第一章數(shù)字電路基礎(chǔ)

1、第一章數(shù)字電路基礎(chǔ)知識目標知識目標了解數(shù)字電路特點及應用，熟知脈沖波形的五個主要參數(shù)；掌握微分電路、積分電路的功能和電路構(gòu)成條件；熟知二進制、十六進制的表示方法，會進行數(shù)制間的轉(zhuǎn)換。熟知8421、5421、余3碼的表示形式；理解與門、或門、與非門、異或門的邏輯功能，熟知其圖形符號；TTL非門電路的工作原理進行簡要分析，了解TTL反相器的基本特性。了解TTL與非門、異或門、集電極開路門、三態(tài)門的功能及典型應用；了解常用COMS門電路的基本工作原理，掌握COMS門電路的使用常識；會應用公式法和卡諾圖法對邏輯函數(shù)進行化簡。技能目標技能目標初步具有使用示波器觀察脈沖波形并讀出主要參數(shù)的能力；會查閱數(shù)字

2、集成電路手冊，能根據(jù)邏輯功能選用和代換集成門電路；掌握TTL和COMS 集成電路引腳識讀方法，掌握其使用常識；通過實驗，初步掌握基本集成電路的邏輯功能測試方法。第一節(jié) 數(shù)字電路概述一、數(shù)字電路的特點（1）、電路結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠。數(shù)字電路只要能區(qū)別高電平和低電平就可以，對元件的精度要求不高，因此有利于實現(xiàn)數(shù)字電路集成化。（2）、數(shù)字信號在傳輸時采用高、低電平二值信號，因此數(shù)字電路抗干擾能力強，不易受外界干擾。（3）、數(shù)字電路不僅能完成數(shù)值運算，還可以進行邏輯運算和判斷。（4）、數(shù)字電路中元件處于開關(guān)狀態(tài)，功耗較小。二、脈沖信號脈沖信號是指持續(xù)時間極短的電壓或電流信號。各參數(shù)的含義：（1）脈沖幅

3、度Um：脈沖從起始值到峰值之間的變化幅度；（2）脈沖前沿時間tr：脈沖從m變到m所需要的時間；（3）脈沖后沿時間tf：脈沖從m變到m所需要的時間；（4）脈沖寬度tW：脈沖前沿m到脈沖后沿m 之間的時間；（5）脈沖周期T：對于周期性脈沖，相鄰兩脈沖波對應點之間的間隔時間。Um0.9Um0.1Umtwtftr 三、數(shù)字信號 通常把脈沖的出現(xiàn)或消失用1和0來表示，這樣一串脈沖就變成由一串脈沖1和0組成的數(shù)碼，這種信號稱為數(shù)字信號。 注：（1）、數(shù)字信號的0和1并不表示數(shù)量的大小，而是代表電路的工作狀態(tài)； （2）、正邏輯：邏輯1為高電平，邏輯0為低電平； （3）、負邏輯：邏輯1為低電平，邏輯0為高電平

4、。第二節(jié)RC電路的應用 用電阻R和電容C構(gòu)成的電路叫RC電路，在數(shù)字電路中最常用的是RC微分電路和RC積分電路。 一、 RC微分電路 RC微分電路是一種常見的波形變換電路，能夠?qū)⒕匦蚊}沖變換成尖脈沖。 電路構(gòu)成如圖： c + vi R vo - 電路應具有如下條件： （1）輸出信號取自RC電路的電阻R兩端。即 VO=VR （2）電路的時間常數(shù)應遠小于輸入的矩形脈沖的寬度。即 tw通常，當 3 tw 時，可認為滿足上述條件。第三節(jié) 數(shù)制與碼制一、數(shù)制一、數(shù)制數(shù)制：選取一定的進位規(guī)則，用多位數(shù)碼來表示某個數(shù)的值。1、 十進制特點：有十個數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9寫法：(D)10D

5、ecimal 或 11010)(nmiiiDD基數(shù)：10進位：逢十進一2、 二進制特點：有兩個數(shù)碼：0、1寫法：(B)2Binary 或 122)(nmiiiBB基數(shù)：2進位：逢二進一3、十六進制特點：有十六個數(shù)碼：0、1、2、9、A、B、C、D、E、F寫法：(H)16Hexadecimal 或 例如：(349)16=3162+4161+9160=(841)10 (3AB.11)16=3162+A161+B160+116-1+116-2 =(939.0664)10基數(shù)：16進位：逢十六進一 4、不同數(shù)制的轉(zhuǎn)換（1）二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制方法：把二進制數(shù)按權(quán)展開，再把每一位的位植相加，即可得到相應

6、的十進制數(shù)。例如：(101.101)2=122+021+120+12-1+02-2+12-3 =4+0+1+1/2+0+1/8=(5.625)10(2)十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制方法：除2取余逆序排列。例如： (215)10=( ? )2 最低位 2 215 2 107 余1 2 53 余1 2 26 余1 2 13 余0 2 6 余1 2 3 余0 2 1 余1 0 余1 最高位 (215)10=(11010111)2（3）二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)方法：將二進制數(shù)的整數(shù)部分自左向右每4位分為一組，最后不足4位的，高位用零補足；小數(shù)部分自右向左每4位分為一組，最后不足4位在右面補零。再把每四位二進制

7、數(shù)對應的十六進制數(shù)寫出即可。0000000100100011010001010110011101234767100010011010101111001101111011118910(A)11(B)12(C)13(D)14(E)15(F)例：(0101 1110. 1011 0010)2=(5E.B2 )16 5 E B 2 方法：將每個十六進制數(shù)用四位二進制數(shù)表示，然后按十六進制數(shù)的排序?qū)⑺奈欢M制數(shù)排列好，就可得到相應的二進制數(shù)。例：將十六進制數(shù)（7E6AD）16轉(zhuǎn)化為二進制。解： （7E6AD）16=（0111 1110 0110 1101）例：將十六進制數(shù)（123A。CBF）16轉(zhuǎn)化為二

8、進制。解： （）16(4)十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)=(0001 0010 0011A.11100 1011 1111)2十進制字符8421碼2421（A） 2421（B）余3碼Gray碼012345678900000001001000110100010101100111100010010000000100100011010001010110011111101111000000010010001101001011110011011110111100110100010101100111100010011010101111000000000100110010011001110101010011001

9、101在數(shù)字系統(tǒng)中，可用多位二進制數(shù)碼來表示數(shù)量的大小，也可表示各種文字、符號等，這樣的多位二進制數(shù)碼叫做代碼。數(shù)字電路處理的是二進制數(shù)據(jù)，而人們習慣使用十進制，所以就產(chǎn)生了用四位二進制表示一位十進制的計數(shù)方法，這種用于表示十進制的二進制代碼稱為二十制代碼，簡稱為BCD碼。常有的BCD碼有：8421碼、2421碼、余3碼等。二、碼制二、碼制（1）它是一種有權(quán)代碼，權(quán)值分別為8、4、2、1（2）編碼簡單直觀：例：9 1 3. 5 4 1001 0001 0011，0101 0100 用BCD碼，可以將十進制數(shù)的每一位轉(zhuǎn)換成相等的二進制數(shù)，而不是將整個十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)。例：202=11001

10、010 而202的BCD碼是02、 2421碼（1）它是一種有權(quán)代碼，權(quán)值分別為2、4、2、1（2）編碼方案不是唯一的。1、8421BCD碼3、余3碼（1）每一個余3碼所表示的二進制數(shù)要比它所對應的十進制數(shù)多3，即余3碼是由8421碼加3產(chǎn)生的。（2）余3碼是一種無權(quán)代碼。例如：將十進制數(shù)168用余3碼表示。解：十進制 1 6 8 余3碼 0100 1001 1011第四節(jié) 邏輯門電路基礎(chǔ) 所謂“邏輯”是指事件的前因后果所遵循的規(guī)律，如果把數(shù)字電路的輸入信號看作“條件”，把輸出信號看作“結(jié)果”，那麼數(shù)字電路的輸入與輸出信號之間存在著一定的因果關(guān)系，即存在邏輯關(guān)系，能實現(xiàn)一定邏輯功能的電路稱為邏

11、輯門電路?；具壿嬮T電路有：與門、或門和非門，復合邏輯門電路有：與非門、或非門、與或非門、異或門等。 一、基本邏輯門一、基本邏輯門 1、與邏輯門 (1)與邏輯關(guān)系 定義： 當一件事件的幾個條件全部具備之后，這件事情才能發(fā)生，否則不發(fā)生。 運算規(guī)則：0*0=0，0*1=0，1*0=0，1*1=1 （2 2）二極管與門電路）二極管與門電路ABCLR=3kD1D2D3Vcc (5V)（3 3）、真值表）、真值表 A B Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1（4 4）、邏輯符號）、邏輯符號& &A AB BY Y2、或邏輯門(1)(1)或邏輯關(guān)系或邏輯關(guān)系 定義： 在決定一件事件的各個條

12、件中，至少具備一個條件，這件事情就會發(fā)生。運算規(guī)則：0+0=0， 0+1=1，1+0=1，1+1=1（2 2）二極管或門電路）二極管或門電路ABCLRD1D2D30 0 00 0 00 1 10 1 11 0 11 0 11 1 11 1 1A B YA B YA AB BY Y11（3）、真值表、真值表（4 4）、邏輯符號）、邏輯符號3、非邏輯門（1 1）非邏輯關(guān)系）非邏輯關(guān)系定義：事情的結(jié)果和條件總是呈現(xiàn)相反狀態(tài)。運算規(guī)則：1=0，0=1（2）三極管非門電路VCCRCRbATL1 1A AY Y（3）、邏輯）、邏輯符號：符號：（4 4）、真值表）、真值表0 10 11 01 0A YA Y

13、二、復合邏輯門二、復合邏輯門1 1、與非電路、與非電路在與門后接非門就夠成與非門在與門后接非門就夠成與非門ABCLR=3kD1D2D3Vcc (5V)VCCRCRbTL1表示式：表示式：Y = AB& &A AB BY Y符號：符號：與非門真值表與非門真值表 A B AB Y 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 02 2、或非門、或非門表示式：表示式： Y= A+B符號：符號：A AB BY Y11真值表真值表 A B A+B Y 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 03 3、與或非門、與或非門表示式：表示式： Y= AB +CD符號：符號：C

14、CD DY Y11A AB B& & &ABCDY000000010010001101000101011001111000100110101011110011011110111111101110111000004、 異或異或門門=1=1A AB BY Y符號：符號：真值表真值表 A B AB AB Y 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0真值表特點真值表特點: : 相同則相同則0,0, 不同則不同則1 1Y=A B =AB + AB表示式：表示式：門電路小結(jié)門電路小結(jié)門電路門電路 符號符號 表示式表示式與門與門& &A AB BY YA AB BY Y

15、11或門或門非門非門1 1Y YA AY=ABY=ABY=A+BY=A+BY= AY= A與非門與非門& &A AB BY YY= ABY= AB或非門或非門A AB BY Y11Y= A+BY= A+B異或門異或門=1=1A AB BY YY= AY= A B B三、三、 TTLTTL集成邏輯門電路集成邏輯門電路集成邏輯門電路是將邏輯電路的元件和連線都制作在一塊半導體基片上。集成門電路若是由三極管為主要元件，輸入端和輸出端都是三極管結(jié)構(gòu)，這種電路稱為三極管-三極管邏輯電路，簡稱TTL電路。TTL電路與分立元件電路相比，具有體積小、耗電少、工作可靠、性能好、速度高等優(yōu)點。1、TTL反相器 （1

16、）工作原理vI，即輸入為高電平時VB1= VBC1 + VBE2+ VBE3 ，T1的e結(jié)反偏，c結(jié)正偏，處于倒置工作狀態(tài)輸出VC3Vcc(5V)Rb14kRc21.6kRc4130Re21kT1T2T4T3DvI+-ALV VC2C2= = V VCES2CES2 + + V VB3B3，則，則V VB4B4= = V VC2C2作用于作用于T T4 4的的e e結(jié)和二極管的串聯(lián)支路的電壓為結(jié)和二極管的串聯(lián)支路的電壓為V VC2C2 - -V VO O，則，則T T4 4及及D D均截止均截止輸入為高電平，輸出為低電平輸入為高電平，輸出為低電平 。 v vI I，即輸入為低電平時，即輸入為低

17、電平時V VB1B1，T1T1的的e e結(jié)導通。結(jié)導通。此時，此時， V VB1B1 同時作用于同時作用于T T1 1 的的c c結(jié)、結(jié)、T2T2和和T3T3的的e e結(jié)支路上，結(jié)支路上，T T2 2，T T3 3顯然截顯然截止，則止，則VccVcc通過通過R Rc2c2 向向T T4 4提供基極電流提供基極電流T T4 4及及D D導通導通，則，則v vo o V Vcccc - - V VBE4BE4- - V VD D輸入為低電平，輸出為高電平輸入為低電平，輸出為高電平 。（2 2）說明：）說明：采用輸入級以提高工作速度采用輸入級以提高工作速度采用推拉式輸出級以提高開關(guān)速度和帶負載的能力

18、采用推拉式輸出級以提高開關(guān)速度和帶負載的能力（3 3） TTLTTL反相器傳輸特性反相器傳輸特性vIvOCBA3.6VED2.48V0.2V0.4V1.1V1.2V3VABAB段：段：v vI I很低，穩(wěn)態(tài)時輸出高；很低，穩(wěn)態(tài)時輸出高；BCBC段：段：v vI I值大于點值大于點B B，T1T1的的C C極供給極供給T2T2基極電流，但基極電流，但T1T1仍保持為飽和態(tài)，其仍保持為飽和態(tài)，其e e、c c結(jié)結(jié)均正偏；均正偏；T2T2對對v vI I的增量作線性放大：的增量作線性放大：CDCD段：的值繼續(xù)增大并超越段：的值繼續(xù)增大并超越C C點，使點，使T3T3飽和，輸出電壓迅速下降到飽和，輸出

19、電壓迅速下降到v vO O ，DEDE段：段： v vI I (D)(D)的值從點的值從點D D再繼續(xù)增加時，再繼續(xù)增加時，T1T1進入倒置放大狀態(tài)，保持進入倒置放大狀態(tài)，保持v vO O 。2 2、 TTLTTL門電路芯片簡介門電路芯片簡介(1)(1)、TTLTTL門電路芯片（門電路芯片（四四2 2輸入與非門，型號輸入與非門，型號74LS00)74LS00)& & & &14141313121211111010 9 9 8 8 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 & &地地GNDGND外形外形電源電源V VCCCC（+5V+5V）管腳管腳(2)(2)、常用、常用TTLTT

20、L邏輯門電路邏輯門電路名稱名稱國際常用系列型號國際常用系列型號 國產(chǎn)部標型號國產(chǎn)部標型號說明說明四四2 2輸入與非門輸入與非門74LS0074LS00T1000T1000四四2 2輸入或門輸入或門四四2 2異或門異或門四四2 2輸入或非門輸入或非門四四2 2輸入與門輸入與門雙雙4 4輸入與非門輸入與非門雙雙4 4輸入與門輸入與門六反相器六反相器8 8輸入與非門輸入與非門74LS3274LS3274LS0274LS0274LS0874LS0874LS8674LS8674LS2174LS2174LS2074LS2074LS3074LS3074LS0474LS04T186T186T1008T1008

21、T1086T1086T1021T1021T1002T1002一個組件內(nèi)一個組件內(nèi)部有四個門，部有四個門，每個門有兩每個門有兩個輸入端一個輸入端一個輸出端。個輸出端。一個組件內(nèi)有兩一個組件內(nèi)有兩個門，每個門有個門，每個門有4 4個輸入端。個輸入端。只一個門，只一個門，8 8個輸個輸入端。入端。有有6 6個反相器。個反相器。3、集電極開路的與非門（、集電極開路的與非門（OC門）門）電路結(jié)構(gòu)與邏輯符號電路結(jié)構(gòu)與邏輯符號&+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABCOC門可以實現(xiàn)門可以實現(xiàn)“線與線與”功能。功能。4、三態(tài)門（、三態(tài)門（TSL門）門）符號及功能表符號及功能表使能端高使能端高電平電平

22、起作用起作用使能端低使能端低電平電平起作用起作用&ABFE符號符號輸輸出出高高阻阻0E 1E ABF 功能表功能表&ABFE符號符號輸輸出出高高阻阻1E0EABF 功能表功能表四、CMOS集成門電路MOS集成電路：以場效應管為基礎(chǔ)的集成電路。根據(jù)電路中MOS管的不同可分為PMOS、NMOS電路和CMOS電路，其中CMOS是PMOS管與NMOS管組成的互補型集成電路，具有功耗低、抗干擾性強，開關(guān)速度快等優(yōu)點。1 1、CMOSCMOS反相器反相器UCCST2DT1uiuoDSPMOS管管NMOS管管工作原理：工作原理：ui=0時：時： ugs2= UCC ， T2導通、導通、T1截止，截止，uo=

23、“”；ui=1時：時： T1導通、導通、T2截止，截止，uo=“0”。2 2、CMOSCMOS與非門與非門+UDDAFT2T1BT3T4SSSSGG結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)工作原理工作原理:A B T1 T2 T3 T4 F0 0 10 1 11 0 11 1 0BAF &ABF3 3、CMOSCMOS或非門或非門+UDDFAT2T1BT3T4GGSSS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)工作原理工作原理:A B T1 T2 T3 T4 F0 0 10 1 01 0 0 1 1 0BAF ABF4 4、CMOSCMOS傳輸門傳輸門+5V CVICVO-5VTGCC結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu):符號符號:工作原理工作原理:設被傳輸?shù)哪M信號的變化范圍為5v+

24、5v。設控制信號：高電平VCH=+5v，低電平VCL=5v，兩管的VT均為2v。 （1）當C端接低電平時，TN的柵壓為5v，VI在5v+5v時，TN截止，同時TP亦截止開關(guān)斷開。（2）當C端接高電平時： 若5vVI3v VGSN8vVTN TN導通 VGSP2vVTP TP截止 3vVI+3v VGSN2vVTN TN導通 VGSP2vVTP TP導通 +3vVI+5v VGSN2vVTN TN截止 VGSP8vVTP TP導通 即：在5vVI+5v的范圍內(nèi)，或者TN、TP單獨導通，或者它們同時導通，傳輸門被打開，VI順利通過傳輸門開關(guān)閉合。 第五節(jié)邏輯代數(shù)的基本定律及邏輯函數(shù)的化簡 一、邏輯

25、代數(shù)運算定律一、邏輯代數(shù)運算定律 1、常量與變量關(guān)系定律 （1）0，1律 A+1=A A*0=0 A+1=1 A*1=A（2）互補律 A+A =1AA =02 2、邏輯代數(shù)基本定律、邏輯代數(shù)基本定律（1）交換律 A+B=B+A A*B=B*A（2）結(jié)合律A+(B+C)=(A+B)+C A*(B*C)=(A*B)*C(3)分配律 A*(B+C)=A*B+A*C A+B*C=(A+B)*(A+C) (4)(4)反演律反演律( (摩根定律摩根定律) ) AB =A+B A+B = AB用真值表證明用真值表證明A B AB A+B0 0 10 1 11 0 11 1 0 1 1 1 0 3、常用公式公

26、式1 AB+AB =A公式2A+AB =A公式3A+AB=A+B公式4AB+AC+BC =AB+AC二邏輯函數(shù)的公式化簡法所謂化簡邏輯函數(shù),就是使邏輯函數(shù)的與或表達式中所含的或項數(shù)及每個與項的變量數(shù)為最少.常見的公式化簡法有以下幾種.1 合并項法利用AB+AB =A將兩項并成一項,合并時消去一個變量.2 2、吸收法：、吸收法：利用A+AB=A消去多余的項3 3、消去法：、消去法：利用消 去多余的因子BABAA4 4、配項法：、配項法：利用公式A+A =1給某個與項配項，試探進一步化簡函數(shù)例例1：ABAC)BC(A)BCB(AABCBA)CC(ABCBAABCCABCBAF 例例2 2： 將將Y

27、=ABC+ABC+ABC+ABC+ABC化簡為最簡邏輯代數(shù)式?；啚樽詈嗊壿嫶鷶?shù)式。 =AB(C+C)+ABC+AB(C+C) =AB+ABC+AB =(A+A)B+ABC =B+BAC ; A+AB=A+B =B+AC；C+C=1Y=ABC+ABC+ABC+ABC+ABC例例3 3：將將Y化簡為最簡邏輯代數(shù)化簡為最簡邏輯代數(shù)式。式。 Y =AB+(A+B)CD解：解：Y =AB+(A+B)CD = AB+(A+B)CD = AB+AB CD =AB+CD;利用反演定理利用反演定理;將將ABAB當成一個變量當成一個變量, ,利用公式利用公式A+AB=A+B；A=AZ = A D + AD+ A

28、 B +AC + B D + ABE F +BE F= A + A B +AC + B D +BE F= A +AC + B D +BE F = A + C + B D +BE F Z=AB+AC+BC+CB+BD+BD+ADE（F+G） =ACB+BC+BC+BD+BD+ADE（F+G） =A+BC+CB+BD+BD+ADE（F+G） =A+BC（D+D）+BC+BD+BD（C+C） =A+BCD+BCD+BC+BD+BCD+BCD =A+BD+BC+CD例例4 4：例例5 5：三、邏輯函數(shù)的卡諾圖化簡法三、邏輯函數(shù)的卡諾圖化簡法 1、用卡諾圖表示邏輯函數(shù) 最小項：包含了所有的變量，每個變量

29、或以原變量或以反變量的形式出現(xiàn)，并且僅僅出現(xiàn)一次的乘積項。 對于n 變量來說，就有2n 個最小項。 卡諾圖：由許多小方格組成的陣列圖，每個小方格對應一個最小項，n變量的卡諾圖有2n 個小方格。BABAABBAAB 00 01 11 10兩變量ABC00011110010 1 3 2 4 5 7 7 6 0 1 3 2 4 5 7 7 6 12 1 13 3 1 15 5 14 8 9 1 11 1 10 ABABCDCD 00 01 11 10 00 01 11 10 四變量三變量用卡諾圖表示邏輯函數(shù)的具體方法是：（1）根據(jù)變量的個數(shù)畫空白卡諾圖；（2）將邏輯函數(shù)化成最小項和的形式；（3）在空

30、白卡諾圖上，與函數(shù)最小項對應的方格填1，其余的方格填0。例：已知真值表填卡諾圖：在其相應的小方格中填入0或1。序號ABCZ=A+BC01234567000001010011100101110111000111110 0 1 01 1 1 1CBA2 2、卡諾圖化簡方法、卡諾圖化簡方法（1）、卡諾圖化簡法的依據(jù)卡諾圖的基本特點是：任何兩個幾何是相鄰的小方塊所表示的最小項只有一個變量不同，其余變量均相同。根據(jù)公式AB+AB =A，可以將相鄰的兩個最小項并為一項，消去一個不同的變量。（2）化簡方法2個相鄰的小方格可以合并成一項，同時消去一個不同的變量。4個相鄰的小方格可以合并成一項，同時消去兩個不同的變量。8個相鄰的小方格可以合并成一項，同時消去三個不