数字电路基础课件.ppt

1、,数字电路基础,南阳广播电视大学郭英,知识目标 了解数字电路特点及应用，熟知脉冲波形的五个主要参数； 掌握微分电路、积分电路的功能和电路构成条件； 熟知二进制、十六进制的表示方法，会进行数制间的转换。熟知8421、5421、余3码的表示形式； 理解与门、或门、与非门、异或门的逻辑功能，熟知其图形符号； 能对TTL非门电路的工作原理进行简要分析，了解TTL反相器的基本特性。了解TTL与非门、异或门、集电极开路门、三态门的功能及典型应用； 了解常用COMS门电路的基本工作原理，掌握COMS门电路的使用常识； 会应用公式法和卡诺图法对逻辑函数进行化简。,技能目标 初步具有使用示波器观察脉冲波形并读出

2、主要参数的能力； 会查阅数字集成电路手册，能根据逻辑功能选用和代换集成门电路； 掌握TTL和COMS 集成电路引脚识读方法，掌握其使用常识； 通过实验，初步掌握基本集成电路的逻辑功能测试方法。,第一节 数字电路概述,一、数字电路的特点 （1）、电路结构简单，稳定可靠。数字电路只要能区别高电平和低电平就可以，对元件的精度要求不高，因此有利于实现数字电路集成化。 （2）、数字信号在传输时采用高、低电平二值信号，因此数字电路抗干扰能力强，不易受外界干扰。 （3）、数字电路不仅能完成数值运算，还可以进行逻辑运算和判断。 （4）、数字电路中元件处于开关状态，功耗较小。,二、脉冲信号 脉冲信号是指持续时间

3、极短的电压或电流信号。 各参数的含义：（1）脉冲幅度Um：脉冲从起始值到峰值之间的变化幅度； （2）脉冲前沿时间tr：脉冲从0.1Um变到0.9Um所需要的时间； （3）脉冲后沿时间tf：脉冲从0.9Um变到0.1Um所需要的时间； （4）脉冲宽度tW：脉冲前沿0.5Um到脉冲后沿0.5Um 之间的时间； （5）脉冲周期T：对于周期性脉冲，相邻两脉冲波对应点之间的间隔时间。,三、数字信号 通常把脉冲的出现或消失用1和0来表示，这样一串脉冲就变成由一串脉冲1和0组成的数码，这种信号称为数字信号。 注：（1）、数字信号的0和1并不表示数量的大小，而是代表电路的工作状态； （2）、正逻辑：逻辑1为高

4、电平，逻辑0为低电平； （3）、负逻辑：逻辑1为低电平，逻辑0为高电平。,第二节RC电路的应用,用电阻R和电容C构成的电路叫RC电路，在数字电路中最常用的是RC微分电路和RC积分电路。 一、 RC微分电路 RC微分电路是一种常见的波形变换电路，能够将矩形脉冲变换成尖脉冲。 电路构成如图： c + vi R vo - 电路应具有如下条件： （1）输出信号取自RC电路的电阻R两端。即 VO=VR （2）电路的时间常数应远小于输入的矩形脉冲的宽度。即 tw 通常，当 1/5 tw 是，可认为满足上述条件。,第三节 数制与码制,一、数制 数制：选取一定的进位规则，用多位数码来表示某个数的值。,1、 十

5、进制 特点：有十个数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 写法：(D)10Decimal 或,基数：10 进位：逢十进一 2、 二进制 特点：有两个数码：0、1 写法：(B)2Binary 或,基数：2 进位：逢二进一,3、十六进制 特点：有十六个数码：0、1、2、9、A、B、C、D、E、F写法：(H)16Hexadecimal 或 例如：(349)16=3162+4161+9160=(841)10 (3AB.11)16=3162+A161+B160+116-1+116-2 =(939.0664)10 基数：16 进位：逢十六进一,4、不同数制的转换 （1）二进制数转换为十进制 方法：把

6、二进制数按权展开，再把每一位的位植相加，即可得到相应的十进制数。 例如：(101.101)2=122+021+120+12-1+02-2+12-3 =4+0+1+1/2+0+1/8=(5.625)10,(2)十进制数转换为二进制 方法：除2取余逆序排列。 例如： (215)10=( ? )2 最低位 2 215 2 107 余1 2 53 余1 2 26 余1 2 13 余0 2 6 余1 2 3 余0 2 1 余1 0 余1 最高位 (215)10=(11010111)2,（3）二进制数转换为十六进制数 方法：将二进制数的整数部分自左向右每4位分为一组，最后不足4位的，高位用零补足；小数部分

7、自右向左每4位分为一组，最后不足4位在右面补零。再把每四位二进制数对应的十六进制数写出即可。,例：(0101 1110. 1011 0010)2=(5E.B2 )16 5 E B 2,方法：将每个十六进制数用四位二进制数表示，然后按十六进制数的排序将四位二进制数排列好，就可得到相应的二进制数。 例：将十六进制数（7E6AD）16转化为二进制。 解： （7E6AD）16=（0111 1110 0110 1101） 例：将十六进制数（123A。CBF）16转化为二进制。 解： （123A.CBF）16,(4)十六进制数转换为二进制数,=(0001 0010 0011A.11100 1011 111

8、1)2,在数字系统中，可用多位二进制数码来表示数量的大小，也可表示各种文字、符号等，这样的多位二进制数码叫做代码。数字电路处理的是二进制数据，而人们习惯使用十进制，所以就产生了用四位二进制表示一位十进制的计数方法，这种用于表示十进制的二进制代码称为二十制代码，简称为BCD码。常有的BCD码有：8421码、2421码、余3码等。,二、码制,（1）它是一种有权代码，权值分别为8、4、2、1 （2）编码简单直观：例：9 1 3. 5 4 1001 0001 0011，0101 0100 用BCD码，可以将十进制数的每一位转换成相等的二进制数，而不是将整个十进制数转换成二进制数。 例：202=1100

9、1010 而202的BCD码是001000000010,2、 2421码 （1）它是一种有权代码，权值分别为2、4、2、1 （2）编码方案不是唯一的。,1、8421BCD码,3、余3码 （1）每一个余3码所表示的二进制数要比它所对应的十进制数多3，即余3码是由8421码加3产生的。 （2）余3码是一种无权代码。 例如：将十进制数168用余3码表示。 解：十进制 1 6 8 余3码 0100 1001 1011,第四节 逻辑门电路基础,所谓“逻辑”是指事件的前因后果所遵循的规律，如果把数字电路的输入信号看作“条件”，把输出信号看作“结果”，那麽数字电路的输入与输出信号之间存在着一定的因果关系，即

10、存在逻辑关系，能实现一定逻辑功能的电路称为逻辑门电路。基本逻辑门电路有：与门、或门和非门，复合逻辑门电路有：与非门、或非门、与或非门、异或门等。 一、基本逻辑门 1、与逻辑门 (1)与逻辑关系 定义： 当一件事件的几个条件全部具备之后，这件事情才能发生，否则不发生。 运算规则：0*0=0，0*1=0，1*0=0，1*1=1,（2）二极管与门电路,（3）、真值表 A B Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1,（4）、逻辑符号,2、或逻辑门 (1)或逻辑关系 定义： 在决定一件事件的各个条件中，至少具备一个条件，这件事情就会发生。 运算规则：0+0=0， 0+1=1，1+0=1，1+

11、1=1 （2）二极管或门电路,（3）、真值表,（4）、逻辑符号,3、非逻辑门 （1）非逻辑关系 定义：事情的结果和条件总是呈现相反状态。 运算规则：1=0，0=1 （2）三极管非门电路,二、复合逻辑门 1、与非电路 在与门后接非门就够成与非门,表示式：Y = AB,与非门真值表 A B AB Y 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0,2、或非门,表示式： Y= A+B,符号：,真值表 A B A+B Y 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0,3、与或非门,符号：,4、 异或门,真值表 A B AB AB Y 0 0 0 0 0 0 1 1 0

12、 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0,真值表特点: 相同则0, 不同则1,门电路小结,三、 TTL集成逻辑门电路 集成逻辑门电路是将逻辑电路的元件和连线都制作在一块半导体基片上。集成门电路若是由三极管为主要元件，输入端和输出端都是三极管结构，这种电路称为三极管-三极管逻辑电路，简称TTL电路。TTL电路与分立元件电路相比，具有体积小、耗电少、工作可靠、性能好、速度高等优点。 1、TTL反相器 （1）工作原理 vI=3.6V，即输入为高电平时 VB1= VBC1 + VBE2+ VBE3 =(0.7+0.7+0.7)V=2.1V， T1的e结反偏，c结正偏，处于倒置工作状态 输出VC3

13、=0.2V,VC2= VCES2 + VB3 =(0.2+0.7)V=0.9V，则VB4= VC2 =0.9V 作用于T4的e结和二极管的串联支路的电压为 VC2 -VO =(0.9 - 0.2)V=0.7V，则T4及D均截止 输入为高电平，输出为低电平 。 vI=0.2V，即输入为低电平时 VB1= (0.2+0.7)V=0.9V， T1的e结导通。 此时， VB1 同时作用于T1 的c结、T2和T3的e结支路上，T2，T3显然截止，则 Vcc通过Rc2 向T4提供基极电流T4及D导通，则 vo Vcc - VBE4- VD =(5-0.7-0.7)=3.6V 输入为低电平，输出为高电平 。

14、 （2）说明： 采用输入级以提高工作速度 采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载的能力,（3） TTL反相器传输特性,AB段：vI很低，稳态时输出高； BC段：vI值大于点B，T1的C极供给T2基极电流，但T1仍保持为饱和态，其e、c结均正偏；T2对vI的增量作线性放大： CD段：的值继续增大并超越C点，使T3饱和，输出电压迅速下降到vO 0.2V， DE段： vI (D)的值从点D再继续增加时，T1进入倒置放大状态，保持vO 0.2V。,2、 TTL门电路芯片简介 (1)、TTL门电路芯片（四2输入与非门，型号74LS00),地GND,外形,电源VCC（+5V）,(2)、常用TTL逻辑门电路

15、,3、集电极开路的与非门（OC门） 电路结构与逻辑符号,OC门可以实现“线与”功能。,4、三态门（TSL门） 符号及功能表,功能表,功能表,四、CMOS集成门电路 MOS集成电路：以场效应管为基础的集成电路。 根据电路中MOS管的不同可分为PMOS、NMOS电路和CMOS电路，其中CMOS是PMOS管与NMOS管组成的互补型集成电路，具有功耗低、抗干扰性强，开关速度快等优点。,1、CMOS反相器,工作原理： ui=0时： ugs2=UCC ， T2导通、T1截止，uo=“”； ui=1时： T1导通、T2截止，uo=“0”。,2、CMOS与非门,工作原理:,0 0 1,0 1 1,1 0 1,

16、1 1 0,3、CMOS或非门,工作原理:,0 0 1 0 1 0,1 0 0,1 1 0,4、CMOS传输门,结构:,符号:,工作原理:,设被传输的模拟信号的变化范围为5v+5v。设控制信号：高电平VCH=+5v，低电平VCL=5v，两管的VT均为2v。,（1）当C端接低电平时，TN的栅压为5v，VI在5v+5v时，TN截止，同时TP亦截止开关断开。 （2）当C端接高电平时：,若5vVI3v VGSN8vVTN TN导通 VGSP2vVTP TP截止 3vVI+3v VGSN2vVTN TN导通 VGSP2vVTP TP导通 +3vVI+5v VGSN2vVTN TN截止 VGSP8vVTP

17、 TP导通,即：在5vVI+5v的范围内，或者TN、TP单独导通，或者它们同时导通，传输门被打开，VI顺利通过传输门开关闭合。,第五节逻辑代数的基本定律及逻辑函数的化简,一、逻辑代数运算定律 1、常量与变量关系定律 （1）0，1律 A+1=A A*0=0 A+1=1 A*1=A （2）互补律,2、逻辑代数基本定律 （1）交换律 A+B=B+A A*B=B*A （2）结合律 A+(B+C)=(A+B)+C A*(B*C)=(A*B)*C (3)分配律 A*(B+C)=A*B+A*C A+B*C=(A+B)*(A+C),(4)反演律(摩根定律),用真值表证明,0 0 1 0 1 1 1 0 1 1

18、 1 0,1 1 1 0,3、常用公式 公式1,公式2,A+AB =A,公式3,公式4,二逻辑函数的公式化简法 所谓化简逻辑函数,就是使逻辑函数的与或表达式中所含的或项数及每个与项的变量数为最少.常见的公式化简法有以下几种. 1 合并项法 利用,将两项并成一项,合并时消去一个变量.,2、吸收法：,利用A+AB=A消去多余的项,3、消去法：,利用消 去多余的因子,4、配项法：,利用公式,给某个与项配项，试探进一步化简函数,例1：,例2：,将,Y=ABC+ABC+ABC+ABC+ABC,化简为最简逻辑代数式。,例3：,将Y化简为最简逻辑代数式。 Y =AB+(A+B)CD,例4：,例5：,三、逻辑

19、函数的卡诺图化简法,1、用卡诺图表示逻辑函数 最小项：包含了所有的变量，每个变量或以原变量或以反变量的形式出现，并且仅仅出现一次的乘积项。 对于n 变量来说，就有2n 个最小项。 卡诺图：由许多小方格组成的阵列图，每个小方格对应一个最小项，n变量的卡诺图有2n 个小方格。,AB 00 01 11 10,两变量,00 01 11 10,00 01 11 10,四变量,三变量,用卡诺图表示逻辑函数的具体方法是： （1）根据变量的个数画空白卡诺图； （2）将逻辑函数化成最小项和的形式； （3）在空白卡诺图上，与函数最小项对应的方格填1，其余的方格填0。,例：已知真值表填卡诺图：在其相应的小方格中填入0或1。,2、卡诺图化简方法 （1）、卡诺图化简法的依据 卡诺图的基本特点是：任何两个几何是相邻的小方块所表示的最小项只有一个变量不同，其余变量均相同。根据公式,，可以将相邻的两个最小项并为一项，消去,一个不同的变量。,（2）化简方法 2个相邻的小方格可以合并成一项，同时消去一个不同的变量。 4个相邻的小方格可以合并成一项，同时消去两个不同的变量。 8个相邻的小方格可以合并成一项，同时消去三个不同的变量。,（3）、化简的步骤 用卡诺图表示逻辑函数； 按化简方法，将相邻的1方格圈起来，直到所有1方格被圈完为止； 将每个圈所表示的最小项写出并相加，得到逻辑