數(shù)字電子技術基礎

1、2011-202011-201212第一學期第一學期辛化梅辛化梅隨著信息時代的到來，隨著信息時代的到來，“數(shù)字數(shù)字”這兩個字正以越來越高的頻率出現(xiàn)在這兩個字正以越來越高的頻率出現(xiàn)在各個領域，數(shù)字手表、數(shù)字電視、數(shù)各個領域，數(shù)字手表、數(shù)字電視、數(shù)字通信、數(shù)字控制字通信、數(shù)字控制數(shù)字化已成為數(shù)字化已成為當今電子技術的發(fā)展潮流。當今電子技術的發(fā)展潮流。是數(shù)字電子技術的核心，是計算機和是數(shù)字電子技術的核心，是計算機和數(shù)字通信的硬件基礎。數(shù)字通信的硬件基礎。 學科發(fā)展概述學科發(fā)展概述典型應用典型應用數(shù)字電路的特點數(shù)字電路的特點課程基本內(nèi)容與要求課程基本內(nèi)容與要求學習方法學習方法學科發(fā)展概述學科發(fā)展概述典

2、型應用典型應用數(shù)字電路的特點數(shù)字電路的特點課程基本內(nèi)容與要求課程基本內(nèi)容與要求學習方法學習方法數(shù)字技術是近年來發(fā)展最迅速的學科之一。數(shù)字技術是近年來發(fā)展最迅速的學科之一。今天，各種中規(guī)模數(shù)字集成電路已得到廣泛的使用；今天，各種中規(guī)模數(shù)字集成電路已得到廣泛的使用；通用型的通用型的(PLD :(PLD : Programmable Logic Device)Programmable Logic Device)也迅速地被實際使也迅速地被實際使用；各種用；各種(ASIC :Application (ASIC :Application Specific Integrated CircuitSpecifi

3、c Integrated Circuit) )也普遍引起各行各也普遍引起各行各業(yè)的注意。此外，隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)字電業(yè)的注意。此外，隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)字電路和數(shù)字系統(tǒng)的設計也越來越多的采用路和數(shù)字系統(tǒng)的設計也越來越多的采用(CAD :Computer Aided Design)(CAD :Computer Aided Design)。 集成電路集成電路CADCAD技術在其發(fā)展過程中，同時還技術在其發(fā)展過程中，同時還形成了形成了(CAM : Computer Aided (CAM : Computer Aided Manufacture )Manufacture )、(CAT :Co

4、mputer (CAT :Computer Aided Test)Aided Test)和和(CAE :Computer (CAE :Computer Aided Engineering)Aided Engineering)等概念，經(jīng)過發(fā)展融合，形成等概念，經(jīng)過發(fā)展融合，形成了了(EDA :Electronic Design (EDA :Electronic Design Automation)Automation)。 2020世紀世紀9090年代出現(xiàn)的第三代工具使用標準化年代出現(xiàn)的第三代工具使用標準化的的(HDL :Hardware Description (HDL :Hardware De

5、scription Language)Language)描述電路的行為，自頂向下地跨越各個層描述電路的行為，自頂向下地跨越各個層次完成整個設計，特別強調(diào)設計的可交流性、可再次完成整個設計，特別強調(diào)設計的可交流性、可再利用性和對大規(guī)模設計的支持。利用性和對大規(guī)模設計的支持。集集成成電電路路電電子子管管晶晶體體管管分分立立元元件件（SSI（100以下以下）MSI（103）LSI（104）超大規(guī)模超大規(guī)模VLSI（105以上）以上）1906年，福雷斯特等發(fā)明了電子管；電子管體年，福雷斯特等發(fā)明了電子管；電子管體積大、重量重、耗電大、壽命短。世界上第一積大、重量重、耗電大、壽命短。世界上第一臺計算機用

6、了臺計算機用了1.8萬只電子管，占地萬只電子管，占地170平方米，平方米，重重30噸，耗電噸，耗電150W。目前在一些大功率發(fā)射。目前在一些大功率發(fā)射裝置中使用。裝置中使用。1948年，肖克利等發(fā)明了晶體管，其年，肖克利等發(fā)明了晶體管，其性能在體積、重量方面明顯優(yōu)于電子性能在體積、重量方面明顯優(yōu)于電子管，但器件較多時由分立元件組成的管，但器件較多時由分立元件組成的分立電路體積大、焊點多、電路的可分立電路體積大、焊點多、電路的可靠性差?？啃圆睢?960年集成電路出現(xiàn)，成年集成電路出現(xiàn)，成千上萬個器件集成在一塊千上萬個器件集成在一塊芯片，大大促進了電子學芯片，大大促進了電子學的發(fā)展，尤其促進數(shù)字電

7、的發(fā)展，尤其促進數(shù)字電路和微型計算機的飛速發(fā)路和微型計算機的飛速發(fā)展。展。芯片中集成上萬個芯片中集成上萬個等效門，目前高的等效門，目前高的已達上百萬門。已達上百萬門。 傳統(tǒng)的設計方法：傳統(tǒng)的設計方法： 現(xiàn)代的設計方法：現(xiàn)代的設計方法：純硬件電路邏輯設計，采用試湊法；純硬件電路邏輯設計，采用試湊法；比較適合分立元件及小規(guī)模集成電路比較適合分立元件及小規(guī)模集成電路的設計，所設計電路需反復調(diào)試，而的設計，所設計電路需反復調(diào)試，而且所用的元器件較多，出問題幾率較且所用的元器件較多，出問題幾率較高，電路的可靠性較差高，電路的可靠性較差從傳統(tǒng)的硬件邏輯設計發(fā)展為硬件邏從傳統(tǒng)的硬件邏輯設計發(fā)展為硬件邏輯設計

8、、軟件邏輯設計及兼有兩者優(yōu)輯設計、軟件邏輯設計及兼有兩者優(yōu)點的集成電路點的集成電路ASICASIC設計。采用從上到設計。采用從上到下設計方法，出現(xiàn)了相應的電子設計下設計方法，出現(xiàn)了相應的電子設計自動化技術（自動化技術（EDAEDA）和復雜電路的測）和復雜電路的測試技術。試技術。EDA技術以計算機為基本工具、借助于技術以計算機為基本工具、借助于軟件設計平臺，自動完成數(shù)字系統(tǒng)的邏軟件設計平臺，自動完成數(shù)字系統(tǒng)的邏輯綜合、布局布線、仿真等工作。最后輯綜合、布局布線、仿真等工作。最后下載到芯片，實現(xiàn)方案。下載到芯片，實現(xiàn)方案。1 1、設計：、設計：在計算機上利用軟件平臺進行設計在計算機上利用軟件平臺進

9、行設計設計方法設計方法原理圖設計原理圖設計VHDL語言設計語言設計狀態(tài)機設計狀態(tài)機設計 EDA技術：技術：實驗板實驗板下載線下載線計算機計算機通信（通信（DSP應用）應用）電視（高清晰度）電視（高清晰度）會議電視會議電視數(shù)字移動蜂窩電話數(shù)字移動蜂窩電話家庭信息中心家庭信息中心虛擬教育虛擬教育數(shù)字相機數(shù)字相機自動駕駛汽車自動駕駛汽車視覺感應器視覺感應器數(shù)據(jù)存儲與處理數(shù)據(jù)存儲與處理 * * 基本工作信號為二進制的數(shù)字信號，基本工作信號為二進制的數(shù)字信號，0 0和和1 1兩個基本數(shù)字反映在電路上就是低電平和高電平兩兩個基本數(shù)字反映在電路上就是低電平和高電平兩種狀態(tài)種狀態(tài) * * 穩(wěn)態(tài)時，三極管一般工

10、作在開關狀態(tài)穩(wěn)態(tài)時，三極管一般工作在開關狀態(tài) * * 對元件精度要求不高，只要在工作時能可對元件精度要求不高，只要在工作時能可靠區(qū)分靠區(qū)分0 0和和1 1兩種狀態(tài)即可兩種狀態(tài)即可 * * 數(shù)字電路研究的主要問題是輸入信號的狀態(tài)和輸數(shù)字電路研究的主要問題是輸入信號的狀態(tài)和輸出信號的狀態(tài)之間的關系，即邏輯關系，亦即電路的出信號的狀態(tài)之間的關系，即邏輯關系，亦即電路的邏輯功能邏輯功能 * * 數(shù)字電路使用的主要方法為邏輯分析和邏輯設計，數(shù)字電路使用的主要方法為邏輯分析和邏輯設計，主要工具為邏輯代數(shù)主要工具為邏輯代數(shù) * * 數(shù)字電路不僅具有算術運算的能力，還具備一定數(shù)字電路不僅具有算術運算的能力，還

11、具備一定的的“邏輯思維邏輯思維”的能力的能力模擬電路：模擬電路：處理的信號是時間上或數(shù)值上連續(xù)的信號處理的信號是時間上或數(shù)值上連續(xù)的信號數(shù)字電路：數(shù)字電路：處理的信號是時間上和數(shù)量上離散的信號處理的信號是時間上和數(shù)量上離散的信號（2 2）按所用器件制作工藝的不同：數(shù)字電路可分為雙極型）按所用器件制作工藝的不同：數(shù)字電路可分為雙極型（TTLTTL型）和單極型（型）和單極型（MOSMOS型）兩類。型）兩類。（3 3）按照電路的結(jié)構和工作原理的不同：數(shù)字電路可分為組）按照電路的結(jié)構和工作原理的不同：數(shù)字電路可分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩類。組合邏輯電路沒有記憶功合邏輯電路和時序邏輯電路兩類。組合

12、邏輯電路沒有記憶功能，其輸出信號只與當時的輸入信號有關，而與電路以前的能，其輸出信號只與當時的輸入信號有關，而與電路以前的狀態(tài)無關。時序邏輯電路具有記憶功能，其輸出信號不僅和狀態(tài)無關。時序邏輯電路具有記憶功能，其輸出信號不僅和當時的輸入信號有關，而且與電路以前的狀態(tài)有關。當時的輸入信號有關，而且與電路以前的狀態(tài)有關。（1 1）按集成度分類：數(shù)字電路可分為小規(guī)模（）按集成度分類：數(shù)字電路可分為小規(guī)模（SSISSI，每片，每片數(shù)十器件）、中規(guī)模（數(shù)十器件）、中規(guī)模（MSIMSI，每片數(shù)百器件）、大規(guī)模，每片數(shù)百器件）、大規(guī)模（LSILSI，每片數(shù)千器件）和超大規(guī)模（，每片數(shù)千器件）和超大規(guī)模（VLSIVLSI，每片器件數(shù)目，每片器件數(shù)目大于大于1 1萬）數(shù)字集成電路。萬）數(shù)字集成電路。 重點學習基本理論和基本設計方法，包括重點學習基本理論和基本設計方法，包括邏輯邏輯代數(shù)基礎、門電路、組合邏輯電路、觸發(fā)器、時序代數(shù)基礎、門電路、組合邏輯電路、觸發(fā)器、時序邏輯電路邏輯電路等，為將來從事數(shù)字邏輯電路設計和學習等，為將來從事數(shù)字邏輯電路設計和學習后續(xù)專業(yè)課程打下堅實的基礎。后續(xù)專業(yè)課程打下堅實的基礎。 另外，考慮數(shù)字技術的近期發(fā)展，反映這些發(fā)另外，考慮數(shù)字技術的近期發(fā)展，反映這些發(fā)展所需要的基本知識和方法，以便將來能更好地適展所需要