《数字电路设计》课件

数字电路设计本课程将带领您深入数字电路设计的世界，从基础知识到高级应用，涵盖数字逻辑门、布尔代数、组合逻辑电路、时序逻辑电路、计算机算术电路、数模转换器、存储器、可编程逻辑器件、模拟电路基础、数字电路设计工具等内容我们将通过理论讲解、案例分析、实践操作等方式，使您掌握数字电路设计的基本理论和方法，并具备一定的应用能力课程介绍课程目标课程内容理解数字电路设计的核心概念和原理，掌握常用的数字电路设计数字逻辑门、布尔代数、组合逻辑电路、时序逻辑电路、计算机方法和工具，能够独立完成简单的数字电路设计项目算术电路、数模转换器、存储器、可编程逻辑器件、模拟电路基础、数字电路设计工具数字电路基础知识数字信号数字电路数字信号是只有两种状态的信号，通常用“0”和“1”表示数字数字电路是由逻辑门组成的电路，用于处理数字信号数字电路电路处理的是数字信号，具有抗噪声能力强、易于存储和处理等的组成元素主要包括逻辑门、触发器、计数器、寄存器等优点数字逻辑门1非门（NOT）将输入信号取反，如输入为“1”，则输出2与门（AND）只有所有输入信号都为“1”时，输出才为为“0”“1”3或门（OR）只要有一个输入信号为“1”，输出就为“1”4异或门（XOR）当输入信号不一致时，输出为“1”，否则输出为“0”布尔代数基本运算基本定律布尔代数是一种用于描述逻辑关系的数学体系，其基本运算包括布尔代数具有若干基本定律，例如交换律、结合律、分配律等，与、或、非运算这些定律可以用来化简逻辑表达式逻辑表达式化简利用布尔代数的基本定律和运算规则逻辑表达式的化简可以简化电路设计，可以将复杂的逻辑表达式化简为简，降低成本，提高性能单的表达式组合逻辑电路设计设计流程设计原则组合逻辑电路的设计流程包括需求分析、逻辑表达式描述、逻组合逻辑电路的设计要遵循以下原则正确性、可靠性、可测试辑表达式化简、电路实现性、可维护性、成本效益等时序逻辑电路基础时序逻辑电路时序电路分类时序逻辑电路是具有记忆功能的电路，它的输出不仅与当前的输时序逻辑电路主要包括触发器、计数器、寄存器、移位寄存器入有关，还与电路的过去状态有关等触发器1SR触发器2D触发器SR触发器是一种基本类型的D触发器只接受一个输入信号触发器，具有两个输入端（S，它将数据输入到输出端，并和R）和两个输出端（Q和Q’在时钟信号的上升沿或下降沿），用于存储一位二进制数据将数据锁存3JK触发器JK触发器是一种功能更强的触发器，可以实现多种状态转换，在时序逻辑电路中得到广泛应用触发器应用数据锁存状态存储触发器可以用来锁存数据，确保数据在时钟信号的控制下正确传触发器可以用来存储时序电路的状态，例如计数器的计数状态输计数器电路同步计数器1同步计数器中，所有触发器都由同一个时钟信号控制，所有触发器同时进行状态转换异步计数器2异步计数器中，触发器由不同的时钟信号控制，触发器依次进行状态转换寄存器寄存器定义寄存器类型寄存器是由多个触发器组成的电路，可以存储多个位的数据常见的寄存器类型包括通用寄存器、专用寄存器等移位寄存器串行输入移位寄存器并行输入移位寄存器12串行输入移位寄存器将数据逐位输入，每个时钟周期移位并行输入移位寄存器将数据一次性输入所有位，每个时钟一位周期移位一位计算机算术电路算术运算逻辑运算计算机算术电路主要用于实现加、减、乘、除等算术运算计算机算术电路也可以进行逻辑运算，例如与、或、非、异或等加法器设计半加器全加器半加器可以实现两位二进制数的加法运算，但没有进位输出全加器可以实现两位二进制数的加法运算，并考虑进位输入减法器设计补码运算减法器结构减法器通常使用补码运算来实现减法运算减法器可以使用加法器和补码电路实现乘法器设计乘法原理乘法器类型乘法器使用加法器和移位寄存器来实现乘法运算常见的乘法器类型包括阵列乘法器、树形乘法器等除法器设计除法原理除法器类型除法器使用减法器和移位寄存器来实现除法运算常见的除法器类型包括恢复余数除法器、非恢复余数除法器等数字模拟转换器-数模转换器定义数模转换器类型数字-模拟转换器DAC将数字信号转换为模拟信号常见的数模转换器类型包括权重型DAC、电流型DAC、电压型DAC等模拟数字转换器-模数转换器定义模数转换器类型模拟-数字转换器ADC将模拟信号转换为数字信号常见的模数转换器类型包括逐次逼近型ADC、并行比较型ADC、双积分型ADC等数模转换器应用音频处理工业控制12数模转换器可以用于音频信号数模转换器可以用于工业控制的数字化和模拟化，例如音频系统，例如温度控制、电机控播放器、录音设备等制等医疗设备3数模转换器可以用于医疗设备，例如心电图仪、血压计等模数转换器应用图像处理数据采集12模数转换器可以用于图像信号模数转换器可以用于数据采集的数字化，例如相机、扫描仪系统，例如温度传感器、压力等传感器等通信系统3模数转换器可以用于通信系统，例如手机、无线网络等存储器分类按访问方式按存储介质存储器可以根据访问方式分为随机存取存储器RAM和只读存存储器可以根据存储介质分为半导体存储器、磁存储器等储器ROM随机存取存储器1SRAM2DRAMSRAM StaticRAM使用晶体管和电容来存储数据，具DRAM DynamicRAM使用电容来存储数据，具有速有速度快、成本高的特点度慢、成本低的特点只读存储器1ROM2PROM3EPROMROM ReadOnly Memory在PROM Programmable ROM EPROMErasable出厂时就已写入数据，只能读取，可以由用户一次性写入数据，之后ProgrammableROM可以通过不能写入不能再写入紫外线擦除数据，然后重新写入数据闪存4EEPROM5EEPROM ElectricallyErasable Programmable闪存是一种非易失性存储器，可以快速写入数据，并且能ROM可以通过电信号擦除数据，然后重新写入数据够长时间保存数据可编程逻辑器件可编程逻辑器件定义可编程逻辑器件类型可编程逻辑器件PLD是一种可以由用户编程的数字电路，能常见的可编程逻辑器件类型包括可编程逻辑门阵列PLA、现够实现各种逻辑功能场可编程门阵列FPGA等可编程逻辑门阵列PLA结构PLA应用PLA是一种由逻辑门阵列组成的器件，可以实现任何逻辑功能PLA广泛应用于控制系统、信号处理、数据通信等领域现场可编程门阵列FPGA结构FPGA应用FPGA是一种由可配置逻辑块和可编程互连线组成的器件，可FPGA广泛应用于数字信号处理、图像处理、网络通信、人工以实现更复杂的逻辑功能智能等领域可编程逻辑器件应用数字信号处理自定义逻辑电路可编程逻辑器件可以用于实现数字信号处理算法，例如音频信号可编程逻辑器件可以用来实现各种自定义逻辑电路，例如协议转处理、图像处理等换器、数据加密器等可编程逻辑器件编程硬件描述语言编程工具可编程逻辑器件的编程通常使用硬件描述语言HDL进行，常可编程逻辑器件的编程工具通常包括编译器、仿真器、下载器见的HDL包括Verilog HDL、VHDL等等模拟电路基础知识模拟信号模拟电路模拟信号是随时间连续变化的信号，通常用电压或电流来表示模拟电路是处理模拟信号的电路，主要包括放大器、滤波器、振荡器等运算放大器电路运算放大器运算放大器应用运算放大器Op Amp是一种高增益、高输入阻抗、低输出阻运算放大器广泛应用于放大、滤波、信号处理等领域抗的模拟电路，可以实现多种运算功能运算放大器应用音频放大滤波器信号处理123运算放大器可以用于音频信号的放运算放大器可以用于实现各种类型运算放大器可以用于各种信号处理大，例如音响系统、耳机放大器等的滤波器，例如低通滤波器、高通应用，例如数据采集、信号调理等滤波器等电子滤波器滤波器定义滤波器类型滤波器是一种能够选择特定频率信号通过的电路，可以用来消除常见的滤波器类型包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器不需要的信号成分、带阻滤波器等电子滤波器应用音频系统通信系统12电子滤波器可以用来去除音频电子滤波器可以用来选择特定信号中的噪声，例如音响系统频率的信号，例如无线通信系、耳机等统、有线通信系统等医疗设备3电子滤波器可以用来消除生物信号中的噪声，例如心电图仪、脑电图仪等数字电路设计工具硬件描述语言仿真工具综合工具布局布线工具硬件描述语言HDL是一种仿真工具可以用来模拟数字综合工具可以将HDL代码转布局布线工具可以将可编程用于描述数字电路的文本语电路的行为，验证电路的正换成可编程逻辑器件的配置逻辑器件的配置数据映射到言，常见的HDL包括确性数据芯片上的具体位置Verilog HDL、VHDL等硬件描述语言Verilog HDLVHDLVerilog HDL是一种硬件描述语言，用于描述数字电路的行为VHDL是一种硬件描述语言，与Verilog HDL相比，VHDL更和结构强调可读性和可维护性基础Verilog HDL语法数据类型12Verilog HDL具有自己的语Verilog HDL支持多种数据法规则，用于描述数字电路的类型，例如整数、实数、逻辑模块、信号、运算等值、字符串等运算符3Verilog HDL支持多种运算符，例如算术运算符、逻辑运算符、关系运算符等建模Verilog HDL行为级建模结构级建模混合级建模123行为级建模描述数字电路的功能，结构级建模描述数字电路的具体实混合级建模可以结合行为级建模和而不关注电路的具体实现细节现结构，例如使用逻辑门、触发器结构级建模，根据需要描述不同级等元件别的电路细节设计流程FPGA需求分析1根据设计要求，确定电路的功能和性能指标HDL编码2使用硬件描述语言HDL描述电路的功能功能仿真3使用仿真工具模拟电路的行为，验证电路的正确性综合4将HDL代码转换成可编程逻辑器件的配置数据布局布线5将可编程逻辑器件的配置数据映射到芯片上的具体位置时序仿真6使用仿真工具模拟电路的时序行为，验证电路的性能指标下载7将可编程逻辑器件的配置数据下载到芯片中设计案例FPGA案例一案例二设计一个数字信号处理系统，用于对音频信号进行滤波和降噪设计一个图像识别系统，用于识别图像中的特定物体数字系统设计实践实践项目团队合作通过实践项目，将数字电路设计理论应用于实际问题中，加深理鼓励团队合作，在协作过程中学习和分享经验解和掌握设计方法数字电路设计总结数字电路发展1数字电路技术正在不断发展，应用范围越来越广泛未来展望2未来数字电路将朝着更高集成度、更低功耗、更高速的方向发展课程总结掌握基础1数字逻辑门、布尔代数、组合逻辑电路、时序逻辑电路等实践应用2计算机算术电路、数模转换器、存储器、可编程逻辑器件等工具运用3硬件描述语言、仿真工具、综合工具、布局布线工具等。