数字电子技术课件

1、1 2 数字电子技术基础数字电子技术基础课程是电气信息类专业具有入门性质的重课程是电气信息类专业具有入门性质的重 要的专业要的专业基础基础课。课。 1 1. .课程性质课程性质 掌握电子电路的基本分析方法，了解数字电路的基本类型，培养掌握电子电路的基本分析方法，了解数字电路的基本类型，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相关学科和专业打好以下两方面的基础基础: : 2.课程目标课程目标 1、正确分析、设计数字电路，特别是集成电路的正确分析、设计数字电路，特别是集成电路的基础基础；

2、2、进一步学习设计专用集成电路进一步学习设计专用集成电路(ASIC)的的基础基础。 3 数字信号传输、变换、产生等。内容涉及相关器件、功能电路数字信号传输、变换、产生等。内容涉及相关器件、功能电路 及系统。及系统。 （关于（关于1 1和和0 0 的电路）的电路） 重点重点 第四章第四章, ,第六章第六章, ,第八章第八章, ,第九章第九章 重点重点+ +难点难点 时序逻辑电路的分析和设计时序逻辑电路的分析和设计 3. 课程研究内容课程研究内容 所学内容环环相扣所学内容环环相扣, ,由易到难由易到难, ,前后呼应前后呼应. . 增加内容增加内容：硬件语言基础Verilog HDL 4 a a、发

3、展快、发展快b b、应用广、应用广 (2) (2)学习方法学习方法 打好基础、打好基础、关注发展、关注发展、主动更新、主动更新、注重实践注重实践 (1)(1) c c、工程实践性强、工程实践性强 4.4.课程特点与学习方法课程特点与学习方法 a a、掌握基本概念、基本电路和基本分析、设计方法、掌握基本概念、基本电路和基本分析、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 问题问题的能力。能力。 5 5.5.教与学教与学 n相对模电教学的改变 加大例题和习题课的比重 提供更多课堂吸收的机会 与实践联系更加紧密 n教学方式 n教学顺

4、序:内容与教材不尽相同 n兼顾实验和学习掌握情况 n相对模电学习的改变 及时吸收巩固 不再强调工程性，而是逻辑性 与日常生活密切联系 6 课程考核课程考核 n平时成绩(不低于30%) 作业 考勤 半期考试 主动思考 n期末考试(不超过70%) 实验室网站：实验室网站：0 本人联系方式 Email: office:66369909 答疑地点：X6404 or X6301 7 1.1.数字逻辑基础数字逻辑基础 模拟信号与数字信号 数制 二进制的算术运算 二进制码 n二值逻辑变量与基本逻辑运算 n逻辑函数与逻辑问题的描述 8 1.11.1 模拟信号与数字信号模拟信号

5、与数字信号 n模拟信号 n数字信号 - 数字信号表示 - 数字波形及主要参数 - 模拟-数字信号转换 v t o 9 模模 拟拟 信信 号号 模拟信号模拟信号: 时间和数值上都是连续变化的物理量 v t o 正弦波信号 v t o 三角波信号 例：例： 10 数数 字字 信信 号号 数字信号数字信号: 时间和数值上都是离散的信号, 可以用二值数字 逻辑和数字波形表示。 编码：例如字母A 用ASCII码表示为1000001； 数值： 例如 8 用4位二进制数表示为1000； 在实际数字电路中，通常用逻辑电平逻辑电平的高低表示0和1。 正逻辑体系规定：1- 高电平(H)，0- 低电平(L)。 事物

6、或变量的状态, 如:开关闭合与断开、灯的亮与灭等； 由由0 0和和1 1组成的组成的n位数字信号可以表示位数字信号可以表示2n 个数值或状态个数值或状态 11 数字波形数字波形 数字波形数字波形-是信号逻辑电平对时间的图形表示是信号逻辑电平对时间的图形表示. . 12 数字波形的周期性和非周期性数字波形的周期性和非周期性 数字周期信号主要参数：周期T、频率f、 占空比q等 B C A 非周期非周期 周周 期期 tw T %100% T t q w ）（占空比 13 非理想脉冲波形非理想脉冲波形 实际脉冲波形及主要参数实际脉冲波形及主要参数 上升时间tr 和下降时间tf ：从脉冲幅值的10%到9

7、0% 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 14 时序图时序图 123456 CP Q 0 Q 1 Q 2 123456 CP Q 0 Q 1 Q 2 -表明各个数字信号时序关系的多重波形图表明各个数字信号时序关系的多重波形图 15 t 模模/ /数和数数和数/ /模转换模转换 A/D vi n位数字输出位数字输出 (电压电压) 模拟- Analog , 数字- Digital 例例: 反之，也可以用D/A器件将数字信号转换成模拟信号 16 1.2 数数 制制 n进位计数制的一般表示 n常用进制之间的相互转换 17 进位计数制

8、的一般表示进位计数制的一般表示 m m n n n nR RaRa RaRaRaRaN 1 1 0 0 1 1 2 2 1 1 )( R进制的多项式表示： 常用数制 (N)R R a 进制规则 十进制 (N)D 10 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 逢十进一 二进制 (N)B 2 0,1 逢二进一 八进制 (N)O 8 0,1,2,3,4,5,6,7 逢八进一 十六进制 (N)H 16 0,1,2,3,4,5,6,7,8, 9,A,B,C,D,E,F 逢十六进一 18 几种常用的进位数制几种常用的进位数制 D B )375. 3( 2121202121)011.11( 32101 D

9、O )5 .651( 8483818281)4 .1213( 10123 D H AB )2742( 16616111610)6( 012 012 108106101)168( D 例： 19 几种进制数之间的对应关系 十 进 制二 进 制八 进 制十 六 进 制 0000000 1000111 2001022 3001133 4010044 5010155 6011066 7011177 81000108 91001119 10101012A 11101113B 12110014C 13110115D 14111016E 15111117F 20 二进制数与十进制数间的转换二进制数与十进制数

10、间的转换 (N)B (N)D ：将(N)B写成按权展开的多项式， 按十进制规则求各乘积项的积并相加。 (N)D (N)B ：需将整数部分和小数部分分别转换， 然后合成。 整数部分：除2取余或分解为2乘幂项之和 小数部分：乘2取整 21 十进制数二进制数举例 例：(58.625)D (N)B 整数部分 小数部分 2 58 0 . 625 2 29 余0 2 2 14 余1 1 . 250 2 7 余0 2 2 3 余1 0 . 500 2 1 余1 2 0 余1 1 . 000 LSB MSB 1 0 1 或 (58)D=25+ 24 + 23 + 21 = (111010)B (58.625)

11、D=(111010.101)B 22 八、十六进制与二进制的转换 转换方法转换方法： (N)B(N)O、(N)H 将二进制数从小数点开始，分别向左、右按将二进制数从小数点开始，分别向左、右按3位或位或4位位 分组，不足分组，不足3位或位或4位的则需在最高位或最低位补位的则需在最高位或最低位补0，最后将，最后将 每组用对应的八进制数或十六进制数代替。每组用对应的八进制数或十六进制数代替。 (257.0254)O=(10101111.0001011011)B=(AF.16C)H 例如： 八进制： 2 5 7 0 2 5 4 二进制： 0 1 0 1 0 1 1 1 1 . 0 0 0 1 0 1

12、1 0 1 1 0 0 十六进制： A F 1 6 C 23 1.3二进制数的算术运算二进制数的算术运算 1、二进制加法、二进制加法 无符号二进制的加法规则：无符号二进制的加法规则： 0+0=0，0+1=1，1+1=10。 例例1.3.1 计算两个二进制数计算两个二进制数1010和和0101的和。的和。 解：解： 1111 1010 0101 1.3.1无符号数算术运算无符号数算术运算 24 无符号二进制数的减法规则：无符号二进制数的减法规则： 0-0=0， 1-1=0，1-0=1 0-1=11 2二进制减法二进制减法 例例1.3.2 计算两个二进制数计算两个二进制数1010和和0101的差。

13、的差。 解：解： 1010 1010 0101 无符号数算术运算无符号数算术运算 25 3、乘法和除法、乘法和除法 例例1.3.3 计算两个二进制数计算两个二进制数1010和和0101的积。的积。 解：解： 010011 0000 0101 0000 0101 1 0 1 0 0101 无符号数算术运算无符号数算术运算 26 例例1.3.4 计算两个二进制数计算两个二进制数1010和和111之商。之商。 解解： 余数余数11 111 0101 111 0011 111 1101. 0101111 无符号数算术运算无符号数算术运算 27 1.3.2带符号二进制的减法运算带符号二进制的减法运算 二

14、进制数的最高位表示符号位，且用二进制数的最高位表示符号位，且用0 0表示正数，用表示正数，用1 1表示负表示负 数。其余部分数。其余部分用原码的形式表示用原码的形式表示数值位。数值位。 有符号的二进制数表示有符号的二进制数表示 : : 1. 1. 二进制数的补码表示二进制数的补码表示 补码或反码的最高位为符号位，正数为补码或反码的最高位为符号位，正数为0 0，负数为，负数为1 1。 当二进制数为正数时，其补码、反码与原码相同。当二进制数为正数时，其补码、反码与原码相同。 当二进制数为负数时，将原码的数值位逐位求反，然后在最低当二进制数为负数时，将原码的数值位逐位求反，然后在最低 位加位加1 1

15、得到补码。得到补码。 (+11)D =(0 1011) B ( 11)D =(1 1011) B 28 减法运算的原理减法运算的原理: :减去一个正数相当于加上一个负数减去一个正数相当于加上一个负数 A B=A+( B)，对，对( B)求补码，然后进行加法运算。求补码，然后进行加法运算。 2. 2. 二进制补码的减法运算二进制补码的减法运算 例例1.3.7 试用试用4 4位二进制补码计算位二进制补码计算5 5 2 2。 11001 0111 1010 自动丢弃自动丢弃 解：因为解：因为(5 2)补 补=(5)补补+( 2) 补补 =0101+1110 =0011 所以所以 5 2=3 29 0

16、011 1010 1010 例例1.3.8 试用试用4位二进制补码计算位二进制补码计算5+7。 3. 溢出溢出 解决溢出的办法解决溢出的办法:进行位扩展进行位扩展. 解：因为解：因为(5+7)补 补=(5)补补+(7) 补补 =0101+0111 =1100 30 4. 4. 溢出的判别溢出的判别 当方框中的进位位与和数的符号位（即当方框中的进位位与和数的符号位（即b b3 3位）相反时，位）相反时， 则运算结果是错误的，产生溢出。则运算结果是错误的，产生溢出。 如何判断是否产生溢出？如何判断是否产生溢出？ 00011 1011 1101 8 3) 5 7 3) 4 1 1 100 1100

17、0010 9 6) 3 11 101 0101 1011 8 6) 2 00010 0110 0100 31 1.4 1.4 二进制码二进制码 n 二二- -十进制码十进制码(BCD(BCD码码) ) n 可靠性编码可靠性编码 n ASCIIASCII码码 将若干位二进制数码0和1按一定规则编制成表示特定含义 的代码称为二进制代码。用数码的特定组合表示特定信息的 过程称为编码编码。 二进制代码的位数二进制代码的位数n与需要编码的事件与需要编码的事件(或信息或信息)的个的个 数数N之间应满足的关系：之间应满足的关系：N2n 32 1. 二-十进制码(BCD码) 4位二进制数码最多可产生16种取值

18、组合，故有多种编码 方案，分为两大类：有权码和无权码。 令N为09中的一个十进制数, b3b2b1b0为其对应的BCD码， 则： 00112233 bWbWbWbWN v用用4位二进制代码位二进制代码b3b2b1b0分别表示十进制数的十个数码分别表示十进制数的十个数码(09) n 有权码有权码 常用的有权码：常用的有权码：8421BCD、2421BCD、5421BCD 其中W3 W2 W1 W0为b3 b2 b1 b0各位对应的权值 BCD Binary Coded Decimal 33 BCD码码 8421BCD、2421BCD、5421BCD的权值分配 权 值D 3D 3D 1D 0 8

19、4 2 18421 2 4 2 12421 5 4 2 15421 W3 W2 W1 W0 权权 码码 例：(0110) 8421BCD (1011) 2421BCD (1011) 5421BCD 6 5 8 n 无权码无权码 常用的无权码：余3码(可以利用8421BCD码得到) 余3循环码(可以利用格雷码得到) 34 几种常用的几种常用的BCD码码 （注意：每种编码方式中都有六个无效码字）（注意：每种编码方式中都有六个无效码字） 十进制数十进制数8421码码2421 码码5421 码码余余3码码 余余3循循 环码环码 000000000000000110010 100010001000101

20、000110 200100010001001010111 300110011001101100101 401000100010001110100 501011011100010001100 601101100100110011101 701111101101010101111 810001110101110111110 910011111110011001010 35 例例 解： 1. (156)D = (128+16+8+4)D = (10011100)B 2. (156)D = (0001 0101 0110) 8421BCD = (0100 1000 1001) 余3码 例：1. 将十进

21、制数156转换为二进制数 2. 用8421BCD码和余3码表示十进制数156 36 2. 2. 可靠性编码可靠性编码 编码特点编码特点: 任意两 个相邻的数，其格 雷码仅有一位不同, 可以减少代码变化 过程中产生的瞬间 错误。 u格雷码格雷码 37 可靠性编码可靠性编码 校验位的产生方式校验位的产生方式: 奇校验奇校验 附加的校验位应使n位代码中“1” 的个数为奇数 偶校验偶校验 附加的校验位应使n位代码中“1” 的个数为偶数 奇偶校验码是奇校验码和偶校验码的统称，是一种最基本 的检错码，n位代码由n-1位信息码元和1位校验元组成。 例：信息代码为1001101 采用奇校验时，产生的代码为10

22、011011 采用偶校验时，产生的代码为10011010 v 奇偶校验码奇偶校验码 38 3. ASCII码 000001010011100101110111 0000NULDLESP0Pp 0001SOHDC1！1AQaq 0010STXDC22BRbr 0011ETXDC3#3CScs 0100EOT DC4 (Stop) $4DTdt 0101ENQNAK%5EUeu 0110ACKSYNKk 1100FFFS,Nn 1111SIUS/?OoDEL 高3位 低4位 (7位二进制码表示128种字符) 39 1.5 1.5 二值逻辑变量和基本逻辑运算二值逻辑变量和基本逻辑运算 u 逻辑代数由

23、逻辑变量和逻辑运算组成 u 在逻辑代数中，逻辑变量通常用字母和数字等符号表示， 它的取值只有两种：0和1 u 基本的逻辑运算有三种：与、或、非 u 常用的复合逻辑运算：与非、或非、异或、同或 u 逻辑运算可以用真值表、表达式和逻辑图符号表示 40 则Y与A,B,C的关系的真值表为： A B C Y 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 逻辑函数式为: ABCCBACBACBAY 逻辑函数逻辑函数逻辑问题逻辑问题逻辑变量定义逻辑变量定义 49 从逻辑问题建立逻辑函数例从逻辑问题建立逻辑函数例 解解：设F表示

24、汽车是否可以右转，F=1 可右转，F=0 不可右转； A表示信号灯颜色，A=1 绿色，A=0 红色； B表示有无其它汽车穿越路口，B=1有，B=0没有； 则汽车右转的逻辑函数式可写成： 例例2: 某交通路口信号灯有红绿两种颜色，当汽车行驶至该路口某交通路口信号灯有红绿两种颜色，当汽车行驶至该路口 时时,若信号灯是绿的，或信号灯虽是红的但没有其它汽车穿若信号灯是绿的，或信号灯虽是红的但没有其它汽车穿 越路口时，该汽车可以右转。写出汽车右转的逻辑函数表越路口时，该汽车可以右转。写出汽车右转的逻辑函数表 达式。达式。 BAAF 50 例3: 举重比赛规则规定，在一名主裁判和两名副裁判中，举重比赛规则规定，在一名主裁判和两名副裁判中， 必须有两人以上（并且必须包括主裁判）认定运动员的必须有两人以上（并且必须包括主裁判）认定运动员的 动作合格，试举才算成功。写出试举成功的逻辑函数表动作合格，试举才算成功。写出试举成功的逻辑函数表 达式。达式。 解解：设Y表示试举是否成功，Y=1 成功，Y=0失败； A表示主裁控制的开关，A=1闭合，A=0断开； B，C分别表示两名副裁判控制的开关，等于1表示 闭合，等于0表示断开； 则试举成功的表达式可写成： Y=A(B+C) 51 电路图 举重裁判电路