電工電子技術與技能（非電類少學時）（第3版） 教案4

電工電子技術與技能

(非電類少學時)（第3版）

電子教案(4)

第4篇數字電子技術教學綱要[知識目標]掌握數字信號的特點，數字電路中的數制與碼制，基本邏輯門和復合邏輯門，集成門電路的型號以及使用常識等組合邏輯電路的特點及其邏輯功能分析方法，編碼器和譯碼器的工作原理及使用方法，掌握時序邏輯電路的特點，觸發(fā)器、寄存器和計數器的工作過程及其應用，555集成定時器的工作原理和應用。

[技能目標]學會正確使用編碼器74LS148、譯碼器CD4511。掌握用555集成定時器構成施密特觸發(fā)器。掌握用555集成定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。

第12章數字電子技術基礎12.1數字電路基礎知識

12.1.1數字信號的特點

12.1.2數制與碼制12.2邏輯代數與邏輯門

12.2.1邏輯代數與基本邏輯門

12.2.2集成門電路使用常識12.1數字電路基礎知識12.1.1數字信號的特點電子技術中的工作信號可以分為模擬信號和數字信號兩大類。模擬信號：時間上和幅度上都連續(xù)變化的信號。

數字信號：時間上和幅度上都斷續(xù)的信號。

12.1數字電路基礎知識12.1.2數制與碼制1．數制用數字量表示物理量的大小時，只用一位數碼往往不夠，經常需要用進位計數的方法組成多位數碼使用。多位數碼中每一位的構成方法及從低位到高位的進位規(guī)則稱為計數制。常用的計數進制有十進制、二進制、八進制、十六進制等。無論哪種進制，數值的表示都包含兩個基本要素：基數和位權。

12.1.2數制與碼制（1）十進制十進制是日常生活和工作中最常使用的進位計數制，通常表示為(xxx)10或(xxx)D，在不引起誤會的情況下，角標10或D可省去不寫。在十進制中，每一位有0～9十個數碼，所以計數的基數是10。超過9的數必須用多位數表示，其中相鄰位間的關系是“逢十進一”，“借一當十”，故稱為十進制。任意一個十進制數D均可展開為：12.1.2數制與碼制

（2）二進制二進制是數字電路中應用最多的進位計數制，通常表示為(xxx)2

或(xxx)B。在二進制中，每一位有0和1兩個數碼，所以計數基數為2。超過1的數必須用多位數表示，如2表示成10（讀作壹零），相鄰位間的關系是“逢二進一”，“借一當二”，故稱為二進制。二進制的運算規(guī)則簡單，利于簡化數字電路的結構，提高運算速度，具體規(guī)則如下：加法規(guī)則：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=10。乘法規(guī)則：0×0=0，0×1=0，1×0=0，1×1=1。

二進制數的展開式的通式為：12.1.2數制與碼制2．碼制碼制即編碼的方式。將若干個二進制數碼0和1按一定規(guī)則排列起來表示某種特定含義的代碼稱為二進制代碼，簡稱二進制碼。編碼，就是用一定規(guī)則組合而成的二進制碼來表示數或字符等。最常用的碼制有二—十進制編碼（BCD碼）、奇偶校驗碼、ASCII碼等。

BCD碼是用四位二進制數表示一位十進制數，BCD碼又有8421BCD碼、余3碼等

12.2邏輯代數與邏輯門12.2.1邏輯代數與基本邏輯門1．邏輯代數邏輯代數又叫開關代數或布爾代數。邏輯代數中也用字母表示變量，這種變量稱為邏輯變量。邏輯變量的取值只有兩個：0或1。這里的0，1不再表示數量的大小，而是表示兩種相互對立的邏輯狀態(tài)（如用1和0分別表示開和關、高和低、真和假等）。

12.2邏輯代數與邏輯門2．基本邏輯門邏輯代數的基本運算有與、或、非三種。相應基本邏輯門有與門、或門和非門三種。邏輯與：決定事物結果的全部條件同時具備時，結果才發(fā)生。這種因果關系叫做“與”邏輯，可以用邏輯函數式表達為：Y＝A·B＝AB

與運算的規(guī)律是：能夠實現(xiàn)“與”邏輯的電路叫做與門

12.2邏輯代數與邏輯門邏輯或：決定事物結果的諸多條件中只要有任何一個滿足時，結果就會發(fā)生，這種因果關系叫邏輯或，也叫邏輯加法運算，可以用邏輯函數式表達為Y＝A＋B或運算的規(guī)律是：能夠實現(xiàn)“或”邏輯的電路叫做或門邏輯非條件具備了，結果便不發(fā)生，而條件不具備時，結果一定發(fā)生。這種因果關系叫邏輯非?？梢杂眠壿嫼瘮凳奖磉_為：

Y=能夠實現(xiàn)“非”邏輯的電路叫做非門

12.2邏輯代數與邏輯門3．復合邏輯門除了與、或、非三種最基本的邏輯運算之外，還有與非、或非、與或非、異或、同或等復合邏輯運算，實現(xiàn)它們的門電路分別是與非門、或非門、與或非門、異或門和同或門，為方便讀者理解，將它們的邏輯符號、邏輯函數式、真值表和邏輯功能列于后表。

12.2邏輯代數與邏輯門

12.2邏輯代數與邏輯門12.2.2集成門電路使用常識以半導體器件為基本單元，集成在一塊硅片上，并具有一定的邏輯功能的電路稱為集成門電路。根據制造工藝和工作機制的不同，集成電路分為雙極型電路（兩種載流子導電）和單極型電路（一種載流子導電）兩大類。TTL門電路和CMOS門電路分別是雙極型和單極型集成門電路中用得最多。

12.2邏輯代數與邏輯門

1．TTL門電路TTL全稱晶體管-晶體管邏輯電路（Transistor-TransistorLogic），主要由半導體三極管和電阻構成。其優(yōu)點是開關速度較高，抗干擾能力較強，帶負載的能力比較強，缺點是功耗較大。（1）TTL門電路的型號TTL集成電路產品主要有54/74通用系列，54H/74H高速系列，54S/74S肖特基系列和54LS/74LS低功耗肖特基系列，54AS/74AS低延遲肖特基系列以及54ALS/74ALS低延遲-功耗積肖特基系列。上述系列的主要差別反映在典型門的平均傳輸延遲時間和低功耗兩個參數上，其他參數和外引線基本上彼此兼容

12.2邏輯代數與邏輯門

不同系列TTL門電路的延遲時間和功耗54系列的TTL電路和74系列電路具有完全相同的電路結構和電氣性能參數，只是54系列比74系列的工作溫度范圍更寬，允許的電源工作范圍也更大。

12.2邏輯代數與邏輯門

（3）TTL門的選用要點①實際使用中的最高工作頻率fm應不大于邏輯門最高工作頻率fmax的一半。②不同系列TTL中，器件型號后面幾位數字相同時，通常邏輯功能、外型尺寸、外引線排列都相同。但工作速度(平均傳輸延遲時間tpd)和平均功耗不同。實際使用時，高速門電路可以替換低速的；反之則不行。（4）TTL門的使用常識①消除電源的干擾②閑置輸入端的處理③輸出端輸出端不許接地。

12.2邏輯代數與邏輯門

2．CMOS門電路

CMOS集成邏輯門電路是互補金屬—氧化物—半導體場效應管門電路的簡稱。它是由增強型PMOS管和增強型NMOS管組成的互補對稱MOS門電路。國產CMOS數字集成電路主要有4000系列和高速系列。高速CMOS電路主要有CC54HC/C04HC和CC54HCT/CC74HC等兩個子系列。CMOS集成門電路的邏輯功能與TTL門電路相同，和TTL數字集成電路相比，CMOS電路的突出優(yōu)點是微功耗、高抗干擾能力。因此，它在中、大規(guī)模數字集成電路中有著廣泛的應用。12.2邏輯代數與邏輯門

實際使用CMOS門電路時需要注意如下事項：（1）防靜電存儲、運輸采用金屬屏蔽層作包裝；不用的輸入端不許懸空；組裝、調試時應將所用工具良好接地，人員穿著無靜電服裝。（2）輸入電路的過流保護在輸入與外接設備連線間及輸入與大電容間串接保護電阻。（3）閑置輸入端的處理多余的輸入端，不允許懸空，應按邏輯要求接地（公共地端）或通過50kΩ～100kΩ的電阻接電源，以免靜電感應造成邏輯混亂甚至導致“柵穿”。13.1組合邏輯電路

13.1.1組合邏輯電路的特點及其邏輯功能

13.1.2編碼器的功能及選用

13.1.3譯碼器的功能及選用13.2技能訓練10測試編碼器與譯碼器的功能13.3時序邏輯電路

13.3.1RS觸發(fā)器

13.3.2寄存器與移位寄存器

13.3.3計數器*13.4555定時器

13.4.1電路結構

13.4.2工作原理

13.4.3實際應用*13.5技能訓練11555時基電路組成應用電路第13章組合邏輯電路和時序邏輯電路13.1組合邏輯電路

13.1.1組合邏輯電路的特點及其邏輯功能在數字電路中，任何時刻輸出信號的穩(wěn)態(tài)值，僅取決于該時刻電路各個輸入信號取值的組合，而與電路原來的狀態(tài)無關，這種電路叫組合邏輯電路。各種邏輯門、編碼器、譯碼器、數據選擇器、數字加法器、數字比較器等都是常見的組合邏輯電路。1．組合邏輯電路的特點（1）組合邏輯電路的邏輯功能特點：沒有存儲和記憶作用。（2）組合邏輯電路的組成特點：由門電路構成，不含記憶單元，只存在從輸入到輸出的通路，沒有反饋回路。

2．組合邏輯電路的邏輯功能常用真值表、邏輯表達式、邏輯圖等表示。(1)真值表將輸入變量所有取值所對應的輸出值找出來，列成表格，即可得到真值表。(2)邏輯表達式用與、或、非等邏輯運算表示輸出變量與各輸入變量之間的關系式，叫邏輯表達式。如：(3)邏輯圖將邏輯表達式（函數式）中各變量之間的關系用邏輯符號的連接圖表示出來，就得到了邏輯圖。13.1組合邏輯電路13.1組合邏輯電路

3．組合邏輯電路的邏輯功能分析分析組合邏輯電路的邏輯功能，就是根據給定的組合邏輯電路，找出輸出與輸入之間的邏輯關系。一般按以下步驟進行：（1）根據給定的邏輯電路圖，寫出輸出端的邏輯表達式。（2）根據邏輯表達式列出真值表。（3）根據真值表分析電路的邏輯功能。邏輯圖邏輯表達式說明電路功能真值表列表分析推導上述分析步驟，可用圖來描述。13.1組合邏輯電路

13.1.2編碼器的功能及選用編碼：用文字、符號或數碼表示特定對象的過程叫編碼。實現(xiàn)編碼操作的電路叫編碼器。編碼器的邏輯功能就是把輸入的每一個高、低電平信號編成一個對應的二進制代碼。用二進制代碼表示有關對象的過程叫二進制編碼。一位二進制代碼有兩種狀態(tài)，可以表示兩個信號；兩位二進制代碼有四種狀態(tài)，可以表示四個信號，n位二進制代碼則有2n種狀態(tài)，可以表示N＝2n個信號。因此在設計編碼器時，應根據信號的個數N，來選擇二進制的位數n。公式為：13.1組合邏輯電路

編碼器可分為普通編碼器和優(yōu)先編碼器兩類，而每類又分為二進制編碼器和二—十進制編碼器兩種。二進制普通編碼器圖13-4是用3個與非門組成的三位二進制編碼電路。它的輸入是I0～I7共8個信號（高電平有效），（注：I0的編碼是隱含的），輸出是三位二進制代碼Y2，Y1，Y0（也是高電平有效），所以它又叫8線—3線編碼器。其功能表如表13-4所示。在普通編碼器中，任何時刻只允許輸入一個編碼信號，否則輸出將發(fā)生混亂。13.1組合邏輯電路

13.1組合邏輯電路

13.1組合邏輯電路

2.二進制優(yōu)先編碼器在普通編碼器中，每個時刻只允許輸入一個編碼信號，即要求輸入信號都是相互排斥的。優(yōu)先編碼器則不同，允許幾個信號同時輸入，但是電路只對其中優(yōu)先級別最高的信號進行編碼，（信號的優(yōu)先級別是在設計優(yōu)先編碼器時就事先定好了的）。這樣的編碼器電路叫做優(yōu)先編碼器。74LS148是目前最常用的二進制（8線—3線）優(yōu)先編碼器，后圖中分別是其邏輯符號和外引腳排列圖，表13-5給出了74LS148的功能表。13.1組合邏輯電路

8—3線優(yōu)先編碼器74LS148

13.1組合邏輯電路

13.1組合邏輯電路1．二進制譯碼器的基本功能及功能表把二進制代碼的各種狀態(tài)，按其原意譯成對應輸出高低電平的電路，叫做二進制譯碼器。13.1.3譯碼器的功能及選用實現(xiàn)譯碼操作的電路稱為譯碼器。譯碼器的邏輯功能是把代碼的特定含義譯成對應的輸出高、低電平信號，譯碼是編碼的逆過程。常用的譯碼器有二進制譯碼器、二—十進制譯碼器和顯示譯碼器3類。13.1組合邏輯電路

3—8線譯碼器74LS138三位二進制譯碼器的框圖13.1組合邏輯電路

13.1組合邏輯電路

2．數碼管的結構及等效電路要進行數字顯示，最常用的器件就是七段數碼管，它是由a、b、c、d、e、f、g七個LED（發(fā)光二極管）組成。通過使不同的LED組合發(fā)光，達到數字和字母的顯示效果，如圖所示。數碼管的優(yōu)點是工作電壓低（1.5V～3V）、顏色豐富、響應速度快(一般不超過0.1μs)、體積小、壽命長（>1000h）。缺點是工作電流比較大，每一段的工作電流在10mA左右。一般的LED額定電壓為直流2.7V左右，因此我們在使用+5V電源供電時要串聯(lián)一個分壓電阻，同時也起到限流作用。阻值一般選400Ω左右，如果需要高亮顯示或者掃描顯示，可以適當減小。13.1組合邏輯電路

七段數碼管顯示七段數碼管實物圖13.1組合邏輯電路

3．顯示譯碼器功能及選用在數字系統(tǒng)中，經常需要將得到的結果直接顯示出來，以便查看。因此希望譯碼器能同顯示器配合使用或能直接驅動顯示器，這種類型的譯碼器稱為顯示譯碼器。

CD4511是常用的顯示譯碼器之一，具有BCD轉換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流，可直接驅動LED顯示器。與數碼管相連接時，需要在每段輸出接上限流電阻，引腳排列見后圖。

13.2技能訓練10編碼器與譯碼器電路使用訓練

1．驗證74LS148的邏輯功能74LS148的引腳圖如圖所示。將其電源（VCC）及地（GND）分別接至穩(wěn)壓源的+5V和GND端，輸出端接3個LED燈，搭建的實物圖如圖所示。74LS148的引腳圖驗證74LS148的邏輯功能接線圖13.2技能訓練10編碼器與譯碼器電路使用訓練

13.2技能訓練10編碼器與譯碼器電路使用訓練

2.CD4511譯碼器的功能測試

譯碼顯示原理圖譯碼顯示實物圖

13.2技能訓練10編碼器與譯碼器電路使用訓練

13.3時序邏輯電路

13.3.1RS觸發(fā)器觸發(fā)器和門電路是構成數字電路的基本單元。門電路無記憶功能，由它構成的電路在某時刻的輸出完全取決于該時刻的輸入，與電路原來狀態(tài)無關。觸發(fā)器有記憶功能，由它構成的電路在某時刻的輸出不僅取決于該時刻的輸入，還與電路原來狀態(tài)有關，這種電路稱為時序邏輯電路。觸發(fā)器的基本功能：(1)有兩個穩(wěn)定狀態(tài)（雙穩(wěn)態(tài)）—0狀態(tài)和1狀態(tài)。(2)能接收、保持和輸出送來的信號。按邏輯功能觸發(fā)器分為RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器、T觸發(fā)器、T′觸發(fā)器等。。13.3時序邏輯電路

。13.3時序邏輯電路

常用術語：1狀態(tài)——即Q

=

1，=

0；0狀態(tài)——即Q

=

0，=1?？梢娪|發(fā)器的狀態(tài)是指Q的狀態(tài)，而是互補輸出。次態(tài)——用Qn+1表示，代表觸發(fā)器經外界信號作用后的新狀態(tài)；現(xiàn)態(tài)——用Qn表示，代表觸發(fā)器原來的狀態(tài)（信號作用前的狀態(tài)）。13.3時序邏輯電路

（2）邏輯功能:①若==1，則觸發(fā)器保持原來的狀態(tài)（1狀態(tài)或0狀態(tài)），即Qn+1=Qn。②若=0，=1，則Qn+1=1，=0，觸發(fā)器置1。③若=1，R

=

0，則Qn+1=0，=1，觸發(fā)器置0。④=

0，=

0（兩個均為有效電平），觸發(fā)器為不定態(tài)。

13.3時序邏輯電路

RS觸發(fā)器的邏輯功能特性表和時序圖

RS觸發(fā)器的時序圖

13.3時序邏輯電路

（3）或非門構成的基本RS觸發(fā)器圖13-15是由或非門構成的基本RS觸發(fā)器。分析方法同與非門構成的基本RS觸發(fā)器類似。只是輸入端S和R上面無非符號，表示高電平有效。即S=1，R=0時，觸發(fā)器置1；S=0，R=1時，觸發(fā)器置0。13.3時序邏輯電路

2．RS觸發(fā)器電子控制電路13.3時序邏輯電路

3．同步RS觸發(fā)器由于基本RS觸發(fā)器輸入直接控制輸出狀態(tài)，所以抗干擾能力差，且不易與其他觸發(fā)器協(xié)調工作，為此引入同步時鐘CP，只有時鐘到達時才按輸入信號改變。(1)電路構成及邏輯符號同步RS觸發(fā)器電路構成及邏輯符號如圖所示。13.3時序邏輯電路

(2)工作原理

CP=0時，G3，G4被封鎖，RS不影響輸出，所以觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變；CP=1時，G3，G4對S，R來說相當于非門，工作過程同基本RS觸發(fā)器。(3)邏輯功能及其描述①邏輯功能：仍是置0，置1，保持，不過這些功能必須在CP=1期間才能實現(xiàn)。②特性表：同步RS觸發(fā)器的特性表如表13-11所示。③時序圖：13.3時序邏輯電路

13.3時序邏輯電路

4．JK觸發(fā)器（1）邏輯符號：如圖。這是帶直接置位、復位端，的JK邊沿觸發(fā)器，所謂邊沿觸發(fā)器，即觸發(fā)器的次態(tài)僅僅取決于CP信號上升沿或下降沿到達時輸入信號的狀態(tài)，而在此前后輸入狀態(tài)的變化時觸發(fā)器的次態(tài)沒有影響。CP輸入端有小圈，且具有“∧”表示下降沿有效（若CP輸入端無小圈，且具有“∧”表示上升沿有效）。JK觸發(fā)器邏輯符號13.3時序邏輯電路

2）邏輯功能及其描述：JK觸發(fā)器具有置0，置1，保持、翻轉的邏輯功能，是觸發(fā)器中功能最全的。所謂翻轉功能，即每次CP信號作用后觸發(fā)器必翻轉成與現(xiàn)態(tài)相反的狀態(tài)，即。①特性表：②時序圖：

13.3時序邏輯電路13.3.2寄存器與移位寄存器1．寄存器的基本功能及構成寄存器用于寄存一組二進制代碼（數據、指令），具有接收、存儲和清除數碼的功能。因為一個觸發(fā)器能存儲一位二值代碼，所以用n個觸發(fā)器組成的寄存器能儲存一組n位二值代碼。如圖所示電路是一個由4個D觸發(fā)器構成的基本寄存器，可存放四位二進制數。13.3時序邏輯電路

2．移位寄存器的工作過程及應用移位寄存器除了具有寄存數碼的功能以外，還有移位的功能。即寄存器中所存數據可以在移位脈沖的作用下，逐次左移或右移。移位寄存器分為單向移位寄存器和雙向移位寄存器，其中單向移位寄存器又分為左移移位寄存器和右移移位寄存器。所謂左移，即把數據從觸發(fā)器的高位移向低位；而右移則是把數據從觸發(fā)器的低位移向觸發(fā)器的高位。而雙向移位寄存器則再另加一控制信號，以決定移位寄存器實現(xiàn)左移移位或右移移位。13.3時序邏輯電路

引腳圖說明如下：

——異步清零端，低電平有效。所謂異步清零，是指只要為低電平，則立刻使四個輸出端為零，而與CP脈沖無關；MAMB——工作狀態(tài)控制端（共有4種工作狀態(tài)）；00→保持；01→左移；10→右移；11→并行置數；DSL——左移串行輸入端；DSR——右移串行輸入端；D3～D0——并行數據輸入端CP——移位脈沖輸入端。13.3時序邏輯電路

74LS194的功能表

74LS194共有5種邏輯功能：異步清零、保持、右移移位、左移移位和并行置數。除異步清零是靠控制外，其余4種則由MAMB的不同組合決定。13.3時序邏輯電路

13.3.3計數器1．計數器的功能及類型計數器是數字電路中使用最多的一種時序邏輯電路。計數器不僅能用于對時鐘脈沖計數，還可以用于分頻、定時，產生節(jié)拍脈沖和脈沖序列以及進行數字運算等。計數器從不同的角度出發(fā)，有不同的分類方法：按照計數進位制的不同，可分為二進制計數器、十進制計數器和稱N進制器；按照觸發(fā)器是否同時動作分類，可把計數器分為同步計數器和異步計數器；按照計數器中所表示的數字的變化規(guī)律來分，有加法計數器、減法計數器和可逆計數器。2．典型計數器的應用

（1）74LS160簡介

(a)實物圖(b)邏輯符號(c)引腳圖十進制同步加法計數器74LS16013.3時序邏輯電路（2）利用74LS160構成任意進制計數器

利用集成計數器可方便構成任意進制計數器，構成方法有置數法和置零法。置零法是當輸入第N個計數脈沖時，利用置零功能對計數器進行置零操作，