1、精選數字電子技術講解講義(ppt)1.1.1 數字技術的發展及其應用1.1.2 數字集成電路的分類及特點1.1.3 模擬信號與數字信號1.1.4 數字信號的描述方法1.1 數字電路與數字信號1.1.1數字技術的發展及其應用80年代后- ULSI ， ASIC 制作技術成熟目前- 芯片內部的布線細微到亞微米(0.130.09m) 量級微處理器的時鐘頻率高達3GHz（109Hz）90年代后- 97年一片集成電路上有40億個晶體管。6070代IC技術迅速發展：SSI、MSI、LSI 、VLSI。將來- 高分子材料或生物材料制成密度更高、 三維結構的電路發展特點:以電子器件的發展為基礎電子管時代 19

2、06年，福雷斯特等發明了電子管；電子管體積大、重量重、耗電大、壽命短。目前在一些大功率發射裝置中使用。電壓控制器件電真空技術晶體管時代半導體二極管電流控制器件，半導體技術晶體管時代半導體三極管電流控制器件，半導體技術半導體集成電路電路設計方法a)傳統的設計方法：b)現代的設計方法：采用自下而上的設計方法；由人工組裝,經反復調試、驗證、修改完成。所用的元器件較多，電路可靠性差,設計周期長。現代EDA技術實現硬件設計軟件化。采用從上到下設計方法，電路設計、 分析、仿真 、修訂全通過計算機完成。電路設計方法伴隨器件變化從傳統走向現代Electronics Design Automation EDA技

3、術以計算機為基本工具、借助于軟件設計平臺，自動完成數字系統的仿真、邏輯綜合、布局布線等工作。最后下載到芯片，實現系統功能。使硬件設計軟件化。EDA技術（Electronics Design Automation)1、EDA設計：原理圖設計 (Electrnics WorkBench)VerilogHDL語言設計狀態機設計設計方法在計算機上利用軟件平臺進行設計3、下載2、仿真4、驗證結果實驗板下載線數碼相機智能儀器計算機數字技術的應用1、數字集成電路的分類1.1.2、數字集成電路的分類及特點 數字電路組合邏輯電路時序邏輯電路按電路的結構特點及對輸入信號的響應規則 數字電路集成電路分立電路按電路的

4、形式 -數字集成電路可分為小規模、中規模、大規模、超大規模和甚大規模五類。 數字電路TTL電路CMOS電路按器件不同按集成度不同可編程邏輯器件、多功能專用集成電路106以上甚大規模大型存儲器、微處理器10,00099,999超大規模小型存儲器、門陣列1009999大規模計數器、加法器1299中規模邏輯門、觸發器最多12個小規模典型集成電路門的個數分類集成度:每一芯片所包含的門個數2、數字集成電路的特點（自學）1)電路簡單,便于大規模集成,批量生產2)可靠性、穩定性和精度高,抗干擾能力強3)體積小,通用性好,成本低.4)具可編程性,可實現硬件設計軟件化5)高速度 低功耗6)加密性好 3、數字電路

5、的分析、設計與測試(1)數字電路的分析方法 根據電路確定電路輸出與輸入之間的邏輯關系，說明電路實現的邏輯功能。分析工具：邏輯代數。電路邏輯功能主要用真值表、功能表、邏輯表達式和卡諾圖、波形圖。(2) 數字電路的設計方法 從給定的邏輯功能要求出發，選擇適當的 邏輯器件，設計出符合要求的邏輯電路。 傳統的設計方法 設計方法基于EDA軟件的設計方法時間和數值均連續變化的電信號uOt Otu1. 模擬信號1.1.3 模擬信號與數字信號正弦波信號三角波信號數字信號波形時間和數值上均是離散的信號2. 數字信號3、模擬信號的數字表示 數字信號便于存儲、分析和傳輸，通常都將模擬信號轉換為數字信號. 模擬信號

6、模數轉換器 3V數字輸出00000011A/D轉換器采樣保持量化編碼模擬信號數字信號模擬電路與數字電路的區別1、工作任務不同： 模擬電路研究的是輸出與輸入信號之間的大小、相位、失真等方面的關系；數字電路主要研究的是輸出與輸入間的邏輯關系（因果關系）。 模擬電路中的三極管工作在線性放大區,是一個放大元件；數字電路中的三極管工作在飽和或截止狀態,起開關作用。 因此，基本單元電路、分析方法及研究的范圍均不同。2、三極管的工作狀態不同：模擬電路研究的問題基本電路元件:基本模擬電路:晶體三極管場效應管集成運算放大器 信號放大及運算 (信號放大、功率放大） 信號處理（采樣保持、電壓比較、有源濾波） 信號發

7、生（正弦波發生器、三角波發生器、）數字電路研究的問題基本電路元件基本數字電路邏輯門電路觸發器 組合邏輯電路 時序邏輯電路（寄存器、計數器、脈沖發生器、脈沖整形電路） A/D轉換器、D/A轉換器1.1.4 數字信號的描述方法1、二值數字邏輯和邏輯電平二值（0、1）數字邏輯0、1數碼-表示數量時稱二進制數0、1 邏輯-表示事物狀態時稱二值邏輯電壓(V)二值邏輯電 平+51H(高電平)00L(低電平)邏輯電平與電壓值的關系（正邏輯）a 、在電路中用低、高電平表示 表示方式2、數字波形是信號邏輯電平對時間的圖形表示。邏輯電平描述的數字波形16位數據的圖形表示高電平低電平有脈沖 比特率 - 每秒鐘轉輸數

8、據的位數無脈沖(1)數字波形的兩種類型:非歸零型歸零型 非周期性數字波形周期性數字波形 例1.1.1 某通信系統每秒鐘傳輸1 544 000位(1.544兆位)數據，求每位數據的時間。解：按題意，每位數據的時間為例1.1.2 設周期性數字波形的高電平持續6ms，低電平持續10ms，求占空比q。解：因數字波形的脈沖寬度tw=6ms，周期T=6ms+10ms=16ms。(2)實際脈沖波形及主要參數非理想脈沖波形上升時間Tr（ns） 脈沖寬度tw下降時間tf （ns） 主要參數周期 (T)脈沖寬度tw占空比 Q上升時間tr 下降時間tf(3)時序圖表明各個數字信號時序關系的多重波形圖。END1.2.

9、1 十進制1.2數 制1.2.2 二進制1.2.3 二-十進制之間的轉換1.2.4 十六進制和八進制多位數碼中的每一位數的構成及低位向高位進位的規則1.2.1 十進制數 碼進位的規則0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9“逢十進一”4587.29=4103+5102+8101+7100+2101+9102系數位權1.2.2 二進制數 碼進位的規則0, 1 “逢二進一”例如：1+1=10 = 121+ 020系數位權各位的權都是2的冪二進制的優點二進制數字裝置所用元件少,電路簡單、可靠易于電路實現基本運算規則簡單, 運算操作方便二進制數波形表示（1）二進制數據的串行傳輸（2）二

10、進制數據的并行傳輸1.2.3 二-十進制之間的轉換二進制十進制整數部分除以2取余法，直到商為零為止小數部分乘以2取整法，直到滿足精度為止十進制二進制所以：(44.375)D(101100.011)B解要精確到二進制小數10位，1/210=1/1024。 例 將(0.39)D轉換成二進制數,精度達到0.1%。0.392 = 0.78 b-1= 00.782 = 1.56 b-2= 10.562 = 1.12 b-3= 10.122 = 0.24 b-4= 00.242 = 0.48 b-5= 00.482 = 0.96 b-6 = 00.962 = 1.92 b-7 = 10.922 = 1.8

11、4 b-8 = 10.842 = 1.68 b-9 = 10.682 = 1.36 b-10= 11.2.4 十六進制和八進制數 碼進位的規則各位的權都是16的冪0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,A,B,C,D,E,F“逢十六進一” 十六進制十六進制二進制= （ 1010 1111 0100 . 0111 0110）B(AF4.76)H1 1 1 0 1 0 1 0 0 . 0 1 1(0000）B (1D4.6)H十六進制的優點 與二進制之間的轉換容易計數容量較其它進制都大書寫簡潔 八進制數 碼進位的規則各位的權都是8的冪0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7

12、“逢八進一”八進制二進制（自學） (752.1)O=(111 101 010.001)B (10110.011)B =(26.3)O END1.3二進制的算術運算1.3.1無符號二進制的數算術運算1.3.2有符號二進制的數算術運算1、二進制加法0+0=0，0+1=1，1+1=10。1.3.1無符號數算術運算無符號二進制的加法規則2、二進制減法0-0=0，1-1=0，1-0=1，0-1=11。無符號二進制的減法規則3、二進制乘法和除法運算例1.3.4 計算兩個二進制數1010和111之商。 1.3.2帶符號二進制的減法運算二進制數的最高位表示符號位，且用0表示正數，用1表示負數。其余部分用原碼的

13、形式表示數值位。有符號的二進制數表示 :(+11)D =(0 1011) B(11)D =(1 1011) B1. 二進制數的補碼表示二進制數為正數時其補碼、反碼與原碼相同將原碼的數值位逐位求反，然后在最低位加1得到補碼二進制數為負數時減法運算的原理:減去一個正數相當于加上一個負數AB=A+(B)，對(B)求補碼，然后進行加法運算。2. 二進制補碼的減法運算采用補碼進行加、減法運算的步驟如下：（1）根據XY補=X補+Y補，分別求出X補、Y補和X+Y補。（2）補碼相加時，符號位參與運算，若符號位有進位，則自動舍去。（3）根據XY補的結果求出XY原，進而求出XY的結果。3補+-4補為 必須指出，兩

14、個補碼相加時，如果產生的和超出了有效數字位所表示的范圍，則計算結果會出錯，之所以發生錯誤是因為計算結果產生了溢出，解決的辦法是擴大字長。 即，符號位為1 故 341 例1.3.8 試用4位二進制補碼計算5+7。3. 溢出解決溢出的辦法:進行位擴展.解：因為(5+7)補=(5)補+(7) 補=0101+0111=11004. 溢出的判別當方框中的進位位與和數的符號位（即b3位）相反時，則運算結果是錯誤的，產生溢出。END1.4二進制代碼1.4.1 二-十進制碼1.4.2 格雷碼1.4.3 ASCII碼1.4二進代碼1.編碼：把若干個0和1按一定規律編排在一起，組成不 同的代碼，并且賦予每個代碼以

15、固定的含義。 用n位二進制代碼可以表達2n個不同的信號 需要編碼的信息有N項，則2n NA.每一組代碼都可以看作是一個包含特定含義的符號，各組代碼之間以及每組代碼內部各位之間沒有一定的數值進位關系。B.信息與代碼間的對應關系完全是人為規定的，可以任意編，但在制定編碼時，應該使編碼順序有一定的規律可循。編制代碼所要遵循的規則碼 制1.4.1 二-十進制碼（BCD碼） 用4位二進制編碼表示十進制的0-9十個數碼。 由于4位二進制碼可以表示24=16種信號，所以在表示0-9這十個數碼時就有不同的組合，即不同的編碼方式： 8421BCD碼 2421BCD碼 5421BCD碼 余3碼：8421BCD碼+

16、0011有權碼 余碼的特點:當兩個十進制的和是10時，相應的二進制正好是16，于是可自動產生進位信號,而不需修正.0和9, 1和8,.6和4的余碼互為反碼,這對在求對于10的補碼很方便。余3碼循環碼：相鄰的兩個代碼之間僅一位的狀態不同。按余3碼循環碼組成計數器時，每次轉換過程只有一個觸發器翻轉，譯碼時不會發生競爭冒險現象。十進制數碼8421碼2421 碼5421 碼余3碼余3循環碼000000000000000110010100010001000101000110200100010001001010111300110011001101100101401000100010001110100501

17、011011100010001100601101100100110011101701111101101010101111810001110101110111110910011111110011001010有權碼無權碼 01118421BCD()D 7=11214180+=求BCD代碼表示的十進制數對于有權BCD碼，可以根據位權展開求得所代表的十進制數對于一個多位的十進制數，需要有與十進制位數相同的幾組BCD代碼來表示。不能省略！不能省略！例：求十進制數876的8421BCD碼8421例：求十進制數876的余3碼 876D = （1011 1010 1001）余3碼876D = 11011011

18、00B=36CH876D = （1000 0111 0110）8421BCD 1.4.2 格雷碼格雷碼是一種無權碼二進制碼格雷 碼二進制 碼格雷碼00000000100011000001000110011101001000111010111100110010101111100100011011001010010101111101101101100101111010010111010011111000編碼特點：任何兩個相鄰代碼之間僅有一位不同。該特點常用于模擬量的轉換 Gray碼的特性有很重要的意義。例如，兩個相鄰的十進制數13和14相應的二進制碼為1101和1110，在用二進制數作加1計數時，

19、如果從13變為14，則二進制碼的最低兩位都要改變，但實際上兩位改變不可能同時發生，若最低位先置0，然后次低位再置1，則中間會出現110111001110，即出現暫短的誤碼1100，而Gray碼只有一位變化，因而杜絕了出現這種錯誤的可能。1.4.3 ASCII 碼即美國標準信息交換碼。 它共有128個代碼，可以表示大、小寫英文字母、十進制數、標點符號、運算符號、控制符號等，普遍用于計算機的鍵盤指令輸入和數據等。字符編碼，用7位二進制碼來表示128個符號ASCIIAmerican Standard Code for Information Interchange END1.5 二值邏輯變量與基本邏

20、輯運算*邏輯運算: 當0和1表示邏輯狀態時，兩個二進制數碼按照某種特定的因果關系進行的運算。邏輯運算使用的數學工具是邏輯代數。與、或、非三種基本的邏輯運算* 邏輯代數與普通代數的區別!邏輯運算的描述方式邏輯代數表達式真值表邏輯圖卡諾圖波形圖硬件描述語言（HDL）基本邏輯關系 與 ( and ) 或 (or ) 非 ( not )基本邏輯運算S1S2燈電源與運算 只有當決定某一事件的條件全部具備時，這一事件才會發生。這種因果關系稱為與邏輯關系。與邏輯舉例 電路狀態表 邏輯真值表ABL001010110001與邏輯符號ABLS1S2燈電源ABL&與邏輯表達式：L = A = AB 真值表特點: 任

21、0 則0, 全1則1、或運算S1燈電源S2 或邏輯舉例 電路狀態表 只要在決定某一事件的各種條件中，有一個或幾個條件具備時，這一事件就會發生。這種因果關系稱為或邏輯關系。 邏輯真值表ABL001010110111ABL或邏輯符號ABL1或邏輯表達式：L = A +特點:任1 則1, 全0則0非邏輯舉例狀態表A燈不通電亮通電滅3. 非運算 事件發生的條件具備時，事件不會發生；事件發生的條件不具備時，事件發生。這種因果關系稱為非邏輯關系。 非邏輯舉例AVNC 燈AL011 非邏輯真值表0AL非邏輯符號AL1非邏輯表達式：特點: 1則0, 0則1 兩輸入變量與非邏輯真值表ABL00101011111

22、0ABL與非邏輯符號4. 幾種常用復合邏輯運算1）與非運算ABL&與非邏輯表達式：2）或非運算 兩輸入變量或非邏輯真值表ABL001010111000或非邏輯符號ABL1ABL或非邏輯表達式：3）異或運算若兩個輸入變量的值相異，輸出為1，否則為0。 異或邏輯真值表ABL001010110110異或邏輯符號ABL=1ABL異或邏輯表達式：4）同或運算若兩個輸入變量的值相同，輸出為1，否則為0。 異或邏輯真值表ABL001010111001同或邏輯符號ABL=同或邏輯表達式：ABL5）與或非運算門電路是實現一定邏輯關系的電路。類型:與門、或門、非門、與非門、或非 門、異或門、同或門 1、用二極管、

23、三極管實現2、數字集成電路(大量使用) 1) TTL集成門電路 2) MOS集成門電路 實現方法:門電路小結門電路小結門電路 符號 表示式與門&ABYABY1或門非門1YAY=ABY=A+BY= A與非門&ABYY= AB或非門ABY1Y= A+B異或門=1ABYY= ABEnd邏輯運算的描述方式邏輯代數表達式真值表邏輯圖卡諾圖波形圖硬件描述語言（HDL）1.6邏輯函數的建立及其表示方法abcdAB樓道燈開關示意圖1. 真值表表示開關 A燈下下上下上下上上亮滅滅亮開關 B開關狀態表邏輯抽象，列出真值表 邏輯真值表ABL001100010111A、B: 向上1 向下-0 L : 亮-1; 滅-0確定變量、函數，并賦值開關: 變量 A、B 燈 : 函數 L開關 A燈下下上下上下上上亮滅滅亮開關 B開關狀態表2、邏輯函數表達式表示 用與、或、非等運算組合起來，表示邏輯函數與邏輯變量