《89C51单片机实用教程》课件第1章

1、第第1章章 数字电路基础数字电路基础 单片机系统的硬件是由电子线路组成，单片机系统的硬件是由电子线路组成，了解和掌握电子电路的原理是学习单片了解和掌握电子电路的原理是学习单片机硬件的基础。机硬件的基础。 电子电路分为两大类：电子电路分为两大类：模拟电路和数字电路模拟电路和数字电路 模拟电路：模拟电路：对模拟信号进行传输对模拟信号进行传输 、处理的电子线路。、处理的电子线路。 模拟量模拟量： 随时间或位置连续变化的物理量随时间或位置连续变化的物理量 （如温度、压力、图像亮度等）。（如温度、压力、图像亮度等）。 数字电路数字电路:对数字信号进行传输、存储、处理的电子线路对数字信号进行传输、存储、处

2、理的电子线路 数字信号数字信号: 是跳变的、间断性的，是离散的信号。是跳变的、间断性的，是离散的信号。 用逻辑门电路、触发器、存储器来处理数字信号。用逻辑门电路、触发器、存储器来处理数字信号。 用电平的高低、电路的通断来表示二进制用电平的高低、电路的通断来表示二进制0、1的数据，的数据， 用脉冲编码表示数字信号用脉冲编码表示数字信号,根据二进制编码进行运算处理根据二进制编码进行运算处理 1.1 逻辑代数逻辑代数 1.1.1 逻辑变量逻辑变量 : 只有两个：只有两个：“0”和和“1”。 1.1.2 逻辑运算逻辑运算:1 .逻辑逻辑“或或”（逻辑（逻辑加加）运算）运算 L=A+B 或者或者 L=A

3、B A B L 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1“或或”的运算法则为：的运算法则为： 0+0=0 , 0+1=1 1+0=1 , 1+1=1A+0=A ,A+1=1 ,A+A=A2. 逻辑逻辑“与与”（逻辑（逻辑乘乘）运算）运算L=AB 或者或者 L=AB“与与”的运算法则为：的运算法则为： 00=0 ， 01=0 ， 10=0 ， 11=1 A0=0，A1=A， AA=A A B L 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 13、逻辑、逻辑“非非”（逻辑取（逻辑取反反）运算）运算 L= A “非非”的运算法则为：的运算法则为： 0 = 1 ，1 = 0 A + A = 1

4、， AA = 0 ， A = A A L 0 1 1 01.1.3 逻辑代数的运算规则逻辑代数的运算规则 1、交换律、交换律 对于任意逻辑变量对于任意逻辑变量A、B，有：，有： A + B = B + A AB = BA 2、结合律、结合律 对于任意逻辑变量对于任意逻辑变量A、B、C，有：，有： （A+B）+ C = A+（B+C） （AB）C = A（BC）3、分配律、分配律 对于任意逻辑变量对于任意逻辑变量A、B、C，有：，有： A +（BC）= （A + B）（A + C） A(B + C) = AB + AC4、摩根定律、摩根定律 对于任意逻辑变量对于任意逻辑变量A、B，有：，有： A

5、 + B = A B AB = A + B “上面砍一刀，下面变个号上面砍一刀，下面变个号” 1.1.4 逻辑函数的简化逻辑函数的简化通常有两种方法：代数化简法和卡诺图化简法。通常有两种方法：代数化简法和卡诺图化简法。 代数化简法又称为公式化简法：代数化简法又称为公式化简法：运用逻辑代数的公理、定理和运算法则对逻辑运用逻辑代数的公理、定理和运算法则对逻辑函数进行化简。函数进行化简。 卡诺图化简法又称为图解化简法：卡诺图化简法又称为图解化简法： 利用卡诺图来化简。利用卡诺图来化简。n个变量的卡诺图是一种个变量的卡诺图是一种 由由2n个方格构成的图形。通过对图上表征相个方格构成的图形。通过对图上表

6、征相 邻最小项的相邻小方格进行合并，求出函数邻最小项的相邻小方格进行合并，求出函数 的最简的最简“与与-或或”表达式和最简表达式和最简“或或-与与”表表达式。达式。代数化简法代数化简法 ：例例1：化简：化简 （A+B）（）（A+C）解：解： （A+B）（）（A+C）= AA + AB + AC + BC = A + AB + AC + BC = A（1+B）+ AC + BC = A（1+C）+ BC = A + BC 例例2：证明：证明 A + A B = A + B证：证： 根据上题结果：根据上题结果：A + BC = （A+B）（）（A+C） 以以 C = A 代入该式，得到：代入该式，

7、得到： A + A B = （A + A）（）（A + B） = A + B 例例3：证明证明 A + B = AB 证：证： 等式左右两边同乘以等式左右两边同乘以 （A + B） 得出得出： 左左= （A + B ）（）（A + B） = 0 AA =0 右右= AB（A + B） = ABA + ABB =0 由此由此 A + B = AB 此式即为摩根定律此式即为摩根定律例例4：化简化简 A C + A B C + A C D + C D解：解： A C + A B C + A C D + C D = A（C + B C）+ C（A D + D） = A（C + B）（）（C + C）

8、+ C（A + D）（）（D + D） = A C + A B + C A + C D = A（C + C）+ A B + C D = A + A B + C D = A + C D 1.2 数字电路数字电路 1.2.1 数字电路数字电路 分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。 l 组合逻辑电路组合逻辑电路：产生的稳定的输出信号只和当时产生的稳定的输出信号只和当时各输入信号的组合有关，而与过去的输入值无关。各输入信号的组合有关，而与过去的输入值无关。 （1）由逻辑门电路组成）由逻辑门电路组成,不包含任何记忆元件。不包含任何记忆元件。（2）输入信号是单向传输

9、的，不存在任何反馈回路。）输入信号是单向传输的，不存在任何反馈回路。l 时序逻辑电路时序逻辑电路：在任何时刻电路的稳定输出信号不在任何时刻电路的稳定输出信号不仅和当时的输入信号有关，而且还与电路过去的输入及仅和当时的输入信号有关，而且还与电路过去的输入及状态有关状态有关。电路中必须有记忆元件电路中必须有记忆元件 。1.2.2 组合逻辑电路组合逻辑电路 1、逻辑门电路、逻辑门电路 、“与与”门门 Y = A1A2A3An 或或 Y = A1A2A3An 、“或或”门门 Y = A1+ A2 + A3+ An 或或 Y=A1A2A3An 、“非非”门门Y= A 、“异或异或”门门0 0=0 0 1

10、=1 1 0=1 1 1=0 Y =A B = A B + A B 、三态门、三态门 l 三态门有三种输出状态：低电平三态门有三种输出状态：低电平(“0”)、高电平、高电平(“1”) 高阻抗状态（断开）高阻抗状态（断开） l 有一个输入端有一个输入端DI和一个输出端和一个输出端DO,还有一个控制端还有一个控制端C。 C为有效电平时，作用和普通的逻辑门相同。为有效电平时，作用和普通的逻辑门相同。 当控制端当控制端C为无效电平时，三态门处于高阻状态，为无效电平时，三态门处于高阻状态， （a） C=0有效有效 （b） C=1有效有效l 连接在总线上的部件通常采用三态门与总线相连连接在总线上的部件通常

11、采用三态门与总线相连,作作 为总线开关。为总线开关。 2、三态数据缓冲器、三态数据缓冲器 三态缓冲器由若干个三态门和一些控制逻辑电路组成。三态缓冲器由若干个三态门和一些控制逻辑电路组成。 三态门就像一个加了开关的驱动器。三态门就像一个加了开关的驱动器。 8路数据缓冲器路数据缓冲器 74LS2448个三态缓冲门个三态缓冲门,分为两组分分为两组分别由三态门控制信号别由三态门控制信号1G和和2G控制。控制。u 当控制端当控制端G为低电平时，为低电平时， 输入信号输入信号A传送到输出传送到输出Y，u 当当G信号为高电平时，信号为高电平时， 输出端输出端Y为高阻态为高阻态 双向数据缓冲器双向数据缓冲器

12、74LS245包含有包含有8个双向、三态的缓冲门，个双向、三态的缓冲门， 有两个公共的控制端：有两个公共的控制端： 三态门控制信号三态门控制信号G， 方向控制端方向控制端DIR。G DIR 常用在存储器、外设和计算常用在存储器、外设和计算 机系统的数据总线连接。机系统的数据总线连接。 3、译码器、译码器 l 译码器有译码器有n个输入变量，有个输入变量，有2 n个对应输出信号。个对应输出信号。 每一个输出对应一组输入每一个输出对应一组输入n变量的最小项。变量的最小项。 l 三三八译码器八译码器74LS138 u三个输入端三个输入端: C、B和和Au 对应对应23 八个输出信号八个输出信号: Y0

13、 YIY7 , 低电平有效低电平有效u 三个控制端三个控制端:G1G2AG2B当当G1=1 G2A=0 G2B=0时时: 对输入代码进行译码对输入代码进行译码.否则，不允进行译码，否则，不允进行译码，8个个输出端都为输出端都为“1”。例例:用用74LS138译码器对译码器对EPROM存储器芯片进行地址译码存储器芯片进行地址译码 G1G2AG2BCBA地址范围地址范围A15A15A15A14A13A121#1000000000H0FFFH2#1000011000H1FFFH1.2.3 时序逻辑电路时序逻辑电路 l 特点特点: 任何时刻任何时刻,电路稳定的输出信号与该时刻电路电路稳定的输出信号与该

14、时刻电路的输入信号有关的输入信号有关,而且与电路过去的输入及状态有关。而且与电路过去的输入及状态有关。l 分为同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路两种分为同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路两种 ：u 同步时序逻辑电路：有统一的时钟脉冲信号。同步时序逻辑电路：有统一的时钟脉冲信号。 u 异步时序逻辑电路中：没有统一的时钟脉冲异步时序逻辑电路中：没有统一的时钟脉冲 , 电路状态的改变是由输入信号的变化直接引起。电路状态的改变是由输入信号的变化直接引起。 l 最重要的组成是存储元件，通常采用触发器构成。最重要的组成是存储元件，通常采用触发器构成。l 包括各种触发器，以及在其基础上形成的寄存器、包括各种

15、触发器，以及在其基础上形成的寄存器、锁存器、计数器等电路，也包括各种半导体存储器。锁存器、计数器等电路，也包括各种半导体存储器。 1、触发器、触发器l 特点：特点：u 触发器有两种稳定状态，表示逻辑状态的触发器有两种稳定状态，表示逻辑状态的“0”和和“1”；u 当接收到触发脉冲时，可以由一种稳定状态翻转到另当接收到触发脉冲时，可以由一种稳定状态翻转到另 一种稳定状态一种稳定状态 。u 在触发条件消失后，触发器能将获得的新状态保存下在触发条件消失后，触发器能将获得的新状态保存下 来，直至下一个触发脉冲出现。来，直至下一个触发脉冲出现。 l 基本的触发器有基本的触发器有R-S触发器、触发器、J-K

16、触发器、触发器、T触触 发器、发器、D触发器等多种。触发器等多种。l 计算机的电路中计算机的电路中,最常用的触发器是最常用的触发器是D触发器。触发器。 D触发器触发器 （a）电路结构）电路结构 （b）逻辑符号）逻辑符号 (c) 功能表功能表l 逻辑功能：逻辑功能：u 为输入信号为输入信号,为触发器的时钟脉冲，它有两个状为触发器的时钟脉冲，它有两个状态是互补的输出信号和。态是互补的输出信号和。u 当无时钟脉冲信号，触发器保持原来的状态不变当无时钟脉冲信号，触发器保持原来的状态不变.u 当时钟脉冲作用时当时钟脉冲作用时,D触发器的状态完全取决于当时触发器的状态完全取决于当时 的输入信号的输入信号D

17、,与原先的状态无关。写作：与原先的状态无关。写作：Qn+1=Dnl 用触发器作为基本逻辑单元可以实现锁存器、寄存器、用触发器作为基本逻辑单元可以实现锁存器、寄存器、计数器等逻辑电路。计数器等逻辑电路。2 、锁存器、锁存器 锁存器是具有记忆功能的逻锁存器是具有记忆功能的逻辑电路。往往将若干个触发器组辑电路。往往将若干个触发器组装在一块芯片中，它们共用一个装在一块芯片中，它们共用一个时钟引脚，可以同时锁存总线上时钟引脚，可以同时锁存总线上的多位信号。的多位信号。 8D触发器触发器 74LS373输出控制输出控制OE允许信号允许信号G数据输入数据输入D数据输出数据输出O低低高高高高高高低低高高低低低

18、低低低低低锁存锁存高高高阻态高阻态3、寄存器、寄存器 l 寄存（存放）数据或信息的逻辑电路。由触发器组成。寄存（存放）数据或信息的逻辑电路。由触发器组成。l 具有接收数据、存放数据和传送数据的功能。具有接收数据、存放数据和传送数据的功能。 l 分类分类：基本寄存器：只具有寄存数据的功能。：基本寄存器：只具有寄存数据的功能。 移位寄存器：能寄存数据，还有移位功能，移位寄存器：能寄存数据，还有移位功能， 包括有左移、右移以及双向移位寄存器。包括有左移、右移以及双向移位寄存器。 l 例例：四位左移移位寄存器：四位左移移位寄存器 4、计数器、计数器 l 功能功能：是对输入脉冲进行计数的时序电路。：是对

19、输入脉冲进行计数的时序电路。 不仅可以对输入脉冲计数不仅可以对输入脉冲计数,而且可以进行定时操作。而且可以进行定时操作。 l 分类分类：按工作方式分为同步计数器和异步计数器；：按工作方式分为同步计数器和异步计数器； 按进位制分为二进制、十进制和任意进制计数器；按进位制分为二进制、十进制和任意进制计数器； 按功能加法、减法和加按功能加法、减法和加/减法可逆计数器；减法可逆计数器； 按操作分为通用计数器和可编程计数器。按操作分为通用计数器和可编程计数器。 l 例例：由：由D触发器构成的四位二进制异步加法计数器触发器构成的四位二进制异步加法计数器 1.3 数字集成电路数字集成电路 1.3.1 数字电

20、路元器件数字电路元器件 1. 开关二极管开关二极管l 二极管的特点二极管的特点:单向导电。两个极：正极和负极。单向导电。两个极：正极和负极。l 分类：分类：开关二极管开关二极管 ,整流二极管整流二极管,稳压二极管、稳压二极管、,发光二极管等。发光二极管等。l 开关二极管：利用单向导电的特性，起到开关作用。开关二极管：利用单向导电的特性，起到开关作用。u 当硅二极管当硅二极管D两端电压两端电压 Vd 0.7V： 二极管处于导通状态。二极管处于导通状态。u 当处于导通状态时，在二极管本身当处于导通状态时，在二极管本身有一定的电压降，硅管为有一定的电压降，硅管为0.7V. 2. 开关三极管开关三极管

21、根据材料和工艺，三极管分为双极型和根据材料和工艺，三极管分为双极型和MOS型两种。型两种。 双极型三极管双极型三极管:l 由由P型和型和N型材料烧结而成型材料烧结而成,为电流控制有源元件。为电流控制有源元件。 l 三个极称为基极（三个极称为基极（b）,发射极（发射极（e）和集电极（）和集电极（c） l 又分为又分为NPN和和PNP两种两种 ：l NPN晶体管开关原理晶体管开关原理 ：如图如图 ：u 当输入电压当输入电压ui为高电平（为高电平（1）: 输出输出uo=0.3V ,即输出为即输出为“0”。u 当输入电压当输入电压ui为低电平（为低电平（0）: 输出输出uo为高电平为高电平 ,为为“1

22、”。u 在三极管工作于开关状态时在三极管工作于开关状态时, 相当于一个反相器。相当于一个反相器。 .MOS型三极管型三极管 l 金属氧化物半导体，又称绝缘栅场效应管。金属氧化物半导体，又称绝缘栅场效应管。 l 根据工艺分为根据工艺分为PMOS,NMOS,CMOS,CHMOS等。等。 它是电压控制的元件。它是电压控制的元件。 l 三个极：三个极：l MOS三极管开关原理三极管开关原理 ：u 漏极漏极D和源极和源极S间可等效看成一个间可等效看成一个 受栅极控制的无触点的开关。受栅极控制的无触点的开关。u 当栅极和源极间电压当栅极和源极间电压VGS大于大于 MOS管开启电压管开启电压VT时时,漏极漏

23、极D和源和源 极极S间无电流间无电流,相当于开关断开。相当于开关断开。u 当当VGS小于小于VT时时,漏极漏极D和源极和源极S间间 有电流流过，相当于开关导通。有电流流过，相当于开关导通。1.3.2 TTL数字集成电路数字集成电路 集成电路集成电路IC：在一块半导体芯片上集成若干个元器：在一块半导体芯片上集成若干个元器件。件。 TTL集成电路：晶体管集成电路：晶体管-晶体管逻辑电路简称晶体管逻辑电路简称,主要由双主要由双 极型三极管组成。常用的为极型三极管组成。常用的为SN74/54系列。系列。54系列为军系列为军 用产品级别，用产品级别，74系列为工业产品和民用产品级别。系列为工业产品和民用

24、产品级别。 品种：品种： 74/54系列为普通标准系列；系列为普通标准系列； 74F/54F系列为高速系列；系列为高速系列； 74S/54S系列为肖特基系列；系列为肖特基系列； 74LS/54LS系列为低功耗肖特基系列；系列为低功耗肖特基系列； 74ALS/54ALS为高性能型系列；为高性能型系列； 74HC/54HC为高速通用型系列等。为高速通用型系列等。TTL集成电路集成电路74系列的主要技术指标：系列的主要技术指标： 电源电压：电源电压：4.75V 5.25V （5V5%） 输入参数输入参数: 输入低电平电压输入低电平电压 VIL0.8V； 输入低电平电流输入低电平电流 IIL=-0.4

25、ma (74LS系列系列); 输入高电平电压输入高电平电压 VIH 2V； 输入高电平电流输入高电平电流 IIH= 20a (74LS系列系列)输出参数：输出高电平电压输出参数：输出高电平电压 VOH2.4V 输出高电平电流输出高电平电流 IOH=0.4ma 输出低电平电压输出低电平电压 VOL0.4V 输出低电平电流输出低电平电流 IOL=-8ma (74LS系列系列)工作温度：工作温度：类（军品）：类（军品）：-55 +125（54系列）系列） 类（工业）：类（工业）：-40 +85 （74系列）系列） 类（民品）：类（民品）： 0 +70 （74系列）系列） 1.3.3 CMOS 数字集

26、成电路数字集成电路 MOS是金属氧化物半导体，是金属氧化物半导体，MOS晶体管又称绝缘场效应管晶体管又称绝缘场效应管CMOS管管:PMOS和和NMOS管组合的对称互补复合场效应管管组合的对称互补复合场效应管CMOS数字电路数字电路:CMOS管和电阻管和电阻,电容等元器件集成的电路电容等元器件集成的电路 常用的常用的CMOS数字电路的型号：数字电路的型号：国产型号：国产型号：CC4000系列，其工作电压范围为系列，其工作电压范围为318V C000系列，其工作电压范围为系列，其工作电压范围为715V通用型号：通用型号：4000系列，其工作电压范围为系列，其工作电压范围为 318V 高速型号：高速

27、型号：74HC系列，工作电压范围为系列，工作电压范围为 26V 74HCU系列，工作电压范围为系列，工作电压范围为 4.5V5.5V 74HCT系列，工作电压范围为系列，工作电压范围为 26V CMOS数字电路的主要技术参数：数字电路的主要技术参数： 电源电压：电源电压：4000系列芯片的工作电压为系列芯片的工作电压为318V， 高速高速74HC系列芯片的工作电压范围为系列芯片的工作电压范围为26V。输入参数：输入高电平的最小电压输入参数：输入高电平的最小电压VIH为为70%电源电压，电源电压， 输入低电平的最大电压输入低电平的最大电压VIL为为30%电源电压，电源电压，输出参数：输出高电平电

28、压输出参数：输出高电平电压VOH： 4000系列：系列：VOH=4 .95V(5V电源电源),VOH=14 .95V(15V电源电源)； 74HC系列：系列：VOH=(VCC0.1)V （电源电压（电源电压VCC）。）。 输出低电平电压输出低电平电压VOL： 4000系列：系列：VOL=0.05V , 74HC系列：系列：VOL=0.1V (5V电源电源) 输出电流输出电流IOH、IOL随型号不同而异。随型号不同而异。 工作温度：陶瓷扁平封装芯片：工作温度：陶瓷扁平封装芯片： 55+100 陶瓷双列直插封装芯片：陶瓷双列直插封装芯片：55+125 塑料双列直插封装芯片：塑料双列直插封装芯片：40+85 CMOS数字电路的特点：数字电路的特点：.CMOS数字电路工作速