數(shù)字邏輯電路第一單元課件

數(shù)字邏輯電路第一單元課件第一頁(yè)，共39頁(yè)。課程的重要性在信息時(shí)代，數(shù)字電路無(wú)處不在。家電、通訊、計(jì)算機(jī)、自控、互聯(lián)網(wǎng)和儀器儀表等廣泛應(yīng)用數(shù)字技術(shù)。數(shù)電是電類專業(yè)學(xué)生的一門看家本事。在大學(xué)期間，許多的后續(xù)課程與數(shù)電知識(shí)有關(guān)。如：計(jì)算機(jī)原理、單片機(jī)原理、電子工程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等等。引言第二頁(yè)，共39頁(yè)。本課程是數(shù)字電路知識(shí)的入門課程，非常重要但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。要解決復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題，必須學(xué)會(huì)使用先進(jìn)的工具，使設(shè)計(jì)工作更方便、更高效、更可靠。學(xué)習(xí)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件，如：DataI/O公司的SynarioAltera公司的Max+plusII學(xué)習(xí)硬件描述語(yǔ)言(HDL)，如：VHDL，AHDL有些軟件可以從網(wǎng)上免費(fèi)下載，有時(shí)間學(xué)習(xí)一下。第三頁(yè)，共39頁(yè)。學(xué)習(xí)方法提示1.強(qiáng)調(diào)基本概念的掌握;2.掌握基本的分析、設(shè)計(jì)方法（難度和復(fù)雜程度都不是很大，以例題、作業(yè)為準(zhǔn)）;3.在集成電路的內(nèi)部原理和外部特性中，以外部特性的理解為主;4.要合理的記筆記，特別是一些典型例題。5.許多考試內(nèi)容，都會(huì)在講課中提及、強(qiáng)調(diào)。關(guān)于作業(yè)全部批改，登記；做題要求抄寫題目；表題工整，圖、標(biāo)用尺畫；一周交一次作業(yè)，暫定為周三第四頁(yè)，共39頁(yè)。關(guān)于期末考核總評(píng)成績(jī)=期末考試卷面成績(jī)（70%）+平時(shí)成績(jī)（30%）（1）基本分（85分）：作業(yè)全部上交（缺1次扣5分）考勤滿勤（缺1次扣5分）參加期中測(cè)驗(yàn)（2）加分（酌情加5~15分）：班長(zhǎng)喊起立學(xué)委收發(fā)作業(yè)幫助擦黑板主動(dòng)回答課堂提問(wèn)主動(dòng)參加答疑平時(shí)成績(jī)組成第五頁(yè)，共39頁(yè)。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章數(shù)字邏輯概論邏輯門電路組合邏輯電路鎖存器和觸發(fā)器時(shí)序邏輯電路脈沖波形的變換與產(chǎn)生(555定時(shí)器)存儲(chǔ)器、復(fù)雜可編程器件和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器邏輯代數(shù)與硬件描述語(yǔ)言基礎(chǔ)課程內(nèi)容概括：第六頁(yè)，共39頁(yè)。內(nèi)容簡(jiǎn)介1.數(shù)字信號(hào)、數(shù)字技術(shù)等基本概念2.常用的各種進(jìn)制數(shù)、碼制3.二進(jìn)制的算術(shù)運(yùn)算和數(shù)字邏輯的基本運(yùn)算第1章數(shù)字邏輯概論第七頁(yè)，共39頁(yè)。數(shù)字電路的分類2、按所用器件制作工藝的不同：雙極型（TTL型）、單極型（MOS型）3、按電路的結(jié)構(gòu)和對(duì)輸入信號(hào)響應(yīng)規(guī)則的不同：組合邏輯電路（沒(méi)有記憶功能，其輸出信號(hào)只與當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)有關(guān)，而與電路以前的狀態(tài)無(wú)關(guān)）時(shí)序邏輯電路（具有記憶功能，其輸出信號(hào)不僅和當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)有關(guān)，而且與電路以前的狀態(tài)有關(guān)）1、按電路結(jié)構(gòu)的不同：分立元件電路、集成電路1.1

數(shù)字電路與數(shù)字信號(hào)第八頁(yè)，共39頁(yè)。4、按集成度分：集成度：每塊集成電路芯片中包含的元器件數(shù)目小規(guī)模集成電路(SmallScaleIC，SSI)中規(guī)模集成電路(MediumScaleIC，MSI)大規(guī)模集成電路(LargeScaleIC，LSI)超大規(guī)模集成電路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大規(guī)模集成電路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大規(guī)模集成電路(GiganticScaleIC，GSI）第九頁(yè)，共39頁(yè)。數(shù)字電路的特點(diǎn)（1）穩(wěn)定性高，結(jié)果的再現(xiàn)性好。數(shù)字電路的抗干擾能力強(qiáng)，因而可靠。在信號(hào)的傳送過(guò)程中，數(shù)字傳送比模擬傳送也要可靠的多。（2）易于設(shè)計(jì)。數(shù)字電路只有0、1兩種狀態(tài)，對(duì)電路精度要求不高，因此分析、設(shè)計(jì)也相對(duì)較容易。（3）大批量生產(chǎn)，成本低廉。數(shù)字電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，便于集成化生產(chǎn)。（4）可編程性。（5）高速度，低功耗。集成度高。第十頁(yè)，共39頁(yè)。數(shù)字電路的分析、設(shè)計(jì)與測(cè)試（1）分析方法

數(shù)字電路的研究對(duì)象是電路的輸入與輸出之間的邏輯關(guān)系，三極管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以，分析方法不能再是模擬電路中的圖解法、微變等效電路法，而是采用布爾代數(shù)、真值表、功能表、邏輯表達(dá)式或波形圖等。（3）測(cè)試技術(shù)

測(cè)試設(shè)備為：數(shù)字萬(wàn)用表、電子示波器等。具體測(cè)試技術(shù)將在實(shí)驗(yàn)課中詳細(xì)介紹。

（2）設(shè)計(jì)方法

設(shè)計(jì)是從給定的邏輯功能要求出發(fā)，確定輸入、輸出變量，選擇適當(dāng)?shù)倪壿嬈骷?，設(shè)計(jì)出符合要求的邏輯電路。第十一頁(yè)，共39頁(yè)。模擬信號(hào)

模擬信號(hào)是在時(shí)間和幅值上都連續(xù)變化的信號(hào)，例如正弦波、指數(shù)函數(shù)等

，如圖1.1(a)所示。對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行傳輸、處理的電子線路稱為模擬電路。圖1.1(a)模擬信號(hào)波形

模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)第十二頁(yè)，共39頁(yè)。ut圖1.1(b)數(shù)字信號(hào)波形

數(shù)字信號(hào)是在幅值上不連續(xù)，取一定離散數(shù)值的信號(hào)，通常是由數(shù)字0和1，也可以說(shuō)是由低電平電信號(hào)和高電平電信號(hào)組成的信號(hào)，如圖1.1(b)所示。對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸、處理的電子線路稱為數(shù)字電路，如數(shù)字電子鐘、數(shù)字萬(wàn)用表的電子電路都是由數(shù)字電路組成數(shù)字信號(hào)第十三頁(yè)，共39頁(yè)。模擬量可以用一系列的數(shù)字量0、1來(lái)表示，這一系列的數(shù)字0、1組成的字符串，稱為二進(jìn)制碼

.模擬量的數(shù)字表示第十四頁(yè)，共39頁(yè)。數(shù)字電路又稱二值邏輯，它們可以用電子器件的開(kāi)關(guān)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，邏輯電平與電壓值的關(guān)系可用下表來(lái)描述：電壓(V)邏輯表示電平表示3.5~51H(高電平)0~1.50L(低電平)數(shù)字信號(hào)的描述方法第十五頁(yè)，共39頁(yè)。例：周期性數(shù)字脈沖波高電平持續(xù)時(shí)間為6ms，低電平持續(xù)時(shí)間為10ms,則，占空比

2.占空比q--脈沖寬度占整個(gè)周期的百分比:q數(shù)字信號(hào)中的幾個(gè)概念1.脈沖寬度tw--脈沖作用的時(shí)間q=

6ms/(6+10)ms=37.5%3.上升時(shí)間tr

和下降時(shí)間tf----從脈沖幅值的10%到90%所經(jīng)歷的時(shí)間，典型值為幾十個(gè)納秒（ns）

非理想脈沖波形

第十六頁(yè)，共39頁(yè)。進(jìn)位制/數(shù)制：表示數(shù)時(shí)，僅用一位數(shù)碼往往不夠用，必須用進(jìn)位計(jì)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(jìn)位規(guī)則稱為進(jìn)位計(jì)數(shù)制，簡(jiǎn)稱進(jìn)位制。基數(shù)：進(jìn)位制的基數(shù)，就是在該進(jìn)位制中可能用到的數(shù)碼個(gè)數(shù)位權(quán)（位的權(quán)數(shù)）：在某一進(jìn)位制的數(shù)中，每一位的大小都對(duì)應(yīng)著該位上的數(shù)碼乘上一個(gè)固定的數(shù)，這個(gè)固定的數(shù)就是這一位的權(quán)數(shù)。權(quán)數(shù)是一個(gè)冪。幾個(gè)概念（數(shù)制）：1.2

數(shù)制數(shù)碼：由數(shù)字符號(hào)構(gòu)成且表示物理量大小的數(shù)字和數(shù)字組合。第十七頁(yè)，共39頁(yè)。1.

十進(jìn)制

數(shù)字符號(hào)（系數(shù)）：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9計(jì)數(shù)規(guī)則：逢十進(jìn)一５５５５５×１０３＝５０００５×１０２＝５００５×１０１＝５０５×１００＝５＝５５５５103、102、101、100稱為十進(jìn)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(gè)十進(jìn)制數(shù)都可以表示為各個(gè)數(shù)位上的數(shù)碼與其對(duì)應(yīng)的權(quán)的乘積之和，稱權(quán)展開(kāi)式。即：(5555)10＝5×103

＋5×102＋5×101＋5×100又如：(209.04)10＝2×102

＋0×101＋9×100＋0×10－1＋4×10－2第十八頁(yè)，共39頁(yè)。十進(jìn)制一般表達(dá)式:位權(quán)系數(shù)

在數(shù)字電路中，計(jì)數(shù)的基本思想是要把電路的狀態(tài)與數(shù)碼一一對(duì)應(yīng)起來(lái)。顯然，采用十進(jìn)制是十分不方便的。它需要十種電路狀態(tài)，要想嚴(yán)格區(qū)分這十種狀態(tài)是很困難的。第十九頁(yè)，共39頁(yè)。2.二進(jìn)制數(shù)字符號(hào)：0、1計(jì)數(shù)規(guī)則：逢二進(jìn)一基數(shù)：2權(quán)：2的冪例：（）2=

（1×26+0×25+1×24+1×23+1×22+0×21+1×20）10

=（64+0+16+8+4+0+1）10=（93）10二進(jìn)制數(shù)的一般表達(dá)式為:位權(quán)系數(shù)第二十頁(yè)，共39頁(yè)。位數(shù)太多，不符合人的習(xí)慣，不能在頭腦中立即反應(yīng)出數(shù)值的大小，一般要將其轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制后，才能反應(yīng)。二進(jìn)制的優(yōu)點(diǎn)：

1、易于電路實(shí)現(xiàn)---每一位數(shù)只有兩個(gè)值，可以用管子的“導(dǎo)通”或“截止”，燈泡的“亮”或“滅”、繼電器觸點(diǎn)的“閉合”或“斷開(kāi)”來(lái)表示。二進(jìn)制的缺點(diǎn)：2、基本運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)單第二十一頁(yè)，共39頁(yè)。3.八進(jìn)制數(shù)字符號(hào)：0,1,2,3,4,5,6,7計(jì)數(shù)規(guī)則：逢八進(jìn)一基數(shù)：8權(quán)：8的冪例：（127）8=（1×82+2×81+7×80）10=（64+16+7）10=（87）10第二十二頁(yè)，共39頁(yè)。4.十六進(jìn)制數(shù)字符號(hào)：0~9、A(10)、B(11)、C(12)、D(13)、E(14)、F(15)計(jì)數(shù)規(guī)則：逢十六進(jìn)一基數(shù)：16權(quán)：16的冪例：（5D）16=（5×161+13×160）10=（80+13）10=（93）10第二十三頁(yè)，共39頁(yè)。十六進(jìn)制在數(shù)字電路中，尤其在計(jì)算機(jī)中得到廣泛的應(yīng)用，因?yàn)椋菏M(jìn)制優(yōu)點(diǎn)：第一、與二進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換容易第二、計(jì)數(shù)容量較其它進(jìn)制都大。假如同樣采用四位數(shù)碼，第三、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，大量的寄存器、計(jì)數(shù)器等往往按四位一組排列。故使十六進(jìn)制的使用獨(dú)具優(yōu)越性。八進(jìn)制可計(jì)至7777O=4095D；十進(jìn)制可計(jì)至9999D；十六進(jìn)制可計(jì)至FFFFH=65535D，其容量最大。二進(jìn)制最多可計(jì)至1111B=15D

；第二十四頁(yè)，共39頁(yè)。結(jié)論：①一般地，N進(jìn)制需要用到N個(gè)數(shù)碼，基數(shù)是N；運(yùn)算規(guī)律為逢N進(jìn)一。②如果一個(gè)N進(jìn)制數(shù)M包含ｎ位整數(shù)和ｍ位小數(shù)，即(an-1an-2…a1a0·a－1a－2…a－m)N則該數(shù)的權(quán)展開(kāi)式為：(M)N

＝an-1×Nn-1

＋

an-2×Nn-2

＋…＋a1×N1＋

a0×N0＋a－1×N-1＋a－2×N-2＋…＋a－m×N-m③由權(quán)展開(kāi)式很容易將一個(gè)N進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。第二十五頁(yè)，共39頁(yè)。不同數(shù)制間的轉(zhuǎn)換

（1）二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)：將二進(jìn)制數(shù)由小數(shù)點(diǎn)開(kāi)始，整數(shù)部分向左，小數(shù)部分向右，每3位分成一組，不夠3位補(bǔ)零，則每組二進(jìn)制數(shù)便是一位八進(jìn)制數(shù)。(三位聚一位)將N進(jìn)制數(shù)按權(quán)展開(kāi)，即可以轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。1101010.01000＝(152.2)8（2）八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)：將每位八進(jìn)制數(shù)用3位二進(jìn)制數(shù)表示。(一位變?nèi)?

=011111100.010110(374.26)8二進(jìn)制數(shù)與八進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換1第二十六頁(yè)，共39頁(yè)。0111101000.011000＝(1E8.6)16=101011110100.01110110(AF4.76)16二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)，按照每4位二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)于一位十六進(jìn)制數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。(四位聚一位)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(jìn)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。十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)，按照每一位十六進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)于4位二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。(一位變四位)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)32

二進(jìn)制與十六進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換

第二十七頁(yè)，共39頁(yè)。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(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為任意的N進(jìn)制數(shù)。例：(44.375)10＝(

？)2第二十八頁(yè)，共39頁(yè)。例：將(0.706)D轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)，要求其誤差不大于2-10。解：0.706×2=1.412……1……b－1由于最后的小數(shù)小于0.5，根據(jù)“四舍五入”的原則，應(yīng)為0所以，(0.706)D=(0.101101001)B，其誤差高位|||||||低位0.412×2=0.824……0……b－20.824×2=1.648……1……b－30.648×2=1.296……1……b－40.296×2=0.592……0……b－50.592×2=1.184……1……b－6

0.184×2=0.368……0……b－7

0.368×2=0.736……0……b－8

0.736×2=1.472……1……b－9

將小數(shù)部分連續(xù)不斷地乘以2,每次所得乘積的整數(shù)部分取出，由高位到低位排列，即為所求第二十九頁(yè)，共39頁(yè)。表1-1幾種計(jì)數(shù)進(jìn)制數(shù)的對(duì)照表十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制00000001000111200102230011334010044501015560110667011177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F第三十頁(yè)，共39頁(yè)。1.3二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算1.

無(wú)符號(hào)二進(jìn)制的算術(shù)運(yùn)算

二進(jìn)制的加、減、乘、除四種運(yùn)算的運(yùn)算與十進(jìn)制數(shù)類似，兩者唯一區(qū)別在于進(jìn)位或借位規(guī)則不同。無(wú)符號(hào)二進(jìn)制加法規(guī)則是：二進(jìn)制加法無(wú)符號(hào)二進(jìn)制減法規(guī)則是：二進(jìn)制減法0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=100-0=0，1-1=0，1-0=1，

0-1=11進(jìn)位位借位位第三十一頁(yè)，共39頁(yè)。例1計(jì)算兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)1010和0101的積：二進(jìn)制乘法二進(jìn)制除法乘法運(yùn)算是由左移被乘數(shù)與加法運(yùn)算組成的例2計(jì)算兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)1010和111的商：除法運(yùn)算是由右移被除數(shù)與減法運(yùn)算組成的1010×0101101010100000000001100101010111111111.00101111010111111…0×0=0，1×0=0，

0×1=0，1×1=1第三十二頁(yè)，共39頁(yè)。

在定點(diǎn)運(yùn)算的情況下，二進(jìn)制數(shù)的最高位（即最左邊的位）表示符號(hào)位，且0表示正數(shù)，用1表示負(fù)數(shù)。其余部分為數(shù)值位。例如：2.帶符號(hào)二進(jìn)制的減法運(yùn)算

以上是用原碼的形式表示數(shù)值位。在數(shù)字電路中，常將負(fù)數(shù)用補(bǔ)碼表示，以便將減法運(yùn)算變?yōu)榧臃ㄟ\(yùn)算。第三十三頁(yè)，共39頁(yè)。減法運(yùn)算補(bǔ)碼和反碼的關(guān)系式:N補(bǔ)=N反+1。1、二進(jìn)制數(shù)補(bǔ)碼表示先只討論數(shù)值碼，即數(shù)碼中不包括符號(hào)位。原碼自然二進(jìn)制碼反碼將原碼中的0變?yōu)?，1變?yōu)?N反=（2n1）N原即：

N原=2n1N反補(bǔ)碼N補(bǔ)=2nN原原碼：0101反碼：10101111補(bǔ)碼；

1011所以，A-B=A-（2n-1-B反）=A+B反+1-2n=A+B補(bǔ)-2n

第三十四頁(yè)，共39頁(yè)。當(dāng)考慮負(fù)數(shù)情況時(shí)，帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù)補(bǔ)碼的計(jì)算方法如下：補(bǔ)碼或反碼的最高位為符號(hào)位，正數(shù)為0，負(fù)數(shù)為1。

當(dāng)二進(jìn)制數(shù)為正數(shù)時(shí)，其補(bǔ)碼、反碼與原碼相同。當(dāng)二進(jìn)制數(shù)為負(fù)數(shù)時(shí)，將原碼的數(shù)值位逐位求反（即得到反碼），然后在最低位加1,得到補(bǔ)碼。（p24）例：分別計(jì)算出A＝＋6和B=－6的4位二進(jìn)制原碼、反碼和補(bǔ)碼A＝＋6B=－6原碼反碼補(bǔ)碼011001100110111010011010第三十五頁(yè)，共39頁(yè)。2、二進(jìn)制補(bǔ)碼的減法運(yùn)算減法運(yùn)算的原理是減去一個(gè)正數(shù)相當(dāng)于加上一個(gè)負(fù)數(shù)，即A－B＝A＋（－B），對(duì)（－B）求補(bǔ)碼，然后進(jìn)行加法運(yùn)算。進(jìn)行二進(jìn)制補(bǔ)碼的加法運(yùn)算時(shí)，必須注意被加數(shù)補(bǔ)