数电第4版 课件 1绪论

数字电路与数字逻辑绪论2023年9月课程性质：

本课程是电子信息类本科专业大类基础课程，它既是学习数字电子技术的入门课程，也为进一步学习微机原理和单片机原理等后续课程提供必要的电路基础。

先修课程:电路原理后续课程:

模拟电子技术基础，微机原理，单片机原理及实践、电子系统设计等课程简介

课程目标：课程教学目标1：掌握逻辑代数的基本概念、理论和方法；理解集成门电路的电路结构、逻辑功能和电气特性；理解半导体存储器、D/A转换器和A/D转换器的内部结构和工作原理；理解脉冲产生与整形电路的工作原理、参数计算和应用。课程教学目标2：掌握组合逻辑电路、时序逻辑电路的分析方法、设计方法和调试方法；掌握实验报告的写作方法。课程教学目标3：通过查阅文献和撰写读书报告，了解数字电路的前沿技术和最新进展，培养学生自主学习能力和创新意识，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。课程简介课程简介课程简介1数字逻辑基础2集成门电路3组合逻辑电路4触发器、寄存器和计数器5同步时序逻辑电路6半导体存储器7脉冲波形的产生与整形8数模及模数转换器9数字系统设计理论课内容1门电路测试及应用2组合逻辑电路设计3同步时序逻辑电路设计实验课内容课程简介112进制计数器设计24位数字频率计3自主设计题（信号发生器设计）课程设计课程简介总评成绩组成：课堂表现5%、作业10%、期中考试15%期末考试50%实验

10%、读书报告10%课程简介

教材——《数字电路》课程简介

参考书[1]康华光，电子技术基础（数字部分），第6版.高等教育出版社，2014年.[2]阎石，数字电子技术基础，第6版.高等教育出版社，2016年.[3]斯蒂芬•布朗著，数字逻辑基础与VerilogHDL设计（加），第3版，机械工业出版社，2019年10月。课程简介主讲教师：贾立新电话公室：信息楼B302E-mail：jlx＠课程简介1.1绪论※模拟信号和数字信号※数字电路的发展历史※数字电路的优点

※模拟电路、数字电路和数

模混合电路1.1.1模拟信号与数字信号模拟信号：连续时间信号或离散时间信号，它的幅值在上限和下限之间连续。时间和幅值均连续时间离散、幅值连续高电平低电平数字信号：连续时间信号或离散时间信号，它的幅值在上限和下限之间取离散值，这些离散值被表示为数字量。1.1.1模拟信号与数字信号1.1.2模拟电路、数字电路和数模混合电路模拟电路：用于传递和处理模拟信号的电路就称为模拟电路。放大电路就是最典型的模拟电路。

数字电路：用以传递和加工处理数字信号的电路就称为数字电路。

数字电路中晶体管多数工作在开关状态。研究对象是输入和输出的逻辑关系，因此主要的分析工具是逻辑代数，表达电路的功能主要是真值表、逻辑表达式及逻辑图等。

模拟电路中的晶体管一般工作在放大状态，因而电路的灵敏度比较高，但也容易受环境温度、元件容差的影响。

模拟电路注重指标，数字电路中注重功能。1.1.2模拟电路、数字电路和数模混合电路

数模混合电路：既可以处理数字信号也可以处理模拟信号的电路。

A/D转换器、D/A转换器、电压比较器、混合信号单片机。1.1.2模拟电路、数字电路和数模混合电路1.1.3数字电路的发展过程第一阶段由电子管构成的数字电路1906年世界上第一只真空三极管的问世，发明人是美国发明家德福雷斯特（I.DeForest，1873-1961）。电子管实物（2019年摄于浙江省广播电视70年成就展）1.1.3数字电路的发展过程世界上第一台电子管计算机ENIAC

ENIAC使用了17468只电子管，1500个继电器，70000多只电阻，10000多只电容，占地167m2，重量达30吨，耗电160kW，存储容量为17KB，字长12位，是一个名副其实的庞然大物。其运算速度比当时最好的机电式计算机快1000倍，每秒可进行5000次加法运算，357次乘法运算或38次除法运算。1.1.3数字电路的发展过程第二阶段由晶体管构成的数字电路经过对半导体材料深入细致的研究，终于在1948年，制出了世界上第一只半导体（晶体）三极管，1949年建立了PN结理论，从此以后，电子技术的发展进入快速发展的时期。1.1.3数字电路的发展过程第三阶段数字集成电路1962年制出了第一片集成电路，它属于是小规模集成电路（SmallScaleIntegrationCitcuit，简称SSI），只含12个元件。到1966年，中规模集成电路（MSI）问世，1967年制成了大规模集成电路（LSI），到了70年代末，就已出现超大规模集成电路（VLSI），即一个芯片上的门数已超过1000个门。1.1.3数字电路的发展过程小规模、中规模、大规模、超大规模集成电路单门集成电路

SSI/MSILSI/VLSI最小特征尺寸：特征尺寸越小，芯片的集成度越高。在2006年，数字集成电路的最小特征尺寸为78nm，到了2012年，最小特征尺寸减小到约36nm。目前，世界上最先进的数字集成电路的特征尺寸已减小到5nm，甚至2nm的集成电路已经出现。1.1.3数字电路的发展过程参观杭州士兰集成电路制造有限公司1.1.3数字电路的发展过程集成电路的基础材料——晶圆（Wafer)1.1.3数字电路的发展过程

3种常用的数字集成电路：标准集成电路、可编程逻辑器件（PLD）、专用集成电路（ASIC).

标准集成电路是指功能、物理配置固定，用户无法修改的集成电路。标准集成电路品种多、价格低，缺点是采用标准集成电路设计的数字系统体积大、功能固定。

可编程逻辑器件允许用户根据自己的要求实现相应的逻辑功能，并且可以多次编程。可编程逻辑器件结构上由门阵列、可编程触发器、可编程开关组成。常见的可编程逻辑器件有CPLD和FPGA。

专用集成电路是针对整机或系统的需要，专门为之设计制造的集成电路。1.1.3数字电路的发展过程数字电路的两种设计方法：传统设计方法（手工设计）和现代设计方法（计算机辅助设计）传统设计方法：设计者+纸+笔。一般凭借设计者的经验就可以实现。虽然很少使用了，但仍然是本课程将介绍的主要内容，其目的是帮助大家直观理解数字电路工作原理。现代设计方法：设计者+EDA工具+硬件描述语言+CPLD/FPGA。1.1.3数字电路的发展过程1.1.4数字电路的优点（1）稳定性好，精度高；

模拟电路容易受元件误差，环境温度等因素影响，精度难以超过千分之一。如果采用数字加法器，电压值用二进制数表示，只要增加二进制数的位数就可以提高精度。例如，16位的数字加法器可以达到1/216的精度。（2）易于设计和测试；

数字电路设计通常也称为逻辑设计，其主要数学工具为逻辑代数，不需要深奥的数学知识。对于简单的数字电路，采用手工设计方法就可以完成设计。对于复杂的数字电路，则可以通过借助电子设计自动化（EDA）软件和硬件描述语言（HDL）来完成设计。数字电路的设计效率要比模拟电路高得多。1.1.4数字电路的优点（4）更易小型化、集成化。

（3）可以实现十分复杂的数字信号处理算法；

微控制器和FPGA均属于大规模数字集成电路，通过C语言或HDL语言编程，这些器件可以实现数字滤波、压缩、频谱分析等复杂的算法。1.1.4数字电路的优点1.1.4数字电路的优点《实用数字电