《数字电子技术基础》教学课件

数字电子技术基础课程简介与学习目标课程概述学习目标本课程旨在为学生提供数字电子技术的基础知识和应用技能，帮•掌握二进制数系统、八进制和十六进制等常用数制助学生理解数字电路的基本原理，掌握数字电路设计的基本方•理解基本逻辑运算和逻辑函数的表示方法法，并能够利用数字电路解决实际问题•掌握组合逻辑电路的设计与应用•理解时序逻辑电路的基本原理和工作方式为什么学习数字电子技术广泛应用就业优势个人发展数字电子技术是现代科技的基础，应数字电子技术人才需求旺盛，掌握数用于计算机、通信、控制、仪器仪表字电子技术技能可以提升您的竞争等各个领域，掌握数字电子技术可以力，获得更多就业机会帮助您更好地理解和应用这些技术数字电子技术在现代生活中的应用计算机智能手机汽车数字电子技术是计算机的智能手机集成了多种数字现代汽车配备了各种电子核心，构成计算机的各个电路，实现通信、计算、控制系统，如发动机控制部件都离不开数字电路多媒体等功能系统、安全气囊系统等机器人机器人利用数字电路控制其动作和行为，实现自动化生产和服务数制与码制概述数制码制数制是用来表示数值的系统，常见的有十进制、二进制、八进制码制是将信息编码成数字形式的规则，常用编码包括BCD码、和十六进制格雷码、ASCII码等二进制数系统详解位值表示法1二进制数系统使用0和1两种数字表示数值，每个位置上的数字代表不同的权值算术运算2二进制数系统也有加减乘除等算术运算，但运算规则有所不同逻辑运算3二进制数系统与逻辑代数紧密相关，可以进行逻辑运算，实现逻辑控制功能八进制和十六进制八进制八进制数系统使用0到7共8个数字表示数值十六进制十六进制数系统使用0到9和A到F共16个数字表示数值应用场景八进制和十六进制常用于计算机程序设计和硬件开发中不同进制之间的转换方法十进制转其他进制使用除基取余法，将十进制数不断除以目标进制的基数，直到商为0，然后将每次的余数逆序排列其他进制转十进制将其他进制的数按位乘以相应的权值，然后将所有结果相加即可得到十进制数进制间直接转换可以使用表格或公式进行进制间直接转换，如八进制与二进制、十六进制与二进制码与格雷码BCD码格雷码BCDBCD码是将十进制数的每一位用4位二进制数表示，用于简化格雷码是一种循环码，相邻的两个码字之间只有一位发生变十进制数的加减运算化，用于减少数字电路中的误码率常用编码系统简介码UnicodeUnicode码是统一字符编码标准，支持全球2各种语言字符码ASCII1ASCII码是美国标准信息交换码，用于表示英文字符和控制字符汉字编码3汉字编码用于表示汉字，常用的有GB

2312、GBK、UTF-8等逻辑代数基础逻辑代数定义基本概念逻辑代数是研究逻辑运算的数学分支，用于分析和设计数字电•逻辑变量表示逻辑量的符号，通常用字母表示路•逻辑运算对逻辑变量进行的运算，如与、或、非•逻辑函数逻辑变量和逻辑运算的组合，用于描述数字电路的行为基本逻辑运算与、或、非与运算1与运算的逻辑关系是，只有当所有输入都为真时，输出才为真或运算2或运算的逻辑关系是，只要有一个输入为真，输出就为真非运算3非运算的逻辑关系是，对输入进行反向，真变假，假变真逻辑函数的表示方法真值表真值表列出所有可能的输入组合和对应的输出值逻辑表达式逻辑表达式用逻辑运算符和逻辑变量表示逻辑函数，如A+B逻辑图逻辑图用图形符号表示逻辑门和逻辑关系，直观展示电路结构卡诺图化简法写出简化表达式圈出相邻项根据圈出的相邻项，写出简化绘制卡诺图在卡诺图中圈出相邻的1项，每的逻辑表达式卡诺图定义将逻辑函数的真值表转换成卡个圈的面积应尽可能大，且应卡诺图是一种图形化工具，用诺图，每个方格对应一种输入为2的幂次方于简化逻辑函数的表达式组合逻辑函数的最小化最小化目的最小化方法12逻辑函数的最小化可以减少逻可以使用卡诺图化简法、代数辑门电路的数量，降低电路成化简法等方法进行逻辑函数最本和功耗小化最小化结果3最小化后的逻辑表达式应包含最少的逻辑门电路，并且能够实现与原逻辑函数相同的逻辑功能组合逻辑电路原理组合逻辑电路定义特点组合逻辑电路的输出只取决于当前的输入，不受过去输入的影•没有记忆功能响•输出随着输入的变化而变化•通常由逻辑门电路组成基本门电路符号与真值表与门1与门符号为一个倒三角形，真值表显示只有当所有输入都为真时，输出才为真或门2或门符号为一个圆角矩形，真值表显示只要有一个输入为真，输出就为真非门3非门符号为一个圆圈，真值表显示对输入进行反向，真变假，假变真门电路的组合应用多级门电路通过将多个逻辑门电路串联或并联，可以实现更复杂的逻辑功能门电路的组合可以将不同的逻辑门电路组合在一起，实现特定的逻辑功能逻辑函数的实现可以使用门电路实现任何逻辑函数，通过组合不同的门电路，可以构建任何想要的逻辑功能编码器的工作原理编码器定义1编码器是一种将输入的十进制数转换为二进制数的电路输入输出关系2编码器有n个输入和m个输出，n≤2^m每个输入对应一个唯一的二进制码应用场景3编码器常用于将键盘、开关等输入信号转换为计算机可识别的二进制码译码器的设计与应用译码器定义1译码器是一种将二进制数转换为十进制数的电路输入输出关系2译码器有n个输入和m个输出，m≤2^n每个输出对应一个唯一的十进制数应用场景3译码器常用于选择内存地址、控制外设等数据选择器结构数据选择器定义结构数据选择器是一种可以从多个数据输入中选择一个数据输出的电•数据输入端多个数据输入路•选择端控制选择哪个数据输入•数据输出端输出选择的数据数据分配器应用数据分配器定义数据分配器是一种可以将一个数据输入分配到多个数据输出的电路应用场景数据分配器常用于将数据信号广播到多个接收端，如将一个数据信号发送到多个内存芯片加法器设计原理加法器定义1加法器是一种可以实现二进制数加法的电路半加器2半加器可以实现两位二进制数的加法，输出和与进位全加器3全加器可以实现三位二进制数的加法，包括两个输入和一个进位输入多位加法器4多位加法器通过将多个全加器级联，实现多位二进制数的加法减法器实现方式减法器定义减法器是一种可以实现二进制数减法的电路减法器实现方法•使用加法器实现减法•使用专门的减法器电路减法器应用减法器常用于计算差值、进行逻辑运算等数值比较器结构比较器定义比较器是一种可以比较两个二进制数大小的电路比较逻辑比较器通过比较两个输入的对应位，得出大于、小于或等于的比较结果比较器应用比较器常用于控制系统、数据排序等算术运算电路综合算术运算电路类型设计方法应用场景算术运算电路可以实现加法、减法、乘•使用逻辑门电路实现算术运算电路应用于计算机、通信、控法、除法等各种运算制等各个领域，实现各种数字信号的处•使用专用算术运算芯片理触发器概述触发器定义触发器类型触发器应用123触发器是一种具有记忆功能的电常见的触发器类型有RS触发器、JK触发器是构成时序逻辑电路的基本路，可以存储一位二进制数据触发器、D触发器、T触发器等单元，用于实现计数、存储等功能触发器详解RS触发器结构RS1RS触发器有两个输入端R和S，一个输出端Q和Q状态表2RS触发器有四种状态，分别对应不同的输入组合特点3RS触发器不允许多个输入端同时为1，否则会导致输出状态不确定触发器原理JK触发器结构状态表特点JKJK触发器有两个输入端J和K，一个输出JK触发器有四种状态，对应不同的输入JK触发器可以实现翻转、保持、置位和端Q和Q组合，消除了RS触发器的不确定性复位等功能触发器应用D触发器结构特点DD触发器只有一个输入端D，一D触发器可以将输入数据直接存个输出端Q和Q储到输出端，是存储数据的最基本单元应用场景D触发器常用于寄存器、移位寄存器等时序电路触发器特性T触发器结构特点TT触发器只有一个输入端T，一个输出端Q和Q当T=1时，触发器翻转，当T=0时，触发器保持，常用于计数器设计主从触发器结构主从触发器定义主从触发器由两个触发器构成，一个为主触发器，另一个为从触发器工作原理主触发器接收输入信号，从触发器在时钟信号的控制下接收主触发器的输出信号特点主从触发器可以避免竞争冒险，提高电路的可靠性时序逻辑电路基础时序逻辑电路定义特点12时序逻辑电路的输出不仅取决时序逻辑电路具有记忆功能，于当前的输入，还取决于电路可以存储信息的过去状态组成部分3时序逻辑电路通常由触发器、逻辑门电路和时钟信号组成寄存器工作原理寄存器定义1寄存器是由多个触发器组成的电路，用于存储多个二进制数据工作原理2寄存器可以存储、读取和修改数据，并可以实现数据的移位、计数等功能应用场景3寄存器广泛应用于计算机、通信、控制等各个领域，实现各种数据处理功能移位寄存器设计移位寄存器定义移位寄存器是一种可以将数据一位一位地向左或向右移动的电路移位类型常见的移位类型包括串行输入/串行输出、串行输入/并行输出、并行输入/串行输出、并行输入/并行输出应用场景移位寄存器常用于串行通信、数据处理、地址生成等计数器分类与应用计数器定义计数器分类计数器是一种可以计数的电路，常见的计数器分类有同步计数通常用于记录脉冲的次数器、异步计数器、可逆计数器等计数器应用计数器常用于计时、频率测量、控制等同步计数器设计同步计数器定义设计步骤同步计数器是指所有触发器的时钟信号同步的计数器同步计数器设计需要确定计数器的模值、状态转移方程和触发器的类型异步计数器实现特点实现方法异步计数器结构简单，但存在竞争冒险等异步计数器定义异步计数器通常使用触发器的输出信号作问题异步计数器是指各触发器的时钟信号不完为下一个触发器的时钟信号全同步的计数器可逆计数器结构可逆计数器定义1可逆计数器是指可以正向计数或反向计数的计数器结构2可逆计数器通常使用两个同步计数器，一个用于正向计数，另一个用于反向计数应用场景3可逆计数器常用于数据处理、控制等需要正反计数功能的场合分频器设计方法分频器定义分频器是一种可以降低输入信号频率的电路设计方法•使用计数器实现分频•使用移位寄存器实现分频应用场景分频器常用于时钟信号的产生、频率合成等序列发生器原理序列发生器定义工作原理应用场景序列发生器是一种可以产生特定二进序列发生器通常使用移位寄存器和逻序列发生器常用于数据通信、测试信制序列的电路辑门电路实现，通过控制移位寄存器号的产生等的输入，可以产生不同的序列状态机设计基础状态机定义状态机类型状态机是一种用来描述系统行为的数学模型，可以用来设计时序常见的状态机类型有Moore型状态机和Mealy型状态机逻辑电路型状态机Moore型状态机定义Moore1Moore型状态机是指输出只取决于当前状态，不取决于输入的狀態機特点2Moore型状态机结构简单，易于设计和分析，但输出变化相对滞后应用场景3Moore型状态机常用于计数器、控制系统等型状态机Mealy型状态机定义MealyMealy型状态机是指输出取决于当前状态和输入的狀態機特点Mealy型状态机输出变化更快，但设计和分析相对复杂应用场景Mealy型状态机常用于序列发生器、通信系统等状态机最小化状态机最小化目的状态机最小化可以减少状态数量，降低电路成本和功耗最小化方法可以使用状态化简表、状态图等方法进行状态机最小化最小化结果最小化后的状态机应包含最少的狀態，并且能够实现与原状态机相同的逻辑功能存储器概述存储器定义存储器类型12存储器是一种可以存储数据的常见的存储器类型有ROM、电子设备，是计算机系统的重RAM、EEPROM、Flash存储要组成部分器等存储器应用3存储器用于存储操作系统、应用程序、用户数据等，是计算机系统正常运行的基础存储器类型ROM定义类型ROM ROMROM是指只读存储器，存储的数据在出厂时被写入，不可修•掩膜ROM在制造时被写入改•可编程ROM用户可一次性写入•可擦除可编程ROM用户可多次擦除和写入存储器结构RAM定义RAM1RAM是指随机存取存储器，可以随机访问存储器中的任何位置特点2RAM是易失性存储器，断电后数据丢失结构3RAM通常由存储单元矩阵、地址译码器、读写控制电路等组成与比较DRAM SRAMDRAMDRAM是指动态随机存取存储器，需要定期刷新才能保持数据SRAMSRAM是指静态随机存取存储器，不需要刷新，数据可以永久保存比较DRAM价格低廉，速度较慢，SRAM价格昂贵，速度较快存储器的扩展方法容量扩展速度扩展通过将多个存储器芯片并联，可以增加存储器的容量通过将多个存储器芯片串联，可以提高存储器访问速度可编程逻辑器件可编程逻辑器件定义类型优势123可编程逻辑器件是一种可以根据用常见的可编程逻辑器件包括PAL、可编程逻辑器件灵活、可重构，能户需求进行编程的集成电路CPLD和FPGA够满足各种数字电路设计需求器件应用PAL定义特点应用场景PALPAL是指可编程阵列逻辑，是一种可编PAL结构简单，价格低廉，但可编程性PAL常用于实现简单的逻辑功能，如译程逻辑器件，允许用户对逻辑门电路进有限码、编码、比较等行配置结构与特点CPLD定义CPLD1CPLD是指复杂可编程逻辑器件，是一种可编程逻辑器件，具有更大的可编程性特点2CPLD具有更高的逻辑容量和更高的性能，但编程难度也更高应用场景3CPLD常用于实现中小型数字电路系统，如数字信号处理、通信系统等基础知识FPGA定义FPGAFPGA是指现场可编程门阵列，是一种可编程逻辑器件，具有最大的可编程性特点FPGA具有最高的逻辑容量和最高的性能，可以实现非常复杂的数字电路系统应用场景FPGA常用于实现复杂的数字电路系统，如数字信号处理、图像处理、人工智能等数模转换原理数模转换定义转换方法数模转换是指将数字信号转换为常用的数模转换方法包括权值模拟信号的过程法、逐次逼近法、并行转换法等应用场景数模转换器常用于音频、视频、控制等领域，将数字信号转换为模拟信号模数转换技术模数转换定义转换方法应用场景模数转换是指将模拟信号转换为数字信常用的模数转换方法包括逐次逼近法、模数转换器常用于数据采集、信号处号的过程并行转换法、双积分法等理、通信等领域，将模拟信号转换为数字信号定时器应用555应用场景工作原理555定时器可以用于构建各种定时器、脉定时器定义555555定时器内部包含比较器、触发器、内冲发生器、频率发生器、报警电路、LED555定时器是一种通用集成电路，可以实部电流源等，通过外部电阻和电容可以实闪烁电路等现多种计时和控制功能现不同时间常数，从而控制输出信号施密特触发器施密特触发器定义1施密特触发器是一种具有滞后特性的电路，可以消除输入信号中的噪声工作原理2施密特触发器具有两个阈值电压，当输入电压超过上阈值电压时，输出变为高电平，当输入电压低于下阈值电压时，输出变为低电平应用场景3施密特触发器常用于消除噪声、产生方波信号、控制电路等多谐振荡器设计多谐振荡器定义多谐振荡器是一种可以产生周期性矩形波信号的电路设计方法多谐振荡器可以通过555定时器、RC电路等方式实现，可以通过改变电路参数改变输出波形应用场景多谐振荡器常用于时钟信号的产生、频率合成、数字信号处理等实验设备使用说明实验设备介绍设备使用说明本课程实验将使用各种数字电子实验设备，包括面包板、逻辑分实验前请仔细阅读实验教材和实验设备的使用说明书，确保安全析仪、示波器、数字万用表等操作。