集成電子技術(shù)基礎(chǔ)教程(第二版)-課件-第3篇-第1章-數(shù)字電路的基本問(wèn)題

1、第3篇 數(shù)字電子電路 本篇導(dǎo)讀 本篇從數(shù)字電路的特點(diǎn)出發(fā),首先討論數(shù)字信號(hào)，計(jì)數(shù)體制，代碼，邏輯關(guān)系、邏輯函數(shù)和邏輯運(yùn)算，邏輯化簡(jiǎn)等。 簡(jiǎn)單定性介紹實(shí)現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路邏輯門電路（TTL、CMOS）。 介紹常見(jiàn)的組合邏輯電路，各電路型式，工作原理，中規(guī)模集成組合電路的應(yīng)用。 各種功能觸發(fā)器，電路組成和邏輯功能分析，計(jì)數(shù)器和數(shù)碼移位寄存器等時(shí)序邏輯電路。 組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的基本分析方法和設(shè)計(jì)方各，這些電路的應(yīng)用舉例。第1章 數(shù)字電路的基本問(wèn)題 3.1.1 數(shù)字信號(hào)和數(shù)字電路 正弦電壓波形 鋸齒電壓波形 隨時(shí)間溫度變化波形 典型的模擬信號(hào)一、模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)典型的數(shù)字信號(hào)二、模擬電路

2、和數(shù)字電路加工和處理模擬信號(hào)的電子電路模擬電子電路加工和處理數(shù)字信號(hào)的電子電路數(shù)字電子電路三、數(shù)字信號(hào)的處理和傳輸1010110100010 信息一位一位傳輸8位信息一起傳輸 并行傳輸和串行傳輸 構(gòu)成各數(shù)據(jù)代碼的各數(shù)據(jù)位分別在不同的并行信道上同時(shí)傳輸并行傳輸 構(gòu)成各數(shù)據(jù)代碼的各數(shù)據(jù)位串行排列成數(shù)據(jù)流，在一條信道上傳輸串行傳輸 并行傳輸時(shí)，其設(shè)備成本較高，且不宜遠(yuǎn)距離傳輸，但速度快；串行傳輸簡(jiǎn)單，一條傳輸線，適合遠(yuǎn)距離傳輸，但速度慢。并行傳輸方式串行傳輸方式3.1.2 計(jì)數(shù)體制及相互間的轉(zhuǎn)換 從數(shù)字信號(hào)的形式可知，它只有兩種電平或兩種截然不同的狀態(tài)。所以數(shù)字電路中實(shí)現(xiàn)的是二進(jìn)制計(jì)數(shù)體制。 由于人

3、們習(xí)慣于十進(jìn)制數(shù)，還有八進(jìn)制和十六進(jìn)制數(shù)，所以首先總結(jié)計(jì)數(shù)體制。然后討論各種數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換問(wèn)題。一、計(jì)數(shù)體制 有0,1,2，,9等十個(gè)數(shù)碼元素，任何大小的一個(gè)數(shù)字都由這十個(gè)元素組成。例如(475.8)10或(475.8)D，這個(gè)十進(jìn)制數(shù)可以寫成（1）十進(jìn)制數(shù)它表明：進(jìn)制數(shù)為10(即r=10)，高低位之間關(guān)系為逢十進(jìn)一，高位至低位的權(quán)值為因此有通式： 式中n是該數(shù)整數(shù)部分的位數(shù)，m是小數(shù)部分的位數(shù)，Ki是i位的數(shù)碼，r是表示任意進(jìn)制時(shí)的基數(shù)，如二進(jìn)制數(shù)、八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)等。高位至低位的權(quán)值為（2）二進(jìn)制數(shù) 有0,1二個(gè)數(shù)碼元素，基數(shù)r=2，逢二進(jìn)一，如：(110101.101)2或(11

4、0101.101)B，寫成通式展開后為:求和展開通式:（3）八進(jìn)制數(shù) 有0，1，6，7等八個(gè)數(shù)碼元素，基數(shù)r=8，逢八進(jìn)一，如：(356.71)8或(356.71)O。寫成通式展開后為:高位至低位的權(quán)值為（4）十六進(jìn)制數(shù) 有0，1，2，9，A，B，C，D，E，F(xiàn)等十六個(gè)數(shù)碼元素，基數(shù)r=16，逢十六進(jìn)一，如：(5A8D.C6)16或(5A8D.C6)H，寫成通式展開后為:高位至低位的權(quán)值為十進(jìn)二進(jìn)八進(jìn)十六進(jìn)00000001000111200102230011334010044501015560110667011177十進(jìn)、二進(jìn)、八進(jìn)和十六進(jìn)制數(shù)間關(guān)系表810001089100111910101

5、012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F二、數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換1. 二、八、十六十進(jìn)制數(shù) 數(shù)字電路運(yùn)行在二值的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)下，但為書寫方便，常用八進(jìn)和十六進(jìn)制數(shù)表示，而日常又習(xí)慣于十進(jìn)制數(shù)，所以要進(jìn)行數(shù)制間的轉(zhuǎn)換。具體方法：用求和展開通式,然后按十進(jìn)制規(guī)律相加,即得等值十進(jìn)制數(shù)。例1：將以下二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)解：例2：將以下二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)解：例3：將以下八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)解：例4：將以下十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)解：2. 十進(jìn)制數(shù)二、八、十六（1）整數(shù)部分轉(zhuǎn)換具體方法： 將待轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制數(shù)整數(shù)除以進(jìn)制數(shù)（二、八、十六）取

6、余數(shù)，不斷地進(jìn)行，直至商為零。 第一次的余數(shù)為轉(zhuǎn)換后進(jìn)制數(shù)的最低位（LSB），最后的余數(shù)為轉(zhuǎn)換后進(jìn)制數(shù)的最高位（MSB）。 以十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)為例LSBLeast Siginificant BitMSBMost Siginificant Bit組成轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)為： 例： （175）D=（10101111）B（257）O（AF）H 8 175 8 8 2120K0=7K1=5 K2=2（2）小數(shù)部分轉(zhuǎn)換方法：待轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制小數(shù)乘進(jìn)制數(shù)（二、八、十六）取整，不斷地進(jìn)行，直至積的小數(shù)為零為止。必須注意：若積的小數(shù)達(dá)不到零時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)換的精度來(lái)取位數(shù)。另外，第一次的整數(shù)為轉(zhuǎn)換后進(jìn)制數(shù)的最高位（

7、MSB）最后一次的整數(shù)為最低位LSB）即：例：將以下十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制數(shù)整數(shù)部分小數(shù)部分3. 二、八、十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換方法：以二進(jìn)制數(shù)為橋梁進(jìn)行即可。4. 數(shù)字電路中的正負(fù)數(shù)及表示 數(shù)字電路只認(rèn)識(shí)二進(jìn)制數(shù)，所以正負(fù)數(shù)肯定也用二進(jìn)制數(shù)表示。其方法是在一個(gè)數(shù)的最高位前設(shè)置一位符號(hào)位。這樣規(guī)定后的表示形式有三種： 符號(hào)位為“0”時(shí)，表示該數(shù)為正數(shù)，符號(hào)位為“1”時(shí)，表示該數(shù)為負(fù)數(shù)。符號(hào)位（1）正負(fù)數(shù)的原碼表示 這種原碼表示方法，適用于兩數(shù)相乘，因?yàn)槌朔e的符號(hào)位只要將兩乘數(shù)符號(hào)位相異或即可。原碼表示規(guī)定：符號(hào)位加上原數(shù)的數(shù)值部分組成，即【X】原=符號(hào)位+原數(shù)值。如：X1=+1001010 【X

8、1】原=01001010 X2= -1001010 【X2】原=11001010（2）正負(fù)數(shù)的反碼表示 反碼表示有兩種情況：如果原數(shù)為正數(shù)，則該數(shù)的反碼表示為符號(hào)位加上原數(shù)值；如果原數(shù)為負(fù)數(shù)，則該數(shù)的反碼表示為符號(hào)位加上原數(shù)值的反碼。 即【X】反=符號(hào)位+原數(shù)值 X為正數(shù) 【X】反=符號(hào)位+原數(shù)值反碼 X為負(fù)數(shù)如：X1=+1001010【X1】反=01001010 X2=-1001010【X2】反=10110101（3）正負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼表示 補(bǔ)碼（補(bǔ)數(shù)）可以從生活中來(lái)認(rèn)識(shí)：如早晨7：00起床時(shí)，發(fā)現(xiàn)時(shí)鐘停在10：00，要校到7：00時(shí)，有兩種方法，一種是順時(shí)針拔9個(gè)小時(shí)，另一種是反時(shí)針拔3個(gè)小時(shí)，

9、都可以將時(shí)鐘校到7：00。由于時(shí)鐘走一圈是12小時(shí)，12將自動(dòng)丟失，所以，對(duì)走一圈12小時(shí)這個(gè)最大數(shù)而言，順拔時(shí)的10+9=12+7和反拔時(shí)10-3=7是等價(jià)的。 因此，+9和-3就稱為最大數(shù)12的互為補(bǔ)數(shù)但實(shí)際操作時(shí)，有兩種直接求法，一是原二進(jìn)制數(shù)的反碼加1求得補(bǔ)碼（或補(bǔ)碼），最大數(shù)（12）又稱模。從上可見(jiàn)，用補(bǔ)碼表示可以把一個(gè)減法運(yùn)算變換成加法運(yùn)算了。一個(gè)n位的二進(jìn)制補(bǔ)碼用下式求得：【X】補(bǔ)碼=模-【X】= 【X】如：二進(jìn)制數(shù)1010的補(bǔ)碼是0101+1=0110 反碼加1得從最低位方法求0110如上例的1010補(bǔ)碼另一種是：從原二進(jìn)制數(shù)的最低位開始往高位走，在遇到1（包括該1）之前，原數(shù)

10、不變，其后數(shù)碼按位求反，也可得到一個(gè)二進(jìn)制數(shù)的補(bǔ)碼。所以正負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼表示為：【X】補(bǔ)=符號(hào)位+原數(shù)值 X為正數(shù)如：X1=+1001010【X1】補(bǔ)=01001010 補(bǔ)碼的運(yùn)算有下面規(guī)則：補(bǔ)碼+補(bǔ)碼=補(bǔ)碼，補(bǔ)碼再求補(bǔ)=原碼?！綳】補(bǔ)=符號(hào)位+原數(shù)值補(bǔ)碼 X為負(fù)數(shù)X2=-1001010【X2】補(bǔ)=10110110因此，減法運(yùn)算X1-X2可用【X1】補(bǔ)碼+【-X2】補(bǔ)碼的加法運(yùn)算處理。例1：1100-1001=01100+10111=100011其中，最高位丟失，留下符號(hào)位為0，所以結(jié)果是+3。例2：1001-1100=01001+10100=11101其中，11101是補(bǔ)碼，符號(hào)位不變，數(shù)值再求

11、補(bǔ)后得實(shí)際數(shù)，所以結(jié)果是-0011，即-3。3.1.3 數(shù)字電路中的代碼 代替的方法有非常多的種類，數(shù)字電路中常用的有： 生活中用一組十進(jìn)制數(shù)來(lái)代表一個(gè)特定對(duì)象的情況是很多的。如電話號(hào)碼、郵政編碼等等。 而在數(shù)字電路中，用一組二進(jìn)制數(shù)來(lái)代替某一特定的對(duì)象，這組二進(jìn)制數(shù)就是代表該對(duì)象的代碼了。一、數(shù)字系統(tǒng)中的常見(jiàn)代碼（1）二十進(jìn)制代碼（BCD編碼） 由于三位二進(jìn)制數(shù)只有8種組合，代表不了10個(gè)數(shù)字，只能用四位二進(jìn)制數(shù)的16種組合中選出10種，來(lái)代替十進(jìn)制的10個(gè)數(shù)，所以，二十進(jìn)制代碼的表示方法非常之多，我們只介紹主要的幾種，其它可用此法方便地推出。 十進(jìn)制的十個(gè)數(shù)碼0，1，9分別用一組二進(jìn)制數(shù)碼

12、代替。十進(jìn)制數(shù)有 權(quán) 碼無(wú) 權(quán) 碼84215421242124215211余3碼余3碼循環(huán)碼00000000000000000000000110010100010001000100010001010001102001000100010001001000101011130011001100110011010101100101401000100010001000111011101005010110000101101110001000110060110100101101100100110011101701111010011111011100101011118100010111110111011011

13、011111091001110011111111111111001010常用二十進(jìn)制代碼（953）10=有了二十進(jìn)制代碼后，任何一個(gè)十進(jìn)制數(shù)都可以用它們來(lái)代替了。例如： =（1100 1000 0011）5421碼 =（1111 0101 0011）2421碼 =（1100 1000 0110）余三碼（1001 0101 0011）8421碼=（1110111001）2（2）格雷碼（循環(huán)碼） 是一種可靠性編碼。因?yàn)檫@種代碼中任何兩組相鄰代碼之間只相差一位碼元不同，其它碼元相同的特性。這可從三位循環(huán)碼看出： 000 001 011 0 00 010 1 01 110 11 111 10 101

14、100另外又具有反射性：000001011010110111101100（3）字符代碼 它是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制定的8位二進(jìn)制代碼，包括英文26個(gè)字母，運(yùn)算符號(hào)等56個(gè)特定對(duì)象。另一種是ASCII，美國(guó)國(guó)家信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼。這兩種代碼都可在有關(guān)的計(jì)算機(jī)書中找到。3.1.4 數(shù)字電路中的基本功能電路一、“與”邏輯功能（關(guān)系） 決定結(jié)果成立的所有條件都具備時(shí)，結(jié)果才成立，這種條件與結(jié)果之間的關(guān)系稱為“與”邏輯。 令開關(guān)閉合和燈亮為邏輯“1”，開關(guān)斷開和燈不亮為邏輯“0”時(shí)，有如表所示的真值表。 以兩只串聯(lián)開關(guān)控制一只電燈為例，只有當(dāng)兩只開關(guān)都閉合時(shí)，電燈才亮。ABL000010100111該“與”邏輯關(guān)

15、系也可寫成邏輯表達(dá)式形式。從邏輯運(yùn)算上，是邏輯乘關(guān)系，00=0，01=0 10=0，11=1“與”邏輯關(guān)系用“與”門邏輯符號(hào)表示：特定形符號(hào)矩形符號(hào)曾使用符號(hào)二、“或”邏輯功能（關(guān)系） 決定結(jié)果成立的所有條件只要有一個(gè)具備時(shí)，結(jié)果就成立，這種條件與結(jié)果之間的關(guān)系稱為“或”邏輯。這種關(guān)系在日常生活中也是非常普遍的。 以兩只并聯(lián)開關(guān)控制一只電燈為例，當(dāng)其中一只開關(guān)閉合時(shí)，電燈就亮。令開關(guān)閉合和燈亮為邏輯“1”，開關(guān)斷開和燈暗為邏輯“0”時(shí)，有如表所示的真值表。ABL000011101111邏輯關(guān)系式為：邏輯運(yùn)算為邏輯加：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=1邏輯符號(hào)如下：真值表三、“非”邏輯功能（關(guān)系） 條件具備時(shí)，結(jié)果不成立，條件不具備時(shí)結(jié)果成立，這種條件與結(jié)果之間的關(guān)系稱為“非”邏輯條件A結(jié)果L 0 1 1 0邏輯式為：求反運(yùn)算邏輯符號(hào)如下：真值表四、復(fù)雜邏輯功能（關(guān)系）（1）“與非”邏輯功能ABL001011101110真值表（2）“或非”邏輯功能ABL001010100110真值表（3）“與或非”邏輯功能與或非邏輯功能由“與”、“或”和“非”三種基本功能復(fù)合而成。條 件結(jié)果A BC DL0 00 00 00 00 10 10 10 11 01 01 01 01 11 11 11 10 00 11 01 10 00 11