杭州端德教育硬件工程师课程基础单元概述4

杭州端德教育 硬件工程师培训 plc 硬件设计培训 fpga 硬件设计培训 杭州端德教育硬件工程师课程基础单元概述 4 概述概述 作为一名合格的电子硬件工程师 数子电路设计和模拟电路设计是基础 必须要掌握 FPGA 是电子专业的一个小小的方向 其实是大部分的电子工程师都要掌握的技能 FPGA 作为载体 并且与 FPGA 相连接的外围电路 不仅要涉及模拟电路的知识 数字电路将占 很重要的部分 前面的课程我们对基础的模拟电路做了简单介绍 包括基本三极管放大电路设计 集 成运放电路设计 以及电源电路设计 接下来 我们将对数字电路中的进制转换以及一些 编码方式和简单门电路做介绍 1 数制及数制的转换数制及数制的转换 1 1 数制数制 1 1 1 什么是进位计数制什么是进位计数制 数制也称计数制 是指用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法 按进位的原 则进行计数的方法 称为进位计数制 比如 在十进位计数制中 是按照 逢十进一 的原则进 行计数的 常用进位计数制 a 十位制 Decimal notation b 二进制 Binary notation c 八进制 Octal notation d 十六进制数 Hexdecimal notation 1 1 2 进位计数制的基数与位权进位计数制的基数与位权 基数 和 位权 是进位计数制的两个要素 1 基数 所谓基数 就是进位计数制的每位数上可能有的数码的个数 例如 十进 制数每位上的数码 有 0 1 3 9 十个数码 所以基数为 10 杭州端德教育 硬件工程师培训 plc 硬件设计培训 fpga 硬件设计培训 2 位权 所谓位权 是指一个数值的每一位上的数字的权值的大小 例如十进制数 4567 从低位到高位的位权分别为 100 101 102 103 因为 4567 4x103 5x 102 6x 101 7x100 3 数的位权表示 任何一种数制的数都可以表示成按位权展开的多项式之和 比如 十进制数的 435 05 可表示为 435 05 4x102 3x 101 5x100 0 x10 1 5x 10 2 位权表示法的特点是 每一项 某位上的数字 X 基数的若干幂次 而幂次的大小由该 数字所在的位置决定 1 1 3 二进制数二进制数 计算机中为何采用二进制 二进制运算简单 电路简单可靠 逻辑性强 定义 按 逢二进一 的原则进行计数 称为二进制数 即每位上计满 2 时 向高位进 一 特点 每个数的数位上只能是 0 0 两个数字 二进制数中最大数字是 1 最小数字是 0 基数为 2 比如 10011010 与 00101011 是两个二进制数 二进制数的位权表示 1101 101 2 1x23 1x 22 0 x 21 1x 20 1x2 1 0 x 2 2 1x2 3 1 1 4 八进制数八进制数 定义 按 逢八进一 的原则进行计数 称为八进制数 即每位上计满 8 时向高位进一 特点 每个数的数位上只能是 0 1 2 3 4 5 6 7 八个数字 八进制数中最大数字是 7 最小数字是 0 基数为 8 比如 1347 8 与 62435 8 是两 个八进制数 八进制数的位权表示 107 13 8 1x 82 0 x 81 7x 80 1x8 1 3x 8 2 1 1 5 十六进制数十六进制数 定义 按 逢十六进一 的原则进行计数 称为十六进制数 即每位上计满 16 时向高位 杭州端德教育 硬件工程师培训 plc 硬件设计培训 fpga 硬件设计培训 进一 特点 每个数的数位上只能是 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 十六个数码 十六进制数中最大数字是 F 即 15 最小数字是 0 基数为 16 比如 109 16 与 2FDE 16 是两个十六进制数 十六进制数的位权表示 109 13 16 1x 162 0 x161 9x 160 1x16 1 3x 16 2 2FDE 16 2x 163 15x 162 13x 161 14x 160 1 1 6 常用计数制间的对应关系常用计数制间的对应关系 十进制二进制八进制十六进制 0000 1111 21022 410044 81000108 10101012A 15111117F 16100002010 1 1 7 数制间的转换数制间的转换 1 十进制整数转换成非十进制整数 a 为什么要进行数制间的转换 将数由一种数制转换成另一种数制称为数制间的转换 因为日常生活中经常使用的是 十进制数 而在计算机中采用的是二进制数 所以在使用计算机时就必须把输入的十进制 数换算成计算机所能够接受的二进制数 计算机在运行结束后 再把二进制数换算成人们 所习惯的十进制数输出 这两个换算过程完全由计算机自动完成 b 转换方法十进制整数 化为非十进制整数采用 余数法 即除基数取余数 把十进制整数逐次用任意十制数的基 数去除 一直到商是 0 为止 然后将所得到的余数由下而上排列即可 杭州端德教育 硬件工程师培训 plc 硬件设计培训 fpga 硬件设计培训 2 十进制小数转换成非十进制小数转换方法 十进制小数转换成非十进制小数采用 进位法 即乘基数取整数 把十进制小数不断 的用其它进制的基数去乘 直到小数的当前值等于 0 或满足所要求的精度为止 最后所得 到的积的整数部分由上而下排列即为所求 2 非十进制数转换成十进制数 非十进制数转换成十进制数 转换方法 非十进制数转换成十制数采用 位权法 即把各非十进制数按位权展开 然 后求和 1 2 二 八 十进制数之间转换二 八 十进制数之间转换 1 2 1 二进制二进制 数与八进制数之间的转换转换方法数与八进制数之间的转换转换方法 a 把二进制数转换为八进制数时 按 三位并一位 的方法进行 以小数点为界 将整数部分从右向左每三位一组 最高位不足三位时 添 0 补足三位 小 数部分从左向右 每三位一组 最低有效位不足三位时 添 0 补足三位 然后 将各组的 三位二进制数按权展开后相加 得到一位八进制数 b 将八进制数转换成二进数时 采用 一位拆三位 的方法进行 即把八进制数每位上 的数用相应的三位二进制数表示 1 2 2 二进制数与十六进制数之间的转换转换方法二进制数与十六进制数之间的转换转换方法 a 把二进制数转换为十六进制数时 按 四位并一位 的方法进行 以小数点为界 将 整数部分从右向左每四位一组 最高位不足四位时 添 0 补足四位 小数部分从左向右 每四位一组最低有效位不足四位时 添 0 补足四位 然后 将各组的四位二进制数按权展 开后相加 得到一位十六进制数 b 将十六进制数转换成二进数时 采用 一位拆四位 的方法进行 即把十六进制数每 位上的数用相应的四位二进制数表示 1 3 计算机中数的表示计算机中数的表示 计算机既可以处理数字信息和文字信息 也可以处理图形 声音 图像等信息 然而 杭州端德教育 硬件工程师培训 plc 硬件设计培训 fpga 硬件设计培训 由于计算机中采用二进制 所以这些信息在计算机内部必须以二进制编码的形式表示 也 就是说 一切输入到计算机中的数据都是由 0 和 1 两个数字进行 组合的 问题 这些数值 文字 字符或图形是如何用二进制编码进行组合呢 1 3 1 机器数与真值机器数与真值 a 机器数数学中正数与负数是用该数的绝对值 加上正 负符号来表示 由于计算机 中无论是数值还是数的符号 都只能用 0 和 1 来表示 所以计算机中 为了表示正 负数 把一个数的最高位作为符号位 0 表示正数 1 表示负数 比如 如果用八个二进制位表 示一个十进制数 则正的 36 和负的 36 可表示为 36 00100100 36 10100100 这种连同符号位一起数字化了的数称为机器数 b 真值由机器数所表示的实际值称为真值 比如 机器数 00101011 的真值为 十进 制的 43 或二进制的 0101011 机器数 1010011 的真值为 十进制的 43 或二进制的 0101011 1 3 2 机器数的表示方法机器数的表示方法 a 原码 1 定义 正数的符号位用 0 表示 负数的符号位用 1 表示 数值部分用二进制形式表 示 称为该数的原码 比如 则 X 81 X 原 0 1010001 Y 81 Y 原 1 1010001 2 用原码表示一个数简单 直观 方便 但不能用它对两个同号数相减或两个异号数 相加 比如 将十进制数 36 与 45 的原码直接相加 X 36 X 原 00100100 Y 45 Y 原 10101101 而 0 0 1 0 0 1 0 0 36 10 1 0 1 0 1 1 0 1 45 10 1 1 0 1 0 0 0 1 81 10 这显然是不对的 b 反码 定义 正数的反码和原码相同 负数的反码是对该数的原码除符号位外各位取反 即 0 变 1 1 变 0 杭州端德教育 硬件工程师培训 plc 硬件设计培训 fpga 硬件设计培训 例如 X 81 Y 81 X 原 0 1010001 X 反 0 1010001 Y 原 1 1010001 Y 反 1 0101110 c 补码 1 定义 正数的补码与原码相同 负数的补码是对该数的原码除符号外各位取反 然 后加 1 即反码加 1 比如 X 81 Y 81 X 原 X 反 X 补 01010001 Y 原 11010001 Y 反 10101110 Y 补 10101111 2 计算机中 加减法基本上都采用补码进行运算 并且加减法运算都可以用加法来实 现 比如 计算十进制数 36 45 可 写成 36 45 即 36 10 45 10 36 10 45 10 36 原 36 反 36 补 00100100 45 原 10101101 45 反 11010010 45 补 11010011 而 0 0 1 0 0 1 0 0 36 10 1 1 0 1 0 0 1 1 45 101 1 1 1 0 1 1 1 9 10 结 果正确 1 4 字符编码字符编码 所谓字符编码就是规定用怎样的二进制编码来表示文字和符号 它主要有以下几种 1 BCD 码 二 十进制码 2 ASCII 码 3 汉字编码 把十进制数的每一位分别写成 二进制数形式的编码 称为二 十进制编码或 BCD 编码 BCD 编码方法很多 但常用的是 8421 编码 它采用 4 位二进制数表示 1 位十进制数 即每一位十进制数用四位二进制表示 这 4 位二进制数各位权由高到低分别是 23 22 21 20 即 8 4 2 1 这种编码最自然 最简单 且书写方便 直观 易于识别 比如 十进制数 1998 的 8421 码为 0001 1001 1001 1000 十进制 1 9 9 8 8421 码 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 位权 8 4 2 1 8 4 2 1 8 4 2 1 8 4 2 1 思考 1 一个十进数的 BCD 码如何转换成十进制数 杭州端德教育 硬件工程师培训 plc 硬件设计培训 fpga 硬件设计培训 2 一个十进制数的 BCD 码是该数的 二进制数吗 3 一个十进制数的 BCD 码与二进制数之间如何相互转换 1 4 1ASCII 码码 ASCII 码是计算机系统中使用得最广泛的一种编码 读作阿斯克伊码 ASCII 码虽然 是美国国家标准 但它已被国际标准化组织 ISO 认定为国际标准 ASCII 码已为世界公 认 并在世界范围内通用 ASCII 码有 7 位版本和 8 位版本两种 国际上通用的是 7 位版 本 7 位版本的 ASCII 码有 128 个元素 其中通用控制字符 34 个 阿拉伯数字 10 个 大 小写英文字母 52 个 各种标点符号和运算符号 32 个 A 的 ASCII 码值为 1000001 即十进制的 65 a 的 ASCII 码值为 1100001 即 十进制的 97 0 的 ASCII 码值为 0110000 即十进制的 48 1 4 2 汉字编码汉字编码 我国用户在使用计算机进行信息处理时 都要用到汉字 汉字的输入 输出以及汉字 处理 这就需要对汉字进行编码 通常汉字有两种编码 国标码和机内码 国标码 计算机处理汉字所用的编码标准是我国于 1980 年颁布的国家标准 GB2312 80 是国家规定的用于汉字编码的依据 简称国标码 国标码规定 用两个字节表示一个 汉字字符 在国标码中共收录汉字和图形符号 7445 个 国标码本身也是一种汉字输入码 通常称为区位输入法 机内码 机内码是指在计算机中表示一个汉字的编码 机内码是一种机器内部的编码 其主要作用是作为汉字信息交换码使用 将不同系统使用的不同编码统一转换成国标码 使不同的系统之间的汉字信息进行交换 正是由于机内码的存在 输入汉字时就允许用户 根据自己的习惯使用不同的汉字输入法 比如 五笔字型 自然码 智能拼音等 进入系 统后再统一转换成机内码存储 2 逻辑门电路逻辑门电路 2 1 概述概述 杭州端德教育 硬件工程师培训 plc 硬件设计培训 fpga 硬件设计培训 逻辑门电路 用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路 简称门电路 用逻辑 1 和 0 分别来表示电子电路中的高 低电平的逻辑赋值方式 称为正逻辑 目前在数字技术中 大都采用正逻辑工作 若用低 高电平来表示 则称为负逻辑 本课程采用正逻辑 获得 高 低电平的基本方法 利用半导体开关元件的导通 截止 即开 关 两种工作状态 在数字集成电路的发展过程中 同时存在着两种类型器件的发展 一种是由三极管组 成的双极型集成电路 例如晶体管 晶体管逻辑电路 简称 TTL 电路 及射极耦合逻辑电 路 简称 ECL 电路 另一种是由 MOS 管组成的单极型集成电路 例如 N MOS 逻辑电路 和互补 MOS 简称 COMS 逻辑电路 2 2 分立元件门电路分立元件门电路 2 2 1 二极管的开关特性二极管的开关特性 2 2 2 三极管的开关特性三极管的开关特性 NPN 型三极管截止 放大 饱和 3 种工作状态的特点 工作状态截 止 放 大 饱 和 条 件iB 00 iB IBS iB IB S 杭州端德教育 硬件工程师培训 plc 硬件设计培训 fpga 硬件设计培训 偏置情 况 发射结 反偏 集电结 反偏 uBE 0 uBC0 uBC0 uBC 0 集电极 电流 iC 0iC iB iC IC S ce 间电 压 uCE V CC uCE VCC iCRc uCE UCES 0 3 V ce 间等 效电阻 很大 相当开 关断开 可变 很小 相当开 关闭合 2 2 4 二极管门电路二极管门电路 1 二极管与门 二极管与门 杭州端德教育 硬件工程师培训 plc 硬件设计培训 fpga 硬件设计培训 2 二极管或门 二极管或门 2 2 4 三极管非门 2 2 5 组合逻辑门电路组合逻辑门电路 1 与非门电路 与非门电路 uA uB u Y D1 D2 0V 0V 0V 5V 5V 0V 5V 5V 0 V 4 3V 4 3V 4 3V 截止 截止 截止 导通 导通 截止 导通 导通 杭州端德教育 硬件工程师培训 plc 硬件设计培训 fpga 硬件设计培训 2 或非门电路 2 3 正负逻辑问题正负逻辑问题 2 3 1 正负逻辑的规定正负逻辑的规定 在逻辑电路中 输入和输出一般都用电平来表示 若用 H 和 L 分别表示高 低电平 则门电路的功能可用下表所示的电平表来描述 但是 这个门体现了什么逻辑关系尚不清楚 因为还未确切说明电平与逻辑状态之间 的隶属关系 这种关系可由人们任意地加以规定 如令 H l L 0 则称之为正逻辑体制 于是很容易由上表导出下表 显然 后者表示 正逻辑与非门的真值表 与此相反 若令 H 0 L 1 则称之为负 逻辑体制 据此 由本例可得出负逻辑或非门的真值表 如下表所示 杭州端德教育 硬件工程师培训 plc 硬件设计培训 fpga 硬件设计培训 对于同一电路 可以采用正逻辑 也可以采用负逻辑 正逻辑和负逻辑两种体制不牵 涉到逻辑电路本身的结构问题 但根据所选正负逻辑的不同 即使同一电路也具有不同的 逻辑功能 本书如无特殊说明 一律采用正逻辑 即规定高电平为逻辑 1 低电平为逻辑 0 2 3 2 正负逻辑的等效变换正负逻辑的等效变换 一般用正逻辑函数描述电路 在过渡到负逻辑时 只需按下列方式互换各种运算 2 4 逻辑门电路使用中的几个实际问题逻辑门电路使用中的几个实际问题 以上讨论了几种逻辑门电路特别是重点地讨论了 TTL 和 CMOS 两种电路 在具体的 应用中可以根据要求来选用何种器件 器件的主要技术参数有传输延迟时间 功耗 噪声 容限 带负载能力等 据此可以正确地选用一种器件或两种器件混用 下面对几个实际问 题 如不同门电路之间的接口技术 门电路与负载之间的匹配等进行讨论 2 4 1 各种门电路之间的接口问题各种门电路之间的接口问题 在数字电路或系统的设计中 往往由于工作速度或者功耗指标的要求 需要采用多种 逻辑器件混合使用 例如 TTL 和 CMOS 两种器件都要使用 由前面几节的讨论已知 每种器件的电压和电流参数各不相同 因而需要采用接口电路 一般需要考虑下面三个条 件 1 驱动器件必须能对负载器件提供灌电流最大值 2 驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流 3 驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围 包括高 低电压值 杭州端德教育 硬件工程师培训 plc 硬件设计培训 fpga 硬件设计培训 其中条件 和 属于门电路的扇出数问题 已在第四节作过详细的分析 条件 属 于电压兼容性的问题 其余如噪声容限 输入和输出电容以及开关速度等参数在某些设计 中也必须予以考虑 下面分别就 CMOS 门驱动 TTL 门或者相反的两种情况的接口问题进 行分析 1 CMOS 门驱动 TTL 门 在这种情况下 只要两者的电压参数兼容 不需另加接口电路 仅按电流大小计算出 扇出数即可 下图表示 CMOS 门驱动 TTL 门的简单电路 当 CMOS 门的输出为高电平时 它为 TTL 负载提供拉电流 反之则提供灌电流 2 TTL 门驱动 CMOS 门 此时 TTL 为驱动器件 CMOS 为负载器件 由手册可知 当 TTL 输入为低电平时 它的输出电压参数与 CMOS HC 的输入电压参数是不兼容的 例如 LSTTL Low power Schottky TTL 的 VOH min 为 2 7V 而 HC CMOS 的 VIH min 为 3 5V 为了克服这一矛盾 用上拉 电阻 Rp 接到 VDD 可将 TTL 的输出高电平电压升到约 5V 上拉电阻的值取决于负载器件 的数目以及 TTL 和 CMOS 的电流参数 当 TTL 驱动 CMOS HCT High speed CMOS Logic 时 由于电压参数兼容 不需 另加接口电路 基于这一情况 在数字电路设计中 也常用 CMOS HCT 当作接口器 件 以免除上拉电阻 2 6 2 门电路带负载时的接口电路门电路带负载时的接口电路 杭州端德教育 硬件工程师培训 plc 硬件设计培训 fpga 硬件设计培训 1 用门电路直接驱动显示器件 在数字电路中 往往需要用发光二极管来显示信息的传输 如简单的逻辑器件的状态 七段数码显示 图形符号显示等 在每种情况下均需接口电路将数字信息转换为模拟信息 显示 下图 a 表示 CMOS 反相器 74HC04 驱动一发光二极管 LED 电路中串接了一限流电阻 R 以保护 LED 限流电阻的大小可分别按下面两种情况来计算 当图中门电路的输入为低 电平时 输出为高电平 于是 反之 当 LED 接人电路的情况如上图 b 所示时 门电路的输入信号应为高电平 输出为低电平 故有 以上两式中 ID LED 的电流 VF LED 的正向压降 VOH 和 VOL 为门电路 的输出高 低电平电压 常取典型值 2 机电性负载接口 在工程实践中 往往会遇到用各种数字电路以控制机电性系统的功能 如控制电动机 的位置和转速 继电器的接通与断开 流体系统中的阀门的开通和关闭 自动生产线中的 机械手多参数控制等 下面以继电器的接口电路为例来说明 在继电器的应用中 继电器 本身有额定的电压和电流参数 一般情况下 需用运算放大器以提升到必须的数一模电压 和电流接口值 对于小型继