數(shù)字技術的發(fā)展和應用(第1章)

1、l 數(shù)字技術的發(fā)展和應用數(shù)字技術的發(fā)展和應用l 模擬信號和數(shù)字信號模擬信號和數(shù)字信號l 數(shù)字電路的特點和分類數(shù)字電路的特點和分類l 學習本課程應注意的問題學習本課程應注意的問題l 授課計劃與考核要求授課計劃與考核要求一、數(shù)字技術的發(fā)展一、數(shù)字技術的發(fā)展20世紀中期至世紀中期至21世紀初，電子技術特別是數(shù)字電子技術得到世紀初，電子技術特別是數(shù)字電子技術得到了飛速的發(fā)展，使工業(yè)、農業(yè)、科研、醫(yī)療以及人們的日常了飛速的發(fā)展，使工業(yè)、農業(yè)、科研、醫(yī)療以及人們的日常生活發(fā)生了根本性的變革。生活發(fā)生了根本性的變革。二、數(shù)字技術的應用二、數(shù)字技術的應用電視技術電視技術雷達技術雷達技術通信技術通信技術計算機、

2、自動控制計算機、自動控制航空航天航空航天數(shù)碼相機數(shù)碼相機MP3、MP4人類社會進入信息數(shù)字化的時代，人類社會進入信息數(shù)字化的時代，“數(shù)字邏輯數(shù)字邏輯”是數(shù)字技術的基礎，是數(shù)字技術的基礎，是電子信息類各專業(yè)的主要技術是電子信息類各專業(yè)的主要技術基礎課程之一。基礎課程之一?！皵?shù)字化數(shù)字化”：許多傳統(tǒng)使用模擬技術的領域轉而使用數(shù)字技術。許多傳統(tǒng)使用模擬技術的領域轉而使用數(shù)字技術。一、模擬信號：一、模擬信號：如：如：工頻信號；工頻信號； 射頻信號；射頻信號； 音、視頻信號等。音、視頻信號等。時間連續(xù)、數(shù)值也連續(xù)的信號。時間連續(xù)、數(shù)值也連續(xù)的信號。l模擬電子電路：分析處理模擬信號的電路系統(tǒng)。模擬電子電路

3、：分析處理模擬信號的電路系統(tǒng)。 圖圖1-1正弦波正弦波圖圖1-2語音信號語音信號主要參數(shù)：主要參數(shù)：頻率、帶寬、功率等。頻率、帶寬、功率等。特點：基本元件為晶體管，通常工作在放大區(qū)。特點：基本元件為晶體管，通常工作在放大區(qū)。二、數(shù)字信號：二、數(shù)字信號：最常見是二值離散信號：最常見是二值離散信號：由由高低兩種電平高低兩種電平構成的矩形波。構成的矩形波。tv通常用通常用1表示高電平；用表示高電平；用0表示低電平。表示低電平。將矩形波按周期劃分，可以得到將矩形波按周期劃分，可以得到0和和1構成的一串數(shù)字。構成的一串數(shù)字。0 1 0 0 1 1 0 1 0數(shù)字電路數(shù)字電路處理數(shù)字信號的電子電路處理數(shù)字

4、信號的電子電路l特點：數(shù)值的大小和每次的增減都是量化單位的整數(shù)倍。特點：數(shù)值的大小和每次的增減都是量化單位的整數(shù)倍。時間離散、數(shù)值也離散的信號。時間離散、數(shù)值也離散的信號。td15431. 1. 抗干擾性強抗干擾性強; 2.; 2.便于存儲便于存儲; ;3. 3. 便于利用計算機、便于利用計算機、DSPDSP等進行信號處理等進行信號處理. .數(shù)字信號的優(yōu)點：數(shù)字信號的優(yōu)點：數(shù)字電路：數(shù)字電路：處理數(shù)字信號的電子電路。處理數(shù)字信號的電子電路。一、數(shù)字電路的特點一、數(shù)字電路的特點電路的結構以二值數(shù)字邏輯為基礎；電路的結構以二值數(shù)字邏輯為基礎；處理的信號是離散的數(shù)字信號；處理的信號是離散的數(shù)字信號；

5、電路中的電子器件工作在開關狀態(tài)，易于實現(xiàn)，便于集成化。電路中的電子器件工作在開關狀態(tài)，易于實現(xiàn)，便于集成化。二、數(shù)字電路的分類二、數(shù)字電路的分類1、根據(jù)邏輯功能的不同特點分：、根據(jù)邏輯功能的不同特點分：組合邏輯電路；組合邏輯電路； 時序邏輯電路。時序邏輯電路。2、根據(jù)所用的半導體器件分：、根據(jù)所用的半導體器件分：雙極型：雙極型：單極型：單極型：3、根據(jù)集成度分：、根據(jù)集成度分：小規(guī)模小規(guī)模 ；中規(guī)模；中規(guī)模 ；大規(guī)模；大規(guī)模 ；超大規(guī)模；超大規(guī)模TTL等等CMOS等等一、注重概念和基礎一、注重概念和基礎二、集成電路為主；邏輯功能為主二、集成電路為主；邏輯功能為主三、重視實踐三、重視實踐數(shù)字電子

6、技術基礎是一門專業(yè)技術基礎課程，有比較完整的理論體系，同數(shù)字電子技術基礎是一門專業(yè)技術基礎課程，有比較完整的理論體系，同時還具有很強的實踐性。針對課程特點，在學習中需要注意學習方法：時還具有很強的實踐性。針對課程特點，在學習中需要注意學習方法：本課程的重點是數(shù)字電路的基本概念、基本原理、分析方法、設計本課程的重點是數(shù)字電路的基本概念、基本原理、分析方法、設計方法和實驗調試方法。只要掌握了基本的原理和方法，我們就可以方法和實驗調試方法。只要掌握了基本的原理和方法，我們就可以分析給出的任何一種數(shù)字電路；也可以根據(jù)提出的任何一種邏輯功分析給出的任何一種數(shù)字電路；也可以根據(jù)提出的任何一種邏輯功能，設計

7、出相應的邏輯電路。能，設計出相應的邏輯電路。對于各類數(shù)字集成電路器件，重點是掌握他們的外部特性，包括邏輯對于各類數(shù)字集成電路器件，重點是掌握他們的外部特性，包括邏輯功能和輸入、輸出端的電氣特性。為了更好的理解和運用電路器件的功能和輸入、輸出端的電氣特性。為了更好的理解和運用電路器件的外部特性，需要理解他們的輸入電路和輸出電路的結構及其原理。至外部特性，需要理解他們的輸入電路和輸出電路的結構及其原理。至于內部的電路結構和詳細工作過程都不是重點，不需要去記憶。于內部的電路結構和詳細工作過程都不是重點，不需要去記憶。通過實驗的訓練，加深對理論知識的理解和掌握，同時更重要的是要通過實驗的訓練，加深對理

8、論知識的理解和掌握，同時更重要的是要學習和掌握電子技術實驗的研究方法。將理論和實際有機地結合，學學習和掌握電子技術實驗的研究方法。將理論和實際有機地結合，學會用實驗的方法分析和解決實際問題。會用實驗的方法分析和解決實際問題。四、學會應用四、學會應用EDA技術技術EDA技術是最新的現(xiàn)代電子技術，幫助電子設計工程師利技術是最新的現(xiàn)代電子技術，幫助電子設計工程師利用計算機完成電子系統(tǒng)的自動設計，是從事數(shù)字系統(tǒng)設計的人用計算機完成電子系統(tǒng)的自動設計，是從事數(shù)字系統(tǒng)設計的人員所必須掌握的一種技術，特別是在使用大規(guī)模員所必須掌握的一種技術，特別是在使用大規(guī)模PLD（如（如CPLD和和FPGA）設計數(shù)字電路

9、時，必須使用）設計數(shù)字電路時，必須使用EDA的手段。的手段。EDA技術可幫助設計者完成大量的輔助性工作，但主要的技術可幫助設計者完成大量的輔助性工作，但主要的設計和構思還需由人來完成。因此它并不能代替我們學習和掌設計和構思還需由人來完成。因此它并不能代替我們學習和掌握數(shù)字電路的基本概念、基本原理、基本分析方法和設計方法。握數(shù)字電路的基本概念、基本原理、基本分析方法和設計方法?？梢韵葘W習一種可以先學習一種EDA仿真軟件（仿真軟件（Maxplu或或Quartus)，學習中可以結合具體的實驗和電路設計來學習軟件的使用，這學習中可以結合具體的實驗和電路設計來學習軟件的使用，這樣容易收到較好的效果。對于

10、基于大規(guī)模樣容易收到較好的效果。對于基于大規(guī)模PLD的的EDA技術可以技術可以在后續(xù)的課程（硬件描述語言）中再進一步學習。在后續(xù)的課程（硬件描述語言）中再進一步學習。理論課總學時：理論課總學時：48各章的學時分配：各章的學時分配：章章一一二二三三四四五五六六七七復習復習學時學時2610810642考試方式：考試方式：閉卷考試閉卷考試學生成績評定：學生成績評定：平時作業(yè)、課堂考勤及隨堂測試等占平時作業(yè)、課堂考勤及隨堂測試等占20%20%，期中期中10%,10%,期末考試占期末考試占70%70%。數(shù)字系統(tǒng)中的信息有兩類：數(shù)字系統(tǒng)中的信息有兩類：數(shù)碼信息和代碼信息數(shù)碼信息和代碼信息數(shù)碼：數(shù)碼：用來表

11、示用來表示數(shù)量數(shù)量的大小。如的大小。如9090分，分，101101元等元等數(shù)制數(shù)制：多位數(shù)碼中每一位的構成方式及進位的規(guī)則。多位數(shù)碼中每一位的構成方式及進位的規(guī)則。1-1 1-1 數(shù)制數(shù)制常用的數(shù)制有：常用的數(shù)制有：十進制十進制、二進制二進制、八進制八進制、十六進制十六進制數(shù)制的表示方法：數(shù)制的表示方法： 括弧加下標；括弧加下標； 在數(shù)字后面加數(shù)制后綴在數(shù)字后面加數(shù)制后綴. .十進制十進制(163)10(163)D163二進制二進制(101.01)2(101.01)B101.01B八進制八進制(76.2)8(76.2)O76.2O十六進制十六進制(00FF00)16(00FF00)H00FF0

12、0H1.1.十進制十進制進位規(guī)則：進位規(guī)則：“逢十進一逢十進一”或或“借一當十借一當十”。十進制的權展開式：十進制的權展開式： inmiikD10110 即：即：9110。數(shù)碼為：數(shù)碼為：0 09 9；基數(shù)是；基數(shù)是1010。如：如：第第i位的系數(shù)位的系數(shù)第第i位的權位的權(209.04)10210201019100010141022.2.二進制二進制進位規(guī)則：進位規(guī)則：“逢二進一逢二進一”或或“借一當二借一當二”。例：例：（1011）B=123+022+121+120二進制的權展開式：二進制的權展開式： iiBkD2即：即：1110。各數(shù)位的權是的冪各數(shù)位的權是的冪加法規(guī)則：加法規(guī)則：0+0

13、=00+0=0，0+1=10+1=1，1+0=11+0=1，1+1=101+1=10乘法規(guī)則：乘法規(guī)則：0.0=00.0=0， 0.1=0 0.1=0 ， 1.0=01.0=0， 1.1=11.1=1運算運算規(guī)則規(guī)則二進制數(shù)只有二進制數(shù)只有0 0和和1 1兩個數(shù)碼，它的每一位都可以用電子元件兩個數(shù)碼，它的每一位都可以用電子元件來實現(xiàn)，且運算規(guī)則簡單，相應的運算電路也容易實現(xiàn)，因來實現(xiàn)，且運算規(guī)則簡單，相應的運算電路也容易實現(xiàn)，因此在計算機技術中被廣泛應用。此在計算機技術中被廣泛應用。數(shù)碼為：數(shù)碼為：0 0、1 1；基數(shù)是；基數(shù)是2 2。數(shù)碼為：數(shù)碼為：07；基數(shù)是；基數(shù)是8。運算規(guī)律：運算規(guī)律

14、：逢八進一，逢八進一，即：即：7110。3 3、八進制：、八進制：4 4、十六進制、十六進制數(shù)碼為數(shù)碼為：0 09 9、A AF F；基數(shù)是基數(shù)是1616。各數(shù)位的權是各數(shù)位的權是8的冪的冪各數(shù)位的權是各數(shù)位的權是16的冪的冪 iikD88 如：如：(207. 4)(207. 4)8 8 2 2 8 82 2 0 0 8 81 17 7 8 80 04 4 8 81 1八進制數(shù)的權展開式：八進制數(shù)的權展開式：(135. 5)(135. 5)1010運算規(guī)律：運算規(guī)律：逢十六進一，即：逢十六進一，即：F F1 11010。十六進制數(shù)的權展開式：十六進制數(shù)的權展開式：如：如：(D8.A)(D8.A

15、)16161313 16161 18 8 16160 01010 16161 1(216.625)(216.625)1010 iiHkD16 1-2 1-2 數(shù)制轉換數(shù)制轉換1 1、N N進制數(shù)轉換為十進制數(shù)進制數(shù)轉換為十進制數(shù)2 2、二進制數(shù)與八進制數(shù)的相互轉換、二進制數(shù)與八進制數(shù)的相互轉換 方法：方法：利用利用N進制數(shù)的權展開式進制數(shù)的權展開式 inmiiNNkD 110（1 1）二進制數(shù)轉換為八進制數(shù)：）二進制數(shù)轉換為八進制數(shù)： 將二進制數(shù)由小數(shù)點開始，將二進制數(shù)由小數(shù)點開始，整數(shù)部分向左，小數(shù)部分向右，每整數(shù)部分向左，小數(shù)部分向右，每3 3位分成一組，不夠位分成一組，不夠3 3位補位補

16、零，則每組二進制數(shù)便是一位八進制數(shù)。零，則每組二進制數(shù)便是一位八進制數(shù)。1101010.01000 (152.2)8（2 2）八進制數(shù)轉換為二進制數(shù)：）八進制數(shù)轉換為二進制數(shù)：將每位八進制數(shù)用將每位八進制數(shù)用3 3位二進制位二進制數(shù)表示。數(shù)表示。=011111100.010110(374.26)8“3對對1”“1對對3”（1101011.01011）D=（）H6B.5800006B58例：例：3 3、二進制數(shù)與十六進制數(shù)的轉換、二進制數(shù)與十六進制數(shù)的轉換 “4對對1”“1對對4”例：將例：將(98FB.D3)16轉換為二進制數(shù)轉換為二進制數(shù)(98FB.D3)16=(10011000111110

17、11.11000011)2（1 1）二進制數(shù)轉換為十六進制數(shù)：）二進制數(shù)轉換為十六進制數(shù)： 將二進制數(shù)由小數(shù)點開始，將二進制數(shù)由小數(shù)點開始，整數(shù)部分向左，小數(shù)部分向右，每整數(shù)部分向左，小數(shù)部分向右，每4 4位分成一組，不夠位分成一組，不夠4 4位補位補零，則每組二進制數(shù)便是一位十六進制數(shù)。零，則每組二進制數(shù)便是一位十六進制數(shù)。（2 2）十六進制數(shù)轉換為二進制數(shù)：）十六進制數(shù)轉換為二進制數(shù)：將每位十六進制數(shù)用將每位十六進制數(shù)用4 4位二位二進制數(shù)表示。進制數(shù)表示。二進制數(shù)與十六進制數(shù)的轉換表（熟記）二進制數(shù)與十六進制數(shù)的轉換表（熟記）十六進制十六進制二進制二進制十六進制十六進制二進制二進制000

18、0081000100019100120010A101030011B101140100C110050101D110160110E111070111F11114 4、十進制數(shù)轉換為二進制數(shù)、十進制數(shù)轉換為二進制數(shù)將將整數(shù)整數(shù)部分和部分和小數(shù)小數(shù)部分分別進行轉換，轉換后合并。部分分別進行轉換，轉換后合并。方法：方法：整數(shù)部分整數(shù)部分除除2取余取余；小數(shù)部小數(shù)部分分乘乘2取整取整。1. 先將整數(shù)部分用先將整數(shù)部分用“除取余法除取余法”轉換為二進制數(shù)；轉換為二進制數(shù)；2. 將小數(shù)部分用將小數(shù)部分用“乘取整法乘取整法”轉換為二進制數(shù)；轉換為二進制數(shù)；3. 最后將兩部分合在一起。最后將兩部分合在一起。小結：

19、小結：例例:(44.375)10=()2例例:(60.6)D=()B? 先得到的余數(shù)為低位，后得到的余數(shù)為高位。先得到的余數(shù)為低位，后得到的余數(shù)為高位。 先得到的整數(shù)為高位，后得到的整數(shù)為低位先得到的整數(shù)為高位，后得到的整數(shù)為低位。小數(shù)部分在不能精確轉換的情況下，可以按照轉換小數(shù)部分在不能精確轉換的情況下，可以按照轉換精度的要求，進行若干次乘以精度的要求，進行若干次乘以2 2的運算后結束轉換。的運算后結束轉換。2n N二進制編碼：二進制編碼： 以以n n位二進制代碼（位二進制代碼（0,10,1）來表示某個狀態(tài)、）來表示某個狀態(tài)、事物或信息稱為事物或信息稱為二進制編碼二進制編碼。例如身份證號碼：

20、例如身份證號碼：4501111983021600011-3 1-3 編碼編碼 編碼：編碼：用數(shù)字代表不同的狀態(tài)、事物或信息稱為用數(shù)字代表不同的狀態(tài)、事物或信息稱為編碼，編碼，它不含有它不含有數(shù)量數(shù)量的意義。如身份證號碼，銀行帳號等的意義。如身份證號碼，銀行帳號等碼制：碼制：為了便于記憶和處理，在編制代碼時總要遵循一為了便于記憶和處理，在編制代碼時總要遵循一定的規(guī)則，這種規(guī)則叫做定的規(guī)則，這種規(guī)則叫做 碼制碼制。二進制代碼的二進制代碼的位數(shù)位數(shù)n與需要編碼的數(shù)（或信息）的與需要編碼的數(shù)（或信息）的個個數(shù)數(shù)N之間應滿足以下關系：之間應滿足以下關系：一位十進制數(shù)需要幾位二進制代碼來表示？一位十進制數(shù)

21、需要幾位二進制代碼來表示？1.BCD碼：碼：四位二進制數(shù)有四位二進制數(shù)有1616種組合，因此從中選十個來表示種組合，因此從中選十個來表示0 09 9，可以有多種情況。不同的表示法便形成了一種編碼。因可以有多種情況。不同的表示法便形成了一種編碼。因此此BCDBCD碼有許多不同的碼制，用于不同的情況。碼有許多不同的碼制，用于不同的情況。l用二進制用二進制碼碼表示十進制表示十進制數(shù)中的數(shù)中的(09)十個數(shù)碼的代碼，稱十個數(shù)碼的代碼，稱為為二十進制碼二十進制碼，即，即BCD（BinaryCodeDecimal）碼碼。BCDBCD碼碼十十進進制制數(shù)碼數(shù)碼84218421碼碼余余3 3碼碼24212421

22、碼碼51215121碼碼6316311 1碼碼單單位位間間距距碼碼余余3 3循循環(huán)環(huán)碼碼移存移存碼碼0 000000000001100110000000000000000001100110000000000100010000100011 100010001010001000001000100010001001000100001000101100110001000102 200100010010101010010001000100010010101010011001101110111010001003 30011001101100110001100110011001101110111001000

23、1001010101100110014 401000100011101110100010001110111011001100110011001000100001100115 501010101100010001011101110001000100110010111011111001100011101116 601100110100110011100110011001100100010000101010111011101111111117 701110111101010101101110111011101101010100100010011111111111011108 810001000101

24、110111110111011101110110111011100110011101110110011009 91001100111001100111111111111111111001100111011101010101010001000表1-1 常用BCD代碼 例：用例：用BCDBCD代碼表示十進制數(shù)代碼表示十進制數(shù)不能省略！不能省略！不能省略！不能省略！說明：說明：一位十進制數(shù)對應四位代碼，對于一個多位的十進制一位十進制數(shù)對應四位代碼，對于一個多位的十進制 數(shù)，需要有與十進制位數(shù)相同的幾組數(shù)，需要有與十進制位數(shù)相同的幾組BCDBCD代碼來表示；代碼來表示；(463.5)(463.5)10

25、 10 = =8421BCD8421BCD01000100 01100110 00110011 . . 01010101(897.2)(897.2)10 10 = =8421BCD8421BCD10001000 10011001 01110111 . . 001000102.ASC碼：碼：lASCII碼：碼：AmericanStandardCodeforInformationInterchange，即美國標準信息交換碼即美國標準信息交換碼l由七位二進制編碼組成，可表示由七位二進制編碼組成，可表示128個字符，包括英文符個字符，包括英文符號、數(shù)字符號、標點符號以及控制符號等。號、數(shù)字符號、標點符

26、號以及控制符號等。3.格雷碼（循環(huán)碼）格雷碼（循環(huán)碼）小小結結1、什么叫高電平、低電平？、什么叫高電平、低電平？2、什么叫正邏輯、負邏輯？、什么叫正邏輯、負邏輯？3、二進制數(shù)有幾位數(shù)碼？進位規(guī)則是什么？、二進制數(shù)有幾位數(shù)碼？進位規(guī)則是什么？4、十六進制數(shù)有幾位數(shù)碼？進位規(guī)則是什么？、十六進制數(shù)有幾位數(shù)碼？進位規(guī)則是什么？5、在計算機或數(shù)字系統(tǒng)通常采用什么進制？為什么？、在計算機或數(shù)字系統(tǒng)通常采用什么進制？為什么？6、如何將、如何將N進制數(shù)轉換為十進制數(shù)？進制數(shù)轉換為十進制數(shù)？7、如何將十進制數(shù)轉換為、如何將十進制數(shù)轉換為N進制數(shù)？進制數(shù)？8、二進制和十六進制間的轉換規(guī)則是怎樣的？、二進制和十六

27、進制間的轉換規(guī)則是怎樣的？9、二進制代碼和二進制數(shù)有什么不同？、二進制代碼和二進制數(shù)有什么不同？10、什么叫、什么叫BCD碼？碼？8421BCD碼和循環(huán)碼各有什么特點？碼和循環(huán)碼各有什么特點？下節(jié)預習：什么叫邏輯代數(shù)？它和普通代數(shù)有什么區(qū)別？下節(jié)預習：什么叫邏輯代數(shù)？它和普通代數(shù)有什么區(qū)別？1 1、高電平和低電平（統(tǒng)稱邏輯電平）：、高電平和低電平（統(tǒng)稱邏輯電平）：高電平和低電平是兩種狀態(tài)，高電平和低電平是兩種狀態(tài)，是兩個不同的可以截然區(qū)別開來的電壓范圍。是兩個不同的可以截然區(qū)別開來的電壓范圍。高電平高電平UH低電平低電平ULTTL2.4V5V0V0.8VCMOS0.7VDD0.3VDD0.8V2V5V0V高高電電平平低電平低電平2 2、正邏輯和負邏輯：、正邏輯和負邏輯：1 1高電平；高電平；0 0低電平低電平0 0高電平；高電平；1 1低電平低電平負邏輯：負邏輯：正邏輯：正邏輯：注意：注意：這里的這里的0 0和和1 1不是十進制數(shù)中的數(shù)字，它不代表大小，不是十進制數(shù)中的數(shù)字，它不代表大小，只是表示兩種不同的狀態(tài)，稱為邏輯只是表示兩種不同的狀態(tài)，稱為邏輯0 0和邏輯和邏輯1 1。因為只有兩種取值，所以稱之為二值數(shù)