模擬數(shù)字電力電子技術(shù)第4章-基礎(chǔ)知識(shí)

第四章

主講教師：王澤華青島科技大學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)數(shù)字電子篇1.1幾種常用的數(shù)制數(shù)制：

①每一位的構(gòu)成

②從低位向高位的進(jìn)位規(guī)則常用到的：十進(jìn)制，二進(jìn)制，八進(jìn)制，十六進(jìn)制第一節(jié)數(shù)制及運(yùn)算十進(jìn)制，二進(jìn)制，八進(jìn)制，十六進(jìn)制逢二進(jìn)一逢八進(jìn)一逢十進(jìn)一逢十六進(jìn)一第一節(jié)數(shù)制及運(yùn)算十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制00000000001000101102001002203001103304010004405010105506011006607011107708100010809100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F不同進(jìn)制數(shù)的對(duì)照表第一節(jié)數(shù)制及運(yùn)算1.2不同數(shù)制間的轉(zhuǎn)換一、二－十轉(zhuǎn)換例：第一節(jié)數(shù)制及運(yùn)算二、十－二轉(zhuǎn)換整數(shù)部分:例：∟∟∟∟∟∟∟∟第一節(jié)數(shù)制及運(yùn)算小數(shù)部分:例：第一節(jié)數(shù)制及運(yùn)算三、二－十六轉(zhuǎn)換例：將(0101,1110,1011,0010)2化為十六進(jìn)制6EB2四、十六－二轉(zhuǎn)換例：將(8FAC6)16化為二進(jìn)制第一節(jié)數(shù)制及運(yùn)算1.3二進(jìn)制運(yùn)算

算術(shù)運(yùn)算：1：和十進(jìn)制算數(shù)運(yùn)算的規(guī)則相同2：逢二進(jìn)一特點(diǎn)：加、減、乘、除全部可以用移位和相加這兩種操作實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)

所以數(shù)字電路中普遍采用二進(jìn)制算數(shù)運(yùn)算二進(jìn)制數(shù)的正、負(fù)號(hào)也是用0/1表示的。在定點(diǎn)運(yùn)算中，最高位為符號(hào)位（0為正，1為負(fù)）如+89=（01011001）

-89=（1

1011001）第一節(jié)數(shù)制及運(yùn)算二進(jìn)制數(shù)的補(bǔ)碼：最高位為符號(hào)位（0為正，1為負(fù)）正數(shù)的補(bǔ)碼和它的原碼相同負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼=數(shù)值位逐位求反(反碼)+1 如+5=（00101）

-5=（11011）通過(guò)補(bǔ)碼，將減一個(gè)數(shù)用加上該數(shù)的補(bǔ)碼來(lái)實(shí)現(xiàn)第一節(jié)數(shù)制及運(yùn)算兩個(gè)補(bǔ)碼表示的二進(jìn)制數(shù)相加時(shí)的符號(hào)位討論例：用二進(jìn)制補(bǔ)碼運(yùn)算求出13＋10

、13－10、－13＋10、－13－10結(jié)論：將兩個(gè)加數(shù)的符號(hào)位和來(lái)自最高位數(shù)字位的進(jìn)位相加，結(jié)果就是和的符號(hào)解：第一節(jié)數(shù)制及運(yùn)算第二節(jié)編碼的概念及常用的二進(jìn)制代碼編碼順序二進(jìn)制格雷碼編碼順序二進(jìn)制碼格雷碼000000000810001100100010001910011101200100011101010111130011001011101111104010001101211001010501010111131101101160110010114111010017011101001511111000一、循環(huán)碼（格雷碼）特點(diǎn)：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(shí)，相鄰代碼只有一位改變狀態(tài)。應(yīng)用：減少過(guò)渡噪聲二、二—十進(jìn)制代碼幾種常用的二—十進(jìn)制代碼十進(jìn)制數(shù)8421碼余3碼2421碼5211碼余3循環(huán)碼000000011000000000010100010100000100010110200100101001001000111300110110001101010101401000111010001110100501011000101110001100601101001110010011101701111010110111001111810001011111011011110910011100111111111010第二節(jié)編碼的概念及常用的二進(jìn)制代碼三、美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼（ASCⅡ）ASCⅡ是一組七位二進(jìn)制代碼，共128個(gè)應(yīng)用：計(jì)算機(jī)和通訊領(lǐng)域

第二節(jié)編碼的概念及常用的二進(jìn)制代碼

與（AND）或（OR）非（NOT）以A=1表示開(kāi)關(guān)A合上，A=0表示開(kāi)關(guān)A斷開(kāi)；

以Y=1表示燈亮，Y=0表示燈不亮；

三種電路的因果關(guān)系不同：第三節(jié)邏輯代數(shù)的基本公式和定理一、與運(yùn)算條件同時(shí)具備，結(jié)果發(fā)生Y=AANDB=A&B=A·B=ABABY00001000113.1邏輯代數(shù)中的三種基本運(yùn)算第三節(jié)邏輯代數(shù)的基本公式和定理?xiàng)l件之一具備，結(jié)果發(fā)生Y=AORB=A+BABY0000110111二、或運(yùn)算第三節(jié)邏輯代數(shù)的基本公式和定理?xiàng)l件不具備，結(jié)果發(fā)生

AY0110一、非運(yùn)算第三節(jié)邏輯代數(shù)的基本公式和定理幾種常用的復(fù)合邏輯運(yùn)算與非 或非 與或非第三節(jié)邏輯代數(shù)的基本公式和定理異或Y=ABABY0000110110運(yùn)算規(guī)則：相同為0；不同為1第三節(jié)邏輯代數(shù)的基本公式和定理同或Y=A⊙BABY0010100011運(yùn)算規(guī)則：相同為1；不同為0第三節(jié)邏輯代數(shù)的基本公式和定理一、基本公式根據(jù)與、或、非的定義，得表中的布爾恒等式序號(hào)公式序號(hào)公式101′

=0;0′=110

A=0111+A=121A=A120+A=A3AA=A13A+A=A4AA′=014A+A′=15AB=BA15A+B=B+A6A(BC)=(AB)C16A+(B+C)=(A+B)+C7A(B+C)=AB+AC17A+BC=(A+B)(A+C)8(AB)′=A′+B′18(A+B)′=A′B′9(A′)′=A第三節(jié)邏輯代數(shù)的基本公式和定理3.2邏輯代數(shù)中的公式公式（17）的證明（公式推演法）：第三節(jié)邏輯代數(shù)的基本公式和定理公式（17）的證明（真值表法）：ABCBCA+BCA+BA+C（A+B）(A+C)0000000000100010010001000111111110001111101011111100111111111111第三節(jié)邏輯代數(shù)的基本公式和定理二、若干常用公式序號(hào)公式21A+AB=A22A+A′B=A+B23AB+AB′=A24A(A+B)=A25AB+A′C+BC=AB+A′CAB＋A′C+BCD=AB+A′C26A(AB)′=AB′;A′(AB)′=A′第三節(jié)邏輯代數(shù)的基本公式和定理3.3邏輯代數(shù)中的定理一、代入定理------在任何一個(gè)包含A的邏輯等式中，若以另外一個(gè)邏輯式代入式中A的位置，則等式依然成立。第三節(jié)邏輯代數(shù)的基本公式和定理應(yīng)用舉例：式（17）A+BC=(A+B)(A+C) A+B(CD)=(A+B)(A+CD) =(A+B)(A+C)(A+D)第三節(jié)邏輯代數(shù)的基本公式和定理應(yīng)用舉例：式（8）第三節(jié)邏輯代數(shù)的基本公式和定理二、反演定理-------對(duì)任一邏輯式

變換順序先括號(hào)，然后乘，最后加

不屬于單個(gè)變量的上的反號(hào)保留不變第三節(jié)邏輯代數(shù)的基本公式和定理應(yīng)用舉例：第三節(jié)邏輯代數(shù)的基本公式和定理第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法邏輯函數(shù)的最簡(jiǎn)形式（最簡(jiǎn)與或表達(dá)式）------包含的乘積項(xiàng)已經(jīng)最少，每個(gè)乘積項(xiàng)的因子也最少，稱(chēng)為最簡(jiǎn)與或表達(dá)式。最簡(jiǎn)與或表達(dá)式可以很容易化為下列表達(dá)式最簡(jiǎn)與非與非表達(dá)式；最簡(jiǎn)或非或非表達(dá)式；最簡(jiǎn)或與非表達(dá)式；最簡(jiǎn)與或非表達(dá)式一、公式化簡(jiǎn)法反復(fù)應(yīng)用基本公式和常用公式，消去多余的乘積項(xiàng)和多余的因子。例：

第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法最小項(xiàng)m：m是乘積項(xiàng)包含n個(gè)因子n個(gè)變量均以原變量和反變量的形式在m中出現(xiàn)一次對(duì)于n變量函數(shù)有2n個(gè)最小項(xiàng)二、圖形化簡(jiǎn)法

第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法（一）最小項(xiàng)最小項(xiàng)舉例：兩變量A,B的最小項(xiàng)三變量A,B,C的最小項(xiàng)第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法最小項(xiàng)的編號(hào)：最小項(xiàng)取值對(duì)應(yīng)編號(hào)ABC十進(jìn)制數(shù)0000m00011m10102m20113m31004m41015m51106m61117m7ABCCABCBACBABCACBACBACBA￠￠￠￠￠￠￠￠￠￠￠￠第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法最小項(xiàng)的性質(zhì)在輸入變量任一取值下，有且僅有一個(gè)最小項(xiàng)的值為1。全體最小項(xiàng)之和為1。任何兩個(gè)最小項(xiàng)之積為0。兩個(gè)相鄰的最小項(xiàng)之和可以合并，消去一對(duì)因子，只留下公共因子。------相鄰：僅一個(gè)變量不同的最小項(xiàng)如第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法邏輯函數(shù)最小項(xiàng)之和的形式：例：利用公式可將任何一個(gè)函數(shù)化為第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法例：第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法（二）邏輯函數(shù)的卡諾圖表示法（6個(gè)變量以?xún)?nèi)）實(shí)質(zhì)：將邏輯函數(shù)的最小項(xiàng)之和的以圖形的方式表示出來(lái)以2n個(gè)小方塊分別代表n變量的所有最小項(xiàng)，并將它們排列成矩陣，而且使幾何位置相鄰的兩個(gè)最小項(xiàng)在邏輯上也是相鄰的（只有一個(gè)變量不同），就得到表示n變量全部最小項(xiàng)的卡諾圖。

用循環(huán)碼表示

第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法二變量卡諾圖三變量的卡諾圖4變量的卡諾圖第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法五變量的卡諾圖第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法用卡諾圖表示邏輯函數(shù)將函數(shù)表示為最小項(xiàng)之和的形式。在卡諾圖上與這些最小項(xiàng)對(duì)應(yīng)的位置上添入1，其余地方添0。第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法例：第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法00011110000011010001110001100111ABCD用卡諾圖化簡(jiǎn)函數(shù)依據(jù)：具有相鄰性的最小項(xiàng)可合并，消去不同因子。在卡諾圖中，最小項(xiàng)的相鄰性可以從圖形中直觀(guān)地反映出來(lái)。（相鄰和相對(duì)）第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法合并最小項(xiàng)的原則：兩個(gè)相鄰最小項(xiàng)可合并為一項(xiàng)，消去一對(duì)因子四個(gè)排成矩形的相鄰最小項(xiàng)可合并為一項(xiàng)，消去兩對(duì)因子八個(gè)相鄰最小項(xiàng)可合并為一項(xiàng)，消去三對(duì)因子兩個(gè)相鄰最小項(xiàng)可合并為一項(xiàng)，消去一對(duì)因子第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法化簡(jiǎn)步驟：------用卡諾圖表示邏輯函數(shù)------找出可合并的最小項(xiàng)------化簡(jiǎn)后的乘積項(xiàng)相加 （項(xiàng)數(shù)最少，每項(xiàng)因子最少）第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法------化簡(jiǎn)后的乘積項(xiàng)應(yīng)包含函數(shù)式的所有最小項(xiàng)，即覆蓋圖中所有的1。 ------乘積項(xiàng)的數(shù)目最少，即圈成的矩形最少。 ------每個(gè)乘積項(xiàng)因子最少，即圈成的矩形最大。卡諾圖化簡(jiǎn)遵循以下原則例：000111100011111101ABC第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法例：000111100011111101ABC第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法例：化簡(jiǎn)結(jié)果不唯一第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法例：00011110001001011001111111101111ABCD第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法約束項(xiàng)任意項(xiàng)邏輯函數(shù)中的無(wú)關(guān)項(xiàng)：約束項(xiàng)和任意項(xiàng)可以寫(xiě)入函數(shù)式，也可不包含在函數(shù)式中，因此通稱(chēng)為無(wú)關(guān)項(xiàng)。在邏輯函數(shù)中，對(duì)輸入變量取值的限制，在這些取值下為1的最小項(xiàng)稱(chēng)為約束項(xiàng)在輸入變量某些取值下，函數(shù)值為1或?yàn)?不影響邏輯電路的功能，在這些取值下為1的最小項(xiàng)稱(chēng)為任意項(xiàng)（三）具有無(wú)關(guān)項(xiàng)的邏輯函數(shù)及其化簡(jiǎn)

1約束項(xiàng)、任意項(xiàng)和邏輯函數(shù)式中的無(wú)關(guān)項(xiàng)第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法2無(wú)關(guān)項(xiàng)在化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)中的應(yīng)用合理地利用無(wú)關(guān)項(xiàng)，可得更簡(jiǎn)單的化簡(jiǎn)結(jié)果。加入（或去掉）無(wú)關(guān)項(xiàng)，應(yīng)使化簡(jiǎn)后的項(xiàng)數(shù)最少，每項(xiàng)因子最少······從卡諾圖上直觀(guān)地看，加入無(wú)關(guān)項(xiàng)的目的是為矩形圈最大，矩形組合數(shù)最少。第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法000111100001x0010x1011x0xx101x0xABCD第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法000111100001x0010x1011x0xx101x0xABCD第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法例：00011110000001011x0111xxxx1010xxABCD第四節(jié)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)法一、邏輯函數(shù) Y=F(A,B,C,······)------若以邏輯變量為輸入，運(yùn)算結(jié)果為輸出，則輸入變量值確定以后，輸出的取值也隨之而定。輸入/輸出之間是一種函數(shù)關(guān)系。注：在二值邏輯中， 輸入/輸出都只有兩種取值0/1。第五節(jié)邏輯函數(shù)表示方法及其相互轉(zhuǎn)換真值表邏輯式邏輯圖波形圖卡諾圖計(jì)算機(jī)軟件中的描述方式各種表示方法之間可以相互轉(zhuǎn)換第五節(jié)邏輯函數(shù)表示方法及其相互轉(zhuǎn)換真值表輸入變量ABC····輸出Y1Y2

····遍歷所有可能的輸入變量的取值組合輸出對(duì)應(yīng)的取值第五節(jié)邏輯函數(shù)表示方法及其相互轉(zhuǎn)換邏輯式將輸入/輸出之間的邏輯關(guān)系用與/或/非的運(yùn)算式表示就得到邏輯式。邏輯圖用邏輯圖形符號(hào)表示邏輯運(yùn)算關(guān)系，與邏輯電路的實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)。波形圖將輸入變量所有取值可能與對(duì)應(yīng)輸出按時(shí)間順序排列起來(lái)畫(huà)成時(shí)間波形。第五節(jié)邏輯函數(shù)表示方法及其相互轉(zhuǎn)換第五節(jié)邏輯函數(shù)表示方法及其相互轉(zhuǎn)換例：舉重裁判電路ABCY00000010010001101000101111011111第五節(jié)邏輯函數(shù)表示方法及其相互轉(zhuǎn)換各種表現(xiàn)形式的相互轉(zhuǎn)換：真值表邏輯式例：奇偶判別函數(shù)的真值表A=0,B=1,C=1使A′BC=1A=1,B=0,C=1使AB′C=1A=1,B=1,C=0使ABC′=1這三種取值的任何一種都使Y=1,所以Y=?ABCY00000010010001111000101111011110第五節(jié)邏輯函數(shù)表示方法及其相互轉(zhuǎn)換真值表邏輯式：找出真值表中使Y=1的輸入變量取值組合。每組輸入變量取值對(duì)應(yīng)一個(gè)乘積項(xiàng)，其中取值為1的寫(xiě)原變量，取值為0的寫(xiě)反變量。將這些變量相加即得Y。把輸入變量取值的所有組合逐個(gè)代入邏輯式中求出Y，列表第五節(jié)邏輯函數(shù)表示方法及其相互轉(zhuǎn)換邏輯式邏輯圖1.用圖形符號(hào)代替邏輯式中的邏輯運(yùn)算符。第五節(jié)邏輯函數(shù)表示方法及其相互轉(zhuǎn)換邏輯式邏輯圖

1.用圖形符號(hào)代替邏輯式中的邏輯運(yùn)算符。2.從輸入到輸出逐級(jí)寫(xiě)出每個(gè)圖形符號(hào)對(duì)應(yīng)的邏輯運(yùn)算式。第五節(jié)邏輯函數(shù)表示方法及其相互轉(zhuǎn)換門(mén)電路：實(shí)現(xiàn)基本運(yùn)算、復(fù)合運(yùn)算的單元電路，如與門(mén)、與非門(mén)、或門(mén)······門(mén)電路中以高/低電平表示邏輯狀態(tài)的1/0第六節(jié)基本半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件一、二極管的開(kāi)關(guān)特性二極管的結(jié)構(gòu)： PN結(jié)+引線(xiàn)+封裝構(gòu)成PN第六節(jié)基本半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件二極管的開(kāi)關(guān)等效電路：第六節(jié)基本半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件（1）導(dǎo)通條件及導(dǎo)通特點(diǎn)

加于二極管兩端電壓V>Von=0.7V，二極管兩端電壓基本保持不變，如同一個(gè)閉合的開(kāi)關(guān)，二極管導(dǎo)通；（2）截止條件及截止特點(diǎn) 加于二極管兩端電壓V<VD=0.5V（死區(qū)電壓），流過(guò)二極管電流基本為零，如同一個(gè)斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)，二極管截止；（3）開(kāi)關(guān)時(shí)間 開(kāi)通時(shí)間非常短，可忽略不計(jì)。關(guān)斷時(shí)間為幾ns。第六節(jié)基本半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件二極管的動(dòng)態(tài)電流波形：第六節(jié)基本半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件第六節(jié)基本半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件二、三極管開(kāi)關(guān)特性（1）飽和導(dǎo)通條件飽和導(dǎo)通時(shí)，三極管上壓降（UCE<UBE），一般UCES小于0.3V。（2）截止條件UBE<UD=0.5V(死區(qū)電壓）此時(shí)，三極管上壓降（UCE=VCC）。（3）開(kāi)關(guān)時(shí)間tON，tOFF一般都在ns數(shù)量級(jí)，飽和深度愈深，關(guān)斷時(shí)間越長(zhǎng)。三、CMOS開(kāi)關(guān)特性1、MOS管的結(jié)構(gòu)S(Source)：源極G(Gate)：柵極D(Drain)：漏極B(Substrate):襯底金屬層氧化物層半導(dǎo)體層PN結(jié)第六節(jié)基本半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件以N溝道增強(qiáng)型為例第六節(jié)基本半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件以N溝道增強(qiáng)型為例：當(dāng)加+VDS時(shí)，VGS=0時(shí)，D-S間是兩個(gè)背向PN結(jié)串聯(lián)，iD=0加上+VGS，且足夠大至VGS>VGS(th),D-S間形成導(dǎo)電溝道（N型層）開(kāi)啟電壓第六節(jié)基本半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件2、輸入特性和輸出特性輸入特性：直流電流為0，看進(jìn)去有一個(gè)輸入電容CI，對(duì)動(dòng)態(tài)有影響。輸出特性：

iD

=f(VDS)對(duì)應(yīng)不同的VGS下得一族曲線(xiàn)。第六節(jié)基本半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件漏極特性曲線(xiàn)（分三個(gè)區(qū)域）截止區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)第六節(jié)基本半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件漏極特性曲線(xiàn)（分三個(gè)區(qū)域）截止區(qū)：VGS<VGS(th)，iD=0,ROFF>109Ω第六節(jié)基本半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件漏極特性曲線(xiàn)（分三個(gè)區(qū)域）恒流區(qū)：iD基本上由VGS決定，與VDS關(guān)系不大,MOS管工作在放大區(qū)第六節(jié)基本半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件漏極特性曲線(xiàn)（分三個(gè)區(qū)域）

可變電阻區(qū)：當(dāng)VDS較低（近似為0），VGS一定時(shí)，這個(gè)電阻受VGS控制、可變。第六節(jié)基本半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件3、MOS管的四種類(lèi)型增強(qiáng)型耗盡型