數(shù)字電路第1章

1、第第1章章 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課課 程程 簡簡 介介一一.課程特點課程特點數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)和模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)一樣，也是一門數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)和模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)一樣，也是一門實踐性很強的課程，它們有許多共同之處，也有著明顯的區(qū)實踐性很強的課程，它們有許多共同之處，也有著明顯的區(qū)別。由于通常總是把模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)安排在前面講授，所別。由于通?？偸前涯M電子技術(shù)基礎(chǔ)安排在前面講授，所以要特別注意數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的特點，以便能更好地以要特別注意數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的特點，以便能更好地學好本課程。學好本課程。 1 .數(shù)字電路中工作的數(shù)字電路中工作的信號是數(shù)字信號信號是數(shù)字信號，這種信號在

2、時間上，這種信號在時間上和數(shù)值上都是離散的。在二進制系統(tǒng)中，數(shù)碼只有和數(shù)值上都是離散的。在二進制系統(tǒng)中，數(shù)碼只有1和和0兩種兩種可能，反映到電路上就是高電平和低電平?？赡埽从车诫娐飞暇褪歉唠娖胶偷碗娖?。 而在模擬電路而在模擬電路工作的信號是模擬信號，這種信號在時間上和數(shù)值上都是連工作的信號是模擬信號，這種信號在時間上和數(shù)值上都是連續(xù)變化的。續(xù)變化的。 2.數(shù)字電路中，在穩(wěn)態(tài)時三極管一般都數(shù)字電路中，在穩(wěn)態(tài)時三極管一般都工作在截止區(qū)或飽和工作在截止區(qū)或飽和區(qū)區(qū)，即工作在開、關(guān)狀態(tài)，放大區(qū)只是一種過渡狀態(tài)。而在，即工作在開、關(guān)狀態(tài)，放大區(qū)只是一種過渡狀態(tài)。而在模擬電路中，三極管通常都是工作在放大

3、區(qū)，即放大狀態(tài)。模擬電路中，三極管通常都是工作在放大區(qū)，即放大狀態(tài)。3.數(shù)字電路數(shù)字電路研究的主要問題是研究的主要問題是電路的輸入和輸出狀態(tài)之間的電路的輸入和輸出狀態(tài)之間的邏輯邏輯關(guān)系，關(guān)系，即電路的邏輯功能。即電路的邏輯功能。 而模擬電路研究的主要問題是怎樣而模擬電路研究的主要問題是怎樣不失真地放大模擬信號。不失真地放大模擬信號。 4.數(shù)字電路中，利用的數(shù)字電路中，利用的主要工具是邏輯代數(shù)主要工具是邏輯代數(shù)，描述電路邏輯功能，描述電路邏輯功能的主要方法是真值表、邏輯函數(shù)表達式、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和波形圖等。的主要方法是真值表、邏輯函數(shù)表達式、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和波形圖等。經(jīng)常遇到的問題則是怎樣利用它們對已知

4、電路進行經(jīng)常遇到的問題則是怎樣利用它們對已知電路進行邏輯分析邏輯分析，根，根據(jù)實際要求進行據(jù)實際要求進行邏輯設計邏輯設計。 而在模擬電路中，經(jīng)常利用圖解法而在模擬電路中，經(jīng)常利用圖解法和微變等效電路法等對電路進行靜態(tài)和動態(tài)的定量分析，以確定和微變等效電路法等對電路進行靜態(tài)和動態(tài)的定量分析，以確定放大倍數(shù)是多少、波形是否失真、怎樣改善電路的放大性能等問放大倍數(shù)是多少、波形是否失真、怎樣改善電路的放大性能等問題。題。 5.從電路結(jié)構(gòu)上看，模擬電路的主要單元電路是放大器。而數(shù)從電路結(jié)構(gòu)上看，模擬電路的主要單元電路是放大器。而數(shù)字電路的字電路的主要單元電路則是邏輯門和觸發(fā)器主要單元電路則是邏輯門和觸發(fā)

5、器。雖然適應各種需要。雖然適應各種需要的數(shù)字電路千變?nèi)f化，但是分析和設計的方法基本上是一樣的。的數(shù)字電路千變?nèi)f化，但是分析和設計的方法基本上是一樣的。只要我們對這些單元電路的組成、工作原理和性能掌握得比較好，只要我們對這些單元電路的組成、工作原理和性能掌握得比較好，而且又學會了邏輯分析和邏輯設計的基本方法，熟悉了若干典型而且又學會了邏輯分析和邏輯設計的基本方法，熟悉了若干典型電路，那就可以說初步具備了分析和解決一般數(shù)字電路問題的能電路，那就可以說初步具備了分析和解決一般數(shù)字電路問題的能力力 。 二二.基本要求基本要求1.熟悉二極管和三極管的開關(guān)特性及數(shù)字電路的單元電路（與門、熟悉二極管和三極管

6、的開關(guān)特性及數(shù)字電路的單元電路（與門、或門、非門、與非門、或非門、異或或門、非門、與非門、或非門、異或 門、與或非門，基本門、與或非門，基本RS觸發(fā)器、觸發(fā)器、維持阻塞維持阻塞D觸發(fā)器和主從觸發(fā)器和主從JK觸發(fā)器等）的組成、基本工作原理和性能。觸發(fā)器等）的組成、基本工作原理和性能。 2.熟練掌握邏輯代數(shù)的基本運算，基本公式和常用公式及邏輯函數(shù)的熟練掌握邏輯代數(shù)的基本運算，基本公式和常用公式及邏輯函數(shù)的四種表示方法四種表示方法真值表、函數(shù)表達式、卡諾圖和邏輯圖。學會運用真值表、函數(shù)表達式、卡諾圖和邏輯圖。學會運用公式化簡法和圖形化簡法化簡邏輯函數(shù)。公式化簡法和圖形化簡法化簡邏輯函數(shù)。 3.熟練掌

7、握組合電路和時序電路的基本分析方法。熟練掌握組合電路和時序電路的基本分析方法。 4.熟悉典型數(shù)字電路（編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、全加器、寄熟悉典型數(shù)字電路（編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、全加器、寄存器、異步計數(shù)器、同步計數(shù)器等）的結(jié)構(gòu)、基本工作原理和性能。存器、異步計數(shù)器、同步計數(shù)器等）的結(jié)構(gòu)、基本工作原理和性能。 5.熟悉用熟悉用555定時器組成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器定時器組成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器的典型電路和基本工作原理。的典型電路和基本工作原理。 三三.與其他課程的關(guān)系與其他課程的關(guān)系 先修課程：高等數(shù)學、電路分析基礎(chǔ)、普通物理、模擬電路等后續(xù)課程：信號與

8、系統(tǒng)、單片機原理、微機原理、數(shù)字信號處理等1.1 數(shù)字電路概述數(shù)字電路概述1.1.1 數(shù)字信號與數(shù)字電路數(shù)字信號與數(shù)字電路模擬信號：在時間上和數(shù)值上連續(xù)的信號。數(shù)字信號：在時間上和數(shù)值上不連續(xù)的（即離散的）信號。uu模擬信號波形數(shù)字信號波形tt對模擬信號進行傳輸、處理的電子線路稱為模擬電路。對數(shù)字信號進行傳輸、處理的電子線路稱為數(shù)字電路。1.1.2 數(shù)字電路的的特點與分類數(shù)字電路的的特點與分類（1）工作信號是二進制的數(shù)字信號，在時間上和數(shù)值上是離散的（不連續(xù)），反映在電路上就是低電平和高電平兩種狀態(tài)（即0和1兩個邏輯值）。（2）在數(shù)字電路中，研究的主要問題是電路的邏輯功能，即輸入信號的狀態(tài)和輸

9、出信號的狀態(tài)之間的關(guān)系。（3）對組成數(shù)字電路的元器件的精度要求不高，只要在工作時能夠可靠地區(qū)分0和1兩種狀態(tài)即可。1、數(shù)字電路的特點、數(shù)字電路的特點2、數(shù)字電路的分類、數(shù)字電路的分類（2）按所用器件制作工藝的不同：數(shù)字電路可分為雙極型（TTL型）和單極型（MOS型）兩類。（3）按照電路的結(jié)構(gòu)和工作原理的不同：數(shù)字電路可分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩類。組合邏輯電路沒有記憶功能，其輸出信號只與當時的輸入信號有關(guān)，而與電路以前的狀態(tài)無關(guān)。時序邏輯電路具有記憶功能，其輸出信號不僅和當時的輸入信號有關(guān)，而且與電路以前的狀態(tài)有關(guān)。（1）按集成度分類：數(shù)字電路可分為小規(guī)模（SSI，每片數(shù)十器件）、中規(guī)模

10、（MSI，每片數(shù)百器件）、大規(guī)模（LSI，每片數(shù)千器件）和超大規(guī)模（VLSI，每片器件數(shù)目大于1萬）數(shù)字集成電路。集成電路從應用的角度又可分為通用型和專用型兩大類型。本節(jié)小結(jié)數(shù)字信號的數(shù)值相對于時間的數(shù)字信號的數(shù)值相對于時間的變化過程是跳變的、間斷性的。對變化過程是跳變的、間斷性的。對數(shù)字信號進行傳輸、處理的電子線數(shù)字信號進行傳輸、處理的電子線路稱為數(shù)字電路。模擬信號通過模路稱為數(shù)字電路。模擬信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字信號，即可用數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字信號，即可用數(shù)字電路進行傳輸、處理。字電路進行傳輸、處理。1. 2 數(shù)制與編碼數(shù)制與編碼（1）進位制：表示數(shù)時，僅用一位數(shù)碼往往不夠用，必須用進位計

11、數(shù)的方法組成多位數(shù)碼。多位數(shù)碼每一位的構(gòu)成以及從低位到高位的進位規(guī)則稱為進位計數(shù)制，簡稱進位制。1.2.1 數(shù)制數(shù)制（2）基 數(shù)：進位制的基數(shù)，就是在該進位制中可能用到的數(shù)碼個數(shù)。（3） 位 權(quán)（位的權(quán)數(shù)）：在某一進位制的數(shù)中，每一位的大小都對應著該位上的數(shù)碼乘上一個固定的數(shù)，這個固定的數(shù)就是這一位的權(quán)數(shù)。權(quán)數(shù)是一個冪。數(shù)碼為：09；基數(shù)是10。運算規(guī)律：逢十進一，即：9110。十進制數(shù)的權(quán)展開式：1、十進制、十進制103、102、101、100稱為十進制的權(quán)。各數(shù)位的權(quán)是10的冪。同樣的數(shù)碼在不同的數(shù)位上代表的數(shù)值不同。任意一個十進制數(shù)都可以表示為各個數(shù)位上的數(shù)碼與其對應的權(quán)的乘積之和，稱權(quán)

12、展開式。即：(5555)105103 510251015100又如：(209.04)10 2102 0101910001014 1022、二進制、二進制數(shù)碼為：0、1；基數(shù)是2。運算規(guī)律：逢二進一，即：1110。二進制數(shù)的權(quán)展開式：如：(101.01)2122021120021122(5.25)10加法規(guī)則：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=10乘法規(guī)則：0.0=0， 0.1=0 ，1.0=0，1.1=1運算運算規(guī)則規(guī)則各數(shù)位的權(quán)是的冪各數(shù)位的權(quán)是的冪二進制數(shù)只有0和1兩個數(shù)碼，它的每一位都可以用電子元件來實現(xiàn)，且運算規(guī)則簡單，相應的運算電路也容易實現(xiàn)。數(shù)碼為：07；基數(shù)是8。運算規(guī)

13、律：逢八進一，即：7110。八進制數(shù)的權(quán)展開式：如：(207.04)10282081780081482(135.0625)103、八進制、八進制4、十六進制、十六進制數(shù)碼為：09、AF；基數(shù)是16。運算規(guī)律：逢十六進一，即：F110。十六進制數(shù)的權(quán)展開式：如：(D8.A)1613161816010161(216.625)10各數(shù)位的權(quán)是各數(shù)位的權(quán)是8的冪的冪各數(shù)位的權(quán)是各數(shù)位的權(quán)是16的冪的冪結(jié)論結(jié)論一般地，N進制需要用到N個數(shù)碼，基數(shù)是N；運算規(guī)律為逢N進一。如果一個N進制數(shù)M包含位整數(shù)和位小數(shù)，即 (an-1 an-2 a1 a0 a1 a2 am)2則該數(shù)的權(quán)展開式為：(M)2 an-1

14、Nn-1 an-2 Nn-2 a1N1 a0 N0a1 N-1a2 N-2 amN-m 由權(quán)展開式很容易將一個N進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。幾幾種種進進制制數(shù)數(shù)之之間間的的對對應應關(guān)關(guān)系系十進制數(shù)二進制數(shù)八進制數(shù)十六進制數(shù)0123456789101112131415000000000100010000110010000101001100011101000010010101001011011000110101110011110123456710111213141516170123456789ABCDEF1.2.2 數(shù)制轉(zhuǎn)換數(shù)制轉(zhuǎn)換（1）二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進制數(shù)：將二進制數(shù)由小數(shù)點開始，整數(shù)部分向左，小數(shù)

15、部分向右，每3位分成一組，不夠3位補零，則每組二進制數(shù)便是一位八進制數(shù)。將N進制數(shù)按權(quán)展開，即可以轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。1、二進制數(shù)與八進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換、二進制數(shù)與八進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換1 1 0 1 0 1 0 . 0 10 00 (152.2)8（2）八進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)：將每位八進制數(shù)用3位二進制數(shù)表示。= 011 111 100 . 010 110(374.26)82、二進制數(shù)與十六進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換、二進制數(shù)與十六進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換1 1 1 0 1 0 1 0 0 . 0 1 10 0 00 (1E8.6)16= 1010 1111 0100 . 0111 0110(AF4.76)16 二進制

16、數(shù)與十六進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換，按照每4位二進制數(shù)對應于一位十六進制數(shù)進行轉(zhuǎn)換。3、十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)、十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)采用的方法 基數(shù)連除、連乘法原理：將整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進行轉(zhuǎn)換。 整數(shù)部分采用基數(shù)連除法，小數(shù)部分 采用基數(shù)連乘法。轉(zhuǎn)換后再合并。 2 44 余數(shù) 低位 2 22 0=K0 2 11 0=K1 2 5 1=K2 2 2 1=K3 2 1 0=K4 0 1=K5 高位 0.375 2 整數(shù) 高位 0.750 0=K1 0.750 2 1.500 1=K2 0.500 2 1.000 1=K3 低位整數(shù)部分采用基數(shù)連除法，先得到的余數(shù)為低位，后得到的余數(shù)為高位。小數(shù)部分采

17、用基數(shù)連乘法，先得到的整數(shù)為高位，后得到的整數(shù)為低位。所以：(44.375)10(101100.011)2采用基數(shù)連除、連乘法，可將十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為任意的N進制數(shù)。 用一定位數(shù)的二進制數(shù)來表示十進制數(shù)碼、字母、符號等信息稱為編碼。 用以表示十進制數(shù)碼、字母、符號等信息的一定位數(shù)的二進制數(shù)稱為代碼。1.2.3 編碼編碼 數(shù)字系統(tǒng)只能識別0和1，怎樣才能表示更多的數(shù)碼、符號、字母呢？用編碼可以解決此問題。 二-十進制代碼：用4位二進制數(shù)b3b2b1b0來表示十進制數(shù)中的 0 9 十個數(shù)碼。簡稱BCD碼。 2421碼的權(quán)值依次為2、4、2、1；余3碼由8421碼加0011得到；格雷碼是一種循環(huán)碼，其特

18、點是任何相鄰的兩個碼字，僅有一位代碼不同，其它位相同。 用四位自然二進制碼中的前十個碼字來表示十進制數(shù)碼，因各位的權(quán)值依次為8、4、2、1，故稱8421 BCD碼。常常用用B BC CD D碼碼十進制數(shù) 8421碼 余3碼 格雷碼 2421碼5421碼012345678900000001001000110100010101100111100010010011010001010110011110001001101010111100000000010011001001100111010101001100110100000001001000110100101111001101111011110000000100100011010010001001101010111100權(quán)842124215421本節(jié)小結(jié)日常生活中使用十進制，但在計算機中基日常生活中使用十進制，但在計算機中基本上使用二進制，有時也使用八進制或十六進本上使用二進制，有時也使用八進制或十六進制。利用權(quán)展開式可將任意進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制。利用權(quán)展開式可將任意進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。將十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為其它進制數(shù)時，整數(shù)制數(shù)。將十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為其它進制數(shù)時，整數(shù)部分采用基數(shù)除法，小數(shù)部分采用基數(shù)乘法。部分采用基數(shù)除法，小數(shù)部分采用