数字逻辑基础

1、,第1章数字逻辑基础,本章教学基本要求,1.1.3 数字电路的分类和学习方法,1.1.1 电子技术的发展与应用,1.1.2 数字电路与模拟电路,1.1 数字电路概述,返回,结束 放映,1.1.1 电子技术的发展与应用,1. 电子技术的应用,科学研究中，先进的仪器设备； 传统的机械行业，先进的数控机床、自动化生产线； 通信、广播、电视、雷达、医疗设备、新型武器、交通、电力、航空、宇航等领域； 日常生活的家用电器； 电子计算机及信息技术。,返回,2.电子技术的发展电子器件的改进与创新,1904年发明电真空器件（电子管）电子管时代。 1948年发明半导体器件晶体管时代。 20世纪60年代制造出集成电

2、路集成电路时代。,3.电子技术的分类 电子技术：研究电信号的产生、传送、接收和处理。 模拟电子技术 数字电子技术,1.1.2 数字电路与模拟电路,1. 基本概念 电信号：指随时间变化的电压和电流。 模拟信号：在时间和幅值上都为连续的信号。 数字信号：在时间和幅值上都为离散的信号。 模拟电路：处理和传输模拟信号的电路。 数字电路：处理和传输数字信号的电路。,返回,模拟信号： 时间上连续：任意时刻有一个相对的值。 数值上连续：可以是在一定范围内的任意值。 例如：电压、电流、温度、声音等。 真实的世界是模拟的。 缺点：很难度量； 容易受噪声的干扰； 难以保存。 优点：用精确的值表示事物。,模拟电路：

3、处理和传输模拟信号的电路。,数字信号： 时间上离散：只在某些时刻有定义。 数值上离散：变量只能是有限集合的一个值，常用0、1二进制数表示。 例如：开关通断、电压高低、电流有无。,数字化时代： 音乐：CD、MP3 电影：MPEG、RM、DVD 数字电视 数字照相机 数字摄影机 手机,数字电路：处理和传输数字信号的电路。 三极管工作在开关状态，即饱和区或截止区。,2. 数字电路特点（与模拟电路相比）,（1）数字电路的基本工作信号是用1和0表示的二进制的数字信号，反映在电路上就是高电平和低电平。 （2）晶体管处于开关工作状态，抗干扰能力强、精度高。 （3）通用性强。结构简单、容易制造，便于集成及系列

4、化生产。 （4）具有“逻辑思维”能力。数字电路能对输入的数字信号进行各种算术运算和逻辑运算、逻辑判断，故又称为数字逻辑电路。,1.1.3 数字电路的分类和学习方法,1. 数字电路的分类 （1）按电路结构分类 组合逻辑电路：电路的输出信号只与当时的输入信号有关，而与电路原来的状态无关。 时序逻辑电路：电路的输出信号不仅与当时的输入信号有关，而且还与电路原来的状态有关。,返回,（2）按集成电路规模分类 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(Small Scale IC，SSI) 中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI) 大规模集成电路(Large Scale

5、IC，LSI) 超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI) 特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI) 巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）,2. 数字电路的学习方法,（1）逻辑代数是分析和设计数字电路的重要工具，应熟练掌握。 （2）重点掌握各种常用数字逻辑电路的逻辑功能、外部特性及典型应用。对其内部电路结构和工作原理不必过于深究。 （3）掌握基本的分析方法。 （4）本课程实践性很强。应重视习题、基础实验和综合实训等实践性环节。 （5）注意培养和提高查阅有关技术资料和数字集成电路产品手册的能力。,越来越大的设计 越

6、来越短的推向市场的时间 越来越低的价格 大量使用计算机辅助设计工具（EDA技术） 多层次的设计表述 大量使用复用技术 IP（Intellectual Property）,3. 当前数字电路设计的趋势,作业题（思考题）,1、什么是数字信号？与模拟信号有何区别？ 2、什么是数字电路？数字电路有哪些特点？ 3、数字电路在生活中有哪些广泛应用？ 4、怎样才能学好数字电路？,返回,主要要求：,1.2几种常用的数制和码制,一、数制,(一) 十进制 (Decimal),十进制有如下特点：,（1）它的数码K共有十个，为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。,（2）相邻位的关系，高位为低位的十倍，逢十进一，借

7、一当十，即十进制 的基数R等于10。,（3）任何一个十进制都可以写成以10为底的幂之和的形式。,例如： (11.51)10,1101 1100 510-1 110-2,权 权 权 权,10i 称十进制的权 10 称为基数 0 9 十个数码称数,数码与权的乘积，称为加权系数,十进制数可表示为各位加权系数之和，称为按权展开式,(246.134)10 = 2102 + 4101 + 6100 + 110-1 + 310-2 + 410-3,(二) 二进制 (Binary),（XXX）2或（XXX）B,例如（1011.23）2或（101123）B,数制：0、1,进位规律：逢二进一，借一当二,权：2i基

8、数：2 系数：0、1,例如 0 + 1 = 1 1 + 1 = 10 11 + 1 = 100 10 1 = 1,按权展开式表示,(1011)2 = 123 + 022 + 121 + 120,将按权展开式按照十进制规律相加，即得对应十进制数。,(1011.11)2 = 123 + 022 + 121 + 120 + 12-1 + 12-2,= 8 + 0 + 2 + 1 + 0.5 + 0.25 = 11.75,(1011.11)2 = (11.75)10,(三) 十六进制(Hexadecimal),(XXX)16或 (XXX)H,例如：（4E6）16或（4E6）H,数码：09、A F,进位

9、规律：逢十六进一，借一当十六。,权：16i 基数：16 系数：09、AF,按权展开式表示,（4E6）16=4162+E 161+6 160,（4E6）16 = 4162+14 161+6 160 =（1254）10,将按权展开式按照十进制规律相加，即得对应的十进制数。,=（1254）10,（4E6）16 = （1254）10,几种进制的优缺点:,以十进制和二进制作比较,十进制在日常生活中应用最多,是人们最熟悉和习惯的计数体制,但其十个数码在数字电路中难于找到十个状态与之对应。数字电路的两个状态可用两个数码表示,故采用二进制。二进制计算规则简单,但人们对它不习惯,另外其数位较多,不易读写。利用二

10、进制与十进制和十六进制的对应关系对十进制和十六进制以及二进制编码,用起来就很方便了。,二、几种不同数制间的转换,1. 非十进制转换成十进制,可以将非十进制数写为按权展开式,得出其相加的结果, 就是对应的十进制数,例1.2.1,(11010)2=124+123+022+121+020,=24+23+21=(26)10,(1001.01)2=123+022+021+120+02-1+12-2,=23+20+2-2=(9.25)10,(174)16 = 1162+7161+4160,=256+112+4=(372)10,例1.2.2,例1.2.3,2. 十进制转换为二进制,整数和小数分别转换 整数部

11、分：除 2 取余法 小数部分：乘 2 取整法,将十进制数 (26)10 转换成二进制数,26 余数,13,6,3,1,2,2,2,2,2,0,读数顺序,0.875,2,1.750 1,2,1.500 1,2,1.000 1,整数,读数顺序,一直除到商为 0 为止,(26)10= (11010)2,0,1,0,1,1,将（0.875）10转换为二进制数,（0.875）10=（0.111）2,例1.2.4,补充例题,将（81）10转换为二进制、十六进制数,81,2,40,1,2,20,2,0,10,2,0,5,2,0,1,2,0,0,余数,读数顺序,可用除基取余法直接求十六进制数。或利用十六进制数

12、码与二进制数码的对应关系，由二进制数转化为十六进制数。,每一个十六进制数码都可以用4位二进制数来表示。 所以可将二进制数从低位向高位每4位一组写出各 组的值，从左到右读写，就是十六进制数。在将二 进制数按4位一组划分字节时最高位一组位数不够 可用0补齐。,（81）10=（1010001）2=（0101 0001）2=（51）16,小数点以后的二进制数转化为十六进制数在划分字节时是从高位到低位 进行的。,2,1,2,1,例1.2.5,用二进制码表示十进制码的编码方法称为二-十进制码，即BCD码。,常用的BCD码几种编码方式如表所示,权为 8、4、2、1,比 8421BCD 码多余 3,取4位自然

13、二进制数的前 10 种组合，去掉后 6 种组合 1010 1111。,用 BCD 码表示十进制数举例：,(473)10 =（010001110011）8421 BCD,(36)10 = (00110110) 8421 BCD,(4.79)10 = (0100.01111001)8421 BCD,(50)10 = (01010000)8421 BCD,注意区别 BCD 码与数制：,(150)10 = (000101010000)8421 BCD,= (10010110)2 = (226)8 = (96)16,三、可靠性代码,奇偶校验码,组成,信 息 码 ： 需要传送的信息本身。,1 位校验位：取

14、值为 0 或 1，以使整个代码中 “1”的个数为奇数或偶数。,使“1”的个数为奇数的称奇校验， 使“1”的个数为偶数的称偶校验。,奇偶校验码是在原代码的基础上增加一个码位（校验位，校验码，或附加位），使各代码中含有的1的个数均为奇数（奇校验）或偶数（偶校验），进而通过判别代码中含有的1的奇偶性来决定代码的合法性由8421BCD码变换而得的奇偶校验码，其最高位为校验位。,主要要求：,1.3逻辑函数中三种最基本的逻辑运算,一、逻辑函数和逻辑变量,被概括的以某种形式表达的逻辑自变量和逻辑结果的函数关系称为逻辑函数。,在逻辑代数中，逻辑变量也是用字母来表示的。逻辑变量的取值只有两个：1和0。,注意,逻

15、辑代数中的 1 和 0 不表示数量大小，仅表示两种相反的状态。,例如：开关闭合为 1 三极管截至为 1 电位高为 1 断开为 0 导通为 0 低为 0,决定事物的因素（原因）为逻辑自变量，被决定的事物 的结果为逻辑因变量。,二、基本逻辑函数及运算,1. 与逻辑,决定某一事件的所有条件都具备时，该事件才发生。,逻辑表达式 Y = A B 或 Y = AB,与门 (AND gate),若有 0 出 0；若全 1 出 1,开关 A 或 B 闭合或两者都闭合时，灯 Y 才亮。,2. 或逻辑,决定某一事件的诸条件中，只要有一个或一个以上条件具备时，该事件就发生。,若有 1 出 1 若全 0 出 0,逻辑

16、表达式 Y = A + B,或门 (OR gate),1,3. 非逻辑,决定某一事件的条件满足时，事件不发生；反之事件发生。,1,非门(NOT gate) 又称“反相器”,1.4复合逻辑函数,主要要求：,与非逻辑(NAND),先与后非,若有 0 出 1 若全 1 出 0,或非逻辑 ( NOR ),先或后非,若有 1 出 0 若全 0 出 1,与或非逻辑 (AND OR INVERT),先与后或再非,由基本逻辑运算 组合而成,可以有二个 以上的输入变量,异或逻辑 (Exclusive OR),若相异出 1 若相同出 0,同或逻辑 (Exclusive - NOR，即异或非),若相同出 1 若相异

17、出 0,注意：异或和同或互为反函数，即,只能是 二个 输入 变量,1.5逻辑函数的几种表示方法及其相互转换,主要要求：,2. 已知逻辑函数式求真值表和逻辑图。,3. 已知逻辑图求逻辑函数式和真值表。,根据真值表求函数表达式的方法是：,将真值表中每一组使输出函数值为1的输入变量都写成一 个乘积项。在这些乘积项中，取值为1的变量，则该因子写成 原变量，取值为0的变量，则该因子写成反变量，将这些乘积 项相加，就得到了逻辑函数式。,真值表,A=0 B=1 C=1 A=1 B=0 C=1 A=1 B=1 C=1,依照取值为1写成原变量，取值为0写成反变量因子的原则得到的函数式：,验证是否正确,可直接写出

18、L与A、B、C的逻辑函数式：L=（A+B）C,从以上电路图以及真值表中查到，使函数L为1的变量取值 组合是：,通过简化的逻辑函数式也可以得到简化的逻辑图及与前面的电路图对应的逻辑图如下所示：,已知逻辑函数式求真值表和逻辑图,例 1.5.1已知逻辑函数式 ，求与它对应的真值表和逻辑图。,解：将输入变量A、B、C的各组取值代入函数式，算出函数Z的值， 并对应地填入表中就是真值表。,已知逻辑图求逻辑函数式和真值表,例 1.5.2 写出右图所示逻辑图的逻辑函数式。,解：首先从输入端门电路开始，逐级给每个门标号（G1G5） ，然后依次写出各个门的输出端函数表达式，分别为：,1.6 逻辑代数,主要内容：,

19、基本公式、定律和常用规则,逻辑函数的代数化简法,一、逻辑代数的基本公式,1.与普通代数相似的定律,交换律: AB=B A A+B=B+A,结合律: (A B) C=A (B C) (A+B)+C=A+(B+C),分配律: A (B+C)=AB+AC,与对或的分配,分配律: A+BC=(A+B)(A+C),或对与的分配,2.变量常量关系定律,01律: A1=A A 0=0 A+1=1 A+0=A,注: A代表1和0,3.逻辑代数的特殊定律,重叠律: A A=A A+A=A,4.吸收律,推广公式：,总之：,将 “B” 以（BC）代入,二、关于等式的若干规则,1.代入规则,将等式两边出现的同一变量都

20、以一个相同的逻辑函数代之，则等式仍成立，这个规则称为代入规则。,2.反演规则,在使用反演规则时需要注意两点：,(1) 必须遵守“先括号、然后乘、最后加”的运算顺序。,(2) 不属于单个变量上的反号应保留不变。,例 1.6.1,（1）,（2）,求函数Z1和 Z2的反函数：,解：按反演规则可直接写出 Z1和 Z2 的反函数 和,（1）,（2）,3.对偶规则,对于任何一个逻辑式Z，如果将其中“”换成“+”、“+”换成“、0换成1，1换成0，则得到一个新的函数式，这个函数Z的对偶式，记作Z。,可以证明，若两个逻辑式相等，则它们的对偶式也相等，这就是对偶规则。,对偶规则的应用：,运用对偶规则可以使人们要

21、证明的公式大大减少。假如要求证Z1和Z2是否相等，则只需证明其对偶式Z1、Z2 是否相等（即如已知Z1 =Z2 ，那么Z1和Z2必然相等）。,例: A（B+C）= AB+AC，求这一公式两边的对偶式，则有分配律A+BC =（A+B)(A+C)成立。,逻辑函数的代数化简法,1.逻辑函数表达式的标准形式和最简式含义,（与或式）,（与非-与非式）,（或-与非式）,（或非-或非式）,根据真值表可写出：,（与或非式）,（与非与式）,（或与式）,（或非-或非式）,2.常用的代数化简法,代数化简法也称公式化简法，其实质就是反复使用逻辑代数的基本定律和常用公式，消去多余的乘积项和每个乘积项中多余的因子，以求得

22、最简式。,使逻辑式最简，以便设计出最简的逻辑电路，从而节省元器件、优化生产工艺、降低成本和提高系统可靠性。,并项法:,运用 将两项合并为一项，并消去一个变量。,补充例题：,补充例题：,A+AB=A 将多余的乘积项AB吸收掉,和,消去法 ：,消去乘积项中的多余因子；,消去多余的项BC。,补充例题：,、A+A=A 或,配项法 ：,用该式乘某一项，可使其变为两项，再与其它项合并化简。 用该式在原式中配重复乘积或互补项，再与其它项合并化简。,补充例题：,例题：,证：根据摩根定理，得,即 同理,1.7 逻辑函数的卡诺图化简法,主要内容:,一、逻辑函数的最小项及最小项表达式,对于n变量函数，如果其与或表达

23、式的每个乘积项都包含n个因子，而这n个因子分别为n个变量的原变量或反变量，每个变量在乘积项中仅出现一次，这样的乘积项称为函数的最小项，这样的与或式称为最小项表达式。,由函数的真值表可直接写出函数的最小项表达式，即将真值表中所有使函数值为1的各组变量的取值组合以乘积项之和的形式写出来，在乘积项中，变量取值为1写原变量文字符号，变量取值为0写反变量文字符号。,例：,的真值表为：,1.最小项的编号,一个n变量函数，最小项的数目为2n个，其中所有使函数值为1的各最小项之和为函数本身，所有使函数值为0的各最小项之和为该函数的反函数。,为了表示方便，最小项常以代号的形式写为 mi,m 代表最小项，下标 i

24、为最小项的编号。i 是 n 变量取值组合排成二进制数所对应的十进制数。,如何编号？,3 变量逻辑函数的最小项有 23 = 8 个,将输入变量取值为 1 的代以原变量，取值为 0 的代以反变量，则得相应最小项。,简记符号,例如,例:,2. 最小项的性质,根据最小项的定义，不难证明最小项有如下性质:,对输入变量任何一组取值在所有最小项（ 2n个）中，必有一个而且仅有一个最小项的值为1。,在输入变量的任何一组取值下，任意两个最小项的乘积为0。,全体最小项的和为1。,二、逻辑函数的卡诺图表示方法,1.卡诺图的画法规则,卡诺图是逻辑函数的图形表示方法，它以其发明者美国贝尔实验室的工程师卡诺而命名。,将n

25、 变量函数填入一个矩形或正方形的二维空间即一个平面中，把矩形或正方形等分为2n个小方格，这些小方格分别代表n变量函数的2n个最小项，每个最小项占一格。在画卡诺图时，标注变量区域划分的方法是分别以各变量将矩形或正方形的有限平面一分为二，其中一半定为原变量区，在端线外标原变量符号并写为1，另一半定为反变量区（可不标反变量符号）并写成0。,要求上下、左右、相对的边界、四角等相邻格只允许一个因子发生变化（即相邻最小项只有一个因子不同）。,左上角第一个小方格必须处于各变量的反变量区。,变量位置是以高位到低位因子的次序，按先行后列的序列排列。,将 n 变量的 2n 个最小项用 2n 个小方格表示，并且使相

26、邻最小项在几何位置上也相邻且循环相邻，这样排列得到的方格图称为 n 变量最小项卡诺图，简称为变量卡诺图。,卡诺图画法规则如图所示:,2. 用卡诺图表示逻辑函数,具体做法：,如果逻辑函数式为最小项表达式，就在卡诺图上把式中各最小项所对应的小方格内填1，其余的方格填入0，这样就得到表示该逻辑函数的卡诺图了。,例1.7.1,用卡诺图表示逻辑函数：,（1）根据逻辑函数画卡诺图,解：因为函数Z为四变量最小项表达式，应首先确定各最小项编号，并将函数写为 的形式，有,然后画出四变量卡诺图，将对应于函数式中各最小项的方格位置上填入1，其余方格位置上填入0，就得到了如图所示的函数Z的卡诺图。,（2）由卡诺图求函

27、数式,例 1.7.2已知逻辑函数F的卡诺图如图所示，试写出F的函数式。,解：因为F等于卡诺图中填入1的那些最小项之和，,因此：,（3）用与或式直接填入卡诺图,首先将函数变换为与或表达式（不必变换为最小项之和的形式），然后在变量卡诺图中将每个乘积项中各因子所共同占有的区域的方格中都填入1，其余的填0，就得到了函数的卡诺图。这样做的依据是，任何一个非最小项的乘积项利用配项的方法都可以写为最小项之和的形式，这个乘积项就是那些被展开的最小项的公因子。,CD 是 m3、m7、m11、m15 的公因子。,例 1.7.3 试将函数 填入卡诺图。,解：首先将 Z 变换为与或式,3 . 用卡诺图法化简逻辑函数,

28、一、在逻辑函数与或表达式中，如果两乘积项仅有一个因子不同，而这一因子又是同一变量的原变量和反变量，则两项可合并为一项，消除其不同的因子，合并后的项为这两项的公因子。,例：某四变量函数中包含m6,m7,m14,m15,则用代数法化简时写成：,而在卡诺图中，这四项几何相邻，很直观，可以把它们圈为一个方格群，直接提取其公因子BC，如图所示：,三、用卡诺图化简逻辑函数的步骤,1 . 首先将逻辑函数变换为与或表达式。,2 . 画出逻辑函数的卡诺图。,3 . 将2n个为1的相邻方格分别画方格群，整理每个方格群的公因子，作为乘积项。,4 .将整理后的乘积项加起来，就是化简后的与或式。,卡诺图化简实例,在画包围圈时必须注意：,（1）包围圈越大越好；,（2）包围圈个数越少越好；,（3）同一个“1”方块可以被圈多次（A+A=A）；,（4）每个包围圈要有新成分；,（5）画包围圈时，先圈大，后圈小；,（6）不要遗漏任何“1”方块。,解：1 .先把函数Z 填入四变量卡诺图，如图。,2.画包围圈。从图中看出，m(6,7,14,15