01-1-0 第一章数制与码制.ppt
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1、数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计 12/28/2022编者:卢庆莉 一、课程性质、目的与任务一、课程性质、目的与任务 本课程是高校工科电气、电子信息类专业本课程是高校工科电气、电子信息类专业本科生在电子技术方面的本科生在电子技术方面的学科基础课学科基础课。学习本。学习本课程是为了给课程是为了给微机系统与接口技术微机系统与接口技术、单单片机原理与应用片机原理与应用、计算机组成原理原理计算机组成原理原理、数字信号处理数字信号处理、自动控制自动控制等后续课程等后续课程打下基础。本课程具有较强的逻辑推理和实践打下基础。本课程具有较强的逻辑推理和实践性,能培养学生的思维能力和适应工作和科研性,能培养
2、学生的思维能力和适应工作和科研的动手能力。的动手能力。1 1、课程性质课程性质12/28/2022编者:卢庆莉 2 2、目的与任务目的与任务 本课程的目的和任务是使学生掌握数本课程的目的和任务是使学生掌握数字逻辑的基本理论,了解常用数字器件字逻辑的基本理论,了解常用数字器件的结构、工作原理、逻辑功能和使用方的结构、工作原理、逻辑功能和使用方法,掌握数字电路的分析、设计方法。法,掌握数字电路的分析、设计方法。掌握掌握PLDPLD器件的基本工作原理和应用器件的基本工作原理和应用PLDPLD器件实现组合逻辑电路和时序逻辑电路器件实现组合逻辑电路和时序逻辑电路的基本方法,了解数字系统设计的自顶的基本方
3、法,了解数字系统设计的自顶向下设计方法。向下设计方法。12/28/2022编者:卢庆莉 3、电子技术的应用领域:电子技术的应用领域:4个个CC:CommunicationC:ControlC:ComputerC:Culture Life通信通信控制控制电子计算机电子计算机文化生活文化生活12/28/2022编者:卢庆莉 二、教学内容、课时分配二、教学内容、课时分配课程内容大致分为三个部分:课程内容大致分为三个部分:数字逻辑基础数字逻辑基础 5151学时学时可编程逻辑器件可编程逻辑器件 5 5学时学时数字系统设计数字系统设计 8 8学时学时12/28/2022编者:卢庆莉 三、成绩的评定三、成绩
4、的评定平时成绩占总成绩:平时成绩占总成绩:10%10%期末考试成绩占总成绩期末考试成绩占总成绩 70%70%(作业、到课率、课堂提问)(作业、到课率、课堂提问)期中考试成绩占总成绩:期中考试成绩占总成绩:20%20%着重强调:本门课程的考核采取考教分离着重强调:本门课程的考核采取考教分离12/28/2022编者:卢庆莉 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;12/28/2022编者:卢庆莉 世界上第一台电子数字计算机世界上第一
5、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机那么机那么大(大(而而Pentium 的运算能力可达每秒钟上亿次)
6、。的运算能力可达每秒钟上亿次)。12/28/2022编者:卢庆莉 2.晶体管时代晶体管时代1947年晶体管诞生;年晶体管诞生;1956年晶体管的发明者门获得诺贝尔物年晶体管的发明者门获得诺贝尔物理学奖;理学奖;美国贝尔实验室:美国贝尔实验室:肖克利、巴丁、布拉顿。肖克利、巴丁、布拉顿。12/28/2022编者:卢庆莉 12/28/2022编者:卢庆莉 12/28/2022编者:卢庆莉 3.集成电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
7、: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双列直插结构。电子线路。外型一般用金属圆壳或双列直插结构。集成电路具有集成电路具有性能好性能好,可靠性高,可靠性高,体积小体积小,耗电少耗电少,成本低成本低等优点。等优点。12/28/2022编者:卢庆莉 集成度:集成度:SSI:1 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;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。12/28/2022编者:卢庆莉 12/28/2022编者:卢庆莉 4
8、.大规模集成电路(大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电和超大规模集成电路路(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 2GHz12/28/2022编者:卢庆莉 二、数字电子技术的优点二、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;低来表示,与幅值无
9、关;判决判决门限门限电平电平12/28/2022编者:卢庆莉 2.测量仪表中:测量仪表中:如数字万用表如数字万用表、数字示波器、数字频率计。数字示波器、数字频率计。3.集成度高集成度高-数字比模拟仪表精度高,功能强,易于数字比模拟仪表精度高,功能强,易于自动化、智能化、可靠性高、体积小自动化、智能化、可靠性高、体积小集成电路的集成度越高所具有的集成电路的集成度越高所具有的性能越好性能越好,可靠性越高,可靠性越高,体积越小体积越小,耗电越少耗电越少,成本越低。成本越低。12/28/2022编者:卢庆莉 三、模拟信号和数字信号三、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
10、连续、时间连续。ut模拟电路:模拟电路:以模拟信号作为研究对象的电路,主以模拟信号作为研究对象的电路,主要分析输入、输出信号在频率、幅度、相位等方要分析输入、输出信号在频率、幅度、相位等方面的不同,如交、直流放大器(面的不同,如交、直流放大器(AC、DC Amplifier)、)、信号发生器(信号发生器(Signal Generator)、)、滤波器(滤波器(Filter)等。等。12/28/2022编者:卢庆莉 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。Dt0011000101010112/28/2022编者:卢庆莉 数字电路数字电路常见逻辑电路:常见逻辑电路:逻辑门、
11、组合逻辑电路、时序逻逻辑门、组合逻辑电路、时序逻辑电路、存储器、辑电路、存储器、PLDPLD二值逻辑(数字逻辑):二值逻辑(数字逻辑):用彼此相关又对立的两用彼此相关又对立的两种状态来代表逻辑变量种状态来代表逻辑变量1 1和和0 0,在数字电路中常用,在数字电路中常用开关的闭合与断开、指示灯的亮灭、特别是电平开关的闭合与断开、指示灯的亮灭、特别是电平的高低。的高低。数字电路研究:数字电路研究:输入与输出的逻辑关系输入与输出的逻辑关系数字电路:数字电路:以数字信号作为工作对象和研究对象以数字信号作为工作对象和研究对象的电路。的电路。12/28/2022编者:卢庆莉 四、本课程的研究内容 1.逻辑
12、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.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。12/28/2022编者:卢庆莉 2.独立、按时完成作业,主动质疑;独立、按时完成作业,主动质疑;五、学习方法五、学习方法 3.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;4.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
13、点放在逻辑功能和使用方法逻辑功能和使用方法;理论实践结合,注重课堂学习,掌握学习技理论实践结合,注重课堂学习,掌握学习技巧,持之以恒巧,持之以恒要求学生做到要求学生做到:.强调实验动手能力。强调实验动手能力。12/28/2022编者:卢庆莉 六、六、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12/28/2022编者:卢庆莉 第一章第一章 数制与码制数制与码制 一一 十进制(十进制(Decima
14、l)用来表征数值信息。用来表征数值信息。在数字电路中在数字电路中,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)12/28/2022编者:卢庆莉 例例1:(555)10=5102+5101+5 100 例例2:(:(146.5)10=
15、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。12/28/2022编者:卢庆莉 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
16、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(只有)运算规则简单(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。12/28/2022编者:卢庆莉 (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
17、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;12/28/2022编者:卢庆莉 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+12-2Di2i12/28/2022编者:卢庆莉 三三
18、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+68-1Oi8i(N)8Oi 8i12/28/2022编者:卢庆莉 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+1416-1Hi16i12/28/
19、2022编者:卢庆莉 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=(60.6
20、25)103161+12160+1016-1=(60.625)1012/28/2022编者:卢庆莉 2 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二分别转换成二 八八 十六进制数十六进制数,再将转换结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,直至商为除基数取余法,直至商为0,余数倒序排。,余数倒序排。.12/28/2022编者:卢庆莉 例:将(例:将(60)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
21、。所以,(所以,(60)10=(111100)22 6030 02150271231211201高高低低余数余数12/28/2022编者:卢庆莉 (60)10=(?)(?)8(60)10=(74)8(60)10=(?)(?)16(60)10=(3C)1612/28/2022编者:卢庆莉 (2)小数的转换)小数的转换方法:方法:乘基数取整法,直至小数为乘基数取整法,直至小数为0或满足精度,或满足精度,整数正序排。整数正序排。举例举例: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 十十六进制数。六进制数。12/28/2022编者:卢庆莉 例例:将十进制数将十进制数(0.62
22、5)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(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)1612/28/2022编者:卢庆莉 3 转换误差转换误差(难点难点)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
23、。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。12/28/2022编者:卢庆莉 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
24、,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。12/28/2022编者:卢庆莉 练习:练习:(0.875)10=(?)2,要求转换后的精度不低于原精度。,要求转换后的精度不低于原精度。答案:答案:(0.875)10=(0.1110000000)2,至少取,至少取10位。位。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)解:设二进制数小数点后有解:设二进制数
25、小数点后有n位小数,位小数,解得解得 n 10。12/28/2022编者:卢庆莉 4 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:二进制数由小数点开始分别向左和向右每转换方法: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
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- 01-1-0 第一章 数制与码制 01 数制
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