數(shù)字電子技術(shù)第一章課件

1、第一章第一章 數(shù)制和碼制數(shù)制和碼制1.1概述一、數(shù)字電路的特點一、數(shù)字電路的特點四、設(shè)計方法變化四、設(shè)計方法變化五、考核方法五、考核方法一、數(shù)字電路的特點一、數(shù)字電路的特點 (一一) 模擬電路與數(shù)字電路的區(qū)別模擬電路與數(shù)字電路的區(qū)別模擬電路：模擬電路：處理的信號是時間上處理的信號是時間上連續(xù)連續(xù)的信號的信號數(shù)字電路：數(shù)字電路：處理的信號是處理的信號是離散離散的信號的信號1. 工作工作信號信號是是離散離散的，因此電路中工作的的，因此電路中工作的半導(dǎo)體管半導(dǎo)體管多數(shù)多數(shù)工作在工作在開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)。如二極管工作在導(dǎo)通和截止態(tài)如二極管工作在導(dǎo)通和截止態(tài) 三極管工作在飽和態(tài)和截止態(tài)三極管工作在飽和態(tài)和

2、截止態(tài)2. 研究對象是研究對象是輸入輸入和和輸出輸出的的邏輯關(guān)系邏輯關(guān)系，因此主要的，因此主要的分分析工具是邏輯代數(shù)析工具是邏輯代數(shù)，表達電路的功能主要是真值表、，表達電路的功能主要是真值表、邏輯表達式及波形圖等。邏輯表達式及波形圖等。一、數(shù)字電路的特點一、數(shù)字電路的特點 (二二) 數(shù)字電路的特點數(shù)字電路的特點計算機計算機通信（通信（DSP應(yīng)用）應(yīng)用）電視（高清晰度）電視（高清晰度）將來通信的發(fā)展趨勢：將來通信的發(fā)展趨勢：軟件無線電軟件無線電單片機單片機+DSP(數(shù)字信號處理）數(shù)字信號處理）+ FPGA（CPLD）（現(xiàn)場可編程電路）現(xiàn)場可編程電路）二、典型應(yīng)用二、典型應(yīng)用會議電視會議電視數(shù)字移

3、動蜂窩電話數(shù)字移動蜂窩電話家庭信息中心家庭信息中心虛擬教育虛擬教育數(shù)字相機數(shù)字相機自動駕駛汽車自動駕駛汽車視覺感應(yīng)器視覺感應(yīng)器數(shù)據(jù)存儲與處理數(shù)據(jù)存儲與處理返回返回集集成成電電路路緒緒 論論三、電子器件的發(fā)展三、電子器件的發(fā)展電電子子管管晶晶體體管管分分立立元元件件（SSI（100以下以下）MSI（103）LSI（104）超大規(guī)模超大規(guī)模VLSI（105以上）以上）1906年，福雷斯特等發(fā)明了電子管；電子管體積大、重年，福雷斯特等發(fā)明了電子管；電子管體積大、重量重、耗電大、壽命短。世界上第一臺計算機用了量重、耗電大、壽命短。世界上第一臺計算機用了1.8萬萬只電子管，占地只電子管，占地1500平方

4、米，重平方米，重30噸，耗電很大噸，耗電很大,據(jù)傳據(jù)傳ENIAC每次一開機，整個每次一開機，整個費城費城西區(qū)的電燈都為之西區(qū)的電燈都為之黯然失黯然失色色。目前在一些大功率發(fā)射裝置中使用。目前在一些大功率發(fā)射裝置中使用。緒緒 論論三、電子器件的發(fā)展三、電子器件的發(fā)展電電子子管管晶晶體體管管分分立立元元件件（集集成成電電路路SSI（100以下以下）MSI（103）LSI（104）超大規(guī)模超大規(guī)模VLSI（105以上）以上）1948年，肖克利等發(fā)明了晶體管，其年，肖克利等發(fā)明了晶體管，其性能在體積、重量方面明顯優(yōu)于電子性能在體積、重量方面明顯優(yōu)于電子管，但器件較多時由分立元件組成的管，但器件較多時由

5、分立元件組成的分立電路體積大、焊點多、電路的可分立電路體積大、焊點多、電路的可靠性差?？啃圆睢＞w緒 論論返返 回回1947年年12月月16日，威廉日，威廉邵克雷（邵克雷（WilliamShockley）、）、約翰約翰巴頓（巴頓（JohnBardeen）和沃特）和沃特布拉頓布拉頓（WalterBrattain）成功地在貝爾實驗室制造出第一）成功地在貝爾實驗室制造出第一個晶體管，開辟了電子技術(shù)的新紀元個晶體管，開辟了電子技術(shù)的新紀元;1950年，威年，威廉廉邵克雷開發(fā)出雙極晶體管邵克雷開發(fā)出雙極晶體管（BipolarJunctionTransistor），這是現(xiàn)在通行的標），這是現(xiàn)在通行的標準的晶

6、體管。準的晶體管。首款晶體管收音機內(nèi)置有四個晶體管。英特爾研制首款晶體管收音機內(nèi)置有四個晶體管。英特爾研制出的第一款計算機芯片僅包出的第一款計算機芯片僅包 2,300 個晶體管，而英個晶體管，而英特爾于特爾于 2007 年年 11 月發(fā)布的最新基于月發(fā)布的最新基于45納米生產(chǎn)工納米生產(chǎn)工藝的芯片則包含藝的芯片則包含 8.2 億個晶體管。億個晶體管。你可以在一根人類的頭發(fā)寬度上擺放你可以在一根人類的頭發(fā)寬度上擺放2000多個多個45納米晶體納米晶體管。管。 1947年貝爾實驗室制造的第一個晶體管可握在手中，而英年貝爾實驗室制造的第一個晶體管可握在手中，而英特爾制造的全新特爾制造的全新45納米晶體

7、管僅在一個紅血球細胞表面即納米晶體管僅在一個紅血球細胞表面即可容納數(shù)百個可容納數(shù)百個如果今天一個晶體管的價格還維持如果今天一個晶體管的價格還維持1968年的平均價格水平，年的平均價格水平，那么英特爾推出的新一代那么英特爾推出的新一代45納米處理器納米處理器Penryn中晶體管中晶體管的價格將比現(xiàn)在的價格高一百萬倍。如果汽車價格以同樣的價格將比現(xiàn)在的價格高一百萬倍。如果汽車價格以同樣的速度下滑，今天一部新車的價格將僅為的速度下滑，今天一部新車的價格將僅為1美分。美分。一個一個45納米晶體管可在納米晶體管可在1秒鐘內(nèi)切換約秒鐘內(nèi)切換約3千億次。一個千億次。一個45納納米晶體管開關(guān)一次所需時間，僅相

8、當于以光速（每秒米晶體管開關(guān)一次所需時間，僅相當于以光速（每秒30萬萬公里）穿行公里）穿行0.1英寸所需的時間。英寸所需的時間。 集集成成電電路路緒緒 論論三、電子器件的發(fā)展三、電子器件的發(fā)展電電子子管管晶晶體體管管分分立立元元件件（SSI（100以下以下）MSI（103）LSI（104）超大規(guī)模超大規(guī)模VLSI（105以上）以上）1960年集成電路出現(xiàn)，成千年集成電路出現(xiàn)，成千上萬個器件集成在一塊芯片，上萬個器件集成在一塊芯片，大大促進了電子學的發(fā)展，大大促進了電子學的發(fā)展，尤其促進數(shù)字電路和微型計尤其促進數(shù)字電路和微型計算機的飛速發(fā)展。算機的飛速發(fā)展。芯片中集成上萬個芯片中集成上萬個等效門

9、，目前高的等效門，目前高的已達上百萬門。已達上百萬門。1946年2月14日，世界上第一臺電腦ENIAC在美國賓夕法尼亞大學誕生. “埃尼阿克”(ENIAC)。運算速度為 5000次/秒左右，也就是說，還沒有現(xiàn)在普通計算器的運算速度快2012年 ,日本京計算機（K computer）:日本理化研究所作為次時代超級電腦開發(fā)，總投資1120億日元，購入富士通生產(chǎn)的CPU研發(fā)生產(chǎn)的，每秒計算速度1京回，10 16 這個數(shù)字。連續(xù)兩屆被世界權(quán)威機構(gòu)評為計算速度最快的電子計算機。緒緒 論論四、設(shè)計方法的變化四、設(shè)計方法的變化 傳統(tǒng)的設(shè)計方法：傳統(tǒng)的設(shè)計方法： 現(xiàn)代的設(shè)計方法：現(xiàn)代的設(shè)計方法：純硬件電路邏輯

10、設(shè)計，采用試湊法；純硬件電路邏輯設(shè)計，采用試湊法；比較適合分立元件及小規(guī)模集成電路比較適合分立元件及小規(guī)模集成電路的設(shè)計，所設(shè)計電路需反復(fù)調(diào)試，而的設(shè)計，所設(shè)計電路需反復(fù)調(diào)試，而且所用的元器件較多，出問題幾率較且所用的元器件較多，出問題幾率較高，電路的可靠性較差高，電路的可靠性較差從傳統(tǒng)的硬件邏輯設(shè)計發(fā)展為硬件邏輯從傳統(tǒng)的硬件邏輯設(shè)計發(fā)展為硬件邏輯設(shè)計、軟件邏輯設(shè)計及兼有兩者優(yōu)點的設(shè)計、軟件邏輯設(shè)計及兼有兩者優(yōu)點的集成電路集成電路ASIC(特定用途集成電路特定用途集成電路)設(shè)計。設(shè)計。采用從上到下或從下到上設(shè)計方法，出采用從上到下或從下到上設(shè)計方法，出現(xiàn)了相應(yīng)的電子設(shè)計自動化技術(shù)（現(xiàn)了相應(yīng)的電

11、子設(shè)計自動化技術(shù)（EDA）和復(fù)雜電路的測試技術(shù)。和復(fù)雜電路的測試技術(shù)。返返 回回緒緒 論論EDA技術(shù)以計算機為基本工具、借助于技術(shù)以計算機為基本工具、借助于軟件設(shè)計平臺，自動完成數(shù)字系統(tǒng)的邏軟件設(shè)計平臺，自動完成數(shù)字系統(tǒng)的邏輯綜合、布局布線、仿真等工作。最后輯綜合、布局布線、仿真等工作。最后下載到芯片，實現(xiàn)方案。下載到芯片，實現(xiàn)方案。1、設(shè)計：、設(shè)計：在計算機上利用軟件平臺進行設(shè)計在計算機上利用軟件平臺進行設(shè)計設(shè)計方法設(shè)計方法原理圖設(shè)計原理圖設(shè)計VHDL語言設(shè)計語言設(shè)計狀態(tài)機設(shè)計狀態(tài)機設(shè)計EDA技術(shù)：技術(shù)：（電子設(shè)計自動化）（電子設(shè)計自動化）返返 回回緒緒 論論2、仿真、仿真3、下載、下載4、

12、驗證結(jié)果、驗證結(jié)果實驗板實驗板下載線下載線返返 回回l大規(guī)模：提高系統(tǒng)可靠性、減小體積、降低成本和功耗。l低功耗：超大規(guī)模芯片功耗可低達mW級。l高速度：運算速度最快的計算機12.3萬億次。l可編程：PLD。l可測試：進行故障診斷。l多值化：提高信息密度（量）。五、數(shù)字電路的發(fā)展趨勢七、參 考 資 料參考資料參考資料1. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程閆石主編閆石主編清華大學出版社清華大學出版社2. 電子電路電子電路-數(shù)字部分數(shù)字部分康華光主編康華光主編高教出版社高教出版社返返 回回教教 材材數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）清華大學電子學教研組清華大學電子

13、學教研組高等教育出版社高等教育出版社數(shù)制數(shù)制是人類表示數(shù)值大小的各種方法的統(tǒng)稱。是人類表示數(shù)值大小的各種方法的統(tǒng)稱。1.2、幾種常用的數(shù)制、幾種常用的數(shù)制按照進位的方式實現(xiàn)計數(shù)的制度按照進位的方式實現(xiàn)計數(shù)的制度進位計數(shù)制進位計數(shù)制 數(shù)制：每一位的構(gòu)成從低位向高位的進位規(guī)則常用到的：十進制，二進制，八進制，十六進制1、十進制、十進制=3 102 + 3 101+ 3 100+ 3 10-1 +3 10-2權(quán)權(quán) 權(quán)權(quán) 權(quán)權(quán) 權(quán)權(quán) 權(quán)權(quán))基數(shù)基數(shù)10，逢十進一逢十進一，即，即9+1=103)不同數(shù)位上的數(shù)具有不同的權(quán)值不同數(shù)位上的數(shù)具有不同的權(quán)值10i。 4)任意一個十進制數(shù)，都可按其位權(quán)任意一個十

14、進制數(shù)，都可按其位權(quán)展成多項式的形式展成多項式的形式(333.33)10位置計數(shù)法位置計數(shù)法按權(quán)展開式按權(quán)展開式(N)10=(Kn-1 K1 K0. K-1 K-m)101nmii10iK特點：特點： )有有0-9十個數(shù)字符號和小數(shù)點，數(shù)碼十個數(shù)字符號和小數(shù)點，數(shù)碼K i從從0-9=Kn-1 10n-1+K1101+K0100+K-1 10-1+K-m 10-m數(shù)基數(shù)基表示相對小數(shù)點表示相對小數(shù)點的位置的位置2、二進制數(shù)表示法、二進制數(shù)表示法2 ) 1011 (012321212021 2 ) 11 101. (210122121212021 1）基數(shù)）基數(shù)2，逢二進一逢二進一，即，即1+1=

15、10 3）不同數(shù)位上的數(shù)具有不同的權(quán)值）不同數(shù)位上的數(shù)具有不同的權(quán)值2i。4）任意一個二進制數(shù)，都可按其位權(quán)）任意一個二進制數(shù)，都可按其位權(quán)展成多項式的形式展成多項式的形式(N)2=(Kn-1 K1 K0. K-1 K-m)2=Kn-1 2n-1+K121+K020+K-1 2-1+K-m 2-m1nmii2iK2)有有0-1兩個數(shù)字符號和小數(shù)點兩個數(shù)字符號和小數(shù)點，數(shù)碼，數(shù)碼K i從從0-1任意進制任意進制 1）基數(shù)）基數(shù)R，逢逢R進一進一， 3）不同數(shù)位上的數(shù)具有不同的權(quán)值）不同數(shù)位上的數(shù)具有不同的權(quán)值Ri。4） 任意一個任意一個R進制數(shù)，都可按其權(quán)位進制數(shù)，都可按其權(quán)位展成多項式的形式展

16、成多項式的形式(N)R=(Kn-1 K1 K0. K-1 K-m)2=Kn-1 Rn-1+K1R1+K0R0+K-1 R-1+K-m R-m1nmiiRiK2) 有有R個數(shù)字符號和小數(shù)點個數(shù)字符號和小數(shù)點，數(shù)碼，數(shù)碼K i從從0到到R-13. 八進制八進制（Octal）- 逢八進一逢八進一數(shù)碼數(shù)碼：0 7位權(quán)：位權(quán)：8) 41 .37 (210181848783 4. 十六進制十六進制 (Hexadecimal) -逢十六進一逢十六進一數(shù)碼：數(shù)碼：0 9 , A(10) , B(11) , C(12) , D(13) , E(14) , F(15)位權(quán)：位權(quán)：i 8i 1616) 7F 2A.

17、 (210116151671610162 任意任意(N)進制數(shù)展開式的普遍形式：進制數(shù)展開式的普遍形式：iiNkD ikiN 第第 i 位的系數(shù)位的系數(shù) 第第 i 位的權(quán)位的權(quán)十進制，二進制，八進制，十六進制逢二進一逢八進一逢十進一逢十六進一不同進制數(shù)的對照表1.3. 幾種常用進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換幾種常用進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換(1) 二二-十轉(zhuǎn)換：十轉(zhuǎn)換： 將二進制數(shù)按位權(quán)展開后相加將二進制數(shù)按位權(quán)展開后相加2) 11 .101 (210122121212021 10)75 . 5(25 . 05 . 014 (2) 十十- -二轉(zhuǎn)換二轉(zhuǎn)換：整數(shù)的轉(zhuǎn)換整數(shù)的轉(zhuǎn)換-連除法連除法210) () 26 ( 2

18、6213余數(shù)余數(shù)206213202 110111010除基數(shù)除基數(shù)得余數(shù)得余數(shù)作系數(shù)作系數(shù)從低位從低位到高位到高位 整數(shù)部分的轉(zhuǎn)換整數(shù)部分的轉(zhuǎn)換除基取余法除基取余法：用目標數(shù)制的：用目標數(shù)制的基數(shù)基數(shù)（R=2R=2）去除去除十十進制數(shù)進制數(shù)，第一次第一次相除所得余數(shù)為目的數(shù)的相除所得余數(shù)為目的數(shù)的最低位最低位 K K0 0，將所得將所得商商再除以再除以基數(shù)基數(shù)，反復(fù)執(zhí)行上述過程，反復(fù)執(zhí)行上述過程，直到商為直到商為“0 0”，所得余數(shù)為目的數(shù)的所得余數(shù)為目的數(shù)的最高位最高位K Kn-1n-1。例：（例：（81）10=（？）（？）2得：（得：（8181）1010 = =（1010001101000

19、1）2 281402010520 2 2 2 2 2 2 21K00K10K20K31K40K51K61210) () 1258 . 0 ( 1101 . 00. 8125 21. 6250 21. 2500 20. 5000取整取整1100. 62500. 2500乘基數(shù)乘基數(shù)取整數(shù)取整數(shù)作系數(shù)作系數(shù)從高位從高位到低位到低位小數(shù)的轉(zhuǎn)換小數(shù)的轉(zhuǎn)換-連乘法連乘法 若小數(shù)在連乘多次后若小數(shù)在連乘多次后不為不為 0，一般按照精確度，一般按照精確度要求要求(如小數(shù)點后保留如小數(shù)點后保留 n 位位)得到得到 n 個對應(yīng)位的系個對應(yīng)位的系數(shù)即可。數(shù)即可。 21. 00001乘基取整法乘基取整法：小數(shù)小數(shù)乘

20、以目標數(shù)制的乘以目標數(shù)制的基數(shù)基數(shù)（R=2R=2），），第第一次一次相乘結(jié)果的相乘結(jié)果的整數(shù)整數(shù)部分為目的數(shù)的部分為目的數(shù)的最高位最高位K K-1-1，將其小將其小數(shù)部分再乘基數(shù)依次記下整數(shù)部分，反復(fù)進行下去，數(shù)部分再乘基數(shù)依次記下整數(shù)部分，反復(fù)進行下去，直直到小數(shù)部分為到小數(shù)部分為“0 0”，或滿足要求的或滿足要求的精度精度為止（即根據(jù)為止（即根據(jù)設(shè)備字長限制，取有限位的近似值）。設(shè)備字長限制，取有限位的近似值）。例：例： （0.650.65）1010 =( ? ) =( ? )2 2 要求精度為小數(shù)五位。要求精度為小數(shù)五位。0.65 2K-110.3 2K-200.6 2K-310.2 2

21、K-400.4 2K-500.8由此得：由此得：(0.65)10=(0.10100)2綜合得：綜合得：(26.65)10=(11010 .10100)2如如2-5，只要求到小只要求到小數(shù)點后第五位數(shù)點后第五位快速轉(zhuǎn)換法：拆分法快速轉(zhuǎn)換法：拆分法( 26 )10= 16 + 8 + 2 = 24 +23 + 21= ( 1 1 0 1 0 )216 8 4 2 1(3) 二二-八轉(zhuǎn)換八轉(zhuǎn)換:82) () 111 101 10 ( 25757(4) 八八-二轉(zhuǎn)換二轉(zhuǎn)換:每位每位 8 進制數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)進制數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng) 3 位二進制數(shù)位二進制數(shù)28) () 47 .31 ( 011 001 . 100

22、 11128) () 64 375. ( 011 111 101. 110 100082) () 1 1 0 0 0 1. 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 ( 002341. 062從從小數(shù)點小數(shù)點開始，將二進制數(shù)的整數(shù)和小數(shù)開始，將二進制數(shù)的整數(shù)和小數(shù)部分部分每三位每三位分為分為一組一組，不足不足三位的分別在三位的分別在整數(shù)的最高位前和小數(shù)的最低位后整數(shù)的最高位前和小數(shù)的最低位后加加“0 0”補足，然后每組用等值的補足，然后每組用等值的八進制碼替代八進制碼替代, ,即得目的即得目的數(shù)數(shù)。（5）二）二-十六轉(zhuǎn)換：十六轉(zhuǎn)換：每每 4 位二進制數(shù)相當一位位二進制數(shù)相當一位 16 進制數(shù)進制

23、數(shù)16210) () () 26 ( 1010 11AA1（6）十六）十六-二轉(zhuǎn)換：二轉(zhuǎn)換：每位每位 16 進制數(shù)換為相應(yīng)的進制數(shù)換為相應(yīng)的 4 位二進制數(shù)位二進制數(shù)216) () 6 C . AF 8 ( 0 0 0 1216) () F 2 . 8 D E ( 0 1 1 11 1 1 1. 0 1 0 10 0 1 10 1 1 0 1 0 1 1. 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 ) () 1 0 0 . 0 1 1 0 1 1 0 1 1 (162 2 . 6 B 10000000非十進制轉(zhuǎn)成十進制非十進制轉(zhuǎn)成十進制方法方法：將相應(yīng)進制的數(shù)按權(quán)展成多將相應(yīng)進制的數(shù)按權(quán)

24、展成多項式，按十進制求和項式，按十進制求和( (F8C.B)F8C.B)16 16 = = F F16162 2+8+816161 1+C+C16160 0+B+B1616-1-1= = 3840+128+12+0.68753840+128+12+0.6875=3980.6875=3980.6875例：1.4二進制運算 所以數(shù)字電所以數(shù)字電路中普遍采用二進制算數(shù)運算路中普遍采用二進制算數(shù)運算1.4二進制數(shù)運算二進制數(shù)的補碼： 最高位為符號位（0為正，1為負） 正數(shù)的補碼和它的原碼相同 負數(shù)的補碼 = 數(shù)值位逐位求反(反碼) + 1如 +5 = （0 0101） -5 = （1 1011） 通過

25、補碼，將減一個數(shù)用加上該數(shù)的補碼來實現(xiàn) 10 5 = 5 10 + 7 12= 5 （舍棄進位） 7+5=12 產(chǎn)生進位的模 7是-5對模數(shù)12的補碼 1011 0111 = 0100 （11 - 7 = 4） 1011 + 1001 = 10100 =0100（舍棄進位） （11 + 916 = 4） 0111 + 1001 =24 0111是- 1001對模24 （16） 的補碼 兩個補碼表示的二進制數(shù)相加時的符號位討論例：用二進制補碼運算求出1310 0100111011011001112310131110110101001001113101300011010110101101031013101110010100011010231013結(jié)論：將兩個加數(shù)的符號位和來自最高位數(shù)字位的進位相加，結(jié)果就是和的符號 解：-10的補碼編碼：編碼： 用二進制數(shù)表示文字、符號等信息的過程。用二進制數(shù)表示文字、符號等信息的過程。二進制代碼：二進制代碼：編碼后的二進制數(shù)。編碼后的二進制數(shù)。用二進制代碼表示十個數(shù)字符號用二進制代碼表示十個數(shù)字符號 0 9，又稱為，又稱為 BCD 碼（碼（Binary Coded Deci