数字电子技术课件汇总全书电子教案完整版课件(最新).ppt
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1、项目一项目一 两地控制指示电路两地控制指示电路知识目标知识目标v了解数字信号和数字电路的基本概念v熟悉不同数制之间的转换v掌握三种基本逻辑关系v掌握常用的复合逻辑关系v熟悉常用的集成门电路技能目标技能目标v掌握基本集成门电路的功能测试v掌握集成逻辑门电路逻辑功能的测试方法v知识链接知识链接v链接一数字电路的基本知识v链接二数制和码制的基本知识v链接三逻辑函数v链接四常用的集成逻辑门电路项目实训项目实训v任务一常用集成门电路的认识v任务二门电路逻辑功能的测试v任务三集成逻辑门电路逻辑功能的测试知识链接知识链接链接一链接一数字电路的基本知识数字电路的基本知识v一、数字信号与模拟信号一、数字信号与模
2、拟信号v现代电子线路所处理的信号大致可分为两大类:一类为模拟信号;另一类为数字信号。处理模拟信号的电路称为模拟电路,处理数字信号的电路称为数字电路。v模拟信号是指时间上和数值上都是连续的信号。模拟信号一般是指模拟真实世界物理量的电压或电流,如模拟话音、温度、压力等一类物理量的信号。处理这类信号时,考虑的是放大倍数、频率失真、非线性失真及相位失真等,着重分析波形的形状、幅度和频率的变化。v数字信号是指时间上和数值上都是离散的信号,即信号在时间上不连续,总是发生在一系列离散的瞬间;在数值上量化,只能按有限多个增量或阶梯取值。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
3、之间来回变化。v处理数字信号时,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、输入之间的关系,至于高、低电平值精确度则无关紧要。v数字电路主要研究电路输入、输出状态之间的相互关系,即逻辑关系。分析和设计数字电路的数学工具是逻辑代数,它是英国数学家布尔于1849年提出的,因此也称布尔代数。二、数字电路的特点与分类二、数字电路的特点与分类v1数字电路的特点数字电路的特点v(1)工作信号是二进制的数字信号,反映在电路上就是低电平和高电平两种状态(即0和1两个逻辑值)。v(2)在数字电路中,研究的主要问题是电路的逻辑功能,即输入信号的状态和输出信号的状态之间的逻辑关系。数学工具是逻辑代
4、数v(3)对组成数字电路的元器件的精度要求不高,只要在工作时能够可靠地区分0和1两种状态即可。v(4)电路结构简单,稳定可靠。有利于实现数字电路集成化。v(5)数字电路抗干扰能力强。v(6)数字电路中元件处于开关状态,功耗较小。v在计算机、数字通信、自动控制、数字仪器及家用电器等技术领域中得到广泛的应用。2数字电路的分类数字电路的分类v(1)按电路组成结构分为分立元件和集成电路两大类。其中集成电路按集成度(在一块硅片上包含的逻辑门电路或元件的数量)可分为小规模(SSI)、中规模(MSI)、大规模(LSI)和超大规模(VLSI)集成电路。v(2)按电路所用器件分为双极型(如TTL、ECL、I2L
5、、HTL)和单极型(如NMOS、PMOS、CMOS)电路。v(3)按电路逻辑功能分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。链接二链接二数制和码制的基本知识数制和码制的基本知识v一、数制一、数制v1常用数制常用数制v数制是计数进位制的简称。v(1)十进制)十进制v在十进制数中采用了0、1、2、9十个不同的数码;在计数时,逢十进一,借一当十。各个数码处于十进制数的不同数位时,所代表的数值是不同的。对于任意一个十进制数的数值,都可以按位权展开式中十进制数的任意一个数码;m、n正整数,n表示整数部分数位,m表示小数部分数位。例如,526的数值可表示为526=5100+210+61上述十进制数按位权展开的表示方法
6、,可以推广到任意进制的计数制。(2)二进制v二进制数只有0和1两个数码,在计数时逢二进一及借一当二。二进制的基数是2,每个数位的位权值为2的幂。因此,二进制数可以按位权展开。式中第i位的数码(0或1);n、m正整数;2i第i位的位权值。v例如:二进制数1101.01可展开为v(1101.01)2=123+122+021+120+021+122(3)八进制)八进制v八进制数有0、1、2、3、4、5、6、7八个数码,在计数时逢八进一及借一当八。八进制的基数是8,每个数位的位权值为8的幂。八进制数的下标可用8或O(Octadic的缩写)表示为例如:(107.4)8=182+081+780+481因为
7、23=8,所以3位二进制数可用1位八进制数来表示。(4)十六进制)十六进制v十六进制数有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F十六个数码,在计数时逢十六进一及借一当十六。十六进制的基数是16,每个数位的位权值是16的幂。十六进制数的小标可用16或H(Hex的缩写)表示为v例如,(BD2.3C)16=11162+13161+2160+3161+12162v因为24=16,所以4位二进制数可用1位十六进制数来表示。v在计算机应用系统中,二进制主要用于机器内部的数据处理,八进制和十六进制主要用于书写程序、指令,十进制主要用于运算最终结果的输出。另外,十六进制数还经常用来表示内
8、存的地址,例如(8FD9)16表示要寻找该地址的存储单元。2数制转换数制转换v(1)二、八和十六进制数转换为十进制数)二、八和十六进制数转换为十进制数vR进制数转换为十进制数时按位权展开,然后将各项数值按十进制相加,就可得到等值的十进制数。解:(10101.11)2=124+023+122+021+120+121+122=(21.75)10(165.2)8=182+681+580+281=(117.25)10(2A.8)16=2161+10160+8161=(42.5)10【例1-1】(1)将二进制数(10101.11)2转换为十进制数。(2)将八进制数(165.2)8转换为十进制数。(3)将
9、十六进制数(2A.8)16转换为十进制数。(2)十进制数转换为其他进制数)十进制数转换为其他进制数v十进制数转换为R进制数,都可用基数乘除法。v对于整数部分,可采用“除R取余、逆序排列”法;对于小数部分,可采用“乘R取整、顺序排列”法。【例1-2】将十进制数(43.6875)10转换为二进制数。v解:整数部分,用“除2取余、逆序排列”法得v所以:(43)10=(101011)2v小数部分,用“乘2取整,顺序排列”法得0.67852=1.3750取整=1最高位0.3752=0.750取整=00.752=1.50取整=10.52=1.0取整=1最低位v所以:(0.6875)10=(0.1011)2
10、v综合以上两部分得:v(43.6875)10=(101011.1011)2v注意小数部分,凡无穷尽者,可采用类似十进制数四舍五入的办法保留最后一位有效数字。(3)二进制数和八、十六进制数之间的转换)二进制数和八、十六进制数之间的转换v每一位八进制数正好对应3位二进制数,每一位十六进制数正好对应4位二进制数。v二进制数转换为八进制数时,只要以小数点为界,整数部分向左、小数部分向右分成3位一组,各组分别用对应的一位八进制数表示即可得到所求的八进制数,两头不足3位时,可分别用0补足。v二进制数到十六进制数的转换方法与此相同,只是小数点向左或向右分别按4位一组进行分组即可。(3)二进制数和八、十六进制
11、数之间的转换)二进制数和八、十六进制数之间的转换v每一位八进制数正好对应3位二进制数,每一位十六进制数正好对应4位二进制数。所以二进制数转换为八进制数时,只要以小数点为界,整数部分向左、小数部分向右分成3位一组,各组分别用对应的一位八进制数表示,即可得到所求的八进制数,两头不足3位时,可分别用0补足。同理,二进制数到十六进制数的转换方法与此相同,只是小数点向左或向右分别按4位一组进行分组即可。几种制进数之间的对应关系如表1-1所示。表1-1几种制进数之间的对应关系十进制数二进制数八进制数十六进制数0123456789101112131415000000010010001101000101011
12、00111100010011010101111001101111011110123456710111213141516170123456789ABCDEF【例1-3】将二进制数(1011010.10111)2分别转换为八进制数和十六进制数。v解:二进制数化为八进制数,按3位一组得【例1-4】将十六进制数(7F.E5)16转换为八进制数。v解:先把每一位十六进制数用4位二进制数表示出来为v即:(7F.E5)16=(1111111.11100101)2v再将二进制数按每3位一组划分得八进制数为v故有(7F.E5)16=(177.712)8v数字系统中,需要把十进制数的数值、不同的文字、符号等其他信
13、息用二进制代码来表示才能处理。二、码制二、码制v1.代码代码v用以表示十进制数码、字母、符号等信息的一定位数的二进制数称为代码。v必须指出的是,二进制码不一定表示二进制数,它的含义是人们预先约定而赋予的。v2.编码编码v为了建立这种代码与所表示信息一一对应的关系,用一定位数的二进制数来表示十进制数码、字母、符号等信息,称为编码。编码主要有二进制编码,二十进制编码等。v二十进制码(BCD码):由于十进制数有09十个数码,需要4位二进制数码来对应表示一位十进制数码。用4位二进制数b3b2b1b0来表示十进制数中的09十个数码。简称BCD码。v常用的BCD码有8421码、2421码、5421码、余3
14、码等。v8421BCD码:用四位自然二进制码中的前十个码字来表示十进制数码,因各位的权值依次为8、4、2、1,故称8421码。v2421码的权值依次为2、4、2、1;余3码由8421码加0011得到;格雷码是一种循环码,其特点是任何相邻的两个码字,仅有一位代码不同,其它位相同。v由于每位码是以四位二进制数为一组来表示的,所以8421BCD码与十进制数之间的转换可以直接以组为单位来进行。v【例1-5】将(138)10转换为对应的8421BCD码。即(138)10=(000100111000)8421BCD【例1-6】将(100100000011.10000101)8421BCD码转换为对应的十进
15、制数。即(100100000011.10000101)8421BCD=(903.85)10解:v注意:v在8421BCD码中不允许出现10101111这六个代码,因为十进制数09中没有与之对应的数字符号,这些代码称为伪码,也常称为“无关码”或“无关项”。链接三链接三逻辑函数逻辑函数v逻辑代数是分析和设计数字电路的重要数学工具,它反映了逻辑变量的运算规律。逻辑代数中的变量只有两种取值0或1。0和1并不表示数量的大小,而只是表示两种对立的逻辑状态。逻辑代数有三种基本运算:与、或、非。将这三种基本运算简单组合可构成复合逻辑,例如:与非、或非、与或非、同或、异或等。一、基本概念一、基本概念v二进制数中
16、的“1”和“0”不仅能够表示二进制数,还可以表示许多对立的逻辑状态。在分析和设计数字电路时,所用的数学工具是逻辑代数,又称布尔代数。v1逻辑变量v逻辑代数和普通代数一样,用字母A、B、C、X、Y、Z等代表变量,称为逻辑变量。但这两种代数中变量的含义有本质的区别,逻辑代数中的变量只有两种取值0或1。0和1并不表示数量的大小,而只是表示两种对立的逻辑状态,即“是”与“非”、“开”与“关”、“真”与“假”、“高”与“低”等。v2逻辑关系v通常,把反映“条件”和“结果”之间的关系称为逻辑关系。如果以电路的输入信号反映“条件”,以输出信号反映“结果”,此时各输入、输出之间也存在确定的逻辑关系。数字电路就
17、是实现特定逻辑关系的电路,因此,又称逻辑电路。逻辑电路的基本单元是逻辑门,它们反映了基本的逻辑关系。v3正逻辑和负逻辑v根据1和0代表逻辑状态的含义不同,有正、负逻辑之分。例如,认定“1”表示事件发生,“0”表示事件不发生,则形成正逻辑系统;反之则形成负逻辑系统。v同一逻辑电路,既可用正逻辑表示,也可以用负逻辑表示。在本书中,只要未作特别声明,均采用正逻辑。二、基本逻辑关系二、基本逻辑关系v有三种最基本的运算:与运算、或运算和非运算。逻辑代数的所有逻辑关系都可以由这三种基本运算关系组合得到。A A、B B都具备时,事件都具备时,事件L L才发生。才发生。设设开关闭为开关闭为“1 1”开关开为开
18、关开为“0 0”灯亮为灯亮为“1 1”不亮为不亮为“0 0”则则A A、B B、与灯、与灯L L的关系为的关系为“与与”逻辑逻辑与逻辑与逻辑1.1.“与与”逻辑运算和与门(串联)逻辑运算和与门(串联)ELABL=AL=A B B逻辑式逻辑式逻辑与逻辑与(逻辑乘)(逻辑乘)0 00 00 01 10 00 00 01 10 01 11 11 1全全1 1出出1 1有有0 0出出0 0A AL LB B逻辑真值表逻辑真值表逻辑符号逻辑符号&A AB BL L(a)符号(b)波形图以上介绍的是两个变量的与逻辑,多变量的与逻辑表达式可表示为Y=ABCD或Y=ABCD2.2.“或或”逻辑运算和或门逻辑运
19、算和或门A A、B B只有一个具备时,事件只有一个具备时,事件L L就发生。就发生。A AE EL LB B开关闭为开关闭为“1 1”开关开为开关开为“0 0”灯亮为灯亮为“1 1”不亮为不亮为“0 0”则则A A、B B与灯与灯L L的关系为的关系为“或或”逻辑逻辑L=A+BL=A+B或逻辑式或逻辑式逻辑或逻辑或(逻辑加逻辑加)A AL LB B1 10 01 10 00 00 00 01 11 11 11 11 1全全0 0出出0 0有有1 1出出1 1逻辑真值表逻辑真值表图1-4或门逻辑符号与波形在数字电路中,实现或逻辑功能的电路称为或门。或门逻辑符号如图1-4(a)所示。图1-4(b)
20、表示或门输入端A、B波形与输出端Y波形的对应关系多变量或逻辑表达式可表示为Y=A+B+C+D+3.3.“非非”逻辑运算和非门逻辑运算和非门A A具备具备时时 ,事件,事件L L不发生;不发生;A A不具备时,事件不具备时,事件L L发生。发生。A AE EL LR R非逻辑非逻辑开关闭为开关闭为“1 1”开关开为开关开为“0 0”灯亮为灯亮为“1 1”灯不亮为灯不亮为“0 0”则开关则开关A A与灯与灯L L的关系为的关系为“非非”逻辑逻辑逻辑式逻辑式逻辑非逻辑非逻辑反逻辑反A AL L0 01 11 10 0有有1 1出出0 0有有0 0出出1 1逻辑真值表逻辑真值表由图1-6可见,非门的逻
21、辑功能是:输出状态与输入状态相反。因此,非门通常又称作反相器。图1-6非门逻辑符号与波形基本逻辑的简单组合称为复合逻辑。&ABFL逻辑式逻辑式逻辑真值表逻辑真值表逻辑符号逻辑符号001101011110ALB三、常用复合逻辑三、常用复合逻辑1与非逻辑和与非门与非逻辑和与非门 由真值表可知,与非门的逻辑功能为:当输入有低电平0时,输出为高电平1;当输入全为高电平1时,输出为低电平0。可简记为“有0出1、全1出0”。2或非逻辑和或非门或非逻辑和或非门 1BLFA将输入变量先进行或运算,然后再进行非运算。将输入变量先进行或运算,然后再进行非运算。0 00 01 11 10 00 00 01 10 0
22、1 11 10 0A AL LB B逻辑式逻辑式逻辑真值表逻辑真值表逻辑符号逻辑符号或非门的逻辑功能为:当输入全为低电平0时,输出为高电平1;当输入有高电平1时,输出为低电平0。可简记为“有1出0、全0出1”。3与或非逻辑与或非逻辑v与或非逻辑是与、或、非三种逻辑的复合,它是先与再或后非,其表达式为v逻辑符号逻辑符号4 4、异或逻辑和同或逻辑:、异或逻辑和同或逻辑:(1)异或逻辑)异或逻辑当两个输入变量A、B的取值不同时,输出变量Y为1;当A、B的取值相同时,输出变量Y为0,这种逻辑关系叫做异或逻辑。可简记为“相异出1、相同出0”,其逻辑表达式为读作Y等于A异或B。实现异或逻辑功能的电路叫异或
23、门.(2)同或逻辑)同或逻辑v当两个输入变量A、B的取值相同时,输出变量Y为1;当A、B的取值不同时,输出变量Y为0,这种逻辑关系叫做同或逻辑,可简记为“相同出1、相异出0”,其逻辑表达式为vY=AB=v读作Y等于A同或B。实现同或逻辑功能的电路叫同或门,其逻辑符号如图1-7(e)所示。v异或和同或的逻辑符号异或和同或的逻辑符号v真值表真值表异或同或链接四链接四常用的集成逻辑门电路常用的集成逻辑门电路v逻辑门电路可以用电阻、电容、二极管、三极管、场效应管等元件构成,称为分立元件门,其中二极管、三极管和场效应管作为开关元件使用。v也可以将构成门电路的所有器件及连接导线制作在同一块半导体基片上,成
24、为集成逻辑门电路。v分立元件门电路的体积大、工作速度低、可靠性差,在数字电路产品中广泛采用体积小、质量轻、功耗低、速度快、可靠性高的集成门电路。一、数字集成电路的类型和型号一、数字集成电路的类型和型号v常用的数字集成电路有2大类:第一类为晶体管晶体管逻辑电路,简称TTL电路;第二类为金属一氧化物一半导体场效应晶体管逻辑电路,简称为MOS型集成电路,常用的是CMOS电路。vTTL电路主要有TTL(标准TTL)、HTTL(高速TTL)、STTL(肖特基TTL)、LTTL(低功耗TTL)、LSTTL(低功耗肖特基TTL)、ALS(先进低功耗肖特基TTL)等6个系列等;vCMOS电路主要有CMOS电路
25、(标准CMOS)系列、HC(高速CMOS)系列、HCT(与TTL兼容的HCMOS)系列。v国际通用的TTL门电路有74(商用)和54(军用)两个系列。对应TTL电路的6种类型,分别为54/74(标准系列)、54/74S(肖特基系列)、54/74LS(低功耗肖特基系列)、54/74ALS(先进低功耗肖特基系列)等。v我国生产的TTL集成电路型号与国际5474系列TTL电路系列完全一致,并采用了统一型号,共5部分组成。各部分命名及含义见表。表1-9 国标数字集成电路命名及意义第1部分第2部分(器件类型)第3部分(器件的系列品种)第4部分(器件的工作温度范围)第5部分(器件的封装)符号意义符号意义符
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