教程2014课件第一章

1、电子技术基础数字部分第一章数字逻辑概论1课程安排数字逻辑概论n1.1、1.2、1.3、1.4、1.5逻辑代数与硬件描述语言基础n2.1、2.2、2.3、2.4逻辑门电路n3.1、3.2、3.3、3.7组合逻辑电路n4.1、4.2、4.3、4.4、4.5锁存器和触发器n5.1、5.2、5.3、5.4、5.52课程安排时序逻辑电路n6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6半导体器n7.1、7.2CPLD和FPGAn8.1、8.2、8.3脉冲波形的变换与产生n9.1、9.2数模与模数转换器n10.1、10.23第一章数字逻辑概论1.1 数字信号与数字电路1.2 数制.二进制数的算术运算1.4

2、二进制代码1.5 二值逻辑变量与基本逻辑运算41.1 数字信号与数字电路1.1.1 数字技术的发展及其应用6070代- IC技术迅速发展：SSI、MSI、LSI 、VLSI。10万个晶体管/片。80年代后-ULSI ， 1 0 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。内部的布线细微到亚微米、纳米(0.130.02mm)量级微处理器的时钟频率高达3GHz（109Hz）目前-将来-高材料或生物材料制成密度更高、三维结构的电路5发展特点:以电子器件的发展为基础电子电压器件电真空技术1906年，特等发明了电子管；电子管体积大、重量重、耗电大、一些大功

3、率发射装置中使用。短。目前在电流器件晶体半导体技术半导体二极管、三极管器件半导体集成电路数字技术的应用计算机智能仪器数码相机1.1.2 数字集成电路的分类及特点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。根据电路的形式不同-数字电路可分为集成电路和分立电路根据器件不同-数字电路可分为TTL 和 CMOS电路根据集成度不同-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。集成度:每一所包含的门个数分类门的个数典型集成电路小规模最多12个逻辑门、触发器中规模1299计数器、加法器大规模1009999型、门阵列超大规模10,0009

4、9,999大型器、微处理器甚大规模106以上可编程逻辑器件、多功能集成电路数字集成电路的特点可靠性、性和精度高,能力强n易于设计n体积小,通用性好,成本低，电路简单,便于大规模集成n具可编程性,可实现硬件设计化n高速度、低功耗n加密性好，便于、传输和处理n12数字电路的分析、设计与测试(1)数字电路的分析数字电路的分析:根据电路确定电路输出与输入之间的逻辑。分析工具：逻辑代数。电路逻辑功能主要用真值表、功能表、逻辑表和波形图。(2) 数字电路的设计数字电路的设计: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的设计方式。1.1

5、.3 模拟信号和数字信号n 电子系统处理物理量的用某个电参量（电压、电流、频率、相位等）去描述它电信号连续和离散n 自然界物理量的表现形式在一定的范围内有无穷多个取值可能无法用数字准确表示在一定的范围内只有某些特定取值可与数字相对应连续n离散n140.8m40.6m30.8m0.4m2h=0.512734.0.2m100.0m15uu携带信息波形携带信息数字100tt模拟信号数字信号时间和数值均连续变化的信号在时间上和数值上均是离散的信号160100110数字电路的优点信息的载体信号波形17uutt衰减畸变干扰18通 道采样保持量化编码19信息载体|数字1111000000只要0和1不，息就丢

6、失。201.1.4 数字信号的描述二值数字逻辑和逻辑电平二值数字逻辑0、1-表示数量-表示事物状态表示方式二进制数二值逻辑在电路中用低、高电平表示0、1两种逻辑状态逻辑电平与电压范围的（正逻辑）21电压 （V）二值逻辑电平3.551H（高电平）01.50L（低电平）数字波形是信号逻辑电平对时间的图形表示用逻辑电平描述的数字波形16位数据的图形表示22数字波形的两种类型高电平低电平非归零型有脉冲归零型无脉冲比特率-每秒钟转输数据的位数23周期性和非周期性非周期性数字波形周期性数字波形占空比 q(%) = tw100%T24例 . .某通信系统每秒钟传输1544000位(1.544兆位)数据，求每

7、位数据的时间。解：按题意，每位数据的时间为 -11.544 106= 647.67 10 -9 s = 648nss25例1.1.2设周期性数字波形的高电平持续6ms，低电平持续10ms求占空比q。解：因数字波形的脉冲宽度tw=6ms周期T=6ms+10ms=16ms。6msq = 100% = 37.5%16ms26实际脉冲波形及主要参数trtf非理想脉冲波形0.9Vm0.5Vm0.1VmVmtWT周期 (T)- 表示两个相邻脉冲之间的时间间隔脉冲宽度 (tw )-脉冲幅值的50%的两个时间所的时间占空比 Q表示脉冲宽度占整个周期的百分比上升时间tr 和下降时间tf -从脉冲幅值的10%到9

8、0% 上升下降所经历的时间( 典型值ns )27波形图、时序图或定时图n 波形图 输入变量的每一种取值与相应的输出值按照时间顺序依次排列得到的图形。波形图n 时序图或定时图 在时序电路中，电路的状态和输出对时钟脉冲序列和输入信号响应的波形。TcmintwtSUtHtpLHtpHL时序图定时图29时序图侧重描述电路的逻辑功能定时图侧重各个信号的先后顺序以及时间量29第一章数字逻辑概论1.1 数字信号与数字电路1.2 数制.二进制数的算术运算1.4 二进制代码1.5 二值逻辑变量与基本逻辑运算30.数制1.2.1 十进制(Decimal)以十为基数的记数体制用十个数码表示：1、2、3、4、5、6、

9、7、8、9、0遵循一、 一的计数规律-24587.29=位权系数 K10iND=)(i= i -K- ir(N)r=:任意进制数的一般表i31= i1.2.2二进制(Binary)以二为基数的记数体制用两个数码表示：0、1遵循一，借一当二的规律111001101 0101101111- 0+ 00 1 151 0 190 511 0011 0020位权:系数二进制数的一般表= K i 2 i( N )B= i-二进制的特点用电路的两个状态-有（1）和无（0）来表示二进制数，数码的产生，和传输简单、可靠。vIvvO1(V )vHOVTHVTH阈值0 (VL)0viviVTH电子器件典型传输特性电

10、压比较器运算规则简单需要的量少可使用逻辑代数不符合人们的日常习惯，输入时将十进制转换成二进制，运算结果输出时再转换成十进制数。34二进制数波形表示201010101010101010LSB2122MSB 23十进制14 1500001111000011110011001100110011二进制数据的传输（1）二进制数据的串行传输计算机计算机串行数据传输10CP 0123456710MS BLS B串行数据 00110110BA11110000（2）二进制数据的并行传输将一组二进制数据所有位同时传送。传送速率快,但数据线较多，而且和接收较复杂。M 00S B并行 数据传 输110110打印机 1

11、01 C220 1 2 3 4 5 6 7( L SB 00110 2122220 1301401506 1220( MS B )10 7并行数据LS B计算机 1.2.3 十-二进制之间的转换二进制转换成十进制：按权展开相加十进制转换成二进制整数：除基取余十进制数例： 十进制整数2701361327商11011余数二进制数(27)d=(11011)b例：将十进制数(37)D转换为二进制数。解：根据上述原理，可将(37)D按如下的步骤转换为二进制数 余 余 b0b122 余b292 余 余b3b44222 余b5120由上得 (37)D=(100101)B当十进制数较大时，有什么使转换过程简化

12、?3718例： 将(133)D转换为二进制数解：由于27为128，而133128=5=2220，所以对应二进制数b7=1，b2=1，b0=1，其余各系数均为0，(133)D=(10000101)B40小数：乘基取整对于二进制的小数部分可写成( N )D = b-1 2-1 + b-2 2-2 + + b-(n-1) 2-(n-1) + b-n 2-n将上式两边分别乘以2，得2 ( N )D = b-1 20 + b-2 2-1 + + b-(n-1) 2-(n-2)+ b-n 2-(n-1)b-1由此可见 将十进制小数乘以2所得乘积的整数即为将十进制小数每次除去上次所得积中的整数再乘以2，直到

13、满足误差要求进行“四舍五入”为止，就可完成由十进制小数转换成二进制小数。例：将十进制小数(0.39)D转换成二进制数,要求精度达到0.1%解 由于精度要求达到0.1%，需要精确到二进制小数10位，即1/210=1/1024。0.482 = 0.96b-6= 00.392 = 0 78b-1= 00.782 = 1 56b-2= 10.962 = 1.92b-7= 10.562 = 1 12b-3= 10.922 = 1.84b-8= 10.122 = 0 24b-4= 00.842 = 1.68b-9= 10.242 = 0 48b-5= 00.682 = 1.36b-10= 1=0.390.

14、0110001111BD将二进制整数化成十进制数(1) 101101090(2) 100011171将二进制小数化成十进制数(1) .10110.6875(2) .01010.3125将二进制数化成十进制数1111 11127.87543将十进制整数化成二进制数(1) 51110011(2) 951011111将十进制小数化成二进制数(1) .56250.100100(2) .470.011110将十进制数化成二进制数77.541001101.100010441.2.4 十六进制和八进制十六进制 (Hexidecimal)：用十六个数码表示：09，A，B，C，D，E，F遵循逢十六进一，借一当十

15、六的规律16 i(ii = -= 10 +(A6.C)1H45二-十六进制之间的转换二-十六进制数码表二进制数十六进制数二进制数十六进制数00000100080001110019001021010A001131011B010041100C010151101D011061110E011171111F二-十六进制之间的转换n 二进制数转换为十六进制数 以小数点为界，分别往高、往低每4位为一组，最后不足40补充然后写出每组对应的十六进制字符，即为对应位十六进制数。n 十六进制数转换成二进制数 将十六进制的各位数码分别用对应的4位二进制数代入。例1：将二进制数(1111111000111.100101

16、011)b转换成对应的十六进制数。例2：将十六进制数(3AB.4A)h转换成对应的二进制数。48八进制 (Octal)：用八个数码表示：0，1，2，3，4，5，6，7遵循一，借一当八的规律( N )= K 8iOii =-49二-八进制之间的转换二-八进制数码表二进制数十六进制数00000011010201131004101511061117二-八进制之间的转换n 二进制数转换为八进制数 以小数点为界，分别往高、往低每3位为一组，最后不足30补充然后写出每组对应的八进制字符，即为对应八位进制数。n 八进制数转换成二进制数 将八进制的各位数码分别用对应的3位二进制数代入。例1：将二进制数(101

17、00101.01011101)b转换成对应的八进制数例2：将八进制数(367.505)o转换成对应的二进制数52十进制数与二、八、十六进制数对照表53十进制二进制八进制十六进制十进制二进制八进制十六进制00000000910011191000101110101012A2001002211101113B3001103312110014C4010004413110115D5010105514111016E6011006615111117F7011107781000108十六进制的优点1）与二进制之间的转换容易；2）计数容量较其它进制都大。假如同样采用四位数码，( 1111)B =( 15)D；二进

18、制最多可(7777)O = (2800)D；八进制可(9999)D；十进制可(FFFF)H = (65535)D，即64K。其容量最大。十六进制可3）书写简洁。例：将二进制数化成八进制数(1) 1100011(2) .101101(3) 1101.0011将八进制数化成二进制数(1) 271(2) .32(3) 35.26将二进制数化成十六进制数(1) 110010(2) .001101(3) 11010.11101将十六进制数化成二进制数(1) AE(2) .E8(3) 32.A655常用数制间的转换小结二进制3位对应1位4位对应1位1位对应4位1位对应3位八进制十六进制通过二进制二进制十进

19、制八进制十六进制基数乘除法按权展开式56第一章数字逻辑概论1.1 数字信号与数字电路1.2 数制.二进制数的算术运算1.4 二进制代码1.5 二值逻辑变量与基本逻辑运算571.3 二进制数的算术运算1.3.1 无符号二进制数的算术运算无符号二进制加则0+0=0，0+1=1，1+1=10无符号二进制减则0-0=0，1-1=0，1-0=1，0-1=11100101 0111110110111-+550101100192001011010058无符号二进制乘则0 0=0，0 1=1 0=0，1 1=1无符号二进制除则0 1=0，1 1=11. 0 1 11 1 0 1 1 0 1 11 1 0 11

20、 1 0 10 0 0 01 1 11 0 1 01 1 0 01 0 1 0 1 11 1 0 1+1 1. .带符号二进制数的减法运算实数在计算机中的表示真值：真值是指在数值前面用“+”号表示正数,“-”号表示负数的带符号二进制数。数是指在数字系统中用“0”表示符号为数：“ ” 用“1”表示符号为“-”,即把符号“数值化”后的带符号二进制数。Sm00001101 表示数13；10001101 表示数13。60原码在二进制原码表示法中，符号位为0表示正数，符号位为1表示负数，尾数不变。整数0的原码有两种形式61真值原码+xn-1 xn-2 x00xn-1 xn-2 x0-xn-1 xn-2

21、x01xn-1 xn-2 x0原码的优缺点n 原码的优点是容易理解。它和代数中的正负数的表示接近。很n 原码的加则：被加数和加数的符号是同号还是异号：同号时，做加法，结果的符号就是被加数的符号。异号时，先比较被加数和加数的数值(绝对值)的大小，然后由大值减去小值，结果的符号取大值的符号。用上述规则设计加法器较复杂这是原码的缺点。为了简化加法器的设计，必须寻找其他表示负数的。这就是以下所讲的补码和反码。62补码若基数为R，位数为n的原码N，其补码为：N补=Rn-N2补=10-2=846补=102-46=54在十进制数中63补码整数补码的定义设二进制整数 X=xn-1xn-2 x0,则其补码定义为

22、：0X2nXX补=2n+1 +X-2nX 0整数0的补码只有一种形式64补码与原码的符号位与原码相同，0表示正数，1表示负数，数值位与符号相关。正数补码的数值位与原码的数值位相同，负 数补码的数值位是原码的数值位按位取反，再在最低位 加1。65补码的加减法运算补码的加法运算X补+Y补=X+Y补注意：符号位的进位需丢弃例1：已知X=，Y=-0010011，求X+Y例2：已知X=-0011001，Y=-0000110，求X+Y在计算机中进行两个带符号数的加法运算，只要将给定的真值用补码表示，就可以直接进行加法运算。在运算过程中不必加数和被加数的正负，一律作加法，最后将结果转换为真值即可。66补码的

23、减法运算X 补- Y 补=X-Y补= X+ -Y)补= X 补+-Y补在补码中，减法统一于加法。关键是如何很方便地从Y补 求出-Y补，然后做加法。从Y补求-Y补的是： 符号位连同数值位一起取反加1。例1：已知X=，Y=，求X-Y例2：已知X=-0111000，Y=-0010001，求X-Y67反码整数反码的定义设二进制整数 X=xn-1xn-2 x0,则其反码定义为：X0X2nX反=(2n+1-1) +X-2nX 0整数0的反码有两种形式68反码与原码的符号位与原码相同，0表示正数，1表示负数，数值位与 符号相关。正数反码的数值位与原码的数值位相同，负数反码的数值位是原码的数值位按位取反。比较

24、原码、反码、补码可以看出当X为正数时X原=X补=X反当X为负数时X补=X反+169反码的加减法运算反码的加法运算X反+Y反=X+Y反运算时，符号位和数值位一样参加运算。当符号位有进位产生时，进位加到运算结果的最低位，才能得到最后结果。例1：已知X=，Y=-0010011，求X+Y例2：已知X=-0011001，Y=-0000110，求X+Y在计算机中进行两个带符号数的加法运算，只要将给定的真值用反码表示，就可以直接进行加法运算。在运算过程中不必加数和被加数的正负，一律作加法，最后将结果转换为真值即可。70反码的减法运算X 反- Y 反=X-Y反= X+ -Y)反= X 反+-Y反在反码中，减法

25、统一于加法。关键是如何很方便地从Y反 求出-Y反，然后做加法。从Y反求-Y反的是： 符号位连同数值位一起取反。例1：已知X=，Y=，求X-Y例2：已知X=-0111000，Y=-0010001，求X-Y71原码、补码和反码间的相互转换X补数值位不变（符号位为0）数值位加1（符号位为1）数值位不变（符号位为0）数值位减1（符号位为1）X反数值位不变（符号位为0）数值位变反（符号位为1）+、-X真值0,1X原数值位不变724位二进制数原码、反码、补码对照表十进制数二进制数原码反码补码-8-7-6-5-4-3-2-1-0- 1111111011011100- 10001001101010111000

26、10011010101111001101111011110000-(2n-1-1 + 2n-1-1)-(2n-1-1)+(2n-1-1)-2n-1+(2n-1-1)原码反码补码73溢出和溢出的判别例：用4位二进制补码计算5+7+40 1 0 0- 51 0 1 1 +) +3+) +) - 3+)无溢出+7- 80 0 1 1 11 1 0 0 0+20 0 1 0- 31 1 0 1 +) +6+) 0 1 1 0 +) - 6+) 1 0 1 1有溢出+8- 90174进位位与和数的符号位相反时，产生溢出例：将下列二进制数用8位原码表示(1) 11011(2) -111100将下列二进制数

27、用8位补码表示(1) 10101(2) -1110111将下列二进制数用8位反码表示(1) 10011(2) -111011175例：写出与下列二进制原码对应的补码和反码(1) 00110110(2) 10101001写出与下列二进制补码对应的反码和原码(1) 01001110(2) 11001111写出与下列二进制反码对应的补码和原码(1) 00011101(2) 1110100076第一章数字逻辑概论1.1 数字信号与数字电路1.2 数制.二进制数的算术运算1.4 二进制代码1.5 二值逻辑变量与基本逻辑运算771.4 二进制代码1.4.1 二-十进制码n 编码 以一定的规则编制代码，用以

28、表示十进制数值、字母、 符号等过程。n 译码 将代码还原成所表示的十进制数、字母、符号等过程。n 需要编码的信息有N项，对应的二进制数码的位数 为n，N和n需满足 2nN78常用BCD码四种BCD码都是用四位二进制代码表示一位十进制数字。四种BCD码与十进制数之间的转换是以四位对应一位,直接 进行变换。一个n位十进制数对应的BCD码一定为4n位。79十进制数NNBCD（8421）码2421码余3码余3循环码00000000000110010100010001010001102001000100101011130011001101100101401000100011101005010110111

29、000110060110110010011101701111101101011118100011101011111091001111111001010码(weighted code)：例,8421码,2421码。其特点是当知道权值和代码时，就可计算出它代表的十进制值。8421码的0111，它代表08 +14 +12 +11=7（a3a2a1a0）8421码= （8a3+4a2+2a1+a0）102421码的1110，它代表12 +14 +12 +01=8（a3a2a1a0）2421码= （2a3+4a2+2a1+a0）10；808421码的特点：n 编码简单直观，同十进制互换是直接按位转换n

30、具有奇偶性，凡是对应十进制数是奇数的码字，最低位皆为1；凡是对应十进制数是偶数的码字，最低位皆为0。2421码的特点：n 是一种具有自补性的BCD码，简称自补码。即十进制数09十个数符的2421码自身按位取反，得到的另一个2421码为的9补码的2421码表示，即以9为模的补码。811.4.2码码是一种无权码。 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，910011101码仅仅改变一位，这与其它码同时改变2位或的情况相比，更加可靠,且容易检错。82101010111111101111101211001010131101101114111010

31、011511111000十进制数N二进制码 (b3 b2 b1 b0)码(G3 G2 G1 G0)000000000100010001200100011300110010401000110501010111601100101701110100810001100二进制码转换成码码的最与二进制码的最相同nn 从左到右，逐一将二进制码相邻的2位相加（舍去进位），作为码的下一位。例：将二进制码1011转换成码二进制码1+0+1+11110码83码转换成二进制码n 二进制码的最与码的最相同n 将产生的每一个二进制码，与下一位相邻的舍去进位），作为二进制码的下一位。码相加（码1101转换成二进制码例：将1

32、101码+二进制码100184第一章数字逻辑概论1.1 数字信号与数字电路1.2 数制.二进制数的算术运算1.4 二进制代码1.5 二值逻辑变量与基本逻辑运算1.6 逻辑函数及其表示851.5 二值逻辑变量与基本逻辑运算逻辑代数是一个由逻辑变量集K，常量0和1以及“与”、“或”、“非”3种基本运的一个封闭的代数系统，记为L=K, +,算 , -,表示,。常量1和0。它是一个二值代数系假，无大小之分。86逻辑代数的基本运算三种基本运算：非(NOT)逻辑求反非门与(AND)逻辑乘法与门或(OR)逻辑加法或门871. 非逻辑和非运算非逻辑：决定发生（成立），条件具备发生的条件只有一个，条件不具备件不发生。件R