數(shù)字電路基礎(chǔ)

數(shù)字電路基礎(chǔ)第一頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一節(jié)數(shù)字電路相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)

一、脈沖脈沖信號(hào)是多種多樣的，常見(jiàn)的有方波、三角波、矩形波、尖峰波等，如圖6-1所示。各種脈沖波的共同特點(diǎn)就是突然變化和不連續(xù)性。矩形脈沖是一種典型的數(shù)字信號(hào)，圖6-2(a)為矩形脈沖信號(hào)的理想形式。矩形脈沖有正脈沖和負(fù)脈沖之分，脈沖躍變后的值比初始值高稱為正脈沖，反之則稱為負(fù)脈沖，如圖6-2(b)所示。但實(shí)際的矩形脈沖波形的脈沖上升和下降都需要一定的時(shí)間，不可能達(dá)到理想脈沖那么陡峭，是如圖6-2(c)所示的形式。它的主要參數(shù)如下:下一頁(yè)返回第二頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一節(jié)數(shù)字電路相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)

(1)脈沖幅度Um(2)脈沖前沿時(shí)間tr(3)脈沖后沿時(shí)間tk(4)脈沖寬度tk(5)脈沖頻率f(6)脈沖周期T二、數(shù)的進(jìn)制與碼制1.數(shù)制數(shù)制就是數(shù)的表示方法。常用的數(shù)制有以下幾種:(1)十進(jìn)制十進(jìn)制數(shù)是用0~9十個(gè)數(shù)碼按照一定的規(guī)律排列起來(lái)來(lái)表示數(shù)值的大小。計(jì)數(shù)的基數(shù)為10，計(jì)數(shù)規(guī)則是“逢十進(jìn)一”，所以稱為十進(jìn)制。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第三頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一節(jié)數(shù)字電路相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)

(2)二進(jìn)制二進(jìn)制數(shù)組是用0和1兩個(gè)數(shù)碼按照一定的規(guī)律排列起來(lái)來(lái)表示數(shù)值大小的。

(3)二、十進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)的方法是:將各位二進(jìn)制數(shù)乘以對(duì)應(yīng)位的權(quán)，然后相加，其相加的和即為轉(zhuǎn)換成的十進(jìn)制數(shù)。

2.碼制數(shù)字信息可分為兩類，一類是數(shù)值信息，另一類是文字、圖形、符號(hào)等非數(shù)值信息。對(duì)第二類信息，在數(shù)字系統(tǒng)中也用一定位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，以便計(jì)算機(jī)能夠處理。這些代表非數(shù)值信息的二進(jìn)制碼不再有數(shù)值的意義，稱為代碼。為了便于記憶、查找、區(qū)別，在編制各種代碼時(shí)，總要遵循一定的規(guī)律，這一規(guī)律稱為碼制。建立這種代碼與文字、符號(hào)等非數(shù)值信息間一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的過(guò)程稱為編碼。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第四頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一節(jié)數(shù)字電路相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)

對(duì)數(shù)字系統(tǒng)而言，使用最為方便的是按二進(jìn)制數(shù)編制代碼。如在用二進(jìn)制數(shù)碼表示十進(jìn)制數(shù)的0~9這十個(gè)狀態(tài)時(shí)常用8421碼制，而8,4,2,1是十位二進(jìn)制數(shù)所在位的權(quán)。用8421碼制編制的代碼屬于BCD碼的一種，意指這種編碼為“以二進(jìn)制編碼的十進(jìn)碼”。8421BCD碼都以4位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示1位十進(jìn)制數(shù)，每位二進(jìn)制數(shù)都有固定的權(quán)位，所以這種代碼也稱為有權(quán)碼。8421碼制的編碼表如表6-1所列。上一頁(yè)返回第五頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六第二節(jié)晶體管開(kāi)關(guān)電路的種類及應(yīng)用一、二極管開(kāi)關(guān)電路二極管具有單向?qū)щ娦?，利用這一特性可將二極管當(dāng)作一個(gè)開(kāi)關(guān)，如圖6-3所示。在圖6-3(a)中，扳動(dòng)開(kāi)關(guān)，可使小電燈亮或滅。而在圖6-3(b)中，二極管處于正向偏置，小電燈亮。在圖6-3(c)中，二極管處于反向偏置，此時(shí)小電燈滅。即二極管正向偏置時(shí)相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合;二極管反向偏置時(shí)相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。由此可見(jiàn)二極管具有開(kāi)關(guān)特性。二極管開(kāi)關(guān)只能近似于理想開(kāi)關(guān)，二極管開(kāi)關(guān)具有動(dòng)作時(shí)間短、使用頻率高、無(wú)觸點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)。下一頁(yè)返回第六頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六第二節(jié)晶體管開(kāi)關(guān)電路的種類及應(yīng)用二、晶體三極管開(kāi)關(guān)特性晶體三極管的輸出特性有三個(gè)區(qū)域，即放大區(qū)、截止區(qū)和飽和區(qū)。在三極管放大電路中，三極管工作在放大區(qū)。在數(shù)字電路中，三極管則主要工作在截止區(qū)和飽和區(qū)，并經(jīng)常在這兩個(gè)區(qū)域之間進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換，但經(jīng)過(guò)放大區(qū)的時(shí)間則是很短促的，三極管的這種工作方式也具有開(kāi)關(guān)特性，此時(shí)三極管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，如圖6-4所示。當(dāng)輸入低電平0.3V使三極管截止時(shí)，輸出為高電平+5V當(dāng)輸入高電平+5V使三極管飽和導(dǎo)通時(shí)，輸出為低電平0.3V。這種輸出電平的高、低總是與輸入相反的電路又稱為反相器。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第七頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六第二節(jié)晶體管開(kāi)關(guān)電路的種類及應(yīng)用三、晶體管開(kāi)關(guān)電路的應(yīng)用在汽車電源中，普遍采用調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出電壓。圖6-5所示是JFT201型晶體管調(diào)壓器電路圖，通過(guò)分析這一電路介紹晶體管調(diào)壓器的基本原理。上一頁(yè)返回第八頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六第三節(jié)門電路的基礎(chǔ)知識(shí)一、與門的相關(guān)概念決定某事件發(fā)生的所有條件都具備時(shí)，該事件才會(huì)發(fā)生，這種邏輯關(guān)系稱為與邏輯關(guān)系。與門是實(shí)現(xiàn)與邏輯關(guān)系的門電路，這種邏輯關(guān)系可用圖6-6(a)所示的例子說(shuō)明。圖6-7(d)所示為二極管與門電路。A,B兩端為輸入端，Y為輸出端。A,B兩端有一端為低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的二極管導(dǎo)通，輸出端被鉗制在低電平。只有當(dāng)A、B兩端均為高電平時(shí)，輸出端才為高電平。與邏輯的表達(dá)式為表6-2為與邏輯真值表。下一頁(yè)返回第九頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六第三節(jié)門電路的基礎(chǔ)知識(shí)二、或門的相關(guān)概念決定某事件發(fā)生的幾個(gè)條件中，只要有一個(gè)或一個(gè)以上的條件具備，該事件就發(fā)生，這種邏輯關(guān)系稱為或邏輯關(guān)系。如圖6-7(a)所示的電路，兩個(gè)開(kāi)關(guān)并聯(lián)，再與一盞燈串聯(lián)接在電路中，只要其中有一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合，電燈就會(huì)亮，開(kāi)關(guān)閉合和燈亮即為或邏輯關(guān)系。圖6-7(b)所示為或邏輯符號(hào)。圖6-8是實(shí)現(xiàn)或邏輯的二極管或門電路?；蜻壿嫷谋磉_(dá)式如下表6-3為或邏輯真值表。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第十頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六第三節(jié)門電路的基礎(chǔ)知識(shí)三、非門的相關(guān)概念條件與結(jié)果的狀態(tài)總是相反，這種邏輯關(guān)系稱為非邏輯。也就是說(shuō)，在非門電路中，輸入信號(hào)為低電平時(shí)，輸出信號(hào)為高電平;輸入信號(hào)為高電平時(shí)，輸出信號(hào)為低電平。非門電路是一種單端輸入、單端輸出的電路。圖6-9(a)所示為非邏輯關(guān)系的簡(jiǎn)單例子。開(kāi)關(guān)S與電燈并聯(lián)接在電路中，S閉合時(shí)，電燈不亮，開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)電燈反而亮了，這就是非邏輯關(guān)系。所以非門電路又稱為反相器。圖6-9(b)所示為其邏輯符號(hào)。非邏輯也稱邏輯非，其表達(dá)式為下一頁(yè)上一頁(yè)返回第十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六第三節(jié)門電路的基礎(chǔ)知識(shí)四、與非門的相關(guān)概念與門的輸出端與一個(gè)非門的輸入端相連就構(gòu)成與非門，如圖6-10所示。與非門電路是組合邏輯門電路的一種，表6-5為與非門的輸入和輸出關(guān)系的邏輯真值表。與非門的邏輯表達(dá)式為下一頁(yè)上一頁(yè)返回第十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六第三節(jié)門電路的基礎(chǔ)知識(shí)五、集成與非門的相關(guān)概念隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，各種門電路已普遍采用集成電路，且每個(gè)集成塊包含多個(gè)門電路。實(shí)際應(yīng)用中的TTL晶體管一晶體管邏輯電路)與非門電路就是在與門電路后加上一個(gè)非門的集成電路，它是數(shù)字電路中最基本的單元電路，利用TTL集成電路可以構(gòu)成各種基本電路。上一頁(yè)返回第十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六第四節(jié)集成觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用一、基本RS觸發(fā)器基本RS觸發(fā)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是構(gòu)成各種實(shí)用的觸發(fā)器的基礎(chǔ)。1.電路組成與非門的輸出端與輸入端交叉反饋相接，就構(gòu)成了基本RS觸發(fā)器，圖6-12所示為它的邏輯圖和邏輯符號(hào)。圖中，R,S為輸入端，為輸出端。2.邏輯功能基本RS觸發(fā)器的邏輯狀態(tài)列于表6-6中。圖6-13為RS觸發(fā)器的工作波形。下一頁(yè)返回第十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六第四節(jié)集成觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用二、同步RS觸發(fā)器基本RS觸發(fā)器的輸出狀態(tài)直接由觸發(fā)信號(hào)控制，而在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)常有多個(gè)觸發(fā)器，要求各觸發(fā)器能在某一時(shí)刻協(xié)調(diào)一致地變化?？梢越o系統(tǒng)加一個(gè)外加時(shí)鐘脈沖(簡(jiǎn)稱CP)，使各觸發(fā)器根據(jù)時(shí)鐘脈沖的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍，按一定的順序同步翻轉(zhuǎn)，它像時(shí)鐘一樣，提供各觸發(fā)器準(zhǔn)確的翻轉(zhuǎn)時(shí)間，所以稱為時(shí)鐘脈沖，又稱控制脈沖。而翻轉(zhuǎn)到什么狀態(tài)，仍由R,S決定。由時(shí)鐘脈沖控制的觸發(fā)器稱為同步觸發(fā)器，又稱為鐘控觸發(fā)器，同步是指觸發(fā)器狀態(tài)的改變與時(shí)鐘脈沖CP同步進(jìn)行。同步觸發(fā)器的觸發(fā)方式有高電平有效和低電平有效兩種。1.電路組成圖6-14所示為同步RS觸發(fā)器的邏輯圖和邏輯符號(hào)下一頁(yè)上一頁(yè)返回第十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六第四節(jié)集成觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

2.邏輯功能

(1)當(dāng)CP=0時(shí)導(dǎo)引門被封鎖，G3,G4的輸出都為1，基本RS觸發(fā)器維持原狀態(tài)。

(2)當(dāng)CP=1時(shí)導(dǎo)引門暢通，G3,G4的輸出就是R,S信號(hào)取反，同步RS觸發(fā)器按基本RS觸發(fā)器的規(guī)律變化，只是R,S需要輸入正脈沖，通過(guò)導(dǎo)引門后才能轉(zhuǎn)換成基本觸發(fā)器所需要的負(fù)脈沖。根據(jù)與非門的邏輯關(guān)系，可以列出鐘控:RS觸發(fā)器的邏輯狀態(tài)表，見(jiàn)表6-7，表中符號(hào)“x”表示取0或取1均可。圖6-15為其工作波形。

(3)初始狀態(tài)的預(yù)置下一頁(yè)上一頁(yè)返回第十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六第四節(jié)集成觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用同步RS觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但有兩個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn):一是有不確定態(tài);二是觸發(fā)器在CP作用期間有可能發(fā)生空翻現(xiàn)象，從而失去同步的意義。所以，它在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。三、主從型JK觸發(fā)器圖6-16所示為主從型JK觸發(fā)器的邏輯圖和邏輯符號(hào)主從型JK觸發(fā)器由兩個(gè)同步RS觸發(fā)器組成，分別稱為主觸發(fā)器和從觸發(fā)器，將從觸發(fā)器的輸出反饋到主觸發(fā)器的輸入，以消除輸出的不確定狀態(tài)。此外，還通過(guò)一個(gè)非門將兩個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖端連接起來(lái)，使主、從觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖極性相反。表6-8所示為主從JK觸發(fā)器的邏輯狀態(tài)表。圖6-17所示為其工作波形。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六第四節(jié)集成觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用四、D觸發(fā)器

D觸發(fā)器也是一種應(yīng)用很廣的觸發(fā)器，它只有一個(gè)同步輸入端圖6-18所示為D觸發(fā)器的邏輯符號(hào)，CP處不加小圓圈，表明觸發(fā)器是由CP脈沖的上升沿觸發(fā)。表6-9為D觸發(fā)器的邏輯狀態(tài)表。圖6-19所示為其工作波形。五、555定時(shí)器電路

1.555定時(shí)器的結(jié)構(gòu)及邏輯功能

555定時(shí)器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的器件，其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖6-20所示。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六第四節(jié)集成觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

2.自激多諧振蕩器組成的信號(hào)燈閃光電路多諧振蕩器是一種能自動(dòng)產(chǎn)生脈沖波的振蕩器，所以也稱矩形波發(fā)生器，用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩電路如圖6-21(a)所示。圖中電容C、電阻R1和R2作為振蕩器的定時(shí)元件，決定著輸出脈沖的寬度，工作波形如圖6-21(b)所示。由自激多諧振蕩器和觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)構(gòu)成的電子閃光器原理圖如圖6-22所示。接通轉(zhuǎn)向燈電路，可由自激多諧振蕩器輸出的矩形波脈沖信號(hào)去控制燈一亮一滅的閃光。其閃光頻率由矩形波脈沖寬度決定。上一頁(yè)返回第十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六表6-18421BCD碼編碼表返回第二十頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六表6-2與邏輯真值表返回第二十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六表6-3或邏輯真值表返回第二十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六表6-5與非門邏輯真值表返回第二十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六表6-6基本RS觸發(fā)器的邏輯狀態(tài)表返回第二十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六表6-7同步RS觸發(fā)器的邏輯狀態(tài)表返回第二十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六表6-8主從JK觸發(fā)器的邏輯狀態(tài)表返回第二十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六表6-9D觸發(fā)器的邏輯狀態(tài)表返回第二十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六圖6-1幾種常見(jiàn)的脈沖波形返回第二十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六圖6-2矩形脈沖信號(hào)返回第二十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六圖6-3二極管的開(kāi)關(guān)特性實(shí)瞼電路返回第三十頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六圖6-4晶體三極管開(kāi)關(guān)特性返回第三十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六圖6-5JFT201型晶體管調(diào)壓器電路圖返回第三十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六圖6-6與門電路及符號(hào)返回第三十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期六圖6-7或邏輯關(guān)系及符號(hào)返回第三十四頁(yè)，共四