第1周数字电路与逻辑设计课件大课
数字电路与逻辑设计 主讲宗建华曹淑宽邓革 本课程的性质 地位和作用 数字电路与逻辑设计 是电子 通信 计算机 自动控制等专业重要的专业基础课 它是一门实践性很强的课程 主要任务是为学习专业知识和从事工程技术工作打好数字电子技术的理论基础 电地暖 教学目的和要求 获得适应信息时代的数字电子技术方面的基本理论 基本知识和基本技能 掌握数字电路的分析与设计方法 将理论与实验相结合 加强基本技能的训练 进一步培养学生分析问题与解决问题的能力 为以后深入学习数字电子技术领域的相关内容和专业应用打好基础 第1章数字概念第2章计数系统 运算和编码第3章逻辑门第4章布尔代数和逻辑化简第5章组合逻辑第6章组合逻辑电路函数第7章锁存器 触发器和定时器第8章计数器第9章移位寄存器 课程内容 第10章内存和外存第11章数字信号处理第12章集成电子技术 实验安排 将于11周后的小课安排实验 主要分为以下几部分 1 数字器件的认识与验证2 组合逻辑电路实验3 时序逻辑电路实验 课程考核标准 本门课程的最终成绩为各项成绩之和 教材 数字电子技术 第九版 美 ThomasL Floyd著 余璆等译电子工业出版社 2008 5参考教材 数字电子技术基础 阎石主编 高等教育出版社 2007 6 数字电子技术 第二版 杨志宗主编 高等教育出版社 电子技术基础 数字部分 康华光主编 高等教育出版社 课程采用的教材 参考书 第1章数字概念 1 1数字量和模拟量1 2二进制数 逻辑电平和数字波形 教学内容 教学要求 1 理解数字信号与模拟信号的区别 掌握数字量的概念 2 掌握二进制数 逻辑电平与数字波形之间的对应关系 数字技术的发展及其应用 80年代后 ULSI 10亿个晶体管 片 ASIC制作技术成熟 60 70代 IC技术迅速发展 SSI MSI LSI VLSI 10万个晶体管 片 将来 高分子材料或生物材料制成密度更高 三维结构的电路 90年代后 97年一片集成电路上有40亿个晶体管 发展特点 以电子器件的发展为基础 电子管时代 1906年 福雷斯特等发明了电子管 电子管体积大 重量重 耗电大 寿命短 目前在一些大功率发射装置中使用 电压控制器件电真空技术 晶体管时代 电流控制器件半导体技术 半导体集成电路 集成度 每一芯片所包含的门个数 电路设计方法伴随器件变化从传统走向现代 a 传统的设计方法 b 现代的设计方法 数码相机 计算机 数字技术的应用 根据电路的结构特点及其对输入信号的响应规则的不同 数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路 从电路的形式不同 数字电路可分为集成电路和分立电路从器件不同 数字电路可分为TTL和CMOS电路从集成度不同 数字集成电路可分为小规模 中规模 大规模 超大规模和甚大规模五类 1 数字集成电路的分类 数字集成电路的分类及特点 2 数字集成电路的特点 1 电路简单 便于大规模集成 批量生产2 可靠性 稳定性和精度高 抗干扰能力强3 体积小 通用性好 成本低4 具可编程性 可实现硬件设计软件化5 高速度低功耗6 加密性好 数字集成电路的分类及特点 3 数字电路的分析 设计与测试 1 数字电路的分析方法根据电路确定电路输出与输入之间的逻辑关系 分析工具 逻辑代数 电路逻辑功能主要用真值表 功能表 逻辑表达式和波形图 2 数字电路的设计方法从给定的逻辑功能要求出发 选择适当的逻辑器件 设计出符合要求的逻辑电路 数字集成电路的分类及特点 模拟量和数字量 电子电路分为两大类 一类是模拟电路 一类是数字电路 模拟电路研究的是模拟量 数字电路研究的是数字量 模拟量具有连续的值 数字量具有离散的值 模拟量和数字量 1 模拟信号 电子电路中的信号分为两大类 一类是模拟信号 指在时间和数值上都是连续变化的信号 如模拟话音 温度 压力等一类物理量的信号 工作在模拟信号下的电子电路称为模拟电路 在工程上 为了便于分析 常用传感器将模拟量转换为电流 电压或电阻等电量 再进行分析 模拟量和数字量 时间 温度 2 数字信号 另一类是数字信号 指在时间和数值上都是离散的信号 如各种脉冲信号等 工作在数字信号下的电子电路称为数字电路 t ms V V 5 0 10 20 30 40 数字电路和模拟电路 工作信号 研究的对象不同 分析 设计方法以及所用的数学工具也相应不同 模拟量和数字量 模拟量和数字量 时间 温度 模拟信号的数字表示 由于数字信号便于存储 分析和传输 通常都将模拟信号转换为数字信号 模拟电子系统 模拟电子电路处理的是模拟信号 扩音系统是一个典型的模拟电子系统 线性放大器 原始声音 麦克风 音频信号 放大的音频信号 扬声器 还原的声音 使用数字方法和模拟方法的系统 光盘播放器是一个同时使用数字电路和模拟电路的系统 二进制数 逻辑电平和数值波形 二值数字逻辑和逻辑电平 在电路中用高 低电平表示1 0两种逻辑状态 0 1数码 表示数量时称二进制数 1个二进制数为1位 1bit 逻辑电平与电压值的关系 二进制数 逻辑电平和数值波形 二值数字逻辑和逻辑电平 无特殊说明 通常指正逻辑 逻辑电平 用来表示1和0的电压称为逻辑电平 一个电平表示高电压 另一个电平表示低电压 高电压可以是指定的一个电压取值范围内的任意值 低电压可以是指定的最小值和最大值之间的任意值 二进制数 逻辑电平和数值波形 数字信号所表现的形式是一系列高 低电平组成的脉冲波 即信号总是在高电平和低电平之间来回变化 重要的是要能正确区分出信号的高 低电平 并正确反映电路的输出与输入之间的关系 至于高 低电平值精确为多少的电压值则无关紧要 t ms V V a 用逻辑电平描述的数字波形 b 16位数据的图形表示 数字波形 数字波形 是信号逻辑电平对时间的图形表示 二进制数 逻辑电平和数值波形 波形特性 周期性和非周期性 二进制数 逻辑电平和数值波形 非周期性数字波形 周期性数字波形 实际脉冲波形及主要参数 占空比Q 表示脉冲宽度占整个周期的百分比 上升时间tr和下降时间tf 从脉冲幅值的10 到90 上升下降所经历的时间 典型值ns 脉冲宽度 tw 脉冲幅值的50 的两个时间所跨越的时间 周期 T 表示两个相邻脉冲之间的时间间隔 周期与频率成倒数 例 下图为某周期数字波形的一部分 单位为ms 试计算 周期 频率和占空比 解 a 周期是10ms b 频率是 c 占空比为 例 设周期性数字波形的高电平持续6ms 低电平持续10ms 求占空比q 解 因数字波形的脉冲宽度tw 6ms 周期T 6ms 10ms 16ms 数字波形携带二进制信息 计数系统处理的二进制信息以波形的形式出现 它表示一系列的二进制位 当波形为高电平时 表示1 为低电平时 表示0 每个位在一个序列里所占的固定时间间隔称为位时间 数字波形携带二进制信息 所有波形都与一个基本时序波形同步 称之为时钟 时钟是周期波 每两个脉冲之间的间隔等于一个位时间 波形A的位序列 时钟 位时间 数字波形携带二进制信息 时序图 表示两个或以上个波形的实际时间关系 在此时钟周期内 A B和C信号都为高电平 数据传送 数据传送就是把某种信息从一个电路传递到另一个电路 如果是一位一位的传送 则是串行传送 多位一起传送则是并行传送 数据传送 串行传送 并行传送 计算机 调制解调器 计算机 打印机 数据传送 例 试给出下图波形A中串行传送8个位所需要的时间 并指出位的顺序 时钟以100khz为基准 并行传送8个位需要多少时间 数据传送 解 因为时钟的频率为100kHz 周期为 传送每位需要的时间 传送8位需要的时间为 并行传输8位需要的时间为 数字信号与数字电路 模拟信号 数字信号 模数转换 传感器 放大 数字信号所表现的形式是一系列高 低电平组成的脉冲波 即信号总是在高电平和低电平之间来回变化 重要的是要能正确区分出信号的高 低电平 并正确反映电路的输出与输入之间的关系 至于高 低电平值精确为多少则无关紧要 数字电路 思考题 1 数字信号与模拟信号的主要特征是什么 2 位的含义是什么 3 周期与频率的关系 预习内容 2 1十进制数2 2二进制数2 3十进制数到二进制数的转换