數(shù)字電路入門

1、數(shù)字電路課件 制作人：劉振來 彭勇 朱志斌石玉軍 張志榮 參考書： 1、康華光主編 電子技術基礎 數(shù)字部分（第四版） 2、閻 石主編 數(shù)字電子技術基礎 （第四版） 3、余孟嘗主編 數(shù)字電子技術基礎簡明教程 （第二版） 2001.8.16 第一章 數(shù)字電路基礎 1.1 1.1 數(shù)字電路的基本概念數(shù)字電路的基本概念 一、數(shù)字信號的特點一、數(shù)字信號的特點 數(shù)字信號在時間上和數(shù)值上均是離散的。數(shù)字信號在時間上和數(shù)值上均是離散的。 數(shù)字信號在電路中常表現(xiàn)為突變的電壓或電流數(shù)字信號在電路中常表現(xiàn)為突變的電壓或電流。 圖圖1.1.1 典型的數(shù)字信號典型的數(shù)字信號 V t (V) (ms) 5 0 10203

2、04050 有兩種邏輯體制：有兩種邏輯體制： 正邏輯體制正邏輯體制規(guī)定：高電平為邏輯規(guī)定：高電平為邏輯1，低電平為邏輯，低電平為邏輯0。 負邏輯體制負邏輯體制規(guī)定：低電平為邏輯規(guī)定：低電平為邏輯1，高電平為邏輯，高電平為邏輯0。 如果采用正邏輯，圖如果采用正邏輯，圖1.1.1所示的數(shù)字電壓信號就成為下圖所示邏所示的數(shù)字電壓信號就成為下圖所示邏 輯信號。輯信號。 二、正邏輯與負邏輯二、正邏輯與負邏輯 數(shù)字信號是一種二值信號，用兩個電平（高電平數(shù)字信號是一種二值信號，用兩個電平（高電平 和低電平）分別來表示兩個邏輯值（邏輯和低電平）分別來表示兩個邏輯值（邏輯1和邏輯和邏輯0）。）。 邏輯0 邏輯1

3、 邏輯0 邏輯1 邏輯0 三、數(shù)字信號的主要參數(shù)三、數(shù)字信號的主要參數(shù) 一個理想的周期性數(shù)字信號，可用以下幾個參數(shù)來描繪：一個理想的周期性數(shù)字信號，可用以下幾個參數(shù)來描繪： Vm信號幅度。信號幅度。 T信號的重復周期。信號的重復周期。 tW脈沖寬度。脈沖寬度。 q占空比。其定義為：占空比。其定義為： %100(%) W T t q V t (ms)0 Vm wt T 下圖所示為三個周期相同（圖所示為三個周期相同（T T=20ms=20ms），但幅度、脈沖寬度及占），但幅度、脈沖寬度及占 空比各不相同的數(shù)字信號。空比各不相同的數(shù)字信號。 V t (V) (ms) 5 0 1020304050 V

4、 t (V) (ms)0 1020304050 V t (V) (ms)0 1020304050 3.6 10 (a) (b) (c) 1.2 1.2 數(shù)數(shù) 制制 例例1.2.11.2.1 將二進制數(shù)將二進制數(shù)10011.10110011.101轉換成十進制數(shù)。轉換成十進制數(shù)。 解：解：將每一位二進制數(shù)乘以位權，然后相加，將每一位二進制數(shù)乘以位權，然后相加，可得可得 (10011.101)(10011.101)B B1 12 24 40 02 23 30 02 22 21 12 21 11 12 20 01 12 2 1 1 0 02 2 2 2 1 12 2 3 3 （19.625)19.6

5、25)D D 一、幾種常用的計數(shù)體制一、幾種常用的計數(shù)體制 1.1.十進制十進制(Decimal)(Decimal) 2. 2.二進制二進制(Binary)(Binary) 3. 3.十六進制十六進制(Hexadecimal)(Hexadecimal)與八進制（與八進制（OctalOctal） 二、不同數(shù)制之間的相互轉換二、不同數(shù)制之間的相互轉換 1 1二進制轉換成十進制二進制轉換成十進制 23 11 5 2 1 2 2 2 2 2 余0 余1 余1 余1 余1 0 b b b b b 0 1 2 3 4 讀 取 次 序 例例1.2.21.2.2 將十進制數(shù)將十進制數(shù)2323轉換成二進制數(shù)。轉

6、換成二進制數(shù)。 解：解： 用用“除除2 2取余取余”法轉換法轉換: : 2.2.十進制轉換成二進制十進制轉換成二進制 則（則（23)23)D D = =（10111)10111)B B 1.3 1.3 二二十進制碼（十進制碼（ BCDBCD碼）碼） BCDBCD碼碼用二進制代碼來表示十進制的用二進制代碼來表示十進制的 0 09 9十個數(shù)。十個數(shù)。 要用二進制代碼來表示十進制的要用二進制代碼來表示十進制的09十個數(shù)，至少十個數(shù)，至少 要用要用4位二進制數(shù)。位二進制數(shù)。 4位二進制數(shù)有位二進制數(shù)有16種組合，可從這種組合，可從這16種組合中選擇種組合中選擇 10種組合分別來表示十進制的種組合分別來

7、表示十進制的09十個數(shù)。十個數(shù)。 選哪選哪10種組合，有多種方案，這就形成了不同的種組合，有多種方案，這就形成了不同的 BCD碼。碼。 1.4 1.4 數(shù)字電路中的二極管與三極管數(shù)字電路中的二極管與三極管 (1)(1)加正向電壓加正向電壓V VF F時，二極管導通，管壓降時，二極管導通，管壓降V VD D可忽略?？珊雎?。 二極管相當于一個閉合的開關。二極管相當于一個閉合的開關。 一、二極管的開關特性一、二極管的開關特性 1 1二極管的靜態(tài)特性二極管的靜態(tài)特性 D V F IF (a) L R F K V FL R I (b) 可見，二極管在電路中表現(xiàn)為一個可見，二極管在電路中表現(xiàn)為一個受外加電

8、壓受外加電壓vi控制的開控制的開 關關。當外加電壓。當外加電壓vi為一脈沖信號時，二極管將隨著脈沖為一脈沖信號時，二極管將隨著脈沖 電壓的變化在電壓的變化在“開開”態(tài)與態(tài)與“關關”態(tài)之間轉換。這個轉換態(tài)之間轉換。這個轉換 過程就是二極管開關的過程就是二極管開關的動態(tài)特性動態(tài)特性。 (2)(2)加反向電壓加反向電壓V VR R時，二極管截止，反向電流時，二極管截止，反向電流I IS S可忽略。可忽略。 二極管相當于一個斷開的開關。二極管相當于一個斷開的開關。 D V R IS L R (a) K L R V R (b) 2 2二極管開關的動態(tài)特性二極管開關的動態(tài)特性 給二極管電路加入給二極管電路

9、加入 一個方波信號，電流的一個方波信號，電流的 波形怎樣呢？波形怎樣呢？ ts為存儲時間，為存儲時間，tt稱為渡稱為渡 越時間，越時間，trets十十tt稱為稱為 反向恢復時間反向恢復時間。 + D L R i v i (a) 反向恢復時間：反向恢復時間：t tre re t ts s十十t tt t 產(chǎn)生反向恢復過程的原因：產(chǎn)生反向恢復過程的原因： 反向恢復時間反向恢復時間t tre re就是存儲電荷消散所需要的時間。 就是存儲電荷消散所需要的時間。 + 區(qū)區(qū)PN 耗盡層 Lp nL 區(qū)中電子 區(qū)中空穴 濃度分布濃度分布 P N (a) (b) x 同理，二極管從截止轉為正向?qū)ㄒ残枰獣r間，

10、這段同理，二極管從截止轉為正向?qū)ㄒ残枰獣r間，這段 時間稱為開通時間。開通時間比反向恢復時間要小得多，時間稱為開通時間。開通時間比反向恢復時間要小得多， 一般可以忽略不計。一般可以忽略不計。 二、三極管二、三極管的開關特性的開關特性 1 1三極管的三種工作狀態(tài)三極管的三種工作狀態(tài) （1 1）截止狀態(tài)：）截止狀態(tài)：當當V VI I小于三極管發(fā)射結死區(qū)電壓時，小于三極管發(fā)射結死區(qū)電壓時，I IB BI ICBO CBO0 0，I IC C I ICEO CEO0 0，V VCE CE V VCC CC，三極管工作在截止區(qū)，對應圖 ，三極管工作在截止區(qū)，對應圖1.4.51.4.5（b b）中的）中的

11、A A點。點。 三極管工作在截止狀態(tài)的條件為：發(fā)射結反偏或小于死區(qū)電壓三極管工作在截止狀態(tài)的條件為：發(fā)射結反偏或小于死區(qū)電壓 +V + T 1 2 3 c b e R Rb CC VI iB iC C i C IB1 IB2 B3 IB4 IB5 IB=0 =IBS A B C D E vCE VCC VCC/RC ICS 0.7V I 此時，若調(diào)節(jié)此時，若調(diào)節(jié)R Rb b，則，則I IB B，I IC C，V VCE CE ，工作點沿著負載線由，工作點沿著負載線由A A 點點BB點點CC點點DD點向上移動。在此期間，三極管工作在放大區(qū)，點向上移動。在此期間，三極管工作在放大區(qū)， 其特點為其特

12、點為I IC CIIB B。 三極管工作在放大狀態(tài)的條件為：三極管工作在放大狀態(tài)的條件為：發(fā)射結正偏，集電結反偏發(fā)射結正偏，集電結反偏 （2 2）放大狀態(tài)：）放大狀態(tài)：當當V VI I為正值且大于死區(qū)電壓時，三極管導通。有為正值且大于死區(qū)電壓時，三極管導通。有 b I b BEI B R V R VV I +V + T 1 2 3 c b e R Rb CC VI iB iC C i C IB1 IB2 B3 IB4 IB5 IB=0 =IBS A B C D E vCE VCC VCC/RC ICS 0.7V I 若再減小若再減小R Rb b，I IB B會繼續(xù)增加，但會繼續(xù)增加，但I IC

13、 C已接近于最大值已接近于最大值V VCC CC/ /R RC C，不會再增加， ，不會再增加， 三極管進入飽和狀態(tài)。飽和時的三極管進入飽和狀態(tài)。飽和時的V VCE CE電壓稱為飽和壓降 電壓稱為飽和壓降V VCES CES，其典型 ，其典型 值為：值為：V VCES CES0.3V 0.3V。 三極管工作在飽和狀態(tài)的電流條件為：三極管工作在飽和狀態(tài)的電流條件為：I IB B I IBS BS 電壓條件為：集電結和發(fā)射結均正偏電壓條件為：集電結和發(fā)射結均正偏 （3 3）飽和狀態(tài)：）飽和狀態(tài)：保持保持V VI I不變，繼續(xù)減小不變，繼續(xù)減小R Rb b，當，當V VCE CE 0.7V0.7V時

14、，集電時，集電 結變?yōu)榱闫?，稱為臨界飽和狀態(tài)，對應圖（結變?yōu)榱闫?，稱為臨界飽和狀態(tài)，對應圖（b b）中的）中的E E點。此時的點。此時的 集電極電流稱為集電極飽和電流，用集電極電流稱為集電極飽和電流，用I ICS CS表示，基極電流稱為基極 表示，基極電流稱為基極 臨界飽和電流，用臨界飽和電流，用I IBS BS表示，有 表示，有: : C CC C 0.7V- R V R V I CC CS C CCCS BS R VI I 解：解： 根據(jù)飽和條件根據(jù)飽和條件IBIBS解題。解題。 例例1.4.1 電路及參數(shù)如圖電路及參數(shù)如圖1.4.6所示，設輸入電壓所示，設輸入電壓VI=3V，三極管的，三

15、極管的 VBE=0.7V。 （1 1）若）若6060，試判斷，試判斷三極管三極管是否飽和，并求出是否飽和，并求出IC和和VO的值的值。 （2）將）將RC改為改為6.8kW W，重復以上計算。，重復以上計算。 +V + + - T 1 2 3 R Rb CC I V C （+12V） O V 10k 100k 圖1.4.6 例1.4.1電路 )mA0.023( 100 0.7-3 B I )mA0.020( 1060 12 C CC BS R V I IBIBS 三極管飽和。 )mA1.2( 10 12 C CC CSC R V II V3 . 0 CESO VV IB不變，仍為0.023mA

16、)mA0.029( 6.860 12 C CC BS R V I IBIBS 三極管處在放大狀態(tài)。 )mA1.4(0.02360 B IIC )V2.48(6.81.4-12- CCCCCEO RIVVV （3）將）將RC改為改為6.8kW W，再將，再將Rb改為改為60kW W，重復以上計算。，重復以上計算。 由上例可見，由上例可見，Rb 、RC 、等參數(shù)都能決等參數(shù)都能決 定三極管是否飽和。定三極管是否飽和。 該電路的則飽和條件可寫為：該電路的則飽和條件可寫為： 即即在在VI一定（要保證發(fā)射結正偏）和一定（要保證發(fā)射結正偏）和VCC一定的條件下，一定的條件下，Rb越小，越小， 越大，越大，

17、RC越大，三極管越容易飽和。越大，三極管越容易飽和。在數(shù)字電路中總是合理在數(shù)字電路中總是合理 地選擇這幾個參數(shù)，使三極管在導通時為飽和導通。地選擇這幾個參數(shù)，使三極管在導通時為飽和導通。 +V + + - T 1 2 3 R Rb CC I V C （+12V） O V 10k 100k 圖1.4.6 例1.4.1電路 )mA0.038( 60 0.7-3 B I IBS0.029 mA IBIBS 三極管飽和。 )mA1.76( 6.8 12 C CC CS R V IIC V3 . 0 CESO VV b I R V C CC R V 2 2三極管的動態(tài)特性三極管的動態(tài)特性 （1 1）延遲

18、時間延遲時間t td d 從輸入信號從輸入信號v vi i正跳變的正跳變的 瞬間開始，到集電極電流瞬間開始，到集電極電流i iC C 上升到上升到0.10.1I ICS CS所需的時間 所需的時間 （2 2）上升時間上升時間t tr r 集電極電流從集電極電流從0.10.1I ICS CS上 上 升到升到0.90.9I ICS CS所需的時間。 所需的時間。 （3 3）存儲時間存儲時間t ts s 從輸入信號從輸入信號v vi i下跳變的下跳變的 瞬間開始，到集電極電流瞬間開始，到集電極電流i iC C 下降到下降到0.90.9I ICS CS所需的時間。 所需的時間。 （4 4）下降時間下降

19、時間t tf f 集電極電流從集電極電流從0.90.9I ICS CS下降 下降 到到0.10.1I ICS CS所需的時間。 所需的時間。 一、一、 基本邏輯運算基本邏輯運算 與邏輯舉例：與邏輯舉例： 設設1 1表示開關閉合或燈亮；表示開關閉合或燈亮； 0 0表示開關不表示開關不 閉合或燈不亮，閉合或燈不亮， 則得則得真值表真值表。 1.5 1.5 基本邏輯運算基本邏輯運算 與運算與運算只有當決定一件事情的條件全部具備之后，這件事情只有當決定一件事情的條件全部具備之后，這件事情 才會發(fā)生。我們把這種因果關系稱為才會發(fā)生。我們把這種因果關系稱為與邏輯與邏輯。 1 1與運算與運算 BAL 若用邏

20、輯表達式若用邏輯表達式 來描述，則可寫為來描述，則可寫為 2 2或運算或運算當決定一件事情的幾個條件中，只要有一個或一個當決定一件事情的幾個條件中，只要有一個或一個 以以 上條件具備，這件事情就發(fā)生。我們把這種因果關系稱為或邏輯。上條件具備，這件事情就發(fā)生。我們把這種因果關系稱為或邏輯。 或邏輯舉例：或邏輯舉例： 若用邏輯表達式若用邏輯表達式 來描述，則可寫為：來描述，則可寫為： L LA A+ +B B 3 3非運算非運算某事情發(fā)生與否，僅取決于一個條件，某事情發(fā)生與否，僅取決于一個條件， 而且是對該條件的否定。即條件具備時事情不發(fā)生；而且是對該條件的否定。即條件具備時事情不發(fā)生； 條件不具

21、備時事情才發(fā)生。條件不具備時事情才發(fā)生。 非邏輯舉例：非邏輯舉例： 若用邏輯表達式來描述，若用邏輯表達式來描述， 則可寫為：則可寫為： AL 二、其他常用邏輯運算二、其他常用邏輯運算 2 2或非或非 由或運算和非運算組合而成。由或運算和非運算組合而成。 1 1與非與非 由與運算和非運算組合而成。由與運算和非運算組合而成。 A B 00 0 0 1 1 1 1 1 110 & A B L=AB (a) (b) L=AB 01 A B 1 01 1 L=A+B A 00 B 1 (a) (b) 0 0 0 L=A+B 1 3 3異或異或 異或是一種異或是一種二變量二變量邏輯運算，邏輯運算，當兩個變

22、量取值相同時，邏輯函數(shù)當兩個變量取值相同時，邏輯函數(shù) 值為值為0 0；當兩個變量取值不同時，邏輯函數(shù)值為；當兩個變量取值不同時，邏輯函數(shù)值為1 1。 異或的邏輯表達式為：異或的邏輯表達式為： BAL 110 0 (b) B A 0 A B 1 0 10 1 (a) 0 1 L=A =1 +AB + B 1.6 1.6 邏輯函數(shù)及其表示方法邏輯函數(shù)及其表示方法 解：解：第一步：設置自變量和因變量。第一步：設置自變量和因變量。 第二步：第二步：狀態(tài)賦值。狀態(tài)賦值。 對于自變量對于自變量A A、B B、C C設：設： 同意為邏輯同意為邏輯“1”1”， 不同意為邏輯不同意為邏輯“0”0”。 對于因變量

23、對于因變量L L設：設： 事情通過為邏輯事情通過為邏輯“1”1”， 沒通過為邏輯沒通過為邏輯“0”0”。 一、邏輯函數(shù)的建立一、邏輯函數(shù)的建立 例例1.6.11.6.1 三個人表決一件事情，結果按三個人表決一件事情，結果按“少數(shù)服從多數(shù)少數(shù)服從多數(shù)”的原則決的原則決 定，試建立該邏輯函數(shù)。定，試建立該邏輯函數(shù)。 第三步：第三步：根據(jù)題義及上述規(guī)定根據(jù)題義及上述規(guī)定 列出函數(shù)的真值表如表。列出函數(shù)的真值表如表。 一般地說，若輸入邏輯變量一般地說，若輸入邏輯變量A A、B B、C C 的取值確定以后，輸出邏輯變量的取值確定以后，輸出邏輯變量L L的值也的值也 唯一地確定了，就稱唯一地確定了，就稱L

24、 L是是A A、B B、C C的邏輯的邏輯 函數(shù)，寫作：函數(shù)，寫作： L L= =f（A A，B B，C C） 邏輯函數(shù)與普通代數(shù)中的函數(shù)相比較，有兩邏輯函數(shù)與普通代數(shù)中的函數(shù)相比較，有兩 個突出的特點：個突出的特點： （1 1）邏輯變量和邏輯函數(shù)只能取兩個值）邏輯變量和邏輯函數(shù)只能取兩個值0 0和和1 1。 （2 2）函數(shù)和變量之間的關系是由）函數(shù)和變量之間的關系是由“與與”、 “或或”、“非非”三種基本運算決定的。三種基本運算決定的。 二、邏輯函數(shù)的表示方法二、邏輯函數(shù)的表示方法 例例1.6.2 1.6.2 列出下列函數(shù)的真值表：列出下列函數(shù)的真值表： ABCCABCBABCAL BABA

25、L 1 1真值表真值表將輸入邏輯變量的各種可能取值和相應的函數(shù)值排將輸入邏輯變量的各種可能取值和相應的函數(shù)值排 列在一起而組成的表格。列在一起而組成的表格。 2 2函數(shù)表達式函數(shù)表達式由邏輯變量和由邏輯變量和“與與”、“或或”、“非非”三種運三種運 算符所構成的表達式。算符所構成的表達式。 由真值表可以轉換為函數(shù)表達式。例如，由由真值表可以轉換為函數(shù)表達式。例如，由“三人表決三人表決”函數(shù)的函數(shù)的真真 值表可寫出值表可寫出邏輯表達式：邏輯表達式： 反之，由函數(shù)表達式也可以轉換成真值表。反之，由函數(shù)表達式也可以轉換成真值表。 解：解：該函數(shù)有兩個變量，有該函數(shù)有兩個變量，有4 4種取值的種取值的 可能組合，將他們按順序排列起來即可能組合，將他們按順序排列起來即 得真值表。得真值表。 3 3邏輯圖邏輯圖邏輯圖是由邏輯符號及它們之間的連線而構成的圖形邏輯圖是由邏輯符號及它們之間的連線而構成的圖形。 由邏輯圖也可以寫出其相應由邏輯圖也可以寫出其相應 的函數(shù)表達式。的函數(shù)表達式。 例例1.6.41.6.4 寫出如圖所示邏輯圖的函數(shù)表達式。寫出如圖所示邏輯圖的函數(shù)表達