电子技术基础(数字部分_第五版_康华光)华中科大课件_第一章(1).ppt

数字电子技术基础,序课程介绍,1.课程的性质,3.课程研究内容,5.教材和参考书,4.课程特点与学习方法,6.考核,2.教学目标,数字电子技术基础课程是电气信息类专业具入门性质的重要的专业基础课。,1.课程性质,获得适应信息时代的数字电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能。培养分析和解决实际问题的能力，为以后深入学习数字电子技术及其相关学科和专业打好以下两方面的基础:,2.课程目标,1、正确分析、设计数字电路，特别是集成电路的基础；,2、为进一步学习设计专用集成电路(ASIC)的基础。,数字信号传输、变换、产生等。内容涉及相关器件、功能电路及系统。,硬件处理数字信号的电子电路及其逻辑功能数字电路的分析方法数字电路的设计方法各种典型器件在电子系统中的应用,软件系统分析、设计的软件工具ABEL、VHDL、VerlogHDL、EDA工具软件QuartusII等,3.课程研究内容,a、发展快,b、应用广,(2)学习方法,打好基础、,关注发展、,主动更新、,注重实践,(1)课程特点,摩尔定律:集成度按10倍/6年的速度发展。,c、工程实践性强,4.课程特点与学习方法,该发展速度还将持续到2015或2020年，此后将达到饱和。,基本电路：设计方法相同，电路形式多样。,a、掌握基本概念、基本电路和基本分析、设计方法,基本概念：以不变应万变的基础,基本分析方法：不同类型的电路有不同的结构特征和不同的描述方法，分析方法和设计方法。,b、能独立的应用所学的知识去分析和解决数字电路的实际问题的能力。,阎石主编数字电子技术基础第四版高等教育出版社,5.主要教材及参考书,康华光主编电子技术基础数字部分(第五版)高等教育出版社,阎石主编帮你学数字电子技术基础释疑、解题、考试高等教育出版社,课程学习网址:211.69.206.98/dzjsjc,秦臻主编电子技术基础数字部分重点难点解题指导考研指南高等教育出版社,罗杰主编电子技术基础数字部分(第五版)习题全解高等教育出版社,答疑时间待定,1.数字逻辑基础,1.1.1数字技术的发展及其应用,1.1.2数字集成电路的分类及特点,1.1.3模拟信号与数字信号,1.1.4数字信号的描述方法,5、掌握基本逻辑运算及逻辑函数的表示方法,教学基本要求,1、了解数字信号与数字电路的基本概念,2、了解数字信号的特点及表示方法,3、掌握常用二十、二一十六进制数的转换,4、了解常用二进制码，熟悉8421BCD码,1.数字逻辑基础,1.1.1数字技术的发展及其应用,1906年美国李.德福雷斯特发明了真空三极管,1958年美国基尔比制成第一块集成电路6个月后诺伊斯制成第一块硅集成电路,1948年晶体管之父威廉肖克利发明了第一只晶体管诞生,1.1数字电路与数字信号,80年代后-ULSI，10亿个晶体管/片、ASIC制作技术成熟,90年代后-97年一片集成电路上有40亿个晶体管。,6070代-,IC技术迅速发展：SSI、MSI、LSI、VLSI。10万个晶体管/片。,将来-高分子材料或生物材料制成密度更高、三维结构的电路,1.1.1数字技术的发展及其应用,数字技术的发展,发展特点:以电子器件的发展为基础,电子管时代,1906年，福雷斯特等发明了电子管；电子管体积大、重量重、耗电大、寿命短。目前在一些大功率发射装置中使用。,电压控制器件电真空技术,1.1.1数字技术的发展及其应用,1946年2月由宾州大学研制成功ENIAC,电子数字积分计算机,重达30吨占地250m2启动工耗150000瓦1.8万个电子管保存80个字节,1.1.1数字技术的发展及其应用,电子管时代,晶体管时代,电流控制器件半导体技术,1.1.1数字技术的发展及其应用,半导体集成电路,1.1.1数字技术的发展及其应用,电路设计方法伴随器件变化从传统走向现代,a)传统的设计方法：,b)现代的设计方法：,1.1.1数字技术的发展及其应用,EDA技术以计算机为基本工具、借助于软件设计平台，自动完成数字系统的仿真、逻辑综合、布局布线等工作。最后下载到芯片，实现系统功能。使硬件设计软件化。,原理图设计,VerlogHDL语言设计,状态机设计,EDA（ElectronicsDesignAutomation)技术,1.1.1数字技术的发展及其应用,4、验证结果,实验板,下载线,1.1.1数字技术的发展及其应用,1.1.1数字技术的发展及其应用,3.现场烧写PLD芯片,应用：发展快、应用最广泛的现代技术.,雷达技术,通信技术,计算机、自动控制,航空航天,“勇气”号火星探测器,1.1.1数字技术的发展及其应用,数码相机,计算机,1.1.1数字技术的发展及其应用,根据电路的结构特点及其对输入信号的响应规则的不同，-数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。,从集成度不同-数字集成电路可分为小规模、中规模、大规模、超大规模和甚大规模五类。,从电路的形式不同，-数字电路可分为集成电路和分立电路,从器件不同-数字电路可分为CMOS和TTL电路,1、数字集成电路的分类,1.1.2数字集成电路的分类及特点,集成度:每一芯片所包含的门个数,1.1.2数字集成电路的分类及特点,2、数字集成电路的特点,1)电路简单,便于大规模集成,批量生产,2)可靠性、稳定性和精度高,抗干扰能力强,3)体积小,通用性好,成本低.,4)具可编程性,可实现硬件设计软件化,5)高速度低功耗,6)加密性好,1.1.2数字集成电路的分类及特点,3、数字电路的分析、设计与测试,(1)数字电路的分析方法,1.1.2数字集成电路的分类及特点,数字电路的分析:根据电路确定电路输出与输入之间的逻辑关系。,(2)数字电路的设计方法,数字电路的设计:从给定的逻辑功能要求出发，选择适当的逻辑器件，设计出符合要求的逻辑电路。,设计方式:分为传统的设计方式和基于EDA软件的设计方式。,分析工具：逻辑代数。电路逻辑功能主要用真值表、功能表、逻辑表达式和波形图。,-时间和数值均连续变化的电信号，如正弦波、三角波等,1.模拟信号与数字信号,1.1.3数字电路与数字信号,模拟信号,数字信号-在时间上和数值上均是离散的信号。,数字电路和模拟电路：工作信号，研究的对象不同，分析、设计方法以及所用的数学工具也相应不同,1.1.3数字电路与数字信号,3、模拟信号的数字表示,由于数字信号便于存储、分析和传输，通常都将模拟信号转换为数字信号.,1.1.3数字电路与数字信号,1.1.4数字信号的描述方法,1、二值数字逻辑和逻辑电平,a、在电路中用低、高电平表示0、1两种逻辑状态,0、1数码-表示数量时称二进制数,-表示事物状态时称二值逻辑,(a)用逻辑电平描述的数字波形,(b)16位数据的图形表示,2、数字波形,数字波形-是信号逻辑电平对时间的图形表示.,1.1.4数字信号的描述方法,高电平,低电平,有脉冲,*非归零型,*归零型,比特率-每秒钟转输数据的位数,无脉冲,(1)数字波形的两种类型:,2、数字波形,1.1.4数字信号的描述方法,(2)周期性和非周期性,非周期性数字波形,周期性数字波形,周期性数字波形,1.1.4数字信号的描述方法,Q(%),非理想脉冲波形,(3)实际脉冲波形及主要参数,理想脉冲波形,1.1.4数字信号的描述方法,上升时间,脉冲宽度,下降时间,脉冲幅度,脉冲周期,占空比q=tW/T,占空比Q-表示脉冲宽度占整个周期的百分比,几个主要参数:,上升时间tr和下降时间tf-从脉冲幅值的10%到90%上升下降所经历的时间(典型值ns),脉冲宽度(tw)-脉冲幅值的50%的两个时间所跨越的时间,周期(T)-表示两个相邻脉冲之间的时间间隔,1.1.4数字信号的描述方法,(4)时序图-表明各个数字信号时序关系的多重波形图。,由于各信号的路径不同，这些信号之间不可能严格保持同步关系。为了保证可靠工作，各信号之间通常允许一定的时差，但这些时差必须限定在规定范围内，各个信号的时序关系用时序图表达。,1.1.4数字信号的描述方法,一般表达式:,1.2.1十进制,十进制采用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9十个数码，其进位的规则是“逢十进一”。,4587.29=4103+5102+8101+7100+2101+9102,系数,位权,任意进制数的一般表达式为:,各位的权都是10的幂。,1.2数制,数制:多位数码中的每一位数的构成及低位向高位进位的规则,十进制:,十进制数的展开式,1.2.2二进制,二进制数的一般表达式为:,位权,系数,二进制数只有0、1两个数码，进位规律是：“逢二进一”.,1、二进制数的表示方法,各位的权都是2的幂。,3、二进制数波形表示,1.2.2二进制,低位,高位,1)、十进制数转换成二进制数：,a.整数部分用“辗转相除”法:,辗转相除法:将十进制数连续不断地除以2,直至商为零，所得余数由低位到高位排列，即为所求二进制数.,整数部分小数部分,1.2.3二-十进制之间的转换,所以,十-二转换,例：将十进制数65转换为二进制数：,a.整数部分用“辗转相除”法:,()D=(D7D6D5D4D1D0)B,解由于二进制数基数为2，所以逐次除以2，取其余数（0或1）：,所以(53)D=(110101)B,1.2.3二-十进制之间的转换,a.整数部分用“辗转相除”法:,小数部分：乘2法,整数部分=1=D-1,整数部分=0=D-2,整数部分=1=D-3,所以,例：将十进制数0.625转换为二进制数：,乘2法；将十进制数的小数部分乘2,取其整数得D-1,;再将小数部分乘2,取其整数得D-2;再将小数部分乘2,解由于精度要求达到0.1%，0.1%1/1024.所以,需要精确到二进制小数10位，即1/210。,0.392=0.78,0.782=1.56,0.562=1.12,0.122=0.24,0.242=0.48,所以,1.2.3二-十进制之间的转换,b-1=0,b-2=1,b-3=1,b-4=0,b-5=0,方法:按二进制展开式展开，即将每位的系数乘以该位的权值,然后各项乘积相加，就可得到等值的十进制数。,二-十转换,例：将二进制数101.11转换为十进制数：,十六进制数中只有0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A、B、C、D、E、F十六个数码，进位规律是“逢十六进一”。各位的权均为16的幂。,1.十六进制,一般表达式：,例如,1.2.4十六进制和八进制,各位的权都是16的幂。,2、二-十六进制之间的转换,二进制转换成十六进制：,因为16进制的基数16=24，所以，可将四位二进制数表示一位16进制数，即00001111表示0-F。,1.2.4十六进制和八进制,方法:从低位到高位将每4位二进制数分为一组，并将每一组以等值的十六进制数代之，即可得到对应的十六进制数。,=（51B）H,（8FC6）H,例：将十六进制数8FC6转换为二进制数：,方法:将每位16进制数展开成四位二进制数，排列顺序不变即可。,练习(BEEF)H=,(1011111011101111)B,十六进制转换成二进制：,根据式将各位按权展开后相加。,十-十六转换先转换成二进制数，再转换成等值的十六进制数。,十六进制数与十进制数的转换,十六-十转换,十-十六转换,1.4二进制代码,二进制代码的位数(n),与需要编码的事件（或信息）的个数(N)之间应满足以下关系：,2n-1N2n,1.二十进制码进制码(数值编码)(BCD码-BinaryCodeDecimal）,用4位二进制数来表示一位十进制数中的09十个数码。,从4位二进制数16种代码中,选择10种来表示09个数码的方案有很多种。每种方案产生一种BCD码。,码制:编制代码所要遵循的规则,（1）几种常用的BCD代码,1.4.1二-十进制码,对于有权BCD码，可以根据位权展开求得所代表的十进制数。例如：,(3)求BCD代码表示的十进制数,1.4.1二-十进制码,对于一个多位的十进制数，需要有与十进制位数相同的几组BCD代码来表示。例如：,(4)用BCD代码表示十进制数,1.4.1二-十进制码,1.4.2格雷码,格雷码是一种无权码。,编码特点是：任何两个相邻代码之间仅有一位不同。,该特点常用于模拟量的转换。当模拟量发生微小变化，格雷码仅仅改变一位，这与其它码同时改变2位或更多的情况相比，更加可靠,且容易检错。,1.4.3ASCII码(字符编码),ASCII码即美国标准信息交换码。,它共有128个代码，可以表示大、小写英文字母、十进制数、标点符号、运算符号、控制符号等，普遍用于计算机的键盘指令输入和数据等。,1.5二进制算术运算,当两个数码表示数量大小时，可进行加、减、乘、除等算术运算。当两个数表示不同事物或事物的不同状态时，可以进行逻辑运算。,1.5.1两数绝对值之间的运算,算术运算：1：和十进制算数运算的规则相同2：逢二进一特点：加、减、乘、除全部可以用移位和相加这两种操作实现。简化了电路结构,所以数字电路中普遍采用二进制算数运算,1.正负数的表示方法二进制数的正、负号也是用0/1表示的。在定点运算中，最高位为符号位（0为正，1为负）这种表示方法称为二进制数的原码表示法。例如+53=（0110101）-53=（1110101）,1.5.2数字电路中正负数的表示法及补码运算,2.二进制补码运算,最高位为符号位（0为正，1为负）正数的补码和它的原码相同负数的补码=数值位逐位求反(反码)+1如+5=（00101）-5=（11011）采用补码相加的方法实现带符号数的加法运算,115=6117126（舍弃进位）7512产生进位的模7是5对模数12的补码,111001101000（1468）11101010110001000（舍弃进位）（1410