数字电路逻辑设计-第一章

数字电子技术讲授：刘琪芳授课班级：电子1201、电子1202联系方式：137035463842课程简介通过本课程的学习，使学生掌握数字逻辑电路的基本理论和基本分析方法，为学习后续课程准备必要的电路知识。在本课程中，将介绍数字逻辑电路的分析设计方法和基本的系统设计技巧；培养同学综合运用知识分析解决问题的能力和在工程性设计方面的基本素养。通过实验和课外上机实验的方式，使同学深入了解和掌握数字逻辑电路的设计分析方法和电路的运用过程。第一章绪论•要求：1、正确理解一些有关数字技术的基本知识；2、掌握常用的几种数制以及它们之间的转换；3、掌握数字系统中常用的几种BCD码。•学习重点：1、不同数制之间的相互转换；2、用二进制编码表示十进制数（BCD码）；3、算术运算与逻辑运算。第1章绪论第一章绪论1.1.1数字技术基本知识1.1.2数制及其转换1.1.3二﹣十进制码（BCD码）1.1.4算术运算与逻辑运算发展特点: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数字技术的发展及其应用晶体管时代电流控制器件半导体二极管、三极管半导体技术器件半导体集成电路根据电路的结构特点及其对输入信号的响应规则的不同--数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。从集成度不同--数字集成电路可分为小规模、中规模、大规模、甚大规模和超大规模五类。从电路的形式不同--数字电路可分为集成电路和分立电路从器件不同--数字电路可分为TTL和CMOS电路数字集成电路的分类集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目小规模集成电路(SmallScaleIC，SSI)中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)大规模集成电路(LargeScaleIC，LSI)超大规模集成电路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大规模集成电路(GiganticScaleIC，GSI）划分集成电路规模的标准数字集成电路类别MOSIC双极IC模拟集成电路SSI＜102＜100＜30MSI102～103100～50030～100LSI103～105500～2000100～300VLSI105～107＞2000＞300ULSI107～109GSI＞109数字集成电路的特点1)电路简单,便于大规模集成,批量生产2)可靠性、稳定性和精度高,抗干扰能力强3)体积小,通用性好,成本低.4)具可编程性,可实现硬件设计软件化5)高速度低功耗6)加密性好电路设计方法伴随器件变化从传统走向现代a)传统的设计方法：b)现代的设计方法：采用自下而上的设计方法；由人工组装,经反复调试、验证、修改完成。所用的元器件较多，电路可靠性差,设计周期长。现代EDA技术实现硬件设计软件化。采用从上到下设计方法，电路设计、分析、仿真、修订全通过计算机完成。EDA技术以计算机为基本工具、借助于软件设计平台，自动完成数字系统的仿真、逻辑综合、布局布线等工作。最后下载到芯片，实现系统功能。使硬件设计软件化。1、设计：在计算机上利用软件平台进行设计原理图设计VerlogHDL语言设计状态机设计设计方法EDA（ElectronicsDesignAutomation)技术3、下载2、仿真4、验证结果实验板下载线数码相机智能仪器计算机数字技术的应用1．基本概念数字量：在时间上和数值都是离散的物理量，而且每次增减变化总是发生在一系列离散的瞬间，数量大小和每次的增减变化都是某一个最小单位的整数倍。数字信号：表示数字量的信号。第一章绪论1.1.1数字技术基本知识数字信号表示方法(a)电位型：高电平表示“1”，低电平表示“0”。(b)脉冲型：有脉冲表示“1”，无脉冲表示“0”。第一章绪论占空比Q-----表示脉冲宽度占整个周期的百分比上升时间tr和下降时间tf----从脉冲幅值的10%到90%上升下降所经历的时间(典型值ns)脉冲宽度(tw)----脉冲幅值的50%的两个时间所跨越的时间周期(T)----表示两个相邻脉冲之间的时间间隔tr脉冲宽度tw0.5V4.5V2.5V幅值=5.0V0.0V5.0Vtf0.5V2.5V4.5V实际脉冲波形及主要参数时序图----表明各个数字信号时序关系的多重波形图。由于各信号的路径不同，这些信号之间不可能严格保持同步关系。为了保证可靠工作，各信号之间通常允许一定的时差，但这些时差必须限定在规定范围内，各个信号的时序关系用时序图表达。学习数字电路的意义？声音、图画、温度、压力等•模拟信号:时间连续、取值也连续；正弦波、三角波等；模/数转换数/模转换数字电路(数电)模拟信号在时间上和取值上都是连续的，在取值上可以是某一范围内的任何值，与数字信号的“离散瞬间、取值突变”不同。回顾与思考：数字信号与模拟信号有何区别？原始信号衰减放大模拟信号在传输过程中失真数字信号仍然可以保持0、12.数字电路数字系统：一个能对数字信号进行加工、传输和存储的实体，由实现各种功能的数字电路相互连接而成。数字信号工作的电路。由于数字电路的各种功能是通过逻辑运算和逻辑判断来实现，所以又称数字逻辑电路或逻辑电路。789456123#.0编码器寄存器A译码器A编码转换器A比较器ABA=B计数器加法器ABCΣ寄存器B编码转换器B译码器BMUX50550550译码器C寄存器CDEMUX输入每只瓶子药片数量的键区现场显示每只瓶子的预定数每只瓶子预定药片数的二进制代码现场显示所有瓶子的药片总数当前总数每只瓶子当前数的二进制代码高电平关闭阀门，传送带向前运行··阀门传感器传送带控制当下一个瓶子就位时，脉冲使计数器清零传感器因每次加1产生的脉冲新的总数药片总数的二进制代码以串行形式被传输，用以远程显示和计算机总量控制改变顺序控制输入药片计数和装瓶系统１．十进制数十进制数采用0、1、···、9十个不同的数码；在计数时，采用“逢十进一”及“借一当十”。某个数码处于十进制数的不同数位时，代表的数值是不同的。位权：235=5×1+3×10+2×100；352=2×1+5×10+3×100101210121211012210121010101010()0110.nnmnnmnnmNaaaaaaaaaaaaaa式中，ai为十进制数的任意一个数码；n、m为正整数，n表示整数部分数位，m表示小数部分数位。1.1.2数制及其转换按位权展开：任意进制的数值都可以按位权展开。对于R(R≥2)进制计数，共有0、1、···、(R-1)个不同的数码，那么一个R进制的数按位权可展开为：121012101212121012().RnmnmnnnmnRRNaaaaaaaaaaaRRRRRaaa“逢R进一”的计数叫做“R进制”计数，R称为计数制的基数，或称为计数的模值(mod)。用(N)R表示R进制数N。1.1.2数制及其转换２．二进制数二进制数只有0和1两个数码，在计数时“逢二进一”及“借一当二”。基数为2，每个数位的权值均为2的幂次方。二进制数可以按位权展开为：1212121012121012012222222)2(.nnmnnmnnmNaaaaaaaaaaaaaa式中，ai为第i位的数码：“0”或“1”，2i为第i位的权值，n和m均为正整数。2101232212021202121(1101.01)例如：1.1.2数制及其转换188()iniimNa1018848681(16.4)例如：３．八进制和十六进制八进制数有0～7八个数码，基数为8，八进制数表示为：十六进制数有0～9、A～F十六个数码符号，其中A～F六个符号依次表示10～15，基数为16：11616()niimiNa1011616121661610(A6.C)例如：1.1.2数制及其转换４．不同进制数的转换(1)将R进制数转换成十进制数将R进制数转换为等值的十进制数，只要将R进制数按位权展开，再按十进制运算规则相加即可。例1：将下列各进制数转换成十进制数。(D8.A)16＝13×161＋8×160＋10×16－1＝(216.625)10(207.04)8＝2×82＋0×81＋7×80＋0×8－1＋4×8－2＝(135.0625)10(101.01)2＝1×22＋0×21＋1×20＋0×2－1＋1×2－2＝(5.25)101.1.2数制及其转换(2)将十进制数转换成R进制数将十进制数的整数部分和小数部分分别进行转换，然后合并起来。整数部分的转换采用“R除取余”法，小数部分的转换采用“R乘取整”法。整数部分的转换步骤：R除取余，由低到高产生相应位。①将给定的十进制整数除以R，余数作为R进制数的最低位（LSB）。②用上一步的商再除以R，余数作为次低位。③重复步骤②，记下余数，直至最后商为0。最后的余数即为R进制数的最高位（MSB）。1.1.2数制及其转换例2：将（217）10转换成二进制数解：∵2∣2172∣108…………余1……LSBb02∣54…………余0b12∣27…………余0b22∣13…………余1b32∣6…………余1b42∣3…………余0b52∣1…………余1b60…………余1……MSBb7∴（217）10=（11011001）21.1.2数制及其转换例3：将十进制数（53）10转换成八进制数。解：由于基数为8，逐次除以8取余数：8∣538∣6……余5……LSBb0=50……余6……MSBb1=6所以（53）10=（65）81.1.2数制及其转换小数部分的转换步骤：R乘取整，由高到低产生相应位。①将小数部分乘以R，取乘积的整数部分作为R进制小数部分的最高位；②将乘积的小数部分继续乘以R，取乘积的整数部分作为R进制小数部分的次高位；③重复步骤②，直至最后乘积为0或达到一定的精度为止。例4：求（0.3125）10=（）2解：0.3125×2=0.625……整数为0b-10.625×2=1.25……整数为1b-20.25×2=0.5……整数为0b-30.5×2=1.0……整数为1b-4所以（0.3125）10=（0.0101）21.1.2数制及其转换例5：将（0.39）10转换成二进制数，要求精度达到0.1%。解：要求精度为0.1%，因为2-9(1/512)＞1/1000＞2-10(1/1024)，所以需要精确到二进制小数第10位。0.39×2=0.78……整数为0b-1=00.78×2=1.56……整数为1b-2=10.56×2=1.12……整数为1b-3=10.12×2=0.24……整数为0b-4=00.24×2=0.48……整数为0b-5=00.48×2=0.96……整数为0b-6=00.96×2=1.92……整数为1b-7=10.92×2=1.84……整数为1b-8=10.84×2=1.68……整数为1b-9=10.68×2=1.36……整数为1b-10=1所以（0.39）10=（0.0110001111）21.1.2数制及其转换例6：将(0.39)10转换成八进制数，要求精度达到0.1%。解：要求精度为0.1%，因为8-3(1/512)＞1/1000＞8-4(1/4096),所以需要精确到八进制小数的第4位。0.39×8=3.12……整数为3b-1=30.12×8=0.96……整数为0b-2=00.96×8=7.68……整数为7b-3=70.68×8=5.44……整数为5b-4=5所以（0.39）10=（0.3075）81.1.2数制及其转换1.1.2数制及其转换将一个带有整数和小数的十进制数转换为R进制数时：将整数部分和小数部分分别进行转换，然后将结果合并。例：将十进制数(21