数字电路基础

LOGO电子技术基础(数字部分)电子技术基础(数字部分)张岩张岩1.课程性质：是电类专业的：2课程目标具入门性质的、重要的专业基础课获得适应信息时代的数字电子技术方面的基本理论、2.课程目标：获得信代数字子技术方面本基本知识和基本技能。培养分析和解决实际问题的能力，为以后学习与数字电子技术相关学科和专业应用打好以术科专下两方面的基础:1）正确分析设计数字电路，特别是集成电路1）正确分析、设计数字电路，特别是集成电路2）进一步学习设计专用集成电路(ASIC)3.课程研究内容------数字信号传输变换产生等内容涉及信数字信号传输、变换、产生等。内容涉及信号处理的器件、功能电路及系统。4.课程特点与学习方法1)发展快2)应用广3)工程实践性强•课程特点1)发展快2)应用广3)工程实践性强每18个月芯片的集成度提高1倍,而功耗下降一半。•学习方法打好基础关注发展主动更新注重实践打好基础、关注发展、主动更新、注重实践课程学习中:课程学习中:了解电路功能的应用背景,注重学习分析问题、解决问题能力的培养能力的培养。注重理解和掌握功能部件的外特性、多练习、多动手数电的内容数电的内容第1章数字逻辑概论第2章逻辑代数与HDL基础第1章数字逻辑概论第2章逻辑代数与HDL基础第3章逻辑门电路第4章组合逻辑电路第5章锁存器与触发器第6章时序逻辑电路第7章存储器复杂可编程逻辑器件和现场可编程门阵列第8章脉冲波形的产生与变换第8章脉冲波形的产生与变换第9章数模与模数转换器第章数模与模数转换第10章数字系统设计基础第章数字辑概论第一章数字逻辑概论™11数字电路与数字信号™1.1数字电路与数字信号™1.2数制™1.3逻辑函数及其表示方法11数字电路与数字信号1.1数字电路与数字信号信号承载信息即信号是信息的物理表现形式信号承载信息，即信号是信息的物理表现形式•电子系统处理电信号，其物理形式是电压或电流波形•声音、图像、亮度、温度等等物理信息，都可以通过传感器转换而得到相声音、图像、亮度、温度等等物理信息，都可以通过传感器转换而得到相应的电信号•信号波形代表了相应物理量的变化T/℃2200.5•信号波形代表了相应物理量的变化2200.0219952199.5温度波动曲线01080706050403020t/s模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号•具有无限密集的时间定义区间•具有无穷密集的数值定义区间υυυOtOtOtt正弦波三角波调幅波数字信号在时间和幅值上都是离散的信号数字信号：在时间和幅值上都是离散的信号•仅在确定的时间点上有定义(tn)仅在确定的时间点上有定义(n)•定义时间点上的信号幅度仅有量化区间上的数值(量化编码)υ0tt数字逻辑信号和波形用符号0和1来表示幅度称为逻辑0和逻辑1用符号0和1来表示幅度，称为逻辑0和逻辑1数字波形是逻辑电平对时间的图形表示。10(a)非周期数字波形10(b)周期数字波形(b)周期数字波形™二进制数字波形（bit）•一个比特表示两个状态，多个状态要用更多比特才能表示个比特表示两个状态，多个状态要用更多比特才能表示•在数字电子技术和计算机应用中，采用多比特数字信号102120二值波形位值LSB10101010101010000011110011001122000011110000111123MSB0000000011111111MSB3210765410118149151213十进制数™多比特二进制信号的串行或并行处理™1）串行方式：多比特信号按比特位依次处理，要求信号按位依次传送™2）并行方式：多比特信号的所有位同时处理，要求各比特位要同时传送传送00时钟线数据线打印机0110011计算机1打印机0MSB01234567101MSBLSBCP串行数据(a)0MSBLSB00110110数据t数制1.2数制™1.十进制：™以十为基数的记数体制表示数的十个数码™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143.75=21012105107103104101−−×+×+×+×+×任意一个十进制数N可以表示成：1010iiMa+∞=×∑ii=−∞∑ai：第i位的系数™2.二进制：™以二为基数的记数体制表示数的两个数码™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（10111）21012（101.11）2=210122121212021−−×+×+×+×+×=（5.75）10（5.75）10任意一个二进制数N可以表示成：22iMb+∞=×∑22iiMb=−∞=×∑™3.八进制：以八为基数的记数体制表示数的八个数码：0、1、2、3、4、5、6、7八个数码：0、1、2、3、4、5、6、7™遵循逢八进一的规律任意个进制数以表示成8iMo+∞=×∑™任意一个八进制数N可以表示成：™4.十六进制：88iiMo=−∞=×∑™0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F、、、™任意一个十六进制数展开式为：1616iiiMh+∞=−∞=×∑i数置转换数置转换™1.二－十进制转换™2十二进制转换™2.十－二进制转换™3.十－二进制转换™4.二进制–八进制转换™5.二进制－十六进制转换™5进制十六进制转换™6.十六进制－二进制转换™7十六进制数与十进制数的转换™7.十六进制数与十进制数的转换™第章逻辑代数与硬件描述语言™第二章逻辑代数与硬件描述语言™21逻辑代数™2.1逻辑代数™2.2逻辑函数的卡诺图化简法逻辑代数逻辑值0、1－代表两种不同的状态逻辑变量取值为逻辑值0或1逻辑代数逻辑运算运算的表示三个基本运算－与、或、非最基本的表示－真值表逻辑函数与真值表ABFABF000例：给定函数F=(A,B)两个自变量，共有四种取值组合F(00)=0；F(01)=0；010101F(0,0)=0；F(0,1)=0；F(1,0)=1；F(1,1)=1；111三个自变量，有八种取值组合四个自变量，有十六种取值组合…序号公式a公式b名称律1A⋅0=0A+1=10-1律2A⋅1=AA+0=A自等律ABBA交换律3A⋅B=B⋅AA+B=B+A交换律4A⋅(B⋅C)=(A⋅B)⋅CA+(B+C)=(A+B)+C结合律C5A⋅(B+C)=A⋅B+A⋅CA+B⋅C=(A+B)⋅(A+C)分配律0AA=⋅1AA=+6互补律7A+A=AA⋅A=A重叠律AA=8非非律9A+AB=AA⋅(A+B)=A吸收律BABA+=⋅A+BAB=⋅例证明ABAB+=⋅ABAB=+，按A、B取值，情况列出真值表，从表中可以直接得出结果。ABABA+BA+BABAB⋅ABABA+BA+B00110+0=110·0=11ABAB01100+1=000·1=1110011+0=001·0=1111001+1=001·1=00逻辑描述工程上，一般先提出逻辑命题，然后用真值表加以描述，最后写出逻辑函数表达式。F一个控制楼梯照明灯的电路。A、B是两个单刀双掷开关A装在楼上B装在楼下共同控制灯F逻辑描述baBA掷开关，A装在楼上，B装在楼下。共同控制灯F的亮、灭。试写出灯F亮的逻辑函数。dc~220问题分析逻辑描述示意只有开关A、B都接上面或都接下面时，灯F才亮。而一个接上面，另一个接下面时，灯不亮。真值表假设输入变量为AB；ABF假设输入变量为A、B；用0表示开关接下面，1表示接上面假设输出变量为F；001010假设输出变量为；用0表示灯灭，用1表示灯亮则输入输出变量之间的关系可以用真值表来表示010100则输入输出变量之间的关系可以用真值表来表示111由真值表，在A、B的四种组合中，只有一、四两种能使灯亮。这两种情况中，A、逻辑函数：由真值表在的种合中只有两种能使灯亮这两种情况中B之间是与的关系，而两种状态之间则是或的关系。故灯亮的逻辑函数为：BABAF⋅+⋅=22逻辑函数的卡诺图化简法2.2逻辑函数的卡诺图化简法™另外的课件第章辑电路第三章逻辑门电路™3.1MOS逻辑门电路™3.2TTL逻辑门电路1高、低电平产生的原理+5RRvo当S闭合，υO=0V(低电平)SvI当S断开，υO=+5V(高电平)理想的开关：接通状态：要求阻抗越小越好，相当于短路。断开状态：要求阻抗越大越好，相当于开路。断开状态：要求阻抗越大越好，相当于开路。2.产生的高、低电平半导体器件2.产生的高、低电平半导体器件VDDRdVDDRcVCCvOvovIRbiD/mA可变电阻区vIVCCiCvIVGS3VGS4饱和区RcOVGS1VGS2饱和区vDS/V截止区VCCvCE工作在可变电阻区:输出低电平工作在饱和区:输出低电平3种基本逻辑门对应三种基本逻辑运算，分别有三种门符号F=A·BAB&F=A+BAB≥1FA=A1FA=A1BB与门或门非门基本门值表基本算完非逻辑门中，小圆圈表示非运算。基本逻辑门的真值表和相应的基本运算完全相同27非逻辑门中，小圆圈表示非运算。可以表示在输入端或输出端常用的复合逻辑及其逻辑门1.与、非合成为与非逻辑FAB=AABFAB=001011&与非门：当且仅当输入全部为1时输出才为B011101110输出才为02.或、非合成为或非逻辑FAB=+AABFAB=+001≥1或非门：当且仅当输入全部为0时输出才为1B01010011028输出才为11103异或逻辑及同或逻辑3异或逻辑及同或逻辑ABFAB=⊕异或逻辑BABABAF⊕=+=FAB=⊕AB000011101=1异或门：输入相异输出为101110输入相异，输出为1ABFAB=同或逻辑BAABBAF=+⋅=⊙FAB=AABFAB=001010=1同或门：B10011129输入相同，输出为1第四章组合逻辑电路第四章组合逻辑电路™4.1组合逻辑电路的分析与设计™4.2若干典型的组合逻辑集成电路41组合逻辑电路的分析与设计组合逻辑电路的一般设计步骤（四步法）4.1组合逻辑电路的分析与设计1.根据实际逻辑问题确定输入、输出变量，并定义逻辑状态的含义；的含义；2.根据输入、输出的因果关系，列出真值表；3由真值表写出逻辑表达式根据需要简化和变换逻辑表达式逻辑式→化简3.由真值表写出逻辑表达式，根据需要简化和变换逻辑表达式4.画出逻辑图根据题意列真值表卡诺图→化简原则电路要最简（要求所用器件的种类和数量都尽可能画逻辑电路图写最简逻辑式31原则：电路要最简（要求所用器件的种类和数量都尽可能少，且器件之间的连线也最少)。2设计举例12.设计举例1设计一个表决电路，该电路输入为A、B、C，输出是L。当输入有两个或两个以上为时输出为其他情输出为例1输入有两个或两个以上为1时，输出为1，其他情况输出为0。用与非门设计该表决电路。ABCL解：1）根据题意可列出真值表2）画出卡诺图ABCL00000100+5V画出卡诺图00011110ABC00101000BCAB要设的001001110101110010BCACABLBC计的逻辑电路3）简化和变换逻辑表达式10111011CC电路32）简化和变换逻辑表达式L=AB+AC+BC11113）简化和变换逻辑表达式3）简化和变换逻辑表达式L=AB+AC+BCBCACABBCACAB=++=4）画出逻辑电路图4）画出逻辑电路图。A&AB&&&C&&L33&2.设计举例2某董事会有一位董事长和三位董事进行表决，当满足以下某董事会有位董事长和三位董事进行表决，当满足以下条件时决议通过：有三人或三人以上同意；或者有两人同意，但其中一人必须是董事长。试用两输入与非门设计满足上述要求的表决电路。解1)逻辑抽象。解)逻辑抽象用变量A、B、C、D表示输入，A代表董事长，B、C、D代表董事，1表示同意，0表示不同意；2)列出真值表董事表示同意表示不同意；用L表示输出，L＝1，代表决议通过，L＝0，代表不通过。2)列出真值表；3)画出卡诺图，求输出L的表达式；344)画出由与非门组成的逻辑电路。2.设计举例2输入出输入出2)列出真值表输入出ABCDL0000输入出ABCDL100002)列出真值表3)画出输