《数字电路复习提纲》课件

数字电路复习提纲课程学习目标与要求掌握理解应用基本逻辑运算触发器工作原理数字系统设计布尔代数计数器设计A/D和D/A转换组合逻辑电路寄存器应用可编程逻辑器件时序逻辑电路存储器分类数字电路测试数制与码制基础概述介绍不同数制和码制的概念，重点讲解二进制数制及其特点以及它们之间的转换关系，以及二进制算术运算分析BCD码、格雷码等常见码制及其应用场景二进制数制的特点简洁性仅使用0和1两个符号，简化了电路设计易于实现与逻辑门电路的逻辑状态相对应，实现逻辑运算方便抗干扰能力强抗噪声干扰能力优于其他进制，提高了系统易于扩展可以通过增加位数来表示更大的数，扩展性强可靠性各种进制的相互转换方法十进制转其他进制其他进制转十进制除基取余法按权展开法十进制数除以目标进制的基数，得到商和余数重复此操作直到将目标进制数的每一位乘以其相应的权值，并将所有乘积相加，商为0将所有的余数按逆序排列，即为目标进制的数即为十进制的数二进制算术运算规则加法0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=0，进位1减法0-0=0，0-1=1，借位1，1-0=1，1-1=0乘法0*0=0，0*1=0，1*0=0，1*1=1除法0/1=0，1/1=1码的基本概念BCDBCD码（Binary-Coded Decimal）例如十进制数0-9分别对应BCD码BCD码的主要优点是可以方便地进是一种二进制编码的十进制数，用4的0000-1001行十进制数的加减运算位二进制数来表示一位十进制数格雷码的特点与应用格雷码（Gray Code）是一种特点消除编码转换中的错误二进制编码方案，相邻的两个，提高系统的稳定性和可靠性编码值只有一位不同应用在数字信号处理、数据采集、编码器等领域逻辑代数基础逻辑代数是研究逻辑运算的数学分支，是数字电路设计的理逻辑代数的基本元素包括逻辑变量、逻辑运算符和逻辑函数论基础逻辑变量表示逻辑状态，通常用字母表示，取值为“真”（逻辑运算符对逻辑变量进行操作，例如“与”、“或”、“非”1）或“假”

（0）等运算基本逻辑运算与运算或运算非运算当所有输入都为真时，输出才为真；否则当至少一个输入为真时，输出就为真；否当输入为真时，输出为假；当输入为假时，输出为假则，输出为假，输出为真布尔代数的基本公理与定理交换律A+B=B+A，AB=BA结合律A+B+C=A+B+C，ABC=ABC分配律AB+C=AB+AC，A+BC=AC+BC吸收律A+AB=A，AA+B=A逻辑函数的表示方法真值表列出所有输入组合对逻辑表达式用逻辑变量和逻应的输出值辑运算符表达逻辑函数卡诺图用图形表示逻辑函数，方便进行化简卡诺图化简法将逻辑函数的真值表转换成卡诺图在卡诺图上，找到相邻的1，并将它们用矩形或正方形圈起来每个矩形或正方形代表一个化简项，将其写成逻辑表达式将所有化简项相加，即得到逻辑函数的化简式最小项与最大项展开式最小项当所有输入变量取值最大项当所有输入变量取值为0或1时，输出为1的表达式为0或1时，输出为0的表达式最小项和最大项可以用于表示逻辑函数，并进行化简组合逻辑电路分析方法分析电路结构确定电路的输入、输出和逻辑门写出逻辑表达式根据电路结构写出逻辑函数的表达式绘制真值表列出所有输入组合对应的输出值化简逻辑函数使用卡诺图或其他方法化简逻辑函数组合逻辑电路设计步骤确定功能

1.明确电路的功能，即输入和输出之间的逻辑关系列出真值表

2.根据功能需求，列出所有可能的输入组合及其对应的输出化简逻辑函数

3.使用卡诺图或其他方法化简逻辑函数，得到最简逻辑表达式选择逻辑门

4.根据化简后的逻辑表达式，选择合适的逻辑门实现电路仿真测试

5.使用仿真软件对电路进行功能验证，确保电路满足设计需求编码器的工作原理编码器是一种将十进制数转换编码器通常具有多个输入和少为二进制数的电路于输入数量的输出每个输入对应一个十进制数，当输入信号有效时，对应的输出信号为高电平译码器的应用实例将二进制地址转换为具体的存控制七段数码管显示不同的数储单元地址字实现数字系统中信号的分配和选择数据选择器的功能数据选择器是一种能够从多个通过控制信号选择不同的数据数据输入中选择一个输出的电输入通道，将选定的数据输出路应用于数字系统中的数据切换、数据转发等场景加法器的设计原理加法器是实现二进制加法的电半加器实现两个一位二进制路，由多个半加器或全加器构数的加法，输出和与进位成全加器实现三个一位二进制数的加法，输入包括两个加数和低位进位，输出和与进位比较器的实现方法比较器是一种判断两个数字大比较器可以采用组合逻辑电路小关系的电路，输出表示比较实现，根据输入信号进行逻辑结果运算常用的比较器类型包括等值比较器、大于比较器、小于比较器数值比较器应用数字系统中的数据排序和比较控制系统中的状态判断和决策数据处理中的数据筛选和过滤触发器的基本概念触发器是数字电路中存储一位触发器具有两个稳定状态，分二进制信息的电路，其输出状别代表“0”和“1”，可以用于存态取决于输入信号和当前状态储数据或控制信号触发器的主要类型包括RS触发器、D触发器、JK触发器、T触发器等触发器工作原理RSRS触发器具有两个输入端R当S为高电平且R为低电平时，（复位）和S（置位）触发器被置位，输出为“1”当R为高电平且S为低电平时，触发器被复位，输出为“0”触发器的特性与应用DD触发器只有一个数据输入端D，其D触发器可以用来存储数据，实现数应用于数据存储、数据寄存、数据传输出状态跟随数据输入的变化而变化据信息的保持和传输输等场景触发器的功能特点JKJK触发器具有两个输入端J（置位JK触发器可以实现数据信息的保持应用于计数器、移位寄存器等时序逻）和K（复位）、置位、复位和翻转辑电路设计触发器的时序分析TT触发器只有一个输入端T（当T为高电平时，触发器状态翻翻转）转；当T为低电平时，触发器状态保持不变T触发器通常用于计数器和时序控制电路主从触发器的结构主从触发器由两个触发器级联主触发器在时钟信号的上升沿而成，一个为主触发器，一个或下降沿接收数据，从触发器为从触发器在时钟信号的相反沿接收数据主从触发器可以避免竞争冒险，提高系统的稳定性触发器的应用实例计数器实现计数功能，用于计时、移位寄存器实现数据信息的移位，存储器实现数据信息的存储，用于频率测量等用于数据存储、数据传输等计算机系统中的内存、硬盘等时序逻辑电路基础时序逻辑电路是指输出不仅与时序逻辑电路通常由触发器、当前输入有关，还与电路的过逻辑门和时钟信号组成去状态有关时序逻辑电路主要应用于计数器、移位寄存器、存储器等同步时序电路分析同步时序电路是指所有触发器分析方法状态图、状态表、的时钟信号来自同一个时钟源时序分析同步时序电路的特点状态转换同步进行，易于分析和设计异步时序电路特点异步时序电路是指不同触发器特点状态转换异步进行，容使用不同的时钟信号易产生竞争冒险分析方法状态图、状态表、竞争冒险分析状态图与状态表状态图用图形的方式描述时序电路状态表用表格的方式列出时序电路状态图和状态表是分析和设计时序电的状态转换过程的所有状态及其对应的输出值路的有效工具计数器的基本概念计数器是一种能够对脉冲信号计数器通常由触发器和逻辑门进行计数的电路构成，根据计数方式分为同步计数器和异步计数器计数器在数字系统中应用广泛，例如计时器、频率测量器、地址产生器等同步计数器设计同步计数器是指所有触发器使设计步骤确定计数模数、选用同一个时钟信号择触发器类型、设计状态转移逻辑同步计数器具有状态转换同步进行、易于分析和设计的优点异步计数器分析异步计数器是指不同触发器使用不同分析方法状态图、状态表、竞争冒异步计数器具有结构简单、速度快的的时钟信号险分析优点，但容易产生竞争冒险可逆计数器实现可逆计数器是指能够进行正向计数和可逆计数器可以通过添加控制信号来应用于需要进行正反向计数的场景，反向计数的计数器实现正反向计数功能例如数据存储、数据传输等环形计数器应用环形计数器是一种特殊的计数器，其应用于数字系统中的地址产生、数据特点结构简单、实现容易、状态转状态转换类似于环形循环选择、时序控制等场景换易于控制移位寄存器原理移位寄存器是一种能够对数据信息进移位寄存器通常由多个触发器组成，移位寄存器可以实现串行数据到并行行移位的电路每个触发器存储一位数据数据的转换，以及并行数据到串行数据的转换串入串出寄存器串入串出寄存器是指数据从一特点数据传输方式为串行，个端点串行输入，再从另一个节省了引脚数量端点串行输出应用于数据存储、数据传输、时序控制等场景并入并出寄存器并入并出寄存器是指数据并行特点数据传输方式为并行，输入，并行输出速度快，适合处理大量数据应用于数据存储、数据处理、数据交换等场景寄存器的实际应用计算机系统中的CPU、内存、数字信号处理系统中的数据存硬盘等部件储和处理控制系统中的数据缓冲和控制定时器工作原理555555定时器是一种常用的集成555定时器的工作原理是通过电路，可以实现多种计时和振内部的RC电路产生计时脉冲，荡功能然后输出相应的信号555定时器可以实现单稳态触发器、多谐振荡器等功能单稳态触发器设计单稳态触发器是一种具有一个单稳态触发器可以用来实现时不稳定状态的触发器，它在接间延迟、脉冲整形等功能收到触发信号后，会进入一个稳定的状态，并保持一段时间应用于数字系统中的时序控制、信号产生等场景多谐振荡器应用多谐振荡器是一种能够产生周多谐振荡器的周期可以通过调期性方波信号的电路节RC电路的值来控制应用于数字系统中的时钟信号产生、信号调制解调等场景数字系统设计方法自顶向下设计方法从总体功能开始自底向上设计方法从基本模块开始模块化设计方法将系统分解成多个，逐步细化，最终实现整个系统，逐步集成，最终形成完整的系统独立的模块，分别进行设计，最后进行集成转换器原理A/DA/D转换器是一种将模拟信号A/D转换器的工作原理是将模转换为数字信号的电路拟信号进行采样、量化和编码，得到相应的数字信号A/D转换器的主要类型包括逐次逼近型、并行比较型、双积分型等转换器应用D/A数字音频处理系统中的声音合工业自动化控制系统中的数据成和播放采集和控制医疗电子设备中的信号测量和处理存储器的分类按存储介质分类半导体存储按访问方式分类随机存储器器、磁存储器、光存储器（RAM）、只读存储器（ROM）按用途分类主存储器、辅助存储器、高速缓存存储器存储器特点ROMROM存储器是一种只读存储器特点存储信息永久保存，断，只能读取数据，不能写入数电后数据不会丢失据应用存储系统启动程序、常数表、字符集等信息存储器应用RAMRAM存储器是一种随机存储器特点读写速度快，断电后数，可以进行读写操作据丢失应用计算机系统中的主存储器，用于存储程序和数据的使用方法EPROMEPROM（可擦除可编程只读存使用方法使用紫外线照射来储器）是一种可以擦除和重写擦除存储内容，然后用编程器的ROM写入数据应用存储系统启动程序、常数表、配置信息等可编程逻辑器件可编程逻辑器件（PLD）是一PLD的内部结构通常由逻辑门种可以根据用户需求进行编程和触发器构成，可以通过编程的器件来实现不同的逻辑功能应用实现复杂的数字系统，例如CPU、存储器控制器、接口电路等数字系统的干扰噪声干扰来自电源、环境和其他电路产生的噪声信号电磁干扰来自其他电磁信号的干扰静态干扰导致逻辑状态错误的干扰动态干扰导致逻辑状态错误或信号延迟的干扰数字电路的测试方法功能测试测试电路的功能是边界测试测试电路在输入信否符合设计要求号边界值时的行为是否符合设计要求故障测试模拟电路故障，测试电路对故障的抵抗能力故障检测与排除观察信号波形通过示波器观察电路测量电压电流测量电路各节点的电替换元件更换怀疑故障的元件，判各节点的信号波形，判断故障类型压和电流，判断故障点断故障是否解决数字系统可靠性分析可靠性是指系统在规定的条件可靠性分析方法故障树分析下，在规定的时间内完成规定、失效模式和影响分析（功能的概率FMEA）等提高可靠性措施采用冗余技术、提高元件质量、优化电路设计等组合电路设计实例设计一个3位二进制数加法器设计一个4位奇偶校验电路设计一个BCD码转七段数码管显示电路时序电路设计实例设计一个同步计数器，实现从0设计一个异步计数器，实现从0到7的计数到15的计数设计一个4位串入串出移位寄存器数字系统综合设计设计一个简单的数字系统，例设计过程包括功能分析、模块如一个交通灯控制器或一个温划分、电路设计、仿真测试、度计系统集成等步骤综合设计要考虑系统的功能、性能、成本、可靠性等因素。