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数字电路第一章基础知识1第1页，共47页，编辑于2022年，星期六成绩计算成绩计算l平时成绩平时成绩 30%作业（写明班级、学号、姓名）作业（写明班级、学号、姓名）考勤考勤l期末考试成绩期末考试成绩70%2第2页，共47页，编辑于2022年，星期六参考书目参考书目l秦曾煌主编，电工学第六版秦曾煌主编，电工学第六版 下册，高等教育出版下册，高等教育出版社社l康华光主编，电子技术基础数字部分康华光主编，电子技术基础数字部分 第五版，高等教育出第五版，高等教育出版社版社lDigital fundamentals,Ninth Edition.数字电子技术数字电子技术（第（第9版）（英文改编版）版）（英文改编版）国外电子与通信教材系国外电子与通信教材系列列,美美 Thomas L.Floyd著著 余璆改编余璆改编 3第3页，共47页，编辑于2022年，星期六第一章第一章 数制和码制数制和码制数字电路数字电路4第4页，共47页，编辑于2022年，星期六什么是电子技术什么是电子技术是研究电子器件电子器件及电电子器件应用子器件应用的一门学科。通过控制器件中通过控制器件中电子电子的的运动而进行工作运动而进行工作5第5页，共47页，编辑于2022年，星期六数字技术的发展及其应用数字技术的发展及其应用电子技术是电子技术是20世纪发展最迅速、应用最广泛的技世纪发展最迅速、应用最广泛的技术。以术。以电子器件电子器件发展为基础发展为基础20世纪初世纪初中叶中叶 电子管电子管1947年年 贝尔实验室制成第一只晶体管贝尔实验室制成第一只晶体管58年年 模拟和数字集成电路模拟和数字集成电路69年年 大规模集成电路大规模集成电路75年年 超大规模集成电路超大规模集成电路 6第6页，共47页，编辑于2022年，星期六7第7页，共47页，编辑于2022年，星期六数字技术的发展及其应用数字技术的发展及其应用第一片集成电路只有第一片集成电路只有4个晶体管，而个晶体管，而97年一片集成电年一片集成电路上有路上有40亿个晶体管。亿个晶体管。科学家预测集成度按翻番科学家预测集成度按翻番/18月的速度还将继续到月的速度还将继续到2015或或2020年，将达到饱和。年，将达到饱和。2010年澳大利亚科学家展示了世界上最小的晶体管，其规年澳大利亚科学家展示了世界上最小的晶体管，其规格仅有七个原子组成，大小为一米的格仅有七个原子组成，大小为一米的40亿分之一，嵌于单亿分之一，嵌于单晶硅上。这一发明将会使微型处理器尺寸大幅减小，会给晶硅上。这一发明将会使微型处理器尺寸大幅减小，会给计算速度带来革命性变化。计算速度带来革命性变化。8第8页，共47页，编辑于2022年，星期六典型代表：电子计算机典型代表：电子计算机电子管电子管晶体管晶体管集成电路集成电路大规模集成电路大规模集成电路人工智能计算机生物计算机9第9页，共47页，编辑于2022年，星期六应用举例应用举例照相机照相机交通灯控制系统交通灯控制系统自动售票机自动售票机10第10页，共47页，编辑于2022年，星期六1.1.1 数字信号和模拟信号数字信号和模拟信号电电子子电电路路中中的的信信号号模拟信号模拟信号数字信号数字信号随时间连续变化的信号随时间连续变化的信号时间和幅度都是离散的时间和幅度都是离散的 1.1 数字电路的基础知识数字电路的基础知识11第11页，共47页，编辑于2022年，星期六模拟信号：模拟信号：tu正弦波信号正弦波信号t锯齿波信号锯齿波信号u12第12页，共47页，编辑于2022年，星期六13第13页，共47页，编辑于2022年，星期六 研究模拟信号时，我们注重电路输入、研究模拟信号时，我们注重电路输入、输出信号间的大小、相位关系。相应的电输出信号间的大小、相位关系。相应的电子电路就是模拟电路，包括交直流放大器、子电路就是模拟电路，包括交直流放大器、滤波器、信号发生器等。滤波器、信号发生器等。在模拟电路中，晶体管一般工作在放在模拟电路中，晶体管一般工作在放大状态。大状态。14第14页，共47页，编辑于2022年，星期六数字信号：数字信号：数字信号数字信号产品数量的统计。产品数量的统计。数字表盘的读数。数字表盘的读数。数字电路信号：数字电路信号：tu15第15页，共47页，编辑于2022年，星期六产品自动装箱计数生产线产品自动装箱计数生产线16第16页，共47页，编辑于2022年，星期六研究数字电路时注重电路输出、输入间研究数字电路时注重电路输出、输入间的逻辑关系，因此不能采用模拟电路的的逻辑关系，因此不能采用模拟电路的分析方法。主要的分析工具是逻辑代数，分析方法。主要的分析工具是逻辑代数，电路的功能用真值表、逻辑表达式或波电路的功能用真值表、逻辑表达式或波形图表示。形图表示。在数字电路中，三极管工作在开关状态在数字电路中，三极管工作在开关状态下，即工作在饱和状态或截止状态。下，即工作在饱和状态或截止状态。17第17页，共47页，编辑于2022年，星期六1.1.2 数制数制（1）十进制十进制：以十为基数的记数体制以十为基数的记数体制表示数的十个数码：表示数的十个数码：遵循遵循逢十进一逢十进一的规律的规律157=18第18页，共47页，编辑于2022年，星期六一个十进制数数一个十进制数数 N可以表示成：可以表示成：若在数字电路中采用十进制，必须要若在数字电路中采用十进制，必须要有十个电路状态与十个记数码相对应。这有十个电路状态与十个记数码相对应。这样将在技术上带来许多困难，而且很不经样将在技术上带来许多困难，而且很不经济。济。19第19页，共47页，编辑于2022年，星期六（2）二进制二进制：以二为基数的记数体制以二为基数的记数体制表示数的两个数码：表示数的两个数码：遵循遵循逢二进一逢二进一的规律的规律（1001)B =(9)D20第20页，共47页，编辑于2022年，星期六用电路的两个状态用电路的两个状态-开关来表示开关来表示二进制数，数码的存储和传输简单、二进制数，数码的存储和传输简单、可靠。可靠。位数较多，使用不便；不合人们的习惯，位数较多，使用不便；不合人们的习惯，输入时将十进制转换成二进制，运算结输入时将十进制转换成二进制，运算结果输出时再转换成十进制数。果输出时再转换成十进制数。21第21页，共47页，编辑于2022年，星期六（3）十六进制和八进制：十六进制和八进制：十六进制记数码：十六进制记数码：(4E6)H=4 162+14 161+6 160=(1254)D22第22页，共47页，编辑于2022年，星期六十六进制与二进制之间的转换：十六进制与二进制之间的转换：(0101 1001)B=0 27+1 26+0 25+1 24+1 23+0 22+0 21+1 20B=(0 23+1 22+0 21+1 20)161+(1 23+0 22+0 21+1 20)160B=(59)H每四位2进制数对应一位16进制数23第23页，共47页，编辑于2022年，星期六十六进制与二进制之间的转换：十六进制与二进制之间的转换：(10011100101101001000)B=从末位开始 四位一组(1001 1100 1011 0100 1000)B=()H84BC9=(9CB48)H24第24页，共47页，编辑于2022年，星期六八进制与二进制之间的转换：八进制与二进制之间的转换：(10011100101101001000)B=从末位开始三位一组(10 011 100 101 101 001 000)B=()O01554=(2345510)O3225第25页，共47页，编辑于2022年，星期六十进制与二进制十进制与二进制之间的转换，可以用之间的转换，可以用二除十进制数，余数二除十进制数，余数是二进制数的第是二进制数的第0位，位，然后依次用二除所得然后依次用二除所得的商，余数依次是的商，余数依次是K1、K2、。（4）十进制与二进制之间的转换：十进制与二进制之间的转换：26第26页，共47页，编辑于2022年，星期六225 余余 1 K0122 余余 0 K162 余余 0 K232 余余 1 K312 余余 1 K40整数部分转换过程：整数部分转换过程：(25)D=(11001)B除 2倒取余27第27页，共47页，编辑于2022年，星期六小数部分转换过程：小数部分转换过程：乘 2正取整28第28页，共47页，编辑于2022年，星期六1.1.3二进制运算二进制运算(1)二进制算术运算的特点二进制算术运算的特点 算术运算：算术运算：1：和十进制算数运算的规则相同：和十进制算数运算的规则相同 2：逢二进一：逢二进一 特特 点：点：加、减、乘、除加、减、乘、除 全部可以用全部可以用移位移位和和相相 加加这两种操作实现。简化了电路结构这两种操作实现。简化了电路结构 所以数字电路中普遍采用二进制算术所以数字电路中普遍采用二进制算术运算运算29第29页，共47页，编辑于2022年，星期六(2)反码、补码和补码运算反码、补码和补码运算 二进制数的正、负号也是用二进制数的正、负号也是用0/1表示的。表示的。在定点运算中，最高位为符号位在定点运算中，最高位为符号位 （0为正，为正，1为负为负）如如 +89=（0 1011001）-89=（1 1011001）30第30页，共47页，编辑于2022年，星期六二进制数的二进制数的补码：补码：最高位为最高位为符号位符号位（0为正，为正，1为负）为负）正数的补码、反码和原码相同正数的补码、反码和原码相同负数的补码负数的补码=数值位逐位求反数值位逐位求反(即其即其反码反码)+1如如 (+5)D=（0 0101）B (-5)补补=（1 1011）B通过补码，将减一个数用加上该数的补码来实现通过补码，将减一个数用加上该数的补码来实现31第31页，共47页，编辑于2022年，星期六10 5=510+7 12=5（舍弃进位）（舍弃进位）7+5=12 产生进位的模产生进位的模7是是5对模数对模数12的补码的补码 32第32页，共47页，编辑于2022年，星期六1011 0111=0100 （11-7=4）1011+1001=10100=0100（舍弃进位）（舍弃进位）（11+916=4）0111+1001=160111是是1001对模对模16的补码的补码33第33页，共47页，编辑于2022年，星期六 两个补码表示的二进制数相加时的符号位两个补码表示的二进制数相加时的符号位讨论讨论例：用二进制补码运算求出例：用二进制补码运算求出1310、1310、1310、1310结论：将两个加数的符号位和来自最高位数字位结论：将两个加数的符号位和来自最高位数字位的进位相加，结果就是和的符号的进位相加，结果就是和的符号 解：34第34页，共47页，编辑于2022年，星期六1.1.4 码码 制制一、一、BCD代码代码二、格雷码二、格雷码三、字符编码三、字符编码 35第35页，共47页，编辑于2022年，星期六四位二进制数最多可以有四位二进制数最多可以有16种不同组合，种不同组合，不同的组合便形成了一种编码。主要有：不同的组合便形成了一种编码。主要有：8421码、码、5421码、码、2421码、余码、余3码等。码等。用位二进制数码表示位十进制数的用位二进制数码表示位十进制数的十个状态，称这些代码为二十进制代码，十个状态，称这些代码为二十进制代码，即即BCD代码。代码。BCD-Binary-Coded-Decimal1.BCD码码36第36页，共47页，编辑于2022年，星期六在在BCD码中，十进制数码中，十进制数(N)D 与与二进制编码二进制编码(K3K2K1K0)B 的关系可以的关系可以表示为：表示为：(N)D=W3K3+W2K2+W1K1+W0K0W3W0为二进制各位的权重为二进制各位的权重所谓的所谓的8421码，就是指各位的权重码，就是指各位的权重是是8,4,2,1。37第37页，共47页，编辑于2022年，星期六000000010010001101100111100010011010101111011110111101011100010001236789101113141551240123578964012356789403456782910123678549二进制数二进制数自然码自然码8421码码2421码码5421码码余三码余三码38第38页，共47页，编辑于2022年，星期六BCD码的存放：组合码的存放：组合BCD码与非组合码与非组合BCD码码上述编码方式是针对上述编码方式是针对“一位一位”十进制数字而言的，一个多位的十进制数与相应的十进制数字而言的，一个多位的十进制数与相应的8421BCD码之间的转换关系如下例所示：码之间的转换关系如下例所示：00110000100100013091十进制数：十进制数：对应的对应的8421BCD码：码：组合组合BCD码格式：每位十进制数字对应的码格式：每位十进制数字对应的BCD编码以编码以四个四个二进制位来存放；二进制位来存放；（3091）10（0011 0000 1001 0001）BCD 非组合非组合BCD码格式：每位十进制数字对应的码格式：每位十进制数字对应的BCD编码以编码以八个八个二进制位来存放二进制位来存放 其其中低四位存放真正的中低四位存放真正的BCD码，高四位根据具体应用的不同定义为不同的码，高四位根据具体应用的不同定义为不同的 值值 如如无特殊要求，高四位通常为全无特殊要求，高四位通常为全0；（3091）10（00000011 00000000 00001001 00000001）BCD注意：如无特别说明，本课程中的注意：如无特别说明，本课程中的BCD码一概指组合的码一概指组合的8421BCD码。码。这样得到的这样得到的BCD码在存放或处理时有两种格式：码在存放或处理时有两种格式：39第39页，共47页，编辑于2022年，星期六40第40页，共47页，编辑于2022年，星期六2、格雷码（、格雷码（Gray）格雷码的特点是：格雷码的特点是：任意两个相邻码组之间只有一位码原不同（任意两个相邻码组之间只有一位码原不同（0和最大和最大数之数之间也只有一位不同），因此格雷码也称为循间也只有一位不同），因此格雷码也称为循 环码；这种编码环码；这种编码在形成和传输时不易出错；在形成和传输时不易出错；最高位的最高位的0和和1只改变一次。若以最高位的只改变一次。若以最高位的0和和1的交的交界为轴，界为轴，其他低位的代码以此轴对称，利用这一其他低位的代码以此轴对称，利用这一特点可以很容易地构成特点可以很容易地构成位数不同的格雷码；位数不同的格雷码；格雷码是一种无权码，不易直接进行运算，但可以格雷码是一种无权码，不易直接进行运算，但可以很容很容易地与二进制进行换算；易地与二进制进行换算；格雷码有许多形式，如余格雷码有许多形式，如余3循环码等；循环码等；41第41页，共47页，编辑于2022年，星期六一 种 典 型 的 格 雷 码两位格雷码两位格雷码0 00 11 11 00 0 00 0 10 1 10 1 01 1 01 1 11 0 11 0 00 0 0 00 0 0 10 0 1 10 0 1 00 1 1 00 1 1 10 1 0 10 1 0 01 1 0 01 1 0 11 1 1 11 1 1 01 0 1 01 0 1 11 0 0 11 0 0 0三位格雷码三位格雷码四位格雷码四位格雷码0 00 11 11 01 01 10 10 00110 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 00 0 00 0 10 1 10 1 01 1 01 1 11 0 11 0 042第42页，共47页，编辑于2022年，星期六43第43页，共47页，编辑于2022年，星期六3、字符代码、字符代码 数字系统处理、存储及显示的信息，包括数字，文字数字系统处理、存储及显示的信息，包括数字，文字符号，字母和特殊符号等都必须用二进制数进行编码。符号，字母和特殊符号等都必须用二进制数进行编码。目前常用的是目前常用的是ASCII码（美国标准信息交换码）和码（美国标准信息交换码）和Unicode码码。44第44页，共47页，编辑于2022年，星期六常用字符编码：常用字符编码：ASCII码码 ASCII码即码即“美国国家标准信息交换码美国国家标准信息交换码”的英文缩写，常用的有两种：的英文缩写，常用的有两种：（1）ASCII-7 编码用编码用7 位二进制编码表示一个字符，共可表示位二进制编码表示一个字符，共可表示 128 个个不不同的字符。通常使用时在最高位添同的字符。通常使用时在最高位添 0 凑成凑成 8 位二进制编码，位二进制编码，或根据或根据 实实际情况将最高位用做校验位。际情况将最高位用做校验位。（2）ASCII-8 编码用编码用 8 位二进制编码表示一个字符，共可表示位二进制编码表示一个字符，共可表示 256 个个不同的字符。不同的字符。本课程中不加声明时都指本课程中不加声明时都指 ASCII-7 码。注意：码。注意：ASCII-7 编码中编码中 09 十个数字对应的编码为十个数字对应的编码为 30H 39H，该编码实，该编码实际就际就是一种非组合是一种非组合BCD码。码。一般字符的一般字符的ASCII码表靠查表方式获取。但除数字的码表靠查表方式获取。但除数字的ASCII外，最好外，最好也能记住以下对应关系：也能记住以下对应关系：AF 的的ASCII码为码为41H46H，a f 的的ASCII码为码为61H66H；45第45页，共47页，编辑于2022年，星期六常用字符编码：常用字符编码：Unicode码码互联网的迅速发展，要求进行数据交换的需求越来越大，互联网的迅速发展，要求进行数据交换的需求越来越大，而且多种语言共存的文档不断增多，不同的编码体系越来越而且多种语言共存的文档不断增多，不同的编码体系越来越成为信息交换的障碍，于是成为信息交换的障碍，于是 UNICODE 应运而生。应运而生。UNICODE 的双重含义：的双重含义：首先首先UNICODE是对国际标准是对国际标准ISO/IEC 10646编码的一种称谓。编码的一种称谓。ISO/IEC 10646是一个国际标准，亦称大字符集，它是是一个国际标准，亦称大字符集，它是ISO于于1993年颁布的一项重要国际标准，其宗旨是全球所有文种统年颁布的一项重要国际标准，其宗旨是全球所有文种统一编码；一编码；另外它又是美国的另外它又是美国的 HP、Microsoft、IBM、Apple 等大企业组等大企业组成的联盟集团的名称，成立该集团的宗旨就是要推进多文种成的联盟集团的名称，成立该集团的宗旨就是要推进多文种的统一编码；的统一编码；UNICODE是一个是一个16位二进制编码的字符集，它可以移植到所有位二进制编码的字符集，它可以移植到所有主要的计算机平台并且覆盖几乎整个世界。主要的计算机平台并且覆盖几乎整个世界。46第46页，共47页，编辑于2022年，星期六第一章第一章 作业作业P18 1.9 1.10 1.14 (2)(4)(6)(8)1.15 (4)(6)47第47页，共47页，编辑于2022年，星期六