数字电路第五版康华光ch.ppt

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1、数字电路的分析与设计数字电路的分析与设计1.分析分析电路分析电路分析:根据电路确定根据电路确定电路输出与输入之间的逻辑关系。电路输出与输入之间的逻辑关系。2.设计设计设计设计:从给定的逻辑功能要求出发，选择适当的逻辑器件，从给定的逻辑功能要求出发，选择适当的逻辑器件，设计出符合要求的逻辑电路设计出符合要求的逻辑电路。设计方式设计方式:分为传统的设计方式和基于分为传统的设计方式和基于EDA软件的设计方式。软件的设计方式。分析工具：分析工具：逻辑代数（又称布尔代数）。逻辑代数（又称布尔代数）。分析方法分析方法：真值表、电路图、卡诺图、逻辑表达式和：真值表、电路图、卡诺图、逻辑表达式和波形图。波形图

2、。1电路设计方法电路设计方法伴随器件变化从传统走向现代伴随器件变化从传统走向现代传统的设计方法：传统的设计方法：现代的设计方法：现代的设计方法：采采用用自自下下而而上上的的设设计计方方法法；由由人人工工组组装装,经经反反复复调调试试、验验证证、修修改改完完成成。所所用用的的元元器器件件较较多多，电电路路可可靠靠性性差差,设设计计周期长。周期长。现代现代EDA技术实现硬件设计软件化。采用从上到下设计技术实现硬件设计软件化。采用从上到下设计方法，电路设计、分析、仿真、修订全通过计算机完成。方法，电路设计、分析、仿真、修订全通过计算机完成。返回返回2 EDA技术以计算机为基本工具、借助于软件设计平台

3、，自技术以计算机为基本工具、借助于软件设计平台，自动完成数字系统的仿真、逻辑综合、布局布线等工作。最后下载动完成数字系统的仿真、逻辑综合、布局布线等工作。最后下载到芯片，实现系统功能。使硬件设计软件化。到芯片，实现系统功能。使硬件设计软件化。1.设计：设计：在计算机上利用软件平台进行设计在计算机上利用软件平台进行设计原理图设计原理图设计VerlogHDL语言设计语言设计状态机设计状态机设计设计方法设计方法EDA（Electronics Design Automation)技术技术33.3.下载下载2.2.仿真仿真4.4.验证结果验证结果实验板实验板下载线下载线返回返回4发展特点发展特点:以电子

4、器件的发展为基础以电子器件的发展为基础电子管时代电子管时代1906年，福雷斯特等发明了电子管；电子管年，福雷斯特等发明了电子管；电子管体积大、重量重、耗电大、寿命短。目前在体积大、重量重、耗电大、寿命短。目前在一些大功率发射装置中使用一些大功率发射装置中使用。电压控制器件电压控制器件电真空技术电真空技术数字技术的发展数字技术的发展5晶体管时代晶体管时代电流控制器件：半导体二极管、三极管电流控制器件：半导体二极管、三极管6半导体集成电路半导体集成电路7数字技术的发展数字技术的发展80年代后：年代后：ULSI，10亿个晶体管亿个晶体管/片片、ASIC 制作技术成熟。制作技术成熟。目前：芯片内部的布

5、线细微到亚微米目前：芯片内部的布线细微到亚微米(0.130.09 m)量级微量级微处处理器的时钟频率高达理器的时钟频率高达3GHz（109Hz）。）。90年代后：年代后：97年一片集成电路上有年一片集成电路上有40亿个晶体管。亿个晶体管。6070年代：年代：IC技术迅速发展：技术迅速发展：SSI、MSI、LSI、VLSI。10万个晶体管万个晶体管/片。片。将来：高分子材料或生物材料制成密度更高、三维结构的电路。将来：高分子材料或生物材料制成密度更高、三维结构的电路。返回返回8数码相机数码相机数码相机数码相机智能仪器智能仪器智能仪器智能仪器计算机计算机计算机计算机数字技术数字技术的应用的应用的应

6、用的应用返回返回910课程介绍课程介绍1.课程性质课程性质3.课程研究内容课程研究内容5.教材和参考书教材和参考书4.课程特点与学习方法课程特点与学习方法2.教学目标教学目标序言序言11 数字电子技术课程是电类各专业具有入门性质的重要的专数字电子技术课程是电类各专业具有入门性质的重要的专业基础课。业基础课。1.课程性质课程性质 获得适应信息时代的数字电子技术方面的基本理论、基获得适应信息时代的数字电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能。培养分析和解决实际问题的能力，为以本知识和基本技能。培养分析和解决实际问题的能力，为以后深入学习数字电子技术及其相关学科和专业打好以下两方后深入学习数字电子

7、技术及其相关学科和专业打好以下两方面的基础面的基础:2.教学目标教学目标正确分析、设计数字电路，特别是集成电路的基础；正确分析、设计数字电路，特别是集成电路的基础；为进一步学习、设计专用集成电路为进一步学习、设计专用集成电路(ASIC)打下坚实基础。打下坚实基础。12 数字信号传输、变换、产生等。内容涉及相关器件、数字信号传输、变换、产生等。内容涉及相关器件、功能电路及系统。功能电路及系统。硬件硬件 处理数字信号的电子电路及其逻辑功能处理数字信号的电子电路及其逻辑功能 数字电路的分析方法数字电路的分析方法 数字电路的设计方法数字电路的设计方法 各种典型器件在电子系统中的应用各种典型器件在电子系

8、统中的应用软件软件 系统分析、设计、仿真的软件工具：系统分析、设计、仿真的软件工具：EWB、Multisim、Protel、VHDL、Max Plus II和和 Quartus II等。等。3.课程研究内容课程研究内容13发展快发展快应用广应用广摩尔定律摩尔定律:是指集成电路芯片上可容纳的晶体管数目，是指集成电路芯片上可容纳的晶体管数目，约每隔约每隔1818个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，而个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，而价格下降一倍。摩尔定律是价格下降一倍。摩尔定律是Intel公司的创始人之一戈公司的创始人之一戈登登摩尔（摩尔（Gordon Moore）提出来的。提出来的。工程实践

9、性强工程实践性强4.4.课程特点与学习方法课程特点与学习方法课程特点课程特点144.4.课程特点与学习方法课程特点与学习方法掌握掌握基本概念、基本电路和基本分析、设计方法。基本概念、基本电路和基本分析、设计方法。能独立的应用所学的知识去分析和解决数字电路的实际能独立的应用所学的知识去分析和解决数字电路的实际问题问题的能力。能力。学习方法学习方法打好基础、打好基础、关注发展、关注发展、主动更新、主动更新、注重实践。注重实践。155.5.5.5.主要教材及参考书主要教材及参考书主要教材及参考书主要教材及参考书阎阎 石主编数字电子技术基础第五版石主编数字电子技术基础第五版 高等教育出版社高等教育出版

10、社蔡惟铮主编集成电子技术蔡惟铮主编集成电子技术 高等教育出版社高等教育出版社 电子工程手册编委会等编中外集成电路简明速查手册电子工程手册编委会等编中外集成电路简明速查手册-TTL、CMOS 电子工业出版社电子工业出版社 李哲英主编电子技术及其应用基础基础李哲英主编电子技术及其应用基础基础 高等教育出版社高等教育出版社王金明王金明,杨吉斌编杨吉斌编数字系统设计与数字系统设计与Verliog HDL 电子工业出电子工业出版社版社郑家龙、王小海主编集成电子技术基础教程高等教育出版社郑家龙、王小海主编集成电子技术基础教程高等教育出版社 161.1.数字逻辑基础数字逻辑基础1.1 数字电路与数字信号数字

11、电路与数字信号1.2 数制数制1.3 二进制数的算术运算二进制数的算术运算1.4 二进制代码二进制代码1.5 二值逻辑变量与基本逻辑运算二值逻辑变量与基本逻辑运算1.6 逻辑函数及其表示方法逻辑函数及其表示方法171.1 数字电路与数字信号数字电路与数字信号模拟电路：模拟电路：电子电路电子电路数字电路：数字电路：传递、处理模拟传递、处理模拟信号的电子电路信号的电子电路 传递、处理数字传递、处理数字信号的电子电路信号的电子电路数字信号数字信号时间上和幅度上都时间上和幅度上都离散变化的物理量离散变化的物理量 模拟信号模拟信号时间上和幅度上都时间上和幅度上都连续变化的物理量连续变化的物理量18u u

12、Ot Otu u1.1.1.1.模拟信号：模拟信号：模拟信号：模拟信号：时间和数值均连续变化的物理量，如正弦波、时间和数值均连续变化的物理量，如正弦波、三角波等。三角波等。一、模拟信号与数字信号一、模拟信号与数字信号19数字信号波形数字信号波形2.2.数字信号：数字信号：在时间上和数值上均离散变化的物理量。在时间上和数值上均离散变化的物理量。如矩形波。如矩形波。数字电路和模拟电路：工作信号，研究的对象不同，数字电路和模拟电路：工作信号，研究的对象不同，数字电路和模拟电路：工作信号，研究的对象不同，数字电路和模拟电路：工作信号，研究的对象不同，分析、设计方法以及所用的数学工具也相应不同。分析、设

13、计方法以及所用的数学工具也相应不同。分析、设计方法以及所用的数学工具也相应不同。分析、设计方法以及所用的数学工具也相应不同。20模模拟电拟电路路数字数字电电路路工作信号工作信号时间时间和数和数值值均均连续连续变变化化的物理量的物理量时间时间和数和数值值均均离散离散变变化化的物理量的物理量研究研究对对象象输输出与出与输输入信号在入信号在大小大小和和相位相位之之间间的关系的关系输输出与出与输输入信号之入信号之间间的的逻辑逻辑关系关系分析工具分析工具普通代数普通代数逻辑逻辑代数代数分析方法分析方法图图解法、估算法和微解法、估算法和微变变等效等效电电路法路法真真值值表、表、电电路路图图、卡、卡诺诺图图

14、、表达式和波形、表达式和波形图图半半导导体器件体器件工作状工作状态态放大放大状状态态饱饱和和或或截止截止状状态态基本基本单单元元基本放大器和运放基本放大器和运放逻辑门电逻辑门电路和路和锁锁存器存器3.3.模拟电路与数字电路的比较模拟电路与数字电路的比较214.4.模拟信号的数字表示模拟信号的数字表示 由于数字信号便于存储、分析和传输，通常都将模拟信号转由于数字信号便于存储、分析和传输，通常都将模拟信号转换为数字信号。换为数字信号。0 0 模拟信号模拟信号 模数转换器模数转换器 3 3 V V 数字输出数字输出 0 0 0 0 1 1 模数转换的实现模数转换的实现22二、数字电路的分类二、数字电

15、路的分类按所用器件制作工艺的不同：数字电路可分为双极型按所用器件制作工艺的不同：数字电路可分为双极型（TTL型）和单极型（型）和单极型（MOS型）两类。型）两类。按照电路的结构和工作原理的不同：数字电路可分为组合按照电路的结构和工作原理的不同：数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两类。组合逻辑电路没有记忆功能，逻辑电路和时序逻辑电路两类。组合逻辑电路没有记忆功能，其输出信号只与当时的输入信号有关，而与电路以前的状态其输出信号只与当时的输入信号有关，而与电路以前的状态无关。时序逻辑电路具有记忆功能，其输出信号不仅和当时无关。时序逻辑电路具有记忆功能，其输出信号不仅和当时的输入信号有关，而且与

16、电路以前的状态有关。的输入信号有关，而且与电路以前的状态有关。按集成度分类：数字电路可分为小规模（按集成度分类：数字电路可分为小规模（SSI，每片数，每片数十器件）、中规模（十器件）、中规模（MSI，每片数百器件）、大规模（，每片数百器件）、大规模（LSI，每片数千器件）和超大规模（，每片数千器件）和超大规模（VLSI，每片器件数目大于，每片器件数目大于1万）数字集成电路。集成电路从应用的角度又可分为通万）数字集成电路。集成电路从应用的角度又可分为通用型和专用型两大类型。用型和专用型两大类型。23可可编编程程逻辑逻辑器件、多功能器件、多功能专专用集成用集成电电路路106以上以上甚大甚大规规模模

17、大型存大型存储储器、微器、微处处理器理器10,00099,999超大超大规规模模小型存小型存储储器、器、门阵门阵列列1009999大大规规模模计计数器、加法器数器、加法器1299中中规规模模逻辑门逻辑门、触、触发发器器最多最多12个个小小规规模模典型集成典型集成电电路路门门的个数的个数分分类类集成度集成度:每一芯片所包含的门电路个数每一芯片所包含的门电路个数24三、数字电路的三、数字电路的特点特点电路简单电路简单,便于大规模集成便于大规模集成,批量生产批量生产可靠性、稳定性和精度高可靠性、稳定性和精度高,抗干扰能力强抗干扰能力强体积小体积小,通用性好通用性好,成本低成本低.具可编程性具可编程性

18、,可实现硬件设计软件化可实现硬件设计软件化高速度高速度 低功耗低功耗加密性好加密性好 25电压电压(V)(V)二值逻辑二值逻辑电电 平平+51H(高电平高电平)00L(低电平低电平)逻辑电平与电压值的关系（正逻辑）逻辑电平与电压值的关系（正逻辑）四、四、数字信号的描述方法数字信号的描述方法1.1.二值数字逻辑和逻辑电平二值数字逻辑和逻辑电平 在电路中用低、高电平表示在电路中用低、高电平表示0 0、1 1两种逻辑状态两种逻辑状态 0 0、1 1数码数码-表示数量时称二进制数表示数量时称二进制数表示数量时称二进制数表示数量时称二进制数表示方式表示方式二值数字逻辑二值数字逻辑 -表示事物状态时称二值

19、逻辑表示事物状态时称二值逻辑表示事物状态时称二值逻辑表示事物状态时称二值逻辑26(a)用逻辑电平描述的数字波形用逻辑电平描述的数字波形(b)16)16位数据的图形表示位数据的图形表示2.数字波形数字波形数字波形数字波形-是信号逻辑电平对时间的图形表示是信号逻辑电平对时间的图形表示.27高电平高电平低电平低电平有脉冲有脉冲*非归零型非归零型*归零型归零型 比特率比特率-每秒钟转输数据的位数每秒钟转输数据的位数无脉冲无脉冲(1)(1)数字波形的两种类型数字波形的两种类型:28(2)(2)周期性和非周期性周期性和非周期性 非周期性数字波形非周期性数字波形周期性数字波形周期性数字波形 29例例1.1

20、某通信系统每秒钟传输某通信系统每秒钟传输15440001544000位位(1.544(1.544兆位兆位)数据，数据，求每位数据的时间。求每位数据的时间。解：按题意，每位数据的时间为解：按题意，每位数据的时间为30例例1.2 设周期性数字波形的高电平持续设周期性数字波形的高电平持续6ms，低电平持续，低电平持续10ms，求占空比求占空比q。解：因数字波形的脉冲宽度解：因数字波形的脉冲宽度tw=6ms，周期，周期T=6ms+10ms=16ms。31非理想脉冲波形非理想脉冲波形(3)(3)实际脉冲波形及主要参数实际脉冲波形及主要参数32几个主要参数几个主要参数:占空比占空比 Q-表示脉冲宽度占整个

21、周期的百分比表示脉冲宽度占整个周期的百分比上升时间上升时间t tr r 和下降时间和下降时间t tf f-从脉冲幅值的从脉冲幅值的10%到到90%上升上升 下降所经历的时间下降所经历的时间(典型值典型值ns)脉冲宽度脉冲宽度 (tw)-脉冲幅值的脉冲幅值的50%50%的两个时间所跨越的时间的两个时间所跨越的时间周期周期 (T)-表示两个相邻脉冲之间的时间间隔表示两个相邻脉冲之间的时间间隔 tr脉冲宽度脉冲宽度 tw 0.5V 4.5V 2.5V 幅值幅值=5.0V 0.0V 5.0V tf0.5V 2.5V 4.5V 33(4)(4)时序图时序图-表明各个数字信号时序关系的多重波形图。表明各个

22、数字信号时序关系的多重波形图。由于各信号的路径不同，这些信号之间不可能严格保持同步关系。由于各信号的路径不同，这些信号之间不可能严格保持同步关系。为了保证可靠工作，各信号之间通常允许一定的时差，但这些时差为了保证可靠工作，各信号之间通常允许一定的时差，但这些时差必须限定在规定范围内，各个信号的时序关系用时序图表达。必须限定在规定范围内，各个信号的时序关系用时序图表达。34一般表达式一般表达式:一、十进制一、十进制十进制采用十进制采用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9十个数码，其进位的规则是十个数码，其进位的规则是“逢十进一逢十进一”。如如:4587.29=4 103+5 102+8 101

23、+7 100+2 10 1+9 10 2系数系数位权位权1.2数制数制数制数制:多位数码中的每一位数的构成及低位向高位进位的规则多位数码中的每一位数的构成及低位向高位进位的规则35二、二、二进制二进制二进制数的一般表达式为二进制数的一般表达式为二进制数的一般表达式为二进制数的一般表达式为:位权位权系数系数二进制数只有二进制数只有0、1两个两个数码，数码，进位规律是：进位规律是：“逢二进一逢二进一”.1.1.二进制数的表示方法二进制数的表示方法362.2.二进制数波形表示二进制数波形表示二进制数波形表示二进制数波形表示37二进制数据的串行传输二进制数据的串行传输二进制数据的串行传输二进制数据的串

24、行传输3.3.二进制数据的传输二进制数据的传输二进制数据的传输二进制数据的传输38二进制数据的并行传输二进制数据的并行传输二进制数据的并行传输二进制数据的并行传输 将一组二进制数据所有位同时传送。将一组二进制数据所有位同时传送。传送速率快传送速率快,但数据线较多，而且发送和接收设备较复杂。但数据线较多，而且发送和接收设备较复杂。391.1.十进制数转换成二进制数十进制数转换成二进制数 整数部分整数部分:除除2 2取余，余数倒级联；取余，余数倒级联；小数部分小数部分:乘乘2 2取整，整数正级联。取整，整数正级联。三、数制三、数制转换转换例例1.3 将十进制数将十进制数(37)D转换为二进制数。转

25、换为二进制数。40解：根据上述原理，可将解：根据上述原理，可将(37)D按如下的步骤转换为二进制数按如下的步骤转换为二进制数由上得由上得 (37)D=(100101)B例例1.3 将十进制数将十进制数(37)D转换为二进制数。转换为二进制数。问：当十进制数较大时，有什么方法使转换过程简化问：当十进制数较大时，有什么方法使转换过程简化?41例例(B 2.2.二进制转换二进制转换二进制转换二进制转换 成十六进制成十六进制成十六进制成十六进制以小数点为基准，分别向左，右，每四位为一组，首尾不以小数点为基准，分别向左，右，每四位为一组，首尾不足四位补足四位补0，每组对应一位，每组对应一位16进制数。进

26、制数。将每位将每位16进制数展开成四位二进制数，排列顺序不变即可。进制数展开成四位二进制数，排列顺序不变即可。例例(BEEF)H=(1011 1110 1110 1111)B十六进制转换成二进制：十六进制转换成二进制：十六进制转换成二进制：十六进制转换成二进制：例例(B=(78AE)H 例例(0B =423.3.二进制转换成八进制二进制转换成八进制二进制转换成八进制二进制转换成八进制将每位八进制数展开成三位二进制数，排列顺序不变即可。将每位八进制数展开成三位二进制数，排列顺序不变即可。转换时，由小数点开始，整数部分自右向左，小数部转换时，由小数点开始，整数部分自右向左，小数部分自左向右，三位一

27、组，不够三位的添零补齐，则每三位分自左向右，三位一组，不够三位的添零补齐，则每三位二进制数表示一位八进制数。二进制数表示一位八进制数。例例(10110.011)B=例例(752.1)O=(26.3)O(111 101 010.001)B八进制转换成二进制：八进制转换成二进制：八进制转换成二进制：八进制转换成二进制：431.4二进制代码二进制代码一、二一、二十进制码十进制码(BCD码码-Binary Code Decimal）用用4位二进制数来表示一位十进制数中的位二进制数来表示一位十进制数中的09十个数码。十个数码。从从4 位二进制数位二进制数16种代码中种代码中,选择选择10种来表示种来表示

28、09个数码的个数码的方案有很多种。每种方案产生一种方案有很多种。每种方案产生一种BCD码。码。二二进进制制数数不不仅仅可可以以表表示示不不同同的的数数量量大大小小，还还可可表表示示不不同同的事物。的事物。用二进制代码来表示特定的信息称为二进制代码。用二进制代码来表示特定的信息称为二进制代码。44BCD码十码十进制数码进制数码8421码码2421 码码5421 码码余余3码码余余3循循环码环码0000000000000001100101000100010001010001102001000100010010101113001100110011011001014010001000100011101

29、005010110111000100011006011011001001100111017011111011010101011118100011101011101111109100111111100110010101.1.几种常用几种常用的的BCD代码代码45对于有权对于有权BCD码，可以根据位权展开求得所代表的十进制码，可以根据位权展开求得所代表的十进制数。例如：数。例如：BCD8421 0111()D 7=11214180+=()D BCD2421 7112041211101=+=2.求求BCD代码表示的十进制数代码表示的十进制数46对于一个多位的十进制数，需要有与十进制位数相同的几对于一

30、个多位的十进制数，需要有与十进制位数相同的几组组BCD代码来表示。例如：代码来表示。例如：不能省略！不能省略！不能省略！不能省略！3.用用BCD代码表示十进制数代码表示十进制数47二、格二、格 雷雷 码码 格雷码是一种无权码。格雷码是一种无权码。二进制码二进制码b3b2b1b0格雷码格雷码G3G2G1G000000001001000110100010101100111100010011010101111001101111011110000000100110010011001110101010011001101111111101010101110011000 编码特点是：任何编码特点是：任何两个

31、相邻代码两个相邻代码之间仅有一位不同。之间仅有一位不同。该特点常用于模拟量的转换。当该特点常用于模拟量的转换。当模拟量发生微小变化，模拟量发生微小变化，格雷码仅仅格雷码仅仅改变一位，这与其它码同时改变改变一位，这与其它码同时改变2位或更多的情况相比，更加可靠位或更多的情况相比，更加可靠,且容易检错。且容易检错。48 三、三、ASCII 码码(字符编码字符编码)ASCII码即美国标准信息交换码。码即美国标准信息交换码。它共有它共有128个代码，可以表示大、小写英文字母、十进制个代码，可以表示大、小写英文字母、十进制数、标点符号、运算符号、控制符号等，普遍用于计算机数、标点符号、运算符号、控制符号等，普遍用于计算机的键盘指令输入和数据等的键盘指令输入和数据等。49