数字信号与数字系统.ppt

李洪凤,自动化学院电工电子技术中心,E-mail: 密码：123456,电工学网站：04 办公室地址：26楼E座-615,本课程的要求：,1. 课上互动，保证出勤，认真听课，作业缺少 1/3者或三次点名未到者不允许考试 2. 课下及时复习，独立完成作业 3.一章交一次作业 4.答疑预约 5.以卷面考试为主，约占80 % -90%左右，10%- 20%-包括三部分：网络测验、出勤，作业 6.学习目的：了解应用背景，理解工作原理，掌握技术要点，分析工作品质，细节回避，适量做题，不追求难偏题目,1 数字信号 2 数字信号与二进制数 3 A/D和D/A信号转换 4 数字信号与逻辑 5 数字逻辑系统,第十章数字信号与数字逻辑系统,一、数字信号的描述,温度信号,1 数字信号,1 物理信号,2 模拟信号,模拟信号,数字信号,采样信号,3 连续信号,6 离散信号,4 数字信号,5 采样信号,2 基本元素取值,二值 0V，5V,例 信号灯的状态,亮,灭,2.4 5 V,0 0.4 V,高电平,低电平,“1”,“0”,二 、 数字信号的优点：,1) 数量信号,2) 符号信号,转换原则,标准约定,3) 逻辑信号,二值 0，1代码,正逻辑 与负逻辑,1 可以尽善尽美地表达任何形式的信号和任何形态的信息；,2 数字信号的存储,双位开关,3 抗干扰能力增强,采样保持,传感器,模拟信号,模-数转换(A/D),数字信号,数字 计算机,数-模转换(D/A),物 理 量,执行机构,8-3 模拟/数字(A/D)和数字/模拟（D/A）信号转换,uA= (2n-1Dn-1+23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0),Dn-1或1或0,用D3D0分别控制一个开关,R0 /Rn-1 = 2n-1,K,1 D/A转换器 (Digital Analog Converter DAC),例P213,功能： 把二进制数转换成与之成正比例的输出电压值。,4位二进制数 n = 4,例10-3-2 一个8bit的D/A转换器采用如图所示的转换电阻网络结构。已知R0的电阻值为128K，电流/电压转换器的传递函数为：uA=500i。试问:一个代码形式为10011100的数字信号电压将被转换成多大的模拟信号电压？,模拟信号的采样,采样定理 若 fA 2 f ，则采样处理后不损失信息。,采样频率,信号最高频率,2 A/D转换器 (ADC),TA,t,A/D转换器 (ADC),对采样信号进行幅值量化处理,逐次逼近思想：,D,u ux,设D=00000000, ux,D =？,u= 0,D=00000001,ux =11, ux,u = 1,D=00000010, ux,u = 10,D=00001011,= ux,u = 11,D=00001011,Y,N,对于量程为U，n位AD转换器来说，需要2n-1次转换得到量程电压U，单次转化的电压值为u=U/（2n-1）称为一个字，又称单位量化电压，最小分辨电压。,对于任意一个电压ux则需要ux/ u次转化结束,例,已知：ux = 4.882V 10位DAC的最大电压U= 5V,求：ADC的转换结果,解：,ux= 4.882V,将ux转换为二进制数为：,1111100111,对于量程为5V而言，10位DAC要求经过210-1次比较完成对5V电压的测量。,单次转化的电压值为：,例,某数字电压表（内含八位逐次逼近型ADC），量程Um=10V。设输入模拟电压ui=6.21V。试求：1）完成测量需要经过多少次比较；2）电压表的输出；3）转换误差是多少？,最大转换误差为 0.03V,经过159次比较才能完成测量,实际输出电压,8-2 数字信号与二进制数,一、二进制数 二、最基本的运算求和运算 三、BCD码及其数字显示 1 BCD编码 2 数值显示,1 BCD编码,采用4位二进制数来表示1位十进制数。,举例8421编码,2 数值显示,3 七段显示译码器,举例:,8-4 数字信号与逻辑,一、命题逻辑及其描述,1 简单命题,2 复合命题,基本连接关系：,可以判断真伪的一段简单的事实描述,可以确切地判断是对还是错，是真还是假,命题可以用符号来表示，例如：命题A，命题X；也称逻辑变量A，X。逻辑变量的值称为真值；逻辑变量的取值：取值为0或1,与 或 非,简单命题的组合,、,、 +, 、 ,逻辑运算符,复合命题：逻辑变量和逻辑运算符所组成的逻辑表达式。,逻辑函数,正命题与反命题,b 用“真值表”描述,a 用逻辑表达式描述,F=AB F= A B F=AB F=AB F=A + B,3 逻辑变量与逻辑函数之间的关系：,二 获取实际问题的逻辑表达式,逻辑表达式,“或”逻辑,例： 控制楼梯照明的电路,要求：可在楼下开，楼上关，可在楼上开，楼下关。,楼下开关合在a点：A 楼上开关合在b点：B 灯亮： F,方法：,第2步,第3步,（与- 或关系）,取1的因变量,因变量取一的状态下，对应的所有自变量相与，其中取1的自变量用正命题表示，取0的用反命题表示,第4步,第1步, 8-5 数字逻辑系统,一、运算法则,没有“减” 也没有“除”,A+AB=A+AC,?,?,?,B = C,AB = AC,A+0=A,自等率,0-1率,互补率,重叠率,二、数字信号逻辑演算的实现系统,1 组合逻辑电路,2 时序逻辑电路,输出状态仅取决于输入的即时状态,输出状态取决于输入的即时状态和前一时刻输出的状态,由数字电子逻辑器件组成。,数字逻辑系统,1）基本逻辑门器件,组合逻辑电路,2） 组合逻辑系统,a 组合逻辑系统分析,2,1,3,4,利用M端的高低，来选择A或B作为输出端的输出信号,电路分析：,M=0，#1输出恒为1,#3输出为,(封门),(开门),M=1，结果相反,M=0时，F=B,M=1时，F=A,表达式分析：,选通电路,M=1,M=0,A,B,无触点开关,组合逻辑系统分析的步骤：,逐级写出逻辑表达式 化简 逻辑关系简述,b、组合电路的设计,步骤：,列写真值表,画电路图,化简,逻辑表达式,例,1 用与非门组成同或运算电路,A,B,F,2 已知某译码器的状态表，试写出其逻辑表达 式；画出用“与非”门实现的逻辑图。,三、时序逻辑系统,1 触发器,1) D触发器,电路构成,逻辑功能,在系统时钟脉冲控制下实现既定的逻辑功能的系统称为时序逻辑系统。这个时钟脉冲信号又称触发信号，CP，可以是单个的数字脉冲信号，也可以是一种等间距的脉冲信号。,下降沿触发,存数功能,二分频电路,半加器运算,2) T 触发器,电路构成,逻辑功能,下降沿触发,上升沿触发,状态表,状态方程,3) J-K 触发器,逻辑电路,功能分析,功能,Qn+1,记忆,1 0,翻转,a) 上升沿触发,说明：,b) JK可有多输入端,J=J1J2,K= K 1 K 2,JK触发器构成其他类型电路,2、寄存器,1) 数码寄存器,数据线上有一数据A，要求存储数A，并在适当时送给某设备,触发器 数 = 所需寄存的数码的位数,同时得到清零、送数、取数脉冲,二进制数,(register),1,0,2) 移位寄存器,组成寄存器的各触发器输出状态随脉冲依次传递,Q3,Q2,Q1,Q0,脉冲到,左移,右移,CP,1011,Q3,Q2,Q1,Q0,CP,0,0,0,1, 1,0,0,1,0, 2,0,1,0,1, 3,1,0,1,1, 4,0,1,1,0, 5,1,1,1,0,D0,串出,串入,并出,串行向并行转换,并行向串行转换,D,3、计数器(加法计数器、减法计数器和可逆计数 器),计数器按模数的不同，即每经过多少次计数后，计数器又回到初始状态，可分为二进制计数器、十进制计数器和任意进制计数器。,计数器工作时，组成计数器的触发器的状态要不断发生变化，因此按计数器中触发器翻转次序的不同，可分为同步计数器与异步计数器。,1) 异步,二进制计数器, 加法器,计数能力：2n|max,n为触发器个数,(2n)分频器, 减法器,分析计数器电路的逻辑功能时，首先要了解电路中所使用的触发器的逻辑功能及其触发方式，对异步计数器还应了解各触发器的触发信号是何时提供的。,?,若各触发器的脉冲引自Q端，,则电路功能？,加 法 器,减法器,2) 计数器分析,分析,同步、异步；,几进制；,加法、减法；,波形图；,电路结构,1) 列写状态转换表 (包括触发器驱动方程),K0=1,CP,Q2,Q1,Q0,1,0,1,0,1,2,3,4,5,2) 结论,0,0,0,1,0,1,1,0,J2=Q1 Q0,J1=1,异步五进制加法计数器,3) 同步二进制计数器,CP,加法器,Q0的翻转条件:,J0=K0=1,驱动方程,Q0 =1,J1=K1=Q0,驱动方程,Q1=1 Q0=1,驱动方程,Q1的翻转条件:,Q2的翻转条件:,J2 = K2 = Q1Q0,4) 计数