數字電子技術信電學院電工電子教研室張萱1.本課程的性質

是一門技術基礎課(專業基礎課)。2.特點

實踐性很強

以工程實踐的觀點來處理電路中的一些問題。3.研究內容

研究幾種電子器件的結構、工作原理及技術參數（性能指標）等；用電子器件組成一般電路的分析與設計。4.教學目標

能夠對一般性的、常用的電子電路進行分析，同時對一般性的單元電路、較簡單的電路系統進行設計。前言5.學習方法

重點掌握基本概念、基本電路原理、分析方法和設計方法。6.成績評定

平時：15%筆試：65%7.參考書

閻石主編，《數字電子技術基礎》第四版，高教出版社前言

實驗：20%第一章數字邏輯基礎第一章數字邏輯基礎1.1數字信號和模擬信號1.2數字電路1.4二進制碼1.5基本邏輯運算1.3數制1.6邏輯函數與邏輯問題的描述模擬信號數字信號時間連續、數值也連續的信號時間和幅度都是離散的例：正弦波信號、鋸齒波信號等。例：產品數量的統計、客觀世界中對立的兩個狀態。常用數字0和1表示，叫做邏輯0和邏輯1。1.1數字信號和模擬信號電路中的信號模擬信號：在時間上和數值上連續的信號。utut

在自然界許多物理量均屬于模擬性質的,例如:速度、壓力、溫度、聲音、重量以及位置等等。為了便于分析常用傳感器將模擬量轉換成模擬電信號。二值數字邏輯：即邏輯0和邏輯1。在邏輯代數中用二值數字邏輯表示邏輯事物的對立的兩種狀態。utut數字信號：在時間上和數值上不連續的（即離散的）信號。邏輯電平：即高電平H和低電平L。在數字電路中的數字信號用邏輯電平來表示，進而用二值數字邏輯表示。數字波形：即邏輯電平對時間的圖形表示。當某數字波形僅有兩個離散值時，常稱為脈沖波形。數字波形和脈沖波形是統一的，但表示方法不同。數字波形用邏輯電平表示，而脈沖波形用電壓值表示。例：u/Vt/ms0550100150200邏輯1邏輯0

如圖所示為一周期性數字波形（或周期性脈沖波形），其中一個周期的波形就是一個脈沖波形。周期性數字波形可用脈沖寬度tW

，周期T和占空比q等參數描述。例：0011101111000100

如圖所示為一表示16位數據的數字波形，這種數字波形圖可稱為二值位形圖。表示這種數字波形性能的參數有位時間（即一位數據占用的時間）和數據率（即每秒鐘所傳輸數據的位數）。實際脈沖波形及其參數5.0u/Vt4.52.50.50幅值脈沖寬度tWtr上升時間tf下降時間占空比q=twT×100%tV(t)數字信號高電平低電平上升沿下降沿電平：電位范圍；高電平：低電平：高電位范圍(1.3V—3.6V)低電位范圍(0V--0.4V)用1表示用0表示10101001模擬信號的數字表示由于數字信號便于存儲、分析和傳輸，通常都將模擬信號轉換為數字信號.

0

0

模擬信號

模數轉換器

3

V

數字輸出

0

0

0

0

1

1

模數轉換的實現模擬電路主要研究：輸入、輸出信號間的大小、相位、失真等方面的關系。主要采用電路分析方法，動態性能用微變等效電路分析。

在模擬電路中，傳輸的是模擬信號，晶體管一般工作在線性放大區；在數字電路中，傳輸的是數字信號，三極管工作在開關狀態，即工作在飽和區和截止區。數字電路主要研究：電路輸出、輸入間的邏輯關系。主要的工具是邏輯代數，電路的功能用真值表、邏輯表達式及波形圖表示。模擬電路與數字電路比較（1）電路的特點（2）研究的內容（3）基本電路元件晶體三極管場效應管二極管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）信號發生（正弦波發生器、三角波發生器、…）數字電路研究的內容—計算機硬件基礎基本單元電路基本數字電路

邏輯門電路

觸發器

組合邏輯電路時序電路（寄存器、計數器、脈沖發生器、脈沖整形電路）

A/D轉換器、D/A轉換器基本電路元件工作在開關狀態的晶體三極管、場效應管，由此形成離散信號電壓（數字電壓）用邏輯電平表示；例如：+5V,用邏輯1表示，叫做高電平

0V,用邏輯0表示，叫做低電平1.2數字電路1.2.1數字電路的發展與分類1.數字電路的高度集成化

在短短幾十年的時間里，從分立元件電路到甚大規模集成電路，在電路的集成度上得到了大大的提高。特別是數字集成電路比模擬集成電路的發展更快.

在集成度上,分為數字電路可分為小規模（SSI，每片數十器件）、中規模（MSI，每片數百器件）、大規模（LSI，每片數千器件）和超大規模（VLSI，每片器件數目大于1萬）數字集成電路和甚大規模集成電路。80年代后-ULSI，10億個晶體管/片、ASIC制作技術成熟目前--芯片內部的布線細微到亞微米(0.13~0.09

m)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。60~70代-IC技術迅速發展：SSI、MSI、LSI、VLSI。10萬個晶體管/片。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1906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電流控制器件半導體技術半導體二極管、三極管器件半導體集成電路電路設計方法伴隨器件變化從傳統走向現代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。2.數字電路性能不斷提高

在工作速度、抗干擾能力、帶負載能力及功耗等方面，數字集成電路的性能得到了不斷的提高。根據內部半導體元件的類型，集成電路可分為兩大系列：TTL系列和CMOS系列。TTL系列具有速度快、抗干擾能力強和帶負載能力大的優點，缺點是功耗大。而CMOS系列具有功耗小、穩定性高、成本低、電源電壓范圍寬等優點，并且在速度上已經得到不斷的提高。3.數字集成電路的功能和種類不斷發展

隨著集成度的不斷提高和新材料的應用,從通用型到專用型,從小規模集成門電路；中規模編碼器、譯碼器、加法器和計數器；大規模的小型存儲器、門陣列；超大規模的大型存儲器、微處理器；到甚大規模的可編程邏輯器件、多功能集成電路。數字集成電路得到了飛速發展。1.2.2數字電路分析方法與測試技術1.數字電路的分析方法

數字電路的主要研究對象是電路的輸出與輸入之間的邏輯關系，因而采用邏輯代數作為分析工具。在邏輯代數中邏輯關系的表示方法主要有代數式、真值表、卡諾圖、邏輯圖及波形圖。2.數字電路的測試技術

數字電路在正確設計和安裝后，必須經過嚴格的測試方可使用。可用數字電壓表和電子示波器在電路中測量各點的的電壓和波形從而驗證電路的邏輯關系。1.3.1十進制：以十為基數的計數體制。表示數的十個數碼：1、2、3、4、5、6、7、8、9、0遵循逢十進一的進制規律。157=一個十進制數數N可以表示成：若在數字電路中采用十進制，必須要有十個電路狀態與十個數碼相對應。這樣將在技術上帶來許多困難，而且很不經濟。1.3數制751=012107105101++×××1.3.2二進制：以二為基數的計數體制。表示數的兩個數碼：0、1遵循逢二進一的規律。（1001）B==(9)D二進制的優點：用電路的兩個狀態---開關來表示二進制數，數碼的存儲和傳輸簡單、可靠。二進制的缺點：位數較多，使用不便；不合人們的習慣，輸入時將十進制轉換成二進制，運算結果輸出時再轉換成十進制數。1.3.3數制的轉換十六進制數碼：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A(10)、B(11)、C(12)、D(13)、E(14)、F(15)(4E6)H==4162+14161+6160=(1254)D*1.十六進制與二進制之間的轉換。Hexadecimal：十六進制Decimal：十進制Binary：二進制(10011100110)B=(010011100110)B=每四位2進制數對應一位16進制數(10011100101101001000)B=從末位開始四位一組(1001

1100

1011

0100

1000)B()H84BC9=(9CB48)H2、十進制與二進制之間的轉換兩邊除2，余第0位K0商兩邊除2，余第1位K1

十進制與二進制之間的轉換方法（除2取余法）用二除十進制數，余數是二進制數的第0位K0，然后依次用二除所得的商，余數依次是第1位K1

、第2位K2

、……。……225

余1

K0122

余0

K162

余0

K232

余1

K312

余1

K40例1：十進制數25轉換成二進制數的轉換過程：(25)D=(11001)B例2：十進制數227轉換成二進制數的轉換過程：(227)D=(11100011)B227=128+64+32+0+0+0+2+127262524232221200.72×2＝1.44取1

b－1將十進制小數乘2,取其個位數為b－1,乘積減1再乘2,取其個位數為b－2,

直到滿足誤差要求進行4舍5入。例3：十進制數0.72轉成二進制數,要求轉換誤差小于0.05。(0.72)D=(0.1011)B對應十進制數0.5，轉換誤差大0.44×2＝0.88取0

b－2

0.50.72－0.5=0.22＞0.050.88×2＝1.76取1

b－3

0.6250.72－0.625=0.095＞0.050.76×2＝1.52取1

b－4

0.68750.72－0.6875=0.0325＜0.05計算機A計算機B00110010011串行傳輸先高位后低位一個時鐘周期傳輸一位二進制數值計算機A計算機BN條數據線，一個時鐘周期傳輸一個n位二進制數值缺點：慢！并行傳輸，一組線分高位、次高位、……低位傳輸線；大家說：波形圖中顯示A向B傳輸的是幾位二進制數；若上邊是低位，下面是高位，則第一個數是幾？數字系統的信息數值文字、符號或不同事物二進制代碼編碼為了表示字符為了分別表示N個字符，所需的二進制數的最小位數：編碼可以有多種，數字電路中所用的主要是二–十進制碼（BCD-Binary-Coded-Decimal碼）。1.4二進制碼N2n≥BCD碼用四位二進制數表示0~9十個數碼。四位二進制數最多可以表示16個字符，因此，從16種表示中選十個來表示0~9十個字符，可以有多種情況。不同的表示法便形成了一種編碼。這里主要介紹：8421碼5421碼余3碼2421碼首先以十進制數為例，介紹權的概念。(3256)D=3103+2102+5101+6100個位(D0)的權為100

，十位(D1)的權為101

，百位(D2)的權為102

，千位(D3)的權為103……十進制數(N)D二進制編碼(K3K2K1K0)B(N)D=W3K3+W2K2+W1K1+W0K0W3~W0為二進制各位的權8421碼，就是指W3=8、W2=4、W1=2、W0=1。用四位二進制數表示0~9十個數碼，該四位二進制數的每一位也有權。2421碼，就是指W3=2、W2=4、W1=2、W0=1。5421碼，就是指W3=5、W2=4、W1=2、W0=1。000000010010001101100111100010011010101111011110111101011100010001236789101113141551240123578964012356789403456782910123678549二進制數自然碼8421碼2421碼5421碼余三碼無權碼有權碼0000000100100011011001111000100110101011110111101111010111000100自然碼格雷碼無權碼0000000100110010010101001100110111111110101110011000011110100110例1:求自然二進制數1000111B轉換成十進制數。1000111B=1×26

+

0×25+0×24+0×23+1×22+1×21+

1×20=(64+0+0+0+4+2+1)D=71D例2:將自然二進制數1000111B轉換成8421BCD碼。首先將自然二進制數1000111B轉換成十進制數，再將十進制數轉換成8421BCD碼。將十進制數轉換成8421BCD碼時，一位十進制數對應轉換成一組8421BCD碼。=（01111000111B=71D0001）8421BCD數字電路要研究的是電路的輸入輸出之間的邏輯關系，所以數字電路又稱邏輯電路，相應的研究工具是邏輯代數（布爾代數）。在邏輯代數中，邏輯函數的變量只能取兩個值（二值變量），即0和1，中間值沒有意義。0和1表示兩個對立的邏輯狀態。例如：電位的低高（0表示低電位，1表示高電位）、開關的開合等。1.5基本邏輯運算

邏輯代數與初等代數的比較初等代數邏輯代數變量A、X取值∞…0、1、…+∞0、1數值符號0、1、…………、90、1數值表示數值，有大小，例如：1＞0兩個對立的邏輯狀態，例如：

1表示有，

0表示無基本運算加、減、乘、除與、或、非基本邏輯運算1、“與”邏輯與邏輯：決定事件發生的各條件中，所有條件都具備，事件才會發生（成立）。規定:

開關合為邏輯“1”

開關斷為邏輯“0”

燈亮為邏輯“1”

燈滅為邏輯“0”EFABC與

(and)、或

(or)非(not)。&ABCF邏輯符號：AFBC00001000010011000010101001101111邏輯式：F=A?B?C邏輯乘法邏輯與真值表EFABC真值表特點:

任0則0,全1則1與邏輯運算規則：0?0=00?1=01?0=01?1=12.“或”邏輯AEFBC規定:開關合為邏輯“1”

開關斷為邏輯“0”

燈亮為邏輯“1”

燈滅為邏輯“0”決定事件發生的各條件中，有一個或一個以上的條件具備，事件就會發生（成立）。AFBC00001001010111010011101101111111真值表≥1ABCF邏輯符號：邏輯式：F=A+B+C邏輯加法（邏輯或）或邏輯運算規則:0+0=00+1=11+0=11+1=13、“非”邏輯決定事件發生的條件只有一個，條件不具備時事件發生（成立），條件具備時事件不發生。

規定:

通電為“1”

斷電為“0”

燈亮為“1”

燈滅為“0”EFNCAAF0110真值表邏輯非.邏輯反邏輯式：AF=邏輯符號：AF1AEFR1.5.2幾種常用的復合邏輯運算11011000L=AB+ABL=AB+ABL=A+B同或運算異或運算或非運算L=A?B與非運算邏輯運算AB邏輯變量邏輯門符號＆ABL≥1ABL=1ABL

=ABL1110100001101001基本邏輯關系小結與&ABYABY≥1或非1YAY=ABY=A+B與非&ABY或非ABY≥1異或=1ABYY=A

BY=AB+

AB電路結構輸入輸出之間的邏輯關系1.6邏輯函數與邏輯問題的描述邏輯函數1)異或門2)同或門3)選通邏輯電路真值表特點：輸入相同為“0”；輸入不同為“1”。1)異或門=1ABF220VABL單刀雙擲開關A、B都扳上去，或都扳下來，燈泡L暗，否則燈泡L亮。可列出右邊的真值表真值表特點：輸入相同為“1”；輸入不同為“0”。2)同或門=1ABF220VABL單刀雙擲開關A、B都扳上去，或都扳下來，燈泡L亮，否則燈泡L暗。可列出左上角的真值表1例2：分析下圖的邏輯功能。

01被封鎖1=1BMF&&&A1=010被封鎖1特點：

M=1時選通A路信號；

M=0時選通B路信號。M&&&AB1F選通電路邏輯表達式F=A,M=1F=B,M=0復習：三極管輸出特性（以NPN為例）IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O510154321截止區放大區飽和區放大區

1.截止區

條件：兩個結都處于反向偏置。

IB=0時，IC=ICEO。

硅管約等于1A，鍺管約為幾十~幾百微安。截止區截止區2024/11/28542.放大區條件：發射結正偏集電結反偏

特點：各條輸出特性曲線比較平坦，近似為水平線，且等間隔。IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O510154321放大區

集電極電流和基極電流體現放大作用，即放大區放大區對NPN

管UBE>0，UBC<03.飽和區：條件：兩個結均正偏IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O510154321對NPN型管，UBE>0UBC>0

特點：IC基本上不隨IB而變化，在飽和區三極管失去放大作用。

IC

IB。當UCE=UBE，即UCB=0時，稱臨界飽和，UCE

<

UBE時稱為過飽和。飽和管壓降

UCES<0.4V(硅管)，UCES<

0.2V(鍺管)飽和區飽和區飽和區工作狀態截止放大飽和工作條件iB=00＜iB

＜IBSiB

＞IBS工作特點偏置情況發射結反偏發射結正偏發射結正偏集電結反偏集電結反偏集電結正偏UBE＜0，UBE＜0UBE＞0，UBE＜0UBE＞0，UBE＞0集電極電流iC=0

i