数电课件-康华光电子技术基础—数字部分(第五版)完全配套PPT课件1

1.数字逻辑基础1.1数字电路与数字信号1.2数制1.3二进制数的算术运算1.4二进制代码1.5二值逻辑变量与基本逻辑运算1.6逻辑函数及其表示方法1.1.1数字技术的发展及其应用1.1.2数字集成电路的分类及特点1.1.3模拟信号与数字信号1.1.4数字信号的描述方法1.1数字电路与数字信号1.1.1数字技术的发展及其应用1.1数字电路与数字信号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、超大规模和甚大规模五类。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1、数字集成电路的分类1.1.2、数字集成电路的分类及特点可编程逻辑器件、多功能专用集成电路106以上甚大规模大型存储器、微处理器10,000~99,999超大规模小型存储器、门阵列100~9999大规模计数器、加法器12~99中规模逻辑门、触发器最多12个小规模典型集成电路门的个数分类集成度:每一芯片所包含的门个数2、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3、数字电路的分析、设计与测试(1)数字电路的分析方法数字电路的分析:根据电路确定电路输出与输入之间的逻辑关系。(2)数字电路的设计方法数字电路的设计:从给定的逻辑功能要求出发，选择适当的逻辑器件，设计出符合要求的逻辑电路。设计方式:分为传统的设计方式和基于EDA软件的设计方式。分析工具：逻辑代数。电路逻辑功能主要用真值表、功能表、逻辑表达式和波形图。---时间和数值均连续变化的电信号，如正弦波、三角波等uOtOtu1.模拟信号1.1.3数字信号与数字信号数字信号波形2、数字信号---在时间上和数值上均是离散的信号。•数字电路和模拟电路：工作信号，研究的对象不同，分析、设计方法以及所用的数学工具也相应不同3、模拟信号的数字表示由于数字信号便于存储、分析和传输，通常都将模拟信号转换为数字信号.00模拟信号模数转换器3V数字输出000011模数转换的实现电压(V)二值逻辑电平+51H(高电平)00L(低电平)逻辑电平与电压值的关系（正逻辑）1.1.4数字信号的描述方法1、二值数字逻辑和逻辑电平a、在电路中用低、高电平表示0、1两种逻辑状态0、1数码---表示数量时称二进制数表示方式二值数字逻辑---表示事物状态时称二值逻辑(a)用逻辑电平描述的数字波形(b)16位数据的图形表示2、数字波形数字波形------是信号逻辑电平对时间的图形表示.高电平低电平有脉冲*非归零型*归零型比特率--------每秒钟转输数据的位数无脉冲(1)数字波形的两种类型:(2)周期性和非周期性非周期性数字波形周期性数字波形例1.1.1某通信系统每秒钟传输1544000位(1.544兆位)数据，求每位数据的时间。ns648s1067647s105441916..解：按题意，每位数据的时间为例1.1.2设周期性数字波形的高电平持续6ms，低电平持续10ms，求占空比q。%.%q537100ms16ms6解：因数字波形的脉冲宽度tw=6ms，周期T=6ms+10ms=16ms。非理想脉冲波形(3)实际脉冲波形及主要参数几个主要参数: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(4)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。1.2.1十进制1.2数制1.2.2二进制1.2.3二-十进制之间的转换1.2.4十六进制和八进制iii10KD)N(一般表达式:1.2.1十进制十进制采用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9十个数码，其进位的规则是“逢十进一”。4587.29=4103+5102+8101+7100+2101+9102系数位权任意进制数的一般表达式为:iiirrK(N)各位的权都是10的幂。1.2数制数制:多位数码中的每一位数的构成及低位向高位进位的规则1.2.2二进制二进制数的一般表达式为:iiiBK)N(2例如：1+1=10=1×21+0×20位权系数二进制数只有0、1两个数码，进位规律是：“逢二进一”.1、二进制数的表示方法各位的权都是2的幂。（1）易于电路表达---0、1两个值，可以用管子的导通或截止，灯泡的亮或灭、继电器触点的闭合或断开来表示。2、二进制的优点（2）二进制数字装置所用元件少,电路简单、可靠。（3）基本运算规则简单,运算操作方便。iD/mAOvDS/VVGS1VGS2VGS3VGS4饱和区可变电阻区截止区vORdVDDvIRcVCCVCCvCEiCRcvovIRbVCC3、二进制数波形表示1023222120MSBLSB101010101010100000000011111111001100110000111100000000111111113210765410118149151213十进制数计算机A计算机B10101100串行数据传输10101100计算机A计算机B012345671010MSBLSB00110110CP串行数据（1）二进制数据的串行传输4、二进制数据的传输打印机01100MSB11LSB计算机0并行数据传输27262524232221(LSB)20并行数据(MSB)0123456710CP1010101010101010（2）二进制数据的并行传输将一组二进制数据所有位同时传送。传送速率快,但数据线较多，而且发送和接收设备较复杂。1)、十进制数转换成二进制数：a.整数的转换:“辗转相除”法:将十进制数连续不断地除以2,直至商为零，所得余数由低位到高位排列，即为所求二进制数整数部分小数部分1.2.3二-十进制之间的转换（自学）解：根据上述原理，可将(37)D按如下的步骤转换为二进制数余1余0余137b0b1b2b3b4余0余02218292422…………………………………………………………………………………………………………b5余1201……………………由上得(37)D=(100101)B例1.2.2将十进制数(37)D转换为二进制数。当十进制数较大时，有什么方法使转换过程简化?解：由于27为128，而133－128=5=22＋20，例1.2.3将(133)D转换为二进制数所以对应二进制数b7=1，b2=1，b0=1，其余各系数均为0，所以得(133)D=(10000101)Bb.小数的转换:nnbbbbN2222)(1)(n1)(n2211D1)(n2)(n1)(n1201D2222)(2nbbbbN对于二进制的小数部分可写成将上式两边分别乘以2，得1b由此可见，将十进制小数乘以2，所得乘积的整数即为不难推知，将十进制小数每次除去上次所得积中的整数再乘以2，直到满足误差要求进行“四舍五入”为止，就可完成由十进制小数转换成二进制小数。解由于精度要求达到0.1%，需要精确到二进制小数10位，即1/210=1/1024。0.39×2=0.78b-1=00.78×2=1.56b-2=10.56×2=1.12b-3=10.12×2=0.24b-4=00.24×2=0.48b-5=00.48×2=0.96b-6=00.96×2=1.92b-7=10.92×2=1.84b-8=10.84×2=1.68b-9=10.68×2=1.36b-10=1所以BD..01100011110390%1.0。到例将十进制小数(0.39)D转换成二进制数,要求精度达十六进制数中只有0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A、B、C、D、E、F十六个数码，进位规律是“逢十六进一”。各位的权均为16的幂。1.十六进制1nmiiiH16a)N(一般表达式：101H16121661610(A6.C)例如1.2.4十六进制和八进制各位的权都是16的幂。2、二--十六进制之间的转换二进制转换成十六进制：因为16进制的基数16=24，所以，可将四位二进制数表示一位16进制数，即0000～1111表示0-F。例(111100010101110)B=将每位16进制数展开成四位二进制数，排列顺序不变即可。例(BEEF)H=(78AE)H(1011111011101111)B十六进制转换成二进制：例(111100010101110)B=3.八进制八进制数中只有0,1,2,3,4,5,6,7八个数码，进位规律是“逢八进一”。各位的权都是8的幂。188)(nmiiiaN一般表达式八进制就是以8为基数的计数体制。4、二-八进制之间的转换（自学）将每位八进制数展开成三位二进制数，排列顺序不变即可。•转换时，由小数点开始，整数部分自右向左，小数部分自左向右，三位一组，不够三位的添零补齐，则每三位二进制数表示一位八进制数。•因为八进制的基数8=23，所以，可将三位二进制数表示一位八进制数，即000～111表示0～7例(10110.011)B=例(752.1)O=(26.3)O(111101010.001)B5.十六进制的优点：1、）与二进制之间的转换容易；2、）计数容量较其它进制都大。假如同样采用四位数码，二进制最多可计至(1111)B=(15)D；八进制可计至(7777)O=(2800)D；十进制可计至(9999)D；十六进制可计至(FFFF)H=(65535)D，即64K。其容量最大。3、）书写简洁。1.3二进制的算术运算（自学）1.3.1无符号二进制的数算术运算1.3.2有符号二进制的数算术运算1.3二进制的算术运算（自学）1、二进制加法无符号二进制的加法规则：0+0=0，0+1=1，