控制移位寄存器需要时钟信号驱动,通过控制时钟来实现有序的数据移位。数据存储移位寄存器可以暂时存储数据,为后续的数据处理提供支持。存储器存储器类型数字存储器分为随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)等多种类型,能够存储程序、指令和数据。存储容量随着技术的进步,存储器的容量越来越大,从早期的KB级到如今的GB和TB级,满足了现代电子设备的存储需求。读写速度存储器的读写速度决定了电子设备的响应速度和性能,快速的存储器能提高系统的整体性能。ROM掌握基本原理ROM（只读存储器）是一种非易失性存储器，其内容在制造时就确定并无法被后续改写。多种类型常见的ROM类型包括标准ROM、PROM、EPROM和EEPROM等，各有特点和应用场景。广泛应用ROM广泛应用于计算机系统、嵌入式系统等场合，用于存储操作系统、固件等关键程序。RAM随机存取存储器RAM是一种可读写的数字存储器,可在任意位置随机存取数据。数据可以快速读取和修改,广泛应用于计算机系统的主存储器。静态RAM和动态RAM静态RAM使用触发器电路存储数据,而动态RAM使用电容存储数据。动态RAM能以较低的功耗实现大容量存储。易失和非易失存储RAM属于易失性存储器,断电后数据会丢失。而ROM等非易失存储器能在断电后保持数据不变。PROM和EPROMPROM(可编程只读存储器)PROM是一种一次性可编程的只读存储器。用户可以通过编程器将数据写入芯片中,一旦编程完成就无法再次修改。主要应用于初始化程序、常数存储等场景。EPROM(可擦除可编程只读存储器)EPROM采用浮栅结构设计,可通过紫外线照射擦除已存储的数据,然后再重新编程。灵活性较高,适用于原型开发及小批量生产。存储容量PROM和EPROM的存储容量从几百位到几十兆字节不等,能够满足从小型单片机到大型计算机的需求。可编程逻辑器件可编程门阵列(PLA)基于单芯片集成电路的可编程逻辑器件，拥有灵活的逻辑结构和编程能力。现场可编程门阵列(FPGA)使用可重编程的逻辑块和互连资源实现数字电路的综合和实现。可编程逻辑设备(PLD)基于单片集成电路的可编程逻辑器件,可定制任意组合逻辑功能。可编程逻辑器件多样性可编程逻辑器件(PLD)包括CPLD、FPGA等多种形式,能够满足不同的应用需求。它们具有灵活的可编程特性,为电子系统设计带来了更多的可能性。CPLD复杂可编程逻辑器件(CPLD)是一种基于AND-OR阵列结构的PLD,它具备可编程逻辑门和可编程互连资源,适用于较小规模的数字电路设计。FPGA现场可编程门阵列(FPGA)是一种基于可编程逻辑块和可编程互连资源的PLD,具有更大的逻辑容量和更高的灵活性,广泛应用于复杂数字系统设计。FPGA可编程逻辑阵列FPGA是一种半定制的集成电路,内部由大量可编程逻辑单元和布线资源组成,可根据用户的需求进行编程和配置。灵活性和可重复编程FPGA具有高度的可编程性和灵活性,可用于实现各种数字电路功能,并可多次重复编程。低功耗和高性能现代FPGA芯片具有低功耗和高性能的特点,广泛应用于电子系统中。广泛应用领域FPGA在通信、信号处理、工业控制和消费电子等领域得到广泛应用。A/D和D/A转换模拟-数字转换模拟-数字转换(Analog-to-DigitalConversion,简称ADC)是将连续的模拟信号转换为离散的数字信号的过程。其通过采样和量化实现。数字-模拟转换数字-模拟转换(Digital-to-AnalogConversion,简称DAC)是将离散的数字信号转换为连续的模拟信号的过程。其通过电压或电流的大小来表示数字信号。应用领域ADC和DAC广泛应用于音频、视频、通信、自动控制等多个领域,实现数字信号和模拟信号的互转。转换精度ADC和DAC的转换精度用位数表示,位数越高,转换精度越高,但硬件复杂度和成本也相应增加。ADC和DAC电路模拟-数字转换模拟-数字转换器(ADC)将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号,使得模拟量可以被数字电路处理。数字-模拟转换数字-模拟转换器(DAC)则执行相反的操作,将数字信号转换为模拟信号,以驱动模拟设备。应用场景ADC和DAC广泛应用于音频、视频、测量、控制等领域,是连接数字电子与模拟世界的关键部件。集成运算放大器放大器基础集成运算放大器是一种通用的模拟电子器件，可以实现各种放大功能和信号处理。放大器分类根据功能不同，集成运算放大器可分为电压放大器、电流放大器和电压电流转换器等。运算放大器运算放大器是最常见的集成运算放大器应用，可实现各种数学运算和信号处理。模拟开关1功能模拟开关是一种用于控制模拟信号通路的电子器件,能够在不同状态之间切换,从而实现精确的模拟控制。2应用模拟开关广泛应用于信号调制、分路控制、模拟多路复用等场景,可以实现对模拟信号的精确控制和切换。3结构模拟开关通常采用MOSFET或JFET结构,由开关控制电路和模拟信号电路两部分组成。4特性模拟开关具有高速开关、低导通电阻、低控制电压、小尺寸等优点,满足了现代电子系统对模拟信号处理的需求。应用电路实例数字电子技术广泛应用于各种电子设备和系统之中。常见的应用电路实例包括信号检测、控制、计算和处理等功能。我们将借助集成运算放大器、模拟开关等模拟电路部件,设计出一些具有实用价值的数字应用电路。这些应用电路涵盖了模拟信号采集、数字信号处理、定时控制、信号放大等多个领域,展现了数字电子技术在现实生活中的广泛应用。并行接口什么是并行接口？并行接口是一种在计算机系统中使用的数据传输方式,它将数据分成多个部分同时传输,大大提高了传输速度和效率。并行接口的优势并行接口可以实现更快的数据传输,同时还能提高可靠性和稳定性。它在多种设备和系统之间广泛应用,如打印机、存储设备等。并行接口的应用常见的并行接口标准包括IEEE1284（并口）、SCSI、PCI等,广泛用于计算机外围设备之间的连接和数据交换。并行接口的未来随着技术的发展,并行接口正在逐步被更快速的串行接口所替代,但在一些特定场合它仍然保留着重要的地位。串行接口可靠传输串行接口采用一根信号线逐位传输数据,能够可靠地传输数据并减少线缆数量。低成本由于线缆较少,串行接口通常成本更低,特别适用于需要长距离传输的场合。广泛应用串行接口被广泛应用于计算机外围设备、工控系统、数字通信等领域。常见的协议有RS-232、RS-485、USB等。总线系统总线结构总线系统包括地址线、数据线和控制线,用于在计算机各部件之间传输信息。总线可以实现CPU、内存和外设之间的通信和数据交换。并行总线和串行总线并行总线可以同时传输多个位的数据,提高传输速度,但线缆较为复杂。串行总线一次只传输一位数据,线缆简单但传输速度较慢。常见总线标准ISA总线:于1981年由IBMPC引入,用于连接显卡、声卡等外围设备PCI总线:1992年推出,提高了系统的扩展性和性能USB总线:1996年推出,用于简单外围设备的连接,支持即插即用微机系统处理器核心微机系统以微处理器为核心,负责数据处理和逻辑控制。存储器包括ROM、RAM等,用于程序存储和临时数据存储。输入输出通过各种接口电路与外部设备进行数据交换。总线系统提供内部组件之间的数据传输和通信机制。数字系统设计方法1需求分析充分了解系统的功能需求和性能指标2架构设计确定系统的硬件和软件架构3算法设计针对系统功能设计高效算法4电路设计根据架构和算法设计电路模块5系统集成将各个模块集成为完整系统数字系统设计是一个循环迭代的过程,从需求分析到最终系统集成,需要不断优化和改进。设计师需要充分掌握各种设计方法和工具,才能开发出高性能、可靠的数字系统。数字系统设计实例数字系统设计实例通过具体案例展