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数字电子技术基础简明教程,余孟尝 主编,目 录,第一章 逻辑代数基础与,EDA,技术的基础知识,第二章 门电路,第三章 组合逻辑电路,第四章 触发器,第五章 时序逻辑电路,第六章 脉冲产生与整形电路,第七章 数模与模数转换电路,第一章 小 结,一、数制和码制,1.,数制：,计数方法或计数体制（由基数和位权组成）,种 类,基 数,位 权,应 用,备 注,十进制,0,9,10,i,日常,二进制,0,，,1,2,i,数字电路,2=2,1,八进制,0,7,8,i,计算机程序,8=2,3,十六进制,0,9,，,A F,16,i,计算机程序,16=2,4,各种数制之间的相互转换，特别是,十进制,二进制,的转换，要求熟练掌握。,2.,码制：,常用的,BCD,码有,8421,码、,2421,码、,5421,码、余,3,码等，其中以,8421,码,使用最广泛。,0,十进,制数,1,2,3,4,5,6,7,8,9,8421,码,余,3,码,2421(A),码,5211,码,余,3,循环码,0 0 0 0,0 0 0 1,0 0 1 0,0 0 1 1,0 1 0 0,0 1 0 1,0 1 1 0,0 1 1 1,1 0 0 0,1 0 0 1,0 0 1 1,0 1 0 0,0 1 0 1,0 1 1 0,1 0 0 0,1 0 0 1,1 0 1 0,1 0 1 1,1 1 0 0,0 0 0 0,0 0 0 1,0 0 1 0,0 0 1 1,0 1 0 0,1 0 1 1,1 1 0 0,1 1 0 1,1 1 1 0,1 1 1 1,0 1 1 1,0 0 0 0,0 0 0 1,0 1 0 0,0 1 0 0,0 1 0 1,0 1 0 1,0 1 1 1,1 0 0 0,1 0 0 1,1 1 0 0,1 1 0 1,1 1 0 1,1 1 1 1,1 1 1 1,0 0 1 0,0 1 1 0,0 1 1 1,1 1 0 0,1 1 1 0,1 0 1 0,权,8 4 2 1,2 4 2 1,5 2 1 1,几种常见的,BCD,代码,练习,1,完成下列数制和码制之间的相互转换,128 16 4 2 1,512 128 64 16 8 4 2,32 8 2 1,32 4 1,16 8 4 1,二、常用逻辑关系及运算,1.,三种基本逻辑运算：,与、或、非,(,书,P9),2.,四种复合逻辑运算：,与非、或非、与或非、异或,三、逻辑代数的公式和定理,是推演、变换和化简逻辑函数的依据，有些与普通代数相同，有些则完全不同，要认真加以区别。这些定理中，,摩根定理,最为常用。,(,书,P12),真值表 函数式 逻辑符号,练习,2,求下列函数的反函数（用摩根定理），并化简。,解,四、逻辑函数的化简法,化简的目的是为了获得最简逻辑函数式，从而使逻辑电路简单、成本低、可靠性高。化简的方法主要有,公式化简法,和,图形化简法,两种。,1.,公式化简法：,可化简任何复杂的逻辑函数，但要求能熟,练和灵活运用逻辑代数的各种公式和定理，并要求具有一定的运算技巧和经验。,并项法：利用公式,把两项合并起来，消去一个变量。,吸收法：利用公式,吸收掉多余的乘积项。,消去法：利用公式,消去乘积项中多余的因子。,配项消项法：利用公式 ，在函数的与或式中，进行配项，消去有关乘积项。,2.,图形化简法：,简单、直观，不易出错，有一定的步骤和,方法可循。但是，当函数的变量个数多于,六个时，就失去了优点，没有实用价值。,约束项：,（无关项）,可以取,0,，也可以取,1,，它的取值对逻辑函,数值没有影响，应充分利用这一特点化简,逻辑函数，以得到更为满意的化简结果。,画出函数的卡诺图。,合并函数的最小项。,圈大好,有新意,覆盖完,选择乘积项，写出函数的最简与或表达式。,练习,3,用公式法将下列函数化简为最简与或式。,练习,4,用图形法将下列函数化简为最简与或式。,（,1,）画函数的卡诺图,（,2,）合并最小项：画包围圈,（,3,）写出最简与或表达式,AB,CD,00,01,11,10,00,01,11,10,1,1,1,1,1,1,1,1,解,1,1,练习,4,用图形法将下列函数化简为最简与或式。,（,1,）画函数的卡诺图,（,2,）合并最小项：画包围圈,（,3,）写出最简与或表达式,AB,CD,00,01,11,10,00,01,11,10,1,解,1,1,1,1,五、逻辑函数常用的表示方法：,真值表、卡诺图、函数式、逻辑图和波形图。,它们各有特点，但本质相同，可以相互转换。尤其是由,真值表 逻辑图,和,逻辑图 真值表,，,在逻辑电路的分析和设计中经常用到，必须熟练掌握。,第二章 小结,一、半导体二极管、三极管和,MOS,管,是数字电路中的基本开关元件，一般都工作在开关状态。,1.,半导体二极管,：,是不可控的，利用其开关特性可构成二极管,与门,和,或门,。,2.,半导体三极管,：,是一种用电流控制且具有放大特性的开,关元件，利用三极管的饱和导通与截止,特性可构成,非门,和其它,TTL,集成门电,路,。,3.,MOS,管,：,是一种具有放大特性的由电压控制的开关元件，利用,N,沟道,MOS,管和,P,沟道,MOS,管可构成,CMOS,反相器,和其它,CMOS,集成门电路,。,二、分立元件门电路,主要介绍了由,半导体二极管、三极管和,MOS,管,构成的与门、或门和非门。,虽然，,分立元件门电路,不是本章的重点，但是通过对这些电路的分析，可以体会到,与,、,或,、,非,三种最基本的逻辑运算，是如何用半导体电子电路实现的，这将有助于后面,集成门电路,的学习。,三、集成门电路,本章重点,主要介绍了,CMOS,和,TTL,集成门电路，重点应放在它们的输出与输入之间的逻辑特性和外部电气特性上。,1.,逻辑特性（逻辑功能）,：,普通功能,与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门和异或门。,特殊功能,三态门、,OC,门、,OD,门和传输门。,2.,电气特性,：,静态特性,主要是输入特性、输出特性和传输特性。,动态特性,主要是传输延迟时间的概念。,四、集成门电路使用中应注意的几个,问题,TTL,CMOS,分类,工作电源,V,CC,=5 V,V,DD,=3,18 V,输出电平,U,OL,=0.3 V,U,OH,=3.6 V,U,OL,0 V,U,OH,V,DD,U,TH,=0.5,V,DD,U,TH,=1.4 V,阈值电压,输入端串,接电阻,R,i,当,R,i,R,on,（,2.5,k,）,输入由,0 1,在一定范围内，,R,i,的改,变不会影响输入电平,输入端,悬空,即,R,i,=,输入为,“,1”,不允许,多余输入,端的处理,1.,与门、与非门接电源；或门、或非门接地。,2.,与其它输入端并联。,练习,写出图中所示各个门电路输出端的逻辑表达式。,TTL,CMOS,&,A,100,100k,=1,&,A,100,100k,=1,=1,1,A,100,100k,1,A,100,100k,=0,练习,写出图中所示各个门电路输出端的逻辑表达式。,TTL,CMOS,=1,A,100,100k,=1,A,100,100k,&,A,悬空,&,A,悬空,不允许,第三章,小结,一、组合逻辑电路的特点,组合逻辑电路是由各种门电路组成的,没有记忆功,能,的电路。它的特点是任一时刻的输出信号只取决于,该时刻的输入信号，而与电路原来所处的状态无关。,逻辑图,逻辑表达式,化简,真值表,说明功能,二、组合逻辑电路的分析方法,三、组合逻辑电路的设计方法,逻辑抽象,列真值表,写表达式,化简或变换,画逻辑图,练习,写出图中所示电路的逻辑表达式，说明其功能,A,B,Y,1,1,1,1,解,1.,逐级写出输出逻辑表达式,2.,化简,3.,列真值表,0 0,0 1,1 0,1 1,1,0,0,1,4.,功能,输入信号相同时,输出为,1,，否则为,0,同或,。,四、常用中规模集成组合逻辑电路,1.,加法器：,实现两组多位二进制数相加的电路。,根据进位方式不同，可分为串行进位加法,器和超前进位加法器。,2.,数值比较器：,比较两组多位二进制数大小的电路。,集成芯片：,74LS183,（,TTL,）、,C661,（,CMOS,）,双全加器,两片双全加器（如,74LS183,）,四位串行进位加法器,74283,、,74LS283,（,TTL,）,CC4008,（,CMOS,）,四位二进制超前进位加法器,集成芯片：,7485,、,74L 85,（,TTL,）,CC14585,、,C663,（,CMOS,）,四位数值比较器,3.,编码器：,将输入的电平信号编成二进制代码的电路。,主要包括二进制编码器、二,十进制编码,器和优先编码器等。,4.,译码器：,将输入的二进制代码译成相应的电平信号。,主要包括二进制译码器、二,十进制译码,器和显示译码器等。,集成芯片：,74148,、,74LS148,、,74LS348,（,TTL,）,8,线,3,线优先编码器,74147,、,74LS147,（,TTL,）,10,线,4,线优先编码器,集成芯片：,74LS138,（,TTL,）,3,线,8,线译码器（二进制译码器）,7442,、,74LS42,（,TTL,）,4,线,10,线译码器,74247,、,74LS247,（,TTL,）,共阳极显示译码器,7448,、,74248,、,7449,、,74249,等（,TTL,）,共阴极显示译码器,5.,数据选择器：,在地址码的控制下，在同一时间内从,多路输入信号中选择相应的一路信号,输出的电路。常用于数据传输中的并,-,串转换。,集成芯片：,74151,、,74LS151,74251,、,74LS251,（,TTL,）,8,选,1,数据选择器,6.,数据分配器：,在地址码的控制下，将一路输入信号,传送到多个输出端的任何一个输出端,的电路。常用于数据传输中的串,-,并转,换。,集成芯片：,无专用芯片，可用二进制集成译码器实现。,练习,用二,-,十进制编码器、译码器、发光二极管七段显示器，组成一个,1,数码显示电路。当,0,9,十个输入端中某一个接地时，显示相应数码。选择合适的器件，画出连线图。,Y,a,A,3,A,2,A,1,A,0,+V,CC,74LS48,显示,译码器,Y,b,Y,c,Y,d,Y,e,Y,f,Y,g,共阴,解,1,1,1,1,+V,CC,Y,3,Y,2,Y,1,Y,0,74LS147,10,线,-4,线,编码器,I,0,I,1,I,9,+V,CC,S,0,S,1,S,9,五、用中规模集成电路实现组合逻辑函数,1.,数据选择器：,为多输入单输出的组合逻辑电路，在输入数据都为,1,时，它的输出表达式为地址变量的全部最小项之和，适用于实现单输出组合逻辑函数。,2.,二进制译码器：,输出端提供了输入变量的全部最小项，而且每一个输出端对应一个最小项，因此，二进制译码器辅以门电路（与非门）后，适合用于实现单输出或多输出的组合逻辑函数。,六、只读存储器（,ROM,）,1.,功能：,用于存放固定不变的数据，存储内容不能随,意改写。工作时，只能根据地址码读出数据。,2.,特点：,工作可靠，断电后，数据不会丢失。,3.,分类：,固定,ROM,（掩模,ROM,）和可编程,ROM,（,PROM,）,包括,EPROM,（电写入紫外,线擦除）和,E,2,PROM,（电写入电擦除）。,PROM,都要用专用的编程器对芯片进行编程。,七、竞争和冒险,当门电路的两个输入信号同时向相反方向变化时，输出端可能出现干扰脉冲。消除方法：加封锁脉冲、加选通脉冲、接滤波电容、,修改逻辑设计,等。,第四章 小 结,一、触发器,和门电路一样，也是组成数字电路的基本逻辑单元。它有,两个基本特性：,1.,有两个稳定的状态,（,0,状态和,1,状态）。,2.,在外信号作用下，两个稳定状态可相互转换；没有外信号作用时，保持原状态不变。,因此，触发器具有记忆功能，常用来保存二进制信息。,二、触发器的逻辑功能,指触发器输出的次态,Q,n,+1,与输出的现态,Q,n,及输入,信号之间的逻辑关系。触发器逻辑功能的描述方法主要,有,特性表、卡诺图、特性方程、状态转换图和波形图,（时序图）。,二、触发器的分类,1.,根据电路结构不同，触发器可分为,（,1,）基本触发器：输入信号电平直接控制。,特性方程,（,2,）同步触发器：时钟电平直接控制。,特性方程,同步,RS,触发器,CP,=1,（或,0,）时有效,同步,D,触发器,（约束条件）,二、触发器的分类,1.,根据,电路结构,不同，触发器可分为,（,3,）主从触发器：主从控制脉冲触发。,CP,下降沿（或上升沿）到来时有效,特性方程,主从,RS,触发器,主从,JK,触发器,（,4,）边沿触发器：时钟边沿控制。,CP,上升沿（或下降沿）时刻有效,特性方程,边沿,D,触发器,边沿,JK,触发器,2.,根据,逻辑功能,不同，时钟触发器可分为,二、触发器的分类,（,1,）,RS,触发器,（约束条件）,（,3,）,D,触发器,（,4,）,T,触发器,（,5,）,T,触发器,利用特性方程可实现不同功能触发器间逻辑功能的相互转换。,（,2,）,JK,触发器,练习,在图中所示的,CC4013,边沿,D,触发器中，,CP,、,D,、,S,D,、,R,D,的波形见图，试画出,Q,、,Q,的波形。,解,Q,Q,CP,C1,1D,D,S,S,D,R,R,D,S,D,、,R,D,异步置位（置,1,）、复位（置,0,）端。,CP,上升沿触发。,CP,D,S,D,R,D,Q,Q,第五章,小 结,一、时序逻辑电路的特点,数字,电路,逻辑,功能,组合逻辑电路,时序逻辑电路,（基本构成单元 门电路）,（基本构成单元 触发器）,任何时刻电路的输出，不仅和该时刻的输入,信号有关，而且还取决于电路原来的状态。,1.,逻辑功能：,2.,电路组成：,与时间因素,(,CP,),有关；,含有记忆性的元件,(,触发器,),。,二、时序电路逻辑功能的表示方法,逻辑图、逻辑表达式、状态表、卡诺图、,状态转换图（简称状态图）和时序图,三、时序电路的基本分析方法,实质：,逻辑图,状态图,关键：,求出状态方程，列出状态表，根据状态表画,出状态图和时序图，由此可分析出时序逻辑,电路的功能。,四、时序电路的基本分设计方法,实质：,状态图,逻辑图,关键：,根据设计要求求出最简状态表（图），再通过卡诺图求出状态方程和驱动方程，由此画出逻辑图。,五、计数器,1.,按计数进制分：,二进制计数器、十进制计数器和,任意进制计数器,2.,按计数增减分：,加法计数器、减法计数器和可逆（加,/,减）计数器,3.,按触发器翻转是否同步分：,同步计数器和异步计数器,记录输入脉冲,CP,个数的电路，是极具典型性和代表性的,时序逻辑电路,。,六、中规模集成计数器,功能完善、使用方便灵活，能很方便地构成,N,进制,（任意）,计数器,。主要方法有两种：,1.,用,同步,置,0,端或置数端归零获得,N,进制计数器,根据,N,-,1,对应的二进制代码写反馈归零函数。,2.,用,异步,置,0,端或置数端归零获得,N,进制计数器,根据,N,对应的二进制代码写反馈归零函数。,当需要扩大计数器的容量时，可将多片集成计数器进行级联。如,两片,16,进制集成计数器,16 16,进制计数器,两片,10,进制集成计数器,10 10,进制计数器,七、其它时序逻辑电路,1.,寄存器和移位寄存器,寄存器,存储二进制数据或者代码。,移位寄存器,不但可存放数码，还能对数据进行移,位操作。,移位寄存器,有单向移位寄存器和双向移位寄存器。,用移位寄存器可方便地组成,环形计数器,、,扭环形计数器,和,顺序脉冲发生器,。,集成移位寄存器,使用方便、功能全、输入输出方式,灵活。,2.,读,/,写存储器,RAM,（随机存取存储器）,组成,：,主要由地址译码器、读,/,写控制电路和存储矩,阵三部分组成。,功能,：,可以随时读出数据或改写存储的数据，并且,读、写数据的速度很快。,种类,：,分为静态,RAM,和动态,RAM,。,应用,：,多用于经常更换数据的场合，最典型的应用,就是计算机中的内存。,3.,顺序脉冲发生器、可编程逻辑器件,等也都是比较典型、应用很广的时序电路。,特点：,断电后，数据将全部丢失。,第六章,小 结,一、,555,定时器,是一种多用途的集成电路。只需外接少量阻容元件便可构成各种脉冲产生、整形电路，如,施密特触发器,、,单稳态触发器,和,多谐振荡器,等。,555,1,2,3,4,8,7,6,5,双极型,(TTL),电源,:,4.5,16 V,单极型,(CMOS),电源,:,3,18 V,带负载能力强,二、,555,定时器,1.,电路组成,分压器,比较器,RS,触发器,输出,缓冲,晶体管,开关,+,V,CC,u,O,T,D,5,k,5,k,5,k,8,3,1,6,5,7,2,4,&,&,1,u,D,2.,基本功能,+,V,CC,u,O,T,D,5,k,5,k,5,k,8,3,1,6,5,7,2,4,&,&,1,u,D,CO,TH,TR,0,U,OL,饱和,2,V,CC,/3,1,1,1,U,OL,V,CC,/3,饱和,V,CC,/3,不变,不变,2,V,CC,/3,V,CC,/3,U,OH,截止,0,1,1,0,U,TH,u,o,T,D,的状态,U,R,6,2,7,8,4,1,5,3,555,R,1,C,+,R,2,C,1,+,V,CC,u,O,二、多谐振荡器,是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。,多谐振荡器,没有稳定状态，,只有两个暂稳态。暂稳态间的相,互转换完全靠电路本身电容的充,电和放电自动完成。,改变,R,、,C,定时元件数值的,大小，可调节振荡频率。,在振荡频率稳定度要求很高的情况下，可采用,石英晶体振荡器,。,三、施密特触发器,是一种,脉冲整形电路,，虽然不能自动产生矩形脉冲，却可将输入的周期性信号整形成所要求的同周期,的矩形脉冲输出，还可用来进行幅度鉴别、构成单稳态触发器和多谐振荡器等。,6,2,7,8,4,1,5,3,555,+,V,CC,u,O2,u,I,U,CO,u,O1,+,V,DD,R,施密特触发器,有两个稳定状态，有两个不同的触发电平，因此具有,回差特性,。它的两个稳定状态是靠两个不同的电平来维持的，输出脉冲的宽度由输入信号的波形决定。此外，调节回差电压的大小，也可改变输出脉冲的宽度。,外接电压调节回差,施密特触发器,可由,555,定时器构成，也可用专门的集成电路实现。,四、单稳态触发器,也属于,脉冲整形电路,，可将输入的触发脉冲变换为宽度和幅度都符合要求的矩形脉冲，还常用于脉冲,的定时、整形、展宽（延时）等。,6,2,7,8,4,1,5,3,555,R,C,+,C,1,+,V,CC,u,O,0.01,F,u,I,单稳态触发器,有一个稳定,状态和一个暂稳态。其输出脉,冲的宽度只取决于电路本身,R,、,C,定时元件的数值，与输入信,号无关。输入信号只起到触发,电路进入暂稳态的作用。,改变,R,、,C,定时元件的数,值可调节输出脉冲的宽度。,单稳态触发器,可由,555,定时器构成，也可用集成的单稳态触发器实现。,第七章,小 结,一、,D/A,转换器,1.,功能：,将输入的二进制数转换成与之成正比的模拟电量。,2.,种类：,权电阻网络、,R,-2,R,T,形电阻网络和,R,-2,R,倒,T,形电阻网络,D/A,转换器。,实现数模转换有多种方式，常用的是电阻网络,D/A,转换器，包括,其中以,R,-2,R,倒,T,形电阻网络,D/A,转换器为重点作了详,细介绍，它的特点是速度快、性能好，适合于集成工艺制造，,因而被广泛采用。,3.,分辨率和转换精度：,与,D/A,转换器的,位数,有关，位数越多，分辨率和精度越高。,二、,A/D,转换器,1.,功 能：,将输入的模拟电压转换成与之成正比的二进制数。,2.,转换过程：,采样、保持、量化、编码。,采样,保持电路,A/D,转换器,采样,-,保持电路：,对输入模拟信号抽取样值，并展宽（保持）。,采样时必须满足采样定理，即,f,s,2,f,Imax,。,量化,对样值脉冲进行分级。,编码,将分级后的信号转换成二进制代码。,A/D,转换器：,二、,A/D,转换器,3.,种类：,直接转换型和间接转换型。,直接转换型,并联比较型（速度快、精度低）,逐次渐近型（速度较快、精度较高）,间接转换型,双积分型（速度慢、精度高、抗干扰,能力强）,不论是,D/A,转换还是,A/D,转换，基准电压,V,REF,都是一个很重要的应用参数，要理解基准电压的作用，尤其是在,A/D,转换中，它的值对量化误差、分辨率都有影响。,