数字电路(非常详细)

1考试时间十一周（具体等教务通知）（100分钟）考试题型简答题、计算题、设计题半开卷考试允许带矿大信纸一张，蓝色圆珠笔书写任意想要写的重点，考试结束时上交，算作平时成绩的一部分。考试地点具体等教务通知书上例题、作业、实验2第一章数制与编码要求：⒈会数制转换；⒉符号数的代码表示及应用；⒊8421BCD码、5421BCD码、余三码、格雷码；3第二章逻辑代数基础要求：⒈基本概念；⒉两种化简方法。概念：⒈基本逻辑关系；⒉逻辑函数的几种表示方法；⒊最小项及标准式；⒋无关项。函数化简：公式法和卡诺图法。4第三章逻辑门电路要求：⒈概念；⒉接口应用；⒊特殊门及应用；⒋波形图。概念：⒈基础门；⒉集成门功能及电气特性及相应参数；⒊特殊门的特点及应用。主要参数：集成门使用接口：VON,VOFF,VOH,VOL,RON,ROFF,IIS,IIHNo,tpd,输入、输出特性；输入负载特性；传输特性。5第四章组合逻辑电路集成组合电路的应用：⒈概念；⒉分析设计方法；⒊集成电路应用；概念：⒈组合电路特点；⒉半加与全加、编码、译码、选择、比较；⒊竞争与险象。组合电路的分析与设计方法：要求：⒈SSI——一般分析设计方法～由门实现；⒉MSI——真值表、表达式及变换为相应（逻辑部件）的形式。注意使能端（控制端）的正确使用：60.2数字电路0.2.1.基本概念电信号：指随时间变化的电压和电流。模拟信号：在时间和幅值上都为连续的信号。数字信号：在时间和幅值上都为离散的信号。模拟电路：处理和传输模拟信号的电路。数字电路：处理和传输数字信号的电路。70.2.2模拟电路模拟信号：时间上连续：任意时刻有一个相对的值。数值上连续：可以是在一定范围内的任意值。例如：电压、电流、温度、声音等。真实的世界是模拟的。缺点：很难度量；容易受噪声的干扰；难以保存。优点：用精确的值表示事物。模拟电路：处理和传输模拟信号的电路。三极管工作在线性放大区。80.2.3数字电路数字信号：时间上离散：只在某些时刻有定义。数值上离散：变量只能是有限集合的一个值，常用0、1二进制数表示。9数字信号取值：数字信号位数：例：0和1不表示数值的大小，没有数值的概念，仅表示两种截然不同的逻辑状态0和1两种。即用二进制表示。1位二进制表示2种状态；n位二进制表示2n种状态,取2n≥N灯的开关－－2种取值———1位二进制数人的性别－－2种取值———1位学生的籍贯－－32种取值———5位学生的民族－－56种取值———6位(26=64≥56)东西南北方位－－4种取值———2位产品的计数－－N种取值———n位，2n≥N10数字电路：处理和传输数字信号的电路。即能对数字信号进行算术运算和逻辑运算。三极管工作在开关状态，即饱和区或截止区。算术运算－－对两个(及以上)数字信号进行加、减、乘、除的算术加工。逻辑运算－－对数字信号进行与、或、非及其它逻辑关系的加工处理。单元电路：逻辑设计：把单元电路和逻辑部件组成系统，根据确定的功能要求，设计出相应的数字电路。门电路、触发器由单元电路构成逻辑部件110.2.4.数字电路特点（与模拟电路相比）（1）数字电路的基本工作信号是用1和0表示的二进制的数字信号，反映在电路上就是高电平和低电平。（2）晶体管处于开关工作状态，抗干扰能力强、精度高。（3）通用性强。结构简单、容易制造，便于集成及系列化生产。（4）具有“逻辑思维”能力。数字电路能对输入的数字信号进行各种算术运算和逻辑运算、逻辑判断，故又称为数字逻辑电路。120.2.5.数字电路的分类（1）按功能分类组合逻辑电路：电路的输出信号只与当时的输入信号有关，而与电路原来的状态无关。例：表决器时序逻辑电路：电路的输出信号不仅与当时的输入信号有关，而且还与电路原来的状态有关。例：计数器（2）按结构分类TTL双极型（BJT）CMOS单极型（FET）13（3）按集成电路规模分类集成度：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)10个门10～100个元件中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)10～100个门100～1000个元件大规模集成电路(LargeScaleIC，LSI)100～1000个门1000～10000个元件超大规模集成电路(VeryLargeScaleIC，VLSI)＞1000个门＞10000个元件特大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大规模集成电路(GiganticScaleIC，GSI）14越来越大的设计越来越短的推向市场的时间（例如家电）越来越低的价格（例如家电）大量使用计算机辅助设计工具（EDA技术）多层次的设计表述大量使用复用技术IP（IntellectualProperty）0.2.6.当前数字电路设计的趋势15从20世纪60年代以来数字集成电路经历了SSI、MSI到LSI、VLSI的发展过程,70年代初1K位存储器标志LSI问世后，微电子技术得到迅猛发展。标志性的芯片主要有三类:一类是CPU的发展.自从晶体管级的CPU问世以来，其集成度几乎1-2年翻一倍，性能提高一个数量级，例如：1971-1972年出现的Intel4004和4040（4位），其集成度为2000晶体管，1976年生产的8085（8位），集成度为9000晶体管/片；而1980年生产的Iapx43201（32位），集成度为100000晶体管/片，目前奔腾芯片的集成度都达到几百万甚至上千万个晶体管。工业用品的单片机也得到迅猛的发展，随着超大规模集成电路的发展，单片机已从4位、8位字长，发展到16位、32位字长。另一类具有代表性的是专用ASIC的发展.由于EDA技术的发展，改变了传统的设计方式加之制造工艺水平的不断提高，ASIC以其适应面广，体积小，功耗低，而且具有高性能、高可靠性和高保密性等优点得到广大芯片设计者的青睐。集成电路的发展16第三类典型的芯片是可编程器件.包括数字可编程器件和模拟可编程器件。从20世纪70年代出现熔丝编程的PROM和PLA，数字可编程器件获得飞速发展，20世纪70年代末AMD公司在PLA的基础上推出PAL，80年代初期Lattice公司发明电可擦写的GAL器件。80年代中期Xilinx公司提出现场可编程的概念，于1985生产了世界上第一片FPGA器件。同期Altera公司推出了EPLD器件（ErasableProgrammableLogicDevice）。80年代末期Lattice公司提出了在系统可编程技术以后，相继推出一系列具备在系统可编程能力的复杂可编程逻辑器件（CPLD-ComplexPLD）。CPLD是在EPLD基础上发展起来的，它采用E2CMOS工艺制作，增加了内部连线，改进了内部结构体系，因而比EPLD的性能更好，设计也更加灵活。集成电路的发展17专用集成电路（ASIC-ApplicationSpecificIntegratedCircuit）是为满足某一应用领域或特定用户需要而设计、制造的LSI或VLSI电路，可以将特定的电路或一个应用系统设计在一个芯片上，构成单片应用系统（SOC）。ASIC可分为模拟ASIC和数字ASIC，数字ASIC又可以分为全定制和半定制两种。全定制ASIC芯片的各层（掩膜）都是按特定电路功能专门制造的。设计人员从晶体管级的版图尺寸、位置和互连线开始设计，以达到芯片面积利用率高、速度快、功耗低的最优性能。但全定制的ASIC制作费用高，周期长，适用于批量较大的产品。半定制是一种约束性设计方式。约束的目的是简化设计、缩短设计周期以及提高芯片的成品率。半定制的ASIC主要有门阵列、标准单元和可编程逻辑器件三种。门阵列：包括门电路、触发器等并留有布线区供设计人员连线，用户根据需要设计电路，确定连线方式，交生产厂家布线。标准单元：设计人员使用厂家提供的标准单元，利用CAD（或EDA）工具完成版图级的设计。与门阵列比较其设计灵活，功能强，但设计周期长，费用高。可编程逻辑器件：设计人员用厂家提供的通用型半定制器件（PLD），借助特定的EDA软件进行设计，经过综合适配后形成特定的二进制文件（bitstreamfile），然后通过烧写器将文件写入芯片中，或通过ISP（InSystemProgram）的方式下载到芯片中即可。用户通过可配置的逻辑器件进行电路设计,其特点成本低、设计周期短、可靠性高、承担的风险小。集成电路的发展180.3本课程讲授内容绪论第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第十章数制与编码:“数”在计算机中怎样表示。★逻辑代数基础:逻辑代数的基本概念、逻辑函数及其标准形式、逻辑函数的化简。★★组合逻辑电路的分析与设计。★★★触发器及其应用。★★时序逻辑电路的分析与设计。★★★脉冲电路。★★半导体存储器RAM。★模/数(A/D)与数/模(D/A)转换。★★逻辑门电路。★★190.4数字电路的学习方法（1）重视基础，突出应用；（2）重视外特性，少顾内部结构；（3）加强实践能力锻炼。具体如下：（1）逻辑代数是分析和设计数字电路的重要工具，应熟练掌握。（2）重点掌握各种常用数字逻辑电路的逻辑功能、外部特性及典型应用。对其内部电路结构和工作原理不必过于深究。（3）掌握基本的分析方法。（4）本课程实践性很强。应重视习题、基础实验和综合实训等实践性环节。（5）注意培养和提高查阅有关技术资料和数字集成电路产品手册的能力。要求：掌握基本原理及分析、设计方法200.6成绩评定理论80%包括：平时30%和考试：70%0.7参考书《数字电路逻辑设计》第三版王毓银高教出版社《数字电子技术》第四版阎石高教出版社《数字设计引论》沈嗣昌高教出版社《电子系统设计》何小艇等浙江大学出版社《数字电路与系统设计》邓元庆西安电子科大出版社《数字电路》龚之春电子科技大学出版社（成都）习题集、专科教材、相关杂志实验20%包括：操作60%和报告：40%21第一章学习要求：熟练掌握各进位计数制间的相互转换。熟练掌握一个数原码、反码、补码的表示，以及原码、反码、补码的算术运算。掌握8421BCD码、余3码、格雷码、奇偶校验码的特点。22第一章数制与编码§1进位计数制§2数制转换§3带符号数的代码表示§4常用的一般编码23§1进位计数制一、十进制数的表示⒈数码个数：10个。计数规律:数制：进位计数制：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9逢十进1,借一当10数码的个数和计数规律是进位计数制的两个决定因素计数体制、计数方法。高位进位，本位归0。24例：123.45=1102+2101+3100+410-1+510-2例：123.45读作一百二十三点四五⒉计数法例：123.45读作一百二十三点四五例：123.45=1102+2101+3100+410-1+510-2•位置计数法•按权展开式•按权展开通式•和式(N)10=an-110n-1+an-210n-2+…+a1101+a0100+a-110-1+a-210-2+…+a-m10-miinmiaN10)(11025⒊基与基数用来表示数的数码的集合称为基（0～9）,集合的大小称为基数(十进制为10)。即表示某种进位计数制所具有的数字符号的个数称为基数，也叫模。在十进制中，10的整幂次方称为10进制数的权。即表示某种进位计数制不同位置上数字的单位值，位置不同表示的数值大小不同。123.45=1102+2101+3100+410-1+510-2数的位置不同，权值不同。⒋权例：26二、其它进制其它进制的计数规律可看成是十进制计数制的推广，对任意进制R，数N可以表示成按权展开式：(N)R=an-1Rn-1+an-2Rn-2+…+a1R1+a0R0+a-1R-1+a-2R-2+…+a-mR-miinmiRa1(N)R=(an-1an-2…a1a0.a-1a-2…a-m)R27权值一般用十进制表示⒈R＝2二进制数码个数2个：计数规律:例：0,1逢二进1,借一当2(11