《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(shí),為后續(xù)學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。涵蓋了邏輯門電路、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)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(shí)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(jìn)制數(shù)字系統(tǒng)二進(jìn)制數(shù)字系統(tǒng)使用0和1兩個(gè)數(shù)字表示信息,是計(jì)算機(jī)和數(shù)字電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)。它具有簡(jiǎn)單、可靠、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。十六進(jìn)制數(shù)字系統(tǒng)十六進(jìn)制數(shù)字系統(tǒng)使用0-9和A-F十六個(gè)數(shù)字,能更緊湊地表示二進(jìn)制數(shù)。它廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)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(jī)器可識(shí)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(yùn)算。2邏輯門電路邏輯門是實(shí)現(xiàn)布爾代數(shù)運(yùn)算的基本電子元件,如AND、OR、NOT等。不同邏輯門有其特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)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(jì)奠定基礎(chǔ)。4邏輯電路簡(jiǎn)化通過卡諾圖等技術(shù),可以化簡(jiǎn)復(fù)雜的布爾表達(dá)式,設(shè)計(jì)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(jiǎn)邏輯表達(dá)式應(yīng)用布爾代數(shù)規(guī)則簡(jiǎn)化邏輯表達(dá)式4電路分析根據(jù)簡(jiǎn)化后的邏輯表達(dá)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(jìn)行化簡(jiǎn),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(jì)需求分析先明確邏輯電路的功能需求,確定輸入輸出信號(hào)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(dá)式。邏輯化簡(jiǎn)采用Karnaugh圖、布爾代數(shù)定理等方法,對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行化簡(jiǎn)優(yōu)化。電路設(shè)計(jì)根據(jù)優(yōu)化后的布爾表達(dá)式,選擇合適的邏輯門電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。驗(yàn)證測(cè)試對(duì)設(shè)計(jì)的邏輯電路進(jìn)行仿真或?qū)嵨餃y(cè)試,確保符合預(yù)期功能。時(shí)序邏輯電路順序邏輯電路與組合邏輯電路不同,時(shí)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(shí)刻電路內(nèi)部狀態(tài)的歷史信息。這種電路需要計(jì)時(shí)元件,如時(shí)鐘脈沖,來同步各部件的工作。時(shí)序電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)序邏輯電路時(shí),需要仔細(xì)分析電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,并確定每個(gè)狀態(tài)下的輸出。同時(shí)還需考慮電路的時(shí)序特性,如觸發(fā)器的觸發(fā)方式和工作頻率。常見時(shí)序邏輯電路時(shí)序邏輯電路包括觸發(fā)器、寄存器、計(jì)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(chǔ)、計(jì)數(shù)和控制等功能。觸發(fā)器作用觸發(fā)器可用于存儲(chǔ)和記憶單個(gè)二進(jìn)制位,是數(shù)字電子系統(tǒng)中最基本的存儲(chǔ)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(chǎng)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(shí)序邏輯電路的基礎(chǔ)。寄存器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器用于臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)字電路中的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。它們可以有多個(gè)存儲(chǔ)單元，用于保存各種不同的值。時(shí)鐘控制寄存器的數(shù)據(jù)輸入和輸出通常由時(shí)鐘信號(hào)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(yùn)算和狀態(tài)轉(zhuǎn)換。計(jì)數(shù)器1基本結(jié)構(gòu)計(jì)數(shù)器由觸發(fā)器和邏輯門組成,可以對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),輸出計(jì)數(shù)結(jié)果。2工作原理每收到一個(gè)輸入脈沖,計(jì)數(shù)器都會(huì)將計(jì)數(shù)值加1,直至達(dá)到預(yù)設(shè)的最大值。3應(yīng)用場(chǎng)景計(jì)數(shù)器廣泛應(yīng)用于時(shí)間測(cè)量、過程控制、邏輯運(yùn)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(jì)數(shù)器、異步計(jì)數(shù)器、二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器等多種不同結(jié)構(gòu)的計(jì)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行/并行轉(zhuǎn)換。時(shí)序控制移位寄存器需要時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng),通過控制時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)有序的數(shù)據(jù)移位。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)移位寄存器可以暫時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù),為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供支持。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器類型數(shù)字存儲(chǔ)器分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)等多種類型,能夠存儲(chǔ)程序、指令和數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)容量隨著技術(shù)的進(jìn)步,存儲(chǔ)器的容量越來越大,從早期的KB級(jí)到如今的GB和TB級(jí),滿足了現(xiàn)代電子設(shè)備的存儲(chǔ)需求。讀寫速度存儲(chǔ)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(chǔ)器能提高系統(tǒng)的整體性能。ROM掌握基本原理ROM（只讀存儲(chǔ)器）是一種非易失性存儲(chǔ)器，其內(nèi)容在制造時(shí)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(biāo)準(zhǔn)ROM、PROM、EPROM和EEPROM等，各有特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。廣泛應(yīng)用ROM廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)等場(chǎng)合，用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)、固件等關(guān)鍵程序。RAM隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM是一種可讀寫的數(shù)字存儲(chǔ)器,可在任意位置隨機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主存儲(chǔ)器。靜態(tài)RAM和動(dòng)態(tài)RAM靜態(tài)RAM使用觸發(fā)器電路存儲(chǔ)數(shù)據(jù),而動(dòng)態(tài)RAM使用電容存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)RAM能以較低的功耗實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)。易失和非易失存儲(chǔ)RAM屬于易失性存儲(chǔ)器,斷電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失。而ROM等非易失存儲(chǔ)器能在斷電后保持?jǐn)?shù)據(jù)不變。PROM和EPROMPROM(可編程只讀存儲(chǔ)器)PROM是一種一次性可編程的只讀存儲(chǔ)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(chǔ)等場(chǎng)景。EPROM(可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)EPROM采用浮柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可通過紫外線照射擦除已存儲(chǔ)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(chǔ)容量PROM和EPROM的存儲(chǔ)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(jī)到大型計(jì)算機(jī)的需求。可編程邏輯器件可編程門陣列(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(chǎng)可編程門陣列(FPGA)使用可重編程的邏輯塊和互連資源實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路的綜合和實(shí)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(jì)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(jì)。FPGA現(xiàn)場(chǎng)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(jì)。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(jìn)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(shí)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(diǎn),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(hào)處理、工業(yè)控制和消費(fèi)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(jiǎn)稱ADC)是將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)的過程。其通過采樣和量化實(shí)現(xiàn)。數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換(Digital-to-AnalogConversion,簡(jiǎn)稱DAC)是將離散的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬信號(hào)的過程。其通過電壓或電流的大小來表示數(shù)字信號(hào)。應(yīng)用領(lǐng)域ADC和DAC廣泛應(yīng)用于音頻、視頻、通信、自動(dòng)控制等多個(gè)領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào),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(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào),以驅(qū)動(dòng)模擬設(shè)備。應(yīng)用場(chǎng)景ADC和DAC廣泛應(yīng)用于音頻、視頻、測(cè)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(yùn)算放大器放大器基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器是一種通用的模擬電子器件，可以實(shí)現(xiàn)各種放大功能和信號(hào)處理。放大器分類根據(jù)功能不同，集成運(yùn)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(yùn)算放大器運(yùn)算放大器是最常見的集成運(yùn)算放大器應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)各種數(shù)學(xué)運(yùn)算和信號(hào)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(hào)通路的電子器件,能夠在不同狀態(tài)之間切換,從而實(shí)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(hào)調(diào)制、分路控制、模擬多路復(fù)用等場(chǎng)景,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)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(hào)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(diǎn),滿足了現(xiàn)代電子系統(tǒng)對(duì)模擬信號(hào)處理的需求。應(yīng)用電路實(shí)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(shí)例包括信號(hào)檢測(cè)、控制、計(jì)算和處理等功能。我們將借助集成運(yùn)算放大器、模擬開關(guān)等模擬電路部件,設(shè)計(jì)出一些具有實(shí)用價(jià)值的數(shù)字應(yīng)用電路。這些應(yīng)用電路涵蓋了模擬信號(hào)采集、數(shù)字信號(hào)處理、定時(shí)控制、信號(hào)放大等多個(gè)領(lǐng)域,展現(xiàn)了數(shù)字電子技術(shù)在現(xiàn)實(shí)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(jì)算機(jī)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(gè)部分同時(shí)傳輸,大大提高了傳輸速度和效率。并行接口的優(yōu)勢(shì)并行接口可以實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸,同時(shí)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(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備等。并行接口的應(yīng)用常見的并行接口標(biāo)準(zhǔn)包括IEEE1284（并口）、SCSI、PCI等,廣泛用于計(jì)算機(jī)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(chǎng)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(hào)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?chǎng)合。廣泛應(yīng)用串行接口被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)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?？偩€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(jì)算機(jī)各部件之間傳輸信息?？偩€可以實(shí)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(shí)傳輸多個(gè)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(jiǎn)單但傳輸速度較慢。常見總線標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)展性和性能USB總線:1996年推出,用于簡(jiǎn)單外圍設(shè)備的連接,支持即插即用微機(jī)系統(tǒng)處理器核心微機(jī)系統(tǒng)以微處理器為核心,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和邏輯控制。存儲(chǔ)器包括ROM、RAM等,用于程序存儲(chǔ)和臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。輸入輸出通過各種接口電路與外部設(shè)備進(jìn)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(jī)制。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法1需求分析充分了解系統(tǒng)的功能需求和性能指標(biāo)2架構(gòu)設(shè)計(jì)確定系統(tǒng)的硬件和軟件架構(gòu)3算法設(shè)計(jì)針對(duì)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)高效算法4電路設(shè)計(jì)根據(jù)架構(gòu)和算法設(shè)計(jì)電路模塊5系統(tǒng)集成將各個(gè)模塊集成為完整系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)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(jìn)。設(shè)計(jì)師需要充分掌握各種設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)例數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例通過具體案例展