第1周數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)課件大課

數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)主講宗建華曹淑寬鄧革本課程的性質(zhì)、地位和作用

《數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)》是電子、通信、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制等專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。它是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，主要任務(wù)是為學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)和從事工程技術(shù)工作打好數(shù)字電子技術(shù)的理論基礎(chǔ)。電地暖

教學(xué)目的和要求

獲得適應(yīng)信息時(shí)代的數(shù)字電子技術(shù)方面的基本理論、基本知識(shí)和基本技能。掌握數(shù)字電路的分析與設(shè)計(jì)方法，將理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，加強(qiáng)基本技能的訓(xùn)練，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力,為以后深入學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)內(nèi)容和專(zhuān)業(yè)應(yīng)用打好基礎(chǔ)。第1章數(shù)字概念

第2章計(jì)數(shù)系統(tǒng)、運(yùn)算和編碼第3章邏輯門(mén)

第4章布爾代數(shù)和邏輯化簡(jiǎn)第5章組合邏輯

第6章組合邏輯電路函數(shù)第7章鎖存器、觸發(fā)器和定時(shí)器第8章計(jì)數(shù)器第9章移位寄存器課程內(nèi)容第10章內(nèi)存和外存

第11章數(shù)字信號(hào)處理第12章集成電子技術(shù)

實(shí)驗(yàn)安排將于11周后的小課安排實(shí)驗(yàn)，主要分為以下幾部分：

1、數(shù)字器件的認(rèn)識(shí)與驗(yàn)證

2、組合邏輯電路實(shí)驗(yàn)

3、時(shí)序邏輯電路實(shí)驗(yàn)課程考核標(biāo)準(zhǔn)考核內(nèi)容分?jǐn)?shù)百分比平時(shí)成績(jī)作業(yè)與課堂練習(xí)88%實(shí)驗(yàn)1212%考勤1010%期末考試7070%本門(mén)課程的最終成績(jī)?yōu)楦黜?xiàng)成績(jī)之和。教材：《數(shù)字電子技術(shù)》（第九版），[美]ThomasL.Floyd著，余璆等譯電子工業(yè)出版社，2008.5參考教材：《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》，閻石主編，高等教育出版社，2007.6《數(shù)字電子技術(shù)》（第二版），楊志宗主編，高等教育出版社，《電子技術(shù)基礎(chǔ)》（數(shù)字部分），康華光主編，高等教育出版社，課程采用的教材、參考書(shū)第1章數(shù)字概念1.1數(shù)字量和模擬量1.2二進(jìn)制數(shù)、邏輯電平和數(shù)字波形

教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求1、理解數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的區(qū)別，掌握數(shù)字量的概念；2、掌握二進(jìn)制數(shù)、邏輯電平與數(shù)字波形之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

數(shù)字技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用80年代后-ULSI，10億個(gè)晶體管/片、ASIC制作技術(shù)成熟目前--芯片內(nèi)部的布線(xiàn)細(xì)微到亞微米(0.13~0.09

m)量級(jí)微處理器的時(shí)鐘頻率高達(dá)3GHz（109Hz）60~70代-IC技術(shù)迅速發(fā)展：SSI、MSI、LSI、VLSI。10萬(wàn)個(gè)晶體管/片。將來(lái)-高分子材料或生物材料制成密度更高、三維結(jié)構(gòu)的電路.90年代后-97年一片集成電路上有40億個(gè)晶體管。發(fā)展特點(diǎn):以電子器件的發(fā)展為基礎(chǔ)電子管時(shí)代1906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。目前在一些大功率發(fā)射裝置中使用。電壓控制器件電真空技術(shù)晶體管時(shí)代電流控制器件半導(dǎo)體技術(shù)半導(dǎo)體二極管、三極管器件半導(dǎo)體集成電路集成度:每一芯片所包含的門(mén)個(gè)數(shù)分類(lèi)門(mén)的個(gè)數(shù)典型集成電路小規(guī)模最多12個(gè)典型集成電路中規(guī)模12~99邏輯門(mén)、觸發(fā)器大規(guī)模100~9999小型存儲(chǔ)器、門(mén)陣列超大規(guī)模10,000~99,999大型存儲(chǔ)器、微處理器甚大規(guī)模106以上可編程邏輯器件、多功能專(zhuān)用集成電路電路設(shè)計(jì)方法伴隨器件變化從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代a)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法：b)現(xiàn)代的設(shè)計(jì)方法：采用自下而上的設(shè)計(jì)方法；由人工組裝,經(jīng)反復(fù)調(diào)試、驗(yàn)證、修改完成。所用的元器件較多，電路可靠性差,設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)。現(xiàn)代EDA技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)軟件化。采用從上到下設(shè)計(jì)方法，電路設(shè)計(jì)、分析、仿真、修訂全通過(guò)計(jì)算機(jī)完成。數(shù)碼相機(jī)智能儀器計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)規(guī)則的不同：

--數(shù)字電路可分為組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路。從電路的形式不同：

--數(shù)字電路可分為集成電路和分立電路從器件不同：

--數(shù)字電路可分為T(mén)TL和CMOS電路從集成度不同：

--數(shù)字集成電路可分為小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模、超大規(guī)模和甚大規(guī)模五類(lèi)。

1、數(shù)字集成電路的分類(lèi)數(shù)字集成電路的分類(lèi)及特點(diǎn)2、數(shù)字集成電路的特點(diǎn)

1)電路簡(jiǎn)單,便于大規(guī)模集成,批量生產(chǎn)

2)可靠性、穩(wěn)定性和精度高,抗干擾能力強(qiáng)

3)體積小,通用性好,成本低

4)具可編程性,可實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)軟件化

5)高速度低功耗

6)加密性好數(shù)字集成電路的分類(lèi)及特點(diǎn)3、數(shù)字電路的分析、設(shè)計(jì)與測(cè)試(1)數(shù)字電路的分析方法根據(jù)電路確定電路輸出與輸入之間的邏輯關(guān)系。分析工具：邏輯代數(shù)。電路邏輯功能主要用真值表、功能表、邏輯表達(dá)式和波形圖。(2)數(shù)字電路的設(shè)計(jì)方法從給定的邏輯功能要求出發(fā)，選擇適當(dāng)?shù)倪壿嬈骷?，設(shè)計(jì)出符合要求的邏輯電路。數(shù)字集成電路的分類(lèi)及特點(diǎn)模擬量和數(shù)字量電子電路分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是模擬電路，一類(lèi)是數(shù)字電路。模擬電路研究的是模擬量，數(shù)字電路研究的是數(shù)字量。

模擬量具有連續(xù)的值，數(shù)字量具有離散的值。

模擬量和數(shù)字量1.模擬信號(hào)

電子電路中的信號(hào)分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是模擬信號(hào)，指在時(shí)間和數(shù)值上都是連續(xù)變化的信號(hào)，如模擬話(huà)音、溫度、壓力等一類(lèi)物理量的信號(hào)。工作在模擬信號(hào)下的電子電路稱(chēng)為模擬電路。tV(t)在工程上，為了便于分析，常用傳感器將模擬量轉(zhuǎn)換為電流、電壓或電阻等電量，再進(jìn)行分析。模擬量和數(shù)字量時(shí)間溫度2.數(shù)字信號(hào) 另一類(lèi)是數(shù)字信號(hào)，指在時(shí)間和數(shù)值上都是離散的信號(hào)，如各種脈沖信號(hào)等。工作在數(shù)字信號(hào)下的電子電路稱(chēng)為數(shù)字電路。t(ms)V(V)5010203040數(shù)字電路和模擬電路：工作信號(hào)，研究的對(duì)象不同，分析、設(shè)計(jì)方法以及所用的數(shù)學(xué)工具也相應(yīng)不同。模擬量和數(shù)字量模擬量和數(shù)字量時(shí)間溫度模擬信號(hào)的數(shù)字表示由于數(shù)字信號(hào)便于存儲(chǔ)、分析和傳輸，通常都將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

0

0

模擬信號(hào)

模數(shù)轉(zhuǎn)換器

3V

數(shù)字輸出

0

0

0

0

1

1

模數(shù)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)模擬電子系統(tǒng)模擬電子電路處理的是模擬信號(hào)，擴(kuò)音系統(tǒng)是一個(gè)典型的模擬電子系統(tǒng)。線(xiàn)性放大器原始聲音麥克風(fēng)音頻信號(hào)放大的音頻信號(hào)揚(yáng)聲器還原的聲音使用數(shù)字方法和模擬方法的系統(tǒng)

光盤(pán)播放器是一個(gè)同時(shí)使用數(shù)字電路和模擬電路的系統(tǒng)。二進(jìn)制數(shù)、邏輯電平和數(shù)值波形二值數(shù)字邏輯和邏輯電平在電路中用高、低電平表示1、0兩種邏輯狀態(tài)

0、1數(shù)碼---表示數(shù)量時(shí)稱(chēng)二進(jìn)制數(shù)。（1個(gè)二進(jìn)制數(shù)為1位,1bit）表示方式二值數(shù)字邏輯電壓(V)二值邏輯電平+51H(高電平)00L(低電平)邏輯電平與電壓值的關(guān)系二進(jìn)制數(shù)、邏輯電平和數(shù)值波形二值數(shù)字邏輯和邏輯電平無(wú)特殊說(shuō)明，通常指正邏輯電壓(V)二值邏輯正邏輯負(fù)邏輯+51H(高電平)L(高電平)00L(低電平)H(低電平)邏輯電平用來(lái)表示1和0的電壓稱(chēng)為邏輯電平。一個(gè)電平表示高電壓，另一個(gè)電平表示低電壓。高電壓可以是指定的一個(gè)電壓取值范圍內(nèi)的任意值。低電壓可以是指定的最小值和最大值之間的任意值。二進(jìn)制數(shù)、邏輯電平和數(shù)值波形數(shù)字信號(hào)所表現(xiàn)的形式是一系列高、低電平組成的脈沖波，即信號(hào)總是在高電平和低電平之間來(lái)回變化。重要的是要能正確區(qū)分出信號(hào)的高、低電平，并正確反映電路的輸出與輸入之間的關(guān)系，至于高、低電平值精確為多少的電壓值則無(wú)關(guān)緊要。

t(ms)V(V)(a)用邏輯電平描述的數(shù)字波形(b)16位數(shù)據(jù)的圖形表示數(shù)字波形數(shù)字波形------是信號(hào)邏輯電平對(duì)時(shí)間的圖形表示。二進(jìn)制數(shù)、邏輯電平和數(shù)值波形波形特性周期性和非周期性二進(jìn)制數(shù)、邏輯電平和數(shù)值波形非周期性數(shù)字波形周期性數(shù)字波形實(shí)際脈沖波形及主要參數(shù)占空比Q-----表示脈沖寬度占整個(gè)周期的百分比上升時(shí)間tr

和下降時(shí)間tf

----從脈沖幅值的10%到90%上升

下降所經(jīng)歷的時(shí)間(典型值ns)脈沖寬度(tw

)----脈沖幅值的50%的兩個(gè)時(shí)間所跨越的時(shí)間周期(T)----表示兩個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔，周期與頻率成倒數(shù)

tr脈沖寬度

tw

0.5V

4.5V

2.5V

幅值=5.0V

0.0V

5.0V

tf0.5V

2.5V

4.5V

例：下圖為某周期數(shù)字波形的一部分，單位為ms，試計(jì)算：周期、頻率和占空比。解：

(a)周期是

10ms(b)頻率是

(c)占空比為

例：

設(shè)周期性數(shù)字波形的高電平持續(xù)6ms，低電平持續(xù)10ms，求占空比q。解：因數(shù)字波形的脈沖寬度tw=6ms，周期T=6ms+10ms=16ms。Vt(ms)0VmwtT

數(shù)字波形攜帶二進(jìn)制信息計(jì)數(shù)系統(tǒng)處理的二進(jìn)制信息以波形的形式出現(xiàn)，它表示一系列的二進(jìn)制位。當(dāng)波形為高電平時(shí)，表示1；為低電平時(shí)，表示0.

每個(gè)位在一個(gè)序列里所占的固定時(shí)間間隔稱(chēng)為位時(shí)間。

數(shù)字波形攜帶二進(jìn)制信息所有波形都與一個(gè)基本時(shí)序波形同步，稱(chēng)之為時(shí)鐘。時(shí)鐘是周期波，每?jī)蓚€(gè)脈沖之間的間隔等于一個(gè)位時(shí)間。波形A的位序列時(shí)鐘位時(shí)間

數(shù)字波形攜帶二進(jìn)制信息時(shí)序圖：表示兩個(gè)或以上個(gè)波形的實(shí)際時(shí)間關(guān)系。在此時(shí)鐘周期內(nèi)，A、B和C信號(hào)都為高電平數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送就是把某種信息從一個(gè)電路傳遞到另一個(gè)電路。如果是一位一位的傳送，則是串行傳送；多位一起傳送則是并行傳送。數(shù)據(jù)傳送串行傳送并行傳送計(jì)算機(jī)調(diào)制解調(diào)器計(jì)算機(jī)打印機(jī)數(shù)據(jù)傳送例：試給出下圖波形A中串行傳送8個(gè)位所需要的時(shí)間，并指出位的順序，時(shí)鐘以100khz為基準(zhǔn)。并行傳送8個(gè)位需要多少時(shí)間？數(shù)據(jù)傳送解：因?yàn)闀r(shí)鐘的頻率為100kHz，周期為傳送每位需要的時(shí)間，傳送8位需要的時(shí)間為并行傳輸8位需要的時(shí)間為小結(jié)