1 基本知识.ppt

1、基本知识,本章重点: 理解什么是数字电路 数制的基本概念和各数制之间的转换方法 码制的概念 带符号位的二进码,本章难点: 编码的概念 带符号位的二进码 可靠性编码,1、1 数字电路概述 1、2 数制和码制 1、3 数字电路中采用二进制的特点,1.1.1 数字信号和数字电路,1.1.2 数字电路的分类,1.1.3 数字电路的优点,1.1.4 数字电路的应用,在时间和幅值上连续变化,在时间和幅值上断续变化,矩形波信号,尖脉冲信号,0,t,u,t,0,u,u,例,温度、压力、音频、视频等物理量变化的信号,例,速度表读数、产品数量统计、数字仪表显示值,电信号类型,模拟信号,数字信号,正弦波信号,锯齿波

2、信号,u,u,0,0,t,t,1.1.1 数字信号和数字电路,数字逻辑电路,用来处理数字信号的电子线路称为数字电 路。由于数字电路的各种功能是通过逻辑运算 和逻辑判断来实现的，所以数字电路又称为数 字逻辑电路或者逻辑电路。,例,数字电路：研究电路输入、输出间的因果（逻辑）关系。三极管工作在饱和或截止状态，作为开关元件。,反相器：输入高电平，输出低电平，即输入、输出间的逻辑关系为逻辑非。,反相器,vi,vo,数字逻辑电路的特点,(1)电路的基本工作信号是二值信号。它表现为电路 中电压的“高”或“低”、开关的“接通”或“断开”、晶体管 的“导通”或“截止”等两种稳定的物理状态。 (2)电路中的半导

3、体器件一般都工作在开、关状态。 (3)电路结构简单、功耗低、便于集成制造和系列化 生产；产品价格低廉、使用方便、通用性好。 (4)由数字逻辑电路构成的数字系统工作速度快、精 度高、功能强、可靠性好。,由于数字逻辑电路具有上述特点，所以，数字逻辑电路 的应用十分广泛。 随着半导体技术和工艺的发展，数字电路的发展历程如 下： 1904年,真空电子管第一代电子器件 1950年,晶体管(半导体三极管) 第二代电子器件 1961年,中小规模集成电路第三代电子器件 70年代,大、超大规模集成电路第四代电子器件 大功率半导体器件,逻辑代数 （英国数学家乔治Boole在十九世纪中期创立）,研究各个基本单元的状

4、态（逻辑状态） 之间的相互关系 （逻辑关系） 。,逻辑代数、真值表、卡诺图、时序图等等。,逻辑判断、逻辑推理、记忆(存储)、 计数等。,分析方法：,分析工具：,电路功能：,数字电路：,对数字系统中逻辑电路的研究有两个主要任务：一是分析，二是设计。,对一个已有的数字逻辑电路，研究它的工作性能和逻辑功能称为逻辑分析；,根据提出的逻辑功能，在给定条件下构造出实现预 定功能的逻辑电路称为逻辑设计，或者逻辑综合。,什么是数字系统？ 数字系统是一个能对数字信号进行加工、传递和存储的实体，它由实现各种功能的数字逻辑电路相互连接而成。例如，数字计算机。,引,1.1.2 数字电路的分类,2、按所用器件制作工艺的

5、不同：数字电路可分为双极型（TTL型）和单极型（MOS型）两类。,3、按照电路的结构和工作原理的不同：数字电路可分为组合逻辑电路（Combinational Logic Circuit）和时序逻辑电路(Sequential Logic Circuit)两类。组合逻辑电路没有记忆功能，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。时序逻辑电路具有记忆功能，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。,1、按电路结构的不同：数字电路可分为分立元件电路和集成电路两大类型。,4、按集成度分：,表1.1.1 数字集成电路分类,SSISILSIVLSI,与模拟电路相比，数字电

6、路主要有以下优点： （1）便于高度集成化。 （2）工作可靠性高、抗干扰能力强。 （3）数字信息便于长期保存。 （4）数字集成电路产品系列多、通用性强、成本低。 （5）保密性好。,1.1.3 数字电路的优点,1在数字通信系统中，可以用若干个0，1编制成各种代码，分别代表不同的含义，用以实现信息的传递（全球通手机）。,2利用数字电路的逻辑功能，可以设计出各种各样的数字控制装置用来实现对生产过程的自动控制，精密机床，巡航导弹。,1.1.3 数字电路的应用,3近代测量仪表中，也广泛采用了数字电路。例 ：数字万用表。,4当代最杰出的应用数字电路的成就-计 算机。今天，计算机不仅成了近代自动控制系 统中不

7、可缺少的一个组成部分，而且几乎渗透 到国民经济和人民生活的一切领域中，并且在 许多方面引起了根本性的变革 。,数字计算机及其发展,1数字计算机 数字计算机是一种能够自动、高速、精确地完成数值计 算、数据加工和控制、管理等功能的数字系统。其结构框图 如下图所示。,引,2计算机的发展 数字计算机从1946年问世以来，其发展速度是惊人的。根 据组成计算机的主要元器件的不同，至今已经历了四代。具体 如下表所示。 数字计算机的划代,计算机的发展趋势：速度、功能、可靠性、体积、价格、功耗。,伴随着微电子技术的飞速发 展，进一步加速了计算机的 发展与普及，目前广泛使用 的微型计算机就是建立在超 大规模集成电

8、路基础之上 的。以个人计算机为例，PC 机CPU芯片 8086的集成 模如右表所示。 在80586CPU中，密集程 度如何呢？大约用500个晶 体管串接起来才能绕人的头 发丝一周！,必须指出，数字电路的应用同样也有局限性。因为实现工业控制过程中，需要测量和控制的信号大部分都是模拟信号，这就给数字电路的使用带来很大的不便。为了用数字电路处理这些模拟信号，必须首先把它们转换为数字信号（成为A/D转换），才可送给数字电路处理。同时，还要把得到的数字结果，再转换成相应的模拟信号（D/A转换），送给控制对象，所以在有些情况下，是否采用数字电路应视具体情况而定-例：电视墙。,例：某控制系统框图如下图所示。

9、,本节小结,数字信号的数值相对于时间的变化过程是跳变的、间断性的。对数字信号进行传输、处理的电子线路称为数字电路。模拟信号通过模数转换后变成数字信号，即可用数字电路进行传输、处理。,1.2.1 数制,1.2.2 不同数制间的转换,1.2.3 二进制代码,1、进位制：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低位到高位的进位规则称为进位计数制，简称进位制。,1.2.1 数制,2、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。,3、 位 权（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

10、就是这一位的权数。权数是一个幂。,一、几个概念,数码为：09；基数是10。 运算规律：逢十进一，即：9110。 十进制数的权展开式：,1、十进制,103、102、101、100称为十进制的权。各数位的权是10的幂。,同样的数码在不同的数位上代表的数值不同。,任意一个十进制数都可以表示为各个数位上的数码与其对应的权的乘积之和，称权展开式。,即：(5555)105103 510251015100,又如：(209.04)10 2102 0101910001014 102,二、常用数制,2、二进制,数码为：0、1；基数是2。 运算规律：逢二进一，即：1110。 二进制数的权展开式： 如：(101.01

11、)2 122 0211200211 22 (5.25)10,加法规则：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=10 乘法规则：00=0， 01=0 ，10=0，11=1,运算规则,各数位的权是的幂,二进制数只有0和1两个数码，它的每一位都可以用电子元件来实现，且运算规则简单，相应的运算电路也容易实现。,例如：二进制数A=11001,B=101,试 求A+B、A-B、AB、AB的运算结果.,二进制的优点:运算简单、物理实现容易、存 储和传送方便、可靠。 因为二进制中只有0和1两个数字符号，可以 用电子器件的两种不同状态来表示一位二进制 数。例如，可以用晶体管的截止和导通表示1和 0，或者用电

12、平的高和低表示1和0等。所以，在数 字系统中普遍采用二进制。,二进制的缺点：数的位数太长且字符单 调，使得书写、记忆和阅读不方便。 因此，人们在进行指令书写、程序输入和 输出等工作时，通常采用八进制数和十六进制 数作为二进制数的缩写。,数码为：07；基数是8。 运算规律：逢八进一，即：7110。 八进制数的权展开式： 如：(207.04)10 282 0817800814 82,3、八进制,4、十六进制,数码为：09、AF；基数是16。 运算规律：逢十六进一，即：F110。 十六进制数的权展开式： 如：(D8.A)2 13161 816010 161,结论,一般地，N进制需要用到N个数码，基数

13、是N；运算规律为逢N进一。 如果一个N进制数M包含位整数和位小数，即 (an-1 an-2 a1 a0 a1 a2 am)2 则该数的权展开式为： (M)2 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N进制数转换为十进制数。,思考：,1、任意进制数的第0位的位权相等？ 2、任意进制数的最低位的位权相等？ 3、任意进制整数的最低位的位权相等？ 4、任意进制数的左边一位位权是右边一位位权的基数倍？ 5、任意进制数的第n+1位位权是第n位位权的R倍？,1、十进制数转换为二进制数,采用的方法 基数连除、连乘法 原理 ：将整数部

14、分和小数部分分别进行转换。 整数部分采用基数连除法; 小数部分采用基数连乘法; 转换后再合并。,1.2.2 不同数制间的转换,将N进制数按权展开，并按照十进制数的运算法则求和，就可以得到相应的十进制数。,整数部分采用基数连除法：先得到的余数为低位，后得到的余数为高位。,小数部分采用基数连乘法：先得到的整数为高位，后得到的整数为低位。,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N进制数。,（1）二进制数转换为八进制数： 将二进制数由小数点开始，整数部分向左，小数部分向右，每3位分成一组，不够3位补零，则每组二进制数便是一位八进制数。(三位

15、聚一位),2、二进制数与八进制数的相互转换,1 1 0 1 0 1 0 . 0 1,0 0,0, (152.2)8,（2）八进制数转换为二进制数：将每位八进制数用3位二进制数表示。(一位变三位),= 011 111 100 . 010 110,(374.26)8,3、二进制数与十六进制数的相互转换,二进制数转换为十六进制数，按照每4位二进制数对应于一位十六进制数进行转换。(四位聚一位),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 4位二进制数进行转换。(一位变四位),除二取余/乘二取整,除十六取余/乘十六取整,按位展开加权,按位展开加权,三位合一位、 四位合一位,以小数点为界左右缺位

16、补“0”,十进制,二进制,八进制 十六进制,一位分三位、 一位分四位,用一定位数的二进制数来表示十进制数码、字母、符号等信息称为编码。,用以表示十进制数码、字母、符号等信息的一定位数的二进制数称为代码。,1.2.3 二进制代码,数字系统只能识别0和1，怎样才能表示更多的数码、符号、字母呢？用编码可以解决此问题。,二-十进制代码：用4位二进制数b3b2b1b0来表示十进制数中的 0 9 十个数码。简称BCD码。,2421码的权值依次为2、4、2、1；余3码由8421码加0011得到；格雷码是一种循环码，其特点是任何相邻的两个码字，仅有一位代码不同，其它位相同。,用四位自然二进制码中的前十个码字来

17、表示十进制数码，因各位的权值依次为8、4、2、1，故称8421 BCD码。,1、BCD码,2、 ASCII码 （American standard code for information interchange),用7位二进制数表示128个字符，包括字母、数字、标点符号、运算符号以及控制符等。,ASCII字符编码集,b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 000 001 010 011 100 101 110 111 0000 NUL DLE SP 0 P , p 0001 SOH DC1 ! 1 A Q a q 0010 STX DC2 “ 2 B R b r 0011 ETX DC3 # 3 C S c s 0100 EOT DC4 $ 4 D T d t 0101 ENQ NAK % 5 E U e u 0110 ACK SYN K k 1100 FF FS , N n 1111 SI US / ? O _ o,NUL 空白 SOH 序始 STX 文始 ETX 文终 EOT 送毕 ENQ 询问 ACK 承认 BEL 告警 BS 退格 HT 横表 LF 换行 VT 纵表 FF 换页 CR 回车 SO 移出 SI 移入 DEL 转义 DC1 机控1 DC2 机控2 DC3 机控3 DC4 机控4 NAK 否认 SYN 同