数字电路数字电路概述精品文稿.ppt

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1、数字电路数字电路概述JHR第1页，本讲稿共61页JHR第一章第一章 数字电子技术概述数字电子技术概述第二章第二章 逻辑代数基础及基本逻辑门电路逻辑代数基础及基本逻辑门电路第三章第三章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路第四章第四章 逻辑函数及其化简逻辑函数及其化简第五章第五章 组合逻辑电路组合逻辑电路第六章第六章 触发器触发器第七章第七章 时序逻辑电路时序逻辑电路第八章第八章 存储器存储器第九章第九章 脉冲的产生与变换脉冲的产生与变换目目 录录第十章数模和模数转换器第十章数模和模数转换器第2页，本讲稿共61页第第1章章 数字电子技术概述数字电子技术概述一、本章主要介绍内容一、本章主要介绍内容1.1.

2、数字电子技术与模拟电子技术的区别，数字信号和数数字电子技术与模拟电子技术的区别，数字信号和数字电路的基本概念。字电路的基本概念。2.2.半导体器件（二极管、三极管、半导体器件（二极管、三极管、MOSMOS管）在数字电管）在数字电路中主要工作于开关状态，重点介绍它们的开关运用特性。路中主要工作于开关状态，重点介绍它们的开关运用特性。3.3.数字系统中信息可分为数值和文字符号两大类。数值数字系统中信息可分为数值和文字符号两大类。数值的计数体制常用的有二进制、十进制、十六进制，重点介绍的计数体制常用的有二进制、十进制、十六进制，重点介绍它们的它们的第3页，本讲稿共61页表示方法及相互转换；文字符号常

3、采用特定的二进制代表示方法及相互转换；文字符号常采用特定的二进制代码来表示，重点介绍常用的码来表示，重点介绍常用的BCDBCD码、格雷码和奇偶校验码。码、格雷码和奇偶校验码。二、本章教学大纲基本要求二、本章教学大纲基本要求1.1.熟练掌握：熟练掌握：二进制、十进制、十六进制数及其相二进制、十进制、十六进制数及其相互转换；互转换；8421BCD8421BCD码。码。2.2.理解二极管、三极管、理解二极管、三极管、MOSMOS管的开关运用特性。管的开关运用特性。3.3.一般了解：其它常用一般了解：其它常用BCDBCD码。码。三、重点与难点三、重点与难点第4页，本讲稿共61页重点：各种常用数制之间的

4、相互转换。难点：二极管、三极管、MOS管的开关特性。第一节数字电路概述第一节数字电路概述第一节数字电路概述第一节数字电路概述一、数字信号和数字电路一、数字信号和数字电路一、数字信号和数字电路一、数字信号和数字电路工程上把电信号分为两大类：模拟信号、数字信号。模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号：指在时间上和数值上都是连续变化的信号。如电视图象和伴音信号；生产过程中由传感器检测的某种物理量转化成的电信号等。模拟电路模拟电路模拟电路模拟电路：传输、处理模拟信号的电路称为模拟电路。第5页，本讲稿共61页数字信号数字信号数字信号数字信号：指在时间上和数值上都是断续变化的离散信号。如电子表的秒信号等。数字电

5、路：传输、处理数字信号的电路称为数字电数字电路：传输、处理数字信号的电路称为数字电数字电路：传输、处理数字信号的电路称为数字电数字电路：传输、处理数字信号的电路称为数字电路。路。路。路。二、数字电路的特点二、数字电路的特点二、数字电路的特点二、数字电路的特点1.数字信号是非连续变化的电信号，通常只有两种状态。如电位高与低，电流的有与无等。我们用“1”和“0”来表示这两种状态。第6页，本讲稿共61页在数字电路中电子器件（如二极管、三极管）处于开关状态，也是工作在饱和区和截止区。第7页，本讲稿共61页2.数字电路的特点（1）数字信号是非连续变化的，只有两种状态，用“1”和“0”表示。（2）数字电路

6、研究对象是电路的输入和输出之间的逻辑关系，所以数字电路也称逻辑电路。分析方法采用逻辑代数、真值表、卡诺图、特性方程、状态转换图、时序波形图。（3）数字电路不仅可以对信号进行算术运算，而且还能够进行逻辑推演和逻辑判断。即具有一定的逻辑思维能力。在电子计算机、数字控制、数字通信等领域得到广泛应用。第8页，本讲稿共61页三、正逻辑与负逻辑三、正逻辑与负逻辑三、正逻辑与负逻辑三、正逻辑与负逻辑数字信号是一种二值信号，用两个电平（高电平和低电平）分别来表示两个逻辑值（逻辑1和逻辑0）。有两种逻辑体制：有两种逻辑体制：有两种逻辑体制：有两种逻辑体制：正逻辑体制规定：高电平为逻辑1，低电平为逻辑0。负逻辑体

7、制规定：低电平为逻辑1，高电平为逻辑0。第9页，本讲稿共61页如果采用正逻辑，图（1）所示的数字电压信号就成为下图所示的逻辑信号。四、数字信号的主要参数第10页，本讲稿共61页一个理想的周期性数字信号，可用以下几个参数来描绘：Um信号幅度；T信号重复周期；第11页，本讲稿共61页tW脉冲宽度。q占空比。其定义为：下图所示为三个周期相同（T20ms），但幅度、脉冲宽度及占空比各不相同的数字信号。第12页，本讲稿共61页第13页，本讲稿共61页3.数字逻辑电路的分类（1）按功能分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。组合逻辑电路任何时刻的输出状态，仅取决于该电路当时所有输入状态的组合，与电路过去的输

8、入、输出状态无关，它们不具有“记忆”功能。可用于实现加法器、译码器、数据选择器等逻辑功能。时序逻辑电路任何时刻的输出状态，不仅取决于该电路当时的输入状态，还与电路过去的输入、输出状态有关，它们具有“记忆”功能。触发器等第14页，本讲稿共61页存储元件属于时序逻辑电路，可用于实现计数器、寄存器、移位寄存器等存储部件。组合逻辑电路和时序逻辑电路是计算机的基本组成器件。（2）按组成结构分为分立元件电路和集成电路两类。分立元件电路是将独立的晶体管、电阻等元器件用导线连接起来的电路；第15页，本讲稿共61页集成电路是将元器件及导线均采用半导体工艺集成制作在同一硅片上，并封装于一个壳体内的电路。一块芯片上

9、集成的元器件数量的多少，称为集成电路的集成度。第16页，本讲稿共61页集成电路按集成度划分集成电路按集成度划分小规模集成电路小规模集成电路(SSI，数十器件，数十器件/片片)中规模集成电路中规模集成电路(MSI，数百器件，数百器件/片片)大规模集成电路大规模集成电路(LSI，数千器件，数千器件/片片)超大规模集成电路超大规模集成电路(VSI，1万器件万器件/片片)第17页，本讲稿共61页第二节数字电路中的二极管与三极管第二节数字电路中的二极管与三极管第二节数字电路中的二极管与三极管第二节数字电路中的二极管与三极管一、二极管的开关特性1.二极管的开关特性如图利用二极管的单向导电性，当输入信号电压

10、为高电平uiUIHUCC时，二极管截止，第18页，本讲稿共61页输出为高电平u0U0HUCC，当输入为低电平uiUIL0V时，二极管导通，输出为低电平u0U0L0V。2.二极管开关等效电路通常二极管正向导通，称为二极管的“开”态；二极管截止，称为二极管的“关”态。在脉冲信号的作用下，二极管可在“开”态和“关”态二种工作状态间转换。第19页，本讲稿共61页可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压控制的开关。当外加电压为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电压的变化在“开”态与“关”态之间转换。这个转换过程就是二极管开关的动态特性第20页，本讲稿共61页3.二极管开关的动态特性给二极管电路加入一个方波信

11、号，电流的波形怎样呢？第21页，本讲稿共61页第五节数制第五节数制一、数制（计数体制）一、数制（计数体制）常用的数制有十进制、六十进制、十二进制、二十四进制、二进制、八进制、十六进制等。1.十进制（Decimal Number System）数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。十个不同的数码。基数：数码的数目称作数制的“基数”，十进制的基数为10。计数规律：逢十进一、借一当十。第22页，本讲稿共61页一般表达式：式中K为基数10的次幂的系数，它可为09中的任一个数字。（n3，m2）在数字电路中一般不直接采用十进制，因为要用10个不同的电路状态来表示十进制的10个数码，不容易，又不经济

12、。第23页，本讲稿共61页2.二进制（二进制（Binary Number System）二进制与十进制的排列规律类同，仅区别于基数不同。数码：0、1基数：2计数规律：逢二进一、借一当二一般表达式：第24页，本讲稿共61页二进制的运算法则：加法：000011011110乘法：00001100111第25页，本讲稿共61页3.八进制数八进制数数码：0、1、2、3、4、5、6、7、八个数码。基数：8计数规律：逢八进一、借一当八一般表达式：第26页，本讲稿共61页4.十六进制十六进制数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A（10）、B（11）、C（12）、D（13）、E（14）、F（15）16

13、个数码。基数：16计数规律：逢十六进一一般表达式：第27页，本讲稿共61页二、常用数制之间的相互转换二、常用数制之间的相互转换1.二进制二进制十进制十进制方法一：将各位二进制数权值乘上系数再相加。如：（11010.101）2（）10第28页，本讲稿共61页解方法二：按位、权值进行转换。在十进制数中，小数点左侧第一位称为个位，其权值为100，第二位称为十位，其权值为101，依此类推。第29页，本讲稿共61页例如：十进制数3954代表：3954（3103）（）（9102）（）（5101）（）（4100）（31000）（）（9100）（）（510）（）（41）30009005043954在二进制数中

14、，二进制小数点左侧第一位仍然称为二进制个位，其权值为20，第二位的权值为21依此类推22、23、24。例如二进制数10110代表：第30页，本讲稿共61页10110（124）（）（023）（）（122）（）（121）（）（020）（116）（）（08）（）（14）（）（12）（）（01）16042022（11010.101）2（）10解（1）写出二进制数位的权值：11010.1012423222120212223168421.0.50.250.125第31页，本讲稿共61页2.十进制十进制二进制二进制（1）十进制正整数方法一：采用除二取余法进行转换原理：若某个十进制数（N）10可转换为三位二进

15、制数。即（N）10（b2b1b0）2则（2）将整数和小数取值为1的权值分别相加：整数168226小数0.50.1250.625所以有（11010.101）2（26.625）10第32页，本讲稿共61页（b2b1b0）2（b222b121b020）10此式说明（N）102b221b1余数b0 用上面除得的商再除以2，则得（b221b1)2b2余数b1不断用前次的商再除以2，一直到最后商为零。即b220 余数为b2 这种方法称“除2取余法”第33页，本讲稿共61页【例题】（13）10（）2因此（13）10（1101）2第34页，本讲稿共61页（2）十进制数小数采用基数乘法（用于小数转换）如（0.5

16、62）10（）2误差260.56221.1241b1 0.12420.248 0 b20.24820.4960b30.49620.9920b40.99221.9841b50.98421.9681b6整数整数整数整数读数顺序读数顺序第35页，本讲稿共61页例如将（13.562）10（）226解：（13）10（1101）2（0.562）10（0.100011）2（13.562）10（1101.100011）226三、2m进制数2n进制数的快速转换法2m进制数（如2,4，8进制数）可以快速转换成2n进制数，m，n均为正整数，方法是：（1）先将2m进制数转换成二进制；第36页，本讲稿共61页（2）再将

17、二进制数转换成2n进制数：以小数点为界分别向左、向右两个方向每n位二进制数为一组（两端的组若位数不够时在两端补0），即可从左向右直接读出其等值的2n进制数。【例题1】将十六进制数（AF.3D）16转换成八进制数。解：（AF.3D）16（1010 1111 .0011 1101）2A F 3D （010 101 111.001 111 010）（2 5 7 .1 7 2 ）8第37页，本讲稿共61页【例题2】将二进制数（1101.1011）2转换为八进制数。解：（1101.1011）2（001 101.101 100）15.54（15.54）8四、m进制数n进制数的通用方法m进制数转换成n进制数

18、（m、n均为正整数），可按以下方法进行：（1）先将m进制数转换成十进制数；第38页，本讲稿共61页（2）再将十进制数转换成n进制；整数部分除整数部分除n求求余，余数倒级联；余，余数倒级联；小数部分乘小数部分乘n取整，整数正级联取整，整数正级联。【例题1】将七进制数（18.6）7转换成等值的十一进制数。解：（1）将七进制数（18.6）7转换成十进制数：（18.6）7171870671 780.857（15.857）10第39页，本讲稿共61页（2）将十进制数（15.857）10中的整数部分“15”转换成十一进制数；除11求余，至商为0，余数倒级联。小数部分“0.857”转换成十一进制数乘11取整

19、，整数正级联。第40页，本讲稿共61页0.857119.428整数90.428114.713整数40.713117.848整数7其余类推所以（18.6）7（15.857）10（14.947）11第41页，本讲稿共61页第六节码制第六节码制在数字系统中，常将有特定意义的信息（如数字、文字、符号）用一定码制规定的二进制代码来表示。一、十进制的代码一、十进制的代码BCD码（Binary Coded Decimals）计算机中的十进制数还可用二进制数来表示，即二进制编码的十进制数，简称为BCD码。常用的BCD码有：8421BCD码、码、5421BCD码、码、2421BCD码、余码、余3BCD码码等。第

20、42页，本讲稿共61页（1 1）8421BCD8421BCD码码码码8421BCD码是用4位二进制数表示1位十进制数，每位二进制数都有固定的位权，所以这种代码也称为有权码。8421BCD码中每位的位权从高到低分别为：与常规的二进制数位的位权完全一致，所以这是一种最自然、最简单的BCD码。第43页，本讲稿共61页在8421BCD码中不允许出现1010、1011、1100、1101、1110、1111这6个代码，因为十进制数09中没有与之对应的数字符号，这6个代码称为“伪码”。8421BCD码是以4位二进制为一组来表示的，所以8421BCD码与十进制数之间可以直接以组为单位来进行。【例题1】将十进

21、制数（126）10转换成对应的8421BCD码。第44页，本讲稿共61页解：1 2 6 00010010 0110 所以（126）10（0001 0010 0110）8421BCD【例题2】将（11011）2转换成8421BCD码。解：（11011）2 124123022121120 （27）10第45页，本讲稿共61页（27）10（0010 0111）8421BCD所以（11011）2（00100111）8421BCD（2）2421BCD码2421BCD码也是一种有权码，其位权从高到低为21（2）、22（4）、21（2）、20（1）2421BCD码可以有多种编码方案，下表给出一种2421BC

22、D码的方案，这种2421BCD码中的0和9、1和8、2和7、3和6、4和5，各对编码值加起来的和第46页，本讲稿共61页都是1111。具有这种特性的编码称为“自补码”，它有利于简化运算器的结构。（3）5421BCD码5421BCD是另一种有权码，由四位二进制数的形式来表示一位十进制数，这四位二进制数表示形式的代码各位的权值分别为5、4、2、1。设5421BCD码中四位数字符号为a3a2a1a0,则它们代代表的数值为：5a34a22a11a0 如（1011）5421BCD表示的十进制数为第47页，本讲稿共61页同样在5421BCD码中有六个不允许出现的代码：0101、0110、0111、1101

23、、1110、1111六个“伪码”。【例题3】将（173）10（）5421BCD解：（173）000101110011第48页，本讲稿共61页故（173）10（000110100011）5421BCD【例题4】（100110101000）5421BCD（）10解：（100110101000）5421BCD（675）故（100110101000）5421BCD（675）10第49页，本讲稿共61页（4）余3BCD码余3BCD码的每一位编码，都比8421BCD码相应多0011（3），故此得名。从表中可以看出，余3BCD码也是一种自补码。但是，余3BCD码的各位无固定的位权值，所以它是一种无权码。同样

24、余3BCD码只用了四位二进制数编码形式中的十个来表示09十个数字，还有六个编码形式是“伪码”：0000、0001、0010、1101、1110、1111。第50页，本讲稿共61页【例题5】将173转换成三位余3BCD码解：（173）各位加3（4106）（010010100110）故（173）10（010010100110）余3BCD第51页，本讲稿共61页三种常用的BCD码第52页，本讲稿共61页六、六、六、六、BCDBCD码的转换码的转换码的转换码的转换各种BCD码之间可以互相转换，任意进制数与BCD码之间也可以互相转换。在这类转换过程中，一般须以十进制数作为过渡状态。【例题6】（10010

25、0110101）8421BCD（）5421BCD解：（100100110101）8421BCD（935）10（935）10（110000110101）5421BCD（110001101000）余3BCD第53页，本讲稿共61页【例题7】将（100000110101）8421BCD转换成对应的2421BCD码。解：（1000 0011 0101）8421BCD（8 3 5）10（1110 0011 1011）2421BCD所以（100000110101）8421BCD（111000111011）2421BCD第54页，本讲稿共61页【例题8】将（896）10转换为余3BCD码。解：（896）10

26、（1000 1001 0110）8421BCD (1011 1100 1001）余3BCD【例题9】将（010110100111）余3BCD转换为十进制数。解：（0101 1010 0111）余3BCD码（274）10第55页，本讲稿共61页二、可靠性编码二、可靠性编码二、可靠性编码二、可靠性编码1.格雷码（Gray）格雷码有多种编码形式，但所有的格雷码都有一个共同的特性，即任意两个相邻的代码中仅有一位二进制数位不同。而且整个四位十进制码的首尾格雷码之间也只相差一位二进制数码。所以格雷码又称“循环”码。第56页，本讲稿共61页2.奇偶校验码代码在传输过程中可能会发生“0”错成“1”，或者“1”

27、错成“0”的差错，奇偶校验码是一种能检查这类差错的可靠性编码。奇偶校验码由信息位和校验位两部分组成，信息位是要传输的原始信息，校验位是根据规定算法求得并添加在信息位后的冗余位。奇偶校验码分奇校验和偶校验两种，校验位产生的规则是：奇校验若信息位中有奇数个“1”，则校验位为“0”，若信息位中有偶数个“1”，则校验位为“1”。第57页，本讲稿共61页偶校验若信息位中有奇数个“1”，则校验位为“0”，若信息位中有偶数个“1”，则校验位为“0”。即通过调节校验位的“0”或“1”，使传输出去的代码中“1”的个数恒为奇数或恒为偶数。第58页，本讲稿共61页 接收方对收到的加有校验位有代码进行检验，若信息位和

28、校验位中“1”的个数的奇偶性符合约定的规则，则认为信息没有发生差错，否则可以确定信息已经出错。奇偶校验码算法简单，实现容易，在计算机中有着广泛的应用。第59页，本讲稿共61页本章小结本章小结1.数字信号在时间上和数值上均是离散的。2.数字电路中用高电平和低电平分别来表示逻辑1和逻辑0，它和二进制中的1和0正好相对应。因此，数字系统中常用二进制数来表示数据。3.常用的BCD码有8421码、2421码、5421码、余3码等，其中8421码使用最广泛。4.在数字电路中，半导体二极管、三极管一般都工作在开关状态，第60页，本讲稿共61页 即工作于导通（饱和）和截止两个对立的状态，来表示逻辑1和逻辑0。影响它们开关特性的主要因素是管子内部电荷存储和消散的时间。第61页，本讲稿共61页