《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)-劉如軍》ch課件

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)本課程旨在全面系統(tǒng)地介紹數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識,為后續(xù)學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。涵蓋了邏輯門電路、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計、存儲器、數(shù)字信號處理等核心內(nèi)容。緒論數(shù)字電子技術(shù)是現(xiàn)代電子技術(shù)的重要組成部分,其基本原理和基本知識是電子信息技術(shù)專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)課程。該課程將系統(tǒng)地介紹數(shù)字電子技術(shù)的基本概念、基本原理和基本電路。數(shù)制與編碼二進制數(shù)字系統(tǒng)二進制數(shù)字系統(tǒng)使用0和1兩個數(shù)字表示信息,是計算機和數(shù)字電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)。它具有簡單、可靠、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。十六進制數(shù)字系統(tǒng)十六進制數(shù)字系統(tǒng)使用0-9和A-F十六個數(shù)字,能更緊湊地表示二進制數(shù)。它廣泛應(yīng)用于計算機和嵌入式系統(tǒng)中。數(shù)字編碼技術(shù)常見的數(shù)字編碼技術(shù)包括BCD碼、格雷碼和ASCII碼等,它們能將數(shù)字和字符轉(zhuǎn)換為機器可識別的形式。布爾代數(shù)與邏輯門1布爾代數(shù)基礎(chǔ)布爾代數(shù)是描述數(shù)字電路的重要數(shù)學(xué)工具,包括與、或、非等基本邏輯運算。2邏輯門電路邏輯門是實現(xiàn)布爾代數(shù)運算的基本電子元件,如AND、OR、NOT等。不同邏輯門有其特點和應(yīng)用場景。3邏輯電路分析利用布爾代數(shù)和真值表等方法,可以分析邏輯電路的功能和輸出狀態(tài)。這為后續(xù)的電路設(shè)計奠定基礎(chǔ)。4邏輯電路簡化通過卡諾圖等技術(shù),可以化簡復(fù)雜的布爾表達式,設(shè)計出更加優(yōu)化的邏輯電路。組合邏輯電路分析1輸入分析確定各輸入變量的狀態(tài)和邏輯關(guān)系2真值表整理根據(jù)輸入變量狀態(tài)列出輸出的真值3化簡邏輯表達式應(yīng)用布爾代數(shù)規(guī)則簡化邏輯表達式4電路分析根據(jù)簡化后的邏輯表達式繪制電路圖組合邏輯電路分析是通過確定輸入變量的邏輯狀態(tài)、建立真值表、應(yīng)用布爾代數(shù)規(guī)則進行化簡,最終繪制出電路圖。這一過程需要邏輯思維和數(shù)學(xué)推理能力,是理解數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)。組合邏輯電路設(shè)計需求分析先明確邏輯電路的功能需求,確定輸入輸出信號及其邏輯關(guān)系。建立數(shù)學(xué)模型使用布爾代數(shù)工具將邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)表達式。邏輯化簡采用Karnaugh圖、布爾代數(shù)定理等方法,對數(shù)學(xué)模型進行化簡優(yōu)化。電路設(shè)計根據(jù)優(yōu)化后的布爾表達式,選擇合適的邏輯門電路進行設(shè)計。驗證測試對設(shè)計的邏輯電路進行仿真或?qū)嵨餃y試,確保符合預(yù)期功能。時序邏輯電路順序邏輯電路與組合邏輯電路不同,時序邏輯電路的輸出不僅取決于當(dāng)前輸入,還取決于前一時刻電路內(nèi)部狀態(tài)的歷史信息。這種電路需要計時元件,如時鐘脈沖,來同步各部件的工作。時序電路設(shè)計設(shè)計時序邏輯電路時,需要仔細分析電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,并確定每個狀態(tài)下的輸出。同時還需考慮電路的時序特性,如觸發(fā)器的觸發(fā)方式和工作頻率。常見時序邏輯電路時序邏輯電路包括觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器、移位寄存器等,這些電路廣泛應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)的存儲、計數(shù)和控制等功能。觸發(fā)器作用觸發(fā)器可用于存儲和記憶單個二進制位,是數(shù)字電子系統(tǒng)中最基本的存儲元件之一。種類常見的觸發(fā)器包括D型觸發(fā)器、JK觸發(fā)器和T型觸發(fā)器,各有不同的功能和應(yīng)用場景。特性觸發(fā)器具有穩(wěn)定狀態(tài)、可控狀態(tài)轉(zhuǎn)換和輸出狀態(tài)反映輸入狀態(tài)的特性,是構(gòu)建時序邏輯電路的基礎(chǔ)。寄存器數(shù)據(jù)存儲寄存器用于臨時存儲數(shù)字電路中的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。它們可以有多個存儲單元，用于保存各種不同的值。時鐘控制寄存器的數(shù)據(jù)輸入和輸出通常由時鐘信號控制，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸和保存。邏輯電路寄存器是數(shù)字電路中重要的邏輯單元，可以參與各種邏輯運算和狀態(tài)轉(zhuǎn)換。計數(shù)器1基本結(jié)構(gòu)計數(shù)器由觸發(fā)器和邏輯門組成,可以對輸入脈沖進行計數(shù),輸出計數(shù)結(jié)果。2工作原理每收到一個輸入脈沖,計數(shù)器都會將計數(shù)值加1,直至達到預(yù)設(shè)的最大值。3應(yīng)用場景計數(shù)器廣泛應(yīng)用于時間測量、過程控制、邏輯運算等領(lǐng)域,是數(shù)字電子系統(tǒng)的重要組成部分。4主要種類包括同步計數(shù)器、異步計數(shù)器、二進制計數(shù)器、十進制計數(shù)器等多種不同結(jié)構(gòu)的計數(shù)器。移位寄存器數(shù)據(jù)位移移位寄存器可以將數(shù)據(jù)向左或向右移位,用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行/并行轉(zhuǎn)換。時序控制移位寄存器需要時鐘信號驅(qū)動,通過控制時鐘來實現(xiàn)有序的數(shù)據(jù)移位。數(shù)據(jù)存儲移位寄存器可以暫時存儲數(shù)據(jù),為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供支持。存儲器存儲器類型數(shù)字存儲器分為隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)等多種類型,能夠存儲程序、指令和數(shù)據(jù)。存儲容量隨著技術(shù)的進步,存儲器的容量越來越大,從早期的KB級到如今的GB和TB級,滿足了現(xiàn)代電子設(shè)備的存儲需求。讀寫速度存儲器的讀寫速度決定了電子設(shè)備的響應(yīng)速度和性能,快速的存儲器能提高系統(tǒng)的整體性能。ROM掌握基本原理ROM（只讀存儲器）是一種非易失性存儲器，其內(nèi)容在制造時就確定并無法被后續(xù)改寫。多種類型常見的ROM類型包括標準ROM、PROM、EPROM和EEPROM等，各有特點和應(yīng)用場景。廣泛應(yīng)用ROM廣泛應(yīng)用于計算機系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)等場合，用于存儲操作系統(tǒng)、固件等關(guān)鍵程序。RAM隨機存取存儲器RAM是一種可讀寫的數(shù)字存儲器,可在任意位置隨機存取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以快速讀取和修改,廣泛應(yīng)用于計算機系統(tǒng)的主存儲器。靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM靜態(tài)RAM使用觸發(fā)器電路存儲數(shù)據(jù),而動態(tài)RAM使用電容存儲數(shù)據(jù)。動態(tài)RAM能以較低的功耗實現(xiàn)大容量存儲。易失和非易失存儲RAM屬于易失性存儲器,斷電后數(shù)據(jù)會丟失。而ROM等非易失存儲器能在斷電后保持數(shù)據(jù)不變。PROM和EPROMPROM(可編程只讀存儲器)PROM是一種一次性可編程的只讀存儲器。用戶可以通過編程器將數(shù)據(jù)寫入芯片中,一旦編程完成就無法再次修改。主要應(yīng)用于初始化程序、常數(shù)存儲等場景。EPROM(可擦除可編程只讀存儲器)EPROM采用浮柵結(jié)構(gòu)設(shè)計,可通過紫外線照射擦除已存儲的數(shù)據(jù),然后再重新編程。靈活性較高,適用于原型開發(fā)及小批量生產(chǎn)。存儲容量PROM和EPROM的存儲容量從幾百位到幾十兆字節(jié)不等,能夠滿足從小型單片機到大型計算機的需求?？删幊踢壿嬈骷删幊涕T陣列(PLA)基于單芯片集成電路的可編程邏輯器件，擁有靈活的邏輯結(jié)構(gòu)和編程能力?，F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)使用可重編程的邏輯塊和互連資源實現(xiàn)數(shù)字電路的綜合和實現(xiàn)?？删幊踢壿嬙O(shè)備(PLD)基于單片集成電路的可編程邏輯器件,可定制任意組合邏輯功能?？删幊踢壿嬈骷鄻有钥删幊踢壿嬈骷?PLD)包括CPLD、FPGA等多種形式,能夠滿足不同的應(yīng)用需求。它們具有靈活的可編程特性,為電子系統(tǒng)設(shè)計帶來了更多的可能性。CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)是一種基于AND-OR陣列結(jié)構(gòu)的PLD,它具備可編程邏輯門和可編程互連資源,適用于較小規(guī)模的數(shù)字電路設(shè)計。FPGA現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)是一種基于可編程邏輯塊和可編程互連資源的PLD,具有更大的邏輯容量和更高的靈活性,廣泛應(yīng)用于復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計。FPGA可編程邏輯陣列FPGA是一種半定制的集成電路,內(nèi)部由大量可編程邏輯單元和布線資源組成,可根據(jù)用戶的需求進行編程和配置。靈活性和可重復(fù)編程FPGA具有高度的可編程性和靈活性,可用于實現(xiàn)各種數(shù)字電路功能,并可多次重復(fù)編程。低功耗和高性能現(xiàn)代FPGA芯片具有低功耗和高性能的特點,廣泛應(yīng)用于電子系統(tǒng)中。廣泛應(yīng)用領(lǐng)域FPGA在通信、信號處理、工業(yè)控制和消費電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。A/D和D/A轉(zhuǎn)換模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換(Analog-to-DigitalConversion,簡稱ADC)是將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號的過程。其通過采樣和量化實現(xiàn)。數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換(Digital-to-AnalogConversion,簡稱DAC)是將離散的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬信號的過程。其通過電壓或電流的大小來表示數(shù)字信號。應(yīng)用領(lǐng)域ADC和DAC廣泛應(yīng)用于音頻、視頻、通信、自動控制等多個領(lǐng)域,實現(xiàn)數(shù)字信號和模擬信號的互轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)換精度ADC和DAC的轉(zhuǎn)換精度用位數(shù)表示,位數(shù)越高,轉(zhuǎn)換精度越高,但硬件復(fù)雜度和成本也相應(yīng)增加。ADC和DAC電路模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號,使得模擬量可以被數(shù)字電路處理。數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)則執(zhí)行相反的操作,將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號,以驅(qū)動模擬設(shè)備。應(yīng)用場景ADC和DAC廣泛應(yīng)用于音頻、視頻、測量、控制等領(lǐng)域,是連接數(shù)字電子與模擬世界的關(guān)鍵部件。集成運算放大器放大器基礎(chǔ)集成運算放大器是一種通用的模擬電子器件，可以實現(xiàn)各種放大功能和信號處理。放大器分類根據(jù)功能不同，集成運算放大器可分為電壓放大器、電流放大器和電壓電流轉(zhuǎn)換器等。運算放大器運算放大器是最常見的集成運算放大器應(yīng)用，可實現(xiàn)各種數(shù)學(xué)運算和信號處理。模擬開關(guān)1功能模擬開關(guān)是一種用于控制模擬信號通路的電子器件,能夠在不同狀態(tài)之間切換,從而實現(xiàn)精確的模擬控制。2應(yīng)用模擬開關(guān)廣泛應(yīng)用于信號調(diào)制、分路控制、模擬多路復(fù)用等場景,可以實現(xiàn)對模擬信號的精確控制和切換。3結(jié)構(gòu)模擬開關(guān)通常采用MOSFET或JFET結(jié)構(gòu),由開關(guān)控制電路和模擬信號電路兩部分組成。4特性模擬開關(guān)具有高速開關(guān)、低導(dǎo)通電阻、低控制電壓、小尺寸等優(yōu)點,滿足了現(xiàn)代電子系統(tǒng)對模擬信號處理的需求。應(yīng)用電路實例數(shù)字電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和系統(tǒng)之中。常見的應(yīng)用電路實例包括信號檢測、控制、計算和處理等功能。我們將借助集成運算放大器、模擬開關(guān)等模擬電路部件,設(shè)計出一些具有實用價值的數(shù)字應(yīng)用電路。這些應(yīng)用電路涵蓋了模擬信號采集、數(shù)字信號處理、定時控制、信號放大等多個領(lǐng)域,展現(xiàn)了數(shù)字電子技術(shù)在現(xiàn)實生活中的廣泛應(yīng)用。并行接口什么是并行接口？并行接口是一種在計算機系統(tǒng)中使用的數(shù)據(jù)傳輸方式,它將數(shù)據(jù)分成多個部分同時傳輸,大大提高了傳輸速度和效率。并行接口的優(yōu)勢并行接口可以實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸,同時還能提高可靠性和穩(wěn)定性。它在多種設(shè)備和系統(tǒng)之間廣泛應(yīng)用,如打印機、存儲設(shè)備等。并行接口的應(yīng)用常見的并行接口標準包括IEEE1284（并口）、SCSI、PCI等,廣泛用于計算機外圍設(shè)備之間的連接和數(shù)據(jù)交換。并行接口的未來隨著技術(shù)的發(fā)展,并行接口正在逐步被更快速的串行接口所替代,但在一些特定場合它仍然保留著重要的地位。串行接口可靠傳輸串行接口采用一根信號線逐位傳輸數(shù)據(jù),能夠可靠地傳輸數(shù)據(jù)并減少線纜數(shù)量。低成本由于線纜較少,串行接口通常成本更低,特別適用于需要長距離傳輸?shù)膱龊稀V泛應(yīng)用串行接口被廣泛應(yīng)用于計算機外圍設(shè)備、工控系統(tǒng)、數(shù)字通信等領(lǐng)域。常見的協(xié)議有RS-232、RS-485、USB等。總線系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)總線系統(tǒng)包括地址線、數(shù)據(jù)線和控制線,用于在計算機各部件之間傳輸信息。總線可以實現(xiàn)CPU、內(nèi)存和外設(shè)之間的通信和數(shù)據(jù)交換。并行總線和串行總線并行總線可以同時傳輸多個位的數(shù)據(jù),提高傳輸速度,但線纜較為復(fù)雜。串行總線一次只傳輸一位數(shù)據(jù),線纜簡單但傳輸速度較慢。常見總線標準ISA總線:于1981年由IBMPC引入,用于連接顯卡、聲卡等外圍設(shè)備PCI總線:1992年推出,提高了系統(tǒng)的擴展性和性能USB總線:1996年推出,用于簡單外圍設(shè)備的連接,支持即插即用微機系統(tǒng)處理器核心微機系統(tǒng)以微處理器為核心,負責(zé)數(shù)據(jù)處理和邏輯控制。存儲器包括ROM、RAM等,用于程序存儲和臨時數(shù)據(jù)存儲。輸入輸出通過各種接口電路與外部設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換?？偩€系統(tǒng)提供內(nèi)部組件之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信機制。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法1需求分析充分了解系統(tǒng)的功能需求和性能指標2架構(gòu)設(shè)計確定系統(tǒng)的硬件和軟件架構(gòu)3算法設(shè)計針對系統(tǒng)功能設(shè)計高效算法4電路設(shè)計根據(jù)架構(gòu)和算法設(shè)計電路模塊5系統(tǒng)集成將各個模塊集成為完整系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計是一個循環(huán)迭代的過程,從需求分析到最終系統(tǒng)集成,需要不斷優(yōu)化和改進。設(shè)計師需要充分掌握各種設(shè)計方法和工具,才能開發(fā)出高性能、可靠的數(shù)字系統(tǒng)。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例通過具體案例展