《数字逻辑电路》课件

数字逻辑电路欢迎来到数字逻辑电路的世界！本课程旨在为您提供数字系统设计的基础知识和技能通过本课程的学习，您将掌握数字电路的基本原理、设计方法和应用技巧我们将会深入探讨数字系统的核心概念，从基础的逻辑门到复杂的时序电路，再到可编程逻辑器件和存储器希望通过本课程的学习，您能够具备分析和设计数字系统的能力，为未来的学习和工作打下坚实的基础课程目标和学习要求课程目标学习要求12理解数字逻辑电路的基本概积极参与课堂讨论，认真完念和原理掌握数字电路的成课后作业进行实践操作设计和分析方法熟悉常用，加深对理论知识的理解数字电路器件的特性和应用培养独立思考和解决问题的能够使用硬件描述语言进能力注重团队合作，共同行简单的数字系统设计完成项目设计考核方式3平时作业占30%，期中考试占30%，期末考试占40%鼓励学生积极参与课程项目，并根据项目完成情况给予加分对学生的出勤率和课堂表现进行综合评估第一章数字系统基础什么是数字系统数字系统的优点数字系统的应用数字系统是处理离散信号的系统与抗干扰能力强，可靠性高易于设计计算机系统、通信系统、工业控制系模拟系统不同，数字系统使用二进制和实现便于存储和传输可以进行统、消费电子产品、医疗设备数字来表示和处理信息数字系统广复杂的逻辑运算泛应用于计算机、通信、控制等领域模拟信号与数字信号模拟信号数字信号模拟信号是连续变化的信号，其幅度和频率可以在一定范围数字信号是离散的信号，其幅度和频率只能取有限个值通内任意取值例如，语音信号、温度信号等都是模拟信号常，数字信号使用二进制数字（0和1）来表示数字信号抗模拟信号容易受到噪声干扰，精度较低干扰能力强，精度高数制与码制数制码制数制转换数制是一种计数系统，用于表示数码制是一种编码系统，用于表示信数制之间可以进行相互转换例如值常用的数制包括二进制、八进息常用的码制包括BCD码、格雷，二进制数可以转换为十进制数，制、十进制和十六进制码和ASCII码十进制数可以转换为二进制数二进制、八进制、十六进制转换二进制转十进制按权展开求和例如，

1011.012=1*2^3+0*2^2+1*2^1+1*2^0+0*2^-1+1*2^-2=

11.25十进制转二进制整数部分除2取余，逆序排列小数部分乘2取整，顺序排列二进制转八进制从小数点开始，整数部分向左，小数部分向右，每3位二进制数一组，不足3位补0，然后将每组二进制数转换为对应的八进制数二进制转十六进制从小数点开始，整数部分向左，小数部分向右，每4位二进制数一组，不足4位补0，然后将每组二进制数转换为对应的十六进制数码和格雷码BCD码格雷码BCDBCD码（Binary-Coded Decimal）用4位二进制数来表示一格雷码是一种循环码，相邻两个码组之间只有一位不同格位十进制数常用的BCD码有8421码、5421码和2421码雷码常用于数字电路中，可以减少由于代码跳变引起的错误第二章逻辑代数基础逻辑代数是数字电路分析和设计的基础逻辑代数使用逻辑变量和逻辑运算来描述数字电路的行为掌握逻辑代数的基本概念和规则，是进行数字电路设计的前提逻辑变量与逻辑函数逻辑变量逻辑函数逻辑变量是指取值为0或1的变逻辑函数是指由逻辑变量和逻量在数字电路中，逻辑变量辑运算符组成的表达式逻辑可以表示电路的输入或输出状函数描述了数字电路的输入和态输出之间的关系逻辑函数表示方法逻辑函数可以用真值表、逻辑表达式、逻辑图和波形图等方法来表示基本逻辑运算与、或、非与（）或（）非（）AND ORNOT当所有输入都为1时，输出才为1；否则当所有输入都为0时，输出才为0；否则输入为1时，输出为0；输入为0时，输输出为0输出为1出为1复合逻辑运算与非、或非、异或与非（）NAND先进行与运算，再进行非运算当所有输入都为1时，输出为0；否则输出为1或非（）NOR先进行或运算，再进行非运算当所有输入都为0时，输出为1；否则输出为0异或（）XOR当输入不同时，输出为1；输入相同时，输出为0逻辑代数的基本定理和规则基本定理常用规则交换律、结合律、分配律、吸收律、德摩根定律等同一律、零一律、互补律、重叠律等逻辑函数的表示方法真值表1列出所有输入组合和对应的输出值逻辑表达式2用逻辑变量和逻辑运算符表示函数关系逻辑图3用逻辑门符号表示电路结构波形图4用波形表示输入和输出的时序关系卡诺图化简法卡诺图是一种图形化简法，可以用来简化逻辑函数卡诺图的优点是简单直观，易于掌握卡诺图的缺点是只适用于变量数较少的逻辑函数第三章门电路门电路是数字电路的基本单元门电路实现基本的逻辑运算，例如与、或、非等不同的门电路具有不同的特性和应用二极管与三极管基础二极管二极管是一种具有单向导电性的半导体器件二极管的主要参数包括正向电压、反向电流和反向击穿电压三极管三极管是一种具有放大作用的半导体器件三极管的主要参数包括电流放大系数、饱和电压和反向击穿电压门电路结构TTL倒相级21输入级输出级3TTL（Transistor-Transistor Logic）门电路是一种使用双极型晶体管实现的逻辑门电路TTL门电路具有速度快、驱动能力强等优点，但功耗较高TTL门电路广泛应用于数字电路中门电路结构CMOS管PMOS1管2NMOSCMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）门电路是一种使用互补型MOS管实现的逻辑门电路CMOS门电路具有功耗低、抗干扰能力强等优点，但速度较慢CMOS门电路广泛应用于数字电路中门电路的主要参数参数含义扇出系数门电路可以驱动的同类型门电路的数量噪声容限门电路可以承受的噪声电压的大小传输延迟门电路的输入信号变化到输出信号变化所需的时间功耗门电路工作时消耗的功率集成门电路的应用逻辑运算实现与、或、非等基本逻辑运算数据选择选择多个输入信号中的一个作为输出代码转换将一种代码转换为另一种代码信号驱动增强信号的驱动能力第四章组合逻辑电路组合逻辑电路是指输出只取决于当前输入的电路组合逻辑电路没有记忆功能，其输出状态由当前的输入状态唯一确定组合逻辑电路广泛应用于各种数字系统组合逻辑电路的分析方法写出逻辑表达式1根据电路图，写出输出的逻辑表达式化简逻辑表达式2使用逻辑代数的基本定理和规则，化简逻辑表达式列出真值表3根据化简后的逻辑表达式，列出真值表分析电路功能4根据真值表，分析电路的功能组合逻辑电路的设计方法确定输入和输出根据设计要求，确定电路的输入和输出列出真值表根据设计要求，列出真值表写出逻辑表达式根据真值表，写出输出的逻辑表达式化简逻辑表达式使用卡诺图等方法，化简逻辑表达式画出逻辑电路图根据化简后的逻辑表达式，画出逻辑电路图加法器设计半加器全加器半加器是实现两个一位二进制数相加的电路半加器有两个全加器是实现两个一位二进制数相加，并考虑来自低位的进输入加数A和加数B，两个输出和S和进位C位的电路全加器有三个输入加数A、加数B和来自低位的进位Cin，两个输出和S和进位Cout数据选择器设计什么是数据选择器数据选择器的应用数据选择器是一种从多个输入信号中选择一个作为输出的电数据选择器广泛应用于各种数字系统中，例如数据传输、地路数据选择器也称为多路选择器址译码等译码器设计什么是译码器译码器的应用译码器是一种将二进制输入转换为唯一输出的电路译码器译码器广泛应用于各种数字系统中，例如地址译码、指令译的输出个数等于2的输入个数次方码等编码器设计什么是编码器编码器的应用编码器是一种将多个输入信号转换为二进制输出的电路编编码器广泛应用于各种数字系统中，例如键盘编码、优先级码器的输出个数等于以2为底的输入个数的对数编码等第五章触发器触发器是一种具有记忆功能的数字电路触发器可以存储一位二进制数，并根据输入信号的变化而改变状态触发器是构成时序逻辑电路的基本单元基本触发器RS触发器结构触发器特点RS RS由两个与非门或或非门交叉连接而成R为复位端，S为置位具有置位、复位和保持三种状态避免R和S同时为有效电平端的情况电平触发触发器D触发器结构触发器特点D D由基本RS触发器加上控制电路构成D为数据输入端，CP为当CP为有效电平时，输出Q的状态与输入D的状态相同；CP时钟脉冲输入端为无效电平时，输出Q的状态保持不变主从触发器JK触发器结构触发器特点JK JK由两个RS触发器组成，一个为主触发器，一个为从触发器克服了RS触发器的空翻现象当J和K同时为1时，输出状态J和K为数据输入端，CP为时钟脉冲输入端翻转边沿触发触发器边沿触发优点触发器只在时钟脉冲的上升沿或下降沿发生状态改变提高了电路的可靠性和抗干扰能力触发器的应用寄存器计数器用于存储数据用于计数分频器用于产生频率较低的信号第六章时序逻辑电路时序逻辑电路是指输出不仅取决于当前输入，还取决于电路历史状态的电路时序逻辑电路具有记忆功能，其输出状态由当前的输入状态和电路的历史状态共同确定时序逻辑电路广泛应用于各种数字系统同步时序逻辑电路的基本概念时钟信号用于控制电路状态的更新状态电路在某一时刻的输出状态状态转移电路从一个状态转移到另一个状态的过程时序逻辑电路的分析方法写出状态方程1根据电路图，写出输出端的状态方程画出状态转移图2根据状态方程，画出状态转移图分析电路功能3根据状态转移图，分析电路的功能时序逻辑电路的设计方法确定输入和输出根据设计要求，确定电路的输入和输出列出状态转移表根据设计要求，列出状态转移表选择触发器根据设计要求，选择合适的触发器写出状态方程根据状态转移表，写出状态方程画出逻辑电路图根据状态方程，画出逻辑电路图计数器设计什么是计数器计数器的应用计数器是一种用于计数的时序逻辑电路计数器可以实现二计数器广泛应用于各种数字系统中，例如计时、分频等进制计数、十进制计数等移位寄存器设计什么是移位寄存器移位寄存器的应用移位寄存器是一种用于存储和移动数据的时序逻辑电路移移位寄存器广泛应用于各种数字系统中，例如数据传输、数位寄存器可以实现串行输入并行输出、并行输入串行输出等据转换等状态机设计什么是状态机状态机的应用状态机是一种描述系统行为的数学模型状态机由状态、状状态机广泛应用于各种数字系统中，例如控制器、协议处理态转移和动作组成器等第七章脉冲波形的产生和整形在数字电路中，经常需要产生各种脉冲波形，例如方波、矩形波等脉冲波形产生电路可以产生各种所需的脉冲波形脉冲波形整形电路可以改善脉冲波形的质量单稳态触发器什么是单稳态触发器单稳态触发器的应用单稳态触发器是一种具有一个稳定状态和一个暂稳态的电路单稳态触发器广泛应用于各种数字系统中，例如延时电路、当受到触发信号作用时，单稳态触发器进入暂稳态，经过定时电路等一段时间后，自动返回稳定状态施密特触发器什么是施密特触发器施密特触发器的应用施密特触发器是一种具有滞回特性的电路施密特触发器可施密特触发器广泛应用于各种数字系统中，例如波形整形电以用于波形整形、噪声消除等路、比较器电路等多谐振荡器什么是多谐振荡器多谐振荡器的应用多谐振荡器是一种没有稳定状态的电路多谐振荡器可以自多谐振荡器广泛应用于各种数字系统中，例如时钟信号发生动产生方波信号器、脉冲信号发生器等定时器及其应用555定时器应用555555定时器是一种常用的集成电路，可以用于构成各种定时单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器电路、脉冲发生器等第八章数模和模数转换在数字系统中，经常需要将模拟信号转换为数字信号，或者将数字信号转换为模拟信号数模转换器（D/A转换器）用于将数字信号转换为模拟信号模数转换器（A/D转换器）用于将模拟信号转换为数字信号转换原理D/A基本原理常用方法将数字信号的每一位按照其权值转换为对应的模拟电压或电权电阻网络、倒T型电阻网络、电流开关电路流，然后将这些电压或电流相加，得到模拟信号转换原理A/D基本原理常用方法将模拟信号与一系列参考电压进行比较，根据比较结果，确逐次逼近型、双积分型、并行比较型定对应的数字信号常用转换器D/A权电阻网络转换器倒型电阻网络转换D/A TD/A器结构简单，但精度不高精度较高，但结构复杂电流开关电路转换器D/A速度快，精度高常用转换器A/D逐次逼近型转换器双积分型转换器并行比较型转换器A/D A/D A/D速度较快，精度较高抗干扰能力强，但速度较慢速度最快，但结构复杂，成本高第九章可编程逻辑器件可编程逻辑器件（PLD）是一种可以通过编程来实现各种逻辑功能的数字电路PLD具有灵活性高、设计周期短等优点，广泛应用于各种数字系统可编程逻辑器件概述优点灵活性高、设计周期短、易于修改缺点速度较慢、功耗较高应用各种数字系统和PAL GALPALGAL可编程阵列逻辑与阵列可编程，或阵列固定通用阵列逻辑与阵列和或阵列均可编程结构及应用CPLD结构应用CPLD CPLD由多个逻辑块和可编程互连组成逻辑块实现基本的逻辑功各种数字系统，例如控制器、状态机等能，可编程互连实现逻辑块之间的连接结构及应用FPGA结构应用FPGA FPGA由大量的可编程逻辑单元和可编程互连组成逻辑单元实现各种数字系统，例如数字信号处理、图像处理等基本的逻辑功能，可编程互连实现逻辑单元之间的连接硬件描述语言（）简介VHDLVHDL（Very-High-Speed IntegratedCircuit HardwareDescriptionLanguage）是一种用于描述数字电路行为的编程语言VHDL可以用于对数字电路进行建模、仿真和综合第十章存储器存储器是用于存储数据的数字电路存储器可以分为只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）存储器广泛应用于各种数字系统中和基本结构RAM ROMRAMROM随机存取存储器数据可以随时写入和读取断电后数据丢只读存储器数据只能读取，不能写入断电后数据不会丢失失常用存储器芯片及其应用SRAM DRAM静态随机存取存储器速度快动态随机存取存储器速度较，但功耗高慢，但功耗低Flash ROM可擦除可编程只读存储器断电后数据不会丢失课程总结与展望通过本课程的学习，我们了解了数字逻辑电路的基本概念、设计方法和应用数字逻辑电路是数字系统设计的基础，掌握数字逻辑电路的知识，可以为我们未来的学习和工作打下坚实的基础随着科技的不断发展，数字逻辑电路的应用将会越来越广泛，我们希望同学们能够继续深入学习，不断提升自己的技能，为数字技术的发展做出贡献。