数字电路第一章上.ppt

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1、主讲：主讲：曹晓明曹晓明时时 间：间：20092009年年9 9月月8 8日日第一讲第一讲 绪论绪论&数制和码制数制和码制数字电子技术基础讲义内内容容提提要要原码、反码和补码原码、反码和补码二进制计算二进制计算二进制编码二进制编码数制及数制转换数制及数制转换绪论绪论第一部分第一部分第一部分第一部分 绪论绪论绪论绪论学时与学分学时与学分课程名称：数字电路课程名称：数字电路英文名称：英文名称：Digital Electronics 课程性质：专业必修课程性质：专业必修课程类型：独立设课课程类型：独立设课学时与学分：总学时：学时与学分：总学时：54 总学分：总学分：3 教材：数字电子技术基础教材：数

2、字电子技术基础（第五版）（第五版）阎石主编，高等教育出版社阎石主编，高等教育出版社,2006 本课程的性质本课程的性质“数字电路数字电路”是电子技术方面入门性质的是电子技术方面入门性质的技术基础技术基础课课其任务主要在于使学生通过系统的学习掌握数字电其任务主要在于使学生通过系统的学习掌握数字电子技术方面的子技术方面的基础知识基础知识、基本理论基本理论和和基本技能基本技能。课程特点课程特点数字电路是一门技术基础课程，是学习微机原理数字电路是一门技术基础课程，是学习微机原理(计算机原理计算机原理)、接口技术等计算机专业课程的基础，、接口技术等计算机专业课程的基础，既有丰富的理论体系，又有很强的实践

3、性既有丰富的理论体系，又有很强的实践性课程内容课程内容数制和码制数制和码制 逻辑代数基础逻辑代数基础 门电路门电路组合逻辑电路组合逻辑电路 触发器触发器 时序逻辑电路时序逻辑电路 脉冲波形的产生与整形脉冲波形的产生与整形 本课程的教学目标本课程的教学目标掌握数字电子技术基本理论及研究方法掌握数字电子技术基本理论及研究方法,并能够应用并能够应用这些理论和方法去分析解决实际问题；这些理论和方法去分析解决实际问题；对目前数字电子技术的发展情况有所了解，为现代对目前数字电子技术的发展情况有所了解，为现代电子技术及计算机技术等方面课程的学习奠定基础。电子技术及计算机技术等方面课程的学习奠定基础。重点掌握

4、组合逻辑电路和时序逻辑电路的基本原理、重点掌握组合逻辑电路和时序逻辑电路的基本原理、分析与设计方法以及常用器件的原理和使用方法分析与设计方法以及常用器件的原理和使用方法 学习重点学习重点在具体数字电路与分析和设计方法之间，以分析和在具体数字电路与分析和设计方法之间，以分析和设计方法为主设计方法为主在具体的设计步骤与所依据的概念和原理之间，以在具体的设计步骤与所依据的概念和原理之间，以概念和原理为主概念和原理为主在集成电路的内部工作原理与外部特性之间，以外在集成电路的内部工作原理与外部特性之间，以外部特性为主。部特性为主。学习方法的建议学习方法的建议抓住重点抓住重点 学会分析的方法，掌握共通性；

5、器件应用是重点，学会分析的方法，掌握共通性；器件应用是重点，但主要是器件的外特性和逻辑功能，内部构造和制但主要是器件的外特性和逻辑功能，内部构造和制造工艺不是重点造工艺不是重点培养自学的能力培养自学的能力按时完成作业，做好预习和复习按时完成作业，做好预习和复习联络方式联络方式曹晓明曹晓明 Tel：成绩考核成绩考核本课程的考核方式为：考试。课程总评成绩由期末考试成绩和平时成绩综合评定期末考试成绩占70；平时成绩包括考勤情况、课堂提问等占30。什么是电子技术什么是电子技术研究电子器件及其应用的科学研究电子器件及其应用的科学1904年第一只真空电子管，到目前为止年第一只真空电子管，到目前为止1个世纪

6、的个世纪的时间，发展非常迅速。特别是时间，发展非常迅速。特别是70年代以来，大规模年代以来，大规模集成电路的发展，带来了飞速的发展；集成电路的发展，带来了飞速的发展；电子技术和电子器件的发展密切相关电子技术和电子器件的发展密切相关众多的电子设备众多的电子设备第一代：真空电子管第一代：真空电子管1904年出现了第一只真空二极电子管,一般认为这标志着电子学的诞生.1904年，英国科学家弗来明，研制成功了单向导电的真空电子二极管，把它用于检波电路1925年10月2日发明了世界上第一台电视机1946年在美国诞生了第一台电子管电子计算机，共用了18000个真空电子管，重达30吨，功率140kW，运算速度

7、仅为5000次秒世界第一台计算机（世界第一台计算机（ENIAC）世界上第一台电子计算机“埃尼阿克”莫克利博士世界第一台计算机（世界第一台计算机（ENIAC）占地面积达占地面积达170平方米，重达平方米，重达30吨。吨。18800个真空管，长个真空管，长50英尺，宽英尺，宽30英尺英尺 1秒钟内进行了秒钟内进行了5000次加法运算和次加法运算和500次乘法运算。计算速次乘法运算。计算速度却是手工计算的度却是手工计算的20万倍万倍 投资投资46亿美金亿美金ENIAC每次一开机，整个费城西区的电灯都为之黯然失色每次一开机，整个费城西区的电灯都为之黯然失色 几乎每几乎每15分钟就可能烧掉一支真空管，操

8、作人员须花分钟就可能烧掉一支真空管，操作人员须花15分分钟以上的时间才能找出坏掉的管子钟以上的时间才能找出坏掉的管子 英国无线电工程师协会的蒙巴顿将军把英国无线电工程师协会的蒙巴顿将军把“埃尼阿克埃尼阿克”的出现的出现誉为誉为“诞生了一个电子的大脑诞生了一个电子的大脑”，“电脑电脑”的名称由此流传的名称由此流传开来。开来。ElectronicNumericalIntegratorAndComputerElectronicNumericalIntegratorAndComputer冯冯诺依曼诺依曼计算机之父计算机之父 冯诺依曼理论的要点冯诺依曼理论的要点是：是：1采用二进制数采用二进制数的形式表

9、示数据和的形式表示数据和指令；指令；2 将指令和将指令和数据顺序都存放在数据顺序都存放在存储器中；存储器中；3由控制由控制器、运算器、存储器、运算器、存储器、输入设备和输器、输入设备和输出设备五大部分组出设备五大部分组成计算机。成计算机。核心是核心是“存储程序存储程序”和和“程序控制程序控制”。人们把冯诺依曼的这人们把冯诺依曼的这个理论称为个理论称为冯诺依冯诺依冯诺依冯诺依曼体系结构曼体系结构曼体系结构曼体系结构。1949第一台冯诺依第一台冯诺依曼计算机诞生曼计算机诞生“计算机时代计算机时代”作为计算机从实验室走向社会的标志是作为计算机从实验室走向社会的标志是1951年研制成功并提交给美国人口

10、统计年研制成功并提交给美国人口统计使用的使用的UNIVAC（UNIVERZAL AUTOMATIC COMPUTER 通用自动计算机）。通用自动计算机）。它的研制者就是它的研制者就是ENIAC的研制者莫克利和埃克特。由于它显示出巨大的社会效的研制者莫克利和埃克特。由于它显示出巨大的社会效益和经济效益，因此，还有人认为益和经济效益，因此，还有人认为“计算机时代计算机时代”是从是从1951年开始的。年开始的。第二代：晶体管（半导体二、三极管）第二代：晶体管（半导体二、三极管）不需加热，寿命更长不需加热，寿命更长晶体管的发明，是电子技术发展的巨大飞跃晶体管的发明，是电子技术发展的巨大飞跃1953年晶

11、体管收音机问世，1956年第二代计算机晶体管计算机诞生，1957年苏联采用晶体管自动控制设备发射了第一颗人造地球卫星第三代：集成电路（第三代：集成电路（6170年代）年代）不需加热，寿命更长不需加热，寿命更长将电子技术发展推到了一个新的阶段将电子技术发展推到了一个新的阶段对计算机的发展有着重要意义对计算机的发展有着重要意义1958年,电子学领域出现三个重要发现和发明:集成电路、激光和相对论自由电子的回旋辐射IntegratedCircuit,IC1972年诞生了第四代计年诞生了第四代计算机算机微型计算机，微型计算机，并开始大量普及并开始大量普及 第四代：大规模、超大规模集成电路第四代：大规模、

12、超大规模集成电路集成电路集成到一个电路上集成电路集成到一个电路上进一步微型化，可靠性更高进一步微型化，可靠性更高第四代：大规模、超大规模集成电路第四代：大规模、超大规模集成电路集成电路集成到一个电路上；进一步微型化，可靠集成电路集成到一个电路上；进一步微型化，可靠性更高性更高电子技术的趋势电子技术的趋势微型化微型化输出大功率输出大功率承受高电压承受高电压电子技术课程的分类电子技术课程的分类数字电子技术数字电子技术模拟电子技术模拟电子技术数字量和模拟量数字量和模拟量模拟信号模拟信号模拟信号：时间上连续：时间上连续：任意时刻有一个相对的值任意时刻有一个相对的值数值上连续：数值上连续：可以是在一定范

13、围内的任意值可以是在一定范围内的任意值例如：电压、电流、温度、声音等例如：电压、电流、温度、声音等缺点：缺点：很难度量很难度量 容易受噪声的干扰容易受噪声的干扰 难以保存难以保存优点：优点：用精确的值表示事物用精确的值表示事物u模拟信号波形模拟信号波形t模拟信号和模拟电路模拟信号和模拟电路数字信号数字信号时间上离散，幅值上整量化的信号。常指在两个稳定状态之间作阶跃式变化的信号，可用0、1来表示。因此，又称为二进制信号二进制信号。数字信号有电位型（图a）和脉冲型（图b）两种表示形式。电位型是用信号的电位高低表示数字“1”和“0”；脉冲型是用脉冲的有无表示数字“1”和“0”。下图均表示了数字信号1

14、00110111。数字信号是离散信号数字信号是离散信号时间上离散：只在某些时刻有定义时间上离散：只在某些时刻有定义数值上离散：只能是有限集合的一个值数值上离散：只能是有限集合的一个值 （常用（常用0 0、1 1表示）表示）数字信号和数字电路数字信号和数字电路传递传递、变换变换、运算运算、存储存储以以及及显示显示等等Example 每人一个按键（每人一个按键（A、B、C），同意按下，不，同意按下，不同意不按。结果用指示灯表示，多数同意时指同意不按。结果用指示灯表示，多数同意时指示灯亮，否则不亮。示灯亮，否则不亮。例：三人表决器 键A、B、C按下时为“1”，不按时为“0”。输出量为 F，多数同意时

15、为“1”，指示灯亮，否则为“0”，指示灯不亮。分别用逻辑符号分别用逻辑符号“0”、“1”表示如下：表示如下：Example例：三人表决器ABCF00000010010001111000101111011111F=AB+BC+AC+ABC数字电路分类数字电路分类按电路类型分类 组合逻辑电路：是指在任意时刻产生的稳定输出值仅取决于该时刻电路输入值的组合，而与电路过去的输入值无关。如：译码器、数据选择器等。时序逻辑电路是指在任意时刻产生的稳定输出值不仅与该时刻电路的输入值有关，而且与电路过去的输入值有关。如：计数器、寄存器等。数字电路分类数字电路分类按集成度分类SSI(SmallScaleInteg

16、ration)数字电路分类数字电路分类按半导体的导电类型分类 双极型电路(TTL型)单极型电路(MOS型)Transister-Transister-LogicMetal-Oxide-Semiconductor数字电路的特点数字电路的特点数字电路研究的主要问题数字电路研究的主要问题数字逻辑电路主要研究电路输出信号状态与输入信号状态之间的逻辑关系逻辑关系。它包含逻辑电路分析和逻辑电路设计两个方面的内容。理论基础是逻辑代数逻辑代数。（1）逻辑电路分析：是要了解一个给定电路所实现的逻辑功能；（2）逻辑电路设计：是根据实际问题提出的功能要求，构造出实现该功能的电路。数字电路的应用数字电路的应用*音乐：

17、音乐：CD、MP3*电影：电影：MPEG、RM、DVD*数字电视数字电视*数字照相机数字照相机*数字摄像机数字摄像机*手机手机数字电路在日常生活、自动控制、测量数字电路在日常生活、自动控制、测量仪器、通信等领域得到广泛应用！仪器、通信等领域得到广泛应用！总总 结结逻辑代数逻辑代数 （英国数学家乔治（英国数学家乔治BooleBoole在十九世纪中期创立的）在十九世纪中期创立的）研究各个基本单元的状态（逻辑状态）研究各个基本单元的状态（逻辑状态）之之间的相互关系间的相互关系 （逻辑关系）（逻辑关系）。逻辑代数、真值表、卡诺图、逻辑代数、真值表、卡诺图、时序图等等。时序图等等。逻辑判断、逻辑推理、记

18、忆逻辑判断、逻辑推理、记忆(存储存储)、计数等。计数等。分析方法：分析方法：分析工具：分析工具：电路功能：电路功能：数字电路：数字电路：第二部分第二部分第二部分第二部分 数制和数制转换数制和数制转换数制和数制转换数制和数制转换本节重点本节重点数制的转换（二进制、八进制、十六进制）数制的转换（二进制、八进制、十六进制）BCD码（码（8421码、码、5421码、码、2421码、余码、余3码）码）原码、反码和补码原码、反码和补码数制和码制数制和码制a、进位制：表示数时，仅用一位数码往往不够用，必须用进位计数的方法组成多位数码。多位数码每一位的构成以及从低位到高位的进位规则称为进位计数制，简称进位制。

19、b、基 数：进位制的基数，就是在该进位制中可能用到的数码个数。c、位 权（位的权数）：在某一进位制的数中，每一位的大小都对应着该位上的数码乘上一个固定的数，这个固定的数就是这一位的权数。权数是一个幂。Example十进制，二进制，八进制，十六进制十进制，二进制，八进制，十六进制逢二进一逢二进一逢八进一逢八进一逢十进一逢十进一逢十六进一逢十六进一十进制十进制数码为：数码为：09；基数是；基数是10。运算规律：逢十进一，即：运算规律：逢十进一，即：9110。十进制数的权展开式：十进制数的权展开式：103、102、101、100称为十进制的权。各数位的权是10的幂。同样的数码在不同的数位上代表的数值

20、不同。任意一个十进制数都可以表示为各个数位上的数码与其对应的权的乘积之和，称权展开式。即：(5555)105103 510251015100又如：(209.04)10 2102 0101910001014 102十进制十进制二进制二进制二进制二进制数码为：数码为：0、1；基数是；基数是2。运算规律：逢二进一，即：运算规律：逢二进一，即：1110。二进制数的权展开式：二进制数的权展开式：如：如：(101.01)2 122 0211200211 22(5.25)10加法规则：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=10乘法规则：0.0=0，0.1=0，1.0=0，1.1=1运算运算规则规则各数位的权是的幂各数位的权是的幂二进制数只有0和1两个数码，它的每一位都可以用电子元件来实现，且运算规则简单，相应的运算电路也容易实现。