数字电子技术基础备课笔记（阎石第五版）.doc

23数字电子技术基础备课笔记汤洪涛一、 课程简介数字电子技术基础是电力、计算机工程类各专业的一门技术基础课，它是研究各种半导体器件的性能、电路及应用的学科。数字电子技术包括逻辑代数基础、逻辑门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、半导体存储器、可编程逻辑器件、VHDL语言、脉冲信号的产生与整形和A/D与D/A转换器等内容。本课程以小规模集成电路为基础，（门电路）以中规模集成电路为主，着重介绍各种逻辑单元电路，逻辑部件的工作原理，分析逻辑功能，介绍逻辑电路的分析方法和一般数字电路的设计方法。二、 各章节主要内容和基本要求第一章数制与码制：它是整个数字逻辑电路的基本知识，要求能够熟练掌握；第二章逻辑代数基础：它是整个数字逻辑电路的分析工具，要求能够熟练掌握和应用，其中逻辑代数化简法和卡诺图化简法是重点掌握内容。第三章逻辑门电路：是组成逻辑电路的基本单元，它相当于模电中的二极管、三极管。基本门电路有DTL（二极管门）、TTL（三极管门）、MOS（场效应管门），要求掌握它们的组成原理。第四章组合逻辑电路：它是数字电子技术的一大类，要求掌握组合逻辑电路的分析和设计方法，即已知逻辑电路，请分析该电路的所能实现的逻辑功能；或已知该电路的所要实现的逻辑功能，请设计逻辑电路的来实现其逻辑功能。当然，设计电路就有一个电路的优化设计问题，如何选择最少的基本逻辑单元电路或最廉价的或最方便的基本逻辑单元电路来就可以实现所需要的逻辑功能。（只考虑输入、输出之间的逻辑关系）第五章触发器：触发器是时序逻辑电路的基本逻辑单元，掌握触发器的基本特点、工作原理和分析方法等。第六章时序逻辑电路：要求掌握时序逻辑电路的分析、波形的绘制等。第七章半导体存储器：主要讲述动静态的RAM（随机存储器）和ROM（只读存储器）要求掌握它们的基本概念及其应用。第八章以后的章节不做讲解好要求，让大家以后如果接触到相关知识时可以查阅。第一章数制和码制本章要求：掌握十进制、二进制、十六进制、八进制之间的转换1.1 概述一、电子信号的分类：电子电路中的信号可分为两类：1、 一类是时间和数值上都是连续变化的信号，称为模拟信号，例如音频信号、温度信号等；2、 另外一类是在时间或数值上断续变化的信号，即离散信号，称为数字信号，例如工件个数的记数信号，键盘输入的电信号等。3、 传输和处理模拟信号的电路称为模拟电路。4、 传输和处理数字信号的电路称为数字电路。二、数字电路的特点1、 数字电路的工作信号是不连续变化的数字信号，所以在数字电路中工作的半导体管多数工作在开关状态，即工作于饱和区或截止区，放大区只是其过渡状态。2、 数字电路的主要研究对象是电路的输入、输出之间的逻辑关系，因而，对电路的分析方法就不能采用微变等效电路法，而要用逻辑分析法，采用的分析工具是逻辑代数，表达电路的功能主要是真值表、逻辑表达式、电路图和波形图等。1.2 几种常用的数制第二章 数字逻辑基础本章要求：2. 掌握逻辑代数的基本定律以及应用3. 掌握逻辑函数的四种表达方式，即真值表、逻辑表达式、卡诺图和逻辑图，了解它们各自的特点及其相互之间的关联。内容提要：1、逻辑运算的三种基本运算：与、或、非2、逻辑代数的运算规则：基本公式、基本定理、逻辑代数的三个基本规则3、逻辑函数的标准形式：最小项表达式和最大项表达式4、逻辑函数的公式化简：函数化简的原则、函数公式法化简的常用方法5、逻辑函数的卡诺图化简：卡诺图的绘制、化简的基本原理及化简方法6、带约束项函数化简：约束项函数的含义、带约束项函数化简的原则。1-1 数制与码一、 数制1、 十进制数以10为基数的记数体制称为十进制，十进制是用十个不同的数码0，1，2，3，4，5，6，7，8，9来表示数的，其记数规律是“逢十进一“。任何一个数N可以表示为：(N)D=其中：Ki称为系数；10i 称为位权；Ki*10i 称为加权系数；i 称为权。D代表十进制（Decimal)例如：234.142=2*102=3*101+4*100+1*10-1+4*10-2+2*10-32、二进制数以2为基数的记数体制称为二进制，二进制是用2个不同的数码0，1来表示数的，其记数规律是“逢二进一“。任何一个数N可以表示为：(N)B=其中：Ki称为系数；2i称为位权；Ki*2i称为加权系数；i称为权。B代表二进制（Binary)例如：1011.101=1*23+0*22+1*21+1*20+1*2-1+0*2-2+1*2-33、八进制数以8为基数的记数体制称为八进制，八进制是用8个不同的数码0，1，2，3，4，5，6，7来表示数的，其记数规律是“逢八进一“。任何一个数N可以表示为：(N)O=其中：Ki 称为系数；8i 称为位权；Ki*8i 称为加权系数；i 称为权。O代表二进制（Octal)例如：1456.321=1*83+4*82+5*81+6*80+3*8-1+2*8-2+1*8-34、十六进制数以16为基数的记数体制称为十六进制，十六进制是用16个不同的数码0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F来表示数的，其记数规律是“逢十六进一”。任何一个数N可以表示为：(N)H=其中：Ki称为系数；16i 称为位权；Ki*16i 称为加权系数；i 称为权。H代表二进制（Hexadecimal)例如：14A6.3C1=1*163+4*162+10*161+6*160+3*16-1+12*16-2+1*16-35、各进制之间的转换各进制换十进制各进制数转换成十进制数按照上述展开式展开就可以得到了。如：举:1*163+4*162+10*161+6*160+3*16-1+12*16-2+1*16-3=14A6.3C1=22572.736十进制换二进制整数部分除2取余，低位到高位；小数部分乘2取整，高位到低位。如：举例:(25)D=(11001)B小数部分只能保证精度小于多少或误差小于多少，不能精确。(0.706)D=(0.101101001)B 其误差 2-10八进制换二进制整数部分除8取余，低位到高位；小数部分乘8取整，高位到低位。如：举例:（一位就是三位）小数部分只能保证精度小于多少或误差小于多少，不能精确。十六进制换二进制整数部分除16取余，低位到高位；小数部分乘16取整，高位到低位。如：举例:（一位就是四位）小数部分只能保证精度小于多少或误差小于多少，不能精确。二进制换八进制“三位一点法”：将二进制数每三位看成是一位就是八进制数。如：举例:二进制换十六进制“四位一点法”：将二进制数每四位看成是一位就是十六进制数。如：举例:十进制-十六进制-二进制的互换通常，十进制和二进制之间是通过十六进制数来转换较为方便，用“8421法”。例如：二、二进制码1、代码与编码数字系统中的信息可分为两类，一类是数值，另一类是文字符号（包括控制符）我们常常也用一定位数的二进制数码来表示文字符号，那么，这些特定的二进制码就称为这些文字符号的代码，建立这种代码与十进制数值、字母、符号之间的一一对应的关系就称为编码。若所需编码的信息有N项，则需用的二进制数码的位数n应满足如下关系：2nN2、二-十进制码（BCD码）（Binary-Coded-Decimal码)BCD码即二进制编码的十进制码，在这种编码中，用四位二进制数b3b2b1b0来表示十进制数中的09十个数码(见书上的表P.9)常见的有8421码、5421码、2421码和余3码（8421+3）1-2 逻辑函数数字电路实际上是一种开关电路，用“通”、“断”即电子器件的“导通”与“截止”来实现，表示符号为“1”和“0”，电平表示为“高”、“低”，因此，就整体电路而言，数字电路的输出和输入之间反映的是输出量与输入量之间的逻辑因果关系，可以用逻辑表达式来表示，因此，数字电路也称为逻辑电路。研究逻辑电路的数学工具为逻辑代数（布尔代数），逻辑代数研究的是逻辑函数与逻辑变量之间的关系。1、逻辑变量：在逻辑代数中的变量只有两个，即逻辑零“0”和逻辑壹“1”，它并不表示数量的大小，而是表示两种对立的逻辑状态，“0”和“1”也是逻辑代数中的二元常量。2、基本逻辑运算有“与”、“或”、“非”三种。3、与逻辑（1）逻辑电路图： （2）真值表：（3）逻辑符号： （4）逻辑表达式： L = A B （与运算）（5）与逻辑定义：只有当某一件事（灯亮）的几个条件（开关A与B都接通）全部具备之后，这件事（灯亮）才发生，这种逻辑关系称为与逻辑。（也称为逻辑乘）4、或逻辑（1）逻辑电路图：（2）真值表：（3）逻辑符号： （4）逻辑表达式： L = A+ B （或运算）（5）或逻辑定义：只有当某一件事（灯亮）的几个条件（开关A、B接通）中只要有一个条件得到满足，这件事（灯亮）就会发生，这种逻辑关系称为或逻辑。（也称为逻辑加）。5、非逻辑（1）逻辑电路图：（2）真值表：（3）逻辑符号： （4）逻辑表达式： L = A （非运算）（5）非逻辑定义：某一件事（灯亮）的发生，是以这件事的相反条件发生为依据，这种逻辑关系称为非逻辑。（也称为逻辑反）。6、其他几种常用逻辑门（1）与非门 （2）或非门 （3）异或门 （4）同或门（异或非门）1-3 逻辑代数的基本定律一、基本定律和恒等式1、逻辑代数定律分为：基本定律、结合律、交换律、分配律、摩根定律和吸收律及其常用的几个恒等式，见下表：基本定律：加 乘 非A+0=A A0=0A+A=1A+1=1 A1=AAA=0A+A=1 AA=AA=AA+A=1 AA=0结合律：（A+B）+C=A+（B+C） （AB）C=A（BC）交换律： A+B=B+A AB=BA分配律：A（B+C）=AB+ACA+BC=（A+B）（A+C）摩根定律：（反演律）ABC = A+B+C+A+B+C+ = A B C 吸收律：A+A B= AA （A+B）= AA+A B= A+B（A+B）（A+C）= A+BC其它常用恒等式：AB+AC+BC=AB+AC；AB+AC+BCD=AB+AC2、关于摩根定律的证明请同学们自己证明二、逻辑代数运算的基本定理1、代入定理在任一逻辑等式中，如果将等式两边所有出现的某一变量都代之以一个逻辑函数，则此等式仍然成立，这一定理称之为代入定理。例：B（A+C）=BA+BC中，将所有A的地方都代以A+D，则等式依然成立，即B（A+D）+C= B（A+D）+BC = BA+BD+BC2、反演定理对任意一个逻辑式L，若将其中的所有的原变量变为反变量，反变量变为原变量；“+”变为“”（与或相换），“”“变为“+”；“0”变为“1”；“1”变为“0”则得到的结果就是L的反函数L。这就是逻辑函数的反演定理。例已知 Y=A(B+C)+CD 求Y解:根据反演定理可写出 Y = A +（ B C ）（C + D）= A + B C CD 3、对偶定理已知一逻辑函数L，只要将原函数L中所有的“+”变为“”,“”变为“+”；“0”变为“1”，“1”变为“0”，而变量保持不变、原函数的运算先后顺序保持不变，那么就可以得到一个新函数，这新函数就是对偶函数L。 其对偶与原函数具有如下特点：1.原函数与对偶函数互为对偶函数；2.任两个相等的函数，其对偶函数也相等。这两个特点即是逻辑函数的对偶定理。 例如，分配律为 A(B+C)=AB + AC，求这一公式两边的对偶式，则有L1 = A + BC = (A + B)(A + C) = L2 成立。其中L1是左边的对偶式，L2是右边的对偶式如果已用真值表的方法证明前式成立，那么后式就不必再证明了，它一定成立。1-4 逻辑函数的代数化简法一、化简的原因：1、逻辑函数是逻辑电路的代数表示形式，一般来讲逻辑表达式愈简单，其电路也就愈简单，所需要的器件也就愈少，这样既节省了电路的元件同时也提高了电路的可靠性。通常从逻辑问题概括出来的逻辑函数不一定是最简的，所以要求对逻辑函数进行化简，找出最简的表达式，这是逻辑设计的必须步骤，但随着计算机辅助设计软件的使用，其手工进行化简的机会正在下降，但这是一个基础。2、要根据现有的元器件的要求，给出的表达式才是最佳的表达式。如：现只有与非门，因此，逻辑表达式就必须以与非门的结果给出。L = AC + C D （与或表达式） =（A+C）（C+D）（或与表达式） = （与非表达式） = （或非表达式） = （与或非表达式）二、化简的标准：最简的函数表达式的标准是：1、表达式中所含项数量最少；2、每项中所含变量个数最少。三、化简方法：常用的逻辑函数化简方法有代数法和卡诺图法两种，这里只讨论代数法（也称公式法），即利用逻辑函数的基本公式、定律及常用公式来对函数进行的化简方法。通常公式法化简可概括为如下几种方法：1、并项法即利用A+A = 1 的公式，将两项合并为一项，并消去一个变量。如：A B C + A B C = A B （C + C ）= A B 2、吸收法即利用A+AB = A 的公式，将两项合并为一项，消去一个多余项。如：A B + A B C D （ E + F ）= A B 3、消去法即利用A+AB = A + B 的公式，消去一个多余的因子。如：AB + A C + B C = AB+（A + B ）C4、配项法即利用A = A（B+B），将它作为配项用，然后消去更多的项。如：L=AB + A C +B C ，在第三项配以因子A+A ，则有：L=AB + A C +（A+A）BC = AB+A C +AB C +A B C = （AB+AB C ）+（A C +A B C ）=AB + A C 从上面的例子可以看出，用公式法化简，需要记住公式，直观性差，且需要具备一定的技巧。在得到最简逻辑表达式后，再利用“二次求非”及其摩根定律将表达式变换为要求的表达式。1-5 逻辑函数的卡诺图化简法卡诺图化简法是一种通用的化简逻辑函数的方法一. 逻辑函数的最小项及其性质1、最小项的定义我们设有A、B、C三个逻辑变量，由这三个逻辑变量可以构成许多乘积项，如：ABC，AB，ABCA，A（B+C），等，但其中有这样八个乘积项：A B C，A B C，A B C，A B C，A B C，A B C，A B C，A B C，这八个乘积项有如下的共同特点：每项都只有三个因子，每个变量都是它的因子，每一变量或以原变量（ABC）或以非变量（A B C ）的形式出现，各出现一次。这八个乘积项我们就称为是三变量ABC的最小项。最小项又称为标准与项。是指该与项中包含自变量的所有变量，每个变量且仅出现一次，其可以是原变量形式也可以是反变量的形式，该与项就是最小项。对于n个自变量的函数其最多有2n个最小项。为什么称该与项为最小项呢？下表列出了3变量的逻辑函数，其共有8个最小项，在自变量的8种取值的组合中，任一最小项为1的机会仅一次，其余皆为0，故称其为最小项。 输入变量最小项函数ABC A B C A B C A B CA B C A B C A B C A B C A B C 00010000000001010000000100010000001100010000100000010001010000010011000000010111000000012、最小项的性质从上表中我们可以看出，最小项具有下列性质；对于任意一个最小项，只有一组变量取值为1，其他为0不同的最小项，使它 的值为1的那一组变量取值也不同对于变量的任一组取值，任意两个最小项的乘积为0对于变量的任一组取值，全体最小项之和为1为了在书写时比较方便，我们把最小项加以编号，通常使用简化的表示方法，用m0,m1,m2,m3,m4,m5,m6,m7表示，分别表示为m0=A B C（000），m1=A B C（001），m2=A B C（010），m3=A B C（011），m4=A B C（100），m5=A B C（101），m6=A B C（110），m7=A B C（111）。二、逻辑函数的最小项表达式我们利用逻辑代数的基本公式，把任意一个逻辑函数化成为用一组最小项 之和的典型表达式，这个表达式就称为逻辑函数的最小项表达式。如何得到最小项表达式，通常有两种情况得到：一种是由一般与或表达式得到最小项表达式；另一种是由真值表得到。(1)一般与或表达式得到最小项表达式从一般与或表达式得到最小项表达式只须将每个与项乘上未出现的变量的原变量与反变量和的形式，展开后即得到最小项表达式。(2)由真值表得到最小项表达式由真值表得到最小项表达式只须首先找出使逻辑函数F为1的变量组合项的最小项，再将这些最小项相或，即得到标准与或表达式（或最小项表达式）。例1写出下真值表对应的最小项表达式。 输入变量输出最小项A B CF 0 0 01m00 0 11m10 1 00m20 1 10m31 0 01m41 0 11m51 1 01m61 1 10m7从上表可写出该真值表对应的最小项表达式为： F(A,B,C)=m0+m1+m4+m5+m6=m(0,1,4,5,6)例2 将L（A，B，C）= 化为最小项表达式。解：利用摩根定律去掉非号L（A，B，C）= =（A+B）（A+B）C+AB利用分配律去掉括号，得到一个与或表达式L（A，B，C）=A BC+BAC+AB配齐最小项L（A，B，C）=A BC+ABC+ABC+ABC=m3+m5+m6+m7=m（3，5，6，7）由此可见，任意一个逻辑函数都可化成唯一的最小项表达式。三、用卡诺图卡诺图第六节逻辑函数的卡诺图化简法逻辑函数的卡诺图化简什么是卡诺图？前面已讲过，一个函数可以用表达式表示，也可以用真值表来描述，但如果用真值表来表示时，对函数进行化简很不直观，美国工程师卡诺（Karnaugh)提出了一种描述逻辑函数的特殊方法。在这个方格图中，每个小方格代表逻辑函数的一个最小项，而且几何相邻的小方格具有相邻性，即两个相邻小方格所代表的最小项仅一个变量取值不同，这种特殊的小方格图通常称之为卡诺图（K-Map)。卡诺图实际上相当于一个矩阵式的真值表，不同的是真值表输入变量的取值是从小到大的顺序排列，而卡诺图是循环码的排布规则。卡诺图的填入前面已提到了卡诺图与真值表之间的关系，由前面表达式与真值表、最大项表达式与真值表、最小项表达式与真值表之间的关系我们可以方便将其填入卡诺图中。1.最小项表达式因为构成函数的每一个最小项，其逻辑取值都是使其函数值为1的最小项，所以填入时，在构成函数的每个最小项相应的小方格中填上1，而其它方格填上0。2.最大项表达式因为使函数值为0的那结最小项的下标与构成函数的最大项表达式中那些最大项下标相同，所以按这些最大项的下标向卡诺图相应的方格中填上0，其余方格上填上1。3.任意与或表达式任意与或表达式对应的卡诺图的填入方法：首先分别将每个与项的原变量用1表示，反变量对应的变量用0表示，在卡诺图上找出交叉点，在其方格上填上1;其没有交叉点的方格上填上0。4.任意或与表达式对于任意的或与表达式，只要当任意一项的或项为0时，函数的取值就为0，什么时候或项为0呢？我们只须将组成该或项的原变量对应的变量用0、反变量对应的变量用1代入，这时该函数就为0了。故写其对应卡诺图的方法是：首先将每个或项的原变量对应的变量用0、反变量对应的变量用1代入，在卡诺图中找出交叉点，在这些交叉点上填上0；然后在没有填上0的方格上填1即可。卡诺图的化简依据利用卡诺图化简函数的依据在卡诺图的构成特点中已讲到了，即卡诺图中每两个相邻小方格所代表的最小项只有一个变量不同，如果相邻的两个小方格填的是1,则利用旅客特点消去一个变量。依此类推：4个有1的小方格构成的一个矩形可合并为一项，且消去2个变量；8个有1的小方格构成的一个矩形可合并为一项，且消去3个变量；16个有1的小方格构成的一个矩形可合并为一项，且消去4个变量。卡诺图的化简步骤用卡诺图化简的过程可分为三步：1.首先将逻辑函数用卡诺图表示出来；2.合并卡诺图中相邻“1”方块（画包围圈）；画圈原则：圈越大越好，圈个数越少越好，同一个“1”方块可以被圈多次，每个圈要有新的成分。3.写出最简的函数表达式。例1 例2 第七节具有无关项的逻辑函数及其化简具有无关项的函数化简 约束条件的定义在一些逻辑电路中，经常遇到在真值表中对于变量的某些取值，函数值可以任意的，或者这些变量根本不会出现。例如一个电路的输入为8421BCD码，则其输入变量中的16种组合中10101111始终不会出现。由于这些输入组合不可能出现或输出在这些组合的情况下不管为0还是为1无所谓，则将这些输入组合称为约束条件、约束项或任意项。在存约束项的卡诺图或真值表中对应的输出用、或d来表示。在函数表达式中可以用、或d来表示其为约束项，如：F(A,B,C)=m(0,1,5,7)+m(4,6)。约束项在函数化简时的处理在约束项的函数化简时，约束项一般具有一种特殊的地位，其既可以看作0又可以看作1来处理，取决于化简有利原则，即作为1处理对化简有利则看作1处理，否则看作0处理。带约束条件的函数化简带约束条件的函数化简方法与不带约束条件的方法相同，仅对在处于约束项时加以考虑就是了。1.画出函数对应的卡诺图，将约束项对应的小方格用、或d填上；2.按2的整数次方个为1的小方格圈成一个矩形，如果在圈时约束项当作1来圈时圈得可以更大些，则当作1来处理，否则当0处理，对于来被圈个的约束项一律看作0。3.写出化简的表达式。例 第八节本章小结这一章所讲的主要内容是逻辑代数的基本运算，基本公式和定理、逻辑函数的表示方法和逻辑函数的化简方法。在逻辑函数的表示方法中一共介绍了4种方法，即真值表、逻辑函数式、逻辑图和卡诺图。这4种方法之间可以任意地互相转换。根据具体的使用情况，可以选择最适当的一种方法表示所研究的逻辑函数。逻辑函数的化简方法是本章的重点。本章介绍了两种化简方法公式化简法和卡诺图化简法。C1-6 逻辑函数与逻辑图小结第二章 逻辑门电路引言2-1 二极管的开关特性2-2 三极管的开关特性2-3 基本逻辑门电路HRTGHRT2-4 三极管-三极管逻辑门电路（TTL）2-5 MOS逻辑门电路2-6 正负逻辑问题2-7 逻辑门电路使用中的几个实际问题小结第三章 组合逻辑电路引言3-1 组合逻辑电路的分析和设计方法3-2 编码器和译码器3-3 数据选择器3-4 数字比较器3-5 算术运算器3-6 组合逻辑电路中的竞争冒险小结第四章 时序逻辑电路本章要求：1、掌握RS触发器、JK触发器、D触发器的逻辑功能、电路结构、工作原理、触发方式。2、用驱动方程、状态方程和时序图分析时序逻辑电路。3、单向、双向及循环移位寄存器的逻辑功能。4、同步、异步二进制、十进制、N进制计数器的工作原理及分析方法。引言数字系统除了包括组合逻辑电路外，还有时序逻辑电路。时序逻辑电路的基本组成单元一般是触发器，组成的基本常用电路有二进制计数器、十进制计数器、移位寄存器等。时序逻辑电路的输出状态不仅与输入变量的状态有关，而且还与系统原先的状态有关。这是时序逻辑电路与组合逻辑电路的根本区别。因此，时序逻辑电路的特点有 .1、包含组合逻辑电路和具有记忆功能的电路（存储单元）或延迟反馈电路。2、输入-输出之间至少有一条反馈路径。我们首先介绍触发器触发器（FF）（Flip-Flop)是门电路之后，又一类重要的逻辑单元电路。它本身又是由多个门电路构成，但与前述组合电路有所不同的，是在于内部存在输出对输入的信号反馈，因此触发器具有记忆输入信息的功能。触发器是广泛应用于现代数字与逻辑系统中的，可以说凡是涉及数字信号处理的装置，无不采用触发器来暂存数字信息，触发器的类型也很多，其分类方法有三种：1、按有无动作的统一时间节拍（时钟脉冲）来分：分为基本触发器（无时钟触发器）和时钟触发器（有时钟触发器）2、按电路的结构来分：有主从触发器、维持阻塞触发器、边沿触发器和主从型边沿触发器等3、按逻辑功能来分：有RS触发器、D触发器、JK触发器、T触发器、T触发器等。4-1 触发器DSGRFB触发器触发器触发器触发器DBDBED4-2 移位寄存器DBDBED4-3 二进制计数器BDSBER4-4 BCD码十进制计数器TFBEDB小结DBRETB第五章 半导体存储器引言5-1 随机存取存储器（RAM）5-2 只读存储器（ROM）小结第六章 脉冲信号的产生与整形引言6-1 单稳态触发器6-2 多谐振荡器6-3 施密特触发器6-4 定时器小结第七章 A/D与D/A转换器引言7-1 D/A转换器7-2 A/D转换器7-3 采样保持电路小结YFUYKGILUHI总结教程介绍。本教程总结了我们对数字电路的学习心得和我们老师多年来的教学实践，加强基础理论的同时，着重介绍数字集成电路（包括中、大规摸集成电路）的原理和应用。在内容的安排上，注意贯彻从实际出发，由浅入深，由特殊到一般，从感性上升到理性等原则。通过各种半导体器件及其电路来阐明电子技术的基本概念、基本原理和基本方法。主要内容有半导体的基本知识、门电路、逻辑代数基础、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、脉冲波形的产生等。为了加深对知识的理解，列举了若干电路实例。本教程充分利用 Flash 的交互式、体积小、作图便捷等特性，将有关电路图，形象、互动、细致的表现出来。 第二章 门电路内容提要简单介绍了分立元件构成的逻辑门电路讲解了TTL门电路的构成及外部特征TTL门电路的改进其他类型的门电路（OC门、TSL门）的电路构成及特点；CMOS电路的结构、工作原理及特点。目录第一节概述本章系统地讲述了数字电路的基本逻辑单元门电路。由于门电路的二极管和三极管经常工作在开关状态，所以首先介绍它们在开关状态下的工作特性。然后重点讨论了目前广泛使用的TTL门电路和CMOS门电路第二节半导体二极管和三极管的开关特性一.半导体二极管的开关特性由于半导体二极管具有单向导电性，即外加正向电压时导通，外加反向电压时截止，所以它相当于一个受外加电压极性控制的开关。用它取代图2.2.1中的开关，可以得到图2.2.2所示的二极管开关电路。假定输入信号的高电平ViH=Vcc，低电平ViL=0，并假定二极管D为理想开关元件，即正向导通电阻为0，反向内阻为无穷大，则当Vi=ViH时，D截止，V0=Voh=Vcc；而当ViL=0时，D导通，V0=V0L=0。 因此，可以用Vi的高、低电平控制二极管的开关状态，并在输出端得到相应的高、低电平输出信号。在动态情况下，加到二极管两端的电压反向时，电流的变化过程如图2.2.3所示二. 半导体三极管的开关特性如在图2.2.5所示电路的输入端加入一个如图2.2.6所示的理想方波，输出端波形如图2.2.6所示。三极管工作在导通饱和(输出低电平)和截止区（输出高电平）。起到开关作用。 第三节分立元件的门电路一. 二极管与门电路用电子电路来实现逻辑运算时，它的输入、输出量均为电平。输入高电平为逻辑“1“输入低电平为逻辑“0“。输入量作为条件，输出量作为结果，输入与输出量之间能满足与逻辑关系的电路，称为与门申路。图2.3.1a表示由半导体二极管组成的与门电路，图2.3.1b为它的电路符号，A、B、C为输入，L为输出。 其真值表见表2.3.2。从表中可看到，L与A、B、C之间的关系是，只有当A、B、C都是1时，L才为1，否则L为0，这就是与逻辑关系，其表达式为A=A*B*C 二. 二极管或门电路图2.3.2a表示由半导体二极管组成的或门电路，其输出输入量之间满足或逻辑关系。图2.3.2b是它的逻辑符号， 其真值表见表2.3.2所示，从表中可看到，A、B、C中只要有一个为1，L为1，这就是或逻辑关系，表达式为L=A+B+C。 三. 三极管反相器图2.3.3表示一基本反相器电路，当输入A为0时，三极管截止，输出电平为逻辑1。当输入为1时，三极管饱和导通，输出电平为逻辑0。 可见反相器的输出与输入之间的逻辑关系是非逻辑关系，其直值表如表2.3.3所示，其表达式为A=A。 第四节TTL门电路一. TTL与非门的工作原理分析图2.4.1所示与非门的逻辑关系。当输入全部接高电平时（3.5伏）时，电源Vcc通过R1和T1的集电结向T2，T3提供基极电流，使T2、T5饱和，输出为低电压，此时Vb1=Vbc1+Vbe2+Vbe5=0.7+0,7+0.7=2.1V 使T1处于放大状态。由于T2和T5饱和导通，输出端Vc5=Vol=0.3伏，同时可估算出Vc2的值Vc2=Vce2+Ve5=0.3+0.7=1VVb3=Vc2=1V此值大于T3的发射结正向电压，使T3导通。于是Ve3=Vb4=Vc2-0.7V=0.3V，所以T4必然截止。实现了与非门的逻辑关系；“输入全高，输出为低。“当输入端有一个（或几个）接低电平（0.3V）时，对应于输入端接低电平的发射结导通，T1的基极电位等于输入低电平加上发射结正向电压，即Vb1=0.3+0.7=1VVb1加在T1的集电结和T2、T5的发射结上，所以T2、T5都截止，输出为高电平。由于T2截止，Vcc通过R2向T3提供基极电流而使T3导通，可列出下面的回路方程Ib3*R2+Vbe3+Ve3=VccVe3=Ie3*R5Ib3*R2，因此可忽略Ib3*R2，所以Ve3=Vcc-Vbe3=5-0.7=4.3V而 Vb4=Ve3，所以T4导通，得Voh=Ve4=Vb4-Vbe4=4.3-0.7=3.6V同样也实现了与非门的逻辑关系：“输入有低，输出为高“。二. TTL 与非门的参数1、 输出高电平Voh：标准高电平Vsh=2.4V，典型值Voh=3.2V2、 输入短路电流Iis1.6mA3、 输出低电平Vol：标准低电平Vsl=0.4V，典型值Vil=0.3V4、 扇出系数：即带负载个数，典型值N085、 高电平输入电流Iih：一般Iih50A6、 平均延迟时向tpd：典型值tpd=40A三. 集电极开路与非门（OC门）图2.4.2表示一种OC门的内部结构，它与普通TTL门的差别在于用外接电阻R代替由复合管（图2.4.1中的T3、T5）组成的有源负载。 当n个OC门输出端相连时，一般可共用一个电阻R如图2.4.3所示四. 三态与非门（TSL）它的输出除了具有一般与非门的两种状态，即输出电阻较小的高、低电平外，还具有高输出阻抗的第三状态，称为高阻态。电路符号如图2.4.4所示，其中E为使能端，A、B为数据输入端。当E=1时，L=AB，当E=0时，L为高阻态。 第五节CMOS门电路由于逻辑电路具有低功耗，高抗干扰能力和高速等优点，因此得到广泛应用。 一. 反相器反相器如图2.5.1所示。电路中的工作管为管，负载管为管。两个管子的衬底与各自的源极相连。反相器采用正电源供电，负载管2的源极接电源正极，工作管的源极接地。两个管子的栅极连在起，作为反相器的输入端，两个管子的漏极连在起，作为反相器的输出端。 当输入为低电平且小于t(t是管的开启电压)时，管截止，但对于负载管来说，由干栅极电位较低，使栅源电压绝对值大于开启电压绝对值t，因此管导通，由于管的截止电阻远比管的导通电阻大得多，所以电源电压差不多全部降在工作管的漏源之间，使反相器输出高电平DD。当输入为高电平且大于时，管导通，但对于管来说，由于栅极电位较高，使栅源电压绝对值小于开启电压的绝对值2，因此2管截止。由于管截止时相当一个很大的电阻，而导通时相当于一个较小的电阻，所以电源电压几乎全部降在上，使反相器输出为低电平且很低，即OLV。由于反相器处于稳态时，无论是输出高电平还是输出低电平，其工作管和负载管中必有个截止而另一个导通，因此电源向反相器提供的仅为纳安级的漏电流，所以反相器的静态功耗很小二. 与非门 图2.5.2所以电路为两个输入端的与非门。图中两个串联的管T和作为工作管，两个并联的管和作为负载管。当输入、都为高电平时，串联的M管、都导通，并联的管、都截止，因此输出为低电平；当输入、中有一个为低电平时，两个串联的工作管中必有个截止，于是电