數(shù)字邏輯電路第1章

1、課程概述電子產(chǎn)品數(shù)字技術的發(fā)展及其應用80年代后- ULSI ， 1 0 億個晶體管/片 、 ASIC 制作技術成熟目前- 芯片內(nèi)部的布線細微到亞微米(0.130.09m)量級微處理器的時鐘頻率高達3GHz（109Hz）90年代后- 97年一片集成電路上有40億個晶體管。6070代-IC技術迅速發(fā)展：SSI、MSI、LSI 、VLSI。10萬個晶體管/片。將來- 高分子材料或生物材料制成密度更高、三維結(jié)構(gòu)的電路發(fā)展特點:以電子器件的發(fā)展為基礎電子管時代1906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。目前在一些大功率發(fā)射裝置中使用。電壓控制器件電真空技術晶體管時代電流控

2、制器件 半導體技術半導體二極管、三極管器件半導體集成電路課程介紹1. 課程的性質(zhì)3. 課程研究內(nèi)容5. 教材和參考書4. 課程特點與學習方法2. 教學目標數(shù)字電子技術基礎課程是電氣信息類專業(yè)具入門性質(zhì)的重要的專業(yè)基礎課。 1.課程性質(zhì) 獲得適應信息時代的數(shù)字電子技術方面的基本理論、基本知識和基本技能。培養(yǎng)分析和解決實際問題的能力，為以后深入學習數(shù)字電子技術及其相關學科和專業(yè)打好以下兩方面的基礎:2.課程目標1、正確分析、設計數(shù)字電路，特別是集成電路的基礎； 2、為進一步學習設計專用集成電路(ASIC)的基礎。數(shù)字信號傳輸、變換、產(chǎn)生等。內(nèi)容涉及相關器件、功能電路及系統(tǒng)。 硬件 處理數(shù)字信號的電

3、子電路及其邏輯功能 數(shù)字電路的分析方法 數(shù)字電路的設計方法 各種典型器件在電子系統(tǒng)中的應用軟件 系統(tǒng)分析、設計的軟件工具ABEL、VHDL、 VerlogHDL、EDA工具軟件QuartusII等3. 課程研究內(nèi)容a、發(fā)展快b、應用廣 (2)學習方法打好基礎、關注發(fā)展、主動更新、注重實踐(1)課程特點摩爾定律:集成度按10倍/6年的速度發(fā)展。c、工程實踐性強4.課程特點與學習方法a、掌握基本概念、基本電路和基本分析、設計方法b、能獨立的應用所學的知識去分析和解決數(shù)字電路的實際問題的能力?？等A光主編電子技術基礎數(shù)字部分第五版高等教育出版社蔡惟錚主編基礎電子技術 集成電子技術 高等教育出版社 電子

4、工程手冊編委會等編中外集成電路簡明速查手冊-TTL、CMOS電子工業(yè)出版社 5.主要教材及參考書李哲英主編電子技術及其應用基礎基礎 高等教育出版社王金明,楊吉斌編數(shù)字系統(tǒng)設計與VerliogHDL 電子工業(yè)出版社羅杰、譚力編數(shù)字ASIC設計講義鄭家龍、王小海主編集成電子技術基礎教程 高等教育出版社 第一章 數(shù)制和碼制第二章 邏輯代數(shù)基礎第三章 門電路第四章 組合邏輯函數(shù)第五章 觸發(fā)器第六章 時序邏輯電路第七章 半導體存儲器第八章 可編程邏輯器件第九章 硬件描述語言簡介第十章 脈沖波形的產(chǎn)生和整形第十一章 數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換第一章 數(shù)制和碼制1.1 概述數(shù)字量和模擬量 數(shù)字量：在時間上和數(shù)量上都

5、是不連續(xù)的。 （存在一個最小數(shù)量單位）例：產(chǎn)品數(shù)量的統(tǒng)計、數(shù)字表盤的讀數(shù)、數(shù)字電路信號等。 模擬量：在時間上或數(shù)量上都是連續(xù)的。 數(shù)字電路和模擬電路：例：正弦波信號、鋸齒波信號等。 工作信號，研究的對象，分析/設計方法以及所用的數(shù)學工具都有顯著的不同t V(t) 數(shù)字信號高電平低電平上跳沿下跳沿模擬信號 t V(t) 模擬電路主要研究：輸入、輸出信號間的大小、相位、失真等方面的關系。主要采用電路分析方法，動態(tài)性能用微變等效電路分析。 在模擬電路中，三極管或晶體管一般工作在線性放大區(qū)或恒流區(qū)；在數(shù)字電路中，三極管或晶體管工作在開關狀態(tài)，即工作在飽和區(qū)或可變電阻區(qū)和截止區(qū)。 數(shù)字電路主要研究：電路

6、輸出、輸入間的邏輯關系。主要的工具是邏輯代數(shù)，電路的功能用真值表、邏輯表達式及波形圖表示。模擬電路與數(shù)字電路比較1. 電路的特點2. 研究的內(nèi)容 信號處理（采樣保持、電壓比較、有源濾波） 模擬電路的基本元件和基本電路基本電路元件:基本模擬電路:晶體三極管場效應管集成運算放大器 信號放大及運算 (信號放大、功率放大） 信號發(fā)生（正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、）數(shù)字電路的基本元件和基本電路基本電路元件基本數(shù)字電路 邏輯門電路 觸發(fā)器 組合邏輯電路 時序電路（寄存器、計數(shù)器、脈沖發(fā)生器、 脈沖整形電路） 存儲器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)制和碼制數(shù)制：多位數(shù)碼中每一位的構(gòu)成方法以及從低位到高位的進位

7、規(guī)則。數(shù)碼形式表示數(shù)量的大小碼制：編制代碼所要遵循的規(guī)則。數(shù)碼形式表示不同的事物或事物的不同狀態(tài)1.1 概述基本概念數(shù)字量和模擬量數(shù)字電路和模擬電路數(shù)制和碼制1. 2 幾種常用的數(shù)制數(shù)制：每一位的構(gòu)成從低位向高位的進位規(guī)則常用到的數(shù)制： 十進制，二進制，八進制，十六進制Hexadecimal：十六進制的Decimal：十進制的Binary：二進制的十進制：以十為基數(shù)的記數(shù)體制。表示數(shù)的十個數(shù)碼：1、2、3、4、5、6、7、8、9、0遵循逢十進一的規(guī)律。157=一個十進制數(shù)數(shù) N 可以表示成： 若在數(shù)字電路中采用十進制，必須要有十個電路狀態(tài)與十個記數(shù)碼相對應。這樣將在技術上帶來許多困難，而且很不

8、經(jīng)濟。 二進制：以二為基數(shù)的記數(shù)體制 。表示數(shù)的兩個數(shù)碼：0、1遵循逢二進一的規(guī)律。（1001）B = (9)D二進制的優(yōu)點：用電路的兩個狀態(tài)-開關來表示二進制數(shù)，數(shù)碼的存儲和傳輸簡單、可靠。二進制的缺點：位數(shù)較多，使用不便；不符合人們的習慣，輸入時將十進制轉(zhuǎn)換成二進制，運算結(jié)果輸出時再轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)。十六進制和八進制十六進制記數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A(10)、B(11)、C(12)、D(13)、E(14)、F(15)八進制記數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、74162+14 161+6 160= (1254)D(4E6)H=481+580= (37)D(45)O= 任

9、意進制 (N進制)數(shù)D 可以按十進制展開式的形式表示成：十進制數(shù)二進制八進制十六進制00000000001000101102001002203001103304010004405010105506011006607011107708100010809100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F不同進制數(shù)的對照表1.3不同數(shù)制間的轉(zhuǎn)換一、二十轉(zhuǎn)換 將二進制數(shù)按下式展開，然后將所有各項的數(shù)值按十進制相加，就可以得到等值的十進制數(shù)。二、十二轉(zhuǎn)換整數(shù)部分:例1：十進制數(shù)25轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)的轉(zhuǎn)換過程：225 余1 K0122

10、余0 K162 余0 K232 余1 K312 余1 K40(25)D=(11001)B例2: 十進制數(shù)173轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)的轉(zhuǎn)換過程：二、十二轉(zhuǎn)換小數(shù)部分:例：三、二十六轉(zhuǎn)換例：將(01011110.10110010)2化為十六進制四、十六二轉(zhuǎn)換例：將(8FAC6)16化為二進制說明：十六進制的一位對應二進制的四位五、八進制數(shù)與二進制數(shù)的轉(zhuǎn)換例：將(011110.010111)2化為八進制例：將(52.43)8化為二進制說明：八進制的一位對應二進制的三位。六、十六進制數(shù)與十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換 十六進制轉(zhuǎn)換為十進制 十進制轉(zhuǎn)換為十六進制： 乘權(quán)相加 十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制：除權(quán)取余 1.4 二進制運

11、算1.4.1 二進制算術運算的特點算術運算： 1：和十進制算數(shù)運算的規(guī)則相同 2：逢二進一 特 點：加、減、乘、除 全部可以用移位和相 加這兩種操作實現(xiàn)。簡化了電路結(jié)構(gòu) 二進制的優(yōu)點：用電路的兩個狀態(tài)-開關來表示二進制數(shù)，數(shù)碼的存儲和傳輸簡單、可靠。二進制的缺點：位數(shù)較多，使用不便；不合人們的習慣，輸入時將十進制轉(zhuǎn)換成二進制，運算結(jié)果輸出時再轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)。1.4二進制數(shù)運算1.4.2 反碼、補碼和補碼運算 二進制數(shù)的正、負號也是用0/1表示的。在定點運算中，最高位為符號位（0為正，1為負）如 +89 = （0 1011001） -89 = （1 1011001）二進制數(shù)的補碼：最高位為符號位

12、（0為正，1為負）正數(shù)的補碼和它的原碼相同負數(shù)的補碼 = 數(shù)值位逐位求反(反碼) + 1 如 +5 = （0 0101） -5 = （1 1011）通過補碼，將減一個數(shù)用加上該數(shù)的補碼來實現(xiàn) 10 5 = 5 10 + 7 12= 5 （舍棄進位） 7+5=12 產(chǎn)生進位的模 7是-5對模數(shù)12的補碼 補碼的運算原理1011 0111 = 0100 （11 - 7 = 4）1011 + 1001 = 10100 =0100（舍棄進位） （11 + 916 = 4）0111 + 1001 =240111是- 1001對模24 （16） 的補碼兩個補碼表示的二進制數(shù)相加時的符號位討論例：用二進制補

13、碼運算求出1310 、1310 、1310 、1310結(jié)論：將兩個加數(shù)的符號位和來自最高位數(shù)字位的進位相加，結(jié)果就是和的符號 解：1.5 幾種常用的編碼數(shù)值文字符號二進制代碼編碼為了表示字符 編碼可以有多種，數(shù)字電路中所用的主要是二十進制碼（BCD -Binary-Coded-Decimal碼）。信息 為了分別表示N個字符，所需的二進制數(shù)的最小位數(shù)：一、十進制代碼：BCD碼用四位二進制數(shù)表示09十個數(shù)碼。四位二進制數(shù)最多可以表示16個字符，因此，從16種表示中選十個來表示09十個字符，可以有多種情況。不同的表示法便形成了一種編碼。這里主要介紹：8421碼5421碼余3碼2421碼權(quán)重：(325

14、6)D=3103+ 2102+ 5101+ 6100個位(D0)的權(quán)重為100 ，十位(D1)的權(quán)重為101 ，百位(D2)的權(quán)重為102 ，千位(D3)的權(quán)重為103十進制數(shù) (N)D二進制編碼 (K3K2K1K0)B(N)D= W3K3 +W2K2+W1K1+W0K0W3W0為二進制各位的權(quán)重8421碼，就是指W3=8、 W2= 4、 W1= 2、 W0= 1。用四位二進制數(shù)表示09十個數(shù)碼，該四位二進制數(shù)的每一位也有權(quán)重。2421碼，就是指W3=2、 W2= 4、 W1= 2、 W0= 1。5421碼，就是指W3=5、 W2= 4、 W1= 2、 W0= 1。1.5 幾種常用的編碼幾種常

15、用的十進制代碼：十進制數(shù)8421碼余3碼2421碼5211碼余3循環(huán)碼000000011000000000010100010100000100010110200100101001001000111300110110001101010101401000111010001110100501011000101110001100601101001110010011101701111010110111001111810001011111011011110910011100111111111010二、格雷碼特點：1.每一位的狀態(tài)變化都按一定的順序循環(huán)。 2.編碼順序依次變化，按表中順序變化時，相鄰代碼只有一位改變狀態(tài)。應用：減少過渡噪聲 編碼順序二進制格雷碼編碼順序二進制碼格雷碼00000000081000110010001000