数字逻辑电路第1章

课程概述数字技术的发展及其应用80年代后-ULSI，10亿个晶体管/片、ASIC制作技术成熟目前--芯片内部的布线细微到亚微米(0.13~0.09m)量级微处理器的时钟频率高达3GHz（109Hz）90年代后-97年一片集成电路上有40亿个晶体管。60~70代-IC技术迅速发展：SSI、MSI、LSI、VLSI。10万个晶体管/片。将来-高分子材料或生物材料制成密度更高、三维结构的电路发展特点:以电子器件的发展为基础电子管时代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。目前在一些大功率发射装置中使用。电压控制器件电真空技术晶体管时代电流控制器件半导体技术半导体二极管、三极管器件半导体集成电路课程介绍1.课程的性质3.课程研究内容5.教材和参考书4.课程特点与学习方法2.教学目标《数字电子技术基础》课程是电气信息类专业具入门性质的重要的专业基础课。1.课程性质获得适应信息时代的数字电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能。培养分析和解决实际问题的能力，为以后深入学习数字电子技术及其相关学科和专业打好以下两方面的基础:2.课程目标1、正确分析、设计数字电路，特别是集成电路的基础；2、为进一步学习设计专用集成电路(ASIC)的基础。数字信号传输、变换、产生等。内容涉及相关器件、功能电路及系统。硬件处理数字信号的电子电路及其逻辑功能数字电路的分析方法数字电路的设计方法各种典型器件在电子系统中的应用软件系统分析、设计的软件工具——ABEL、VHDL、VerlogHDL、EDA工具软件QuartusII等3.课程研究内容a、发展快b、应用广(2)学习方法打好基础、关注发展、主动更新、注重实践(1)课程特点摩尔定律:集成度按10倍/6年的速度发展。c、工程实践性强4.课程特点与学习方法a、掌握基本概念、基本电路和基本分析、设计方法b、能独立的应用所学的知识去分析和解决数字电路的实际问题的能力。康华光主编《电子技术基础．数字部分》第五版高等教育出版社蔡惟铮主编《基础电子技术》《集成电子技术》高等教育出版社电子工程手册编委会等编．中外集成电路简明速查手册-TTL、CMOS．电子工业出版社5.主要教材及参考书李哲英主编《电子技术及其应用基础基础》高等教育出版社王金明,杨吉斌编．《数字系统设计与VerliogHDL》电子工业出版社罗杰、谭力编．《数字ASIC设计》讲义郑家龙、王小海主编《集成电子技术基础教程》高等教育出版社第一章数制和码制第二章逻辑代数基础第三章门电路第四章组合逻辑函数第五章触发器第六章时序逻辑电路第七章半导体存储器第八章可编程逻辑器件第九章硬件描述语言简介第十章脉冲波形的产生和整形第十一章数-模和模-数转换第一章数制和码制1.1概述数字量和模拟量•数字量：在时间上和数量上都是不连续的。（存在一个最小数量单位△）例：产品数量的统计、数字表盘的读数、数字电路信号等。•模拟量：在时间上或数量上都是连续的。•数字电路和模拟电路：例：正弦波信号、锯齿波信号等。工作信号，研究的对象，分析/设计方法以及所用的数学工具都有显著的不同tV(t)数字信号高电平低电平上跳沿下跳沿模拟信号tV(t)模拟电路主要研究：输入、输出信号间的大小、相位、失真等方面的关系。主要采用电路分析方法，动态性能用微变等效电路分析。在模拟电路中，三极管或晶体管一般工作在①线性放大区或恒流区；在数字电路中，三极管或晶体管工作在开关状态，即工作在②饱和区或可变电阻区和③截止区。数字电路主要研究：电路输出、输入间的逻辑关系。主要的工具是逻辑代数，电路的功能用真值表、逻辑表达式及波形图表示。模拟电路与数字电路比较1.电路的特点2.研究的内容③①②•信号处理（采样保持、电压比较、有源滤波）模拟电路的基本元件和基本电路基本电路元件:基本模拟电路:•晶体三极管•场效应管•集成运算放大器•信号放大及运算(信号放大、功率放大）•信号发生（正弦波发生器、三角波发生器、…）数字电路的基本元件和基本电路基本电路元件基本数字电路•逻辑门电路•触发器•组合逻辑电路•时序电路（寄存器、计数器、脉冲发生器、脉冲整形电路）•存储器、A/D转换器、D/A转换器数制和码制•数制：多位数码中每一位的构成方法以及从低位到高位的进位规则。–数码形式表示数量的大小•码制：编制代码所要遵循的规则。–数码形式表示不同的事物或事物的不同状态1.1概述基本概念数字量和模拟量数字电路和模拟电路数制和码制1.2几种常用的数制•数制：①每一位的构成②从低位向高位的进位规则常用到的数制：十进制，二进制，八进制，十六进制Hexadecimal：十六进制的Decimal：十进制的Binary：二进制的十进制：以十为基数的记数体制。表示数的十个数码：1、2、3、4、5、6、7、8、9、0遵循逢十进一的规律。157=012107105101一个十进制数数N可以表示成：iiiDkD10)(若在数字电路中采用十进制，必须要有十个电路状态与十个记数码相对应。这样将在技术上带来许多困难，而且很不经济。位的权称为第位的系数，为第其中i10iiik二进制：以二为基数的记数体制。表示数的两个数码：0、1遵循逢二进一的规律。iiiBkD2）（（1001）B=012321202021=(9)D二进制的优点：用电路的两个状态---开关来表示二进制数，数码的存储和传输简单、可靠。二进制的缺点：位数较多，使用不便；不符合人们的习惯，输入时将十进制转换成二进制，运算结果输出时再转换成十进制数。十六进制和八进制十六进制记数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A(10)、B(11)、C(12)、D(13)、E(14)、F(15)八进制记数码：0、1、2、3、4、5、6、74162+14161+6160=(1254)D(4E6)H=481+580=(37)D(45)O=任意进制(N进制)数D可以按十进制展开式的形式表示成：iiiNkD位的权。称为第位的系数，为第称为计数的基数，其中iiiiNkN十进制数二进制八进制十六进制00000000001000101102001002203001103304010004405010105506011006607011107708100010809100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F不同进制数的对照表1.3不同数制间的转换一、二－十转换将二进制数按下式展开，然后将所有各项的数值按十进制相加，就可以得到等值的十进制数。102101232)25.11212021212021(1011.01)＝（＋＋＋＋＋－－),(102KKDii二、十－二转换整数部分:例1：1231212110121100112211102222222222222kkkkkkkkkkkkkkkkSnnnnnnnnnnnnnnnnnn)()()(同理十进制数25转换成二进制数的转换过程：225余1K0122余0K162余0K232余1K312余1K40(25)D=(11001)B01102215201021212143208621173276543210kkkkkkkk＝余数＝＝余数＝＝余数＝＝余数＝＝余数＝＝余数＝＝余数＝＝余数＝∟∟∟∟∟∟∟∟21010101101173)()(故例2:十进制数173转换成二进制数的转换过程：二、十－二转换小数部分:例：)()()()()(2132123121231211022111022222222222222mmmmmmmmkkkkkkkkkkSkkkS＋同理＋左右同乘以2101101081250).().(故432110001250000050000225000125001262500162501281250kkkk＝整数部分＝＝整数部分＝＝整数部分＝＝整数部分＝........三、二－十六转换例：将(01011110.10110010)2化为十六进制20010101111100101),.,(16)2.5(BE四、十六－二转换1668)(CAF201101100101011111000)(例：将(8FAC6)16化为二进制说明：十六进制的一位对应二进制的四位五、八进制数与二进制数的转换例：将(011110.010111)2化为八进制2111010110011).(8)72.63(83425).(2011100010101).(例：将(52.43)8化为二进制说明：八进制的一位对应二进制的三位。六、十六进制数与十进制数的转换)151,0(16KKDii十六进制转换为十进制十进制转换为十六进制：乘权相加十六进制数转换为十进制：除权取余1.4二进制运算1.4.1二进制算术运算的特点算术运算：1：和十进制算数运算的规则相同2：逢二进一特点：加、减、乘、除全部可以用移位和相加这两种操作实现。简化了电路结构二进制的优点：用电路的两个状态---开关来表示二进制数，数码的存储和传输简单、可靠。二进制的缺点：位数较多，使用不便；不合人们的习惯，输入时将十进制转换成二进制，运算结果输出时再转换成十进制数。1.4二进制数运算1.4.2反码、补码和补码运算二进制数的正、负号也是用0/1表示的。在定点运算中，最高位为符号位（0为正，1为负）如+89=（01011001）-89=（11011001）二进制数的补码：•最高位为符号位（0为正，1为负）•正数的补码和它的原码相同•负数的补码=数值位逐位求反(反码)+1如+5=（00101）-5=（11011）•通过补码，将减一个数用加上该数的补码来实现10–5=510+7－12=5（舍弃进位）7+5=12产生进位的模7是-5对模数12的补码补码的运算原理•1011–0111=0100（11-7=4）•1011+1001=10100=0100（舍弃进位）（11+9－16=4）•0111+1001=24•0111是-1001对模24（16）的补码两个补码表示的二进制数相加时的符号位讨论例：用二进制补码运算求出13＋10、13－10、－13＋10、－13－100100111011011001112310131110110101001001113101300011010110101101031013101110010100011010231013结论：将两个加数的符号位和来自最高位数字位的进位相加，结果就是和的符号解：1.5几种常用的编码数值文字符号二进制代码编码为了表示字符编码可以有多种，数字电路中所用的主要是二–十进制码（BCD-Binary-Coded-Decimal码）。信息为了分别表示N个字符，所需的二进制数的最小位数：Nn2一、十进制代码：BCD码用四位二进制数表示0~9十个数码。四位二进制数最多可以表示16个字符，因此，从16种表示中选十个来表示0~9十个字符，可以有多种情况。不同的表示法便形成了一种编码。这里主要介绍：8421码5421码余3码2421码权重：(3256)D=3103+2102+5101+6100个位(D0)的权重为100，十位(D1)的权重为101，百位(D2)的权重为102，千位(D3)的权重为103……十进制数(N)D二进制编码(K3K2K1K0)B(N)D=W3K3+W2K2+W1K1+W0K0W3~W0为二进制各位的权重8421码，就是指W3=8、W2=4、W1=2、W0=1。用四位二进制数表示0~9十个数码，该四位二进制数的每一位也有权重。2421码，就是指W3=2、W2=4、W1=2、W0=1。5421码，就