數(shù)字電路數(shù)字電路概述

數(shù)字電路數(shù)字電路概述JHR第一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三JHR第一章數(shù)字電子技術(shù)概述第二章邏輯代數(shù)基礎(chǔ)及基本邏輯門電路第三章集成邏輯門電路第四章邏輯函數(shù)及其化簡第五章組合邏輯電路第六章觸發(fā)器第七章時(shí)序邏輯電路第八章存儲(chǔ)器第九章脈沖的產(chǎn)生與變換目錄第十章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器第二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三第1章數(shù)字電子技術(shù)概述一、本章主要介紹內(nèi)容1.數(shù)字電子技術(shù)與模擬電子技術(shù)的區(qū)別，數(shù)字信號(hào)和數(shù)字電路的基本概念。2.半導(dǎo)體器件（二極管、三極管、MOS管）在數(shù)字電路中主要工作于開關(guān)狀態(tài)，重點(diǎn)介紹它們的開關(guān)運(yùn)用特性。3.數(shù)字系統(tǒng)中信息可分為數(shù)值和文字符號(hào)兩大類。數(shù)值的計(jì)數(shù)體制常用的有二進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制，重點(diǎn)介紹它們的第三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三表示方法及相互轉(zhuǎn)換；文字符號(hào)常采用特定的二進(jìn)制代碼來表示，重點(diǎn)介紹常用的BCD碼、格雷碼和奇偶校驗(yàn)碼。二、本章教學(xué)大綱基本要求1.熟練掌握：①二進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)及其相互轉(zhuǎn)換；②8421BCD碼。2.理解二極管、三極管、MOS管的開關(guān)運(yùn)用特性。3.一般了解：其它常用BCD碼。三、重點(diǎn)與難點(diǎn)第四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三重點(diǎn)：各種常用數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換。難點(diǎn)：二極管、三極管、MOS管的開關(guān)特性。第一節(jié)數(shù)字電路概述一、數(shù)字信號(hào)和數(shù)字電路工程上把電信號(hào)分為兩大類：模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)。

◆模擬信號(hào)：指在時(shí)間上和數(shù)值上都是連續(xù)變化的信號(hào)。如電視圖象和伴音信號(hào)；生產(chǎn)過程中由傳感器檢測的某種物理量轉(zhuǎn)化成的電信號(hào)等。

◆模擬電路：傳輸、處理模擬信號(hào)的電路稱為模擬電路。第五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三◆數(shù)字信號(hào)：指在時(shí)間上和數(shù)值上都是斷續(xù)變化的離散信號(hào)。如電子表的秒信號(hào)等?！魯?shù)字電路：傳輸、處理數(shù)字信號(hào)的電路稱為數(shù)字電路。二、數(shù)字電路的特點(diǎn)1.數(shù)字信號(hào)是非連續(xù)變化的電信號(hào)，通常只有兩種狀態(tài)。如電位高與低，電流的有與無等。我們用“1”和“0”來表示這兩種狀態(tài)。第六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三在數(shù)字電路中電子器件（如二極管、三極管）處于開關(guān)狀態(tài)，也是工作在飽和區(qū)和截止區(qū)。第七頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三2.數(shù)字電路的特點(diǎn)（1）數(shù)字信號(hào)是非連續(xù)變化的，只有兩種狀態(tài)，用“1”和“0”表示。（2）數(shù)字電路研究對象是電路的輸入和輸出之間的邏輯關(guān)系，所以數(shù)字電路也稱邏輯電路。分析方法采用邏輯代數(shù)、真值表、卡諾圖、特性方程、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖、時(shí)序波形圖。（3）數(shù)字電路不僅可以對信號(hào)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，而且還能夠進(jìn)行邏輯推演和邏輯判斷。即具有一定的邏輯思維能力。在電子計(jì)算機(jī)、數(shù)字控制、數(shù)字通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。第八頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三三、正邏輯與負(fù)邏輯數(shù)字信號(hào)是一種二值信號(hào)，用兩個(gè)電平（高電平和低電平）分別來表示兩個(gè)邏輯值（邏輯1和邏輯0）。有兩種邏輯體制：正邏輯體制規(guī)定：高電平為邏輯1，低電平為邏輯0。負(fù)邏輯體制規(guī)定：低電平為邏輯1，高電平為邏輯0。第九頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三如果采用正邏輯，圖（1）所示的數(shù)字電壓信號(hào)就成為下圖所示的邏輯信號(hào)。四、數(shù)字信號(hào)的主要參數(shù)第十頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三一個(gè)理想的周期性數(shù)字信號(hào)，可用以下幾個(gè)參數(shù)來描繪：Um－信號(hào)幅度；T－信號(hào)重復(fù)周期；第十一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三tW－脈沖寬度。q－占空比。其定義為：下圖所示為三個(gè)周期相同（T＝20ms），但幅度、脈沖寬度及占空比各不相同的數(shù)字信號(hào)。第十二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三第十三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三3.數(shù)字邏輯電路的分類（1）按功能分為組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路兩大類。組合邏輯電路任何時(shí)刻的輸出狀態(tài)，僅取決于該電路當(dāng)時(shí)所有輸入狀態(tài)的組合，與電路過去的輸入、輸出狀態(tài)無關(guān)，它們不具有“記憶”功能?？捎糜趯?shí)現(xiàn)加法器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器等邏輯功能。時(shí)序邏輯電路任何時(shí)刻的輸出狀態(tài)，不僅取決于該電路當(dāng)時(shí)的輸入狀態(tài)，還與電路過去的輸入、輸出狀態(tài)有關(guān)，它們具有“記憶”功能。觸發(fā)器等第十四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三存儲(chǔ)元件屬于時(shí)序邏輯電路，可用于實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器、寄存器、移位寄存器等存儲(chǔ)部件。組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路是計(jì)算機(jī)的基本組成器件。（2）按組成結(jié)構(gòu)分為分立元件電路和集成電路兩類。分立元件電路是將獨(dú)立的晶體管、電阻等元器件用導(dǎo)線連接起來的電路；第十五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三集成電路是將元器件及導(dǎo)線均采用半導(dǎo)體工藝集成制作在同一硅片上，并封裝于一個(gè)殼體內(nèi)的電路。一塊芯片上集成的元器件數(shù)量的多少，稱為集成電路的集成度。第十六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三集成電路按集成度劃分小規(guī)模集成電路(SSI，數(shù)十器件/片)中規(guī)模集成電路(MSI，數(shù)百器件/片)大規(guī)模集成電路(LSI，數(shù)千器件/片)超大規(guī)模集成電路(VSI，>1萬器件/片)第十七頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三第二節(jié)數(shù)字電路中的二極管與三極管一、二極管的開關(guān)特性1.二極管的開關(guān)特性如圖利用二極管的單向?qū)щ娦裕?dāng)輸入信號(hào)電壓為高電平ui＝UIH＝UCC時(shí)，二極管截止，第十八頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三輸出為高電平u0＝U0H＝UCC，當(dāng)輸入為低電平ui＝UIL＝0V時(shí)，二極管導(dǎo)通，輸出為低電平u0＝U0L＝0V。2.二極管開關(guān)等效電路通常二極管正向?qū)?，稱為二極管的“開”態(tài)；二極管截止，稱為二極管的“關(guān)”態(tài)。在脈沖信號(hào)的作用下，二極管可在“開”態(tài)和“關(guān)”態(tài)二種工作狀態(tài)間轉(zhuǎn)換。第十九頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三可見，二極管在電路中表現(xiàn)為一個(gè)受外加電壓控制的開關(guān)。當(dāng)外加電壓為一脈沖信號(hào)時(shí)，二極管將隨著脈沖電壓的變化在“開”態(tài)與“關(guān)”態(tài)之間轉(zhuǎn)換。這個(gè)轉(zhuǎn)換過程就是二極管開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性第二十頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三3.二極管開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性給二極管電路加入一個(gè)方波信號(hào)，電流的波形怎樣呢？第二十一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三第五節(jié)數(shù)制一、數(shù)制（計(jì)數(shù)體制）常用的數(shù)制有十進(jìn)制、六十進(jìn)制、十二進(jìn)制、二十四進(jìn)制、二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制等。1.十進(jìn)制（DecimalNumberSystem）數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。十個(gè)不同的數(shù)碼?；鶖?shù)：數(shù)碼的數(shù)目稱作數(shù)制的“基數(shù)”，十進(jìn)制的基數(shù)為10。計(jì)數(shù)規(guī)律：逢十進(jìn)一、借一當(dāng)十。第二十二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三一般表達(dá)式：式中Kｉ為基數(shù)10的ｉ次冪的系數(shù)，它可為0～9中的任一個(gè)數(shù)字。（n＝3，m＝2）在數(shù)字電路中一般不直接采用十進(jìn)制，因?yàn)橐?0個(gè)不同的電路狀態(tài)來表示十進(jìn)制的10個(gè)數(shù)碼，不容易，又不經(jīng)濟(jì)。第二十三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三

2.二進(jìn)制（BinaryNumberSystem）二進(jìn)制與十進(jìn)制的排列規(guī)律類同，僅區(qū)別于基數(shù)不同。數(shù)碼：0、1基數(shù)：2計(jì)數(shù)規(guī)律：逢二進(jìn)一、借一當(dāng)二一般表達(dá)式：第二十四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三二進(jìn)制的運(yùn)算法則：加法：0＋0＝00＋1＝1＋0＝11＋1＝10乘法：0×0＝00×1＝1×0＝01×1＝1

第二十五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三3.八進(jìn)制數(shù)數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7、八個(gè)數(shù)碼?；鶖?shù)：8計(jì)數(shù)規(guī)律：逢八進(jìn)一、借一當(dāng)八一般表達(dá)式：第二十六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三4.十六進(jìn)制數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A（10）、B（11）、C（12）、D（13）、E（14）、F（15）16個(gè)數(shù)碼。基數(shù)：16計(jì)數(shù)規(guī)律：逢十六進(jìn)一一般表達(dá)式：第二十七頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三二、常用數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換

1.二進(jìn)制十進(jìn)制方法一：將各位二進(jìn)制數(shù)權(quán)值乘上系數(shù)再相加。如：（11010.101）2

（）10第二十八頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三［解］方法二：按位、權(quán)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在十進(jìn)制數(shù)中，小數(shù)點(diǎn)左側(cè)第一位稱為個(gè)位，其權(quán)值為100，第二位稱為十位，其權(quán)值為101，依此類推。第二十九頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三例如：十進(jìn)制數(shù)3954代表：3954（3103）＋（9102）＋（5101）＋（4100）（31000）＋（9100）＋（510）＋（41）

3000＋900＋50＋4＝3954在二進(jìn)制數(shù)中，二進(jìn)制小數(shù)點(diǎn)左側(cè)第一位仍然稱為二進(jìn)制個(gè)位，其權(quán)值為20，第二位的權(quán)值為21依此類推22、23、24。例如二進(jìn)制數(shù)10110代表：第三十頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三10110（124）＋（023）＋（122）＋（121）＋（020）（116）＋（08）＋（14）＋（12）＋（01）

16＋0＋4＋2＋0＝22

（11010.101）2（）10解（1）寫出二進(jìn)制數(shù)位的權(quán)值：11010.10124232221202－12－22－3168421.0.50.250.125第三十一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三2.十進(jìn)制

二進(jìn)制（1）十進(jìn)制正整數(shù)方法一：采用除二取余法進(jìn)行轉(zhuǎn)換原理：若某個(gè)十進(jìn)制數(shù)（N）10可轉(zhuǎn)換為三位二進(jìn)制數(shù)。即（N）10＝（b2b1b0）2則（2）將整數(shù)和小數(shù)取值為1的權(quán)值分別相加：整數(shù)16＋8＋2＝26小數(shù)0.5＋0.125＝0.625所以有（11010.101）2＝（26.625）10第三十二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三（b2b1b0）2＝（b2×22＋b1×21＋b0×20）10此式說明（N）10÷2＝b2×21＋b1……余數(shù)b0用上面除得的商再除以2，則得（b2×21＋b1)÷2＝b2……余數(shù)b1不斷用前次的商再除以2，一直到最后商為零。即b2÷2＝0……余數(shù)為b2這種方法稱“除2取余法”第三十三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三【例題】（13）10

（）2因此（13）10＝（1101）2第三十四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三（2）十進(jìn)制數(shù)小數(shù)采用基數(shù)乘法（用于小數(shù)轉(zhuǎn)換）如（0.562）10（）2誤差＜2－6

0.562×2＝1.1241b10.124×2＝0.2480b20.248×2＝0.4960b30.496×2＝0.9920b40.992×2＝1.9841b50.984×2＝1.9681b6

整數(shù)讀數(shù)順序第三十五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三例如將（13.562）10（）2ε＜2－6解：∵（13）10＝（1101）2（0.562）10＝（0.100011）2∴（13.562）10＝（1101.100011）2ε＜2－6三、2m進(jìn)制數(shù)2n進(jìn)制數(shù)的快速轉(zhuǎn)換法2m進(jìn)制數(shù)（如2,4，8…進(jìn)制數(shù)）可以快速轉(zhuǎn)換成2n進(jìn)制數(shù)，m，n均為正整數(shù)，方法是：（1）先將2m進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制；第三十六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三（2）再將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成2n進(jìn)制數(shù)：以小數(shù)點(diǎn)為界分別向左、向右兩個(gè)方向每n位二進(jìn)制數(shù)為一組（兩端的組若位數(shù)不夠時(shí)在兩端補(bǔ)0），即可從左向右直接讀出其等值的2n進(jìn)制數(shù)?！纠}1】將十六進(jìn)制數(shù)（AF.3D）16轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)。解：（AF.3D）16＝（10101111.00111101）2AF3D＝（010101111.001111010）＝（257.172）8第三十七頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三【例題2】將二進(jìn)制數(shù)（1101.1011）2轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)。解：（1101.1011）2＝（001101.101100）15.54＝（15.54）8四、m進(jìn)制數(shù)n進(jìn)制數(shù)的通用方法m進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成n進(jìn)制數(shù)（m、n均為正整數(shù)），可按以下方法進(jìn)行：（1）先將m進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)；第三十八頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三（2）再將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成n進(jìn)制；整數(shù)部分除n求余，余數(shù)倒級(jí)聯(lián)；小數(shù)部分乘n取整，整數(shù)正級(jí)聯(lián)?！纠}1】將七進(jìn)制數(shù)（18.6）7轉(zhuǎn)換成等值的十一進(jìn)制數(shù)。解：（1）將七進(jìn)制數(shù)（18.6）7轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)：（18.6）7＝1×71＋8×70＋6×7－1＝7＋8＋0.857＝（15.857）10第三十九頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三（2）將十進(jìn)制數(shù)（15.857）10中的整數(shù)部分“15”轉(zhuǎn)換成十一進(jìn)制數(shù)；除11求余，至商為0，余數(shù)倒級(jí)聯(lián)。小數(shù)部分“0.857”轉(zhuǎn)換成十一進(jìn)制數(shù)乘11取整，整數(shù)正級(jí)聯(lián)。第四十頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三0.857×11＝9.428整數(shù)90.428×11＝4.713整數(shù)40.713×11＝7.848整數(shù)7其余類推所以（18.6）7＝（15.857）10＝（14.947）11

第四十一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三第六節(jié)碼制在數(shù)字系統(tǒng)中，常將有特定意義的信息（如數(shù)字、文字、符號(hào)）用一定碼制規(guī)定的二進(jìn)制代碼來表示。一、十進(jìn)制的代碼BCD碼（BinaryCodedDecimals）計(jì)算機(jī)中的十進(jìn)制數(shù)還可用二進(jìn)制數(shù)來表示，即二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)，簡稱為BCD碼。常用的BCD碼有：8421BCD碼、5421BCD碼、2421BCD碼、余3BCD碼等。第四十二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三（1）8421BCD碼8421BCD碼是用4位二進(jìn)制數(shù)表示1位十進(jìn)制數(shù)，每位二進(jìn)制數(shù)都有固定的位權(quán)，所以這種代碼也稱為有權(quán)碼。8421BCD碼中每位的位權(quán)從高到低分別為：與常規(guī)的二進(jìn)制數(shù)位的位權(quán)完全一致，所以這是一種最自然、最簡單的BCD碼。第四十三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三在8421BCD碼中不允許出現(xiàn)1010、1011、1100、1101、1110、1111這6個(gè)代碼，因?yàn)槭M(jìn)制數(shù)0－9中沒有與之對應(yīng)的數(shù)字符號(hào)，這6個(gè)代碼稱為“偽碼”。8421BCD碼是以4位二進(jìn)制為一組來表示的，所以8421BCD碼與十進(jìn)制數(shù)之間可以直接以組為單位來進(jìn)行。【例題1】將十進(jìn)制數(shù)（126）10轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的8421BCD碼。第四十四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三解：126

0001

0010

0110所以（126）10＝（000100100110）8421BCD【例題2】將（11011）2轉(zhuǎn)換成8421BCD碼。解：（11011）2＝1×24＋1×23＋0×22＋1×21＋1×20＝（27）10第四十五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三（27）10＝（00100111）8421BCD所以（11011）2＝（00100111）8421BCD（2）2421BCD碼2421BCD碼也是一種有權(quán)碼，其位權(quán)從高到低為21（2）、22（4）、21（2）、20（1）2421BCD碼可以有多種編碼方案，下表給出一種2421BCD碼的方案，這種2421BCD碼中的0和9、1和8、2和7、3和6、4和5，各對編碼值加起來的和第四十六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三都是1111。具有這種特性的編碼稱為“自補(bǔ)碼”，它有利于簡化運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)。（3）5421BCD碼5421BCD是另一種有權(quán)碼，由四位二進(jìn)制數(shù)的形式來表示一位十進(jìn)制數(shù)，這四位二進(jìn)制數(shù)表示形式的代碼各位的權(quán)值分別為5、4、2、1。設(shè)5421BCD碼中四位數(shù)字符號(hào)為a3a2a1a0,則它們代代表的數(shù)值為：5a3＋4a2＋2a1＋1a0如（1011）5421BCD表示的十進(jìn)制數(shù)為第四十七頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三同樣在5421BCD碼中有六個(gè)不允許出現(xiàn)的代碼：0101、0110、0111、1101、1110、1111六個(gè)“偽碼”。

【例題3】將（173）10（）5421BCD解：（173）

000101110011第四十八頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三故（173）10＝（000110100011）5421BCD【例題4】（100110101000）5421BCD（）10解：（100110101000）5421BCD（675）故（100110101000）5421BCD＝（675）10第四十九頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三（4）余3BCD碼余3BCD碼的每一位編碼，都比8421BCD碼相應(yīng)多0011（3），故此得名。從表中可以看出，余3BCD碼也是一種自補(bǔ)碼。但是，余3BCD碼的各位無固定的位權(quán)值，所以它是一種無權(quán)碼。同樣余3BCD碼只用了四位二進(jìn)制數(shù)編碼形式中的十個(gè)來表示0～9十個(gè)數(shù)字，還有六個(gè)編碼形式是“偽碼”：

0000、0001、0010、1101、1110、1111。第五十頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三【例題5】將173轉(zhuǎn)換成三位余3BCD碼解：（173）各位加3（4106

）（010010100110）故（173）10＝（010010100110）余3BCD第五十一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三三種常用的BCD碼第五十二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三六、BCD碼的轉(zhuǎn)換各種BCD碼之間可以互相轉(zhuǎn)換，任意進(jìn)制數(shù)與BCD碼之間也可以互相轉(zhuǎn)換。在這類轉(zhuǎn)換過程中，一般須以十進(jìn)制數(shù)作為過渡狀態(tài)?！纠}6】（100100110101）8421BCD（）5421BCD解：（100100110101）8421BCD＝（935）10（935）10＝（110000110101）5421BCD＝（110001101000）余3BCD第五十三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三【例題7】將（100000110101）8421BCD轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的2421BCD碼。解：（100000110101）8421BCD（835）10（111000111011）2421BCD所以（100000110101）8421BCD

＝（111000111011）2421BCD第五十四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期三【例題8】將（896）10轉(zhuǎn)換為余3BCD碼。解：（896）10＝（100010010110）8421BCD＝(101111001001）余3BCD【例題9】將（010110100111）余3BCD轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。