数字逻辑电路第一单元课件

1、数数 字字 电电 子子 技技 术术2013201402数字电子技术数字电子技术2022-6-182v 课程的重要性课程的重要性 在信息时代，数字电路无处不在。家电、在信息时代，数字电路无处不在。家电、通讯、计算机、自控、互联网和仪器仪表等广泛通讯、计算机、自控、互联网和仪器仪表等广泛应用数字技术。应用数字技术。 数电是电类专业学生的一门看家本事。数电是电类专业学生的一门看家本事。 在大学期间，许多的后续课程与数电知识在大学期间，许多的后续课程与数电知识有关。如：计算机原理、单片机原理、电子工程有关。如：计算机原理、单片机原理、电子工程设计、毕业设计等等。设计、毕业设计等等。引引 言言数字电子技

2、术数字电子技术2022-6-183v 本课程是数字电路知识的入门课程，非常重要但远远不够。本课程是数字电路知识的入门课程，非常重要但远远不够。要解决复杂的实际问题，必须学会使用先进的工具，使设要解决复杂的实际问题，必须学会使用先进的工具，使设计工作更方便、更高效、更可靠。计工作更方便、更高效、更可靠。v 学习电子设计自动化（学习电子设计自动化（EDA）软件，如：）软件，如： Data I/O公司的公司的 Synario Altera公司的公司的 Max+plus IIv 学习硬件描述语言学习硬件描述语言(HDL)，如：，如：VHDL， AHDLv 有些软件可以从网上免费下载，有时间学习一下。有

3、些软件可以从网上免费下载，有时间学习一下。数字电子技术数字电子技术2022-6-184v 学习方法提示学习方法提示1. 强调基本概念的掌握强调基本概念的掌握; 2. 掌握基本的分析、设计方法（难度和复杂程度都不掌握基本的分析、设计方法（难度和复杂程度都不是很大，以例题、作业为准）是很大，以例题、作业为准）;3. 在集成电路的内部原理和外部特性中，以外部特性在集成电路的内部原理和外部特性中，以外部特性的理解为主的理解为主;4. 要合理的记笔记，特别是一些典型例题。要合理的记笔记，特别是一些典型例题。5. 许多考试内容，都会在讲课中提及、强调。许多考试内容，都会在讲课中提及、强调。 关于作业关于作

4、业 全部批改，登记；全部批改，登记； 做题要求抄写题目；做题要求抄写题目； 表题工整，图、标用尺画；表题工整，图、标用尺画； 一周一周交一次作业，暂定为交一次作业，暂定为周三周三数字电子技术数字电子技术2022-6-185 关于期末考核关于期末考核总评成绩总评成绩=期末考试卷面成绩（期末考试卷面成绩（70%）+ 平时成绩平时成绩（30%）（1）基本分（）基本分（85分）：分）：p作业全部上交（缺作业全部上交（缺1次次扣扣5分）分）p考勤满勤（缺考勤满勤（缺1次扣次扣5分）分）p参加期中测验参加期中测验（2）加分（酌情加）加分（酌情加515分）：分）：p班长喊起立班长喊起立p学委收发作业学委收发

5、作业p帮助擦黑板帮助擦黑板p主动回答课堂提问主动回答课堂提问p主动参加答疑主动参加答疑平时成绩组成平时成绩组成数字电子技术数字电子技术2022-6-186第一章第一章第二章第二章第三章第三章第四章第四章第五章第五章第六章第六章第七章第七章第八章第八章第九章第九章数字逻辑概论数字逻辑概论逻辑门电路逻辑门电路组合逻辑电路组合逻辑电路锁存器和触发器锁存器和触发器时序逻辑电路时序逻辑电路脉冲波形的变换与产生脉冲波形的变换与产生 (555定时器定时器)存储器、存储器、复杂可编程器件和现场可编程门阵列复杂可编程器件和现场可编程门阵列数模与模数转换器数模与模数转换器逻辑代数逻辑代数与硬件描述语言基础与硬件描

6、述语言基础课程内容概括：课程内容概括：数字电子技术数字电子技术2022-6-187内容简介内容简介1. 数字信号、数字技术等基本概念数字信号、数字技术等基本概念2. 常用的各种进制数、码制常用的各种进制数、码制3. 二进制的算术运算和数字逻辑的基本运算二进制的算术运算和数字逻辑的基本运算第第1 1章章 数字逻辑概论数字逻辑概论数字电子技术数字电子技术2022-6-188数字电路的分类数字电路的分类2、按所用器件制作工艺的不同：双极型（、按所用器件制作工艺的不同：双极型（TTL型）、型）、单极型（单极型（MOS型）型）3、按电路的结构和对输入信号响应规则的不同：、按电路的结构和对输入信号响应规则

7、的不同：组合逻辑电路组合逻辑电路（没有记忆功能，其输出信号只与当（没有记忆功能，其输出信号只与当时的输入信号有关，而与电路以前的状态无关）时的输入信号有关，而与电路以前的状态无关）时序逻辑电路时序逻辑电路（具有记忆功能，其输出信号不仅和（具有记忆功能，其输出信号不仅和当时的输入信号有关，而且与电路以前的状态有关）当时的输入信号有关，而且与电路以前的状态有关）1、按电路结构的不同：分立元件电路、集成电路、按电路结构的不同：分立元件电路、集成电路1.1 数字电路与数字信号数字电路与数字信号数字电子技术数字电子技术2022-6-1894、按集成度分：按集成度分： 集成度：每块集成电路芯片中包含的元器

8、件数目集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目 小规模集成电路小规模集成电路 (Small Scale IC，SSI) 中规模集成电路中规模集成电路 (Medium Scale IC，MSI) 大规模集成电路大规模集成电路 (Large Scale IC，LSI) 超大规模集成电路超大规模集成电路 (Very Large Scale IC，VLSI) 特大规模集成电路特大规模集成电路 (Ultra Large Scale IC，ULSI) 巨大规模集成电路巨大规模集成电路 (Gigantic Scale IC，GSI）数字电子技术数字电子技术2022-6-1810数字电路的特点数字电路的特点

9、（1 1）稳定性高，结果的再现性好。稳定性高，结果的再现性好。数字电路的抗干扰能力强，因而可靠。在信号的传送过程中，数字传送比模拟传送也要可靠的多。（2 2）易于设计。易于设计。数字电路只有0、1两种状态，对电路精度要求不高，因此分析、设计也相对较容易。（3 3）大批量生产，成本低廉。大批量生产，成本低廉。数字电路结构简单，通用性强，便于集成化生产。（4 4）可编程性。可编程性。（5 5）高速度，低功耗。高速度，低功耗。集成度高。数字电子技术数字电子技术2022-6-1811 数字电路的分析、设计与测试（1 1）分析方法）分析方法 数字电路的研究对象是电路的输入与输出之间的逻辑关系，数字电路的

10、研究对象是电路的输入与输出之间的逻辑关系，三极管工作在开关状态，所以，分析方法不能再是模拟电路中三极管工作在开关状态，所以，分析方法不能再是模拟电路中的的图解法图解法、微变等效电路法微变等效电路法，而是采用，而是采用布尔代数布尔代数、真值表、功真值表、功能表、逻辑表达式能表、逻辑表达式或或波形图波形图等。等。（3 3）测试技术）测试技术 测试设备为：数字万用表、电子示波器等。具体测试技测试设备为：数字万用表、电子示波器等。具体测试技术将在实验课中详细介绍。术将在实验课中详细介绍。（2 2）设计方法）设计方法设计是从给定的逻辑功能要求出发，确定输入、输出变量，设计是从给定的逻辑功能要求出发，确定

11、输入、输出变量，选择适当的逻辑器件，设计出符合要求的逻辑电路。选择适当的逻辑器件，设计出符合要求的逻辑电路。数字电子技术数字电子技术2022-6-1812模拟信号模拟信号 模拟信号是在模拟信号是在时间时间和和幅值幅值上都连续变化的上都连续变化的信号信号，例如正弦波、指数函数等，例如正弦波、指数函数等 ，如图，如图1.1(a)所示。所示。 对模拟信号进行传输、处理的电子线路称对模拟信号进行传输、处理的电子线路称为为模拟电路模拟电路。 O t 图图1.1 (a) 模拟信号波形模拟信号波形 模拟信号模拟信号和数字信号数字电子技术数字电子技术2022-6-1813ut图图1.1(b) 数字信号波形数字

12、信号波形 数字信号是在数字信号是在幅值幅值上不连续，取一定上不连续，取一定离散离散数值的数值的信号，通常是由数字信号，通常是由数字0和和1，也可以说是由低电平电信，也可以说是由低电平电信号和高电平电信号组成的信号，如图号和高电平电信号组成的信号，如图1.1(b)所示。所示。 对数字信号进行传输、处理的电子线路称为对数字信号进行传输、处理的电子线路称为数字数字电路电路，如数字电子钟、数字万用表的电子电路都是由，如数字电子钟、数字万用表的电子电路都是由数字电路组成数字电路组成 数字信号数字信号数字电子技术数字电子技术2022-6-1814 模拟量可以用一系列的模拟量可以用一系列的数字量数字量0、1

13、来表示，这来表示，这一系列的数字一系列的数字0、1组成组成的字符串，称为的字符串，称为二进制码二进制码 . 模拟量的数字表示模拟量的数字表示 430000 0010012CB0000 00110000 0100201040306050t/ms908070/vA100数字电子技术数字电子技术2022-6-1815 数字电路又称数字电路又称二值逻辑二值逻辑，它们可以用电子器件的，它们可以用电子器件的开关特性开关特性来实现。例如，逻辑电平与电压值的关系来实现。例如，逻辑电平与电压值的关系可用下表来描述：可用下表来描述：电压电压(V)逻辑表示逻辑表示电平表示电平表示3.551H(高电平高电平)01.5

14、0L(低电平低电平)数字信号的描述方法数字电子技术数字电子技术2022-6-1816例：例：周期性数字周期性数字脉冲波高电平持续脉冲波高电平持续时间为时间为6ms，低电，低电平持续时间为平持续时间为10ms, 则，占空比则，占空比 2. 占空比占空比 q - 脉冲宽度占整个周期的百分比脉冲宽度占整个周期的百分比 :%100wTtq数字信号中的几个概念数字信号中的几个概念1. 脉冲宽度脉冲宽度 tw - 脉冲作用的时间脉冲作用的时间 q = 6ms / (6+10)ms =37.5%3.上升时间上升时间t r 和和下降时间下降时间t f -从脉冲幅值的从脉冲幅值的10%到到90% 所经所经 历的

15、时间历的时间 ，典型值为几十个纳秒（，典型值为几十个纳秒（ns） 非理想脉冲波形非理想脉冲波形 tf tr 脉冲宽度 tw 0.5V 0.5V 2.5V 4.5V 4.5V 2.5V 幅值=5.0V 0.0V 5.0V 下降时间 上升时间 数字电子技术数字电子技术2022-6-1817进位制进位制/ /数制数制：表示数时，仅用一位数码往往不够用，必须用：表示数时，仅用一位数码往往不够用，必须用进位计数的方法组成多位数码。多位数码每一位的构成以及从进位计数的方法组成多位数码。多位数码每一位的构成以及从低位到高位的进位规则称为进位计数制，简称进位制。低位到高位的进位规则称为进位计数制，简称进位制。

16、基数基数：进位制的基数，就是在该进位制中可能用到的数码个数：进位制的基数，就是在该进位制中可能用到的数码个数位权位权（位的权数）：在某一进位制的数中，每一位的大小都对（位的权数）：在某一进位制的数中，每一位的大小都对应着该位上的数码乘上一个固定的数，这个固定的数就是这一应着该位上的数码乘上一个固定的数，这个固定的数就是这一位的权数。权数是一个幂。位的权数。权数是一个幂。几个概念（数制）：几个概念（数制）：1.2 数制数制数码数码：由数字符号构成且表示物理量大小的数字和数字组合。：由数字符号构成且表示物理量大小的数字和数字组合。数字电子技术数字电子技术2022-6-18181. 十进制十进制l数

17、字符号（系数）：数字符号（系数）：0 0、1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、7 7、8 8、9 9l计数规则：逢十进一计数规则：逢十进一103、102、101、100称称为十进制的权。各数为十进制的权。各数位的权是位的权是10的幂。的幂。同样的数码在不同的数同样的数码在不同的数位上代表的数值不同。位上代表的数值不同。任意一个十进制数都任意一个十进制数都可以表示为各个数位可以表示为各个数位上的数码与其对应的上的数码与其对应的权的乘积之和，称权权的乘积之和，称权展开式。展开式。即：即：(5555)105103 510251015100又如：又如：(209.04)10 2102 010

18、1910001014 102数字电子技术数字电子技术2022-6-1819十进制一般表达式十进制一般表达式: :90,10)(1010iiniiKKN位权位权系数系数 在数字电路中，计数的基本思想是要把电路的状在数字电路中，计数的基本思想是要把电路的状态与数码一一对应起来。显然，采用十进制是十分不态与数码一一对应起来。显然，采用十进制是十分不方便的。它需要十种电路状态，要想严格区分这十种方便的。它需要十种电路状态，要想严格区分这十种状态是很困难的。状态是很困难的。数字电子技术数字电子技术2022-6-18202. 二进制二进制 v数字符号：数字符号：0、1v计数规则：逢二进一计数规则：逢二进一

19、v基数：基数：2v权：权：2的幂的幂例：（1011101）2 = （126+025+124+123+122+021+120）10 =（64+0+16+8+4+0+1）10=（93）10二进制数的一般表达式为二进制数的一般表达式为: : 1 , 0,2)(102iiniiKKN位权位权系数系数数字电子技术数字电子技术2022-6-1821 位数太多，不符合人的习惯，不能在头脑中立即反应位数太多，不符合人的习惯，不能在头脑中立即反应出数值的大小，一般要将其转换成十进制后，才能反出数值的大小，一般要将其转换成十进制后，才能反应应。二进制的优点：二进制的优点： 1 1、易于电路实现、易于电路实现-每一

20、位数只有两个值，可以用管子的每一位数只有两个值，可以用管子的“导通导通”或或“截止截止”，灯泡的，灯泡的“亮亮”或或“灭灭”、继电器触点、继电器触点的的“闭合闭合”或或“断开断开”来表示。来表示。二进制的缺点：二进制的缺点：2 2、基本运算规则简单、基本运算规则简单数字电子技术数字电子技术2022-6-18223. 八进制八进制 v数字符号：数字符号：0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7v计数规则：逢八进一计数规则：逢八进一v基数：基数：8v权：权：8的幂的幂例：例：（127）8=（182+281+780）10 =（64+16+7）10 =（87）10数字电子技术数字电子技术2022-

21、6-18234. 十六进制十六进制 v 数字符号：数字符号：09、A(10)、B(11)、C(12)、D(13)、E(14)、F(15)v 计数规则：逢十六进一计数规则：逢十六进一v 基数：基数：16v 权：权：16的幂的幂例：例：（5D）16=（5161+13160）10 =（80+13）10 =（93）10数字电子技术数字电子技术2022-6-1824 十六进制在数字电路中，尤其在计算机中得到广泛的应十六进制在数字电路中，尤其在计算机中得到广泛的应用，因为：用，因为：十六进制十六进制优点优点 ：第一、第一、与二进制之间的转换容易与二进制之间的转换容易第二、第二、计数容量较其它进制都大。假如

22、同样采用四位数码，计数容量较其它进制都大。假如同样采用四位数码，第三、第三、计算机系统中，大量的寄存器、计数器等往往按四计算机系统中，大量的寄存器、计数器等往往按四位一组排列。故使十六进制的使用独具优越性。位一组排列。故使十六进制的使用独具优越性。八进制可计至八进制可计至 7777 7777 O O = 4095 = 4095 D D ；十进制可计至十进制可计至 9999 9999 D D ；十六进制可计至十六进制可计至 FFFF FFFF H H = 65535 = 65535 D D，其容量最大。，其容量最大。二进制最多可计至二进制最多可计至 1111 1111 B B = 15 = 15

23、 D D ；数字电子技术数字电子技术2022-6-1825结论：结论： 一般地，一般地，N进制需要用到进制需要用到N个数码，基数是个数码，基数是N；运算运算规律为逢规律为逢N进一。进一。 如果一个如果一个N进制数进制数M包含位整数和位小数，即包含位整数和位小数，即 (an-1 an-2 a1 a0 a1 a2 am) N则该数的权展开式为：则该数的权展开式为：(M)N an-1Nn-1 an-2 Nn-2 a1N1 a0 N0a1 N-1a2 N-2 amN-m 由权展开式很容易将一个由权展开式很容易将一个N进制数转换为十进制数进制数转换为十进制数。数字电子技术数字电子技术2022-6-182

24、6不同数制间的转换 （1）二进制数转换为八进制数：）二进制数转换为八进制数： 将二进制数由小数点开始，将二进制数由小数点开始，整数部分向左，小数部分向右，每整数部分向左，小数部分向右，每3位分成一组，不够位分成一组，不够3位补位补零，则每组二进制数便是一位八进制数。零，则每组二进制数便是一位八进制数。(三位聚一位三位聚一位)将将N进制数按权展开，即可以转换为十进制数。进制数按权展开，即可以转换为十进制数。1 1 0 1 0 1 0 . 0 10 00 (152.2)8（2）八进制数转换为二进制数：将每位八进制数用）八进制数转换为二进制数：将每位八进制数用3位二进制位二进制数表示数表示。(一位变

25、三位一位变三位)= 011 111 100 . 010 110(374.26)8二进制数与八进制数的相互转换二进制数与八进制数的相互转换1数字电子技术数字电子技术2022-6-182701 1 1 1 0 1 0 0 0 . 0 1 10 0 0 (1E8.6)16= 1010 1111 0100 . 0111 0110(AF4.76)16 二进制数转换为十六进制数，按照每二进制数转换为十六进制数，按照每4位二进制数对应于位二进制数对应于一位十六进制数进行转换。一位十六进制数进行转换。(四位聚一位四位聚一位)采用的方法采用的方法 基数连除、连乘法基数连除、连乘法原理原理：将整数部分和小数部分分

26、别进行转换将整数部分和小数部分分别进行转换。 整数部分采用基数连除法整数部分采用基数连除法; 小数部分采用基数连乘法小数部分采用基数连乘法; 转换后再合并。转换后再合并。 十六进制数转换为二进制数，按照每一位十六进制数对应十六进制数转换为二进制数，按照每一位十六进制数对应于于4位二进制数进行转换。位二进制数进行转换。(一位变四位一位变四位)十进制数转换为二进制数十进制数转换为二进制数 32 二进制与十六进制数的相互转换二进制与十六进制数的相互转换 数字电子技术数字电子技术2022-6-1828 2 44 余数 低位 2 22 0=K0 2 11 0=K1 2 5 1=K2 2 2 1=K3 2

27、 1 0=K4 0 1=K5 高位 0.375 2 整数 高位 0.750 0=K1 0.750 2 1.500 1=K2 0.500 2 1.000 1=K3 低位整数部分采用基数连除法：整数部分采用基数连除法：先得到的余数为低位，后得先得到的余数为低位，后得到的余数为高位。到的余数为高位。小数部分采用基数连乘法：小数部分采用基数连乘法：先得到的整数为高位，后得先得到的整数为高位，后得到的整数为低位。到的整数为低位。所以：所以：(44.375)10(101100.011)2采用基数连除、连乘法，可将十进制数转换为任意的采用基数连除、连乘法，可将十进制数转换为任意的N进制数。进制数。例：例：(

28、44.375)10( ？ )2数字电子技术数字电子技术2022-6-1829例：将例：将(0.706)(0.706)D D转换为二进制数，要求其误差不大于转换为二进制数，要求其误差不大于2 2-10-10。解：解：0.7060.7062=1.4122=1.4121 1 b1 由于最后的小数小于由于最后的小数小于0.50.5，根据，根据“四舍五入四舍五入”的原则，应的原则，应为为 0 0所以，所以，(0.706)(0.706)D D=(0.101101001)=(0.101101001)B B，其误差其误差 高位高位|低位低位0.4120.4122=0.8242=0.8240 0 b20.824

29、0.8242=1.6482=1.6481 1 b30.6480.6482=1.2962=1.2961 1 b40.2960.2962=0.5922=0.5920 0 b50.5920.5922=1.1842=1.1841 1 b6 0.1840.1842=0.3682=0.3680 0 b7 0.3680.3682=0.7362=0.7360 0 b8 0.7360.7362=1.4722=1.4721 1 b9 将小数部将小数部分连续不分连续不断地乘以断地乘以2 , 2 , 每次每次所得乘积所得乘积的的整数部整数部分分取出，取出，由高位到由高位到低位排列，低位排列，即为所求即为所求 210数

30、字电子技术数字电子技术2022-6-1830表表1-1 1-1 几种计数进制数的对照表几种计数进制数的对照表十进制十进制二进制二进制八进制八进制十六进制十六进制00000001000111200102230011334010044501015560110667011177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F数字电子技术数字电子技术2022-6-18311.3 二进制数的算术运算1. 无无符号二进制的算术运算符号二进制的算术运算 二进制的加、减、乘、除四种运算的运算与十进制数类似，二进制的加、

31、减、乘、除四种运算的运算与十进制数类似，两者唯一区别在于进位或借位规则不同。两者唯一区别在于进位或借位规则不同。无符号二进制加法规则是：无符号二进制加法规则是： 二进制加法二进制加法无符号二进制减法规则是：无符号二进制减法规则是： 二进制减法二进制减法0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1= 1 00-0=0， 1-1=0 ，1-0=1， 0-1= 1 1进位位进位位借位位借位位数字电子技术数字电子技术2022-6-1832例例1 1 计算两个二进制数计算两个二进制数10101010和和01010101的积：的积： 二进制乘法二进制乘法 二进制除法二进制除法乘法运算是由左移被乘数与加法运算

32、组成的乘法运算是由左移被乘数与加法运算组成的例例2 2 计算两个二进制数计算两个二进制数10101010和和111111的商：的商：除法运算是由右移被除数与减法运算组成的除法运算是由右移被除数与减法运算组成的1 0 1 0 0 1 0 11 0 1 01 0 1 00 0 0 00 0 0 00 1 1 0 0 1 01 0 1 01 1 111 1 11 1.00101 1 11 0 1011 1 11 100=0， 10=0， 01=0 ， 11=1数字电子技术数字电子技术2022-6-1833 在定点运算的情况下，二进制数的最高位（即最左边的在定点运算的情况下，二进制数的最高位（即最左边

33、的位）表示符号位，且位）表示符号位，且0 0表示正数，用表示正数，用1 1表示负数。其余部分为表示负数。其余部分为数值位。数值位。例如：例如：2. 2. 带符号二进制的减法运算带符号二进制的减法运算以上是用原码的形式表示数值位。在数字电路中，常将以上是用原码的形式表示数值位。在数字电路中，常将负数用补码表示，以便将减法运算变为加法运算。负数用补码表示，以便将减法运算变为加法运算。 BDBD)10111()11()10110()11(数字电子技术数字电子技术2022-6-1834减法运算 补码和反码的关系式补码和反码的关系式 : N: N补补=N=N反反+1+1。1、二进制数补码表示、二进制数补

34、码表示先只讨论数值码，即数码中不包括符号位。先只讨论数值码，即数码中不包括符号位。原码原码自然二进制码自然二进制码反码反码将原码中的将原码中的0 0变为变为1 1，1 1变为变为0 0N反反=（2n 1） N原原 即：即： N原原= 2n 1 N反反 补码补码N补补=2n N原原原码：原码： 0 1 0 1反码：反码： 1 0 1 01 1 1 1 补码补码； 1 0 1 1所以，所以，A -B = A -（2n-1-B反反）= A+B反反+1-2n = A+B补补-2n 数字电子技术数字电子技术2022-6-1835当考虑负数情况时，带符号二进制数补码的计算方法当考虑负数情况时，带符号二进制数补码的计算方法如下：如下：补