单元九 数字电路基础

单元九 数字电路基础,1 概述,一. 电子电路,模拟信号：随时间连续变化的信号,例如我们所熟悉的正弦波信号就是一种典型的模拟信号。,数字(脉冲)信号是一种数值在时间上不连续变化的电信号，是一种跃变信号，并且持续时间短暂。例如现代汽车上的曲轴位置传感器信号，发动机转速信号和用于故障自诊的故障代码等，都是典型的数字信号。,如：,数字信号只有两种状态：高电平、低电平，或者有信号、无信号。在数字电路中，通常把这两种状态用两个符号来表示，即“l” 和“0”，也即逻辑1和逻辑0。高电平或有信号用“1”表示，低电平或无信号用“0”表示，这称为正逻辑；相反，则称为负逻辑。,二. 数字电路的特点数字电路可以进行逻辑运算与判断，此时它大多处理“二值逻辑”问题。例如“真”和“假”，“是”和“非”，“有”和“无”等。因此，可用电路的两种截然不同的状态来表述：例如三极管的饱和导通（开）和截止（关），电平的“低”和“高”两种状态。这就使得数字电路的基本单元电路简单，对元件的精度要求也不太严格，很适合做成集成电路。数字电路重点研究输入信号和输出信号之间的逻辑关系，它的数学分析工具是逻辑代数（又称为“布尔代数”）。,三. 数制与码制,1. 数制,数制就是计数的方法。,二进制：二进制有两个数码0和1，它们与电路的两个状态（开和关、高电平和低电平等）直接对应，二进制是“逢二进一”。,数字电路结构简单，易于制造，便于集成化系列化生产，成本低廉，使用方便；由数字电路组成的数字系统，工作准确可靠，精度高，保密性好，抗干扰能力强。,编码，就是用数字或某种文字和符号来表示某一对象或信号的过程。十进制编码或某种文字和符号的编码难于用电路来实现，在数字电路中一般采用二进制数。用二进制数表示十进制数的编码方法称二十进制编码，即BCD码，用四位二进制码表示一位十进制数。常用的BCD码有8421码、5421码、2421码等编码方式。以8421码为例，8421分别代表对应二进制的位权，它的每个代码中出现“1”的各位权值之和就是它所表示的十进制数。,例：（137）10=（0001，0011，0111）8421BCD,2.编码,2 逻辑代数,逻辑代数（又称布尔代数），它是分析设计逻辑电路的数学工具。虽然它和普通代数一样也用字母表示变量，但变量的取值只有“0”，“1”两种，分别称为逻辑“0”和逻辑“1”。这里“0”和“1”并不表示数量的大小，而是表示两种相互对立的逻辑状态。,在逻辑代数中，输出逻辑变量和输入逻辑变量的关系，叫逻辑函数，可表示为：Y（A，B，C） 其中，A，B，C输入逻辑变量，f为逻辑函数。,基本逻辑关系为“与”、“或”、“非”三种。,一、基本逻辑关系,逻辑表达式： Y = A B,1. “与”逻辑关系,“与”逻辑关系是指当决定某事件的条件全部具备时，该事件才发生。,0,1,0,状态表,2. “或”逻辑关系,“或”逻辑关系是指当决定某事件的条件之一具备时，该事件就发生。,逻辑表达式： Y = A + B,真值表,1,1,1,0,3. “非”逻辑关系,“非”逻辑关系是否定或相反的意思。,1. 基本运算法则,二、 逻辑代数运算法则,2. 常用运算公式,交换律,结合律,分配率,吸收率,反演率,三、 逻辑函数的表示方法,例：有一T形走廊，在相会处有一路灯，在进入走廊的A、B、C三地各有控制开关，都能独立进行控制。任意闭合一个开关，灯亮；任意闭合两个开关，灯灭；三个开关同时闭合，灯亮。设A、B、C代表三个开关（输入变量）；Y代表灯（输出变量）。,1. 列逻辑状态表,2. 逻辑式,取 Y=“1”( 或Y=“0” ) 列逻辑式,用“与”“或”“非”等运算来表达逻辑函数的表达式。,(1)由逻辑状态表写出逻辑式,各组合之间 是“或”关系,2. 逻辑式,反之，也可由逻辑式列出状态表。,3. 逻辑图,3 基本逻辑门电路,逻辑门电路是数字电路中最基本的逻辑元件。 所谓门就是一种开关，它能按照一定的条件去控制信号的通过或不通过。门电路的输入和输出之间存在一定的逻辑关系(因果关系)，所以门电路又称为逻辑门电路。,门电路的基本概念,由电子电路实现逻辑运算时，它的输入和输出信号都是用电位（或称电平）的高低表示的。高电平和低电平都不是一个固定的数值，而是有一定的变化范围。,电平的高低一般用“1”和“0”两种状态区别，若规定高电平为“1”，低电平为“0”则称为正逻辑。反之则称为负逻辑。若无特殊说明，均采用正逻辑。,1,0,高电平,低电平,一、 二极管“与” 门电路,1. 电路,2. 工作原理,输入A、B、C全为高电平“1”，输出 Y 为“1”。,输入A、B、C不全为“1”，输出 Y 为“0”。,0V,0V,3V,即：有“0”出“0”，全“1”出“1”,4. 逻辑表达式：,7.逻辑符号：,6.逻辑功能,二、 二极管“或” 门电路,1. 电路,0V,3V,3V,2. 工作原理,输入A、B、C全为低电平“0”，输出 Y 为“0”。,输入A、B、C有一个为“1”，输出 Y 为“1”。,5. 逻辑关系：,“或”逻辑,即：有“1”出“1”，全“0”出“0”,Y=A+B+C,4.逻辑表达式：,7.逻辑符号：,6. 逻辑功能：,三、 三极管“非” 门电路,“0”,“1”,1. 电路,“0”,“1”,1.“与非” 门电路,有“0”出“1”，全“1”出“0”,逻辑表达式：,四、复合门电路,逻辑功能：,2.“或非” 门电路,有“1”出“0”，全“0”出“1”,逻辑表达式：,逻辑功能,例：根据输入波形画出输出波形,A,B,有“0”出“0”，全“1”出“1”,有“1”出“1”，全“0”出“0”,3 “异或”门电路,原理图,逻辑符号,逻辑关系,当两个输入端均为低电平或均为高电平时，输出为低电平；如输入端的电平不同，则输出为高电平。,入“同”出“0”，入“异”出“1”,逻辑函数式,Y,Y,逻辑功能,4 “同或”门电路,逻辑关系,当两个输入端均为低电平或均为高电平时，输出为高电平；如输入端的电平不同，则输出为低电平。,逻辑功能,入“同”出“1”，入“异”出“0”,逻辑函数式,4 集成门电路,数字集成电路的优点：,有速度快、可靠性高和微型化等优点,一、TTL集成门电路,TTL是“晶体管晶体管逻辑电路”的简称。TTL集成电路相继生产的产品有74（标准），74S（肖特基），74H（高速）和74LS（低功耗肖特基）四个系列，其中LS系列综合性能最优，应用最广泛。常见的集成电路是将几个门封装在同一芯片上，如74LS08为四个2输入端“与”门，74LS20为两个4输入端“与非”门等。,Y,1. TTL“与非”门电路,1. 电路,2. 逻辑符号,3.等效电路,工作原理：当输入信号A、B、C中至少有一个为低电平（0.3V）时，输出为高电平：Y3.6V。当输入信号全部高电平（3.6V）时，输出低电平，Y0.3 V。,常用的“与非”门集成电路有四2输入“与非”门74LS00和CD4011，如下图所示。,2. 集电极开路的TTL与非门（OC门）电路,线逻辑,将两个或多个逻辑门的输出端并联所得到的附加逻辑。线逻辑又分为“线与”和“线或”两类。,OC门电路,（a）电路图 （b）逻辑符号,OC门在结构上将一般TTL门输出级的有源负载部分（如TTL与非门中的T3、T4、R4）去除，输出级晶体管T5的集电极在集成电路内部不连接任何元件，直接作为输出端。OC门在使用时，根据负载的大小和要求，选择合适的电阻RC和电源连接在OC门的输出端。,3 三态门电路,三态门除了具有一般逻辑门的两种状态外，还具有高输出阻抗的第三种状态，称为高阻态。,三态门的电路和逻辑符号见下图,“1”,1. 电路,截止,“0”,导通,当控制端为低电平“0”时，输出 Y处于开路状态，也称为高阻状态。,表示任意态,三态与非门真值表,4 CMOS门电路,CMOS门电路是由NMOS管和PMOS管构成的，它静态功耗很低，抗干扰能力强，稳定性好，开关速度较高，扇出系数大，由于优点突出，在中、大规模集成电路中得到了广泛的应用。,（1 ）CMOS反相器,工作管T1是增强型NMOS管，负载管T2是PMOS管，两管的漏极D接在一起作为电路的输出端，两管的栅极G接在一起作为电路的输入端，T1的源极S1与其衬底相连并接地，T2的源极S2与其衬底相连并接电源U,当输入电压Ui为低电平0 V时，T1管截止，T2导通，电路的输出为高电平UDD。当输入电压Ui为高电平UDD时，T1管导通，S1和D1之间呈现较小的电阻，T2截止，电路的输出为低电平0V。电路的输出和输入之间满足“非”逻辑关系，所以该电路为非门电路。由于在稳态时，T1和T2中必然有一个管子是截止的，所以电路的电流极小，功率损耗很低。,(2) CMOS传输门和模拟开关,当一个PMOS管和一个NMOS管并联时就构成一个传输门，如下图，两管源极相接，作为输入端，两管漏极相连作为输出端，两管的栅极作为控制端，加互为相反的控制电压CP和,PMOS管的衬底接UDD，NMOS管的衬底接地。由于MOS管的结构对称，源、漏极可以互换，所以输入 、输出端可以对换。传输门也称为双向开关。,传输门的功能,当控制电压CP1，,0时，此时传输门相当于接通的开关，双向导通。,1时，传输门相当于断开的开关。当传输门的控制信号由一个非门的输入和输出来提供时，就构成一个模拟开关，,当控制电压CP0，,5 门电路使用注意事项,（1）电源电压应根据门电路参数的要求选定。般TTL门电路的电源电压为5V0.5V。CMOS门电路的电源电压应为315V。电源电压的极性不能接反。为防止通过电源引入干扰信号，应根据具体情况对电源进行去耦和滤波。,（2）输入信号电平的选择，TTL门应在05V之间，CMOS门应在0UCC之间。,（3）具有图腾柱结构（集成电路输出级具有有源负载）的TTL门输出端，不允许并联使用。同一芯片上的CMOS门，在输入相同时，输出端可以并联使用（目的是增大驱动能力）。,（4）焊接时应选用45W以下的电烙铁，最好用中性焊剂，所用设备应接地良好。CMOS电路应在静电屏蔽下运输和存放。严禁带电从插座上拔插器件。,（5）电路的输出端接容性负载时，应在电容之前接限流电阻，避免出现在开机的瞬间，较大的冲击电流烧坏电路。,（6）TTL门输入端口为“与”逻辑关系时，多余的输入端可以悬空（但不能带开路长线）、接高电平或并联接到一个已被使用的输入端上。TTL门输入端口为“或”逻辑关系时，多余的输入端可以接低电平、接地或并联接到一个已被使用的输入端上。,（7）具有“与”逻辑端口的CMOS门多余的输入端应接UDD或高电平，具有“或”逻辑端口的CMOS门多余的输入端应接UDD或低电平。CMOS门的输入端不允许悬空。,6 集成电路的检测,集成电路出现故障一般是局部损坏，如击穿、开路、短路等。电源集成电路和功放芯片易损坏，存储器易出现软件故障，其它芯片有时会出现虚焊等。对于集成电路是否损坏，可通过从各个方面测试集成电路的工作状态，并与正常工作状态作比较的方法来判断。即测量集成电路各引脚的对地电压值和电阻值，其中测量电压值必须在电路处于工作状态下进行，测量电阻值则应在断电静态状态下进行，具体判断方法如下：1检查集成电路各管脚对地的直流电压2检查集成电路各脚对地电阻值3用示波器检查集成电路的输入输出波形,电路的输出状态不仅取决于当时的输入信号，而且与电路原来的状态有关，当输入信号消失后，电路状态仍维持不变。这种具有存贮记忆功能的电路称为时序逻辑电路。,时序逻辑电路的特点：,下面介绍双稳态触发器，它是构成时序电路的基本逻辑单元。,5 集成触发器,双稳态触发器,特点： 1、有两个稳定状态“0”态和“1”态； 2、能根据输入信号将触发器置成“0”或“1”态； 3、输入信号消失后，被置成的“0”或“1”态能保存下来，即具有记忆功能。,双稳态触发器：是一种具有记忆功能的逻辑单元电路，它能储存一位二进制码。,两互补输出端,一. 基本 RS 触发器,两输入端,反馈线,触发器输出与输入的逻辑关系,设触发器原态为“1”态。,1,0,1,0,设原态为“0”态,1,1,0,触发器保持“0”态不变,复位,0,设原态为“0”态,1,1,0,0,设原态为“1”态,0,0,1,触发器保持“1”态不变,置位,1,设原态为“0”态,0,0,1,1,设原态为“1”态,0,0,1,触发器保持“1”态不变,1,1,0,若G1先翻转，则触发器为“0”态,“1”态,若先翻转,基本 RS 触发器状态表,逻辑符号,二. 可控 RS 触发器,基本R-S触发器,导引电路,时钟脉冲,当C=0时,0,R，S 输入状态不起作用。触发器状态不变,当 C = 1 时,1,打开,触发器状态由R，S 输入状态决定。,打开,当 C = 1 时,1,打开,(1) S=0, R=0,触发器状态由R，S 输入状态决定。,打开,1,1,0,(2) S = 0, R= 1,(3) S =1, R= 0,1,Q=0,Q=0,(4) S =1, R= 1,可控RS状态表,C高电平时触发器状态由R、S确定, C低电平时触发器状态保持原态,例：画出可控 RS 触发器的输出波形,可控 RS状态表,C高电平时触发器状态由R、S确定,存在问题：,时钟脉冲不能过宽，否则出现空翻现象，即在一个时钟脉冲期间触发器翻转一次以上。,克服办法：采用 JK 触发器或 D 触发器,三、 主从JK触发器,1.电路结构,从触发器,主触发器,反馈线,2. 工作原理,F主打开,F主状态由J、K决定，接收信号并暂存。,F从封锁,F从状态保持不变。,C,C,状态保持不变。,从触发器的状态取决于主触发器，并保持主、从状态一致，因此称之为主从触发器。,F从打开,F主封锁,C,C高电平时触发器接收信号并暂存（即F主状态由J、K决定，F从状态保持不变）。,要求C高电平期间J、K的状态保持不变。,C低电平时,F主封锁J、K不起作用