数电第1章ppt课件VIP

第1章绪论,概述,几种常用的数制,本章小结,不同数制间的转换,二进制算术运算,几种常用的编码,1.1概述,一、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,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、数字技术的发展阶段,2、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,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,电子管时代,晶体管时代,电流控制器件半导体技术,半导体集成电路,3、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：,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,4、验证结果,实验板,下载线,3.现场烧写PLD芯片,4、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,数码相机,计算机,传递、处理模拟信号的电子电路,传递、处理数字信号的电子电路,二、数字电路的分类及特点,将晶体管、电阻、电容等元器件用导线在线路板上连接起来的电路。,将上述元器件和导线通过半导体制造工艺做在一块硅片上而成为一个不可分割的整体电路。,根据电路结构不同分,分立元件电路,集成电路,1、数字电路的分类,任一时刻的输出只取决于同一时刻输入状态的组合，而与电路原有的状态无关的电路。,任一时刻的输出不仅取决于同一时刻输入信号的组合，而且与电路原有的状态有关的电路。,根据对输入信号的响应规则的不同分,组合逻辑电路,时序逻辑电路,根据半导体的导电类型不同分,双极型数字集成电路,单极型数字集成电路,以双极型晶体管作为基本器件,以单极型晶体管作为基本器件,例如CMOS,例如TTL、ECL,根据集成密度不同分,2、数字电路的特点,3、数字电路的分析、设计与测试,(1)数字电路的分析方法,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物理量，如正弦波、三角波等,三、数字量和模拟量,模拟量,模拟信号：表示模拟量的信号,数字量-在时间上和数值上均是离散的物理量。,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,数字信号：表示数字量的信号,四、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.,高电平,低电平,有脉冲,*非归零型,*归零型,比特率-每秒钟传输数据的位数,无脉冲,(1)数字波形的两种类型:,(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,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,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,(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。,主要要求：,掌握十进制数、二进制数、八进制数、十六进制数的每一位构成及进位规则,1.2几种常见的数制,数制,数制：多位数码中每一位的构成从低位向高位的进位规则,常用到的：十进制，二进制，八进制，十六进制,计数进制的简称，表示数量的规则,一、十进制(Decimal),(xxx)10或(xxx)D,例如(385.64)10或(385.64)D,数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9,进位规律：逢十进一,一般表达式:,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。,4587.29=4103+5102+8101+7100+2101+9102,例如0+1=11+1=1011+1=100,二、二进制(Binary),(xxx)2或(xxx)B,例如(1011.11)2或(1011.11)B,数码：0、1,进位规律：逢二进一,权：2i基数：2,将按权展开式按照十进制规律相加，即得对应十进制数。,三、八进制(Octal),(xxx)8或(xxx)O,例如(573.46)8或(573.46)O,数码：0、1、2、3、4、5、6、7,进位规律：逢八进一,权：8i基数：8,将按权展开式按照十进制规律相加，即得对应十进制数。,四、十六进制(Hexadecimal),(xxx)16或(xxx)H,例如(5EC.D4)16或(5EC.D4)H,数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A(10)、B(11)、C(12)、D(13)、E(14)、F(15),进位规律：逢十六进一,权：16i基数：16,将按权展开式按照十进制规律相加，即得对应十进制数。,1.3不同数制间的转换,主要要求：,掌握二进制数、十六进制及其与十进制数的相互转换。,一、二进制、八进制和十六进制转换为十进制,方法：按权展开求和,例将(101110.011)2、(637.34)8、(8ED.C7)16转换为十进制数。,解:(101110.011)2=125+024+123+122+121+020+02-1+12-2+12-3=(46.375)10,(637.34)8=682+381+780+38-1+48-2=(415.4375)10,(8ED.C7)16=8162+14161+13160+1216-1+716-2=(2285.7773)10,1.5001,整数0.7500,二、十进制转换为二进制、八进制和十六进制,例将十进制数(26.375)10转换成二进制数,26,61,30,11,01,2,(26)10=(11010)2,2,2,1.0001,.375,2,2,2,2,0.375,2,一直除到商为0为止,余数130,方法：整数部分采用“除基取余法”小数部分采用“乘基取整法”,读数顺序,读数顺序,.011,每位八进制数用三位二进制数代替，再按原顺序排列。,八进制二进制,二进制八进制,(11100101.11101011)2=(345.726)8,(745.361)8=(111100101.011110001)2,补0,(11100101.11101011)2=(?)8,11100101.11101011,0,0,从小数点开始，整数部分向左(小数部分向右)三位一组，最后不足三位的加0补足三位，再按顺序写出各组对应的八进制数。,补0,11,100,101,111,010,11,三、二进制与八进制、十六进制相互转换,1.二进制和八进制间的相互转换,一位十六进制数对应四位二进制数，因此二进制数四位为一组。,2.二进制和十六进制间的相互转换,(10011111011.111011)2=(4FB.EC)16,(3BE5.97D)16=(11101111100101.100101111101)2,补0,(10011111011.111011)2=(?)16,10011111011.111011,0,0,0,补0,100,1111,1011,1110,11,1.4二进制算术运算,1.4.1二进制算术运算的特点算术运算：1：和十进制算术运算的规则相同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术运算,二进制算术运算：二进制数的0/1可以表示数量，进行加，减，乘，除等运算。,逻辑运算：当二进制代码表示不同逻辑状态时，可以按一定的规则进行推理运算。,1.4.2反码、补码和补码运算有符号二进制数的符号二进制数的正、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）如+89=（01011001）-89=（11011001）,二进制数的补码：,补码或反码的最高位为符号位（0为正，1为负）当二进制数为正数时，其补码、反码与原码相同。负数的补码=数值位逐位求反(反码)+1如+5=（00101）-5=（11011）通过补码，将减一个数用加上该数的补码来实现,105=510+712=5（舍弃进位）7+5=12产生进位的模7是-5对模数12的补码,10110111=0100（11-7=4）1011+1001=10100=0100（舍弃进位）（11+916=4）0111+1001=240111是-1001对模24（16）的补码,两个补码表示的二进制数相加时的符号位讨论,例：用二进制补码运算求出1310、1310、1310、1310,结论：将两个加数的符号位和来自最高位数字位的进位相加，结果就是和的符号,解：,1.5几中常用的编码,理解BCD码的含义，掌握8421BCD码，了解其他常用BCD码。,主要要求：,代码:不同的数码不仅可用来表示数量的大小，而且可以用来表示不同的事物或事物的不同状态；当数码只用来表示不同事物或事物的不同状态时，这些数码称为代码。例如：学号，身份证号，运动员号目前，数字电路中都采用二进制和基于二进制基础上的八、十六和二-十进制。表示数量时称二进制。表示事物时称二值逻辑。,码制,编制代码所要遵循的规则,例如：用四位二进制数码表示十进制数0900000000110010200113010040101501106011171000810019,将若干个二进制数码0和1按一定规则排列起来表示某种特定含义的代码称为二进制代码，简称二进制码。,用数码的特定组合表示特定信息的过程称编码,常用的二-十进制BCD码有：(1)8421BCD码(2)2421BCD码和5421BCD码(3)余3BCD码,一、二-十进制代码,将一位十进制数09十个数字用四位二进制数表示的代码,(又称BCD码即BinaryCodedDecimal),4位二进制码有16种组合，表示09十个数可有多种方案，所以BCD码有多种。,恒权码,取4位自然二进制数的前10种组合。,无权码，比8421BCD码多余3(0011)。,恒权码,从高位到低位的权值分别为2、4、2、1和5、4、2、1。,常用二-十进制代码表,权为8、4、2、1,比8421BCD码多余3,取四位自然二进制数的前10种组合，去掉后6种组合10101111。,求BCD代码表示的十进制数,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：,用BCD码表示十进制数举例：,(36)10=()8421BCD,(4.79)10=()8421BCD,(01010000)8421BCD=()10,注意区别BCD码与数制：,(150)10=(000101010000)8421BCD=(10010110)2=(226)8=(96)16,60110,30011,4.0100.,70111,91001,01015,00000,1.格雷码(Gray码，又称循环码),0110,最低位(最右边一位)以0110为循环节,次低位以00111100为循环节,第三位以0000111111110000为循环节,.,0110,0110,0110,00111100,00111100,0000111111110000,0000000011111111,特点:,相邻项或对称项只有一位不同,典型格雷码构成规则：,二、可靠性代码,应用：减少过渡噪声,2.奇偶校验码,使“1”的个数为奇数的称奇校验，为偶数的称偶校验。,三、美国信息交换标准代码（ASC）,ASC是一组七位二进制代码，共128个应用：计算机和通讯领域,本章小结,数字电路是传递和处理数字信号的电子电路。它有分立元件电路和集成电路两大类，数字集成电路发展很快，目前多采用中大规模以上的集成电路。,数字电路的主要优点是便于高度集成化、工作可靠性高、抗干扰能力强和保密性好等。,数字电路中的信号只有高电平和低电平两个取值，通常用1表示高电平，用0表示低电平，正好与二进制数中0和1对应，因此，数字电路中主要采用二进制。,常用的计数进制有十进制、二进制、八进制和十六进制。,二进制数进位规律是逢二进一。其基数为2；权为2i（i为整数）。,二进制代码指将若干个二进制数码0和1按一定规则排列起来表示某种特定含义的代码，简称二进制码。,二进制数十进制数方法：按权展开后求和。,十进制数二进制数方法：整数“除2取余”法，小数“乘2取整”法。写出转换结果时需注意读数的顺序。,BCD码指用以表示十进制数09十个数码的二进制代码。,十进制数与8421码对照表,编码是用数码的特定组合表示特定信息的过程。,采用可靠性代码能有效地提高设备的抗扰能力，常用的可靠性代码有格雷码和奇偶校验码。奇偶校验码中，使“1”的个数为奇数的称奇校验，为偶数的称偶校验。,SSI（Small-scaleintegration）小规模集成电路；MSI（Middle-scaleintegration）中等规模集成电路；LSI（Large-scaleintegration）大规模集成电路；VLSI（Very-Large-scaleintegration）甚大规模集成电路；ULSI（Ultra-Large-scaleintegration