西藏大学《数字电子技术》课件-第1章数字电子技术导论

1.1数字电路与数字信号1.2数制1.4二进制码1.5二值逻辑变量与基本逻辑运算1.6逻辑函数及其表示方法1.数字电子技术导论*1.3二进制数的算术运算西藏大学《数字电子技术》5、掌握基本逻辑运算及逻辑函数的表示方法教学基本要求1、了解数字信号与数字电路的基本概念2、了解数字信号的特点及表示方法3、掌握二、八、十、十六进制数的相互转换4、了解常用二进制码，8421BCD码、格雷码1.1数字电路与数字信号1.1.1数字技术的应用及其发展1.1.2数字集成电路的分类及特点1.1.3模拟信号和数字信号1.1.4数字信号的描述方法数码相机计算机通信技术1)数字技术的应用人类进入到信息时代，数字技术是发展最快、应用最广泛的技术.1数字技术的应用及其发展雷达技术计算机、自动控制航空航天“勇气”号火星探测器智能仪器2)数字电子技术的发展历程1906年美国李.德福雷斯特发明了真空三极管1948年晶体管之父威廉•肖克利发明了第一只晶体管诞生1958年美国基尔比制成第一块集成电路

6个月后诺伊斯制成第一块硅集成电路1971年-美国M.E.霍夫制成第一台四位微处理器40041976年-美国S.克雷制成第一部微型计算机“克雷-I”80年代后-ULSI，10亿个晶体管/片、ASIC制作技术成熟目前--芯片内部的布线细微到亚微米(0.13~0.045

m)量级微处理器的时钟频率高达3GHz以上（109Hz）多核处理器90年代后-ASIC、可编程逻辑器件（PLD）60~70代-IC技术迅速发展：SSI、MSI、LSI、VLSI。10万个晶体管/片，芯片中晶体管0.35um。IntelCPU发展历程处理器发布时间晶体管数目80861978年29,0002861982年120,000386处理器1985年275,000486DX处理器1989年1,180,000Pentium处理器1993年3,100,000PentiumII处理器1997年7,500,000PentiumIII处理器1999年24,000,000Pentium4处理器2000年42,000,0003)数字技术的发展特点---以电子器件的发展为基础电子管

1906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。世界上第一台计算机用了1.8万只电子管，占地170平方米，重30吨，耗电150W。目前在一些大功率发射装置中使用。电压控制器件电真空技术晶体管电流控制器件半导体技术集成电路4)电路设计方法伴随器件变化从传统走向现代a)传统的设计方法：b)现代的设计方法：采用自下而上的设计方法；由人工组装,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,设计周期长。现代EDA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、分析、仿真、修订全通过计算机完成。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。1、设计：在计算机上利用软件平台进行设计原理图设计VerlogHDL语言设计状态机设计设计方法EDA技术3、下载2、仿真4、验证结果实验板下载线1.1.2数字集成电路的分类及其特点所谓集成度，是指每一芯片所包含的门个数数字集成电路按集成度分为小规模、中规模、大规模、超大规模和甚大规模等数字电路又可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。1）按集成度不同划分：2）按电路结构和工作特点不同划分：1.数字集成电路的分类3）按电路的功能不同划分：通用逻辑器件、专用集成电路（ASIC—ApplicationSpecificIntegratedCircuit）、可编程逻辑器件（PLD—ProgrammableLogicDevice）。2.数字集成电路的特点—与模拟电路相比较1、)稳定性高,抗干扰能力强2、)易于设计,精度高3、)便于大规模集成,批量生产,体积小,通用性好,成本低.4、)具可编程性,可实现硬件设计软件化5、)高速度低功耗6、)便于加密解码

1.3.2数字电路的分析方法对于小规模的数字电路，所采用的分析工具是逻辑代数，表达电路的功能主要用

真值表 逻辑表达式 波形图。

随着计算技术的发展，为了分析、仿真与设计数字电路或数字系统，可以采用硬件描述语言和设计软件，借助计算机以实现设计自动化，这种方法对于设计较复杂的数字系统，优点更为突出。

测试工具采用：示波器、逻辑分析仪。

1.1.3模拟信号与数字信号1.模拟信号---时间和数值均连续变化的电信号，如正弦波、三角波等uOt

Otu2.数字信号---在时间上和数值上均是离散的信号。3.脉冲信号---在时间上连续，在数值上离散的信号（本书的第8章）。电压(V)二值逻辑电平+51H(高电平)00L(低电平)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

1.二值数字逻辑及其表示(1)在电路中用低、高电平表示0、1两种逻辑状态0、1表示的两种对立逻辑状态的逻辑关系----二值数字逻辑在数字电路中,0、1组成二进制数可以表示数量大小,也可以表示两种对立的逻辑状态.表示方式二值数字逻辑(a)用逻辑电平描述的数字波形(b)16位数据的图形表示v/V

5

0

t/ms

50

100

150

200

逻辑0

逻辑1

(2)波形图ΔtΔt为一拍数字波形(a)1110110001

2.数字波形高电位低电位有脉冲1数字波形------是信号逻辑电平对时间的图形表示(b)(a)非归零型(b)归零型

比特率--------每秒钟转输数据的位数无脉冲10(1)数字波形的两种类型:(2)周期性和非周期性T

tW非周期性数字波形周期性数字波形q

周期性数字波形1.非理想脉冲波形(3)实际脉冲波形及主要参数

5.0V

4.5V

tftrtwVm占空比q-----表示脉冲宽度占整个周期的百分比几个主要参数:上升时间tr

和下降时间tf----从脉冲幅值的10%到90%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周期(T)---------表示两个相邻脉冲之间的时间间隔

5.0V

4.5V

tftrtwVm(4)时序图时序图----表明各个数字信号时序关系的多重波形图。由于各信号的路径不同，这些信号之间不可能严格保持同步关系。为了保证可靠工作，各信号之间通常允许一定的时差，但这些时差必须限定在规定范围内，各个信号的时序关系用时序图表达。

某存储器读数据的时序图ttCO数据RD地址bbtAA十制数的一般表达式为:

1.2数制(1~4)

１.2.1十进制十进制采用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9十个数码，其计数规律是“逢十进一”。4587.29=4

103+5102+8101+7100+210

1+910

2系数位权任意进制数的一般表达式为:各位的权都是10的幂。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。如采用十进制,需要十种电路状态，要产生并严格区分这十种状态是很困难的。

1.２.2二进制二进制数的一般表达式为:二进制数中只有0和1两个数码。进位规律是：“逢二进一”各位的权都是2的幂。例如：1+1=10=1×21

+0×20位权系数二进制数只有0、1两个数码，它的表达、存储简单，在数字电路和计算机中普遍采用。1.二进制数的表示方法3.二进制数波形表示

a、易于电路表达---每一位数只有两个值，可以用晶体管的导通或截止，灯泡的亮或灭、继电器触点的闭合或断开来表示。

b、二进制数字装置所用元件少,电路简单、可靠。

c、基本运算规则简单,运算操作方便。2.二进制数的优点十进制数

223

LSB

1

0

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

21

0

0

0

0

1

1

1

1

0

0

1

1

0

0

1

1

22

0

0

0

0

1

1

1

1

0

0

0

0

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

MSB

3

2

1

0

7

6

5

4

10

11

8

14

9

15

12

13

a)二进制数据的串行传输4.二进制数据的传输

需要一根时钟信号线和一根数据传送线以及一根公共地线。在时钟脉冲CP控制下，数据由最高位MSB到最低位LSB依次传送。b)二进制数据的并行传输

将一组二进制数据单元的所有位同时传送，称为并行传送。并行传送的突出特点是数据传送速率快。其缺点是需要占用的数据线较多，而且发送和接收设备较复杂。二、十进制数转换成二进制数：

1.整数部分用“辗转相除”法:

将十进制数连续不断地除以2,直至商为零，所得余数由低位到高位排列，即为所求二进制数整数部分小数部分1.2.3二-十进制之间的转换（自学）解由于二进制数基数为2，所以逐次除以2，取其余数（0或1）：５３２２６２１３２２6２３１２０商余数101011LSBMSB所以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。0.39×2=0.78b-1=00.78×2=1.56b-2=10.56×2=1.12b-3=10.12×2=0.24b-4=00.24×2=0.48b-5=00.48×2=0.96b-6=00.96×2=1.92b-7=10.92×2=1.84b-8=10.84×2=1.68b-9=10.68×2=1.36b-10=1所以1.八进制1.2.4八进制和十六进制

八进制数中只有0,1,2,3,4,5,6,7八个数码，进位规律是“逢八进一”。各位的权都是8的幂。例如

(144)O=64+32+4=(100)D一般表达式八进制就是以810为基数的计数体制。2、二-八进制之间的转换（自学）将每位八进制数展开成三位二进制数，排列顺序不变即可。转换时，由小数点开始，整数部分自右向左，小数部分自左向右，三位一组，不够三位的添零补齐，则每三位二进制数表示一位八进制数。因为八进制的基数8=23

，所以，可将三位二进制数表示一位八进制数，即000～111表示0～7例

(10110.011)B=例

(752.1)O=(26.3)O

(111101010.001)B

十六进制数中只有0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A、B、C、D、E、F十六个数码，进位规律是“逢十六进一”。各位的权均为16的幂。3.十六进制一般表达式：4、二--十六进制之间的转换

二进制转换成十六进制：因为16进制的基数16=24，所以，可将四位二进制数表示一位16进制数，即0000～1111表示0-F。例

(111100010101110)B=将每位16进制数展开成四位二进制数，排列顺序不变即可。例(BEEF)H=(78AE)H

(1011111011101111)B十六进制转换成二进制：5.十六进制的优点：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，二进制最多可计至(1111)B=(15)D；八进制可计至(7777)O=(2800)D；十进制可计至(9999)D；十六进制可计至(FFFF)H=(65535)D，即64K。其容量最大。3、）书写简洁。几种数制之间的关系对照表十进制数二进制数八进制数十六进制数0123456789100000000001000100001100100001010011000111010000100101010012345671011120123456789A十进制数二进制数八进制数十六进制数111213141516171819200101101100011010111001111100001000110010100111010013141516172021222324BCDEF1011121314

1.3二进制数的算术运算(自学)1.3.1无符号二进制数的算术运算算术运算是当两个二进制数码表示数量大小时，它们之间可以进行数值运算。二进制数的算术运算法则和十进制数的运算法则基本相同，只是进位借位规则不同,加法运算是“逢二进一”减法则是“借一当二”。1.3.2带符号二进制数的算术运算

1.4二进制码

编码:赋予代码特定含义的过程。(5~8)

二进制代码:表示某一特定信息的二进制数码。

二进制代码的位数n与需要编码的数（或信息）的个数N之间应满足以下关系：N≤2n1.4.1二—十进制码进制码(BCD码-----BinaryCodeDecimal）用4位二进制数来表示一位十进制数中的0~9十个数码。

从4位二进制数16种代码中,选择10种来表示0~9个数码的方案有很多种。每种方案产生一种BCD码。BCD码十进制数码8421码2421码5421码余3码余3循环码00000000000000011001010001000100010100011020010001000100101011130011001100110110010140100010001000111010050101101110001000110060110110010011001110170111110110101010111181000111010111011111091001111111001100101000000001001000110100010101100111100010011010101111001101111011111.几种常用的BCD代码

4．各种编码的特点

有权码：编码与所表示的十进制数之间的转算容易如（１００１００００）８４２１ＢＣＤ＝（９０）Ｄ

余３码的特点:0和9,1和8…..6和4的余３码互为反码,这对于求取对10的补码很方便。

如将两个余3码相加的和是十进制的10时，正好是二进制的16，于是可从高位自动产生进位信号

余3码循环码：相邻的两个代码之间仅一位的状态不同。按余3码循环码组成计数器时，每次转换过程只有一个触发器翻转，译码时不会发生竞争－冒险现象。２.用BCD代码表示十进制数

对于一个多位的十进制数，需要有与十进制位数相同的几组BCD代码来表示。例如：不能省略！不能省略！对于有权BCD码，可以根据位权展开求得所代表的十进制数。例如：[]()D

BCD8421

7112141800111=+++=

[]()D

BCD2421

7112041211101=+++=

３.求BCD代码表示的十进制数1.4.2格雷码

格雷码是一种无权码。二进制码b3b2b1b0格雷码G3G2G1G000000001001000110100010101100111100010011010101111001101111011110000000100110010011001110101010011001101111111101010101110011000

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，而可能引起数字量发生变化时，格雷码仅仅改变一位，这与其它码同时改变2位或更多的情况相比，更加可靠。例如，8421码中的0111和1000是相邻码，当7变到8时，四位均变了。若采用格雷码，0100和1100是相邻码，仅最高一位变了。

1.4.3ASCII码ASCII码即美国标准信息交换码。它共有128个代码，可以表示大、小写英文字母、十进制数、标点符号、运算符号、控制符号等，普遍用于计算机的键盘指令输入和数据等。1.5二值逻辑变量与基本逻辑运算１.逻辑运算:

当0和1表示逻辑状态时，两个二进制数码按照某种特定的因果关系进行的运算。逻辑运算使用的数学工具是逻辑代数。逻辑运算有逻辑代数表达式、真值表、逻辑图和硬件描述语言（HDL)等多种描述方式。2.逻辑代数:

与普通代数不同之处是逻辑代数中的变量只有0和1两个可取值，它们用来表示完全对立的逻辑状态。在逻辑代数中，有与、或、非三种基本的逻辑运算。1.真值表---描述逻辑关系的表格。2.逻辑表达式---输入信号为自变量，输出为函数的数学表达方式。或逻辑：L=A+Ｂ

3.逻辑符号---用规定的逻辑符号表示的图形.在画电路时使用的符号。除此之外，还可以用波形图、硬件描述语言（HDL)来表示逻辑运算。3.逻辑运算的几种表达方式

逻辑真值表ABL001010110111ABLBL≥1A与逻辑举例状态表开关S1开关S2灯断断灭断合灭合合断灭合亮S1S2灯电源１．与运算

(1)与逻辑:只有当决定某一事件的条件全部具备时，这一事件才会发生。这种因果关系称为与逻辑关系。与逻辑举例

逻辑真值表ABL001010110001

与逻辑举例状态表开关S1开关S2灯断断灭断合灭合合断灭合亮

逻辑表达式与逻辑：L=A·Ｂ

运算符，可省略。与逻辑符号ABL&ABL灭-0亮-1断-0合-1S1--AS2--B灯--L

或逻辑举例状态表开关S1开关S2灯断断灭断合亮合合断亮合亮

２

或运算只要在决定某一事件的各种条件中，有一个或几个条件具备时，这一事件就会发生。这种因果关系称为或逻辑关系。S1灯电源S2

或逻辑举例

逻辑真值表ABL001010110111

或逻辑举例状态表开关S1开关S2灯断断灭断合亮合合断亮合亮

逻辑表达式或逻辑：L=A+Ｂ

灭-0亮-1断-0合-1S1--AS2--B灯--L或逻辑符号ABLBL≥1A非逻辑举例状态表A灯不通电亮通电灭

3.

非运算事件发生的条件具备时，事件不会发生；事件发生的条件不具备时，事件发生。这种因果关系称为非逻辑关系。

A

VNC

非逻辑举例

非逻辑真值表AL0110非逻辑符号

逻辑表达式线圈(A)通电-1

不通电-0L=A

非逻辑举例状态表A灯不通电亮通电灭灯(L)灭-----0

亮-----1A1LAL

两输入变量与非

逻辑真值表ABL001010111110ABLAB&L与非逻辑符号4.几种常见的复合逻辑运算

与非逻辑表达式L=A·B1)与非运算

两输入变量或非

逻辑真值表ABL001010111000B≥1AABLL或非逻辑符号2)或非运算L=A+B或非逻辑表达式

4)

异或逻辑若两个输入变量的值相异，输出为1，否则为0。

异或逻辑真值表ABL000101011110BAL=1ABL异或逻辑符号BABABAL

+=Å=异或逻辑表达式

3)

同或运算·若两个输入变量的值相同，输出为1，否则为0。同或逻辑真值表ABL001010111001B=1ALABL同或逻辑逻辑符号同或逻辑表达式

1.6逻辑函数的建立及其表示方法abcdAB～楼道灯开关示意图

1.逻辑抽象，列出真值表开关A灯下下上下上下上上亮灭灭亮开关B开关状态表

逻辑真值表ABL001100010111A、B:向上—1向下--0L:亮---1;