數(shù)電第4版 課件 1緒論

數(shù)字電路與數(shù)字邏輯緒論2023年9月課程性質(zhì)：

本課程是電子信息類本科專業(yè)大類基礎(chǔ)課程，它既是學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)的入門課程，也為進一步學(xué)習(xí)微機原理和單片機原理等后續(xù)課程提供必要的電路基礎(chǔ)。

先修課程:電路原理后續(xù)課程:

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，微機原理，單片機原理及實踐、電子系統(tǒng)設(shè)計等課程簡介

課程目標(biāo)：課程教學(xué)目標(biāo)1：掌握邏輯代數(shù)的基本概念、理論和方法；理解集成門電路的電路結(jié)構(gòu)、邏輯功能和電氣特性；理解半導(dǎo)體存儲器、D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理；理解脈沖產(chǎn)生與整形電路的工作原理、參數(shù)計算和應(yīng)用。課程教學(xué)目標(biāo)2：掌握組合邏輯電路、時序邏輯電路的分析方法、設(shè)計方法和調(diào)試方法；掌握實驗報告的寫作方法。課程教學(xué)目標(biāo)3：通過查閱文獻(xiàn)和撰寫讀書報告，了解數(shù)字電路的前沿技術(shù)和最新進展，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新意識，激發(fā)學(xué)生科技報國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。課程簡介課程簡介課程簡介1數(shù)字邏輯基礎(chǔ)2集成門電路3組合邏輯電路4觸發(fā)器、寄存器和計數(shù)器5同步時序邏輯電路6半導(dǎo)體存儲器7脈沖波形的產(chǎn)生與整形8數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器9數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計理論課內(nèi)容1門電路測試及應(yīng)用2組合邏輯電路設(shè)計3同步時序邏輯電路設(shè)計實驗課內(nèi)容課程簡介112進制計數(shù)器設(shè)計24位數(shù)字頻率計3自主設(shè)計題（信號發(fā)生器設(shè)計）課程設(shè)計課程簡介總評成績組成：課堂表現(xiàn)5%、作業(yè)10%、期中考試15%期末考試50%實驗

10%、讀書報告10%課程簡介

教材——《數(shù)字電路》課程簡介

參考書[1]康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分），第6版.高等教育出版社，2014年.[2]閻石，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，第6版.高等教育出版社，2016年.[3]斯蒂芬?布朗著，數(shù)字邏輯基礎(chǔ)與VerilogHDL設(shè)計（加），第3版，機械工業(yè)出版社，2019年10月。課程簡介主講教師：賈立新電話公室：信息樓B302E-mail：jlx＠課程簡介1.1緒論※模擬信號和數(shù)字信號※數(shù)字電路的發(fā)展歷史※數(shù)字電路的優(yōu)點

※模擬電路、數(shù)字電路和數(shù)

?；旌想娐?.1.1模擬信號與數(shù)字信號模擬信號：連續(xù)時間信號或離散時間信號，它的幅值在上限和下限之間連續(xù)。時間和幅值均連續(xù)時間離散、幅值連續(xù)高電平低電平數(shù)字信號：連續(xù)時間信號或離散時間信號，它的幅值在上限和下限之間取離散值，這些離散值被表示為數(shù)字量。1.1.1模擬信號與數(shù)字信號1.1.2模擬電路、數(shù)字電路和數(shù)?；旌想娐纺M電路：用于傳遞和處理模擬信號的電路就稱為模擬電路。放大電路就是最典型的模擬電路。

數(shù)字電路：用以傳遞和加工處理數(shù)字信號的電路就稱為數(shù)字電路。

數(shù)字電路中晶體管多數(shù)工作在開關(guān)狀態(tài)。研究對象是輸入和輸出的邏輯關(guān)系，因此主要的分析工具是邏輯代數(shù)，表達(dá)電路的功能主要是真值表、邏輯表達(dá)式及邏輯圖等。

模擬電路中的晶體管一般工作在放大狀態(tài)，因而電路的靈敏度比較高，但也容易受環(huán)境溫度、元件容差的影響。

模擬電路注重指標(biāo)，數(shù)字電路中注重功能。1.1.2模擬電路、數(shù)字電路和數(shù)模混合電路

數(shù)?；旌想娐罚杭瓤梢蕴幚頂?shù)字信號也可以處理模擬信號的電路。

A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、混合信號單片機。1.1.2模擬電路、數(shù)字電路和數(shù)?；旌想娐?.1.3數(shù)字電路的發(fā)展過程第一階段由電子管構(gòu)成的數(shù)字電路1906年世界上第一只真空三極管的問世，發(fā)明人是美國發(fā)明家德福雷斯特（I.DeForest，1873-1961）。電子管實物（2019年攝于浙江省廣播電視70年成就展）1.1.3數(shù)字電路的發(fā)展過程世界上第一臺電子管計算機ENIAC

ENIAC使用了17468只電子管，1500個繼電器，70000多只電阻，10000多只電容，占地167m2，重量達(dá)30噸，耗電160kW，存儲容量為17KB，字長12位，是一個名副其實的龐然大物。其運算速度比當(dāng)時最好的機電式計算機快1000倍，每秒可進行5000次加法運算，357次乘法運算或38次除法運算。1.1.3數(shù)字電路的發(fā)展過程第二階段由晶體管構(gòu)成的數(shù)字電路經(jīng)過對半導(dǎo)體材料深入細(xì)致的研究，終于在1948年，制出了世界上第一只半導(dǎo)體（晶體）三極管，1949年建立了PN結(jié)理論，從此以后，電子技術(shù)的發(fā)展進入快速發(fā)展的時期。1.1.3數(shù)字電路的發(fā)展過程第三階段數(shù)字集成電路1962年制出了第一片集成電路，它屬于是小規(guī)模集成電路（SmallScaleIntegrationCitcuit，簡稱SSI），只含12個元件。到1966年，中規(guī)模集成電路（MSI）問世，1967年制成了大規(guī)模集成電路（LSI），到了70年代末，就已出現(xiàn)超大規(guī)模集成電路（VLSI），即一個芯片上的門數(shù)已超過1000個門。1.1.3數(shù)字電路的發(fā)展過程小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路單門集成電路

SSI/MSILSI/VLSI最小特征尺寸：特征尺寸越小，芯片的集成度越高。在2006年，數(shù)字集成電路的最小特征尺寸為78nm，到了2012年，最小特征尺寸減小到約36nm。目前，世界上最先進的數(shù)字集成電路的特征尺寸已減小到5nm，甚至2nm的集成電路已經(jīng)出現(xiàn)。1.1.3數(shù)字電路的發(fā)展過程參觀杭州士蘭集成電路制造有限公司1.1.3數(shù)字電路的發(fā)展過程集成電路的基礎(chǔ)材料——晶圓（Wafer)1.1.3數(shù)字電路的發(fā)展過程

3種常用的數(shù)字集成電路：標(biāo)準(zhǔn)集成電路、可編程邏輯器件（PLD）、專用集成電路（ASIC).

標(biāo)準(zhǔn)集成電路是指功能、物理配置固定，用戶無法修改的集成電路。標(biāo)準(zhǔn)集成電路品種多、價格低，缺點是采用標(biāo)準(zhǔn)集成電路設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)體積大、功能固定。

可編程邏輯器件允許用戶根據(jù)自己的要求實現(xiàn)相應(yīng)的邏輯功能，并且可以多次編程。可編程邏輯器件結(jié)構(gòu)上由門陣列、可編程觸發(fā)器、可編程開關(guān)組成。常見的可編程邏輯器件有CPLD和FPGA。

專用集成電路是針對整機或系統(tǒng)的需要，專門為之設(shè)計制造的集成電路。1.1.3數(shù)字電路的發(fā)展過程數(shù)字電路的兩種設(shè)計方法：傳統(tǒng)設(shè)計方法（手工設(shè)計）和現(xiàn)代設(shè)計方法（計算機輔助設(shè)計）傳統(tǒng)設(shè)計方法：設(shè)計者+紙+筆。一般憑借設(shè)計者的經(jīng)驗就可以實現(xiàn)。雖然很少使用了，但仍然是本課程將介紹的主要內(nèi)容，其目的是幫助大家直觀理解數(shù)字電路工作原理?，F(xiàn)代設(shè)計方法：設(shè)計者+EDA工具+硬件描述語言+CPLD/FPGA。1.1.3數(shù)字電路的發(fā)展過程1.1.4數(shù)字電路的優(yōu)點（1）穩(wěn)定性好，精度高；

模擬電路容易受元件誤差，環(huán)境溫度等因素影響，精度難以超過千分之一。如果采用數(shù)字加法器，電壓值用二進制數(shù)表示，只要增加二進制數(shù)的位數(shù)就可以提高精度。例如，16位的數(shù)字加法器可以達(dá)到1/216的精度。（2）易于設(shè)計和測試；

數(shù)字電路設(shè)計通常也稱為邏輯設(shè)計，其主要數(shù)學(xué)工具為邏輯代數(shù)，不需要深奧的數(shù)學(xué)知識。對于簡單的數(shù)字電路，采用手工設(shè)計方法就可以完成設(shè)計。對于復(fù)雜的數(shù)字電路，則可以通過借助電子設(shè)計自動化（EDA）軟件和硬件描述語言（HDL）來完成設(shè)計。數(shù)字電路的設(shè)計效率要比模擬電路高得多。1.1.4數(shù)字電路的優(yōu)點（4）更易小型化、集成化。

（3）可以實現(xiàn)十分復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法；

微控制器和FPGA均屬于大規(guī)模數(shù)字集成電路，通過C語言或HDL語言編程，這些器件可以實現(xiàn)數(shù)字濾波、壓縮、頻譜分析等復(fù)雜的算法。1.1.4數(shù)字電路的優(yōu)點1.1.4數(shù)字電路的優(yōu)點《實用數(shù)字電