数字电子技术 简介.ppt

主讲教师 王玉 西南科技大学信息工程学院 教材 阎石主编 数字电子技术基础 高等教育出版社 2006年 E mail yuwang 数字电子技术基础 数字逻辑与数字系统 电话学习参考书 王毓银主编 数字电路逻辑设计 第三版 高等教育出版社 电子工程手册编委会等编 中外集成电路简明速查手册 TTL CMOS 电子工业出版社 康华光编 电子技术基础 数字部分第五版 高教出版社 王永军主编 数字逻辑与数字系统 第三版 电子工业出版社 2006年 3 数字技术是一门应用学科 它的发展可分为5个阶段 产生 20世纪30年代在通讯技术 电报 电话 首先引入二进制的信息存储技术 而在1847年由英国科学家乔治 布尔 GeorgeBoole 创立布尔代数 并在电子电路中的得到应用 形成开关代数 并有一套完整的数字逻辑电路的分析和设计方法 数字技术的发展过程 初级阶段 20世纪40年代电子计算机中的应用 此时以电子管 真空管 作为基本器件 另外在电话交换和数字通讯方面也有应用 电子管 真空管 1905年发明电真空管 第二阶段 20世纪60年代晶体管的出现 使得数字技术有一个飞跃发展 除了计算机 通讯领域应用外 在其它如测量领域得到应用 晶体管图片 1947年发明晶体管 建立微电子技术学科 1955年发明场效应管 半导体理论日趋成熟 1958年生产第一块SSI 微电子技术成为电子工业的核心技术 第三阶段 20世纪70年代中期集成电路的出现 使得数字技术有了更广泛的应用 在各行各业医疗 雷达 卫星等领域都得到应用 60 70年代 第四阶段 20世纪70年代中期到80年代中期 微电子技术的发展 使得数字技术得到迅猛的发展 产生了大规模和超大规模的集成数字芯片 应用在各行各业和我们的日常生活 80年代后 ULSI 1G位芯片10亿个晶体管 片 90年代后 20世纪80年代中期以后 产生一些专用和通用的集成芯片 以及一些可编程的数字芯片 并且制作技术日益成熟 使得数字电路的设计模块化和可编程的特点 提高了设备的性能 适用性 并降低成本 这是数字电路今后发展的趋势 课程特点 1 发展快 1905年发明电真空管 1947年发明晶体管 建立微电子技术学科 1955年发明场效应管 半导体理论日趋成熟 1958年生产第一块SSI 微电子技术成为电子工业的核心技术 60 70年代 80年代后 ULSI 1G位芯片10亿个晶体管 片 90年代后 9 2 应用广 3 工程实践性强 课程特点 1 发展快 电子 电气 计算机与自动化等专业的一门技术基础课 课程性质 工程性质 实践性很强 平时成绩 30 期末考试 70 闭卷 考核 10 1 1概述1 2几种常用的数制1 3不同数制间的转换1 4二进制算数运算1 5几种常用的编码 第一章数码和码制 11 时间上连续 任意时刻有一个相对的值 数值上连续 可以是在一定范围内的任意值 例如 正弦波 指数函数等 1 模拟信号与数字信号 模拟信号 在时间和幅值上都为连续的信号 几种模拟信号波形 1 1概述 12 缺点 很难度量 容易受噪声的干扰 难以保存 优点 用精确的值表示事物 模拟电路 处理和传输模拟信号的电路 真实的世界是模拟的 例如电压 电流 温度 声音等 模拟信号 13 时间上离散 只在某些时刻有定义 数值上离散 变量只能是有限集合的一个值 常用0 1二进制数表示 例如 开关通断 电压高低 电流有无 数字信号 在时间和幅值上都为离散的信号 14 数字化时代 音乐 CD MP3电影 MPEG RM DVD数字电视数字照相机数字摄影机手机 数字电路 处理和传输数字信号的电路 15 2 模拟电路与数字电路的区别 1 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 2 三极管的工作状态不同 16 模拟电路研究的问题 基本电路元件 基本模拟电路 2 模拟电路与数字电路的区别 17 数字电路研究的问题 基本电路元件 基本数字电路 2 模拟电路与数字电路的区别 18 数字电路研究的问题特点 1 研究对象 输入 输出间的逻辑关系 2 采用二进制0 1例 交通信号灯控制停车场监控3 分析工具 逻辑代数4 表达方式 真值表 逻辑表达式 时序图等 19 数字电路特点 与模拟电路相比 1 数字电路的基本工作信号是用1和0表示的二进制的数字信号 反映在电路上就是高电平和低电平 2 晶体管处于开关工作状态 抗干扰能力强 精度高 3 通用性强 结构简单 容易制造 便于集成及系列化生产 4 具有 逻辑思维 能力 数字电路能对输入的数字信号进行各种算术运算和逻辑运算 逻辑判断 故又称为数字逻辑电路 2 模拟电路与数字电路的区别 20 3 数字电路的分类和学习方法 1 数字电路的分类 a 按电路结构分类组合逻辑电路 电路的输出信号只与当时的输入信号有关 而与电路原来的状态无关 时序逻辑电路 电路的输出信号不仅与当时的输入信号有关 而且还与电路原来的状态有关 21 1 数字电路的分类 b 按集成电路规模分类集成度 每块集成电路芯片中包含的元器件数目小规模集成电路 SmallScaleIC SSI 中规模集成电路 MediumScaleIC MSI 大规模集成电路 LargeScaleIC LSI 超大规模集成电路 VeryLargeScaleIC VLSI 特大规模集成电路 UltraLargeScaleIC ULSI 巨大规模集成电路 GiganticScaleIC GSI 3 数字电路的分类和学习方法 22 2 数字电路的学习方法 1 逻辑代数是分析和设计数字电路的重要工具 应熟练掌握 2 重点掌握各种常用数字逻辑电路的逻辑功能 外部特性及典型应用 对其内部电路结构和工作原理不必过于深究 3 掌握基本的分析方法 4 本课程实践性很强 应重视习题 基础实验和综合实训等实践性环节 5 注意培养和提高查阅有关技术资料和数字集成电路产品手册的能力 3 数字电路的分类和学习方法 23 1 2几种常用的数制 数码 由数字符号构成且表示物理量大小的数字和数字组合 数制 计数制 简称数制 多位数码中每一位的构成方法 以及从低位到高位的进制规则 24 1 十进制 Decimal 数码 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9计数规则 逢十进一基数 10权 10的幂 例 1999 10 1 103 9 102 9 101 9 100 1 2几种常用的数制 25 一般表达式 位权 系数 在数字电路中 计数的基本思想是要把电路的状态与数码一一对应起来 显然 采用十进制是十分不方便的 它需要十种电路状态 要想严格区分这十种状态是很困难的 1 十进制 Decimal 26 2 二进制 Binary 数码 0 1计数规则 逢二进一基数 2权 2的幂 例 11101 2 1 24 1 23 1 22 0 21 1 20 一般表达式 NB bn 1 2n 1 bn 2 2n 2 b0 20 b 1 2 1 1 2几种常用的数制 27 位数太多 不符合人的习惯 不能在头脑中立即反映出数值的大小 一般要将其转换成十进制后 才能反映 二进制的优点 1 易于电路实现 每一位数只有两个值 可以用管子的导通或截止 灯泡的亮或灭 继电器触点的闭合或断开来表示 2 基本运算规则简单 二进制的缺点 28 十六进制 Hexadecimal 数码 0 9 A B C D E F计数规则 逢十六进一基数 16权 16的幂 例 5D 16 5 161 13 160 一般表达式 NH hn 1 16n 1 hn 2 16n 2 h0 160 h 1 16 1 1 2几种常用的数制 29 十六进制优点 十六进制在数字电路中 尤其在计算机中得到广泛的应用 因为 1 与二进制之间的转换容易 2 计数容量较其它进制都大 假如同样采用四位数码 二进制最多可计至1111B 15D 八进制可计至7777O 14095D 十进制可计至9999D 十六进制可计至FFFFH 65535D 即64K 其容量最大 3 计算机系统中 大量的寄存器 计数器等往往按四位一组排列 故使十六进制的使用独具优越性 30 任意进制数表达式的普遍形式 式中 S为任意数 N为进制 Ki为第i位的系数 N为基数 Ni为第i位的权 n为整数位数m为小数位数 1 2几种常用的数制 31 3几种常用数制之间的转换 用 表达式展开法 按权展开求和 例 1011 2 0 22 1 21 1 20 1 23 8 0 2 1 11 10 将代码为1的数权值相加 即得对应的十进制数 1 二进制数转换成十进制 32 1 3几种常用数制之间的转换 2 十进制数转换成二进制整数部分的转换 除2取余 低位在前 商零为止 解 2 217 余1b02 108 余0b12 54 余0b22 27 余1b32 13 余1b42 6 余0b52 3 余1b62 1 余1b70 例 求 217 10 2 11011001 33 例 求 0 3125 10 2解 0 3125 2 0 625 整数为0b 10 625 2 1 25 整数为1b 20 25 2 0 5 整数为0b 30 5 2 1 0 整数为1b 4 说明 有时可能无法得到0的结果 这时应根据转换精度的要求适当取一定位数 小数部分的转换 乘2取整 高位在前 积整为止 到需要精度为止 2 十进制数转换成二进制 1 3几种常用数制之间的转换 0 0101 34 二进制与八进制 十六进制之间的转换 1 二进制与八进制之间的转换三位二进制数对应一位八进制数 101011100101 2 101 011 100 101 2 5345 8 6574 8 110 101 111 100 2 110101111100 2 1 3几种常用数制之间的转换 35 2 二进制与十六进制之间的转换 例如 9A7E 16 1001101001111110 2 1001101001111110 2 四位二进制数对应一位十六进制数 10111010110 2 010111010110 2 5D6 16 二进制与八进制 十六进制之间的转换 1 3几种常用数制之间的转换 36 表1 1几种计数进制数的对照表 返回 1 4二进制的算术运算 1 4 1 二进制算术运算的特点 当两个二进制数码表示两个数量的大小 并且这两个数进行数值运算 这种运算称为算术运算 其规则是 逢二进一 借一当二 算术运算包括 加减乘除 但减 乘 除最终都可以化为带符号的加法运算 如两个数1001和0101的算术运算如下 38 1 4 2反码 补码和补码运算 在用二进制数码表示一个数值时 其正负是怎么区别的呢 二进制数的正负数值的表述是在二进制数码前加一位符号位 用 0 表示正数 用 1 表示负数 这种带符号位的二进制数码称为原码 例如 17的原码为010001 17的原码为110001 一 原码 二 反码 二进制的反码求法是 正数的反码与原码相同 负数的原码除了符号位外的数值部分按位取反 即 1 改为 0 0 改为 0 例如 7和 7的原码和反码为 7的原码为0111 反码为0111 7的原码为1111 反码为1000 注 0的反码有两种表示 0的反码为0000 0的反码为1111 三 补码 1 模 模数 的概念 把一个事物的循环周期的长度 叫做这个事件的模或模数 当做二进制减法时 可利用补码将减法运算转换成加法运算 在将补码之前先介绍模 或模数 的概念 如一年365天 其模数为365 钟表是以12为一循环计数的 故模数为12 十进制计数就是10个数码0 9 的循环 故模为10 以表为例来介绍补码运算的原理 对于图1 4 1所示的钟表 当在5点时发现表停在10点 若想拨回有两种方法 a 逆时针拨5个格 即10 5 5 这是做减法 b 顺时针拨七个格 即10 7 17 由于模是12 故1相当于进位12 1溢出 故为7格 也是17 12 5 这是做加法 由此可见10 7和10 5的效果是一样的 而5 7 12 将故7称为 5的补数 即补码 也可以说减法可以由补码的加法来代替 43 2 补码的表示 正数的补码和原码相同 负数的补码是符号位为 1 数值位按位取反加 1 即 反码加1 如110010原码101101反码 注意 1 采用补码后 可以方便地将减法运算转换成加法运算 而乘法和除法通过移位和相加也可实现 这样可以使运算电路结构得到简化 2 正数的补码即是它所表示的数的真值 负数的补码部分不是它所示的数的真值 3 与原码和反码不同 0 的补码只有一个 即 00000000 B 4 已知原码 求补码和反码 正数的原码和补码 反码相同 负数的反码是符号位不变 数值位取反 而补码是符号位不变 数值位取反加 1 如 原码为10110100 其反码为11001011 补码为1100100 45 5 已知补码 求原码 正数的补码和原码相同 负数的补码应该是数值位减 1 再取反 但对于二进制数来说 先减 1 取反和先取反再加 1 的结果是一样的 故由负数的补码求原码就是数值位取反加 1 如 已知某数的补码为 11101110 B 其原码为 10010010 B 46 二进制原码减法运算 二进制补码加法运算 补码运算结果仍为补码 差值为正时 补码原码相同 为十进制数3 例 用补码完成减法 47 用补码完成减法运算 补码运算的结果仍为补码 结果为正数 符号位为0 结果为负数 符号位为1 再对1101求补得原码 即 1101 补 1011 结果为 3 表4 1为4位带符号位二进制代码的原码 反码和补码对照表 49 1 5二进制码制 将若干数符按一定规律编组成一组有序数符 并且赋予每组有序数符以