數(shù)字邏輯電路第一單元課件

數(shù)字邏輯電路第一單元課件第一頁，共39頁。課程的重要性在信息時代，數(shù)字電路無處不在。家電、通訊、計算機、自控、互聯(lián)網和儀器儀表等廣泛應用數(shù)字技術。數(shù)電是電類專業(yè)學生的一門看家本事。在大學期間，許多的后續(xù)課程與數(shù)電知識有關。如：計算機原理、單片機原理、電子工程設計、畢業(yè)設計等等。引言第二頁，共39頁。本課程是數(shù)字電路知識的入門課程，非常重要但遠遠不夠。要解決復雜的實際問題，必須學會使用先進的工具，使設計工作更方便、更高效、更可靠。學習電子設計自動化（EDA）軟件，如：DataI/O公司的SynarioAltera公司的Max+plusII學習硬件描述語言(HDL)，如：VHDL，AHDL有些軟件可以從網上免費下載，有時間學習一下。第三頁，共39頁。學習方法提示1.強調基本概念的掌握;2.掌握基本的分析、設計方法（難度和復雜程度都不是很大，以例題、作業(yè)為準）;3.在集成電路的內部原理和外部特性中，以外部特性的理解為主;4.要合理的記筆記，特別是一些典型例題。5.許多考試內容，都會在講課中提及、強調。關于作業(yè)全部批改，登記；做題要求抄寫題目；表題工整，圖、標用尺畫；一周交一次作業(yè)，暫定為周三第四頁，共39頁。關于期末考核總評成績=期末考試卷面成績（70%）+平時成績（30%）（1）基本分（85分）：作業(yè)全部上交（缺1次扣5分）考勤滿勤（缺1次扣5分）參加期中測驗（2）加分（酌情加5~15分）：班長喊起立學委收發(fā)作業(yè)幫助擦黑板主動回答課堂提問主動參加答疑平時成績組成第五頁，共39頁。第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章數(shù)字邏輯概論邏輯門電路組合邏輯電路鎖存器和觸發(fā)器時序邏輯電路脈沖波形的變換與產生(555定時器)存儲器、復雜可編程器件和現(xiàn)場可編程門陣列數(shù)模與模數(shù)轉換器邏輯代數(shù)與硬件描述語言基礎課程內容概括：第六頁，共39頁。內容簡介1.數(shù)字信號、數(shù)字技術等基本概念2.常用的各種進制數(shù)、碼制3.二進制的算術運算和數(shù)字邏輯的基本運算第1章數(shù)字邏輯概論第七頁，共39頁。數(shù)字電路的分類2、按所用器件制作工藝的不同：雙極型（TTL型）、單極型（MOS型）3、按電路的結構和對輸入信號響應規(guī)則的不同：組合邏輯電路（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）1、按電路結構的不同：分立元件電路、集成電路1.1

數(shù)字電路與數(shù)字信號第八頁，共39頁。4、按集成度分：集成度：每塊集成電路芯片中包含的元器件數(shù)目小規(guī)模集成電路(SmallScaleIC，SSI)中規(guī)模集成電路(MediumScaleIC，MSI)大規(guī)模集成電路(LargeScaleIC，LSI)超大規(guī)模集成電路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大規(guī)模集成電路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大規(guī)模集成電路(GiganticScaleIC，GSI）第九頁，共39頁。數(shù)字電路的特點（1）穩(wěn)定性高，結果的再現(xiàn)性好。數(shù)字電路的抗干擾能力強，因而可靠。在信號的傳送過程中，數(shù)字傳送比模擬傳送也要可靠的多。（2）易于設計。數(shù)字電路只有0、1兩種狀態(tài)，對電路精度要求不高，因此分析、設計也相對較容易。（3）大批量生產，成本低廉。數(shù)字電路結構簡單，通用性強，便于集成化生產。（4）可編程性。（5）高速度，低功耗。集成度高。第十頁，共39頁。數(shù)字電路的分析、設計與測試（1）分析方法

數(shù)字電路的研究對象是電路的輸入與輸出之間的邏輯關系，三極管工作在開關狀態(tài)，所以，分析方法不能再是模擬電路中的圖解法、微變等效電路法，而是采用布爾代數(shù)、真值表、功能表、邏輯表達式或波形圖等。（3）測試技術

測試設備為：數(shù)字萬用表、電子示波器等。具體測試技術將在實驗課中詳細介紹。

（2）設計方法

設計是從給定的邏輯功能要求出發(fā)，確定輸入、輸出變量，選擇適當?shù)倪壿嬈骷?，設計出符合要求的邏輯電路。第十一頁，共39頁。模擬信號

模擬信號是在時間和幅值上都連續(xù)變化的信號，例如正弦波、指數(shù)函數(shù)等

，如圖1.1(a)所示。對模擬信號進行傳輸、處理的電子線路稱為模擬電路。圖1.1(a)模擬信號波形

模擬信號和數(shù)字信號第十二頁，共39頁。ut圖1.1(b)數(shù)字信號波形

數(shù)字信號是在幅值上不連續(xù)，取一定離散數(shù)值的信號，通常是由數(shù)字0和1，也可以說是由低電平電信號和高電平電信號組成的信號，如圖1.1(b)所示。對數(shù)字信號進行傳輸、處理的電子線路稱為數(shù)字電路，如數(shù)字電子鐘、數(shù)字萬用表的電子電路都是由數(shù)字電路組成數(shù)字信號第十三頁，共39頁。模擬量可以用一系列的數(shù)字量0、1來表示，這一系列的數(shù)字0、1組成的字符串，稱為二進制碼

.模擬量的數(shù)字表示第十四頁，共39頁。數(shù)字電路又稱二值邏輯，它們可以用電子器件的開關特性來實現(xiàn)。例如，邏輯電平與電壓值的關系可用下表來描述：電壓(V)邏輯表示電平表示3.5~51H(高電平)0~1.50L(低電平)數(shù)字信號的描述方法第十五頁，共39頁。例：周期性數(shù)字脈沖波高電平持續(xù)時間為6ms，低電平持續(xù)時間為10ms,則，占空比

2.占空比q--脈沖寬度占整個周期的百分比:q數(shù)字信號中的幾個概念1.脈沖寬度tw--脈沖作用的時間q=

6ms/(6+10)ms=37.5%3.上升時間tr

和下降時間tf----從脈沖幅值的10%到90%所經歷的時間，典型值為幾十個納秒（ns）

非理想脈沖波形

第十六頁，共39頁。進位制/數(shù)制：表示數(shù)時，僅用一位數(shù)碼往往不夠用，必須用進位計數(shù)的方法組成多位數(shù)碼。多位數(shù)碼每一位的構成以及從低位到高位的進位規(guī)則稱為進位計數(shù)制，簡稱進位制?；鶖?shù)：進位制的基數(shù)，就是在該進位制中可能用到的數(shù)碼個數(shù)位權（位的權數(shù)）：在某一進位制的數(shù)中，每一位的大小都對應著該位上的數(shù)碼乘上一個固定的數(shù)，這個固定的數(shù)就是這一位的權數(shù)。權數(shù)是一個冪。幾個概念（數(shù)制）：1.2

數(shù)制數(shù)碼：由數(shù)字符號構成且表示物理量大小的數(shù)字和數(shù)字組合。第十七頁，共39頁。1.

十進制

數(shù)字符號（系數(shù)）：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9計數(shù)規(guī)則：逢十進一５５５５５×１０３＝５０００５×１０２＝５００５×１０１＝５０５×１００＝５＝５５５５103、102、101、100稱為十進制的權。各數(shù)位的權是10的冪。同樣的數(shù)碼在不同的數(shù)位上代表的數(shù)值不同。＋任意一個十進制數(shù)都可以表示為各個數(shù)位上的數(shù)碼與其對應的權的乘積之和，稱權展開式。即：(5555)10＝5×103

＋5×102＋5×101＋5×100又如：(209.04)10＝2×102

＋0×101＋9×100＋0×10－1＋4×10－2第十八頁，共39頁。十進制一般表達式:位權系數(shù)

在數(shù)字電路中，計數(shù)的基本思想是要把電路的狀態(tài)與數(shù)碼一一對應起來。顯然，采用十進制是十分不方便的。它需要十種電路狀態(tài)，要想嚴格區(qū)分這十種狀態(tài)是很困難的。第十九頁，共39頁。2.二進制數(shù)字符號：0、1計數(shù)規(guī)則：逢二進一基數(shù)：2權：2的冪例：（）2=

（1×26+0×25+1×24+1×23+1×22+0×21+1×20）10

=（64+0+16+8+4+0+1）10=（93）10二進制數(shù)的一般表達式為:位權系數(shù)第二十頁，共39頁。位數(shù)太多，不符合人的習慣，不能在頭腦中立即反應出數(shù)值的大小，一般要將其轉換成十進制后，才能反應。二進制的優(yōu)點：

1、易于電路實現(xiàn)---每一位數(shù)只有兩個值，可以用管子的“導通”或“截止”，燈泡的“亮”或“滅”、繼電器觸點的“閉合”或“斷開”來表示。二進制的缺點：2、基本運算規(guī)則簡單第二十一頁，共39頁。3.八進制數(shù)字符號：0,1,2,3,4,5,6,7計數(shù)規(guī)則：逢八進一基數(shù)：8權：8的冪例：（127）8=（1×82+2×81+7×80）10=（64+16+7）10=（87）10第二十二頁，共39頁。4.十六進制數(shù)字符號：0~9、A(10)、B(11)、C(12)、D(13)、E(14)、F(15)計數(shù)規(guī)則：逢十六進一基數(shù)：16權：16的冪例：（5D）16=（5×161+13×160）10=（80+13）10=（93）10第二十三頁，共39頁。十六進制在數(shù)字電路中，尤其在計算機中得到廣泛的應用，因為：十六進制優(yōu)點：第一、與二進制之間的轉換容易第二、計數(shù)容量較其它進制都大。假如同樣采用四位數(shù)碼，第三、計算機系統(tǒng)中，大量的寄存器、計數(shù)器等往往按四位一組排列。故使十六進制的使用獨具優(yōu)越性。八進制可計至7777O=4095D；十進制可計至9999D；十六進制可計至FFFFH=65535D，其容量最大。二進制最多可計至1111B=15D

；第二十四頁，共39頁。結論：①一般地，N進制需要用到N個數(shù)碼，基數(shù)是N；運算規(guī)律為逢N進一。②如果一個N進制數(shù)M包含ｎ位整數(shù)和ｍ位小數(shù)，即(an-1an-2…a1a0·a－1a－2…a－m)N則該數(shù)的權展開式為：(M)N

＝an-1×Nn-1

＋

an-2×Nn-2

＋…＋a1×N1＋

a0×N0＋a－1×N-1＋a－2×N-2＋…＋a－m×N-m③由權展開式很容易將一個N進制數(shù)轉換為十進制數(shù)。第二十五頁，共39頁。不同數(shù)制間的轉換

（1）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，整數(shù)部分向左，小數(shù)部分向右，每3位分成一組，不夠3位補零，則每組二進制數(shù)便是一位八進制數(shù)。(三位聚一位)將N進制數(shù)按權展開，即可以轉換為十進制數(shù)。1101010.01000＝(152.2)8（2）八進制數(shù)轉換為二進制數(shù)：將每位八進制數(shù)用3位二進制數(shù)表示。(一位變三位)

=011111100.010110(374.26)8二進制數(shù)與八進制數(shù)的相互轉換1第二十六頁，共39頁。0111101000.011000＝(1E8.6)16=101011110100.01110110(AF4.76)16二進制數(shù)轉換為十六進制數(shù)，按照每4位二進制數(shù)對應于一位十六進制數(shù)進行轉換。(四位聚一位)采用的方法

—基數(shù)連除、連乘法原理：將整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進行轉換。

整數(shù)部分采用基數(shù)連除法;

小數(shù)部分采用基數(shù)連乘法;

轉換后再合并。十六進制數(shù)轉換為二進制數(shù)，按照每一位十六進制數(shù)對應于4位二進制數(shù)進行轉換。(一位變四位)十進制數(shù)轉換為二進制數(shù)32

二進制與十六進制數(shù)的相互轉換

第二十七頁，共39頁。整數(shù)部分采用基數(shù)連除法：先得到的余數(shù)為低位，后得到的余數(shù)為高位。小數(shù)部分采用基數(shù)連乘法：先得到的整數(shù)為高位，后得到的整數(shù)為低位。所以：(44.375)10＝(101100.011)2采用基數(shù)連除、連乘法，可將十進制數(shù)轉換為任意的N進制數(shù)。例：(44.375)10＝(

？)2第二十八頁，共39頁。例：將(0.706)D轉換為二進制數(shù)，要求其誤差不大于2-10。解：0.706×2=1.412……1……b－1由于最后的小數(shù)小于0.5，根據(jù)“四舍五入”的原則，應為0所以，(0.706)D=(0.101101001)B，其誤差高位|||||||低位0.412×2=0.824……0……b－20.824×2=1.648……1……b－30.648×2=1.296……1……b－40.296×2=0.592……0……b－50.592×2=1.184……1……b－6

0.184×2=0.368……0……b－7

0.368×2=0.736……0……b－8

0.736×2=1.472……1……b－9

將小數(shù)部分連續(xù)不斷地乘以2,每次所得乘積的整數(shù)部分取出，由高位到低位排列，即為所求第二十九頁，共39頁。表1-1幾種計數(shù)進制數(shù)的對照表十進制二進制八進制十六進制00000001000111200102230011334010044501015560110667011177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F第三十頁，共39頁。1.3二進制數(shù)的算術運算1.

無符號二進制的算術運算

二進制的加、減、乘、除四種運算的運算與十進制數(shù)類似，兩者唯一區(qū)別在于進位或借位規(guī)則不同。無符號二進制加法規(guī)則是：二進制加法無符號二進制減法規(guī)則是：二進制減法0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=100-0=0，1-1=0，1-0=1，

0-1=11進位位借位位第三十一頁，共39頁。例1計算兩個二進制數(shù)1010和0101的積：二進制乘法二進制除法乘法運算是由左移被乘數(shù)與加法運算組成的例2計算兩個二進制數(shù)1010和111的商：除法運算是由右移被除數(shù)與減法運算組成的1010×0101101010100000000001100101010111111111.00101111010111111…0×0=0，1×0=0，

0×1=0，1×1=1第三十二頁，共39頁。

在定點運算的情況下，二進制數(shù)的最高位（即最左邊的位）表示符號位，且0表示正數(shù)，用1表示負數(shù)。其余部分為數(shù)值位。例如：2.帶符號二進制的減法運算

以上是用原碼的形式表示數(shù)值位。在數(shù)字電路中，常將負數(shù)用補碼表示，以便將減法運算變?yōu)榧臃ㄟ\算。第三十三頁，共39頁。減法運算補碼和反碼的關系式:N補=N反+1。1、二進制數(shù)補碼表示先只討論數(shù)值碼，即數(shù)碼中不包括符號位。原碼自然二進制碼反碼將原碼中的0變?yōu)?，1變?yōu)?N反=（2n1）N原即：

N原=2n1N反補碼N補=2nN原原碼：0101反碼：10101111補碼；

1011所以，A-B=A-（2n-1-B反）=A+B反+1-2n=A+B補-2n

第三十四頁，共39頁。當考慮負數(shù)情況時，帶符號二進制數(shù)補碼的計算方法如下：補碼或反碼的最高位為符號位，正數(shù)為0，負數(shù)為1。

當二進制數(shù)為正數(shù)時，其補碼、反碼與原碼相同。當二進制數(shù)為負數(shù)時，將原碼的數(shù)值位逐位求反（即得到反碼），然后在最低位加1,得到補碼。（p24）例：分別計算出A＝＋6和B=－6的4位二進制原碼、反碼和補碼A＝＋6B=－6原碼反碼補碼011001100110111010011010第三十五頁，共39頁。2、二進制補碼的減法運算減法運算的原理是減去一個正數(shù)相當于加上一個負數(shù)，即A－B＝A＋（－B），對（－B）求補碼，然后進行加法運算。進行二進制補碼的加法運算時，必須注意被加數(shù)補