数字逻辑电路与系统设计课件

数字逻辑电路孙敦艳南京理工大学紫金学院办公室：图书馆301本课程为《数字逻辑电路》，以数字电路为主，脉冲电路的内容较少.课程为4.5个学分，包括实验(1学分).属专业基础课.考核方式是闭卷.最终成绩有以下几部分组成：平时成绩：15%实验成绩：15%考试成绩：70%有下列情况之一者，取消考试资格:1)点名和缺交作业共5次；2)实验缺席1次；学习要点：1.有兴趣学，自己想学；2.善于思考，多问“为什么”3.多做练习和思考题4.注意实验环节，提高动手能力课内参考教材：1.蒋立平主编：数字逻辑电路与系统设计，电子工业出版社.2.阎石主编：数字电子技术基础（第四版），高等教育出版社.(面向二十一世纪教材）课外参考教材：1.DigitalLogicCircuitAnalysisandDesignVictorP.Nelson等著清华大学出版社（英文影印版）2.DigitalFundamentals(SeventhEdition)ThomasL.Floyd著科学出版社（英文影印版）集成电路电子器件的发展电子管晶体管分立元件（SSI（100元件以下）MSI（〈103）LSI（〈105）超大规模VLSI（105以上）课程简介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。世界上第一台计算机用了1.8万只电子管，占地170平方米，重30吨，耗电150KW。目前在一些大功率发射装置中使用。1948年，肖克利等发明了晶体管，其性能在体积、重量方面明显优于电子管，但器件较多时由分立元件组成的分立电路体积大、焊点多、电路的可靠性差。1960年集成电路出现，成千上万个器件集成在一块芯片，大大促进了电子学的发展，尤其促进数字电路和微型计算机的飞速发展。芯片中集成上万个等效门，目前高的已达上百万门。课程内容逻辑门电路组合逻辑电路常用组合逻辑功能器件常用时序逻辑功能器件半导体存储器和可编程逻辑器件脉冲信号的产生与整形数字逻辑基础第1章第2章第3章第4章第6章第7章第8章时序逻辑电路第5章数模和模数转换第9章一、模拟量和数字量模拟量：模拟量就是连续变化的量。自然界中可测试的物理量一般都是模拟量,例如温度，压力，距离，时间等。数字量：数字量是离散的量。数字量一般是将模拟量经过抽样、量化和编码后而得到的。绪论12345768910111212345678910111218202224262830323436温度(C)时间（小时）A.MP.M温度和时间关系图(用模拟量表示)12345768910111212345678910111218202224262830323436温度(C)时间（小时）A.MP.M温度和时间关系图(用采样值表示)量化曲线123457689101112123456789101112时间（小时）A.MP.M温度和时间关系图(用数字形式表示)1001110100100111001110010100101001010011101011011111001110111110011101111011110111100110111101011001101111011010100100111001030292827262524232221201918(oc)二、模拟和数字系统的几个实例1）音频有线扩音系统音频有线扩音系统为纯模拟系统。音频有线扩音系统Audiopublicaddresssystem线性放大器原始声波(Originalsoundwaves)麦克风(Microphone)音频AudiosignalLinearamplifier放大后的音频信号Amplifiedaudiosignal扬声器Speaker再生声波Reproducedsoundwaves2）CD播放机CD播放机为数模混合系统音频信号的模拟再生Analogreproductionofaudiosignal扬声器Speaker声波soundwavesCD驱动器CDDrive1011111001数字数据Digitaldata线性放大器Linearamplifier数模转换器D\AconvterCD机原理图（单声道）BasicprincipleofaCDplayer3）数字钟带数字显示的数字钟是一个纯数字系统。下面讨论一个带数字显示的三位计时系统。计时电路秒个位秒十位分个位三位计时器示意图定时激励信号产生电路秒脉冲1s脉冲个数记录电路分个位二进制码秒十位二进制码秒个位二进制码码转换电路（译码器）分个位显示码秒十位显示码秒个位显示码abcdfegabcdfegabcdfeg2)电路中器件工作于“开”和“关”两种状态,研究电路的输出和输入的逻辑关系;3)数字电路既能进行“代数”运算,也能进行“逻辑”运算;4)数字电路工作可靠,抗干扰性能好.三、数字电路特点:1)工作信号是二进制表示的二值信号(只有“0”和“1”两种取值);5)数字信号便于存储，传输，保密性好.第1章数字逻辑电路基础1.1数制与数制转换所谓“数制”，指进位计数制，即用进位的方法来计数.数制包括计数符号（数码）和进位规则两个方面。常用数制有十进制、十二进制、十六进制、六十进制等。1.1.1常用数制1.十进制(1)计数符号:0,1,2,3,4,5,6,7,8,9.(2)进位规则:逢十进一.例:1983.62=1×103+9×102+8×101+3×100+6×10-1+2×10-2(3)十进制数按权展开式权系数2.二进制(1)计数符号:0,1.(2)进位规则:逢二进一.(3)二进制数按权展开式1nmiii1010a)N(122)(nmiiiaN1）数字装置简单可靠；2）二进制数运算规则简单；3）数字电路既可以进行算术运算，也可以进行逻辑运算.3.十六进制和八进制十六进制数计数符号:0,1,.,9,A,B,C,D,E,F.十六进制数进位规则:逢十六进一.按权展开式：数字电路中采用二进制的原因：例:21011616B16416D166)B4.D6(210116111641613166八进制数计数符号:0,1,...6,7.八进制数进位规则:逢八进一.按权展开式：1nmiii88a)N(4.二进制数与十进制数之间的转换(1)二进制数转换为十进制数(按权展开法)例：3101322121212121)101.1011(125.05.0128=(11.625)10例:2101885848386)45.63(例：•数制转换还可以采用基数连乘、连除等方法.0.514832(45.5)101-012345212120212120212(101101.1)（2）十进制数转换为二进制数(提取2的幂法)1.2几种简单的编码用四位二进制代码来表示一位十进制数码,这样的代码称为二-十进制码,或BCD码.四位二进制有16种不同的组合,可以在这16种代码中任选10种表示十进制数的10个不同符号,选择方法很多.选择方法不同,就能得到不同的编码形式.1.二-十进制码(BCD码)(BinaryCodedDecimalcodes)常见的BCD码有8421码、5421码、2421码、余3码等。十进制数8421码5421码2421码余3码00000000000000011100010001000101002001000100010010130011001100110110401000100010001115010110001011100060110100111001001701111010110110108100010111110101191001110011111100常用BCD码(1)有权BCD码：每位数码都有确定的位权的码，例如：8421码、5421码、2421码.如:5421码1011代表5+0+2+1=8;2421码1100代表2+4+0+0=6.*5421BCD码和2421BCD码不唯一.例:2421BCD码0110也可表示6*在表中：①8421BCD码和代表0~9的二进制数一一对应；②5421BCD码的前5个码和8421BCD码相同，后5个码在前5个码的基础上加1000构成，这样的码，前5个码和后5个码一一对应相同，仅高位不同；③2421BCD码的前5个码和8421BCD码相同，后5个码以中心对称取反,这样的码称为自反代码.例：4→01005→10110→00009→1111(2)无权BCD码：每位数码无确定的位权，例如：余3码.余3码的编码规律为:在8421BCD码上加0011,例6的余3码为:0110+0011=1001余3码也是自反代码2.格雷码(Gray码)格雷码为无权码,特点为：相邻两个代码之间仅有一位不同,其余各位均相同.具有这种特点的代码称为循环码,格雷码是循环码.格雷码和四位二进制码之间的关系:设四位二进制码为B3B2B1B0,格雷码为R3R2R1R0,则R3=B3,R2=B3B2R1=B2B1R0=B1B0其中,为异或运算符,其运算规则为:若两运算数相同,结果为“0”;两运算数不同,结果为“1”.对于n位：Rn=BnRi=Bi+1⊕Bi同时有:B3=R3,B2=B3R2B1=B2R1B0=B1R0转换练习例:用8421BCD码表示十进制数(73.5)10十进制数73.58421BCD码01110011.0101故:(73.5)10=(01110011.0101)8421BCD码思考:(00010101.0101)8421BCD码=()2(73.5)10=()21001001.11111.1(10110.1)2=()8421BCD码00100010.0101(1100)5421BCD+(1100)余3码=()8421BCD000110003.奇偶校验码原代码的基础上增加一个码位使代码中含有的1的个数均为奇数（称为奇校验）或偶数（称为偶校验），通过检查代码中含有的1的奇偶性来判别代码的合法性。具有检错能力的代码4.字符数字码美国信息交换的标准代码（简称ASCII）是应用最为广泛的字符数字码字符数字码能表示计算机键盘上能看到的各种符号和功能1.3算术运算1.3.1二进制加法0+0=01+0=0+1=11+1=101+1+1=111001(9)[phone](20)1.3.2有符号数的表示方法表示二进制数的方法有三种，即原码、反码和补码用补码系统表示有符号数0101101AA65A4A3A2A1A0=+4510符号位(+)1010011BB65B4B3B2B1B0=－4510符号位(－)真实二进制数补码1.3.3补码系统中的加法第一种情况：两个正数相加。+9+40100100100(被加数)(加数)01101(和=+13)符号位第二种情况：正数与一个比它小的负数相加+9−40100111100(被加数)(加数)00101符号位1这个进位忽略,结果为00101(和=+5)第三种情况：正数与比它大的负数相加−9+4101110010011011(和=−5)负的符号位第四种情况：两个负数相加−9−4101111110010011符号位1这个进位忽略,结果为10011(和=−13)1.4逻辑代数中的逻辑运算研究数字电路的基础为逻辑代数，由英国数学家GeorgeBoole在1847年提出的，逻辑代数也称布尔代数.在逻辑代数中,变量常用字母A,B,C,……Y,Z,a,b,c,……x.y.z等表示，变量的取值只能是“0”或“1”.逻辑代数中只有三种基本逻辑运算,即“与”、“或”、“非”。1.与逻辑运算定义：只有决定一事件的全部条件都具备时，这件事才成立；如果有一个或一个以上条件不具备，则这件事就不成立。这样的因果关系称为“与”逻辑关系。与逻辑电路状态表开关A状态开关B状态灯F状态断断灭断合灭合断灭合合亮ABEF与逻辑电路1.4.1基本逻辑运算若将开关断开和灯的熄灭状态用逻辑量“0”表示;将开关合上和灯亮的状态用逻辑量“1”表示,则