数字电子技术基础

1数字电子技术基础课程总学时：64；课程学分：4；课程类型：统考课。2序课程介绍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6.考核2.教学目标3《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。4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5a、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该发展速度还将持续到2015或2020年，此后将达到饱和。6基本电路：设计方法相同，电路形式多样。a、掌握基本概念、基本电路和基本分析、设计方法基本概念：以不变应万变的基础基本分析方法：不同类型的电路有不同的结构特征和不同的描述方法，分析方法和设计方法。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。7阎石主编《数字电子技术基础》第五版高等教育出版社5.主要教材及参考书康华光主编《电子技术基础数字部分(第五版)》高等教育出版社阎石主编《帮你学数字电子技术基础释疑、解题、考试》高等教育出版社JohnF.Wakerly编《数字电路--原理与实践(第四版)》高等教育出版社罗杰主编《电子技术基础数字部分(第五版)习题全解》高等教育出版社86、考核平时成绩+半期成绩50%期末考试成绩50%闭卷91.数字逻辑基础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105、掌握基本逻辑运算及逻辑函数的表示方法教学基本要求1、了解数字信号与数字电路的基本概念2、了解数字信号的特点及表示方法3、掌握常用二～十、二～一十六进制数的转换4、了解常用二进制码，熟悉8421BCD码1.数字逻辑基础111.1.1数字技术的发展及其应用1906年美国李.德福雷斯特发明了真空三极管1958年美国基尔比制成第一块集成电路6个月后诺伊斯制成第一块硅集成电路1948年晶体管之父威廉•肖克利发明了第一只晶体管诞生1.1数字电路与数字信号1280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1.1.1数字技术的发展及其应用数字技术的发展13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1.1.1数字技术的发展及其应用141946年2月由宾州大学研制成功ENIAC电子数字积分计算机重达30吨占地250m2启动工耗150000瓦1.8万个电子管保存80个字节1.1.1数字技术的发展及其应用电子管时代15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1.1.1数字技术的发展及其应用16半导体集成电路1.1.1数字技术的发展及其应用17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。1.1.1数字技术的发展及其应用18EDA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1.1.1数字技术的发展及其应用193、下载2、仿真4、验证结果实验板下载线1.1.1数字技术的发展及其应用201.1.1数字技术的发展及其应用1.将PLD焊在PCB板上2.接好编程电缆3.现场烧写PLD芯片21应用：发展快、应用最广泛的现代技术.雷达技术通信技术计算机、自动控制航空航天“勇气”号火星探测器1.1.1数字技术的发展及其应用2223数码相机智能仪器计算机1.1.1数字技术的发展及其应用24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CMOS和TTL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25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1.1.2数字集成电路的分类及特点262、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1.1.2数字集成电路的分类及特点273、数字电路的分析、设计与测试(1)数字电路的分析方法1.1.2数字集成电路的分类及特点数字电路的分析: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。28---时间和数值均连续变化的电信号，如正弦波、三角波等uOtOtu1.模拟信号与数字信号1.1.3数字电路与数字信号模拟信号29数字信号---在时间上和数值上均是离散的信号。数字信号波形•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1.1.3数字电路与数字信号303、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t/sv/mV0v/mV0t/st1t2t0000001110t3t/s0000110000001001000010001.1.3数字电路与数字信号31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32(a)用逻辑电平描述的数字波形(b)16位数据的图形表示u/V50t/ms50100150200逻辑0逻辑12、数字波形1010011110010101数字波形------是信号逻辑电平对时间的图形表示.1.1.4数字信号的描述方法33ΔtΔt为一拍数字波形(a)1110110001高电平低电平有脉冲(b)*非归零型*归零型比特率--------每秒钟转输数据的位数无脉冲10(1)数字波形的两种类型:2、数字波形1.1.4数字信号的描述方法34(2)周期性和非周期性TtW非周期性数字波形周期性数字波形周期性数字波形1.1.4数字信号的描述方法Q(%)w=100%tT35tr脉冲宽度tw0.5V4.5V2.5V幅值=5.0V0.0V5.0Vtf0.5V2.5V4.5V非理想脉冲波形(3)实际脉冲波形及主要参数理想脉冲波形1.1.4数字信号的描述方法36m0.9Vm0.5Vm0.1Vrt上升时间ftwt脉冲宽度下降时间mV脉冲幅度T脉冲周期占空比q=tW/T37占空比Q-----表示脉冲宽度占整个周期的百分比几个主要参数: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1.1.4数字信号的描述方法38(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。某存储器读数据的时序图ttCO数据RD地址bbtAA1.1.4数字信号的描述方法t391.2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：十进制，二进制，八进制，十六进制40十进制，二进制，八进制，十六进制逢二进一逢八进一逢十进一逢十六进一41十进制数二进制八进制十六进制00000000001000101102001002203001103304010004405010105506011006607011107708100010809100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F不同进制数的对照表42iii10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)D=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:irii(N)Kr各位的权都是10的幂。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十进制:十进制数的展开式43二进制：(脚注也用B表示)101810(12.4)182848(10.5)（101.11）2=122+021+120+121+122=(5.75)10八进制：(脚注也用O表示)16进制：(脚注也用H表示)10121610(2.7)21610167161516(42.4960937)AF441.3不同数制间的转换一、二－十转换例：1021012322511212021212021(1011.01)).＝（＋＋＋＋＋－－),(102KKDii45二、十－二转换整数部分:例：1231212110121100112211102222222222222kkkkkkkkkkkkkkkkSnnnnnnnnnnnnnnnnnn)()()(同理01102215201021212143208621173276543210kkkkkkkk＝余数＝＝余数＝＝余数＝＝余数＝＝余数＝＝余数＝＝余数＝＝余数＝∟∟∟∟∟∟∟∟21010101101173)()(故46二、十－二转换小数部分:例：)()()()()(213212312123121102211102222222222222