數(shù)字電路09前言n

1、主講教師：李曉光2011年2月緒緒 論論 數(shù)字電路的概述數(shù)字電路的概述學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)方法考核方法考核方法基本知識基本知識 基本知識概述基本知識概述物理信號物理信號連續(xù)信號連續(xù)信號模擬信號模擬信號 離散信號離散信號數(shù)字信號數(shù)字信號數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換模轉(zhuǎn)換 將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號（簡稱將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號（簡稱DA ）模模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（簡稱將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（簡稱A D 轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換） 數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)-能對數(shù)字信號進行加工、傳遞和存儲的實體，這能對數(shù)字信號進行加工、傳遞和存儲的實體，這個個 實體由實現(xiàn)各種功能的數(shù)字邏輯電路相互連接而成。實體由實現(xiàn)各種功能的數(shù)字邏輯電路相

2、互連接而成。模擬系統(tǒng)模擬系統(tǒng)-能對模擬信號進行加工、傳遞和存儲的實體，能對模擬信號進行加工、傳遞和存儲的實體，這個實體由實現(xiàn)各種功能的電子電路相互連接而成。這個實體由實現(xiàn)各種功能的電子電路相互連接而成。一、數(shù)字電路的概述一、數(shù)字電路的概述 模擬電路與數(shù)字電路及區(qū)別模擬電路與數(shù)字電路及區(qū)別模擬電路：模擬電路：處理的信號是處理的信號是 模擬信號模擬信號數(shù)字電路：數(shù)字電路：處理的信號是數(shù)字信號處理的信號是數(shù)字信號一、數(shù)字電路的概述一、數(shù)字電路的概述 數(shù)字邏輯數(shù)字邏輯： 用數(shù)字方式研究和處理事件的邏輯狀態(tài)用數(shù)字方式研究和處理事件的邏輯狀態(tài)和事件之間邏輯關(guān)系的方法，就稱為數(shù)字邏輯。和事件之間邏輯關(guān)系的方

3、法，就稱為數(shù)字邏輯。 數(shù)字電路數(shù)字電路：數(shù)字電路只能處理數(shù)字信號，是物：數(shù)字電路只能處理數(shù)字信號，是物理實現(xiàn)數(shù)字邏輯關(guān)系的重要方法之一，也是理實現(xiàn)數(shù)字邏輯關(guān)系的重要方法之一，也是現(xiàn)代電子技術(shù)的重要組成部分?，F(xiàn)代電子技術(shù)的重要組成部分。 數(shù)字邏輯模型及特點：數(shù)字邏輯模型及特點：所謂數(shù)字邏輯模型，是指用數(shù)字邏輯方法對一個實際邏輯系統(tǒng)的描述結(jié)果。 。邏輯模型表征的是邏輯特性，邏輯模型表征的是邏輯特性，只代只代表數(shù)字邏輯信號之間邏輯狀態(tài)的相表數(shù)字邏輯信號之間邏輯狀態(tài)的相互影響和邏輯運算關(guān)系，不代表各互影響和邏輯運算關(guān)系，不代表各邏輯信號之間的數(shù)值關(guān)系。邏輯關(guān)邏輯信號之間的數(shù)值關(guān)系。邏輯關(guān)系只有真和假、

4、有和無，不存在連系只有真和假、有和無，不存在連續(xù)變化的可能性。也不存在似是而續(xù)變化的可能性。也不存在似是而非的可能性。非的可能性。 邏輯模型表現(xiàn)形式多樣性，邏輯模型表現(xiàn)形式多樣性，同一個邏同一個邏輯模型可以有不同的表現(xiàn)形式。對同輯模型可以有不同的表現(xiàn)形式。對同一邏輯模型可有不同的數(shù)學(xué)描述形式一邏輯模型可有不同的數(shù)學(xué)描述形式。例如對同一個邏輯系統(tǒng)，可以使用。例如對同一個邏輯系統(tǒng)，可以使用表格作為邏輯模型，也可以使用狀態(tài)表格作為邏輯模型，也可以使用狀態(tài)圖形作為邏輯模型。圖形作為邏輯模型。各邏輯模型之間各邏輯模型之間可以相互轉(zhuǎn)換?？梢韵嗷マD(zhuǎn)換。 1. 工作信號是工作信號是離散離散的，因此電路中工作的

5、的，因此電路中工作的半導(dǎo)體管半導(dǎo)體管多數(shù)工作在多數(shù)工作在開關(guān)開關(guān)狀態(tài)狀態(tài)。如二極管工作在導(dǎo)通和截止態(tài)、三極管工作在飽和態(tài)和截止。如二極管工作在導(dǎo)通和截止態(tài)、三極管工作在飽和態(tài)和截止態(tài)態(tài)2. 研究對象是研究對象是輸入輸入和和輸出輸出的的邏輯關(guān)系邏輯關(guān)系，因此主要的，因此主要的分析工具是分析工具是邏輯代數(shù)邏輯代數(shù)，表達電路的功能主要是真值表、邏輯表達式及波形，表達電路的功能主要是真值表、邏輯表達式及波形圖等。圖等。一、數(shù)字電路的概述一、數(shù)字電路的概述 數(shù)字電路的特點數(shù)字電路的特點3. 電路結(jié)構(gòu)簡單，功能強，功耗低，集成度高，造價低。電路結(jié)構(gòu)簡單，功能強，功耗低，集成度高，造價低。4. 工作速度快工

6、作速度快, 精度高精度高, 可靠性好可靠性好。5. 數(shù)字電路的基本參數(shù)采用標準參數(shù)，通用性強，應(yīng)用廣泛。數(shù)字電路的基本參數(shù)采用標準參數(shù)，通用性強，應(yīng)用廣泛。一、數(shù)字電路的概述一、數(shù)字電路的概述 數(shù)字電路的類型數(shù)字電路的類型數(shù)字數(shù)字電路電路組合邏輯電路組合邏輯電路電路中無記憶器電路中無記憶器件，無反饋。件，無反饋。時序邏輯電路時序邏輯電路同步時序邏輯電路同步時序邏輯電路異步時序邏輯電路異步時序邏輯電路脈沖異步時脈沖異步時序邏輯電路序邏輯電路電平異步時電平異步時序邏輯電路序邏輯電路電路中含有記憶電路中含有記憶器件及反饋器件及反饋電路狀態(tài)的電路狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是在同轉(zhuǎn)換是在同一時鐘的控一時鐘的控制下進行制

7、下進行電路狀態(tài)的轉(zhuǎn)換電路狀態(tài)的轉(zhuǎn)換不是在同一時鐘不是在同一時鐘的控制下進行的控制下進行由組合電路與延時電由組合電路與延時電路組成，電路在電平路組成，電路在電平控制下轉(zhuǎn)換控制下轉(zhuǎn)換 數(shù)字邏輯與電路的基本內(nèi)容數(shù)字邏輯與電路的基本內(nèi)容基本邏輯門電路基本邏輯門電路組合邏輯電路組合邏輯電路時序邏輯電路時序邏輯電路存儲器電路存儲器電路脈沖整形電路脈沖整形電路基本門、三態(tài)門、基本門、三態(tài)門、 OC門門編譯碼器、數(shù)據(jù)選編譯碼器、數(shù)據(jù)選擇、比較器、啟動擇、比較器、啟動、可編程器件可編程器件ROM、 EPROM、RAM觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、振蕩器、施單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、振蕩器、施密特

8、觸發(fā)器密特觸發(fā)器一、數(shù)字電路的概述一、數(shù)字電路的概述計算機計算機通信（通信（DSP應(yīng)用）應(yīng)用）數(shù)碼像機等家電數(shù)碼像機等家電返返 回回二、典型應(yīng)用二、典型應(yīng)用二、典型應(yīng)用二、典型應(yīng)用數(shù)字信號處理數(shù)字信號處理(DSP)簡介：簡介： 數(shù)字信號處理是一個較新的學(xué)科領(lǐng)域，它是把數(shù)字或符號表示的數(shù)字信號處理是一個較新的學(xué)科領(lǐng)域，它是把數(shù)字或符號表示的序列，通過計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，用數(shù)字的方法去處理這些序列，序列，通過計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，用數(shù)字的方法去處理這些序列，已達到更符合人們要求的信號形式。已達到更符合人們要求的信號形式。 數(shù)字濾波器和數(shù)字頻譜分析是數(shù)字信號處理的兩個分支，數(shù)字濾波器和數(shù)字頻譜分析

9、是數(shù)字信號處理的兩個分支， 可進行可進行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算，例如數(shù)學(xué)逼近，傅里葉變換、復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算，例如數(shù)學(xué)逼近，傅里葉變換、Z變換、快速傅里葉變換、快速傅里葉變換、卷積積分等。所以，數(shù)字信號處理應(yīng)用非常廣泛，凡是用數(shù)字變換、卷積積分等。所以，數(shù)字信號處理應(yīng)用非常廣泛，凡是用數(shù)字方式對信號進行濾波、變換、增強、壓縮、估計、識別等都是數(shù)字信方式對信號進行濾波、變換、增強、壓縮、估計、識別等都是數(shù)字信號處理的研究對象。號處理的研究對象。前置預(yù)前置預(yù)濾波器濾波器模擬濾模擬濾波器波器A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器換器D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器換器數(shù)字信號數(shù)字信號處理器處理器Xa(t)Ya(t)Y (n)X (n)數(shù)字信號處理系統(tǒng)簡

10、單框圖會議電視會議電視數(shù)字移動蜂窩電話數(shù)字移動蜂窩電話家庭信息中心家庭信息中心虛擬教育虛擬教育數(shù)字相機數(shù)字相機自動駕駛汽車自動駕駛汽車視覺感應(yīng)器視覺感應(yīng)器數(shù)據(jù)存儲與處理數(shù)據(jù)存儲與處理返回返回集集成成電電路路緒緒 論論三、電子器件的發(fā)展三、電子器件的發(fā)展電電子子管管晶晶體體管管分分立立元元件件（SSI（100以下以下）MSI（103）LSI（104）超大規(guī)模超大規(guī)模VLSI（105以上）以上）1906年，福雷斯特等發(fā)明了電子管；電子管體年，福雷斯特等發(fā)明了電子管；電子管體積大、重量重、耗電大、壽命短。世界上第一積大、重量重、耗電大、壽命短。世界上第一臺計算機用了臺計算機用了1.8萬只電子管，占地

11、萬只電子管，占地170平方米，平方米，重重30噸，耗電噸，耗電150KW。目前在一些大功率發(fā)射。目前在一些大功率發(fā)射裝置中使用。裝置中使用。1948年，肖克利等發(fā)明了晶體管，其年，肖克利等發(fā)明了晶體管，其性能在體積、重量方面明顯優(yōu)于電子性能在體積、重量方面明顯優(yōu)于電子管，但器件較多時由分立元件組成的管，但器件較多時由分立元件組成的分立電路體積大、焊點多、電路的可分立電路體積大、焊點多、電路的可靠性差?？啃圆?。1960年集成電路出現(xiàn)，成千上年集成電路出現(xiàn)，成千上萬個器件集成在一塊芯片，大萬個器件集成在一塊芯片，大大促進了電子學(xué)的發(fā)展，尤其大促進了電子學(xué)的發(fā)展，尤其促進數(shù)字電路和微型計算機的促進數(shù)

12、字電路和微型計算機的飛速發(fā)展。飛速發(fā)展。芯片中集成上萬個芯片中集成上萬個等效門，目前高的等效門，目前高的已達上百萬門。已達上百萬門。特大規(guī)模特大規(guī)模ULSI（106以上）以上）表表1-1 1-1 集成電路不同發(fā)展階段的特征參數(shù)主要特征集成電路不同發(fā)展階段的特征參數(shù)主要特征主要特征主要特征SSISSIMSIMSILSILSIVLSIVLSIULSIULSIGSLGSL元件數(shù)元件數(shù)/ /片片10 10 109 9特征線寬特征線寬mm5-105-103-53-51-31-3 11201201001004040151510-1510-15 結(jié)深結(jié)深 mm 1.2-20.5-1.20.2-0.50.1-

13、0.2 硅片直徑硅片直徑inchinch 2 22-32-3 4-54-56 68 8121206年P(guān)entium 4 643 (3.2GHz)采用65nm工藝, 目前先進工藝為AMD公司的28nm工藝。 集成電路發(fā)展歷程集成電路發(fā)展歷程 電路集成規(guī)模集成度（晶體管數(shù)）國外實現(xiàn)時間段我國實現(xiàn)時間段小規(guī)模集成電路（SSI）1億至今?不斷提高產(chǎn)品的性能價格比不斷提高產(chǎn)品的性能價格比是微電子技術(shù)發(fā)展的動力是微電子技術(shù)發(fā)展的動力?集成電路芯片的集成度每三集成電路芯片的集成度每三年提高年提高4倍，而加工特征尺寸倍，而加工特征尺寸縮小縮小 倍，這就是倍，這就是摩爾定摩爾定律律微電子發(fā)展的規(guī)律微電子發(fā)展的規(guī)

14、律2四、設(shè)計方法的變化四、設(shè)計方法的變化 傳統(tǒng)的設(shè)計方法：傳統(tǒng)的設(shè)計方法： 現(xiàn)代的設(shè)計方法：現(xiàn)代的設(shè)計方法：純硬件電路邏輯設(shè)計，采用試湊法：比較適純硬件電路邏輯設(shè)計，采用試湊法：比較適合分立元件及小規(guī)模集成電路的設(shè)計，所設(shè)合分立元件及小規(guī)模集成電路的設(shè)計，所設(shè)計電路需反復(fù)調(diào)試，而且所用的元器件較多，計電路需反復(fù)調(diào)試，而且所用的元器件較多，出問題幾率較高，電路的可靠性較差。出問題幾率較高，電路的可靠性較差。從傳統(tǒng)的硬件邏輯設(shè)計發(fā)展為硬件邏輯設(shè)計、從傳統(tǒng)的硬件邏輯設(shè)計發(fā)展為硬件邏輯設(shè)計、軟件邏輯設(shè)計及兼有兩者優(yōu)點的集成電路軟件邏輯設(shè)計及兼有兩者優(yōu)點的集成電路ASIC設(shè)計。采用從上到下或從下到上設(shè)計

15、設(shè)計。采用從上到下或從下到上設(shè)計方法，出現(xiàn)了相應(yīng)的電子設(shè)計自動化技術(shù)方法，出現(xiàn)了相應(yīng)的電子設(shè)計自動化技術(shù)（EDA）和復(fù)雜電路的測試技術(shù)。）和復(fù)雜電路的測試技術(shù)。返返 回回四、設(shè)計方法的變化四、設(shè)計方法的變化 目前比較流行的目前比較流行的數(shù)字邏輯數(shù)字邏輯電路電路或系統(tǒng)的或系統(tǒng)的仿真分析仿真分析工具都是具有工具都是具有一定智能化的軟件平臺。一定智能化的軟件平臺。對對數(shù)字數(shù)字電路電路或系統(tǒng)的物理模型或系統(tǒng)的物理模型進行描述的進行描述的計算機語言是計算機語言是SPICE（包括包括PC機支持的機支持的PSPICE），對數(shù)字電路或，對數(shù)字電路或系統(tǒng)的邏輯功能和特性進行描述的語言是系統(tǒng)的邏輯功能和特性進行描

16、述的語言是VHDL和和Verilog。此外，此外，還有一些可以直接輸入物理模型還有一些可以直接輸入物理模型或邏輯模型，或邏輯模型，而不使用語言輸入方而不使用語言輸入方式的式的數(shù)字邏輯數(shù)字邏輯電路與系統(tǒng)的分析、設(shè)計和仿真軟件工具，例如電路與系統(tǒng)的分析、設(shè)計和仿真軟件工具，例如SystemView、Multisim(Workbench)和和OrCAD等。等。EDA技術(shù)以計算機為基本工具、借助于軟件設(shè)技術(shù)以計算機為基本工具、借助于軟件設(shè)計平臺，自動完成數(shù)字系統(tǒng)的邏輯綜合、布局計平臺，自動完成數(shù)字系統(tǒng)的邏輯綜合、布局布線、仿真等工作。最后下載到芯片，實現(xiàn)方布線、仿真等工作。最后下載到芯片，實現(xiàn)方案。案

17、。 EDA技術(shù)：技術(shù)：1、設(shè)計：、設(shè)計：在計算機上利用軟件平臺進行設(shè)計在計算機上利用軟件平臺進行設(shè)計設(shè)計方法設(shè)計方法原理圖設(shè)計原理圖設(shè)計VHDL語言設(shè)計語言設(shè)計狀態(tài)機設(shè)計狀態(tài)機設(shè)計返返 回回2、仿真、仿真3、下載、下載4、驗證結(jié)果、驗證結(jié)果實驗板實驗板下載線下載線返返 回回 EDA工程：工程： EDA工程廣義的定義范圍應(yīng)包括：工程廣義的定義范圍應(yīng)包括：1、半導(dǎo)體工藝設(shè)計自動化；、半導(dǎo)體工藝設(shè)計自動化；2、可編程器件（、可編程器件（PLD、CPLD等等)設(shè)計自動化；設(shè)計自動化；3、電子系統(tǒng)設(shè)計自動化；、電子系統(tǒng)設(shè)計自動化；4、印刷電路板設(shè)計自動化；、印刷電路板設(shè)計自動化；5、仿真、測試、故障診斷

18、、形式驗證自動化。、仿真、測試、故障診斷、形式驗證自動化。6、EDA軟件平臺的研究與開發(fā)。軟件平臺的研究與開發(fā)。 EDA工程的應(yīng)用范疇：工程的應(yīng)用范疇：用戶需求功能定義波形輸入法波形輸入法VHDL語言輸入法語言輸入法電路圖輸入法電路圖輸入法ASIC設(shè)計平臺PLD設(shè)計平臺PCB設(shè)計平臺半導(dǎo)體廠半導(dǎo)體廠IC產(chǎn)品產(chǎn)品可編程可編程ASIC產(chǎn)品產(chǎn)品制版廠制版廠PCB產(chǎn)品產(chǎn)品電子系統(tǒng)整機設(shè)計、制造用戶最終產(chǎn)品電子系統(tǒng)整機設(shè)計、制造用戶最終產(chǎn)品學(xué)學(xué) 習(xí)習(xí) 方方 法法 保證基礎(chǔ)保證基礎(chǔ)熟練掌握有關(guān)邏輯設(shè)計的基礎(chǔ)知識、熟練掌握有關(guān)邏輯設(shè)計的基礎(chǔ)知識、基本概念、基本概念、分析和設(shè)計方法分析和設(shè)計方法 注意記筆記、獨立完成作業(yè)和注意記筆記、獨立完成作業(yè)和無曠課無曠課。 結(jié)合實驗學(xué)習(xí)結(jié)合實驗學(xué)習(xí)(包括虛擬實驗和實際的實驗包括虛擬實驗和實際的實驗)。學(xué)學(xué) 習(xí)習(xí) 要求要求 掌握邏輯函數(shù)的基本運算規(guī)則和表示方法、掌握邏輯函數(shù)的基本運算規(guī)則和表示方法、掌握數(shù)字表達式的簡化方法、掌握邏輯表達式的掌握數(shù)字表達式的簡化方法、掌握邏輯表達式的基本實現(xiàn)技術(shù)、記住所用過邏輯電路的功能和特基本實現(xiàn)技術(shù)、記住所用過邏輯電路的功能和特點點、掌握數(shù)字電路的一般分析和設(shè)計方法。掌握數(shù)字電路