单元七数字电路基础

单元七 数字电路基础,课题一 数字电路基本知识,课题二 逻辑代数及运算规则,课题三 基本逻辑门电路,课题四 集成逻辑门电路,课题五 触发器,课题六 寄存器与计数器,课题七 数字电路在汽车上的应用,课题一 数字电路基本知识,一、数字信号和数字电路,1模拟信号和数字信号,图7-1 模拟信号和数字信号的波形 （a）模拟信号波形 （b）数字信号波形,2数字信号的主要参数 （1）脉冲幅度Um（或A）。 （2）脉冲信号周期T 。 （3）脉冲宽度。 （4）占空比D。脉冲宽度与脉冲周期T之比称为脉冲的占空比，D=/T。,图7-2 正脉冲及脉冲参数,模拟电路与数字电路的区别,工作任务不同：,模拟电路研究的是输出与输入信号之间的大小、相位、失真等方面的关系；数字电路主要研究的是输出与输入间的逻辑关系（因果关系）。,模拟电路中的三极管工作在线性放大区,是一个放大元件；数字电路中的三极管工作在饱和或截止状态,起开关作用。,因此，基本单元电路、分析方法及研究的范围均不同。,三极管的工作状态不同：,1二进制数和二进制码 （1）二进制数。只用0和1两个数码，按照一定规律排列来表示数值大小的，计数时以二为基数，“逢二进一”。 二进制数的运算法则（符合交换律）：0+0=0 0+1=1 1+1=10 00=0 10=0 11=1【课堂互动】1101B转换成十进制数怎样转换？将十进制数46怎么转换成二进制数？ （2）二进制代码。二进制代码与二进制数是不同的。,二、数制和编码,2二十进制码（BCD码）BCD8421编码是选用四位二进制码的前10个代码00001001来表示十进制数的09这10个数码。此编码的特点如下： （1）这种编码实际上就是4位二进制数的前10个代码的组合，每组（4位）内8421码符合二进制规则，而组与组之间则是十进制，即按其自然顺序所对应的十进制数每一位的表示和通常的二进制相同。 例如，十进制数145的BCD8421码形式为：(145)10=(0001 0100 0101)8421 8421码与十进制数的转换：（0111 0100 1001）8421=（749）10,（2）它是一种有权码。4位二进制编码中由高位到低位的权依次是23、22、21、20（即8、4、2、1），故称为8421码。(3)在这种编码中，10101111这6种组合状态（即从1015这6个十进制数的二进制码）是不允许出现的，称为禁止码。在汽车电子仪表显示电路中，经常要将信息转换成8421码，然后进行显示。 【课堂互动】写出35的二进制数，若用BCD8421码表示应为多少？一个十进制数BCD8421码为：“0001 0110 1000”，这个十进制数为多少？,课题二 逻辑代数及运算规则,一、逻辑和逻辑代数,1逻辑逻辑是指事物的原因（条件）与结果的关系，即因果关系。数字电路其实就是利用电路的输入信号来反映条件，用输出信号反映结果，从而使电路的输入、输出之间代表了一定的逻辑关系，因此，数字电路又称为逻辑电路。 2逻辑代数逻辑代数就是用以描述逻辑关系，反映逻辑变量运算规律的数学，它是按照一定的逻辑规律进行运算的。,3逻辑代数与普通代数的区别 （1）逻辑代数中所有变量只允许取两个值“0”和“1”（没有中间值）。 （2）逻辑代数中变量的取值（0和1）并不表示数量的大小，它只用来表示两种对立的逻辑状态。如果用0表示开关闭合，则1就表示开关断开；如果用0表示无信号，则1就表示有信号；如果用0表示逻辑假，则1就表示逻辑真等等。 （3）在逻辑代数中，只有三种基本的逻辑运算，即“与”运算、“或”运算、“非”运算。 其他逻辑运算都是通过这三种基本运算的组合来实现的。,二、三种基本逻辑运算,1“与”逻辑和“与”运算 （1）“与”逻辑。当决定某一事件的所有条件（前提）都具备时，该事件才会发生（结论），这种结论与前提的逻辑关系称为“与”逻辑关系 。,图 7-4 两个串联开关控制指示灯的电路,（2）“与”运算。实现“与”逻辑关系的运算称为“与”运算。运算符号为“”，通常可以省略。“与”运算又称逻辑乘。,F= AB = AB,0 0=0 0 1=0 1 0=0 1 1=1,与逻辑运算规则 逻辑乘,2“或”逻辑和“或”运算 （1）“或”逻辑。在决定某一事件的各个条件中，只要有一个或一个以上的条件具备，该事件就会发生，这种逻辑关系称为“或”逻辑关系。,图 7-5 两个并联开关控制指示灯的电路,（2）“或”运算。实现“或”逻辑关系的运算称为“或”运算。运算符号为“+”，因此，“或”运算又称逻辑加 。,或逻辑关系表示式,F=A B,或逻辑运算规则 逻辑加,0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=1,3“非”逻辑和“非”运算 （1）“非”逻辑。在逻辑问题中，若条件具备时，事件不发生；而当条件不具备时，该事件必然发生，这种结论与前提完全相反的逻辑关系称为“非”逻辑关系。,图 7-6 开关与灯泡并联电路,非逻辑 逻辑反,三、逻辑代数的基本运算规则,1逻辑代数的基本运算规则0A=01A=A0+A=A,【想一想】每个逻辑变量的取值有几个？你能验证上述运算法则的正确性吗？,2逻辑代数的基本定律,（1）交换律: A+B = B+AAB=BA,（2）结合律: A+B+C=(A+B)+C=A+(B+C)ABC=(AB)C=A(BC),（3）分配律: A(B+C)=AB+AC A+BC=(A+B)(A+C),求证: （分配律第2条） A+BC=(A+B)(A+C),证明:,右边 =(A+B)(A+C),=AA+AB+AC+BC ; 分配律,=A +A(B+C)+BC ; 结合律,AA=A,=A(1+B+C)+BC ; 结合律,=A 1+BC ; 1+B+C=1,=A+BC ; A 1=1,=左边,混合变量吸收规则:,证明:,（4）反演定理（德摩根定理）,用真值表证明,1 1 1 0,0 0 0 1 1 0 1 1,1 1 1 0,证明:,吸收规则,原变量吸收规则:,反变量吸收规则:,注: 红色变量被吸收掉！,A+AB =A,证明:,3两个常用的公式,课题三 基本逻辑门电路,一、二极管与门电路,图 7-7 二极管与门电路及其逻辑符号 （a）电路图 （b）逻辑符号图,二、二极管或门电路,图 7-8 二极管或门电路及其逻辑图 （a）电路图 （b）逻辑图,或门逻辑真值表,Y=A B,三、三极管非门电路,图 7-9 三极管非门电路及其逻辑图 （a）电路图 （b）逻辑图,三极管反相器电路实现“非”逻辑关系。,四、“与非门”电路,图7-10 与非门的逻辑结构及逻辑符号 （a）逻辑结构 （b）逻辑符号 （c）三极管与非门电路图,多个逻辑变量时:,表7-6 与非门逻辑状态表,图7-11 74LS00与非门芯片引脚图,74系列的与非门有多种型号，例如：74LS00（四2输入与非门）、74LS10（三3输入与非门）等。与非门的输入端也可以不只两个，输出端却只有一个。,五、或非门电路,实现“或非”复合运算的电路称或非门电路，是先求或、再求非的运算，相当于在或门的基础上，再加一个非门。,图7-12 或非门的逻辑结构及逻辑符号 （a）逻辑结构 （b）逻辑符号 （c）三极管或非门电路图,真值表特点: 相同则0,不同则1,六、异或门电路,常用的集成电路异或门芯片为74LS86（四2输入异或门），其逻辑符号和引脚图见图7-14。,图7-14 74LS86逻辑符号和引脚图 （a）逻辑符号 （b）引脚图,七、与或非门,图 7-15 与或非门的逻辑结构及逻辑符号 （a）逻辑结构 （b）逻辑符号,与或非门表达的“与或非”逻辑运算表达式,课题四 集成逻辑门电路,集成逻辑门电路包含三种数字集成电路技术，分别是TTL电路、CMOS电路、ECL电路。TTL（Transistor-Transistor-Logic，晶体管晶体管逻辑）电路是输入端和输出端都采用双极型三极管构成的逻辑电路，也称为晶体管晶体管逻辑电路。,一、TTL门电路,（1）TTL与非门电路结构 它由三部分组成。,图 7-16 TTL与非门电路和多发射极三极管V1的等效电路 （a）TTL与非门电路 （b）V1的等效电路,（2）TTL与非门电路工作原理,（3）TTL与非门电路的主要参数输出高电平UOH。输出低电平UOL。输入短路电流IIS。高电平输入电流IIH。 输入高电平最小值UIHmin。 输入低电平最大值UILmax。 平均传输时间tpd。,2TTL非门,图7-18 TTL非门电路及74LS04引脚分配图,二、CMOS门电路,1CMOS非门电路 CMOS非门电路也称CMOS反相器，电路如图7-19a所示。,图7-19 CMOS非门电路及其等效电路,CMOS非门的主要特点如下： （1）静态功耗小。 （2）静态传输特性好，抗干扰能力强。 （3）允许的电源电压波动范围大。 （4）CMOS电路的主要缺点是输入端容易被静电击穿，在使用不当时容易损坏。,图 7-20 CMOS反相器电压传输特性,2CMOS与非门,图7-21 CMOS与非门电路,若A、B当中有一个或全为低电平0时，VN1、VN2中有一个或全部截止，VP1、VP2中有一个或全部导通，输出Y为高电平1。只有当输入A、B全为高电平1时，VN1和VN2才会都导通，VP1和VP2才会都截止，输出Y才会为低电平0。可见电路实现了“与非”逻辑功能。,课题五 触发器,触发器电路是一种具有记忆能力的基本逻辑单元，它有两个不同的稳定状态，分别称为“0”状态、“1”状态，可用来记忆逻辑“0”、“1”两种信息状态，起到信息的接收、存储、传输的作用。触发器按其稳定工作状态可分为双稳态触发器、单稳态触发器、无稳态触发器（多谐振荡器）等。按其功能可分为RS触发器、JK触发器和D触发器等。,一、RS触发器,1基本RS触发器,图7-22 基本RS触发器逻辑电路及符号 （a）逻辑图 （b）逻辑符号,S D SET 直接置位端,RD RESET 直接复位端,表7-9 基本RS触发器逻辑状态表,RD=0同时SD=1时, Q=0。故RD称为复位端,或称为清0端,SD=0同时RD=1时, Q=1。故SD称为置位端,或称为置1端,保持： 指R、S从01或10变成11时,输出端状态不变,不稳定： 指RD、SD同时从00变成11时, 输出端状态不定,R-S 触发器特点:,(2) 可触发使之翻转 (使RD、SD之一为0时可翻转).,(3) 具有记忆功能(RD、SD都为1时，保持原来状态).,2同步RS触发器,图7-23 同步RS触发器逻辑电路及符号 （a）逻辑图 （b）逻辑符号,同步RS触发器由G1和G2构成基本RS触发器，两个与非门G3和G4做引导门（控制门）；SD为直接置位端，RD为直接复位端，也称它们为异步输入端；R、S分别是置0和置1的数据输入端，也称为同步输入端。,表7-10 同步RS触发器逻辑状态表,注：表示任意状态, 二、JK触发器,图7-24 主从型JK触发器 （a）逻辑图 （b）逻辑符号,表7-11 JK触发器逻辑状态表, 三、D触发器,图7-25 D触发器 （a）逻辑符号 （b）工作波形图,D触发器又称数据锁存器，它只有一个同步输入端D。,表7-12 D触发器逻辑状态表,课题六 寄存器与计数器,一、寄存器,图7-26 三位代码寄存器,寄存器分为数码寄存器和移位寄存器。前者只能存放数据信息，后者除了能够存放数码外，还可以实现数码的左右移动,二、计数器,1二进制计数器,图7-27 三位二进制计数器,最低位触发器F1的CP端是计数脉冲输入端，其它位触发器的CP端接到它所对应的低位触发器的 端。,图7-28 二进制计数器波形图,（1）第一步清零。在RD加清零信号，将计数器置于初始状态， 即Q3 Q2 Q1 =000。（2）第二步计数。,2十进制计数器实际上是利用简单的二进制计数电路实现十进制计数的。当计数脉冲以第1到第9依次输入时，对应于8421BCD码计数器状态从0001变到1001，这与二进制计数器完全相同。但当第十个计数脉冲输入时，计数器应恢复到起始状态0000，并向前产生一个进位脉冲，所以10101111这六种状态是多余状态。十进制计数器与二进制计数器的主要区别就在于要清除这些多余状态。,图7-29 十进制计数器,图7-30 十进制计数器波形图,课题七 数字电路在汽车上的应用,一、非门在汽车电子电路中的应用,图7-31 水箱水位过低报警器电路,二、门电路在汽车电子电路中的综合应用,图7-32 门锁控制电路,三、汽车用音乐/语音芯片,1SR8808 SR8808是一种三秒钟语言电路。,图7-33 SR8808的典型倒车应用电路,图7-34 SR8808的内部电路框图,SR8808的内部电路框图如图7-34所示。,2CW9561音乐报警电路,图7-35 CW9561语音报警电路,四、555时基电路及应用,1555时基电路555时基电路是一种能够产生定时信号（或称时钟信号），能够完成各种定时