單元七數(shù)字電路基礎(chǔ)

1、單元七 數(shù)字電路基礎(chǔ) 課題一 數(shù)字電路基本知識(shí)課題二 邏輯代數(shù)及運(yùn)算規(guī)則課題三 基本邏輯門電路 課題四 集成邏輯門電路課題五 觸發(fā)器課題六 寄存器與計(jì)數(shù)器 課題七 數(shù)字電路在汽車上的應(yīng)用 課題一 數(shù)字電路基本知識(shí)一、數(shù)字信號(hào)和數(shù)字電路1模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)圖7-1 模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的波形（a）模擬信號(hào)波形 （b）數(shù)字信號(hào)波形2數(shù)字信號(hào)的主要參數(shù) （1）脈沖幅度Um（或A）。 （2）脈沖信號(hào)周期T 。 （3）脈沖寬度。 （4）占空比D。脈沖寬度與脈沖周期T之比稱為脈沖的占空比，D=/T。圖7-2 正脈沖及脈沖參數(shù) 模擬電路與數(shù)字電路的區(qū)別工作任務(wù)不同： 模擬電路研究的是輸出與輸入信號(hào)之間的大小、

2、相位、失真等方面的關(guān)系；數(shù)字電路主要研究的是輸出與輸入間的邏輯關(guān)系（因果關(guān)系）。 模擬電路中的三極管工作在線性放大區(qū),是一個(gè)放大元件；數(shù)字電路中的三極管工作在飽和或截止?fàn)顟B(tài),起開關(guān)作用。 因此，基本單元電路、分析方法及研究的范圍均不同。三極管的工作狀態(tài)不同：1二進(jìn)制數(shù)和二進(jìn)制碼（1）二進(jìn)制數(shù)。只用0和1兩個(gè)數(shù)碼，按照一定規(guī)律排列來表示數(shù)值大小的，計(jì)數(shù)時(shí)以二為基數(shù)，“逢二進(jìn)一”。二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算法則（符合交換律）： 0+0=0 0+1=1 1+1=10 00=0 10=0 11=1【課堂互動(dòng)】1101B轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)怎樣轉(zhuǎn)換？將十進(jìn)制數(shù)46怎么轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)？（2）二進(jìn)制代碼。二進(jìn)制代碼與二進(jìn)制數(shù)

3、是不同的。 二、數(shù)制和編碼 2二十進(jìn)制碼（BCD碼） BCD8421編碼是選用四位二進(jìn)制碼的前10個(gè)代碼00001001來表示十進(jìn)制數(shù)的09這10個(gè)數(shù)碼。此編碼的特點(diǎn)如下：（1）這種編碼實(shí)際上就是4位二進(jìn)制數(shù)的前10個(gè)代碼的組合，每組（4位）內(nèi)8421碼符合二進(jìn)制規(guī)則，而組與組之間則是十進(jìn)制，即按其自然順序所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)每一位的表示和通常的二進(jìn)制相同。例如，十進(jìn)制數(shù)145的BCD8421碼形式為： (145)10=(0001 0100 0101)84218421碼與十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換： （0111 0100 1001）8421=（749）10 （2）它是一種有權(quán)碼。4位二進(jìn)制編碼中由高位到低位的

4、權(quán)依次是23、22、21、20（即8、4、2、1），故稱為8421碼。 (3)在這種編碼中，10101111這6種組合狀態(tài)（即從1015這6個(gè)十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制碼）是不允許出現(xiàn)的，稱為禁止碼。 在汽車電子儀表顯示電路中，經(jīng)常要將信息轉(zhuǎn)換成8421碼，然后進(jìn)行顯示。 【課堂互動(dòng)】 寫出35的二進(jìn)制數(shù)，若用BCD8421碼表示應(yīng)為多少？一個(gè)十進(jìn)制數(shù)BCD8421碼為：“0001 0110 1000”，這個(gè)十進(jìn)制數(shù)為多少？課題二 邏輯代數(shù)及運(yùn)算規(guī)則一、邏輯和邏輯代數(shù) 1邏輯 邏輯是指事物的原因（條件）與結(jié)果的關(guān)系，即因果關(guān)系。 數(shù)字電路其實(shí)就是利用電路的輸入信號(hào)來反映條件，用輸出信號(hào)反映結(jié)果，從而使電

5、路的輸入、輸出之間代表了一定的邏輯關(guān)系，因此，數(shù)字電路又稱為邏輯電路。2邏輯代數(shù) 邏輯代數(shù)就是用以描述邏輯關(guān)系，反映邏輯變量運(yùn)算規(guī)律的數(shù)學(xué)，它是按照一定的邏輯規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算的。3邏輯代數(shù)與普通代數(shù)的區(qū)別（1）邏輯代數(shù)中所有變量只允許取兩個(gè)值“0”和“1”（沒有中間值）。（2）邏輯代數(shù)中變量的取值（0和1）并不表示數(shù)量的大小，它只用來表示兩種對(duì)立的邏輯狀態(tài)。 如果用0表示開關(guān)閉合，則1就表示開關(guān)斷開；如果用0表示無信號(hào)，則1就表示有信號(hào)；如果用0表示邏輯假，則1就表示邏輯真等等。（3）在邏輯代數(shù)中，只有三種基本的邏輯運(yùn)算，即“與”運(yùn)算、“或”運(yùn)算、“非”運(yùn)算。其他邏輯運(yùn)算都是通過這三種基本運(yùn)算的組

6、合來實(shí)現(xiàn)的。二、三種基本邏輯運(yùn)算1“與”邏輯和“與”運(yùn)算（1）“與”邏輯。當(dāng)決定某一事件的所有條件（前提）都具備時(shí)，該事件才會(huì)發(fā)生（結(jié)論），這種結(jié)論與前提的邏輯關(guān)系稱為“與”邏輯關(guān)系 。圖 7-4 兩個(gè)串聯(lián)開關(guān)控制指示燈的電路 （2）“與”運(yùn)算。實(shí)現(xiàn)“與”邏輯關(guān)系的運(yùn)算稱為“與”運(yùn)算。運(yùn)算符號(hào)為“”，通?？梢允÷??！芭c”運(yùn)算又稱邏輯乘。 F= AB = AB 0 0=0 0 1=01 0=0 1 1=1與邏輯運(yùn)算規(guī)則 邏輯乘2“或”邏輯和“或”運(yùn)算（1）“或”邏輯。在決定某一事件的各個(gè)條件中，只要有一個(gè)或一個(gè)以上的條件具備，該事件就會(huì)發(fā)生，這種邏輯關(guān)系稱為“或”邏輯關(guān)系。 圖 7-5 兩個(gè)并聯(lián)

7、開關(guān)控制指示燈的電路（2）“或”運(yùn)算。實(shí)現(xiàn)“或”邏輯關(guān)系的運(yùn)算稱為“或”運(yùn)算。運(yùn)算符號(hào)為“+”，因此，“或”運(yùn)算又稱邏輯加 ?；蜻壿嬯P(guān)系表示式 F=A B 或邏輯運(yùn)算規(guī)則 邏輯加0+0=0 0+1=11+0=1 1+1=13“非”邏輯和“非”運(yùn)算（1）“非”邏輯。在邏輯問題中，若條件具備時(shí)，事件不發(fā)生；而當(dāng)條件不具備時(shí)，該事件必然發(fā)生，這種結(jié)論與前提完全相反的邏輯關(guān)系稱為“非”邏輯關(guān)系。 圖 7-6 開關(guān)與燈泡并聯(lián)電路非邏輯關(guān)系表示式: F A 運(yùn)算規(guī)則： 0 1 1 0 非邏輯 邏輯反三、邏輯代數(shù)的基本運(yùn)算規(guī)則1邏輯代數(shù)的基本運(yùn)算規(guī)則 0A=0 1A=A 0+A=A 【想一想】每個(gè)邏輯變量的

8、取值有幾個(gè)？你能驗(yàn)證上述運(yùn)算法則的正確性嗎？ 2邏輯代數(shù)的基本定律（1）交換律: A+B = B+A AB=BA（2）結(jié)合律: A+B+C=(A+B)+C=A+(B+C) ABC=(AB)C=A(BC)（3）分配律: A(B+C)=AB+AC A+BC=(A+B)(A+C)求證: （分配律第2條） A+BC=(A+B)(A+C)證明:右邊 =(A+B)(A+C)=AA+AB+AC+BC ; 分配律=A +A(B+C)+BC ; 結(jié)合律,AA=A=A(1+B+C)+BC ; 結(jié)合律=A 1+BC ; 1+B+C=1=A+BC ; A 1=1=左邊混合變量吸收規(guī)則:AB+AC+BC=AB+AC+(

9、A+A)BC =AB+AC+ABC+ABC =AB(1+C) +AC(1+B) =AB +ACAB+AB =AAB+AC+BC =AB+AC證明:（4）反演定理（德摩根定理）AB =A+B A+B = AB用真值表證明A B AB A+B 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 證明:吸收規(guī)則原變量吸收規(guī)則:反變量吸收規(guī)則:A+AB=A+BA+AB=A+B注: 紅色變量被吸收掉！A+AB =A+AB+AB =A+(A+A)B =A+ 1B ; A+A=1 =A+BA+AB =A證明:3兩個(gè)常用的公式課題三 基本邏輯門電路 一、二極管與門電路 圖 7-7 二極管與門電路及

10、其邏輯符號(hào)（a）電路圖 （b）邏輯符號(hào)圖 0 0 00 1 01 0 01 1 1A B Y=AB與門邏輯真值表二、二極管或門電路圖 7-8 二極管或門電路及其邏輯圖（a）電路圖 （b）邏輯圖0 0 00 1 11 0 11 1 1A B Y=A+B 或門邏輯真值表 Y=A B 三、三極管非門電路 圖 7-9 三極管非門電路及其邏輯圖（a）電路圖 （b）邏輯圖 輸入輸出電平對(duì)應(yīng)表 UA UO （Y） 0 1 (三極管截止) 1 0 (三極管飽和)三極管反相器電路實(shí)現(xiàn)“非”邏輯關(guān)系。非邏輯真值表 A Y 0 1 1 0四、“與非門”電路圖7-10 與非門的邏輯結(jié)構(gòu)及邏輯符號(hào)（a）邏輯結(jié)構(gòu) （b）

11、邏輯符號(hào) （c）三極管與非門電路圖 表示式：Y = ABY=AB C多個(gè)邏輯變量時(shí):表7-6 與非門邏輯狀態(tài)表ABABY0011010100011110圖7-11 74LS00與非門芯片引腳圖74系列的與非門有多種型號(hào)，例如：74LS00（四2輸入與非門）、74LS10（三3輸入與非門）等。與非門的輸入端也可以不只兩個(gè)，輸出端卻只有一個(gè)。 五、或非門電路 實(shí)現(xiàn)“或非”復(fù)合運(yùn)算的電路稱或非門電路，是先求或、再求非的運(yùn)算，相當(dāng)于在或門的基礎(chǔ)上，再加一個(gè)非門。 圖7-12 或非門的邏輯結(jié)構(gòu)及邏輯符號(hào)（a）邏輯結(jié)構(gòu) （b）邏輯符號(hào) （c）三極管或非門電路圖 或非門表示式： Y= A+B多個(gè)邏輯變量時(shí):

12、Y= A+B+C 真值表 A B AB Y 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0真值表特點(diǎn): 相同則0, 不同則1 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 0Y=A B =AB + AB表示式：=1ABY符號(hào)：六、異或門電路 常用的集成電路異或門芯片為74LS86（四2輸入異或門），其邏輯符號(hào)和引腳圖見圖7-14。圖7-14 74LS86邏輯符號(hào)和引腳圖（a）邏輯符號(hào) （b）引腳圖七、與或非門 圖 7-15 與或非門的邏輯結(jié)構(gòu)及邏輯符號(hào)（a）邏輯結(jié)構(gòu) （b）邏輯符號(hào) 與或非門表達(dá)的“與或非”邏輯運(yùn)算表

13、達(dá)式課題四 集成邏輯門電路 集成邏輯門電路包含三種數(shù)字集成電路技術(shù)，分別是TTL電路、CMOS電路、ECL電路。 TTL（Transistor-Transistor-Logic，晶體管晶體管邏輯）電路是輸入端和輸出端都采用雙極型三極管構(gòu)成的邏輯電路，也稱為晶體管晶體管邏輯電路。 一、TTL門電路（1）TTL與非門電路結(jié)構(gòu)它由三部分組成。 圖 7-16 TTL與非門電路和多發(fā)射極三極管V1的等效電路（a）TTL與非門電路 （b）V1的等效電路（2）TTL與非門電路工作原理（3）TTL與非門電路的主要參數(shù) 輸出高電平UOH。 輸出低電平UOL。 輸入短路電流IIS。 高電平輸入電流IIH。 輸入高

14、電平最小值UIHmin。 輸入低電平最大值UILmax。 平均傳輸時(shí)間tpd。 2TTL非門圖7-18 TTL非門電路及74LS04引腳分配圖二、CMOS門電路1CMOS非門電路CMOS非門電路也稱CMOS反相器，電路如圖7-19a所示。 圖7-19 CMOS非門電路及其等效電路CMOS非門的主要特點(diǎn)如下： （1）靜態(tài)功耗小。 （2）靜態(tài)傳輸特性好，抗干擾能力強(qiáng)。（3）允許的電源電壓波動(dòng)范圍大。 （4）CMOS電路的主要缺點(diǎn)是輸入端容易被靜電擊穿，在使用不當(dāng)時(shí)容易損壞。 圖 7-20 CMOS反相器電壓傳輸特性2CMOS與非門圖7-21 CMOS與非門電路 若A、B當(dāng)中有一個(gè)或全為低電平0時(shí)，

15、VN1、VN2中有一個(gè)或全部截止，VP1、VP2中有一個(gè)或全部導(dǎo)通，輸出Y為高電平1。 只有當(dāng)輸入A、B全為高電平1時(shí)，VN1和VN2才會(huì)都導(dǎo)通，VP1和VP2才會(huì)都截止，輸出Y才會(huì)為低電平0?？梢婋娐穼?shí)現(xiàn)了“與非”邏輯功能。課題五 觸發(fā)器 觸發(fā)器電路是一種具有記憶能力的基本邏輯單元，它有兩個(gè)不同的穩(wěn)定狀態(tài)，分別稱為“0”狀態(tài)、“1”狀態(tài)，可用來記憶邏輯“0”、“1”兩種信息狀態(tài)，起到信息的接收、存儲(chǔ)、傳輸?shù)淖饔谩?觸發(fā)器按其穩(wěn)定工作狀態(tài)可分為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（多諧振蕩器）等。按其功能可分為RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器和D觸發(fā)器等。 一、RS觸發(fā)器 1基本RS觸發(fā)器圖7-22

16、 基本RS觸發(fā)器邏輯電路及符號(hào)（a）邏輯圖 （b）邏輯符號(hào)Q, Q 輸出端 S D SET直接置位端RD RESET直接復(fù)位端表7-9 基本RS觸發(fā)器邏輯狀態(tài)表RDSDQ邏輯功能1010011010保持不穩(wěn)定置1置0保持不允許RD=0同時(shí)SD=1時(shí), Q=0。故RD稱為復(fù)位端,或稱為清0端SD=0同時(shí)RD=1時(shí), Q=1。故SD稱為置位端,或稱為置1端保持： 指R、S從01或10變成11時(shí),輸出端狀態(tài)不變不穩(wěn)定： 指RD、SD同時(shí)從00變成11時(shí), 輸出端狀態(tài)不定設(shè)計(jì)電路時(shí)此種情況應(yīng)避免R-S 觸發(fā)器特點(diǎn):(1) 具有兩個(gè)穩(wěn)態(tài)(Q=0,Q=1或Q=1,Q=0), 稱為 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器.(2) 可

17、觸發(fā)使之翻轉(zhuǎn) (使RD、SD之一為0時(shí)可翻轉(zhuǎn)).(3) 具有記憶功能(RD、SD都為1時(shí)，保持原來狀態(tài)).2同步RS觸發(fā)器圖7-23 同步RS觸發(fā)器邏輯電路及符號(hào)（a）邏輯圖 （b）邏輯符號(hào)同步RS觸發(fā)器由G1和G2構(gòu)成基本RS觸發(fā)器，兩個(gè)與非門G3和G4做引導(dǎo)門（控制門）；SD為直接置位端，RD為直接復(fù)位端，也稱它們?yōu)楫惒捷斎攵?；R、S分別是置0和置1的數(shù)據(jù)輸入端，也稱為同步輸入端。 表7-10 同步RS觸發(fā)器邏輯狀態(tài)表CPRSQN+1邏輯功能011110101100110Qn不定禁止工作置1置0保持不允許注：表示任意狀態(tài) 二、JK觸發(fā)器 圖7-24 主從型JK觸發(fā)器（a）邏輯圖 （b）邏輯

18、符號(hào)表7-11 JK觸發(fā)器邏輯狀態(tài)表J K Qn+1 邏輯功能 00Qn保持010置0101置111記數(shù)（翻轉(zhuǎn)） 三、D觸發(fā)器圖7-25 D觸發(fā)器（a）邏輯符號(hào) （b）工作波形圖D觸發(fā)器又稱數(shù)據(jù)鎖存器，它只有一個(gè)同步輸入端D。 表7-12 D觸發(fā)器邏輯狀態(tài)表DQnQn+1邏輯功能000100置0110111置1課題六 寄存器與計(jì)數(shù)器 一、寄存器圖7-26 三位代碼寄存器 寄存器分為數(shù)碼寄存器和移位寄存器。 前者只能存放數(shù)據(jù)信息，后者除了能夠存放數(shù)碼外，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)碼的左右移動(dòng) 二、計(jì)數(shù)器1二進(jìn)制計(jì)數(shù)器圖7-27 三位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器最低位觸發(fā)器F1的CP端是計(jì)數(shù)脈沖輸入端，其它位觸發(fā)器的CP端接到它所對(duì)應(yīng)的低位觸發(fā)器的 端。 圖7-28 二進(jìn)制計(jì)數(shù)器波形圖（1）第一步清零。在RD加清零信號(hào)，將計(jì)數(shù)器置于初始狀態(tài)，即Q3 Q2 Q1 =000。（2）第二步計(jì)數(shù)。 2十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 實(shí)際上是利用簡(jiǎn)單的二進(jìn)制計(jì)數(shù)電路實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)的。 當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖以第1到第9依次輸入時(shí)，對(duì)應(yīng)于8421BCD碼計(jì)數(shù)器狀態(tài)從0001變到1001，這與二進(jìn)制計(jì)數(shù)器完全相同。但當(dāng)?shù)谑畟€(gè)計(jì)數(shù)脈沖輸入時(shí)，計(jì)數(shù)器應(yīng)恢復(fù)到起始狀態(tài)0000，并向前產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位脈沖，所以1