数字电路

数字电子技术一、晶体管开关电路二、逻辑门电路三、数制和逻辑函数的基本概念四、逻辑函数的公式化简和卡诺图化简五、组合逻辑电路分析和设计六、编码器七、译码器八、触发器数字电子技术九、寄存器十、计数器十一、模拟量和数字量的转换晶体管开关电路一、模拟电路和数字电路•模拟信号：在时间上和数值上连续的信号。•数字信号：在时间上和数值上不连续的（即离散的）信号。•对模拟信号进行传输、处理的电子线路称为模拟电路。•对数字信号进行传输、处理的电子线路称为数字电路。数字电路和模拟电路特点比较比较对象模拟电路数字电路处理信号模拟信号数字信号三极管工作区放大区饱和、截止区基本电路元件三极管、场效应管、运放逻辑门电路、触发器典型电路信号放大、运算、处理、发生组合、时序、A/D、D/A转换研究对象输入输出信号之间大小相位关系输入、输出信号之间的逻辑关系研究方法图解分析、小信号模型分析逻辑代数、状态表、逻辑图二、晶体二极管的开关特性及其应用1、晶体二极管的开关特性晶体二极管开关特性的测试，观察输入、输出波形变化。晶体二极管开关特性的测试电路图对测试结果进行分析•二极管在加正向电压UAB时，导通，相当于闭合的开关。加反向电压UAB时，截止，相当于断开的开关。•当电压UAB频率增加到一定值时，如图2b所示的AB、CD端波形。二极管已失去单向导电特性，也就失去其开关作用。•原因：电荷的存储效应，即反向恢复时间的存在，限制了二极管开关速度。2、二极管开关参数•最大正向电流IF•最高反向工作电压UR•反向恢复时间trr：使用时，脉冲信号周期应大于trr的十倍。3、晶体二极管的开关特性的应用（1）二极管限幅电路测试。观察虚拟试验输入、输出波形。（2）结果分析：•当uiux时，二极管正向导通，即开关闭合，uo=ui；•当uiux时，二极管截止，相当于开关断开；•uo=ux,使uiux以下部分波形被削去（波形见图3b），所以称下限幅电路。（3）二极管钳位电路它利用二极管开关特性，使ui正半周和负半周电路的充放电时间常数相差悬殊而实现钳位的。三、晶体三极管开关特性1、三极管开关特性测试。（电路图4）•在图4三极管电路基极输入脉冲信号，观察灯泡发光情况。三极管开关特性测试电路图图4三极管开关特性演示实验图5三极管开关特性等效电路2、对结果进行分析（1）三极管开关特性当UBEUth时，三极管处于截止状态。三极管三个电极间相当于开路，开关断开，当Ib≥IBS时，三极管饱和，相当于开关闭合。（2）三极管开关时间：三极管从饱和导通到截止需要一定时间，称为关闭时间toff，从截止到饱和导通也需要一定时间，称之为开启时间ton.3、三极管开关特性的应用•分析：图6就是反相器实例•输入Ui与输出Uo反相。图6基极电阻并联加速电容的开关电路逻辑门电路•最基本的逻辑关系有三种，即：与逻辑、或逻辑、非逻辑•复合逻辑关系有：与非，或非，异或，同或。•主要讨论集成门电路的逻辑功能和应用。一、与逻辑、与门电路、与逻辑表达式1、与逻辑概念：指决定事件的所有条件都具备之后，该事件才会发生，而且一定会发生，这样的因果关系称与逻辑关系（亦称逻辑乘）。如：开关A，B串联控制灯泡Y（图见后页）电路图L=ABEABYABY000110110001YAB&逻辑表达式：Ｙ＝ＡＢ逻辑符号真值表开关A开关B灯Y断开断开断开闭合闭合断开闭合闭合灭灭灭亮功能表2、逻辑功能分析3、结果分析：1）74LS08的管脚图（四二与门电路）。2）与门74LS08的真值表。。3）与逻辑表达式：Y＝A·B＝AB4）与逻辑的基本运算为：0·0＝0；0·1＝1·0＝0；1·1＝1.5）逻辑关系总结为：“有0出0，全1为1”二、或逻辑、或门电路及逻辑表达式1、或逻辑：指决定事件的各个条件中，只要具备一个条件，事件就会发生，这样的关系称之或逻辑关系（亦称逻辑加）。如：开关A，B并联控制灯泡Y电路图L=ABEABY功能表开关A开关B灯Y断开断开断开闭合闭合断开闭合闭合灭亮亮亮表2、真值表ABY000110110111图2、逻辑符号AB≥1逻辑表达式：Y=A+B2、逻辑功能分析3、结果分析1）表2或门电平关系和真值表2）图2为2输入四或门的图形符号3）或逻辑表达：Y＝A+B4）或逻辑的基本运算为：0+0＝0；0+1＝1；1+0＝1；1+1+1。5）或门电路的输入也可以不止两个，它们的逻辑表达式为：Y＝A+B+C…。6）或逻辑关系总结为：“有1出1，全0为0”。三、非逻辑、非门电路和逻辑表达式1、非逻辑：“非”就是否定、相反的意思。即：决定事件的条件具备了，结果不发生；而条件不具备时，结果一定发生。电路图EAYR开关A灯Y断开闭合亮灭功能表AY0110表３真值表图３b逻辑符号YA1逻辑表达式：Y=A2、逻辑功能分析3、结果分析1)表3为非门电平和真值表2)图３b为逻辑符号3)非逻辑表达式4)非逻辑的基本运算为：“0＝1或1＝0”。AY四、常见的复合逻辑电路1、复合逻辑电路有：与非，或非，异或，与或非。由基本逻辑电路组合而成。（1）与非运算：逻辑表达式为：ABY000110111110真值表YAB与非门的逻辑符号L=A+B&（2）或非运算：逻辑表达式为：ABY000110111000真值表YAB或非门的逻辑符号L=A+B≥1BAYABY（3）异或运算：逻辑表达式为：ABY000110110110真值表YAB异或门的逻辑符号L=A+B=1（4）与或非运算：逻辑表达式为：Y≥1&ABCD与或非门的逻辑符号ABCD&&≥1Y与或非门的等效电路BABABAYCDABY74LS00的引脚排列图VCC3A3B3Y4A4B4Y1A1B1Y2A2B2YGND14131211109874LS201234567VCC2A2BNC2C2D2Y1A1BNC1C1D1YGND74LS20的引脚排列图14131211109874LS00123456774LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入与非门。2、几种常用的集成电路管脚图（1）与非门14131211109874LS021234567VCC3Y3B3A4Y4B4A1Y1B1A2Y2B3AGND74LS02的引脚排列图T4ABR1T3T2T1YR4+VCCT5R2R3R5T'2T'1R'1TTL或非门电路（2）或非门BAY14131211109874LS041234567VCC4A4Y5A5Y6A6Y1A1Y2A2Y3A3YGND6反相器74LS04的引脚排列图T4AR13kΩT3T2T1YR4100Ω+VCCT5R2750ΩR3360ΩR53kΩTTL反相器电路（3）非门AY3、结果分析表五、TTL门电路的外特性及参数1、TTL与非门电路图T4+VCC(+5V)b1ABR13kΩT3T2T1YR4100Ω+VCC(+5V)T5ABTTL与非门电路T1的等效电路D3c1R13kΩR2750ΩR3360ΩR53kΩD1D22、逻辑功能分析功能表uAuBuY0.3V0.3V0.3V3.6V3.6V0.3V3.6V3.6V3.6V3.6V3.6V0.3V真值表ABY000110111110输入有低，输出为高；输入全高，输出为低。逻辑表达式BAY3、TTL与非门外特性图4、TTL与非门主要参数（1）输出高电平UOH：TTL与非门的一个或几个输入为低电平时的输出电平。产品规范值UOH≥2.4V，标准高电平USH＝2.4V。（2）高电平输出电流IOH：输出为高电平时，提供给外接负载的最大输出电流，超过此值会使输出高电平下降。IOH表示电路的拉电流负载能力。（3）输出低电平UOL：TTL与非门的输入全为高电平时的输出电平。产品规范值UOL≤0.4V，标准低电平USL＝0.4V。（4）低电平输出电流IOL：输出为低电平时，外接负载的最大输出电流，超过此值会使输出低电平上升。IOL表示电路的灌电流负载能力。（5）扇出系数NO：指一个门电路能带同类门的最大数目，它表示门电路的带负载能力。一般TTL门电路NO≥8，功率驱动门的NO可达25。（6）最大工作频率fmax：超过此频率电路就不能正常工作。（7）输入开门电平UON：是在额定负载下使与非门的输出电平达到标准低电平USL的输入电平。它表示使与非门开通的最小输入电平。一般TTL门电路的UON≈1.8V。（8）输入关门电平UOFF：使与非门的输出电平达到标准高电平USH的输入电平。它表示使与非门关断所需的最大输入电平。一般TTL门电路的UOFF≈0.8V。（9）高电平输入电流IIH：输入为高电平时的输入电流，也即当前级输出为高电平时，本级输入电路造成的前级拉电流。（10）低电平输入电流IIL：输入为低电平时的输出电流，也即当前级输出为低电平时，本级输入电路造成的前级灌电流。（11）平均传输时间tpd：信号通过与非门时所需的平均延迟时间。在工作频率较高的数字电路中，信号经过多级传输后造成的时间延迟，会影响电路的逻辑功能。（12）空载功耗：与非门空载时电源总电流ICC与电源电压VCC的乘积。六、使用集成电路时的注意事项（1）对于各种集成电路，使用时一定要在推荐的工作条件范围内，否则将导致性能下降或损坏器件。（2）数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以并联起来使用，也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平；但CMOS电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。（3）TTL电路和CMOS电路之间一般不能直接连接，而需利用接口电路进行电平转换或电流变换才可进行连接，使前级器件的输出电平及电流满足后级器件对输入电平及电流的要求，并不得对器件造成损害。七、其它类型的TTL与非门1、OC门OC与非门的电路结构AB+VCCYRYABCD&&OC门线与图+VCCRY1Y2T1T2T3uB1问题的提出：为解决一般TTL与非门不能线与而设计的逻辑表达式：Y=Y1+Y22、三态门国标符号T4AR13kΩT3T2T1YR4100Ω+VCC(+5V)T5R2750ΩR3360ΩR53kΩAE&ENYED电路结构结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态。①E＝0时输出端开路，电路处于高阻状态。②E＝1时，Y=A，A＝0时Y＝1，为高电平；A＝1时Y＝0，为低电平。数制和逻辑函数的基本概念进位制：表示数时，仅用一位数码往往不够用，必须用进位计数的方法组成多位数码。多位数码每一位的构成以及从低位到高位的进位规则称为进位计数制，简称进位制。基数：进位制的基数，就是在该进位制中可能用到的数码个数。位权（位的权数）：在某一进位制的数中，每一位的大小都对应着该位上的数码乘上一个固定的数，这个固定的数就是这一位的权数。权数是一个幂。一、数制加法规则：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=10乘法规则：0.0=0，0.1=0，1.0=0，1.1=1运算规则各数位的权是２的幂二进制数只有0和1两个数码，它的每一位都可以用电子元件来实现，且运算规则简单，相应的运算电路也容易实现。数码为：0、1；基数是2。运算规律：逢二进一，即：1＋1＝10。如：(101.01)2＝1×22＋0×21＋1×20＋0×2－1＋1×2－2＝(5.25)101、二进制数码为：0～7；基数是8。运算规律：逢八进一，即：7＋1＝10。如：(207.04)10＝2×82＋0×81＋7×80＋0×8－1＋4×8－2＝(135.0625)102、八进制3、十六进制数码为：0～9、A～F；基数是16。运算规律：逢十六进一，即：F＋1＝10。十六进制数的权展开式：如：(D8.A)2＝13×161＋8×160＋10×16－1＝(216.625)10各数位的权是8的幂各数位的权是16的幂二、数制转换（1）二进制数转换为八进制数：将二进制数由小数点开始，整数部分向左，小数部分向右，每3位分成一组，不够3位补零，则每组二进制数便是一位八进制数。将N进制数按权展开，即可以转换为十进制数。1、二进制数与八进制数的相互转换1101010.01000＝(152