ch01-1数字逻辑基础

1、School of Communication and Electronic EngineeringSchool of Communication and Electronic Engineering1.1.数字逻辑概论数字逻辑概论2.2.逻辑代数逻辑代数3.3.逻辑门电路逻辑门电路4.4.组合逻辑电路组合逻辑电路5.5.锁存器与触发器锁存器与触发器6.6.时序逻辑电路时序逻辑电路7.7.存储器存储器9.9.模数与数模转换器模数与数模转换器8.8.脉冲波形的变换与产生脉冲波形的变换与产生序言序言课程介绍课程介绍1. 课程的性质课程的性质3. 课程研究内容课程研究内容5. 教材和参考书教材和参考

2、书4. 课程特点与学习方法课程特点与学习方法2. 教学目标教学目标序言序言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入门性质的重要课程是电气信息类专业具入门性质的重要的专业基础课。的专业基础课。 1.课程性质课程性质 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.课程目标课程目标1、正确分析、设计数字电

3、路，特别是集成电路的基础；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为进一步学习设计专用集成电路(ASIC)的基础。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。 硬件硬件 处理数字信号的电子电路及其逻辑功能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分析方法 数字电路的设计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各种典型器件在电子系统中的应用软件软件 系统分析、设计的软件工具系统分析、设计的软件工具ABEL、VHDL、 VerlogHD

4、L、EDA工具软件工具软件QuartusII等等3. 课程研究内容课程研究内容a a、发展快、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)摩尔定律摩尔定律: :集成度按集成度按10倍倍/ /6年的速度年的速度发展。发展。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、掌握基本概念、基本电路和基本分析、设计方法基本概念、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

5、问题的能力。能力。 阎石阎石数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版 高等教育出版社高等教育出版社 罗杰罗杰电子技术基础（数字部分）习题全解电子技术基础（数字部分）习题全解 高教出版社高教出版社 康华光康华光电子技术基础（数字部分）电子技术基础（数字部分）第五版第五版 高教出版社高教出版社1.1.数字逻辑基础数字逻辑基础1.1 数字电路与数字信号数字电路与数字信号1.2 数制数制1.3 二进制数的算术运算二进制数的算术运算1.4 二进制代码二进制代码1.5 二值逻辑变量与基本逻辑运算二值逻辑变量与基本逻辑运算1.6 逻辑函数及其表示方法逻辑函数及其表示方法1.1.1 数字技术的发展及其应用

6、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数字集成电路的分类及特点1.1.3 模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号1.1.4 数字信号的描述方法数字信号的描述方法1.1 数字电路与数字信号数字电路与数字信号1.1.1数字技术的发展及其应用数字技术的发展及其应用1.1数字电路与数字信号数字电路与数字信号80年代后年代后- ULSI ， 1 0 亿个晶体管亿个晶体管/片片 、 ASIC 制作技术成熟制作技术成熟目前目前- 芯片内部的布线细微到亚微米芯片内部的布线细微到亚微米(0.130.09 m)量级量级微处理器的时钟频率高达微处理器的时钟频率高达3GHz（109Hz）90年代后年

7、代后- 97年一片集成电路上有年一片集成电路上有40亿个晶体管。亿个晶体管。6070代代-IC技术迅速发展：技术迅速发展：SSI、MSI、LSI 、VLSI。10万个晶体管万个晶体管/片。片。将来将来- 高分子材料或生物材料制成密度更高、三维结构的电路高分子材料或生物材料制成密度更高、三维结构的电路发展特点发展特点: :以电子器件的发展为基础以电子器件的发展为基础电子管时代电子管时代1906年，福雷斯特等发明了电子管；电子管年，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一些大功率发射装置中使用。电压控制器件

8、电压控制器件电真空技术电真空技术晶体管时代晶体管时代电流控制器件电流控制器件 半导体技术半导体技术半导体二极管、三极管半导体二极管、三极管器件器件半导体集成电路半导体集成电路电路设计方法电路设计方法伴随器件变化从传统走向现代伴随器件变化从传统走向现代a)a)传统的设计方法：传统的设计方法：b)b)现代的设计方法：现代的设计方法：采用自下而上的设计方法；由人工组装采用自下而上的设计方法；由人工组装, ,经反复调试、验证、经反复调试、验证、修改完成。所用的元器件较多，电路可靠性差修改完成。所用的元器件较多，电路可靠性差, ,设计周期长。设计周期长。现代现代EDA技术实现硬件设计软件化。采用从上到下

9、设计方技术实现硬件设计软件化。采用从上到下设计方法，电路设计、法，电路设计、 分析、仿真分析、仿真 、修订、修订 全通过计算机完成。全通过计算机完成。EDA技术以计算机为基本工具、借助于软件设计平台，自动完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。芯片，实现系统功能。使硬件设计软件化。1、设计：、设计：在计算机上利用软件平台进行设计在计算机上利用软件平台进行设计原理图设计原理图设计VerlogHDL语言设计语言设计状态机设计状态机设计设计方法

10、设计方法EDA（Electronics Design Automation)技术技术3 3、下载、下载2 2、仿真、仿真4 4、验证结果、验证结果实验板实验板下载线下载线数字技术数字技术根据电路的结构特点及其对输入信号的响应规则的不同，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。数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。 从集成度不同从集成度不同 -数字集成电路可分为小规模、中规模、大规模、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。超大规模和甚大规模五类。 从电路的形式不同，从电路的形式不同， -数字电路可分为集成电路

11、和分立电路数字电路可分为集成电路和分立电路从器件不同从器件不同 -数字电路可分为数字电路可分为TTL 和和 CMOS电路电路1 1、数字集成电路的分类、数字集成电路的分类1.1.2、数字集成电路的分类及特点、数字集成电路的分类及特点可编程逻辑器件、多功能专用集成电可编程逻辑器件、多功能专用集成电路路106以上以上甚大规模甚大规模大型存储器、微处理器大型存储器、微处理器10,00099,999超大规模超大规模小型存储器、门阵列小型存储器、门阵列1009999大规模大规模计数器、加法器计数器、加法器1299中规模中规模逻辑门、触发器逻辑门、触发器最多最多12个个小规模小规模典型集成电路典型集成电路

12、门的个数门的个数分类分类集成度集成度: :每一芯片所包含的门个数每一芯片所包含的门个数2、数字集成电路的、数字集成电路的特点特点1)电路简单电路简单, ,便于大规模集成便于大规模集成, ,批量生产批量生产2)可靠性、稳定性和精度高可靠性、稳定性和精度高, ,抗干扰能力强抗干扰能力强3)体积小体积小, ,通用性好通用性好, ,成本低成本低. .4)具可编程性具可编程性, ,可实现硬件设计软件化可实现硬件设计软件化5)高速度高速度 低功耗低功耗6)加密性好加密性好 3、数字电路的分析、设计与测试数字电路的分析、设计与测试(1)数字电路的分析方法数字电路的分析方法数字电路的分析数字电路的分析: :根

13、据电路确定根据电路确定电路输出与输入之间的逻辑关系。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方法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器件，设计出符合要求的逻辑电路。 设计方式设计方式: :分为传统的设计方式和基于分为传统的设计方式和基于EDA软件的设计方式。软件的设计方式。 分析工具：分析工具：逻辑代数。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。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、

14、三角波等时间和数值均连续变化的电信号，如正弦波、三角波等 u uOt Otu u1.1.3 数字信号与数字信号数字信号与数字信号数字信号波形数字信号波形2 2、数字信号、数字信号 -在时间上和数值上均是离散的信号。在时间上和数值上均是离散的信号。3 3、模拟信号的数字表示、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为数字信号. . 0 0 模拟信号模拟信号 模数转换器模数转换器 3 3 V V 数字输出数字输出 0 0 0 0 1 1 模数转换的实现模数转换的实现电压电压(V)(V)二值逻辑二值逻辑电

15、电 平平+51H( (高电平高电平) )00L( (低电平低电平) )逻辑电平与电压值的关系（正逻辑）逻辑电平与电压值的关系（正逻辑）1.1.4 数字信号的描述方法数字信号的描述方法1 1、二值数字逻辑和逻辑电平、二值数字逻辑和逻辑电平 a a 、在电路中用低、高电平表示、在电路中用低、高电平表示0 0、1 1两种逻辑状态两种逻辑状态 0 0、1 1数码数码-表示方式表示方式二值数字逻辑二值数字逻辑 - -(a) (a) 用逻辑电平描述的数字波形用逻辑电平描述的数字波形(b) 16(b) 16位数据的图形表示位数据的图形表示2 2、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

16、表示是信号逻辑电平对时间的图形表示. .高电平高电平低电平低电平有脉冲有脉冲* *非归零型非归零型* *归零型归零型 比特率比特率 - - 每秒钟转输数据的位数每秒钟转输数据的位数无脉冲无脉冲(1)(1)数字波形的两种类型数字波形的两种类型: :(2)(2)周期性和非周期性周期性和非周期性 非周期性数字波形非周期性数字波形周期性数字波形周期性数字波形 例例1.1.1 某通信系统每秒钟传输某通信系统每秒钟传输15440001544000位位(1.544(1.544兆位兆位) )数数据，求每位数据的时间。据，求每位数据的时间。ns648s1067647s105441916 .解：解：按题意，每位数

17、据的时间为按题意，每位数据的时间为例例1.1.2 设周期性数字波形的高电平持续设周期性数字波形的高电平持续6ms，低电平持续，低电平持续10ms，求占空比求占空比q。%.%q537100ms16ms6 解：解：因数字波形的脉冲宽度因数字波形的脉冲宽度tw=6ms，周期，周期T=6ms+10ms=16ms。非理想脉冲波形非理想脉冲波形(3)(3)实际脉冲波形及主要参数实际脉冲波形及主要参数几个主要参数几个主要参数: :占空比占空比 Q - - 表示脉冲宽度占整个周期的百分比表示脉冲宽度占整个周期的百分比上升时间上升时间t tr r 和下降时间和下降时间t tf f -从脉冲幅值的从脉冲幅值的10%到到90% 上升上升 下降所经历的时间下降所经历的时间( ( 典型值典型值ns ) )脉冲宽度脉冲宽度 (tw )- 脉冲幅值的脉冲幅值的50%50%的两个时间所跨越的时间的两个时间所跨越的时间周期周期 (T) - - 表示两个相邻脉冲之间的时间间隔表示两个相邻脉冲之间的时间间隔 tr脉冲宽度脉冲宽度 t