6、数电模电课件数字电路基础.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 数字电路基础,软件学院,侯刚,1,主要内容,6.1,数字电路概述,6.2,逻辑代数,6.3,逻辑函数建立及表示方法,6.4,逻辑函数简化,2,6.1,数字电路概述,模拟电子技术中介绍了基本放大器、多级放大器、反馈放大器以及集成运算放大器等，这些电路都是用来对模拟信号进行产生、放大、处理和运用的电路，因此把这些电路称为模拟电路。,数字电子技术则是一门研究数字信号的产生、整形、编码、运算、记忆、计数、存储、分配、测量和传输的科学技术，简单的说是用数字信号去实现运算、控制和测量的科学。在数字电子技术中，能实现上述功能的电路称为“数字电路”。,3,6.1.1,数字信号,有些物理量在时间和数值上具有连续变化的特点，如时间、温度、压力及速度等，这种连续变化的物理量，习惯上称为,模拟量,。把表示模拟量的电信号叫做,模拟信号,。,还有一种物理量，它们在时间上和数量上是不连续的，它们的数量大小和每次的增减变化都是某一个最小单位的整数倍，而小于这个最小单位的数值是没有物理意义的。这一类物理量称为,数字量,，表示数字量的电信号称为,数字信号,。,4,6.1,数字电路概述,6.1.1,数字信号,数字信号由,0,和,1,两种数值组成。,数字信号可以进行两种运算，即,算术运算,和,逻辑运算,。,数字信号,0,和,1,表示的是数量的大小，则它们进行的是算术运算。,表示的是两种不同的状态，则它们进行的是逻辑运算。,5,6.1,数字电路概述,6.1.2,数字电路的优点,(1),便于高度的集成化；,(2),工作准确可靠，抗干扰能力强；,(3),数字信息便于长期保存；,(4),数字集成电路产品系列多、通用性强且成本低；,(5),保密性好；,(6),可同时进行数值计算和逻辑运算；,6,6.1,数字电路概述,6.1.3,数字电路分类,(1),根据电路结构不同，可分为,分立元件电路,和,集成电路两大类,；,(2),根据集成的密度不同，可分为,大、中、小、超大规模集成电路,；,(3),根据半导体导电类型的不同，可分为,双极型电路,和,单极型电路,；,7,6.1.4,脉冲波型主要参数,脉冲幅度,U,m,脉冲上升时间,t,r,脉冲下降时间,t,f,脉冲宽度,t,W,脉冲周期,T,脉冲频率,f,占空比,q,：脉冲宽度与脉冲周期的比值，,q,t,W,/,T,。,8,6.1.5,数制和码制,1,、数制,(1),十进制,(2),二进制,(3),八进制,(4),十六进制,2,、不同数制之间的转换,(1),各种数制转换成十进制,(2),十进制转换成各种数制,(3),二进制与八,(,十六,),进制的转换,9,6.1.5,数制和码制,3,、码制,(1),二,十进制编码,(BCD),有权码；,无权码；,(2),可靠性编码,格雷码；,奇偶校验码；,10,6.2,逻辑代数,逻辑代数是描述客观事物逻辑关系的数学方法。它首先是由英国数学家乔治,布尔提出，因此也称为,布尔代数,。而后克劳德,香农将逻辑代数应用到继电器开关电路的设计中，所以又称为,开关代数,。,和普通代数一样，在逻辑代数中用字母表示变量与函数，但变量与函数的取值只有,0,和,1,两种可能。这里的,0,和,1,已经不再表示数量的大小，只能代表两种不同的逻辑状态。我们把这种二值变量称为,逻辑变量,，简称,变量,，这种二值函数称为,逻辑函数,，简称,函数,。,11,6.2,逻辑代数,6.2.1,基本逻辑运算,1,、与逻辑运算,与逻辑的定义：仅当决定事件（,Y,）发生的所,有条件（,A,，,B,，,C,，,）均满足时，事件（,Y,）才,能发生。表达式为：,真值表,12,6.2.1,基本逻辑运算,2,、或逻辑运算,或逻辑的定义：当决定事件（,Y,）发生的各种,条件（,A,，,B,，,C,，,),中，,只要有一个或多个条件具,备，事件（,Y,）就发生。表达式为：,真值表,13,6.2.1,基本逻辑运算,3,、非运算,非逻辑指的是逻辑的,否定。当决定事件（,Y,）,发生的条件（,A,）满足,时，事件不发生；条件不,满足，事件反而发生。表,达式为：,真值表,14,6.2.1,基本逻辑运算,4,、复合运算,(1),与非逻辑运算：它是,将逻辑变量先进行与运,算再进行非运算。表达,式为：,F=AB,真值表,15,6.2.1,基本逻辑运算,(2),或非逻辑运算：,它是将逻辑变量,先进行或运算再进行,非运算。其表达式为：,F=A+B,真值表,16,6.2.1,基本逻辑运算,(3),与或非逻辑运算,它是将逻辑变量先进行与运算后进行或运,算再进行非运算。其表达式为：,F=AB+CD,17,6.2.1,基本逻辑运算,(4),同或和异或逻辑运算,如果当两个逻辑变量A和B相同时，逻辑函数F等于1，否则F等于0，这种逻辑关系称为,同或,。,A B,F,0 0,1,0 1,0,1 0,0,1 1,1,18,6.2.1,基本逻辑运算,如果当两个逻辑变量,A,和,B,相异时，逻辑函数,F,等于,1,，否则,F,等于,0,，这种逻辑关系称为,异或。,A B,F,0 0,0,0 1,1,1 0,1,1 1,0,19,6.2.2,逻辑代数的基本定理与运算规则,（,1,）常量之间的关系,（,2,）基本公式,分别令,A=0,及,A=1,代入这些公式，即可证明它们的正确性。,1,、基本定律,20,6.2.2,逻辑代数的基本定理与运算规则,利用真值表很容易证明这些公式的正确性。如证明,AB=BA,：,21,6.2.2,逻辑代数的基本定理与运算规则,分配率,A+BC=(A+B)(A+C),互补率,A+A=1,0-1,率,A,1=1,22,6.2.2,逻辑代数的基本定理与运算规则,互补率,A+A=1,分配率,A(B+C)=AB+AC,0-1,率,A+1=1,23,6.2.2,逻辑代数的基本定理与运算规则,2,、逻辑代数的基本运算规则,例如，已知等式 ，用函数,Y,=,AC,代替等式中的,A,，,根据代入规则，等式仍然成立，即有：,（,1,）代入规则：任何一个含有变量,A,的等式，如果将所有出现,A,的位置都用同一个逻辑函数代替，则等式仍然成立。这个规则称为代入规则。,24,6.2.2,逻辑代数的基本定理与运算规则,（,2,）反演规则：对于任何一个逻辑表达式,Y,，,如果将表达式中的所有,“,”,换成,“,”,，,“,”,换成,“,”,，,“,0,”,换成,“,1,”,，,“,1,”,换成,“,0,”,，,原变量换成反变量，反变量换成原变量,，那么所得到的表达式就是函数,Y,的反函数,Y,（,或称反函数）。这个规则称为反演规则。例如：,25,6.2.2,逻辑代数的基本定理与运算规则,（,3,）对偶规则：对于任何一个逻辑表达式,Y,，,如果将表达式中的所有,“,”,换成,“,”,，,“,”,换成,“,”,，,“,0,”,换成,“,1,”,，,“,1,”,换成,“,0,”,，而,变量保持不变,，则可得到的一个新的函数表达式,Y,，,Y,称为函,Y,的对偶函数。这个规则称为对偶规则。例如：,对偶规则的意义在于,：如果两个函数相等，则它们的对偶函数也相等。利用对偶规则,可以使要证明及要记忆的公式数目减少一半。例如：,26,6.3,逻辑函数的建立及其表示方法,（,1,）逻辑表达式：由逻辑变量和与、或、非,3,种运算符连接起来所构成的式子。在逻辑表达式中，等式右边的字母,A,、,B,、,C,、,D,等称为输入逻辑变量，等式左边的字母,Y,称为输出逻辑变量，字母上面没有非运算符的叫做原变量，有非运算符的叫做反变量。,（,2,）逻辑函数：如果对应于输入逻辑变量,A,、,B,、,C,、,的每一组确定值，输出逻辑变量,Y,就有唯一确定的值，则称,Y,是,A,、,B,、,C,、,的逻辑函数。记为,注意,：与普通代数不同的是，在逻辑代数中，不管是变量还是函数，其取值都只能是,0,或,1,，并且这里的,0,和,1,只表示两种不同的状态，没有数量的含义。,27,6.3.1,逻辑函数的表示方法,1,、,真值表,真值表：是由变量的所有可能取值组合及其对应的函数值所构成的表格。,真值表列写方法：每一个变量均有,0,、,1,两种取值，,n,个变量共有,2,n,种不同的取值，将这,2,n,种不同的取值按顺序（一般按二进制递增规律）排列起来，同时在相应位置上填入函数的值，便可得到逻辑函数的真值表。,例如：当,A=B=1,、,或则,B=C=1,时，函数,Y=1,；,否则,Y=0,。,28,6.3.1,逻辑函数的表示方法,2,、,逻辑表达式,逻辑表达式：是由逻辑变量和与、或、非,3,种运算符连接起来所构成的式子。,函数的标准与或表达式的方法：将函数的真值表中那些使函数值为,1,的最小项相加，便得到函数的标准与或表达式。,3,、,卡诺图,卡诺图：是由表示变量的所有可能取值组合的小方格所构成的图形。,逻辑函数卡诺图的填写方法：在那些使函数值为,1,的变量取值组合所对应的小方格内填入,1,，其余的方格内填入,0,，便得到该函数的卡诺图。,29,6.3.1,逻辑函数的表示方法,4,、,逻辑图,逻辑图：是由表示逻辑运算的逻辑符号所构成的图形。,、波形,图,波形图：是由输入变量的所有可能取值组合的高、低电平及其对应的输出函数值的高、低电平所构成的图形。,30,6.3.2,逻辑函数表示方法之间的转换,1,、由真值表到,逻辑图的转换,真值表,逻辑表达式或卡诺图,1,1,最简与或表达式,化简,2,或,2,31,6.3.2,逻辑函数表示方法之间的转换,&,画逻辑图,3,&,&,1,ABC,A,最简与或表达式,&,C,B,B,A,A,C,AB,AC,Y,A,C,B,B,A,A,C,Y,&,&,&,ABC,AB,AC,若用与非门实现，将最简与或表达式变换乘最简与非,-,与非表达式,3,32,6.3.2,逻辑函数表示方法之间的转换,逻辑图,逻辑表达式,1,1,最简与或表达式,化简,2,&,A,1,C,B,B,A,A,C,Y,1,1,2,从输入到输出逐级写出,2,、由,逻辑图,到真值表,的转换,33,6.3.2,逻辑函数表示方法之间的转换,最简与或表达式,3,真值表,3,34,6.3.3,逻辑代数的相等,逻辑函数相等的概念：设有两个逻辑函数,它们的变量都是,A,、,B,、,C,、,，,如果对应于变量,A,、,B,、,C,、,的任何一组变量取值，,Y,1,和,Y,2,的值都相同，则称,Y,1,和,Y,2,是相等的，记为,Y,1,=Y,2,。,若两个逻辑函数相等，则它们的真值表一定相同；反之，若两个函数的真值表完全相同，则这两个函数一定相等。因此，要证明两个逻辑函数是否相等，只要分别列出它们的真值表，看看它们的真值表是否相同即可。,证明等式：,35,6.4,逻辑函数的简化,实现同一逻辑功能的逻辑函数表达式可以是多种多样的，它们在繁简程度上会有所差异。,逻辑函数的简化就是将较繁的逻辑函数表达式变换为与之等效的最简逻辑函数表达式。,实际上，逻辑函数是依靠逻辑电路来实现其逻辑功能。逻辑函数的简化意味着用较少的逻辑器件合理而经济地实现同样的逻辑功能，这对于提高电路的可靠性和降低成本都是有利的。,逻辑函数的简化主要有公式化简法和卡诺图化简法两种方法。,36,6.4,逻辑函数的简化,6.4.1,公式化简化法,公式化简法就是利用逻辑代数的定理公式进行化简。简化的原则以,项数最少,，每一项所含的,变量数最少为最佳,。,合并项法,可将两项合并为一项，并消去,B,和,这一对互补因子。,A,和,B,可以是任何复杂的逻辑式。,利用公式,1,、与,或式的简化,37,6.4.1,公式化简化法,吸收法,利用,吸收多余因子，,A,和,B,均可为任意复杂,的逻辑函数。,例,利用吸收法化简逻辑函数,解,38,6.4.1,公式化简化法,削去法,利用公式,削去多余的变量,；,削去多余项。,利用公式,例,利用削去法化简下列逻辑函数,解,39,6.4.1,公式化简化法,添项法,利用公式,进行添项。利用所添的项与其他项进行合并达到简化目的。,40,6.4.1,公式化简化法,2,、或,与式的简化,或,与式的简化,可采用直接公式简化法或两次对偶简化法,。,例,化简逻辑函数,解一 直接公式简化法,吸收,削去,解二 两次对偶简化,法,吸收,削去,41,6.4.2,卡诺图简化法,卡诺图,是将真值表换一种画法，使其,保留真值表的特性,，又,便于作逻辑运算,。,1,、逻辑函数的卡诺图表示法,设有,n,个逻辑变量,A,1,A,n,，,P,是由这,n,个逻辑变量构成的与项。如果在与项,P,中，所有的变量都以原变量,(),或者反变量,(),的形式出现且仅出现一次，,则称与项,P,为最小项，记作,m,i,。,注,：下标,i,按下面规则确定：将变量,A,1,An,按顺序排列，如果与项中变量以原变量形式出现则代之以,1,，以反变量形式出现则代之以,0,，那么它们按序排列成一个二进制数，将二进制数转换为十进制数即为下标,i,。,42,6.4.2,卡诺图简化法,对于,n,个逻辑变量，其所构成的最小项共有,2,n,个。如,A,、,B,、,C,三个逻辑变量所构成的最小项共有八个。,43,6.4.2,卡诺图简化法,最小项具有以下性质：,对于逻辑变量的任一组取值，只有一个最小项的值等于,1,，其他最小项的值皆等于,0,；所以，可认为逻辑变量的任一组取值都对应着一个最小项。,任意两个不同的最小项之积为,0,。,全体最小项之和等于,1,。,0 0 0,1,0,0,0,0,0,0,0,0 0 1,0,1,0,0,0,0,0,0,0 1 0,0,0,1,0,0,0,0,0,0 1 1,0,0,0,1,0,0,0,0,1 0 0,0,0,0,0,1,0,0,0,1 0 1,0,0,0,0,0,1,0,0,1 1 0,0,0,0,0,0,0,1,0,1 1 1,0,0,0,0,0,0,0,1,44,6.4.2,卡诺图简化法,将逻辑函数变换为最小项标准型的方法,方法一：利用真值表将逻辑函数变换为最小项标准型：,首先作出函数的真值表，找出真值表中使,F,为,1,的变量取值组合，而后分别写出其所对应的最小项,(,如果变量取值为,1,取原变量，变量取值为,0,取反变量,),，最后将所构成的最小项相或，即得最小项标准型。,最小项的标准型：,将最小项相或，即为最小项标准型，,也称标准与,或式。,45,6.4.2,卡诺图简化法,方法二 利用公式,+,=1,将函数变换为最小项标准型。,解,46,6.4.2,卡诺图简化法,卡诺框的构成,卡诺框是一种二维图表，由真值表变换而来。它是将真值表中的变量分为两组，一组作行变量，一组作列变量，为了便于简化，变量的取值按照,循环码,的方式排列。,CD,AB,00,01,11,10,00,0,1,3,2,01,4,5,7,6,11,12,13,15,14,10,8,9,11,10,逻辑相邻：,如果对应两组变量的取值，只有一个变量取值不同，则这两组变量取值所对应的小方格或最小项为逻辑相邻,。,47,6.4.2,卡诺图简化法,从卡诺框的构成可以看出：,几何位置上相邻的小方格或最小项，在逻辑上具有相邻性。,水平方向同一行里最左和最右的小方格或最小项，以及垂直方向同一列最上和最下的小方格或最小项在逻辑上是相邻的。,例如，在四变量卡诺框中，与最小项,m,4,逻辑相邻的有,m,0,、,m,5,、,m,6,和,m,12,。,48,6.4.2,卡诺图简化法,卡诺图表示逻辑函数,卡诺框只是一个空的表格，如果在每个小方格填入相应的函数值，所构成的图表称为,卡诺图,。,对于一个给定的逻辑函数，一般有三种方法作出它的卡诺图，即,真值表法,、,标准型法和观察法,。,真值表法,：先作出已知逻辑函数的真值表，然后将表中每一栏函数值填入卡诺框中相应的小方格。,标准型法,：将已知函数转换为最小项标准型，然后在卡诺框中与函数所含最小项对应的小方格上填,1,，其余填,0,。为简化作图，通常只填写一种逻辑值。,观察法：,直接观察已知函数，找出使函数等于,1(,或,0),的变量取值，然后在卡诺框中相应的小方格内填入,1(,或,0),。,49,6.4.2,卡诺图简化法,例,试用卡诺图表示逻辑函数,解：第一步，展开为最小项标准,型,第二步，用卡诺图表示,CD,AB,00,01,11,10,00,1,01,1,1,11,1,10,1,1,1,1,50,6.4.2,卡诺图简化法,例,6-16,试用卡诺图表示逻辑函数,=,+,+,CD,AB,00,01,11,10,00,1,01,1,11,1,1,1,1,10,1,1,1,1,51,6.4.2,卡诺图简化法,2,、利用卡诺图简化逻辑函数,（,1,）公式 的应用,解,利用公式化简法中的合并项法，将函数简化为,根据表达式的形式可知，利用这个圈削去了在圈中取值发生变化的变量,B,，保留了在圈中取值未发生变化的变量,A,、,C,、,D,，并用,A,、,C,、,D,来构成与项,，其构成的规则为：如果变量取值为,1,则取原变量，如果变量取值为,0,则取反变量。,52,6.4.2,卡诺图简化法,可得出卡诺图化简,规则一,如下：,将逻辑值为,1,的相邻最小项圈起来，为了使函数最简，圈要尽可能大，但圈中所含,1,的个数必须为,2,的幂次方，如,1,个、,2,个、,4,个、,8,个等。,一个圈代表一个与项，由圈中取值未发生变化的变量构成，如果变量取值为,1,则取原变量，取值为,0,则取反变量。,53,6.4.2,卡诺图简化法,(2),公式 的应用,卡诺图化简规则二,：为了使函数得到最佳简化，圈,过的,1,格可重复被圈，即合并圈可以部分重叠。,54,6.4.2,卡诺图简化法,（,3,）,卡诺图化简规则三：,若一个合并圈中所含的“,1”,格均被其,他合并圈圈过则这个合并圈是多余的，必须消除。,55,6.4.2,卡诺图简化法,在应用卡诺图对函数进行简化时还应注意：,画合并圈是针对卡诺图中的“,1”,格，为尽量避免出现多余圈，着手点应从孤立的“,1”,格。,每个“,1”,格必须至少被圈过一次，圈过的“,1”,格可重复被圈。,对同一逻辑函数而言，合并圈的画法并不惟一，以圈数最少、圈最大为最佳。,每个圈代表一个与项，将所有的与项相或，得出的结果为最简与,或表达式。,最简式可能不是惟一的。,56,6.4.2,卡诺图简化法,根据所画的圈,将最简与,或式写出来为,57,6.4.2,卡诺图简化法,3,、具有无关最小项的逻辑函数的简化,一个,n,变量的逻辑函数应该有,2,n,组变量取值。但在有些实际逻辑事件中，有的逻辑函数并不是,2,n,组变量取值都有确定的函数值,(0,或,1),，而是其中的一部分有确定的值，另一部分没有确定的值。,我们把这些无确定函数值的变量取值所对应的最小项称为,无关最小项,，简称无关项，又称随意项或约束项，用,d,来表示。,58,作业,6.12,、,6.14,（,1,）（,2,）、,6.15,6.16,（,1,）（,4,）、,6.17,（,1,）（,3,）（,5,）,59,