1,电子技术基础 数字部分,第一章 数字逻辑概论,数字电路的学习方法,掌握布尔代数的基本原理 （理论基础） 重视逻辑关系及其描述方法（思维方式） 熟练逻辑电路的基本分析方法与设计方法（基本训练） 重要的在于器件的使用（实践能力）,什么是数字电路？,就是用数字电子开关表示二进制的0和1，从而来实现算术运算和逻辑运算，并最终实现信息的存储、处理和传输。,考核形式,平时（10%）+期中（20%）+期末（70%） 形式：闭卷,3,参考书目,1、数字电子技术基础，阎石主编，清华大学 2、计算机结构与逻辑设计，黄正瑾主编，东南大学 3、数字电子技术Digital Fundamentals,Thomas L.Floyd著,4,课程安排,数字逻辑概论 1.1、1.2、1.3、1.4、1.5 逻辑代数与硬件描述语言基础 2.1、2.2、2.3、2.4 逻辑门电路 3.1、3.2、3.3、3.7 组合逻辑电路 4.1、4.2、4.3、4.4、4.5 锁存器和触发器 5.1、5.2、5.3、5.4、5.5,5,课程安排,时序逻辑电路 6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6 半导体存储器 7.1、7.2 CPLD和FPGA 8.1、8.2、8.3 脉冲波形的变换与产生 9.1、9.2 数模与模数转换器 10.1、10.2,6,1.1 数字信号与数字电路,1.2 数制,1.3 二进制数的算术运算,1.4 二进制代码,1.5 二值逻辑变量与基本逻辑运算,第一章 数字逻辑概论,7,1.1 数字信号与数字电路 1.1.1数字技术的发展及其应用,电子技术的发展:以电子器件的发展为基础,1906 李德.福莱斯特 三级真空管,1947 威廉.肖克利 晶体管,1960- 半导体集成电路,电子管时代,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。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,可以说它是有三个电极的灯泡。参与工作的电极 被封装在一个真空的容器内（管壁大多为玻璃） ENIAC中了用了1.8万只真空管，所以它的庞大笨重是可想而知了。,晶体管时代,电流控制器件 半导体技术,半导体集成电路,什么是集成电路呢？ 采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，它在电路中用字母“IC”表示。,11,80年代后- ULSI ， 1 0 亿个晶体管/片 、 ASIC 制作技术成熟,90年代后- 97年一片集成电路上有40亿个晶体管。现在有上百亿了！,将来- 高分子材料或生物材料制成密度更高、三维结构的电路,半导体集成电路,数码相机,计算机,数字技术的应用,U盘,手机,根据电路的结构特点及其对输入信号的响应规则的不同 -数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。,根据集成度不同 -数字集成电路可分为SSI，MSI，LSI，VLSI，ULSI五类。,根据电路的形式不同 -数字电路可分为集成电路和分立电路,根据器件不同 -数字电路可分为TTL 和 CMOS电路,1.1.2 数字集成电路的分类及特点,集成度:每一芯片所包含的门个数,15,数字集成电路的特点,可靠性、稳定性和精度高,抗干扰能力强 易于设计 体积小,通用性好,成本低，电路简单,便于大规模集成 具可编程性,可实现硬件设计软件化 高速度、低功耗 加密性好，便于存储、传输和处理,数字电路的分析、设计与测试,(1)数字电路的分析方法,数字电路的分析:根据电路确定电路输出与输入之间的逻辑关系。,(2) 数字电路的设计方法,数字电路的设计:从给定的逻辑功能要求出发，选择适当的逻辑器件，设计出符合要求的逻辑电路。,设计方式:分为传统的设计方式和基于EDA软件的设计方式。,分析工具：逻辑代数。 电路逻辑功能主要用真值表、功能表、逻辑表达式和波形图等描述。,17,电子系统处理物理量的方法 用某个电参量（电压、电流、频率、相位等）去描述它 自然界物理量的表现形式 连续 离散,电信号,连续和离散,在一定的范围内有无穷多个取值可能,无法用数字准确表示,在一定的范围内只有某些特定取值,可与数字相对应,1.1.3 模拟信号和数字信号,18,0,1,2,3,4,0.8m,h=0.512734.,19,模拟信号,数字信号,携带信息 波形,携带信息 数字,时间和数值均连续变化的信号,在时间上和数值上均是离散的信号,20,数字电路的优点,信息的载体信号波形,21,22,采样,保持,量化,编码,信 息 载 体 | 数 字,23,只要0和1不混淆，信息就不会丢失。,逻辑电平与电压范围的关系（正逻辑）,二值数字逻辑和逻辑电平,在电路中用低、高电平表示0、1两种逻辑状态,0、1-表示数量时称二进制数,表示方式,二值数字逻辑,-表示事物状态时称二值逻辑,1.1.4 数字信号的描述方法,24,数字波形,是信号逻辑电平对时间的图形表示,25,用逻辑电平描述的数字波形,16位数据的图形表示,高电平,低电平,有脉冲,非归零型,比特率 - 每秒钟转输数据的位数,无脉冲,数字波形的两种类型,26,归零型,周期性和非周期性,非周期性数字波形,周期性数字波形,27,占空比,例1.1.1 某通信系统每秒钟传输1544000位(1.544兆位)数据，求每位数据的时间。,解：按题意，每位数据的时间为,28,例1.1.2 设周期性数字波形的高电平持续6ms，低电平持续10ms， 求占空比q。,解：因数字波形的脉冲宽度tw=6ms，周期T=6ms+10ms=16ms。,29,非理想脉冲波形,实际脉冲波形及主要参数,30,占空比 Q - 表示脉冲宽度占整个周期的百分比,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,波形图、时序图或定时图,波形图 输入变量的每一种取值与相应的输出值按照时间顺序依次排列得到的图形。,波形图,32,时序图或定时图 在时序电路中，电路的状态和输出对时钟脉冲序列和输入信号响应的波形图。,32,时序图,定时图,时序图侧重描述电路的逻辑功能,定时图侧重各个信号的先后顺序以及时间量,33,1.1 数字信号与数字电路,1.2 数制,1.3 二进制数的算术运算,1.4 二进制代码,1.5 二值逻辑变量与基本逻辑运算,第一章 数字逻辑概论,34,1.2.1 十进制(Decimal),4587.29=4103+5102+8101+7100+2101+9102,系数,位权,任意进制数的一般表达式为:,以十为基数的记数体制,用十个数码表示：,1、2、3、4、5、6、7、8、9、0,遵循逢十进一、借一当十的计数规律,1.2 数制,1.2.2 二进制(Binary),二进制数的一般表达式为:,位权,系数,以二为基数的记数体制,用两个数码表示：,0、1,遵循逢二进一，借一当二的规律,1,1,1,1,1,0,0,0,0,1,1,0,0,0,1,1,二进制的特点,用电路的两个状态-有（1）和无（0）来表示二进制数，数码的产生，存储和传输简单、可靠。,37,不符合人们的日常习惯，输入时将十进制转换成二进制，运算结果输出时再转换成十进制数。,需要的设备量少,运算规则简单,可使用逻辑代数,二进制数波形表示,（1）二进制数据的串行传输,二进制数据的传输,（2）二进制数据的并行传输,将一组二进制数据所有位同时传送。 传送速率快,但数据线较多，而且发送和接收设备较复杂。,1.2.3 十-二进制之间的转换,二进制转换成十进制：按权展开相加,十进制转换成二进制,整数：除基取余,26,商,余数,例： 十进制整数26,(26)d=(11010)b,解：根据上述原理，可将(37)D按如下的步骤转换为二进制数,由上得 (37)D=(100101)B,例：将十进制数(37)D转换为二进制数。,当十进制数较大时，有什么方法使转换过程简化?,43,解：由于27为128，而133128=5=2220，,例： 将(133)D转换为二进制数,所以对应二进制数b7=1，b2=1，b0=1，其余各系数均为0， (133)D=(10000101)B,对于二进制的小数部分可写成,将上式两边分别乘以2，得,由此可见，将十进制小数乘以2，所得乘积的整数即为,将十进制小数每次除去上次所得积中的整数再乘以2， 直到满足误差要求进行“四舍五入”为止，就可完成由十进制小数 转换成二进制小数。,小数：乘基取整,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。,0.482 = 0.96 b-6 = 0,0.962 = 1.92 b-7 = 1,0.922 = 1.84 b-8 = 1,0.842 = 1.68 b-9 = 1,0.682 = 1.36 b-10= 1,例：将十进制小数(0.39)D转换成二进制数,要求精度达到0.1%,46,将二进制整数化成十进制数 (1) 1011010 (2) 1000111,将二进制小数化成十进制数 (1) .1011 (2) .0101,将二进制数化成十进制数 11011.111,90,71,0.6875,0.3125,27.875,47,将十进制整数化成二进制数 (1) 51 (2) 95,将十进制小数化成二进制数 (1) .5625 (2) .47,将十进制数化成二进制数 77.54,110011,0.100100,0.011110,1001101.100010,1011111,48,1.2.4 十六进制和八进制,十六进制 (Hexidecimal)：,用十六个数码表示：09，A，B，C，D，E，F,遵循逢十六进一，借一当十六的规律,二-十六进制之间的转换,二-十六进制数码表,二-十六进制之间的转换,二进制数转换为十六进制数 以小数点为界，分别往高、往低每4位为一组，最后不足4位时用0补充然后写出每组对应的十六进制字符，即为对应十六进制数。 十六进制数转换成二进制数 将十六进制的各位数码分别用对应的4位二进制数代入。,51,例1：将二进制数(1111111000111.100101011)b转换成对应的十六进制数。,例2：将十六进制数(3AB.4A)h转换成对应的二进制数。,52,八进制 (Octal)：,用八个数码表示：0，1，2，3，4，5，6，7,遵循逢八进一，借一当八的规律,二-八进制之间的转换,二-八进制数码表,二-八进制之间的转换,二进制数转换为八进制数 以小数点为界，分别往高、往低每3位为一组，最后不足3位时用0补充然后写出每组对应的八进制字符，即为对应八进制数。 八进制数转换成二进制数 将八进制的各位数码分别用对应的3位二进制数代入。,55,例1：将二进制数(10100101.01011101)b转换成对应的八进制数,例2：将八进制数(367.505)o转换成对应的二进制数,56,十进制数与二、八、十六进制数对照表,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。,58,例：,将二进制数化成八进制数 (1) 1100011 (2) .101101 (3) 1101.0011,将八进制数化成二进制数 (1) 271 (2) .32 (3)