電路分析課件

計算機電路基礎(chǔ)（1）qinjie

目錄：第一章電路分析的基礎(chǔ)知識第二章半導(dǎo)體基本器件第三章開關(guān)理論基礎(chǔ)第四章門電路第五章組合邏輯電路第六章時序邏輯電路第七章存儲器和可編程邏輯器件第八章數(shù)字系統(tǒng)基礎(chǔ)第一章電路分析的基礎(chǔ)知識教學(xué)要求：1.掌握電流的參考方向、電壓的參考極性；關(guān)聯(lián)參考方向等概念。2.掌握電阻、電容、電感，電壓源、電流源的伏安關(guān)系式。3.掌握列寫KCL、KVL的方法。4.掌握用等效變換、分壓、分流分式、KCL、KVL計算簡單直流電路的方法。5.熟悉戴維南定理及疊加定理。6.熟悉簡單RC電路的過渡過程。7.了解受控源的四種形式。本章主要內(nèi)容1.1電路的組成及電路分析的概念1.2電路中的主要物理量及參考方向1.3電路的基本元件1.4基爾霍夫定律1.5簡單電阻電路的分析方法1.6簡單RC電路的過渡過程1.1電路的組成及電路分析的概念電路：是由若干電路元件按一定的方式相互連接而成的聯(lián)結(jié)體。電路分析：是在已知電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)的條件下，求解電路中待求電量的過程。電路設(shè)計：是在設(shè)定輸入信號或功率（能量）的條件下，欲在輸出端口產(chǎn)生給定的信號或功率（能量），而求解電路應(yīng)有結(jié)構(gòu)及參數(shù)的過程。電路中常見元件有：電壓源、電流源、受控源、電阻、電感和電容。為了對電路結(jié)構(gòu)做進一步描述，下面介紹支路、節(jié)點和回路等概念。支路：每一個二端元件組成一條支路。有時也將流過同一個電流的幾個“串聯(lián)”元件的組合稱為一條支路。節(jié)點：電路中元件支路的連接點。回路：電路中由若干條支路組成的閉合路徑。對每一個回路常設(shè)定一個方向：沿順時針或逆時針繞行。圖1.1.1電路的組成圖1.1.1ⅢⅡⅠⅣIs=2A0.40.612546Us=26VABEOCDFI返回1.2電路中的主要物理量及參考方向1.2.1電流及其參考方向電流是電路中的一個具有大小和方向的基本物理量。電流的大?。汉愣娏鳎篒=U/R變化電流：i=dq/dt電流的方向：電流的真實方向：正電荷運動的方向參考方向：可以任意假設(shè)？如何判別一個電流的參考方向？與真實方向是否一致？任意假設(shè)電流的參考方向是否影響計算結(jié)果的正確性？在一般情況下，電路圖中所標(biāo)出的電流方向的箭頭是該電流的參考方向，在同時考慮該電流的正、負(fù)值之后，才能確定該電流的真實方向。電流I的參考方向被任意假設(shè)不影響結(jié)果正確性1.2.2電壓及參考極性電壓：是電路中一個具有大小的方向（極性）的物理量。如圖：電路元件上的電壓表示為u，u=uAB電壓的大小：在電路中，單位正電荷經(jīng)任意路徑由A點運動到B點電場力所做的功。電壓的極性：電壓的方向稱為電壓的極性。定義為：如果該電場力做功的數(shù)值為正，則A、B之間的電壓為正。ABuUAB=UA-UB>0UA，UB的電位是選定一個參考點,相對于參考點的電壓。電路中A、B兩點任意標(biāo)定的電壓極性稱為電壓的參考極性。若UAB>0,則電壓的真實極性與參考極性相同。若UAB<0,則電壓的真實極性與參考極性相反。如：UAB=2V，說明電壓的真實極性與參考極性相同，UAB=-2V,說明電壓的真實極性與參考極性相反。P5例1.2.1例1.2.1在圖1.2.4中,方框泛指電路中的一般元件,試分別指出圖中各電壓的真實極性。(a)一致(b)相反(c)不確定U=2vU=-2vU=2v++––(a)(b)(c)aaabbb圖1.2.4關(guān)聯(lián)參考方向：當(dāng)電路中某元件上的電壓參考極性與電流參考方向相一致時，稱為關(guān)聯(lián)參考方向。反之稱為非關(guān)聯(lián)參考方向。例:P61.2.5(a),(c)取關(guān)聯(lián)參考方向；(b),(d)取非關(guān)聯(lián)參考方向-2A3V-3V2A3V2A3V-2A(a)(b)(c)(d)1.2.3功率元件上吸收的功率定義為:關(guān)聯(lián)非關(guān)聯(lián)例:P6圖1.2.6返回iuiuiuiu++++––––(a)(b)(c)(d)對于u=-2v，i=-3A，P=ui=-2(-3)=6W(對于a,b)

P=-ui=-(-2)(-3)=-6W(對于c,d)

u=5v，i=-3A，P=ui=5(-3)=-15W(對于a,b)

P=-ui=-5(-3)=15W(對于c,d)例1.2.2求元件R和電池上分別消耗的功率。解：對于電池，由于UI取非關(guān)聯(lián)參考方向，則其功率為：P=-UI=-31=-3w（產(chǎn)生）對于電阻，UI取關(guān)聯(lián)參考方向，則其功率為：P=UI=31=3w（吸收）U=3vI=1ARU’圖1.2.71.3電路的基本元件常見的有六種:電阻、電容、電感、電流源、電壓源、受控源。1.3.1電阻元件U=IR（關(guān)聯(lián)），U=-UI（非關(guān)聯(lián)）1.3.2電容元件C=q/u，i=Cdu/dt1.3.3電感元件u=Ldi/dtC=q/u,i=dq/dt,u,i取關(guān)聯(lián)參考方向i=Cdu/dt1.3.4電壓源電壓源是實際電源的一種模型。直流電壓源是我們研究的對象。Us=某恒定值I由Us及外電路共同決定注意：1.流過電壓源電流的真實方向不一定由a流向b。2.當(dāng)Us=0時，a,b兩點間相當(dāng)于短路。abUsI1.3.5電流源電流源也是理想模型，本節(jié)研究恒流源。Is=某恒定值U由Is及外電路共同決定注意：1.電流源所吸收的功率為P=-U·Is2.當(dāng)Is=0時，a,b兩點相當(dāng)于斷路。一個實際電壓源是由理想電壓源Us與一個內(nèi)阻Rs串聯(lián)構(gòu)成的一個實際電流源是由理想電流源Is與一個內(nèi)阻Rs并聯(lián)構(gòu)成的abUIs1.3.6受控源受控源是一種四端控制元件，由控制支路和受控支路兩部分組成。四種類型受控源：電壓控制電壓源（VCVS）電流控制電流源（CCVS）電壓控制電流源（VCCS）電流控制電流源（CCCS）RsabUsbUIsaRsIIU電壓源電流源U1i1U2U2U1i1i2i2(a)(b)(c)(d)(a)VCVSCCVS(c)VCCS(d)CCCS？受控源與獨立電源有何區(qū)別返回1.4基爾霍夫定律在電路分析中，基爾霍夫定律與元件的伏安關(guān)系相結(jié)合形成對各種復(fù)雜電路的一般分析方法?；鶢柣舴蚨蓛H與電路結(jié)構(gòu)(即組成電路的節(jié)點數(shù)、支路數(shù)及電路各支路的國家連接關(guān)系)有關(guān)，而與具體電路元件本身具有何種伏安關(guān)系無關(guān)。基爾霍夫定律有兩個內(nèi)容：電流定律和電壓定律1.4.1基爾霍夫電流定律(簡稱KCL)KCL指出：在電路中的任何一個節(jié)點,在任何時刻流入(或流出)該節(jié)點的電流代數(shù)和為零,即:

i=0KCL源于電荷守恒。例：i1+(-i2)+(-i3)=0i1i2i31.4.2基爾霍夫電壓定律（簡易稱KVL）KVL指出：在電路中的任何一個回路，在任何時刻，沿該回路繞行一周，該回路上所有支路的電壓降的代數(shù)和為零。即

u=0KVL源于能量守恒。例1.4.2：在圖1.4.3中，方框代表一般元件，且已知u1=3v，u2=-4v，u3=-2v。利用KVL求支路電壓ux和uy返回解：方法一：用KVLA回路：U2+Ux+(-U1)=0得：Ux=U1-U2=3-(-4)=7vB回路：U2+Ux+U3+Uy=0得：Uy=-U2-U3-Ux=-1v方法二：“箭頭首尾相銜接”Ux=-U2+u1=-(-4)+3=7vUy=-U3-Ux-U2=-(-2)-7-(-4)=-1vu1uxu2uyu3+–++++––––AB1.5簡單電阻電路的分析方法1.5.1二端網(wǎng)絡(luò)的等效概念當(dāng)電路中的某個部分,由一個或多個元件組成,但只有兩個端點(鈕)與電路中的其他部分(外電路)相連接時,則稱該電路部分為一個二端網(wǎng)絡(luò).當(dāng)一個二端網(wǎng)絡(luò)與另一個二端網(wǎng)絡(luò)端點的伏安關(guān)系完全相同時,則稱這兩個二端網(wǎng)絡(luò)在電路分析中對于外電路的作用是相同的.當(dāng)電路中的某些元件上流過的電流相同時,稱為串聯(lián)當(dāng)某些元件兩端施加相同的電壓時,稱這些元件是并聯(lián)一個實際的電壓源與電流源之間的等效變換abUsiURs電壓源bUisaRs’i電流源當(dāng)這兩個模型相互等效時,則它們的端點a,b上的伏安關(guān)系應(yīng)相同，即i相同、u也相同。等效條件為：

Rs’=Rs和us=iRs’（推導(dǎo)過程教材P20）當(dāng)Rs與Us相并聯(lián)，Us等效為理想電壓源當(dāng)Rs’與is相串聯(lián)時，is等效為理想電流源1.5.2電流源、電壓源的等效變換，電阻的串聯(lián)、并聯(lián)及分壓、分流公式i3i1i2iuis=i1+i2-i3i1=-15A,i2=3A,i3=2Aabuab電流源合并us=u1+u2-u3iabUabui+–+–u1u2u3電壓源合并+–對于n個并聯(lián)電阻R1、R2…Rn組成的二端網(wǎng)絡(luò)，可用一個等效電阻R等效：R=R1 ‖R2‖‥‥‥‖Rn若只有R1、R2對于圖1.5.7所示電路：

R1R2﹢﹣﹣﹣﹢﹢usu1u2(a)﹢﹣isi1i2R1R2u(b)圖1.5.7圖(a)分壓公式:(R1,R2串聯(lián),電流相同)圖(b)分流公式:(R1,R2并聯(lián),電壓相同)例1.5.1例1.5.2例1.5.3例1.5.4例1.5.5解：對a圖等效變換，將電壓源等效為電流源，得IS1=20/0.4=50A,IS2=10/3A,如圖bIS=IS1+IS2=50-10/3=46.7A,設(shè)并聯(lián)后的總電阻為：Rs=0.4//3=0.353I3=IsRs/(R+Rs)=7A20.43I1I3I220v10v++––ba(a)圖1.5.1050A0.423Is1Is210v/3v(b)I31.5.3戴維南定理戴維南定理：一個由電壓源、電流源及電阻構(gòu)成的二端網(wǎng)絡(luò)，可以用一個電壓源Uoc和一個電阻Ro的串聯(lián)等效電路來等效。Uoc為該二端網(wǎng)絡(luò)開路時的開路電壓；Ro--戴維南等效電阻，其值為該網(wǎng)絡(luò)中所有電壓源及電流源為零值時的等效電阻。注意：當(dāng)電壓源為零時，將其等效為短路；當(dāng)電流源為零值時，將其等效為開路。例1.5.8；例1.5.9例1.5.8用戴維南定理計算例1.5.5電路中的電流I3解:分別得到求Uoc及Ro的等效電路圖1.5.13對(a)圖電路,有I=(20+10)/(0.4+3)=8.82AUoc=8.823-10=16.5v由(b)圖電路,得Ro=0.4//3=(0.43)/(0.4+3)=0.353由(c)圖戴維南等效電路,得I3=16.5/(0.353+2)=7.0A0.43Ro20v10v30.4UocI++–––+Uoc=16.5v2Ro=0.353+–I3圖1.5.13(a)求Uoc電路(b)求Ro電路(c)戴維南等效電路上一頁例1.5.9用戴維南定理計算圖1.5.14(a)電路中的電壓Ｕ。解:(1)將(a)圖a,b兩端開路，由(b)圖求開路電壓Uoc，得Uoc=-210+3=-17v(2)將3v電壓源等效為短路，將2A電流源等效為開路，得圖(c)電路，則Ro=4+10=14(3)由圖(d)戴維南等效電路求待求電壓U：U=-176/(14+3+6)=-4.4v1042A3v++––U36ab(a)電路圖+2A+––4103vUoc(b)求Uoc電路104Roab(c)求Ro電路++––Uoc=-17vURo=1436ab(d)等效電路1.5.4疊加定理當(dāng)電路中由電阻、電壓源及電流源組成時，電路中任何一個支路的電壓（或電流）是電路中各個電源單獨作用時，在該支路上產(chǎn)生的電壓（或電流）之和。例1.5.10返回1.6簡單RC電路的過渡過程研究它的過渡過程是學(xué)習(xí)電子電路中產(chǎn)生脈沖波形電路的基礎(chǔ)。圖1.6.1RC電路用于說明電容的充放電過程。KUsabRiC++––圖1.6.1開關(guān)K接到a點：充電過程開關(guān)K接到b點：放電過程結(jié)論：當(dāng)簡單RC電路處于過渡過程時，其電容電壓Uc(t)的表達(dá)式為：Uc(0),Uc()分別為在過渡過程起始時刻的結(jié)束時刻電容C上的電壓值。三要素：Uc(0),Uc(),RC填空題1.元件的特性是由其

所描述的.2.KVL及KVL僅與電路

有關(guān).3.電流及電壓是具有

和

的物理量.4.關(guān)聯(lián)參考方向是指

.5.若已知某元件上U=-3V,I=4A,且U,I取非關(guān)聯(lián)參考方向,則其吸收的功率P=

,該元件是吸收還是產(chǎn)生功率?6.電容上的

及電感中的

一般不會發(fā)生突變.在直流電路中,電容相當(dāng)于

,電感相當(dāng)于

.7.直流電壓源Us兩端第二章半導(dǎo)體基本器件教學(xué)要求：1.掌握PN結(jié)的單向?qū)щ娦?二極管導(dǎo)通電壓Uon的概念,熟悉二極管的特性曲線。2.了解開關(guān)二極管，整流二極管、穩(wěn)壓二極管的基本用途。3.掌握三極管輸出特性曲線中的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)等概念。4.熟悉三極管共發(fā)射極電流放大系數(shù)的含義，熟悉三極管開關(guān)電路工作狀態(tài)的分析方法。5.了解三極管的主要參數(shù)。6.熟悉MOS場效應(yīng)管的分類、符號、增強型NMOS管的特性曲線。7.了解MOS場效應(yīng)管的主要參數(shù)。2.1半導(dǎo)體二極管2.1.1半導(dǎo)體基本知識1.半導(dǎo)體的載流子——電子與空穴2.N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體：在硅晶體中摻入五價磷元素形成。自由電子為多子，空穴為少子。P型半導(dǎo)體：在硅晶體中摻入三價硼元素形成?？昭槎嘧?，自由電子為少子。3.PN結(jié)的形成多子的擴散運動和少子的漂移運動達(dá)到動態(tài)平衡，P區(qū)和N區(qū)的交界面附近形成“空間電荷區(qū)”，稱為PN結(jié)。4.PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）外加正向電壓（正偏），PN結(jié)導(dǎo)通；外加反向電壓（反偏），PN結(jié)截止。（2）PN結(jié)的伏安特性u<UON時，PN結(jié)截止；u>UON時，PN結(jié)導(dǎo)通。當(dāng)u<0時，PN結(jié)截止，IR=0當(dāng)u<URB時，PN結(jié)反向擊穿。（3）PN結(jié)動態(tài)特性2.1.2二極管符號及主要參數(shù)符號：UONU(RB)IR0iuAKD主要參數(shù)：1.最大正向電流IF2.反向擊穿電壓U（RB）3.反向電流IR4.最高工作頻率和反向恢復(fù)時間2.2半導(dǎo)體三極管2.2.1三極管的結(jié)構(gòu)、符號、分類、特性曲線1.結(jié)構(gòu)：三極管有三個區(qū)（發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)）

三個極（e、b、c）

兩個結(jié)(發(fā)射結(jié)、集電結(jié)）2.分類、符號：NPN（Si,Ge）、PNP(Si,Ge)型三極管

becbecNPN型PNP型3.特性曲線三個工作區(qū)：截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)Uce/vIc/mA4.三極管的放大原理條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反偏過程：（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子由于發(fā)射結(jié)正偏，擴散電流為主，漂移電流可略。IE主要是發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入的電子流，電流方向與電子運動方向相反。（2）電子在基區(qū)中的擴散與復(fù)合由于濃度差，電子到達(dá)基區(qū)后向集電區(qū)擴散，被集電極吸收形成集電極電流Ic，其中有少部分電子與基區(qū)中的空穴復(fù)合，為補償失去的空穴，基極注入空穴，形成基區(qū)復(fù)合電流IB。AIEIsIBIcbec+–Uc（3）電子被集電極收集集電結(jié)反向偏置，阻止集電區(qū)的電子向基區(qū)擴散，但有利于將基區(qū)擴散過來的電子吸收過來，形成收集電流Ic。且有：Ie=Ib+Ic5.三極管電路的三個工作區(qū)

電路圖輸出特性曲線（1）截止區(qū)：UBE<UON(導(dǎo)通電壓)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)iB0，iC0，b、e與c、e之間都近似開路。（2）放大區(qū)：UBEUON，即發(fā)射結(jié)處于正偏集電結(jié)處于反偏（c點電位高于b點電位），此時三極管處于放大狀態(tài)，并滿足：=Ic/IB（3）飽和區(qū)：UBE>UON，即發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)也正偏（c點電位高于b點電位）三極管失去電流放

大作用。管壓降UCE稱為飽和壓降UCES，流入bc極的電流稱為飽和電流IBS，ICS。且有：IBS>ICS/注解：定義為直流電流IC與IB的比值。也用于表達(dá)變化電流iB與iC之間的關(guān)系。

=ic/iB=IC/IB在管子質(zhì)量差時，對應(yīng)不同IB有差異。不受UCE的影響。2.2.2三極管主要參數(shù)1.共發(fā)射極電流放大系數(shù)2.集電極-發(fā)射極擊穿電壓UCEO當(dāng)UCE>UCEO時,則ce結(jié)易被擊穿損壞。類似還有UCBO，UEBO

3.集電極最大電流ICM指集電極允許流過的最大電流。否則管子處于過流狀態(tài)易壞。4.最大功率PCM指集電極允許的最大功率。超過PCM管子過熱會損壞。5.特征頻率fTf>fT，會下降6.集電極-發(fā)射極飽和壓降UCES例2.2.1

由2N5550組成的三極管開關(guān)電路如圖2.2.4(a)所示。輸入信號UI是幅值為5V、頻率為1kHz的脈沖電壓信號。已知=125，三極管飽和時UBE=0.7、UCES=0.25V。試分析電路的工作狀態(tài)和輸出電壓的波形。例2.2.2由2N5550三極管組成的線性放大電路如圖2.2.5(a)所示。輸入信號UI為正弦交流電壓信號，其幅值為0.2v、頻率為50Hz，疊加在3v直流電壓U上。已知=125，三極管飽和UBE=0.7、UCES=0.25V。試分析電路的工作狀態(tài)和輸出電壓的波形。2.2.3三極管的開關(guān)時間和極間電容三極管作為開關(guān)運作時，飽和和截止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)換不可能在瞬間完成，管子內(nèi)部存在電荷建立和消失的過程。1.開關(guān)時間（1）延遲時間td（2）上升時間tr（3）存儲時間ts（4）下降時間tf開啟時間：ton=td+tr關(guān)閉時間：toff=ts+tr2.極間電容三極管內(nèi)部電荷建立的消失的過程常用極間電容描述。2.2.4三極管的共基極和共集電極電路1.共基極電路(圖2.2.7)輸入、輸出回路共基極2.共集電極電路(圖2.2.8)該電路又稱為射極跟隨器。IBIEUc+–+–Uo圖2.2.8圖2.2.7IEIcUc+–+Uo2.3MOS場效應(yīng)管2.3.1MOS管的分類場效應(yīng)管是一種單極型半導(dǎo)體器件?？煞譃榻Y(jié)型和MOS型。MOS按其溝道和工作類型可分成四種：1.N溝道增強型結(jié)構(gòu)如圖2.3.1。它用P型材料作襯底，源區(qū)和漏區(qū)是N型摻雜的擴散區(qū)，當(dāng)Ugs增加到一定數(shù)值UTN（開啟電壓）時，在柵極下面的襯底表面形成N型電子導(dǎo)電溝道，當(dāng)Ugs增加導(dǎo)電溝道擴大（增強），故稱為增強型。圖2.3.1PSiO2sgdAl+n+n+2.P溝道增強型3.N溝道耗盡型襯底是P型，漏區(qū)和源區(qū)是N型，在制造時在源區(qū)和漏區(qū)之間的襯底表面上形成了N型溝道，因而，當(dāng)柵壓為0時，仍有溝道形成。當(dāng)加上負(fù)的柵極電壓時，N型導(dǎo)電溝道變淺。柵壓負(fù)到一定數(shù)值時，以致把這條電子導(dǎo)電溝道全部耗盡完了時，該MOS管才不能導(dǎo)通，故有耗盡型之稱。將溝道剛耗盡完時的柵壓叫夾斷電壓VI。4.P溝道耗盡型這種場效應(yīng)管在柵壓為零時，仍有P型溝道形成；當(dāng)柵壓為正柵壓并足夠大時，溝道被耗盡，該MOS管才不能導(dǎo)通。難制造很少用。2.3.2增強型MOS管的特性曲線1.轉(zhuǎn)移特性曲線（1）轉(zhuǎn)移特性反映控制電壓UGS與電流iD之間的關(guān)系，UGS在輸入回路，而iD在輸出回路，故稱之為轉(zhuǎn)移特性。（2）當(dāng)UGS很小時，iD基本上為零，管子截止；當(dāng)UGS大于某一電壓UTN時，電流iD隨UGS的變化而變化。UTN稱為開啟電壓。UGS/viD/mAUTN02.輸出特性曲線輸出特性是在給定UGS的條件下，iD與UDS之間的關(guān)系。有三個工作區(qū)域：（1）夾斷區(qū)：UGS＜UTN，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。D、S極之間的等效電阻rDS值極高，iD=0，輸出回路近似開路。（2）可變電阻區(qū)：UGS>UTN，且UDS值較小。iD與UGS之間近似為線性關(guān)系，UGS值越大，曲線越陡，rDS值就越小。（3）恒流區(qū)：UGS＜UTN，且UDS值較大。iD只與UGS有關(guān)。UGS=6viD/mAuDS可變電阻區(qū)恒流區(qū)夾斷區(qū)2.3.3MOS場效應(yīng)管的主要參數(shù)和應(yīng)用1.直流參數(shù)（1）開啟電壓UTN（2）輸入電阻rGS:一般為109~1012。2.交流參數(shù)（1）跨導(dǎo)gmgm=ID/UGS|UDS=常數(shù)（2）導(dǎo)通電阻rDS:rDS=UDS/ID|UGS=常數(shù)第三章開關(guān)理論基礎(chǔ)教學(xué)要求:1.掌握用二進制和十六進制數(shù)表示任意整數(shù)和帶小數(shù)的數(shù)值，掌握8421BCD碼的編碼規(guī)則。2.熟悉二進制數(shù)與十進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換。3.掌握與、或、非三種基本運算及其對應(yīng)的三種門電路。4.熟悉與非、或非、與或非、異或和異或非等對應(yīng)的門電路。5.掌握邏輯代數(shù)的基本定律和規(guī)則；掌握由真值表寫出標(biāo)準(zhǔn)與或表達(dá)式的方法。6.熟悉邏輯代數(shù)法簡化邏輯函數(shù)的方法。7.掌握卡諾圖法簡化邏輯函數(shù)的方法。8.了解在二進制中，用原碼、補碼表示有符號的數(shù)。3.1數(shù)制及編碼3.1.1~3.1.2數(shù)制及轉(zhuǎn)換1.二進制與十進制整數(shù)的轉(zhuǎn)換十進制化為二進制的方法為：基數(shù)除法（除2取余法）二進制化為十進制的方法是：按權(quán)展開2.二、八、十六進制整數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換三位二進制-----一位八進制數(shù)四位二進制-----一位十六進制數(shù)四位8421BCD碼-----一位十進制數(shù)3.純小數(shù)的數(shù)制轉(zhuǎn)換十進制純小數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制純小數(shù)的方法：基數(shù)乘法4.帶小數(shù)的數(shù)制轉(zhuǎn)換將整數(shù)部分（基數(shù)除法）和小數(shù)部分（基數(shù)乘法）分開計算，再將求得的等值整數(shù)部分和小數(shù)部分合起來3.1.3二十進制碼以四位二進制數(shù)表示一位十進制數(shù)的數(shù)制稱“二-十進制”。最常用的是8421BCD碼。見下表：十進制8421BCD碼00000100012001030011401005010160110701118100091001權(quán)8421注：四位二進制可以表示16個數(shù)，還有6個不用，稱為偽碼：1010，1011，1100，1101，1110，11113.2邏輯變量和邏輯代數(shù)的三種基本運算三種基本運算：與、或、非1.與運算Y=A·B2.或運算Y=A+B3.非運算Y=3.3常見的復(fù)合邏輯運算及門電路1、與非運算2、或非運算3、異或運算Y=AB4、同或運算Y=A⊙B5、與或非運算&ABY+ABYABYABY⊙ABCD&&+Y3.4~3.5邏輯代數(shù)的基本公式、基本規(guī)則1、公式2、規(guī)則代入規(guī)則：任何含有變量A的等式，若將所有出現(xiàn)A的位置都代之以一個邏輯變量F，則等式依然成立。反演規(guī)則：設(shè)F為一邏輯函數(shù)，將邏輯函數(shù)表達(dá)式中所有的（?）（+），01，原變量換成反變量，反變量換成原變量，則所得到的邏輯函數(shù)表達(dá)式是反函數(shù)。對偶規(guī)則：設(shè)F為一邏輯函數(shù)，將邏輯函數(shù)表達(dá)式中所有的（?）（+），01，則所得到的邏輯函數(shù)表達(dá)式是對偶式F’。3.6邏輯函數(shù)的表示方法有五種：邏輯表達(dá)式、真值表、卡諾圖、波形圖、邏輯圖。它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。3.6.1真值表它把所有可能出現(xiàn)的輸入變量的組合及其對應(yīng)的輸出變量的值（即函數(shù)值）用表格方式列出來。邏輯表達(dá)式是用邏輯代數(shù)中的函數(shù)表示式描述了邏輯函數(shù)。如何由真值表寫出邏輯表達(dá)式？表3.6.1輸入輸出ABCF000000100101011110011010110011113.6.2最小項設(shè)有n個邏輯變量，由它們組成具有n個變量的與項中，每個變量以原變量或者反變量的形式出現(xiàn)一次且僅出現(xiàn)一次，則稱這個與項為最小項。對于n個變量來說，可有2n個最小項。3.7~3.8邏輯函數(shù)的化簡1.化簡的意義邏輯函數(shù)的表達(dá)式不唯一，邏輯表達(dá)式愈簡單，根據(jù)表達(dá)式所畫的圖也愈簡單，即電路愈簡單，工作速度快。2.最簡與或表達(dá)式（1）乘積項最少。（2）每個乘積項中因子最少。3.化簡方法：(1)公式化簡法觀察各項能否合并或利用公式配項后合并(2)卡諾圖化簡法

①畫出邏輯函數(shù)的卡諾圖

②合并最小項，必須包含所有的最小項

③寫出最簡與或表達(dá)式最簡的特點是：“圈”的個數(shù)最少，表明項數(shù)最少；每個“圈”最大，表明每一項因子最少。例：例3.7.6例3.7.8例3.8.1求邏輯函數(shù)F(A,B,C,D)=m(0,1,2,3,14,15)的最簡與或表達(dá)式。解：（1）畫卡諾圖（2）畫卡諾圈（3）合并111111ABCD0001111000011110第四章門電路教學(xué)要求：1.了解TTL與非門、集電極開路門和三態(tài)門的工作原理。2.了解CMOS門電路的工作原理。3.掌握各種邏輯系列在速度、功能和抗干擾能力等方面的主要特點。4.掌握各種邏輯系列的主要參數(shù)和物理意義和數(shù)值的量級。4.1數(shù)字集成電路的特點與分類半導(dǎo)體集成電路是采用外延生長、光刻、氧化物生成、掩蔽擴散、離子注入等技術(shù)，將晶體管、電阻、電容、等元件和它們之間的連線一起做在一塊半導(dǎo)體基片上所構(gòu)成的電路。分類：雙極型晶體管（TTL）集成電路：工作速度高、驅(qū)動能力強，但功耗大、集成度低MOS管（單極型）集成電路：集成度高、功耗低（常用）按集成度分類：小規(guī)模集成SSI：10~100個元件中規(guī)模集成MSI：100~1000個元件大規(guī)模集成LSI：1000~100000個元件超大規(guī)模集成VLSI：100000以上元件4.2晶體管—晶體管邏輯電路4.2.1最簡單的與門、非門和與非門電路1.二極管與門

F=A?B

Ucc+5vFABDADBABF設(shè)高電位UIH=+3v,UIL=0v，DA、DB為理想二極管：當(dāng)A、B均為0v時，二極管DA、DB均為正向偏置而導(dǎo)通，故輸出端F為低電位UOL=0v。此時A和B輸入端均有電流向外流出，電流值為Ucc/2R1。當(dāng)A=0v，B=+3v時，由于DA兩端的電位差較大而搶先導(dǎo)通，使F端被箝位在UOL=0v；DB因反向偏置而截止。B輸入端有向內(nèi)流入的二極管反向漏極電流，它小于40mA；A輸入端向外流出電流，其值為Ucc/R1。當(dāng)A=+3v，B=0v時，同上F端被箝位在UOL=0v。當(dāng)A=+3v，B=+3v時，DA、DB均正向偏置而導(dǎo)通，輸出端F為高電位UOH=+3v。此時，A和B均有電流向外流出，其值為(Ucc-3)/2R1。輸入輸出ABF00v0v0+3v0v+3v0v0v+3v+3v+3v輸入輸出ABF0000101001112.三極管非門UA=0.2v，三極管截止，UF=Ucc=+5v；UA=+5v，三極管飽和，UF=UCES=0.2v.

AUcc(+5v)RcRbFAB3.晶體管與非門與非門有功率放大作用，且可實現(xiàn)與、或、非三種基本運算，也很容易實現(xiàn)與或運算請大家思考怎樣實現(xiàn)上述運算？P122UccABDADBUcc(+5v)R2RbFR1與門非門圖4.2.34.2.2TTL與非門將圖4.2.3中的Rb用二極管D3代替，可得下圖。圖中二極管D3起電平偏移作用：當(dāng)輸入A和B有一個為0.2v時D3的陽極電為UA+UD1=0.2v+0.7v=0.9v，它小于D3和T管發(fā)射結(jié)同時導(dǎo)通所需要的1.4v，從而保證D3和T管可靠截止，使輸出F為Ucc的邏輯1電位。當(dāng)A和B皆為高電位Ucc時，D1和D2截止，流過電阻R1的電流經(jīng)過導(dǎo)通的D3管流入T管的基極。使T管飽和，輸出F為0.2v的邏輯0電位。實現(xiàn)了與非功能。ABD1D2Ucc(+5v)R2FR1D3在TTL集成電路中，將圖4.2.4中的D1、D2和D3用一個多發(fā)射極三極管代替，如圖4.2.5示，T1的兩個發(fā)射結(jié)代替了圖4.2.4中的D1和D2二極管，T1的集電結(jié)代替了。T1主要用來實現(xiàn)與功能，T2主要用來實現(xiàn)非功能。ABD1D2Ucc(+5v)R2FR1D3ABUcc(+5v)R2FR1T1T2圖4.2.5由前面的討論知道，門的輸入端需要有電流流入（輸入為高電位時）和電流流出（輸入為低電位時）。在由多個門組成的數(shù)字電路中，每個門輸入端的電流是由前一級門的輸出端提供的；每個門的輸出端應(yīng)向后一級門提供足夠的流出（輸出為高電位時）和流入（輸出為低電位時）的電流，以保證各個門能正常工作。為了提高TTL與非門帶負(fù)載的能力，在圖4.2.5基上增加了輸出級，如圖4.2.6所示。通過對上圖的分析可以得出：當(dāng)輸出為高電位時，T3和D導(dǎo)通，T4管截止；輸出為低電位時，T3和D截止，T4飽和導(dǎo)通。這表明：無論是高電位還是低電位，圖4.2.6都有較強的驅(qū)動能力。圖4.2.6的輸出級常稱推拉式電路或圖騰柱輸出電路。并且:在穩(wěn)態(tài)時,由電源Ucc經(jīng)R4，T3，D和T4到地的路徑中流過的電流是極小的，降低了器件的功耗。表4.2.6TTL門電路各晶體管工作狀態(tài)ABUcc(+5v)R2FR1T1T2R3T3T4FDR4輸入級中間級輸出級圖4.2.64.2.3TTL門的主要參數(shù)數(shù)字集成門的主要參數(shù)是涉及電路的工作速度、功耗、抗干擾能力和驅(qū)動能力的參數(shù)。1.空載功耗：器件的功耗是在單位時間所消耗的能量，TTL門通常測量其靜態(tài)未帶負(fù)載（空載）時的功耗。2.傳輸特性：它描述了輸入電壓從0v逐漸上升到高電位時，輸出電壓的變化情況。根據(jù)傳輸特性可得出輸出高電位的下限UOH(min)、輸出低電位的上限UOL(max)、輸入高電位的下限UIH(min)、輸入低電位的上限UIL(max)和噪聲容限UNH、UNL。4.2.3TTL門的主要參數(shù)數(shù)字集成門的主要參數(shù)是涉及電路的工作速度、功耗、抗干擾能力和驅(qū)動能力的參數(shù)。1.空載功耗：器件的功耗是在單位時間所消耗的能量，TTL門通常測量其靜態(tài)未帶負(fù)載（空載）時的功耗。注：在TTL輸出電位由低到高或由高到低的變化過程中，有一階段是T3,D3和T4管同時導(dǎo)通，會有一個很大的電流流過R4，T3，D和T4，這個動態(tài)尖峰電流可達(dá)32mA，顯然這個動態(tài)功耗會隨工作頻率的升高而加大。2.傳輸特性：它描述了輸入電壓從0v逐漸上升到高電位時，輸出電壓的變化情況。根據(jù)傳輸特性可得出輸出高電位的下限UOH(min)、輸出低電位的上限UOL(max)、輸入高電位的下限UIH(min)、輸入低電位的上限UIL(max)、和噪聲容限UNH、UNL。見圖4.2.10噪聲容限：在數(shù)字系統(tǒng)中，前一級電路的輸出就是后一級電路的輸入，后一級的輸入門坎（UIHmin）一定要小于前一級的輸出最小值(UOHmin)。這兩個電壓之差就是該電路允許的最大干擾電壓，稱這為噪聲容限。輸入為高電平時的噪聲容限為：UNH=UOH(min)-UIH(min)輸入為低電平時的噪聲容限為：UNL=UIL(max)-UOL(max)取二者中最小的為噪聲容限值。例：繼續(xù)輸出為低電位時，T1集電結(jié)、T2管和T4管導(dǎo)通，電源提供的總電流IEL為：IEL=iR1+iR2=0.73mA+2.5mA=3.23mA輸出為低電位時的功耗PCL為：PCL=IEL×Ucc=3.23mA×5v=16mW當(dāng)輸出為高電位時，T1處于飽和，T3和D導(dǎo)通，電源提供的總電流IEH基本上為iR1：IEH=iR1=1mA功耗為：PCH=IEH×Ucc=1mA×5v=5mW因PCL>PCH，通常將PCL定為空載功耗P。

返回UI/v閾值電壓1.4v2.02.4UNH0.40.8UNL0.42.43.60理想特性實際特性UO/v圖4.2.9傳輸特性返回邏輯高電平輸出范圍邏輯低電平輸出范圍邏輯高電平輸入范圍邏輯低電平輸入范圍UOHminUOLmaxUIHminUILmaxUNHUNL輸出特性輸入特性Ucc0v返回3.傳輸延時tpd和速度功耗積傳輸延時tpd：指與非門輸出波形相對于輸入波形的延時。導(dǎo)通延時tPHL:輸出波形下降沿的50%相對于輸入波形上升沿的50%之間的時間間隔關(guān)閉延時tPLH:輸出波形上升沿的50%相對于輸入波形下降沿的50%之間的時間間隔平均傳輸延時tpd:tpd=(tPHL+tPLH)/2tPHLtPLH4.扇出系數(shù)No扇出系數(shù)：是一個門能夠驅(qū)動同類型門的個數(shù)。TTL器件：根據(jù)一個門在輸出為高電位時能夠給出的電流和在輸出為低電位時允許灌入的電流考慮。NOH=|IOH|/|IIH|NOL=|IOL|

/|IIL|取NOH和NOL中較小的為No。例：4.2.4消特基TTL電路TTL門的傳輸延時主要受晶體管開關(guān)時間的影響，在晶體管的開關(guān)時間中，管子的飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)成截止?fàn)顟B(tài)所需的時間較長。為了提高工作速度，采用抗飽和電路。4.2.5可以線或的TTL門1.集電極開路門通常兩個TTL門的輸出端是不可并聯(lián)使用的。如圖4.2.14（P110），否則導(dǎo)通管會被燒壞的。集電極開路門又稱OC門。OC門的輸出端可以并聯(lián)在一起形成線與的關(guān)系。ABUccR2R1T1T2R3T4F電路圖ABFABF&OC門常用符號國標(biāo)符號線與、與或非門AB&CD&RLUcciLF=AB·CD=AB+CD2.三態(tài)TTL門普通TTL門只有兩種狀態(tài)：邏輯0和邏輯1，這兩種狀態(tài)都是低阻輸出。三態(tài)邏輯輸出門的第三態(tài)是高阻態(tài)輸出，輸出端相當(dāng)于懸空。ABGF日美常用符號&ABGEN國標(biāo)符號三態(tài)門功能表：ENENENENENENENENENEN數(shù)據(jù)總線圖4.2.19數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)12345678910工作工作阻塞阻塞01111001114.3CMOS邏輯電路4.3.1CMOS反相器結(jié)構(gòu)：它是由一個增強型NMOS管和一個增強型PMOS管構(gòu)成的。功能：實現(xiàn)邏輯非的功能工作原理：與三極管構(gòu)成反相器基本相同，只是上面的電阻用PMOS管來代替。CMOS反相器的工作情況類似于TTL門的推拉式輸出級；當(dāng)輸入為低電位時，輸出為高電位，T2導(dǎo)通，T1截止；當(dāng)當(dāng)輸入為高電位，輸出為低電位，T2截止，T1導(dǎo)通。UOUIT1T2iDUDDg2g1s1s2d2d1CL1.CMOS反相器傳輸特性CMOS反相器的邏輯1電位為UDD；邏輯0電位為0v。CMOS反相器的閾值電壓UTH為UDD/2，噪聲容限較大，可達(dá)電源電壓UDD的45%，抗干擾能力強。UTH=UDD/2UDD/2UIUOCMOS反相器的傳輸特性2.功耗：在穩(wěn)態(tài)時，T1和T2管不會同時導(dǎo)通，因此，CMOS管的靜態(tài)功耗極低，僅幾十納瓦。當(dāng)CMOS門輸出電位由高變低，或者由低變高的過程中，有一個階段是T1和T2同時導(dǎo)通，電流iDD不為0，形成動態(tài)功耗PT，當(dāng)反相器輸出端接有負(fù)載電容CL時CMOS反相器的輸入信號發(fā)生變化時，CL要進行充放電，造成的動態(tài)功耗PC更是不容忽視：若輸入信號的重復(fù)頻率為f，則電容每秒充放電各f次，功耗為PC=[CLUDD2/2(充電)+CLUDD2/2（放電）]f=CLUDD2fCMOS門總動態(tài)功耗為：PD=PC+PL。CMOS門的扇出系數(shù)取決于負(fù)載電容的大小和工作速度。負(fù)載電容的充放電是限制CMOS門傳輸延時的主要因素。4.3.2CMOS傳輸門結(jié)構(gòu)：將NMOS管和PMOS管并聯(lián)可構(gòu)成CMOS傳輸門。功能：UO=UIA=UDD，當(dāng)A=0，輸出端斷開UIUOAAT1T2UIUOAA&##A=0A=UDD4.3.3CMOS邏輯門1.與非門2.或非門3.與或非門4.3.4CMOS三態(tài)門4.4不同邏輯系列的配合問題1.邏輯電平的配合

TTL:UOH(min)=2.4v，UOL(max)=0.4vCMOS:UOH=5v,UOL=0v,UT=2.5vCMOS可直接驅(qū)動TTL電路，反之則不行。必須在連接處到+5v電源之間接入一個幾千歐的電阻，將連接處的電平“上拉”到+5v。2.驅(qū)動能力的配合第五章組合邏輯電路教學(xué)要求：1.掌握組合電路的特點（功能、結(jié)構(gòu)）分析和設(shè)計方法。2.學(xué)會根據(jù)文字描述的設(shè)計要求列出相應(yīng)的真值表。3.掌握全加器、編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器的邏輯功能和使用方法。4.掌握利用中規(guī)模集成譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器設(shè)計一般組合電路的方法。5.掌握全加器、逐位進位加法器的設(shè)計。6.了解超前進位加法器的工作原理。7.了解競爭和冒險問題。5.1組合邏輯電路的特點組合電路的特點是：任何時刻的輸出僅決定于當(dāng)時的輸入，而與電路原來的狀態(tài)無關(guān)（功能）；電路中不含存貯電路和記憶元件，且無反饋線（結(jié)構(gòu)）。5.2組合電路的分析組合電路的分析是根據(jù)已經(jīng)給定的邏輯電路，描述其邏輯功能；步驟：由給定的組合電路→寫輸出函數(shù)的表達(dá)式→簡化函數(shù)（用代數(shù)法或圖解法）→列真值表或采用其它方法描述電路的邏輯功能。5.3組合電路的設(shè)計組合電路的設(shè)計則是根據(jù)設(shè)計要求構(gòu)成功能正確、經(jīng)濟、可靠的電路。步驟：由給定的邏輯問題→列真值表→寫輸出函數(shù)的表達(dá)式并簡化（用代數(shù)法或圖解法）→畫邏輯電路圖。

組合電路的一般分析方法1.根據(jù)邏輯圖寫出邏輯表達(dá)式；2.化簡邏輯表達(dá)式；3.列真值表；4.確定輸出變量的物理意義，說明電路的功能。例：例1:電路邏輯圖如圖8-4所示,A,B,C為輸入變量,Y為輸出變量,試說明電路的功能.解:(1)根據(jù)邏輯圖寫出邏輯表達(dá)式Y(jié)=AB+AC+BC(2)根據(jù)邏輯表達(dá)式列真值表如表8.3(3)從真值表可以看出,當(dāng)A,B,C中有兩個或三個取值為“1”時,Y=1,否則Y=0。因而電路是判斷多數(shù)表決電路。ABCY00000010010001111000101111011111組合電路的一般設(shè)計方法1.對實際問題進行抽象，定義輸入、輸出變量；2.根據(jù)要實現(xiàn)的邏輯功能列真值表；3.選用門電路；4.根據(jù)真值表求邏輯表達(dá)式并化簡成所需形式；5.畫邏輯圖；6.檢驗。舉例如下例2:試設(shè)計一個8421BCD碼的檢碼電路,要求當(dāng)輸入量DCBA≤2,或≥7時電路輸出F為高電平,否則為低電平。試設(shè)計該電路，并用于非門實現(xiàn)之。解：1、根據(jù)題意，列真值表。由于8421BCD碼由十種狀態(tài)，而四變量組合由16種，6種未用的狀態(tài),可按無關(guān)項處理，由此可列出實現(xiàn)該功能的電路的真值表2、寫出輸出函數(shù)的表達(dá)式，這里借助于函數(shù)的卡諾圖來化簡，得函數(shù)F的最簡式；3、畫邏輯圖由于要求用與非門實現(xiàn),因而首先應(yīng)將表達(dá)式變成與非表達(dá)式,利用反演定律進行變換

ABDC0001111000110101001011××××1011××DCBAY0000100011001010011001000010100110001111DCBAY10001100111010×1011×1100×1101×1110×1111×5.4組合電路中的競爭和冒險現(xiàn)象1.競爭冒險：信號從輸入經(jīng)不同通路傳輸?shù)捷敵黾壍臅r間不同，由此可能使邏輯電路產(chǎn)生錯誤輸出，這種現(xiàn)象稱為競爭冒險。2.競爭：在組合電路中，信號從不同的路徑到達(dá)某一會合點的時刻不同的現(xiàn)象，稱為競爭。3.冒險：由競爭而引起電路發(fā)生瞬間錯誤的現(xiàn)象，稱為冒險。4.毛刺：由競爭引起冒險表現(xiàn)為輸出端出現(xiàn)了原設(shè)計中沒有的窄脈沖，常稱為毛刺。5.5常見的組合邏輯電路常用的中規(guī)模組合邏輯模塊有：1.編碼器2.譯碼器3.加法器4.數(shù)據(jù)選擇器5.比較器要求：必須熟悉它們的邏輯功能、外部引線排列圖并靈活運用其功能。

全加器全加器：主要實現(xiàn)一位數(shù)值的加法運算真值表為：AnBnCn-1CnSn0000000101010010111010001101101101011111四位加法器它是由四個全加器，將低位的進位接到高位的輸入端構(gòu)成的利用四位全加器可以構(gòu)成任意位數(shù)的加法運算編碼器1.功能：將某一輸入信息按照一定的規(guī)則進行編碼2.分類：二進制編碼器(1)一般二進制編碼器（常見16/4線編碼器）(2)優(yōu)先編碼器十進制編碼器有十個輸入變量，四個輸出變量（10線/4線）譯碼器1.功能：能將一定的代碼翻譯成相應(yīng)的信號輸出稱為譯碼。2.分類：（1）二進制譯碼器四位二進制譯碼器（4線/16線）（2）十進制譯碼器四位（8421BCD碼）輸入端，十位輸出端（4線/10線）（3）顯示譯碼器七段顯示譯碼器（4線/7線譯碼器）數(shù)據(jù)選擇器功能：數(shù)據(jù)選擇器具有從多個輸入數(shù)據(jù)中選擇一個送到輸出端。它有數(shù)據(jù)輸入端和地址輸入端，數(shù)據(jù)與地址一一對應(yīng)。常用的有：四選一、八選一、十六選一和雙四選一數(shù)據(jù)選擇器利用中規(guī)模集成組合電路設(shè)計一般組合電路的方法常用的器件有譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器。利用譯碼器可以實現(xiàn)單邏輯變量的輸出和多邏輯變量的輸出的組合邏輯函數(shù)。利用一個數(shù)據(jù)選擇器只能實現(xiàn)單一輸出變量的組合函數(shù)。若N個輸出變量就需要N個數(shù)據(jù)選擇器。步驟和方法1.根據(jù)實際問題進行抽象，定義輸入、輸出變量；2.列出所設(shè)計電路的真值表和功能表；3.選定合適的中規(guī)模集成芯片，確定所設(shè)計電路和所選用芯片輸入變量的對應(yīng)關(guān)系，寫出輸出變量的邏輯表達(dá)式；4.確定所設(shè)計電路的輸出變量和所選用芯片輸出端的對應(yīng)關(guān)系；5.畫出邏輯電路圖；6.檢驗舉例例1.表1是一個邏輯函數(shù)的真值表，其輸入變量為A、B和C，輸出變量為F。分別利用8選1和4選1多路選擇器實現(xiàn)該邏輯函數(shù)。解(1)由真值表得：(2)A2=A，A1=B，A3=C比較八選取一功能函數(shù)式：(3)得：D0D1D4D7=0；D2D3D5D6=1(4)畫出邏輯圖ABCF0000001001010111100010111101111010D0D1D2D3D4D5D6D7ABCA2A1A0YF001110第六章時序邏輯電路教學(xué)要求：1.掌握RS、D、JK觸發(fā)器的邏輯功能和描述方法。2.掌握常用的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)模寄存器、移位寄存器和計數(shù)器的邏輯功能和使用方法。3.熟悉異步置位、復(fù)位端的作用；寄存器的并行送數(shù)方式；移位寄存器的工作原理。4.熟悉同步二進制及任意進制計數(shù)器的分析方法。5.熟悉同步時序電路的特點和分析方法。6.了解各種觸發(fā)器的工作原理，不同觸發(fā)器在使用時對激勵信號在時間上的限制。7.了解多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器的工作原理及主要參數(shù)和用途。6.1時序邏輯電路1.電路特點：功能特點：時序電路的輸出不僅取決于該時刻的輸入信號，而且與電路的原狀態(tài)有關(guān)。電路結(jié)構(gòu)特點：時序電路應(yīng)包括組合電路和存儲電路兩大部分，由觸發(fā)器構(gòu)成的存儲電路是電路的核心部分。2.時序電路功能描述方法可以用輸出方程、狀態(tài)方程和驅(qū)動方程描述。6.2觸發(fā)器1.觸發(fā)器：能夠存儲一位二進制信息的基本單元稱為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，簡稱觸發(fā)器。特點：（1）具有兩個穩(wěn)定的（0和1）狀態(tài)，能存儲一位二進制信息。（2）根據(jù)不同的輸入，可將輸出置成0或1狀態(tài)。（3）當(dāng)輸入信號消失后，被置成的狀態(tài)能保存下來。2.觸發(fā)器的分類：按電路結(jié)構(gòu)分為基本RS觸發(fā)器，同步RS觸發(fā)器，主從結(jié)構(gòu)觸發(fā)器，邊沿觸發(fā)器按功能分為RS、JK、D、T、T’觸發(fā)器。RS觸發(fā)器真值表特性方程特點RSQn+1Qn+1=R·Qn+SRS=0(約束條件)R=1，S=1時，狀態(tài)不定00Qn01110011無定義邏輯符號JK觸發(fā)器真值表特性方程特點JKQn+1Qn+1=J·Qn+KQn功能最全，使用方便。00Qn01010111Qn邏輯符號D觸發(fā)器真值表特性方程特點DQn+1Qn+1=D只有一個數(shù)據(jù)輸入端，可使某些電路設(shè)計簡化。0011邏輯符號T觸發(fā)器

真值表特性方程特點TQn+1Qn+1=TQn

受控制的翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器，當(dāng)T=1時，變?yōu)門’觸發(fā)器。0Qn1Qn邏輯符號例1：寫出如下圖電路的函數(shù)表達(dá)式，畫出輸出端的波形。

Qn+1=

解：Y=;Qn+1=;Qn+1=QnQn+1=

例2：試寫出如下圖所示觸發(fā)器的特性方程，并根據(jù)A、B的波形畫出Q1Q2Q3的波形（設(shè)Q1Q2Q3的初態(tài)為0）。1.2.3.解：6.3時序電路的一般分析方法1.同步時序電路的一般分析方法(1)根據(jù)給定邏輯圖，寫出各個觸發(fā)器的特性方程和輸出方程；(2)將各觸發(fā)器的驅(qū)動方程代入觸發(fā)器的特性方程得到各觸發(fā)器的狀態(tài)方程組；(3)假設(shè)現(xiàn)態(tài)，依次代入各個觸發(fā)器的狀態(tài)方程組進行計算，求出次態(tài)；(4)列狀態(tài)表，畫出狀態(tài)圖；(5)說明功能。2.分析舉例例6.3.1：分析圖6.3.2電路的邏輯功能，寫出方程式、列狀態(tài)表、畫出狀態(tài)圖，說明功能。解：(1)驅(qū)動方程：D0=Q0，D1=Q1⊙Q0⊙X(2)狀態(tài)方程：(3)列狀態(tài)轉(zhuǎn)換表：(4)畫狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖(5)功能說明：當(dāng)X=0時，作加法計數(shù)，四進制加法計數(shù)器；當(dāng)X=1時，作減法計數(shù)，四進制減法計數(shù)器。==C11D1DC1Q1Q0D1D0XCP例2：如圖所示計數(shù)器，寫出驅(qū)動方程，狀態(tài)方程，列出真值表，畫出狀態(tài)圖、波形圖。解：時鐘方程：CP0=CP，CP1=，CP2=CP驅(qū)動方程：D0=，D1=，D2=Q1Q2狀態(tài)方程：Q0n+1=,CP上升沿Q1n+1=，上升沿Q2n+1=Q1Q0,CP上升沿真值表見表Q2Q1Q0

Q2n+1Q1n+1Q0n+1

000001001010010011011100100000101010110010111100（a）(b)6.4常見的時序邏輯電路常見的時序電路有：寄存器、移位寄存器、計數(shù)器6.4.1寄存器寄存器是用來存放數(shù)據(jù)、信息的，一個觸發(fā)器可以存放一位二進制代碼，n個觸發(fā)器組成的寄存器可存放n位二進制代碼。1.電路結(jié)構(gòu)2.工作原理當(dāng)RD=0，寄存器清零，使Q3Q2Q1Q0=0000；當(dāng)RD=1時，CP加入正脈沖，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0。6.4.2移位寄存器1.單向移位寄存器電路結(jié)構(gòu)：功能：能實現(xiàn)串行輸入—并行輸出，串行輸入—串行輸出。2.雙向移位寄存器功能表如下：Q0Q1Q2Q3CPRDS1S2工作狀態(tài)0置0100保持101右移110左移111并行輸入6.4.3計數(shù)器1.計數(shù)器的特點和分類：特點：計數(shù)器是一種含有若干個觸發(fā)器、并按預(yù)定順序改變各觸發(fā)器的狀態(tài)，累計脈沖個數(shù)的數(shù)字電路。分類：（1）同步計數(shù)器：組成各觸發(fā)器的CP相同異步計數(shù)器：各觸發(fā)器的CP不相同（2）加法計數(shù)器：輸出狀態(tài)計數(shù)增1的減法計數(shù)器：輸出狀態(tài)計數(shù)減1的可逆計數(shù)器：可作加法也可作減法（3）二進制計數(shù)器：按二進制規(guī)律計數(shù)的十進制計數(shù)器：按8421BCD碼計數(shù)的

2.同步二進制加法計數(shù)器CPRDLDS1S2工作狀態(tài)0置010

置數(shù)1101保持110保持（c=0）1111計數(shù)74LS161功能表：3.二進制同步可逆計數(shù)器CPSLDU/D工作狀態(tài)11保持0置數(shù)010加法計數(shù)011減法計數(shù)74LS191功能表：6.中規(guī)模集成計數(shù)器的應(yīng)用（1）計數(shù)器的級聯(lián)應(yīng)用將兩片十進制計數(shù)器74LS160級聯(lián)可構(gòu)成一百進制的計數(shù)器。（2）置數(shù)法構(gòu)成任意進制計數(shù)器復(fù)位法（反饋歸零法）：同步復(fù)位法（無過度狀態(tài)）：有S0,S1,……SN-1個狀態(tài)，SN-1為有效狀態(tài)異步復(fù)位法（有過度狀態(tài)）：N進制計數(shù)器有S0S1，……SN-1個狀態(tài)，但SN-1是過渡狀態(tài)。置數(shù)法：同步置數(shù)法（無過度狀態(tài)）：有S0,S1,……SN-1個狀態(tài)，SN-1為有效狀態(tài)異步置數(shù)法（有過度狀態(tài)）：N進制計數(shù)器有S0S1，……SN-1個狀態(tài)，但SN-1是過渡狀態(tài)。例1：分析電路5.1計數(shù)器電路的功能，分別畫出當(dāng)M=0和M=1時的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，說明電路的進制，T4160是同步十進制加法計數(shù)器。功能表見表5.1CPRDLDS1S2工作狀態(tài)0置010

置數(shù)1101保持110保持（c=0）1111計數(shù)解：當(dāng)M=0時，，電路用同步置數(shù)法構(gòu)成計數(shù)器，無過度狀態(tài)當(dāng)輸出為Q3Q2Q1Q0=1000時，被置成D3D2D1D0=0000，狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下：

0000→0001→0010→0011→0100