數(shù)字邏輯教學(xué)課件ppt作者王茜黃仁許光辰第1章基礎(chǔ)概念

1、第1章 基礎(chǔ)概念基礎(chǔ)概念1.1 概 述 把具有描述連續(xù)變化特性的物理量稱為模擬量（Analog Value）。 以數(shù)字形式來(lái)表示所對(duì)應(yīng)模擬量就稱為數(shù)字量（Digital Value）。 使用數(shù)字量來(lái)進(jìn)行傳遞、加工的工程應(yīng)用系統(tǒng)就稱為數(shù)字系統(tǒng)（Digital System）。 數(shù)字系統(tǒng)也稱為數(shù)字邏輯系統(tǒng)（Digital Logic System），簡(jiǎn)稱數(shù)字邏輯 為了將具有連續(xù)變化性質(zhì)的自然信息（模擬量）用數(shù)字系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)加工和處理，就必須先通過(guò)模/數(shù)變換（A/D conversion），實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量變換，然后對(duì)這些數(shù)字量進(jìn)行加工。待加工結(jié)束后，再通過(guò)數(shù)/模變換（D/A conversion）

2、，將原來(lái)已經(jīng)加工后的數(shù)字量還原成能直接表征線性變化的模擬量，這就是通常數(shù)字系統(tǒng)中所提到的A/D和D/A轉(zhuǎn)換 若數(shù)字系統(tǒng)對(duì)數(shù)字信息加工處理以及傳輸所需總時(shí)間低于整個(gè)物理系統(tǒng)活動(dòng)所需要時(shí)間，這樣的數(shù)字系統(tǒng)就稱為實(shí)時(shí)系統(tǒng)（Real - time System）。 實(shí)時(shí)系統(tǒng)又分別使用了硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)這兩種概念來(lái)具體區(qū)分和嚴(yán)格說(shuō)明. 硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指系統(tǒng)自身要具備支持可能出現(xiàn)最壞情況的安全處理時(shí)間。 軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)是對(duì)任何突發(fā)事件能夠提供確定處理時(shí)間，而且處理過(guò)程也能夠在系統(tǒng)規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，如果系統(tǒng)因各種外在或內(nèi)在因素超越了事件處理截止期限，但最終結(jié)果并不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)致命錯(cuò)誤.1.2 基 礎(chǔ) 知 識(shí) 1

3、.2.1 脈沖信號(hào) 脈沖信號(hào)可以定義為：相對(duì)于連續(xù)信號(hào)而言，它是在整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)所產(chǎn)生的短時(shí)間信號(hào) 通常在數(shù)字系統(tǒng)中所使用信號(hào)就是脈沖信號(hào)，它們也被稱為數(shù)字信號(hào) 什么是脈沖以及如何產(chǎn)生脈沖信號(hào) 幾種常見脈沖波形 脈沖幅度Vm：從一種狀態(tài)變化到另一種狀態(tài)跳變值。 脈沖周期T：兩個(gè)相鄰脈沖重復(fù)出現(xiàn)所間隔時(shí)間。 上升時(shí)間tr：從0電平到高電平所需要時(shí)間。 下降時(shí)間tf：從高電平到0電平所需要時(shí)間。 圖1.5 脈沖信號(hào)參數(shù)描述 脈沖寬度tu：脈沖出現(xiàn)后持續(xù)時(shí)間。1.2.2 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 各種小規(guī)模集成電路（Small Scale Integration，SSI）、中規(guī)模集成電路（Medium Sc

4、ale Integration，MSI）和大規(guī)模集成電路（Large Scale Integration，LSI），以及現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)所采用的VLSI或ULSI器件，它們都是由半導(dǎo)體材料（鍺、硅等）做成的 1半導(dǎo)體導(dǎo)電特性 導(dǎo)電性處在導(dǎo)體和絕緣體之間 2半導(dǎo)體的特殊載流子 半導(dǎo)體材料主要是基于硅和鍺 3p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體 p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體就是在純單晶半導(dǎo)體中分別摻入三價(jià)硼元素和五價(jià)磷、銻等元素 摻入的硼雜質(zhì)每個(gè)原子都可以提供一個(gè)空穴，導(dǎo)致硅晶體中空穴載流子數(shù)量大大增加，此時(shí)這種半導(dǎo)體中自由電子數(shù)量相對(duì)很少，其導(dǎo)電性主要依賴于空穴載流子，人們把這種半導(dǎo)體稱為空穴半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱p型半導(dǎo)體 在

5、硅原子和磷原子組成共價(jià)鍵后，磷外層5個(gè)電子有4個(gè)與硅原子組成共價(jià)鍵，多出一個(gè)電子由于受到原子核束縛力很小，從而很容易成為自由電子，這時(shí)構(gòu)成的半導(dǎo)體材料中，出現(xiàn)了電子為多數(shù)載流子，而空穴為少數(shù)載流子情況，其導(dǎo)電性主要取決于電子，人們把這種半導(dǎo)體稱為電子半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱n型半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體經(jīng)常是以p型雜質(zhì)和n型雜質(zhì)混合的形式出現(xiàn)，因此半導(dǎo)體究竟具有p型半導(dǎo)體還是n型半導(dǎo)體導(dǎo)電特性，將取決于某種雜質(zhì)在半導(dǎo)體中摻入濃度。 若在一塊半導(dǎo)體中將這兩種半導(dǎo)體聯(lián)結(jié)在一起，那么在這兩個(gè)半導(dǎo)體的交界面上就會(huì)形成一個(gè)p n結(jié)，通過(guò)這些p n 結(jié)可以構(gòu)成二極管、三極管、可控硅等電子元件 當(dāng)做成一個(gè)p n結(jié)后，在p區(qū)中空穴

6、載流子數(shù)量較多，因此空穴載流子就要由p區(qū)向n區(qū)擴(kuò)散，同樣處于n區(qū)電子載流子數(shù)量較多，它也從n區(qū)向p區(qū)擴(kuò)散 正因?yàn)樯鲜霭雽?dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使得p區(qū)空穴減少，失去帶正電空穴的p型雜質(zhì)原子就變成了帶負(fù)電的離子。同樣也是這種擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使得n區(qū)電子也減少，失去帶負(fù)電電子的n型雜質(zhì)原子就變成了帶正電的離子。由于離子在晶體中是不能移動(dòng)的，這樣在p區(qū)和n區(qū)交界面上就形成了一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，人們把這個(gè)電荷區(qū)就稱為p n結(jié) 如果我們?cè)诎雽?dǎo)體p n結(jié)兩端適當(dāng)?shù)厥┘油獠侩妷?，這將立刻打破原來(lái)在半導(dǎo)體中所保持的平衡作用，它使得原本半導(dǎo)體內(nèi)部所存在性質(zhì)發(fā)生變化，這個(gè)變化正是我們所需要的單向?qū)щ娦袨?將外加電壓負(fù)

7、極接在p n結(jié)p區(qū)上，同時(shí)將外部電壓正極接在p n結(jié)n區(qū)上。由于這種連接方式使外加電壓與半導(dǎo)體內(nèi)部空間電場(chǎng)方向一致，它將使得p區(qū)中空穴載流子向外加電壓負(fù)極進(jìn)行移動(dòng)，而n區(qū)中電子載流子向外加電壓正極進(jìn)行移動(dòng)，這種反向運(yùn)動(dòng)結(jié)果導(dǎo)致了空間電荷量不是減少，而是增多，表現(xiàn)在p n結(jié)物理特性上是空間電場(chǎng)增強(qiáng)，即p n結(jié)變寬，這樣在半導(dǎo)體中使得載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)很難繼續(xù)進(jìn)行1.2.3 二極管開關(guān)特性 二極管具有單向?qū)щ娞匦?二極管伏安曲線由如下3個(gè)部分組成。 1正向特性部分 2反向電流部分 3反向擊穿電壓部分1.2.4 三極管開關(guān)特性 三極管結(jié)構(gòu)與符號(hào)示意圖 放大、截止、飽和稱為三極管的3個(gè)工作狀態(tài)1三極管截止

8、狀態(tài) 若在電路輸入端施加一個(gè)從3V到+3V脈沖信號(hào)，開始時(shí)輸入電壓為3V，因發(fā)射極電位Ve = 0，所以在發(fā)射結(jié)上施加的是一個(gè)反向偏置。此時(shí)三極管集電極電位Vc也高于Vb，同樣收集結(jié)也處于反向偏置。由于此時(shí)三極管兩個(gè)p n結(jié)都處于反向偏置，此時(shí)三極管內(nèi)部主要表現(xiàn)的是漂移運(yùn)動(dòng)，因這種情況下三極管中能夠獲得漂移條件的載流子為極少數(shù)，由它們形成的反向電流是可以忽略不計(jì)的，即Ib與Ie基本上為0，輸出電壓Vout = +12V。此時(shí)3個(gè)電極之間似乎用一種斷開現(xiàn)象被表現(xiàn)出來(lái)，因此人們把三極管這種工作狀態(tài)稱為截止?fàn)顟B(tài)2三極管放大狀態(tài) 如果把輸入電壓Vin從3V增加到+3V，此時(shí)Rb若很大，則Vb 0.5V

9、，發(fā)射結(jié)電場(chǎng)阻力仍未被削弱，發(fā)射區(qū)電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)還是非常困難的，這時(shí)三極管基極電流Ib和集電極電流Ic仍很小，所以三極管仍處于未導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)繼續(xù)增加輸入電壓Vin，使得基極電壓達(dá)到0.7V左右，發(fā)射結(jié)正式導(dǎo)通，此時(shí)對(duì)于三極管來(lái)講，只要稍微改變一點(diǎn)基極電流Ib，集電極電流Ic將按照一個(gè)確定放大倍數(shù)（如40倍）放大。由于集電極電流Ic變化，也導(dǎo)致輸出電壓Vout也跟隨發(fā)生相應(yīng)的改變，這就是三極管放大特點(diǎn)3三極管飽和狀態(tài) 若繼續(xù)增加基極電流Ib = 300，此時(shí)集電極電流Ic 12mA，這樣電路輸出電壓Vout就是硅型三極管集 射極管壓降，約為0.3V。若繼續(xù)增加基極電流Ib = 400，因電源電壓為

10、12V，集電極電流Ic只能維持在12mA，電路對(duì)外輸出仍保持在0.3V左右。所以盡管基極電流Ib可以繼續(xù)增加，但集電極電流Ic已經(jīng)不能再跟隨增加了，輸出電壓幾乎趨近于0V，但絕不能變成一個(gè)負(fù)電壓輸出，這時(shí)我們說(shuō)三極管已經(jīng)失去它的放大能力，從而出現(xiàn)了一種稱為飽和的現(xiàn)象，人們把三極管這種工作狀態(tài)稱為飽和狀態(tài)。 三極管特性曲線圖 三極管開關(guān)特性1.2.5 三極管3種連接方法 1共發(fā)射極電路連接結(jié)構(gòu)2共基極電路連接結(jié)構(gòu)3共集電極電路連接結(jié)構(gòu)1.3 邏輯門電路 作為數(shù)字系統(tǒng)應(yīng)用，人們經(jīng)常需要對(duì)其構(gòu)成的數(shù)字系統(tǒng)施加一些外部條件，去控制脈沖信號(hào)能否通過(guò)這些數(shù)字系統(tǒng)，這種控制條件所需電路機(jī)制就是邏輯門，而門電

11、路基本形式就是“與門”和“或門”兩種。1.3.1 DTL門電路DTL邏輯門工作原理 DTL輸出高電平示意圖 無(wú)反向驅(qū)動(dòng)電流示意圖1.3.2 TTL門電路 多發(fā)射極晶體管結(jié)構(gòu) 一種基于多發(fā)射極晶體管所構(gòu)成的簡(jiǎn)單TTL門電路結(jié)構(gòu) TTL輸出為低電平示意圖 產(chǎn)生反向基流的示意圖 上升沿變化示意圖 典型TTL集成電路1.3.3 CML門電路 計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度在成千上萬(wàn)倍地提高，這就大大推動(dòng)了邏輯電路必須向更高速方向發(fā)展，電流型邏輯（Current Mode Logic，CML）集成電路就是為適應(yīng)這種發(fā)展而出現(xiàn)的一種高速邏輯電路。 幾十年來(lái)，數(shù)字電路重要發(fā)展方向之一就是解決電路速度問(wèn)題，限制數(shù)字電路運(yùn)行速

12、度癥結(jié)點(diǎn)如下。 （1）三極管飽和問(wèn)題。 （2）電容充放電問(wèn)題。 （3）三極管內(nèi)部頻率特性。 對(duì)于CML結(jié)構(gòu)電路來(lái)說(shuō)，其工作特點(diǎn)是：第一，它工作在作用區(qū)，避免了三極管因飽和而產(chǎn)生存儲(chǔ)延遲時(shí)間問(wèn)題；第二，三極管收集結(jié)沒有處于正向狀態(tài)，這就減少了收集結(jié)電容Cc存在的問(wèn)題，它保證了輸出回路時(shí)間常數(shù)得到下降；第三，CML電路中開關(guān)幅度只有800mV左右，這就減少了負(fù)載電容、分布電容充放電時(shí)間；第四，它的工作方式接近于共有基級(jí)連接方式，所以它最大限度地發(fā)揮了三極管內(nèi)部固有頻率特性 CML電路結(jié)構(gòu)和符號(hào) 當(dāng)輸入電壓從低變高時(shí)，Vout1將從高變低，它起到反相器作用，而Vout2則和輸入電壓變化一樣，也是從低

13、變高，所以它的變化和輸入信號(hào)一樣，因此它起到同相作用。當(dāng)電路將這兩個(gè)輸出信號(hào)都引出作為下級(jí)電路互連信號(hào)時(shí)，則CML電路就出現(xiàn)了兩個(gè)稱為互補(bǔ)輸出表示，這樣CML電路在數(shù)字系統(tǒng)中可表現(xiàn)設(shè)計(jì)靈活性將大大增加。這種具備互補(bǔ)功能輸出結(jié)構(gòu)也是VLSI和ULSI輸入陣列結(jié)構(gòu)1.4 邏輯代數(shù)與基本邏輯運(yùn)算 邏輯代數(shù)與普通代數(shù)不一樣的地方是，在邏輯表示中，其取值只能是0或1。其次邏輯代數(shù)中取值，并不像普通代數(shù)中數(shù)值一樣可以用來(lái)表示數(shù)量概念，它只表示對(duì)事件真假判斷，而無(wú)數(shù)值大小和正負(fù)區(qū)分。所以在邏輯代數(shù)中，僅用信號(hào)量還不能完全反映數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中邏輯功能行為，它還需要反映出各種邏輯思維復(fù)雜關(guān)系，這些復(fù)雜關(guān)系的關(guān)聯(lián)行

14、為就是幾種運(yùn)算關(guān)系，即離散數(shù)學(xué)中所闡述的三種全功能聯(lián)結(jié)詞：與、或、非3種運(yùn)算關(guān)系1.4.1 析取聯(lián)結(jié)詞與正“或”門電路PQPQTTTTFTFTTFFF析取聯(lián)結(jié)詞定義析取聯(lián)結(jié)詞是一個(gè)復(fù)合命題，記作PQ 在數(shù)字電路中，實(shí)現(xiàn)或運(yùn)算邏輯功能的電子電路稱為或門。 或運(yùn)算表ABF0000111011111.4.2 合取聯(lián)結(jié)詞與正“與”門電路 合取也是一個(gè)復(fù)合命題，記作PQ。PQPQTTTTFFFTFFFF合取聯(lián)結(jié)詞定義 在數(shù)字電路中，實(shí)現(xiàn)與運(yùn)算邏輯功能的電子電路稱為與門。 與運(yùn)算表ABF0000101001111.4.3 否定聯(lián)結(jié)詞與“非”門電路 否定聯(lián)結(jié)詞用符號(hào)“”否定聯(lián)結(jié)詞定義PPTFFT 在數(shù)字電路

15、中，用電子電路來(lái)實(shí)現(xiàn)非運(yùn)算邏輯功能的電路稱為非門，也稱為反相器 非運(yùn)算表PP01101.4.4 復(fù)合邏輯門電路 “與非”邏輯、“或非”邏輯就是這些復(fù)合邏輯門的基本表示 “與非”邏輯表示為F = ； “或非”邏輯表示為：F = ；ABA+B 與非、或非運(yùn)算表AB0011011010101100ABA+B 與非門、或非門符號(hào) 實(shí)現(xiàn)與或非門的復(fù)雜表現(xiàn) 與或非門的慣用符號(hào)1.4.5 雙條件聯(lián)結(jié)詞與“同或”電路 雙條件聯(lián)結(jié)詞是一個(gè)復(fù)合命題，記作P Q。 雙條件聯(lián)結(jié)詞定義PQP QTTTTFFFTFFFT 邏輯同電路符號(hào)表示1.4.6 不可兼或聯(lián)結(jié)詞與“異或”電路 不可兼或聯(lián)結(jié)詞也是一個(gè)復(fù)合命題，它是雙條

16、件聯(lián)結(jié)詞 的否定，記為QPQP 不可兼或聯(lián)結(jié)詞定義PQTTFTFTFTTFFFQP 不可兼或運(yùn)算在數(shù)字系統(tǒng)中稱為邏輯異，也稱為異或門，運(yùn)算符號(hào)用“”表示 邏輯異運(yùn)算表AEA E0000111011101.5 觸發(fā)器基本概念與分類 利用電子電路來(lái)制作的記憶器件被稱為觸發(fā)器 反相器工作過(guò)程 能實(shí)現(xiàn)記憶功能的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 有關(guān)觸發(fā)器使用時(shí)的幾個(gè)技術(shù)術(shù)語(yǔ) 1觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)：針對(duì)觸發(fā)器的一次狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)器發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)前的狀態(tài)，用Q表示。 2觸發(fā)器次態(tài)：針對(duì)觸發(fā)器的一次狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)器發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)后的狀態(tài)，用Q(n+1)表示。 3次態(tài)真值表：描述觸發(fā)器次態(tài)與現(xiàn)態(tài)和輸入的函數(shù)關(guān)系的真值表格式。 4次態(tài)方程：用邏輯

17、方程表現(xiàn)的形式。 5次態(tài)卡諾圖：利用卡諾圖來(lái)表現(xiàn)現(xiàn)態(tài)、輸入與次態(tài)之間關(guān)系的圖示1.5.1 觸發(fā)器與時(shí)鐘 為保證數(shù)字系統(tǒng)正常工作，針對(duì)這類需要統(tǒng)一發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換的數(shù)字系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)部都增設(shè)了系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，這樣內(nèi)部各個(gè)功能部件都在該時(shí)鐘信號(hào)控制下，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一狀態(tài)轉(zhuǎn)換1.5.2 基本RS觸發(fā)器 基本RS觸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與符號(hào) 基本RS觸發(fā)器工作時(shí)序圖 基本RS觸發(fā)器功能表外部輸入現(xiàn)態(tài)次態(tài)R SQ（n）Q（n+1）0 001不能確定0 10101 00111 101保持不變1.5.3 可控RS觸發(fā)器 可控RS觸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與符號(hào) 可控RS觸發(fā)器次態(tài)方程為： Q(n+1) = S + RQ 可控RS觸發(fā)器工作

18、時(shí)序圖 可控RS觸發(fā)器功能表外部輸入現(xiàn)態(tài)次態(tài)R SQ（n）Q（n+1）0 001保持不變0 10111 00101 101不能確定 可控RS觸發(fā)器工作狀態(tài)圖 觸發(fā)器空翻現(xiàn)象示意圖1.5.4 主從式JK觸發(fā)器 簡(jiǎn)單JK觸發(fā)器 簡(jiǎn)單JK觸發(fā)器時(shí)序圖 主從式JK觸發(fā)器結(jié)構(gòu) 主從式JK觸發(fā)器CP閾值示意圖 JK觸發(fā)器符號(hào) JK觸發(fā)器功能表外部輸入現(xiàn)態(tài)次態(tài)R SQ（n）Q（n+1）0 001保持不變0 10101 00111 101計(jì)數(shù)狀態(tài) JK觸發(fā)器狀態(tài)圖1.5.5 D型觸發(fā)器型觸發(fā)器 D型觸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與符號(hào) D型觸發(fā)器工作時(shí)序示意圖 D型觸發(fā)器功能表 D型觸發(fā)器狀態(tài)圖外部輸入現(xiàn)態(tài)次態(tài)DQ（n）Q（n+1）00101011 D型觸發(fā)器優(yōu)點(diǎn)如下所示。 （1）D型觸