数字信号与数字系统.ppt

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1、李洪凤李洪凤自动化学院电工电子技术中心自动化学院电工电子技术中心E-mail: 密码：密码：123456电工学网站：电工学网站：办公室地址：办公室地址：26楼楼E座座-615 本课程的要求：1.课上互动，保证出勤，认真听课，作业缺少课上互动，保证出勤，认真听课，作业缺少 1/3者或三次点名未到者不允许考者或三次点名未到者不允许考试试2.课下及时复习，独立完成作业课下及时复习，独立完成作业3.一章交一次作业一章交一次作业4.答疑预约答疑预约5.以卷面考试为主，约占以卷面考试为主，约占80%-90%左右，左右，10%-20%-包括三部分：网络测验、包括三部分：网络测验、出勤，作业出勤，作业6.学习

2、目的：了解应用背景，理解工作原理，掌握技术要点，分析工作品质，细学习目的：了解应用背景，理解工作原理，掌握技术要点，分析工作品质，细节回避，适量做题，不追求难偏题目节回避，适量做题，不追求难偏题目 1 数字信号数字信号2 数字信号与二数字信号与二进制数进制数3 A/D和和D/A信号转换信号转换 4 数字信号与逻辑数字信号与逻辑 5 数字逻辑数字逻辑系统系统 第十章数字信号与数字逻辑系统第十章数字信号与数字逻辑系统一、数字信号的描述一、数字信号的描述 温度信号温度信号12 3 45 6501001502002503000t(s)T(C)1 23 45 62550751000t(s)u1(mV)1

3、 数字信号数字信号1 1 物理信号物理信号2 模拟信号模拟信号 模拟信号模拟信号01数字信号数字信号t(s)u1*(mV)0T2T3T4T5T6T7T255075100采样信号采样信号3 连续信号连续信号6 离散离散信号信号4 数字信号数字信号5 采样信号采样信号1 数字信号是一种离散信号数字信号是一种离散信号 2 基本元素取值基本元素取值二值二值 0V，5V 例例 信号灯的状态信号灯的状态亮亮灭灭2.4 5 V0 0.4 V高电平高电平低电平低电平“1”“0”二二、数字信号的优点：数字信号的优点：1)数量信号数量信号2)符号信号符号信号转换原则转换原则标准约定标准约定3)逻辑信号逻辑信号二值

4、二值 0，1代码代码 正逻辑正逻辑 与负逻辑与负逻辑1 可以尽善尽美地表达任何形式的信号和任何形态的信息；可以尽善尽美地表达任何形式的信号和任何形态的信息；2 数字信号的存储数字信号的存储双位开关双位开关3 抗干扰能力增强抗干扰能力增强采样采样保持保持传感器传感器模模拟拟信信号号模模-数转换数转换(A/D)数数字字信信号号数字数字计算机计算机数数-模转换模转换(D/A)物物理理量量执行机构执行机构8-3 模拟/数字(A/D)和数字/模拟（D/A）信号转换uA=(2n-1Dn-1+23D3+22D2+21D1+20D0)Dn-1或或1或或0用用D3D0分别控制一个开关分别控制一个开关U R0/R

5、n-1=2n-1 KR3R2R1RAR0D3D2D1D0uA1 D/A转换器转换器 (Digital Analog Converter DAC)例例P213功能：功能：把二进制数转换成与之成正比例的输出电压值。把二进制数转换成与之成正比例的输出电压值。4位二进制数位二进制数 n=4例例10-3-2 一个一个8bit的的D/A转换器采用如图所示的转换电阻网络转换器采用如图所示的转换电阻网络结构。已知结构。已知R0的电阻值为的电阻值为128K，电流，电流/电压转换器的传递函电压转换器的传递函数为：数为：uA=500i。试问。试问:一个代码形式为一个代码形式为10011100的数字信号电的数字信号电

6、压将被转换成多大的模拟信号电压？压将被转换成多大的模拟信号电压？模拟信号的采样模拟信号的采样 采样定理采样定理 若若 fA 2 f，则采样处理后不损失信息。，则采样处理后不损失信息。采样频率采样频率信号最高频率信号最高频率k采样信号采样信号u2模拟信号模拟信号u1采样脉冲采样脉冲u02 A/D转换器转换器 (ADC)TAtA/D转换器转换器 (ADC)对采样信号进行幅值量化处理对采样信号进行幅值量化处理逐次逼近思想：逐次逼近思想：D/ADu uxuD=D+1设设D=00000000 ux D=？u=0D=00000001ux=11 uxu=1D=00000010 ux u=10D=000010

7、11=ux u=11D=00001011输出输出DYN对于量程为对于量程为U，n位位AD转换器来说，需要转换器来说，需要2n-1次转换得到量程电次转换得到量程电压压U，单次转化的电压值为，单次转化的电压值为u=U/（2n-1）称为一个字，又称单）称为一个字，又称单位量化电压，最小分辨电压。位量化电压，最小分辨电压。对于任意一个电压对于任意一个电压ux则需要则需要ux/u次转化结束次转化结束例例已知：已知：ux=4.882V 10位位DAC的最大电压的最大电压U=5V求：求：ADC的转换结果的转换结果解：解：ux=4.882V将将ux转换为二进制数为：转换为二进制数为：1111100111(29

8、=512 28=25627=128)对于量程为对于量程为5V而言，而言，10位位DAC要求经过要求经过210-1次比较完成次比较完成对对5V电压的测量。电压的测量。单次转化的电压值为：单次转化的电压值为：例例 某数字电压表（内含八位逐次逼近型某数字电压表（内含八位逐次逼近型ADC），量程），量程Um=10V。设输入模拟电压。设输入模拟电压ui=6.21V。试求：。试求：1）完成测量需）完成测量需要经过多少次比较；要经过多少次比较；2）电压表的输出；）电压表的输出；3）转换误差是多少）转换误差是多少？最大转换误差为最大转换误差为 0.03V经过经过159次比较才能完成测量次比较才能完成测量实际输

9、出电压实际输出电压8-2 数字信号与二进制数一、二进制数一、二进制数二、最基本的运算二、最基本的运算求和运算求和运算三、三、BCD码及其数字显示码及其数字显示 1 BCD编码编码 2 数值显示数值显示1 BCD编码编码采用采用4位二进制位二进制数来表示数来表示1位十位十进制数。进制数。举例举例8421编码编码2 数值显示数值显示3 七段显示译码器七段显示译码器举例举例:8-4 数字信号与逻辑一、命题逻辑及其描述一、命题逻辑及其描述1 简单命题简单命题2 复合命题复合命题基本连接关系：基本连接关系：可以判断真伪的一段简单的事实描述可以判断真伪的一段简单的事实描述,可以确切地可以确切地判断是对还是

10、错，是真还是假判断是对还是错，是真还是假命题可以用符号来表示，例如：命题命题可以用符号来表示，例如：命题A，命题，命题X；也称也称逻辑变量逻辑变量A，X。逻辑变量的值称为真值；逻。逻辑变量的值称为真值；逻辑变量的取值：取值为辑变量的取值：取值为0或或1与与 或或 非非简单命题的简单命题的组合组合、+、逻辑运算符逻辑运算符复合命题：逻辑变量和逻辑运算符所组成复合命题：逻辑变量和逻辑运算符所组成的逻辑表达式。的逻辑表达式。逻辑函数逻辑函数正命题与反命题正命题与反命题b 用用“真值表真值表”描描述述a 用逻辑表达式描述用逻辑表达式描述F=A B F=A B F=ABF=A B F=A+B3 逻辑变量

11、与逻辑函数之间的关系：逻辑变量与逻辑函数之间的关系：二二 获取实际问题的逻辑表达式获取实际问题的逻辑表达式A B01000111F1001 逻辑表达式逻辑表达式“或或”逻辑逻辑例：例：控制楼梯照明的电路控制楼梯照明的电路要求：可在楼下开，楼上关，要求：可在楼下开，楼上关，可在楼上开，楼下关。可在楼上开，楼下关。楼下开关合在楼下开关合在a点：点：A 楼上开关合在楼上开关合在b点：点：B 灯亮：灯亮：FAabcdB220V10方法：方法：第第2步步第第3步步（与（与-或关系）或关系）取取1的因变量的因变量因变量取一的状态因变量取一的状态下，对应的所有自下，对应的所有自变量相与，其中取变量相与，其中

12、取1的自变量用正命的自变量用正命题表示，取题表示，取0的用的用反命题表示反命题表示第第4步步第第1步步 8-5 数字逻辑系统数字逻辑系统 一、运算法则一、运算法则没有没有“减减”也没有也没有“除除”A+AB=A+AC?=B=CAB=ACA+B=B+AAB=BA交换律交换律分配律分配律A+BC=(A+B)(A+C)吸收律吸收律A+AB=AA(A+B)=A反演律反演律(De Morgen)A+(B+C)=(A+B)+CA(BC)=(AB)C结合律结合律A+0=A自等率自等率0-1率率互补率互补率重叠率重叠率二、数字信号逻辑演算的实现系统二、数字信号逻辑演算的实现系统1 组合逻辑电路组合逻辑电路2

13、时序逻辑电路时序逻辑电路输出状态仅取决于输入的即时状态输出状态仅取决于输入的即时状态输出状态取决于输入的即时状态和前一时刻输出的状态输出状态取决于输入的即时状态和前一时刻输出的状态由数字电子逻辑器件组成。由数字电子逻辑器件组成。数字逻辑系统数字逻辑系统1）基本逻辑门器件）基本逻辑门器件 组合逻辑电路组合逻辑电路2）组合逻辑系统组合逻辑系统a 组合逻辑系统分析组合逻辑系统分析21341M&ABFMF01BA利用利用M端的高低，来选择端的高低，来选择A或或B作为输出端的输出信号作为输出端的输出信号 电路分析：电路分析：M=0，#1输出恒为输出恒为1#3输出为输出为(封门封门)(开门开门)M=1，结

14、果相反，结果相反M=0时，时，F=BM=1时，时，F=A 表达式分析：表达式分析：选通电路选通电路M=1M=0FAB无触点开关无触点开关组合逻辑系统分析的步骤：组合逻辑系统分析的步骤：逐级写出逻辑表达式逐级写出逻辑表达式 化简化简 逻辑关系简述逻辑关系简述b、组合电路的设计、组合电路的设计步骤：步骤：列写真值表列写真值表 画电路图画电路图 化简化简 逻辑表达式逻辑表达式例例1 用与非门组成同或运算电路用与非门组成同或运算电路A B01000111F1001&ABF 2 已知某译码器的状态表，试写出其逻辑表达已知某译码器的状态表，试写出其逻辑表达 式；画出用式；画出用“与非与非”门实现的逻辑图。

15、门实现的逻辑图。输 入输 出ABF3F2F1F0001110011101101011110111三、时序逻辑系统三、时序逻辑系统1 触发器触发器1)D触发器触发器 电路构成电路构成 逻辑功能逻辑功能QDCPQDCP在系统时钟脉冲控制下实现既定的在系统时钟脉冲控制下实现既定的逻辑功能的系统称为时序逻辑系统。逻辑功能的系统称为时序逻辑系统。这个时钟脉冲信号又称触发信号，这个时钟脉冲信号又称触发信号，CP，可以是单个的数字脉冲信号，可以是单个的数字脉冲信号，也可以是一种等间距的脉冲信号。也可以是一种等间距的脉冲信号。下降沿触发下降沿触发存数功能存数功能二分频电路二分频电路半加半加器运算器运算2)T

16、触发器触发器 电路构成电路构成 逻辑功能逻辑功能QTCPQTCP下降沿触发下降沿触发上升沿触发上升沿触发状态表状态表状态方程状态方程3)J-K 触发器触发器 逻辑电路逻辑电路 功能分析功能分析QJK CP功能功能11011000CPK JQn+1记忆记忆10 翻转翻转a)上升沿触发上升沿触发 说明：说明：b)JK可有多输入端可有多输入端J=J1J2K=K 1 K 2QJ1K1CP K2J2JK JK触发器构成其他类型电路触发器构成其他类型电路2、寄存器、寄存器1)数码寄存器数码寄存器数据线上有一数据数据线上有一数据A，要求存储数，要求存储数A，并在适当时送给某设备，并在适当时送给某设备ACP取

17、数取数DCPAQ Q取数取数QQ触发器触发器 数数=所需寄存的所需寄存的数码数码的位数的位数同时得到清零、送数、取数脉冲同时得到清零、送数、取数脉冲二进制数二进制数(register)102)移位寄存器移位寄存器组成寄存器的各触发器输出状态随脉冲依次传递组成寄存器的各触发器输出状态随脉冲依次传递Q3Q2Q1Q0脉冲到脉冲到左移左移右移右移Q3D3C3Q2D2C2Q1D1C1Q0D0C0CP1011Q3Q2Q1Q0CP0001 10010 20101 31011 40110 51000 70000 8110 601110D000000串出串出串入串入并出并出0000串行向并行转换串行向并行转换并

18、行向串行转换并行向串行转换D3、计数器、计数器(加法计数器、减法计数器和可逆计数加法计数器、减法计数器和可逆计数 器器)计数器按模数的不同，即每经过多少计数器按模数的不同，即每经过多少次计数后，计数器又回到初始状态，次计数后，计数器又回到初始状态，可分为二进制计数器、十进制计数器可分为二进制计数器、十进制计数器和任意进制计数器。和任意进制计数器。计数器工作时，组成计数器的触发器的状态要不断计数器工作时，组成计数器的触发器的状态要不断发生变化，因此按计数器中触发器翻转次序的不同，发生变化，因此按计数器中触发器翻转次序的不同，可分为可分为同步计数器同步计数器与与异步计数器异步计数器。1)异步异步

19、二进制计数器二进制计数器Q2J2C2K2Q1C1J1K1Q0C0J0K0CPQ0Q1Q2CP00010001011000110101111112345678 加法器加法器 计数能力：计数能力：2n|maxn为触发器个数为触发器个数 (2n)分频器分频器Q2J2C2K2Q1C1J1K1Q0C0J0K0CP 减法器减法器分析计数器电路的逻辑功能时，首先要了解电路中所使用的触分析计数器电路的逻辑功能时，首先要了解电路中所使用的触发器的逻辑功能及其触发方式，对异步计数器还应了解各触发发器的逻辑功能及其触发方式，对异步计数器还应了解各触发器的触发信号是何时提供的。器的触发信号是何时提供的。CP00010

20、0010110001101011111CP12345678Q0Q1Q2?若各触发器的脉冲引自若各触发器的脉冲引自Q端，端，则电路功能？则电路功能？加加法法器器减法器减法器Q0C0D0Q2C2D2D1Q1C12)计数器分析计数器分析分析分析同步、异步；同步、异步；几进制；几进制；加法、减法；加法、减法；波形图；波形图；电路结构电路结构1)列写状态转换表列写状态转换表(包括触发器驱动方程包括触发器驱动方程)K0=1CPQ2Q1Q000001010123452)结论结论111100010110000101111J2=Q1 Q0J1=1011111011111111110011011CPFF2Q2J2

21、K2FF1Q1J1K1FF0Q0J0K011异步五进制加法计数器异步五进制加法计数器CP12345678Q1Q2Q03)同步二进制计数器同步二进制计数器CPQ2J2C2K2Q1C1J1K1Q0C0J0K0CPQ2Q1Q0000010101011234567800000010110101111 加法器加法器Q0的翻转条件的翻转条件:J0=K0=1驱动方程驱动方程Q0=1J1=K1=Q0驱动方程驱动方程Q1=1 Q0=1驱动方程驱动方程Q1的翻转条件的翻转条件:Q2的翻转条件的翻转条件:J2=K2=Q1Q0&4)计数器的进位制计数器的进位制译码译码译码译码译码译码Q2Q1Q0CPCP译码译码Q2Q

22、1Q0逢逢 8 进一，进一，8进制进制 制制 逢逢 二进一，二进一，二进二进(8个状态一循环个状态一循环)译码器译码器功能与编码相反，把某种代码功能与编码相反，把某种代码“翻译翻译”成一个相应的输出信号成一个相应的输出信号 n-2n线译码器线译码器n为输入，为输入，2 n为输出为输出在计算机里，主要用于内存地址等方面在计算机里，主要用于内存地址等方面1M内存就是内存就是100万个内存，需万个内存，需100万个地址线万个地址线2-4；3-8；10-1024；20-100万万 逻辑图逻辑图由若干基本逻辑符号及它们之间的连线构成的图形由若干基本逻辑符号及它们之间的连线构成的图形实现了自变量与因变量间的某种逻辑关系实现了自变量与因变量间的某种逻辑关系1A1B&1ABF