数字电路与系统设计-ppt课件-01-1-0-第一章--数制与码制.ppt
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1、数字电路与系统数字电路与系统Digital Circuit And SystemDigital Circuit And System绪论绪论(Preface)一、数字电子技术的发展与应用一、数字电子技术的发展与应用 1.电子管时代电子管时代1906年电子管诞生;年电子管诞生;1946年出现第一台电子数字计算机;年出现第一台电子数字计算机;世界上第一台电子数字计算机世界上第一台电子数字计算机“ENIAC”(Electronic Numerical Integrator And Calculator)于于1946年诞生于美国年诞生于美国宾夕法尼亚宾夕法尼亚大学,大学,共用了共用了18,000多只电
2、子管,多只电子管,1500多个继电器,重量多个继电器,重量达达30余吨,占用了余吨,占用了170平方米的房间,耗电达平方米的房间,耗电达140千千瓦以上,其运算速度仅为瓦以上,其运算速度仅为5000次次/秒加减法运算,秒加减法运算,现具有同样功能的电子计算机,体积只有现具有同样功能的电子计算机,体积只有BP机机那么那么大(大(而而Pentium 的运算能力可达每秒钟上亿次)。的运算能力可达每秒钟上亿次)。2.晶体管时代晶体管时代1947年晶体管诞生;年晶体管诞生;美国贝尔实验室:肖克利、巴丁、布拉顿。1956年晶体管的发明者门获得诺贝尔物理学奖;年晶体管的发明者门获得诺贝尔物理学奖;3.集成电
3、路时代集成电路时代集成电路:集成电路:20世纪世纪60年代发展起来的一种新型器件年代发展起来的一种新型器件,把众多把众多晶体管晶体管、电阻电阻、电容电容及及连线连线制作在一块半导制作在一块半导体芯片(如:硅片)上,做成具有特定功能的独立体芯片(如:硅片)上,做成具有特定功能的独立电子线路。外型一般用金属圆壳或电子线路。外型一般用金属圆壳或双列直插双列直插结构。结构。集成电路具有性能好,可靠性高,体积小,集成电路具有性能好,可靠性高,体积小,耗电耗电少,成本低等优点。少,成本低等优点。集成度:集成度:每片集成电路中的门电路或等效每片集成电路中的门电路或等效门电路的数量。门电路的数量。SSI:1
4、10门;门;MSI:10 100门;门;LSI:1 1万门;万门;VLSI:1 10万门以上;万门以上;4.大规模集成电路(大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路和超大规模集成电路(VLSI)时代时代1971年年4位位CPU(4004)出现,含出现,含2300个晶体管;个晶体管;1997年年Pentium CPU 出现,含出现,含750万个晶体管;万个晶体管;0.35m0.25m0.18m0.13mPentium 4 2GHz二、数字电子技术的优点 1.通信系统中:抗干扰能力强通信系统中:抗干扰能力强;保密性好。保密性好。信号用脉冲的有无或种类的不同、电平的高低来表示,与幅值无关;判决判决
5、门限门限电平电平对数字信号进行抗干扰编码(即差错纠正编码)。2.测量仪表中:测量精度高,测试功能强,测量仪表中:测量精度高,测试功能强,自动化、智能化程度高。自动化、智能化程度高。如数字示波器、数字频率计。三、模拟信号和数字信号 1.模拟信号:幅值连续、时间连续。模拟信号:幅值连续、时间连续。2.数字信号:幅值离散、时间连续。数字信号:幅值离散、时间连续。Dt00110001010101ut四、二进制代码四、二进制代码“1 1”和和“0 0”的波形表示的波形表示 2.脉冲型脉冲型 1.电位型电位型 代码代码 1 1 0 1 0 0 0冒险的消除、顺序脉冲发生器中出现。以太网中使用的是:曼彻斯特
6、码(Manchester)代码代码 1 1 0 1 0 0 0一拍一拍 五、本课程的研究内容 1.逻辑代数的基本理论;逻辑代数的基本理论;2.常用数字集成电路的结构、工作原理、常用数字集成电路的结构、工作原理、逻辑功逻辑功能和使用方法能和使用方法;3.数字电路的分析、设计方法;数字电路的分析、设计方法;4.VHDL语言简介;语言简介;5.数字系统设计初步。数字系统设计初步。数字系统:用离散的数字方式表征与处理信息的系统,是一个相互连接的功能模块的集合。3.独立、按时完成作业,主动质疑;独立、按时完成作业,主动质疑;六、学习方法六、学习方法 2.端正学习态度,培养自信心和兴趣;端正学习态度,培养
7、自信心和兴趣;4.课前预习、独立思考,提高自学能力;课前预习、独立思考,提高自学能力;5.课后多查阅参考书。课后多查阅参考书。1.对于集成电路,重点放在对于集成电路,重点放在逻辑功能和使用方法逻辑功能和使用方法;七、七、参考教材:参考教材:1.脉冲与数字电路脉冲与数字电路 高教出版社高教出版社 王毓银编王毓银编2.数字电子技术基础数字电子技术基础 高教出版社高教出版社 阎石主编阎石主编 3.数字电路与系统数字电路与系统 清华大学出版社清华大学出版社 刘宝琴刘宝琴 第一章第一章 数制与码制数制与码制 一一 十进制(十进制(Decimal)用来表征用来表征数值信息数值信息。在数字电路中在数字电路中
8、,经常会遇到计经常会遇到计数问题。数制是以数码的个数(称为基数,用数问题。数制是以数码的个数(称为基数,用R表示)表示)来命名的。人们习惯用十进制数,而在数字系统中则来命名的。人们习惯用十进制数,而在数字系统中则采用二进制采用二进制 八进制八进制 十六进制数。十六进制数。构成构成:由:由0 9 十个数码;十个数码;逢十进一,借一当十,逢十进一,借一当十,基数基数R=10。1.1 数制数制(计数体制)(计数体制)例例1:(555)10=5102+5101+5 100 例例2:(:(146.5)10=1102+4101+6 100+5101 对于任一个十进制数对于任一个十进制数N,按位权可表示为按
9、位权可表示为:(N)10=an-110n-1+an-210n-2+a1101+a0100 +a-110-1+a-210-2+a-m10-mai10i式中式中:ai取值为取值为:0 9 中的任一个数码中的任一个数码;10i是第是第I位的权位的权,10是基数。是基数。n和和m是正整数,是正整数,n为整数部分,为整数部分,m为小数部分。为小数部分。讨论:讨论:从计数电路考虑,采用十进制数是难于实现的。从计数电路考虑,采用十进制数是难于实现的。因为十进制数有十个数码(因为十进制数有十个数码(0 9)。要用十个不同的)。要用十个不同的而且能严格区分的电路状态与之对应,这将是很困难而且能严格区分的电路状态
10、与之对应,这将是很困难的。的。结论:结论:计数电路一般不直接采用十进制数,而采用二计数电路一般不直接采用十进制数,而采用二进制数。进制数。原因原因:(1)运算规则简单)运算规则简单(只有(只有8条规则)条规则)加法:加法:0+0=0;0+1=1;1+0=1;1+1=10。乘法:乘法:00=0;01=0;10=0;11=1。(2)电路简单)电路简单 工作可靠工作可靠 它的每一位数码都可以用任何具有两个它的每一位数码都可以用任何具有两个不同稳定状态的元件来表示。不同稳定状态的元件来表示。例如:例如:D的导通与截止;的导通与截止;继电器触点的闭合和断开;继电器触点的闭合和断开;灯泡的亮和灭等。灯泡的
11、亮和灭等。都可构成两个不同的稳定状态。都可构成两个不同的稳定状态。T的饱和与截止;的饱和与截止;二二 二进制(二进制(Binary)构成:构成:用二个数码用二个数码 1 和和 0;且逢二进一,借一当二。且逢二进一,借一当二。R=2。(N)2 Di2i Di取值取值为为 1 或或 0,基数为,基数为2。例:例:(101.01)=122+120+12-2Di2i三三 八进制八进制(Octal)构成构成:用用 0 7 八个数码八个数码;且逢八进一且逢八进一,借一当八。借一当八。R=8。Oi取取值为:值为:0 7 中的任一个数,中的任一个数,R=8。例:例:(25.6)8=281+580+68-1Oi
12、8i(N)8Oi 8i四四 十六进制十六进制(Hexadecimal)构成构成:用用 0 9,A,B,C,D,E,F等十六个数码等十六个数码;且逢十六进一且逢十六进一,借一当十六。借一当十六。R=16。(N)16=(N)HH Hi i1616i i举例举例:(4A.E)16=4161+10160+1416-1Hi16i五五 数制转换数制转换1 二二 八八 十六十六 进制进制 十进制十进制 所谓数制转换是指将一种数制的数变换成等值所谓数制转换是指将一种数制的数变换成等值的用另一种数制表示的数。的用另一种数制表示的数。将二将二 八八 十六十六 进制数转换成十进制数,只要进制数转换成十进制数,只要把
13、原数写成按权展开再相加即可。把原数写成按权展开再相加即可。例:分别将(例:分别将(101.01)2 (74.5)8 (3C.A)16转换成转换成 十进制数。十进制数。(101.01)2=(74.5)8=(3C.A)16=122+120+122=(5.25)10 781+480+58-1=(60.625)103161+12160+1016-1=(60.625)102 十十 进制进制 二二 八八 十六进制十六进制(1)整数的转换整数的转换 十十 进制进制 二二 八八 十六进制数只需将十六进制数只需将整数部分整数部分和和小数部分小数部分分别转换成分别转换成二二 八八 十六进制数十六进制数,再将转换结
14、再将转换结果连接在一起即可。果连接在一起即可。整数整数.小数小数方法方法:除基数取余法除基数取余法 .例:将(例:将(60)10分别转换成分别转换成二二 八八 十六进制数。十六进制数。所以,(所以,(60)10=(111100)22 6030 02150271231211201高高低低余数余数(60)10=(?)(?)8(60)10=(74)8(60)10=(?)(?)16(60)10=(3C)16(2)小数的转换)小数的转换方法:方法:乘基数取整法。乘基数取整法。例例:将十进制数将十进制数(0.625)10分别转换成二分别转换成二 八八 十六进制数。十六进制数。(0.625)10=(?)2(
15、0.625)10=(?)8(0.625)10=(?)16(60.625)10=(111100.101)2=(74.5)8=(3C.A)16(0.625)10=(0.101)2(0.625)10=(0.5)8(0.625)10=(0.A)163 转换误差转换误差 对于小数采用的乘基数取整法将十对于小数采用的乘基数取整法将十 二二 八八 十十六进制数的小数时六进制数的小数时,可能会出现多次相乘后乘积的小可能会出现多次相乘后乘积的小数部分仍不为数部分仍不为0的情况。的情况。小数的精度及转换位数的确定:小数的精度及转换位数的确定:n位位R进制小数的精度进制小数的精度例例1:(0.12)10 的精度的精
16、度为为10-2例例2:(0.101)2 的精度的精度为为2-3 如果转换取了如果转换取了n位,则转换的剩余误差位,则转换的剩余误差小于该小于该n位小数的精度,即:位小数的精度,即:R-n。此时此时,2-i0.1%,2-i 1/1000 取取 i 10,2-10=1/210=1/1024 1/1000 i 的取值为的取值为:i 10(取取 10 位位)转换位数的确定转换位数的确定例例3:(0.39)10=(?)2,要求精度达到,要求精度达到 0.1。解:设二进制数小数点后有解:设二进制数小数点后有n位小数,位小数,解得解得 n 10。所以所以 (0.39)10=(0.0110001111)2。4
17、 数的进制表示方法数的进制表示方法5 二二 八八十十 10 或或 D;八八 8 或或 O;二二 2 或或 B;十六十六 16 或或 H。转换方法:转换方法:二进制数由小数点开始分别向左和向右每二进制数由小数点开始分别向左和向右每三位分成一组,每组便是一位八进制数,这样的表示三位分成一组,每组便是一位八进制数,这样的表示法叫二法叫二 八进制。(八进制。(八进制数对应三位二进制数,八进制数对应三位二进制数,即:即:000 111。)。).例例1:(111 100.101)2=例例2:(010 011 101.010)2=(74.5)8(235.2)86 二二 进制进制十六进制十六进制7 八进制八进
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- 数字电路 系统 设计 ppt 课件 01 第一章 数制
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