数字电路的基础知识

精品文档 新课导入 直接导入，从今天开始，我们学习数字电路。首先学习数字电路基础知识。新授内容10.1数字电路的基础知识一、数字电路及其特点：1模拟信号：凡是在时间上和数值上都是连续变化的信号。例如：随声音、温度、压力等物理量作连续变化的电压或电流。2数字信号：凡在数值上或时间上都是离散的信号。数字信号常用二值量来表示。例如：光电计数器画图较好说明。3模拟电路：处理模拟信号的电路。例如：交流和直流信号的放大电路。4数字电路：处理数字信号的电路。例如：脉冲信号的产生、放大、整形、传递、控制、记忆、计数等电路。5数字电路的特点：（1）半导体管多数工作在开关状态，即不是工作在饱和区，就是工作在截止区，而放大区只是其过渡状态。（2）数字电路的研究对象是电路的输入和输出之间的逻辑关系，因而不能彩模拟电路的分析方法。分析数字电路的工具是逻辑代数，表达电路的功能主要用真值表。逻辑函数表达式及波形图等。二、数制和码1十进制数基数：09 权：10计数规律：逢十进一。2二进制数基数：0、1 权：2计数规律：逢二进一。3BCD码在数字系统中，各种文字、符号等特定的信息，也往往采用一定位数的二进制码来表示，通常把这种二进制码称为代码。BCD码是用四位二进制数组成一组代码，表示一位十进制码。基数：0、1 权：8、4、2、1复习提问1什么叫数字电路？它与模拟电路有何区别。2“与”逻辑的含义是什么？它的逻辑表达方式有哪几种？新授内容10.2逻辑门电路10.2.1与逻辑、与门电路一、为什么叫门电路数字电路的基本部分是各种开关电路。这些电路像门一样依一定的条件“开”或“关”所以又称为“门”电路。二、逻辑的含义：1逻辑：思维的规律，合乎逻辑。2逻辑：客观的规律性。3逻辑学：研究思维的形式和规律的科学。4一般，门电路有一个输出端，但有多个输入端。而且输出端的状态是由输入端状态决定的。如果将门电路的输入状态称为“因”，输出端的状态称为“果”，则输入端和输出端状态间有一定的逻辑关系。通常用“逻辑”这个词表示因果的规律性。 简而言之，表示输入端和输出端状态的规律性。三、基本的逻辑门电路是指逻辑“与”“或”“非”三种电路四、关系逻辑电路的几个规定：1逻辑状态的表示方法：逻辑0和逻辑1注：不是表示数字的大小。而是表示两种对立的状态。2有关系低电平的规定（1）高、低电平就是指电位的高低。（2）高、低电平不是一个固定数值，是一个固定范围。（3）高电平的下限值和低电平的上限值，称为标准高电平VSH和标准低电平VSL。3正负逻辑的规定：正逻辑体制：1表示高电平，0表示低电平。五、与门电路（一）概述：1逻辑关系：与逻辑2具有与逻辑关系的电路：与门电路。（二）什么叫与逻辑： 决定一件事情的几个条件全部具备之后，这件事情才能发生，否则不发生。（三）与门电路工作原理：1输入为1（即高电平）为0（即是指低电平）2输入全为1则输出全为1。 即输入全为高电平，V1、V2都导通，输出为高电平全1出1；若输入端有一个低电平，V1、V2也都导通只不过输出是低电平有0出0。 有0出0，全1出1。3用逻辑代数表示与逻辑关系列函数表述式：Y=AB（Y=AB、）含义：A、B全为1时，Y才为1。注意一个为0时，则Y就为0。4真值表： 将逻辑门电路所有输入状态和输出状态用一张表格表达出来，这样的表格叫真值表。ABY=AB000010100111 A有0、1两种状态，B也有0、1两种状态，故A和B共有4种组合，输入有四种，则输出亦有四种，列出表格。5逻辑符号：课堂小结 掌握数字电路与模拟电路的区别，以及数字电路的特点，掌握“与”逻辑的含义，逻辑表达的方式有哪几种。布置作业P书163页：11-1、11-2复习提问1什么叫数字电路？它与模拟电路有何区别。2“与”逻辑的含义是什么？它的逻辑表达方式有哪几种？新授内容10.2. 2或逻辑、或门电路一、逻辑或的含义： 决定事件的各个条件中，只要有一个条件得到满足，这件事情就会发生。（逻辑加）举例说明：以灯泡的亮暗表示。二、或门电路及原理：1电路形式即输入有一个为高电平时，V1、V2就导通，输出为高电平有1出1；若输入端都为低电平时，V1、V2才截止，输出是低电平全0出0。 全0出0，有1出1。2真值表： ABY=AB00101110111031逻辑符号：4或逻辑表达式：0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=1 5写逻辑函数表达式。 Y=A+B练习：逻辑电路的输入波形图如图所示，试画出逻辑电路输出端的波形。10.2.3非门逻辑、非门电路一、什么叫非逻辑： 事情（输出信号）和条件（输入信号）总是相反状态。二、非门电路工作原理：1电路形式：由三极管组成的非电路。2所谓非，就是否定。即输入为1（高电平），输出为0低电平有1出0；若输入端为0（低电平），输出是1高电平有0出1。 有0出1，有1出0。3真值表：BY0110 14逻辑符号：5用逻辑代数表示非逻辑关系列函数表述式： 读作：Y等于A非。计算： 课堂小结 掌握“或”、“非”逻辑的含义及其逻辑表达的方式。布置作业P书132页： 10-4实验：基本门电路的逻辑功能及应用一、实习目的熟悉基本与门、或门、非门电路逻辑功能。二、实验器材1直流稳压电源2二极管1N40072个3电阻3004开关2个5各色连接导线若干6发光二极管1个三、实习内容及步骤（一）二极管“与”门电路1按图1所示的连线图，把二极管、电阻、发光二极管、开关在面板上连接成一个二极管“与”门电路。2把调节好的直流稳压电源+5V输出，接入连接好的电路。3把开关S1、S2分别处于0、1状态。对照真值表要求写出输出端的逻辑关系。根据真值表验证逻辑关系Y=AB真值表ABY=AB000010100111（二）二极管“或”门电路1按“或”门的逻辑功能设计二极管或门电路。2把调节好的直流稳压电源+5V输出，接入连接好的电路。3把开关S1、S2分别处于0、1状态。对照真值表要求验证输出端的逻辑关系。Y=A+B真值表 ABY=AB001011101110电路图（三）三极管“非”门电路按线路图接通电源，开关S状态按表中所列要求设置，对照每次输出端Y逻辑关系，根据真值表验证逻辑关系。（说明：开关闭合为“1”，开关断开为“0”）真值表BY0110 电路图：布置作业：写一份实验报告复习提问1分别请同学上黑板写出“与”门、“非”门、”门的逻辑表达式、逻辑符号。2说出“与”门、“或”门、“非”门的逻辑功能。新课导入 实际应用中常把与门、或门和非门组合起来使用，称为组合逻辑门电路。新授内容10.2.4复合门电路一、与非门1如何构成与非门电路？在与门的后面接一个非门就构成与非门。1A YB2如何研究与非门的逻辑功能？ 直值表 ABABY=00010101100111103逻辑功能：有0出1，全1出0。4逻辑符号： A B Y练习：74LS00的引脚排列图。试问它是什么样的集成电路，并试述各引脚的功能。二、或非门1如何构成与非门电路？在或门的后面接一个非门就构成或非门。11A YB2逻辑表达式： Y= 3列直值表 ABA+BY=00010110101011104逻辑功能：全0出1，有1出0。15逻辑符号： A B Y三、与或非门1电路构成 先与后或再非11 Y2逻辑表达式： Y= 3列直值表 ABCDABCDAB+CDY=000000000001000100100001001101100100000101010001011000010111011010000001100100011010000110110110110010101101101011101010111111104逻辑功能：当输入端中任何一组全为1时，输出即为0， 只有各组输入都至少有一个为0时，输出才为1。课堂小结1组合逻辑门电路的逻辑符号。2组合逻辑门电路的特点。布置作业P163书：10-5复习提问1什么叫组合逻辑门电路？2常见的简单组合门电路有哪些？3分析组合门电路的步骤。新课导入 由基本门电路（在不加反馈的情况下）组成的逻辑电路称为组合逻辑电路。任何组合逻辑电路其输入和输出状态的逻辑关系可用逻辑函数式表示，反之，任何一个逻辑函数式，总可用组合逻辑电路与之对应。逻辑代数是研究和简化逻辑电路的数学工具。利用逻辑代数可以判定一个已知逻辑电路的功能或根据需要的逻辑功能去研究和简化一个相应的逻辑电路。新授内容10.4逻辑代数及其在逻辑电路中的应用一、逻辑代数概述逻辑变量：逻辑代数的变量在逻辑电路中，它的输入、输出状态相当于逻辑变量。二、逻辑函数式与组合逻辑电路逻辑变量用逻辑运算符号连接起来，就成为逻辑函数式。三、逻辑代数的基本定律：10、1、A的关系 2基本定律交换律： 结合律： 分配律： 互补律： 反演律（摩根定律）： 吸收律： 消去律：证明：3逻辑代数化简的方法并项法：利用的关系 例：吸收法：利用A+AB=A例：消去法：利用关系例：配项法：利用的关系注意：上式又叫“冗余项定律”例：证明下列各逻辑函数等式1证明：左= 左=右2证明：左=3证明：左=4证明：左=课堂小结1逻辑代数的基本定律。2逻辑代数法化简的常用方法。布置作业P电子线路163书：11-11（58）习题讲解一、证明下列各逻辑等式1解题思路：反演定律去掉非2思路点拔：并项法3思路点拔：（1）从右到左利用反演定律、 （2）从左到右硬凑法4思路点拔：利用配项法+吸收定理5思路：将AB添上去6法一、从左到右证：配项法二、从右到左证：反演7注：右边AD、BC故左边应将AD、BC结合8二、化简下列各式：123456三、在举重比赛中，若有A、B、C三名裁判，A为主裁判，当两名以上裁判C必须包括A在内，认为运动员上举杠铃合格，按动电钮，发出裁决合格信号，设计该组合电路。答案：Y=AC=AB=A（B+C）四、设计一个电路，某实验室有红、黄两个故障指示灯，用来表示三台设备的工作情况，当只有一台设备有故障时黄灯亮，若有两台设备同时产生故障时，红灯亮，只有三台设备都产生故障时，才会使红灯和黄灯均亮，设计一个控制灯亮的组合电路。布置作业：作业补充知识精讲1数字电路主要研究各部分单元电路之间的逻辑关系以及电路自身输出与输入之间的逻辑关系。所谓逻辑关系，是指事件的“条件”与“结果”之间存在的因果关系。逻辑是指事物的因果的规律。2数字信号只有两种可能：有信号或无信号。这反映在信号电平上也只有两种可能：高电平与低电平。即有信号时，电路输出高电平，无信号时，电路输出低电平，或者相反。数字电路只有两个可能的稳定状态：电路输出高电平或输出低电平，采用“0”和“1”两个符号。它们之间的关系如下：正逻辑时：“1”表示高电平；“0”表示低电平。负逻辑时：“1”表示低电平；“0”表示高电平。此时的“0”“1”已不再具有数的意义，而只是用来表示两个不同的稳定状态的符号，称为逻辑0和逻辑1。所以数字电路有时又被称为逻辑电路。3最基本的逻辑关系有与逻辑、或逻辑和非逻辑等三种。对应于三种基本逻辑关系有三种基本逻辑门电路，即与门电路、或门电路、非门电路。（1）与门电路逻辑函数式Y=AB逻辑功能：全1出1，有0出0。（2）或门电路逻辑函数式Y=A+B逻辑功能：全0出0，有1出1。（3）非门电路逻辑函数式Y=A逻辑功能：有0出1；有1出0。非就是反，就是否定；逻辑非就是对一个逻辑变量取“反”，即对这个变量从逻辑上予以否定。4二极管门电路的特点是结构十分简单，但使用时却存在很大缺点：二极管对输入信号没有放大作用，信号通过多级门电路时逐渐受到一定的衰减；二极管导通时由于具有一定的正向电压降，将使信号输出电压逐渐减小，以致最后由于信号电平太小而不能使负载正常工作。为了解决这个问题，在实际使用中，常在二极管门电路后面连接一级晶体管非门电路，构成复合的“与非”门、“或非”门等电路形式。由于反相器没有电平偏移，同时它带动负载能力又强，因此，与非门和或非门就成为应用很广、更加典型的门电路了。（1）与非门电路逻辑函数式Y=AB逻辑功能：全1出0，有0出1。（2）或非门电路逻辑函数式Y= 逻辑功能：全0出1，有1出0。（3）异或门电路逻辑函数式Y= （Y=）逻辑功能：当输入端信号不同时输出为1；否则输出为0。（4）同或门电路逻辑函数式Y= （Y=）逻辑功能：当输入端信号机同时输出为1；否则输出为0。5用逻辑符号表示的逻辑电路称为逻辑电路图，又称逻辑图。一个逻辑电路图的输入与输出之间的关系，可以用相应的逻辑函数式来描述。反之，一个逻辑函数式，也可以用相应的逻辑电路图来实现。分析组合逻辑电路的步骤如下：已知逻辑电路图写出逻辑函数式运用逻辑代数化简或变换列出真值表分析组合逻辑门电路的逻辑功能。6数字电路所使用的基本分析方法是逻辑代数或称布尔代数，它是分析与设计逻辑电路的数学工具。在逻辑代数中只有逻辑乘（与运算）、逻辑加（或运算）、逻辑非（非运算或求反运算）等三种基本运算。根据这三种基本运算可以推导出逻辑运算的一些法则。10、1、A的关系 2基本定律交换律： 结合律： 分配律： 互补律： 反演律（摩根定律）： 吸收律： 消去律：7数字集成电路按器件的种类可分普通晶体管集成电路和场效应管型数字集成电路两大类。使用时应注意外引线的功能和位置。复习提问1分别请同学上黑板写出“与非”门、“或非”门电路的逻辑表达式、逻辑符号。2说出“与非”门、“或非”门的逻辑功能。新课导入 与、或、非等等基本逻辑门电路功能比较简单，实用中常将与、或、非等基本逻辑门电路组合起来，以实现各种复杂的逻辑功能，这种逻辑电路的输出仅取决于该时刻的输入信号的组合，称之为组合逻辑门电路。新授内容11.1异或门电路一逻辑电路逻辑电路是由四个与非门组合而成的。方法：从输出端到输入端（或从输入端到输出端）逐级依次写出各门电路的逻辑表达式即可。Y= （Y=）二列直值表 ABY000011101110三逻辑表达功能：当两个输入端的状态相同时，输出为0， 当两个输入端状态不同时，输出为1。四、逻辑符号：=1五集成电路74LS86 2输入四异或门的引脚排列图六、课堂练习：分析电路的逻辑功能。11.2同或门电路（反过来推出并由此给同学引入设计的想法）一、逻辑表达功能：当两个输入端的状态相同时，输出为1，当两个输入端状态不同时，输出为0。二列直值表 ABY000011101110三、写出逻辑表达式Y=相同为1，相异0四、逻辑符号：= A B Y五、画出逻辑电路图。课堂练习：图所示为单刀双掷开关，它控制同一灯。试列出真值表、写出逻辑表达式。课堂小结1 同或门、异或门的逻辑符号与逻辑功能。布置作业140页：11-1、11-2 复习提问1什么是同或门电路2什么是异或门电路。新课导入在数字系统中,除了逻辑运算外，还有数值运算，加法是最基本的运算。完成加法运算的基本电路有半加器和全加器新授内容11.3加法器一、 半加器：1概念：不带低位向高位进位的两个一位二进制数相加的运算器称为半加器。2电路的分析（1）两个一位二进制数相加的结果见真值表。表中S是本位的和。C是向高位的进位（2）真值表ABSC0000011110111100（3）逻辑表达式：C=ABS= （Y=）（4）电路图：由一个异或门和一个与门电路组合而成。3半加器的图形符号：式中是加法器的总限定符号。CO为进位输出限定符号。二、全加器：1概念：考虑低位向本位进位后的加法器称为半加器。2电路的分析（1）一位全加器的计算结果见真值表。ABCi-1CiSi0000000101010010111010001101101101011111表中A是被加数，B是加数，Ci-1是低位向本位的进位；Ci是向高位的进位，Si是和。3全加器的图形符号：式中是加法器的总限定符号。CI是进位输入限定符号；CO为进位输出限定符号。474LS183是全加器的集成块例：书P135页用集成块构成的四位二进进制加法器。 课堂小结：半加器、全加器布置作业：P177书11-2新课导入： 译码器能把二进制代码转换成特定意义的输出信息，用以控制其他部件工作。按输出端的功能不同，译码器可分为通用译码器和显示译码器。新授内容：11.4译码器 一、通用译码器通用译码器能将给定的输入二进制数码“翻译”成相应的状态。1分类：通用译码器有2线4线译码器、3线8线译码器、4线16线译码器、4线10线译码器等多种型号。2通用译码器工作原理：输入端ABC是二进制代码，输出端Y0Y7是对应于输入二进制代码的输出信号。每输入一组二进制代码只有一个输出端有信号输出。可见输出端的状态是由输入二进制码ABC决定的。74LS138的3线8线译码器：图中BIN/OCT是3线8线译码器的总限定符号，输出阻抗的不圆圈表示输出低电平有效。S是使能端（又称选通端），SA没有小圆圈表示输入高电平有效，SB、SC有小圆圈表示输入低电平有效。当SA为1，SB、SC为0时，译码器处于工作译码状态；否则处于禁止状态，此时译码器输出端Y0Y7均为1，无输出。3线8线译码器的输出是低电平有效。当输入二进制代码ABC为011，则译码器处于工作译码状态，此时的Y3端为0（有效输出）。3译码器的图形符号：二、通用译码器的应用译码器是组合电路中用途最广泛的一种器件，如组成存储器地址译码器（片选信号）、扩展成更多线的译码器，组成一线或多线数据分配器、脉冲分配器和逻辑函数发生器等。例：数据分配器：数字系统中，往往要求把总线传输的数据（信息）按要求分配到指定接收装置对应通道，它要求有一个输入端（数据D输入），多个数据输出端。这时可用译码器输入端（作为地址码）译出数据有效输出端。（a）图为输出反码，（b）图输出原码。例：让数据从Y3送出，只要A2A1A0为011，Y3即被选中，按图b接线，则D为0，Y3为0；D为1，Y3为1，Y3端输出数据变化与D一致；按a图接线，Y3端输出数据变化与D相反。课堂小结：1通用译码器的分类2通用译码器的工作原理3通用译码器的应用布置作业：P14011-8 新课导入： 数字系统中常用的各种数字集成电路，根据原理可分为两大类，即组合逻辑电路和时序逻辑电路。在数字统计系统中及数字式测量仪表中，常需要把计数器输出的状态，翻译为人们习惯的十进制数码的字形，直观地显示出来。新授内容：11.5译码、显示电路 一、译码显示电路方框图计数器译码器驱动器显示器1计数器的作用：计数并输出二进制代码2译码器、驱动器、显示器的作用：显示出对应的十进制数字二、七段数码显示器1分段式数码显示器，是由多根能够各自独立发光的线段，按照一定的方式组合构成的。2七段显示组合与数字对照表数段abcdefg0HHHHHHL1LHHLLLL2HHLHHLH3HHHHLLH4LHHLLHH5HLHHLHH6HLHHHHH7HHHLLLL8HHHHHHH9HHHHLHH3分段数码显示器从结构特点上区分：有荧光数码管、半导体数码管及液晶显示器等。4LED数码管：半导体数码管又称LED数码管，有共阳极型和共阴极型两种。BS204：是共阳极型七段数码管BS205：是共阴极型七段七段数码管共引脚接法BS204接+5BS205接地半导体数码管的优点是：亮度高，字形清晰，工作电压低（1.53V）体积小，可靠性高，寿命长，晌应速度极快。三、分段显示译码电路1译码：将代码按照它的原意翻译成相对应输出信号的过程。2译码器：实现译码功能的电路叫译码器。译码器的输入逻辑变量是二进制代码。输出是表示代码特定含义的信号。3译码器输入输出关系：详见表13.4.24T337功能表学生自学表中指任意电平，0指低电平，1指高电平。IB为消隐输入端，当IB=0时，显示器七段同时熄来，译码器工作时IB=1，VCC取4.55.5V，通常取5V。四、计数译码显示电路的组合。课堂小结：1七段数码显示器2分段显示译码电路3显示电路的组合布置作业：P13-8、13-9实验：计数、译码和显示电路一、实习目的熟悉十进制计数器、七段译码和显示器的连接并检验显示功能。二、实验器材1直流稳压电源2低频信号发生器3面包板474LS247 SN7490A（二五十进制计数器）、 74LS290 SN7449（七段字形译码器）、 546R BS205（共阴极七段数码管）各两块5各色连接导线若干6集成电路起拔器三、实习内容及步骤1按第十三章图所示的连线图，把74LS247(SN7490A)、74LS290（SN7449）、546R（BS205）在面板上连接成一组一位十进制计数译码显示电路。2把调节好的直流稳压电源+5V输出，接入连接好的电路。3将低频信号发生器输出的低频矩形波输入74LS247（SN7490A）的CP1端，观察546R（BS205）数字显示情况。4按照同样的连接方法再接一组一位十进制计数译码显示电路，并与前面的一组连成一个二位十进制计数译码显示器后，输入计数脉冲观察计数显示情况。利用复位法接成的六进制计数器574LS190是十进制计数器有效状态转换图如下：0000000100100011010010011000011101100101利用0110状态的Q0Q1为“1”，使R01R02为1，计数器立即置0，返回0000状态用此方法可以构成其它进制的计数器CPA为单次脉冲。四、实验报告要求（1）记录实验过程、步骤及观察结果。（2）结合理论知识对实习内容及观察结果进行综合分析。（3）记录实习过程中的出错、故障现象及解决方法。知识精讲一、功率放大器OCL电路乙类推挽放大情况下，电源轮流供给两个晶体管的电流，其波形为两介半波的叠加。效率为78%，为减少交越失真，可采用甲乙类推挽功率放大电路