《数字电子电路》课件

《数字电子电路》欢迎各位同学参加《数字电子电路》课程学习！本课程将深入探讨数字电子技术的基础知识和应用方向，带领大家了解数字系统的工作原理、设计方法和实际应用案例我们将从基本的逻辑门电路开始，逐步学习组合逻辑电路、时序逻辑电路、存储器等关键内容，培养大家的电路分析与设计能力通过理论学习与实践相结合，帮助大家掌握这一信息时代的核心技术在2025年春季学期的学习旅程中，希望同学们能够积极参与，不断探索，共同进步！课程概述课程目标与学习成果通过本课程学习，学生将掌握数字电路的基本原理和设计方法，能够分析和设计简单的数字系统，具备数字电路的实验技能和创新能力教材与参考资料主教材《数字电子技术基础》（第六版），阎石主编；辅助参考书《数字设计原理与实践》，约翰·F·韦克利著考核方式与成绩评定平时成绩（30%）出勤、课堂表现和作业；实验（20%）基础实验和综合设计；期末考试（50%）闭卷笔试实验安排与要求共计8次实验课，包括基础验证实验和综合设计实验，要求认真预习、按时完成实验报告，并进行实验结果展示与讨论第一章数字电路基础知识数字量与模拟量的比较了解两种信号的本质区别与各自特点数字电路的特点与应用掌握数字电路的工作原理与优势数字系统的组成熟悉各功能模块及其相互关系第一章将为大家奠定数字电路的基础知识，从最基本的概念出发，帮助大家理解数字世界的运作方式我们将学习数字信号与模拟信号的区别，探讨数字电路的关键特性，并了解完整数字系统的构成要素这些基础知识将为后续章节的学习打下坚实基础，请大家务必认真掌握数字量与模拟量数字量特性模拟量特性数字信号的优势数字量在时间和数量上都是不连续的，模拟量是连续变化的物理量，如温度、抗干扰能力强只要干扰不超过阈值，通常用离散的数值表示在电路中表现压力、声音等，其数值可以在一定范围都能正确识别信号为有限个电平值，最常见的是二进制的内取任意值模拟信号的幅值和时间都易于存储和处理可直接由计算机系统高低电平表示是连续的处理，适合逻辑运算这种表示方式使得数字信号在传输和处模拟信号在传输过程中容易受到噪声干信号再生能力强通过再生放大器可恢理过程中具有极强的抗干扰能力，即使扰，且噪声会不断累积，导致信号失复原始信号，减少长距离传输误差信号有一定程度的失真，仍能正确识别真，难以恢复原始信息其表示的信息数字电路的特点二值特性数字电路仅处理两种电平状态高电平（通常用1表示）与低电平（通常用0表示）这种二值特性使得数字电路设计和分析相对简单，便于实现逻辑运算抗干扰能力由于数字电路的电平有一定的容许范围，只要干扰信号不使电平值超出这个范围，就不会导致逻辑状态的错误判断这种特性使得数字系统在嘈杂环境中仍能可靠工作信息存储能力数字信号便于长期保存而不失真，因为只需记录离散的0和1状态，而不需要记录连续变化的数值这是现代存储技术和数据处理的基础逻辑处理能力数字电路天然适合进行逻辑运算和数值处理，能够实现复杂的运算功能，是现代计算机和智能设备的核心技术基础数字电路的应用领域通信设备计算机系统现代通信系统广泛采用数字技术，包括移动通信、卫星通信和光纤通信，确保信息传输数字电路是计算机处理器、存储器和控制系的高效性和准确性统的基础，从个人电脑到超级计算机都依赖自动控制系统于数字电路技术工业自动化、智能家居和机器人技术都依赖数字电路进行精确控制和复杂操作的实现医疗设备消费电子产品从心电监护仪到CT扫描仪，现代医疗设备依靠数字电路进行精确测量、图像处理和数据智能手机、数字相机、智能电视等日常电子分析，助力医疗诊断和治疗设备都采用数字电路技术，提供丰富的功能和良好的用户体验数制与码制常用数制·二进制基于0和1，是数字电路的基础·八进制基于0-7，便于表示三位二进制组·十进制日常使用的数制，基于0-9·十六进制基于0-9和A-F，常用于程序设计常见码制·BCD码二进制编码的十进制数，每四位二进制表示一个十进制数字·格雷码相邻码字仅一位不同，用于减少编码误差·ASCII码用于表示字母、数字和控制字符的标准编码数制转换方法·十进制转二进制除2取余，逆序排列·二进制转十进制按权展开求和·二进制与八/十六进制互转分组法二进制数运算运算类型规则实例加法0+0=0,0+1=1,1+0=1,1011+1101=110001+1=0进位1减法通常转换为加上补码的形1011-式0101=1011+1011=10110乘法类似十进制乘法，但更简101×11=101+1010=111单1除法类似十进制除法1100÷11=100二进制数的表示方式包括原码、反码和补码原码是最直观的表示方法，符号位加绝对值；反码是正数不变，负数除符号位外按位取反；补码是正数不变，负数为反码加1在计算机系统中，定点数表示方法将小数点位置固定，适合表示整数或固定精度的小数；浮点数表示法将数值分为阶码和尾数两部分，适合表示范围较大的数IEEE754标准定义了浮点数的表示格式，被广泛采用第二章逻辑代数基础逻辑函数化简方法卡诺图、代数化简逻辑代数的基本公式与定理操作规律与基本法则逻辑函数及表示方法多种函数表达形式基本逻辑运算与、或、非等基础操作逻辑代数是数字电路分析与设计的理论基础本章将系统介绍逻辑代数的基本概念、运算规则和重要定理，帮助大家建立完整的理论框架我们从基本的逻辑运算开始，逐步学习逻辑函数的多种表达方式，并掌握逻辑函数的化简方法通过本章学习，同学们将能够使用逻辑代数工具分析和设计数字电路，为后续的电路设计和优化奠定基础请大家重视逻辑代数的基本理论，它是整个数字电子技术的核心基本逻辑运算与（）运算AND与运算要求所有输入均为1时，输出才为1，其余情况输出为0类似于数学中的乘法运算，常用符号·或∧表示与门是实现与运算的基本逻辑门电路或（）运算OR或运算要求至少有一个输入为1时，输出就为1，所有输入都为0时，输出才为0类似于数学中的加法运算，常用符号+或∨表示或门是实现或运算的基本逻辑门电路非（）运算NOT非运算对输入信号取反，输入为0时输出为1，输入为1时输出为0常用符号¬或上划线表示非门是实现非运算的基本逻辑门电路，也是唯一的单输入逻辑门复合逻辑运算与非（）运算NAND与非运算是与运算结果取反，可表示为Y=¬A·B与非门是一种通用逻辑门，可以构建任何其他逻辑功能，在集成电路中应用广泛2或非（）运算NOR或非运算是或运算结果取反，可表示为Y=¬A+B或非门与与非门一样，也是一种通用逻辑门，可以实现所有基本逻辑功能3异或（）运算XOR异或运算要求输入信号中1的个数为奇数时，输出为1，否则为0可表示为Y=A⊕B=A·¬B+¬A·B在加法器和校验电路中应用广泛4同或（）运算XNOR同或运算是异或运算的取反，要求输入信号中1的个数为偶数（包括0）时，输出为1可表示为Y=A⊙B=¬A⊕B逻辑函数表示方法1真值表表示2逻辑表达式真值表是最直观的表示方法，列出所有可能的输入组合及对应逻辑表达式使用逻辑变量和逻辑运算符构成的代数式来表示逻的输出值对于n个输入变量的逻辑函数，真值表有2^n行通辑关系可以表示为最小项之和（标准与或式）或最大项之积过真值表可以直观了解函数的完整行为（标准或与式）逻辑表达式便于进行代数运算和化简3逻辑图表示4波形图表示逻辑图使用标准的逻辑门符号将逻辑关系可视化，直观展示信波形图展示输入和输出信号随时间变化的关系，特别适合表示号流向和处理过程逻辑图是电路实现的直接参考，可以清晰时序逻辑电路的行为通过波形图可以分析信号的时序特性和表达各元件间的连接关系延迟特性逻辑运算规律交换律结合律分配律其他重要规律与运算A·B=B·A与运算A·B·C=与对或A·B+C=A·B+吸收律A+A·B=A;A·B·C A·C A·A+B=A或运算A+B=B+A或运算A+B+C=或对与A+B·C=反演律¬A·B=¬A+¬B;A+B+C A+B·A+C¬A+B=¬A·¬B逻辑代数的运算规律是分析和设计数字电路的理论基础掌握这些规律可以使我们能够灵活变换和化简逻辑表达式，得到性能更优的电路实现方案对偶原理是逻辑代数中的一项重要规则若将逻辑表达式中的与运算符与或运算符互换，并将0与1互换，则得到的新表达式称为原表达式的对偶式任何逻辑恒等式的对偶式也是恒等式卡诺图化简方法卡诺图是一种图形化的逻辑函数化简工具，基于相邻最小项合并的原理在卡诺图中，相邻单元格的变量值仅相差一位，使得相邻单元格可以合并，从而消去一个变量使用卡诺图进行化简时，我们寻找尺寸为2的幂（

1、

2、

4、8等）的矩形组合，并尽量使用最少的矩形覆盖所有的1（对于最小项之和）或0（对于最大项之积）无关项（dont care条件）可以根据需要视为0或1，灵活利用以获得最简表达式对于变量较多的情况，卡诺图化简比代数化简更加直观和高效各种表示方法的转换真值表逻辑表达式列出所有输入组合对应的输出代数式表示逻辑关系波形图逻辑图表示信号时序关系直观展示电路结构在数字电路设计过程中，我们经常需要在不同的表示方法之间进行转换从真值表到逻辑表达式的转换可以直接读取输出为1（或0）的行，构建最小项之和（或最大项之积）从逻辑表达式到逻辑图的转换则需要按照表达式结构绘制相应的逻辑门连接波形图与真值表之间的转换需要考虑时间维度，将不同时刻的输入组合映射到真值表中查找对应输出实际应用中，我们会根据具体需求和习惯选择最合适的表示方法，并能够灵活在它们之间转换第三章集成门电路常见集成门电路了解各类逻辑门的集成电路实现门电路TTL掌握TTL电路的结构与工作原理门电路CMOS理解CMOS电路的特点与应用电气特性分析各类门电路的电气参数第三章我们将从逻辑抽象进入到电路实现层面，研究集成门电路的内部结构和工作原理门电路是数字系统的基本组成单元，了解它们的实现方式和电气特性对于设计可靠的数字系统至关重要我们将重点学习两大主流集成门电路系列TTL和CMOS，比较它们的结构特点、性能参数和应用场景通过本章学习，同学们将建立起从逻辑功能到实际电路的联系，为后续的电路设计打下坚实基础门电路的基本类型基本逻辑门通用逻辑门复合逻辑门与门、或门和非门是最基本与非门和或非门被称为通用异或门和同或门实现了更复的逻辑门电路，实现了与、逻辑门，因为仅使用其中任杂的逻辑功能，在算术运算或、非三种基本逻辑运算一种就可以实现所有逻辑功和校验电路中有重要应用所有的数字系统理论上都可能在实际电路中，与非门这些门可以用基本逻辑门组以由这三种基本门构建因其实现简单、成本低而被合实现，也有专门的集成电广泛应用路特殊功能门三态门具有高、低和高阻态三种输出状态，可以实现多个驱动器连接到同一总线施密特触发器具有滞回特性，能有效抑制输入信号的噪声与非门电路TTL基本结构组成·多发射极输入晶体管实现与非逻辑·相位分离器控制输出晶体管导通状态·推挽式输出级提供强驱动能力·上拉电阻确保输出高电平稳定工作原理当所有输入均为高电平时，多发射极晶体管截止，输出低电平；当任一输入为低电平时，对应发射极导通，输出高电平，从而实现与非逻辑功能多发射极晶体管特点这种特殊结构晶体管将多个发射极区域扩散在同一基区上，共用一个集电极，能够高效实现多输入与非门功能，是TTL电路的关键元件电压传输特性TTL门电路具有较陡的传输特性曲线，输入电压阈值明确，抗噪声能力强，输出驱动能力强，但功耗较高，是其主要特点门电路的参数TTL门电路的改进系列TTL标准系列低功耗系列肖特基系列低功耗肖特基TTL74TTL74LTTL74STTL系列74LS最早的TTL集成电路系列，具通过增大电阻值降低功耗，使用肖特基二极管取代饱和有中等的速度和功耗特性功耗降至约1mW/门，但速度三极管，避免了饱和状态的结合了低功耗和肖特基技术传播延迟约10ns，功耗约较慢，传播延迟增加到约存储时间，大幅提高了速的优点，兼顾速度和功耗10mW/门是早期数字系统33ns适用于对功耗敏感但度传播延迟降至约3ns，但传播延迟约9ns，功耗约的主要选择，奠定了TTL系列速度要求不高的场合功耗增加到约20mW/门适2mW/门是最广泛使用的的基础用于高速应用场合TTL系列，代表了TTL技术的成熟阶段门电路CMOS电压传输特性具有陡峭的传输曲线和高噪声容限管特性MOS2利用PMOS和NMOS互补结构基本工作原理互补开关控制，静态几乎不耗电基本结构互补对称晶体管构成CMOS门电路的核心是由P沟道和N沟道MOS晶体管组成的互补对称结构以CMOS反相器为例，当输入为低电平时，PMOS导通而NMOS截止，输出为高电平；当输入为高电平时，NMOS导通而PMOS截止，输出为低电平在稳态时，总有一个晶体管处于截止状态，因此静态功耗极低CMOS器件与TTL相比，具有更低的功耗（尤其是静态功耗接近于零）、更高的集成度、更宽的电源电压范围和更强的抗噪声能力但其速度通常不如肖特基TTL，且对静电放电较为敏感各类门电路的应用电平转换应用在混合逻辑系统中，不同类型的器件可能使用不同的信号电平标准此时需要电平转换电路实现不同逻辑系列之间的接口常见的有TTL与CMOS之间、

3.3V与5V系统之间的电平转换这类应用通常利用开漏输出或专用电平转换芯片实现驱动负载应用当需要驱动大电流负载时，如LED显示器、继电器或电机，普通门电路的驱动能力可能不足此时可以使用具有增强驱动能力的缓冲器或驱动器芯片一些门电路系列如74F和74HC具有较强的输出驱动能力，适合驱动较大负载三态总线应用在多设备共享同一数据总线的系统中，三态门电路起着至关重要的作用它们可以在需要时将输出置于高阻态，允许其他设备控制总线这种应用在微处理器系统、存储器接口和各种总线标准中非常普遍开集电极应用开集电极（或开漏）输出可以实现线与逻辑，允许多个输出连接到同一线路而不产生冲突这种方式广泛应用于I²C总线等通信协议，以及需要多设备共享信号线的场合使用时需要外接上拉电阻第四章组合逻辑电路组合逻辑电路的概念组合逻辑电路是一类输出仅取决于当前输入状态而与过去状态无关的数字电路，它不包含反馈路径和记忆元件，因此在输入确定的情况下，输出是唯一确定的分析与设计方法分析方法包括建立真值表、推导逻辑函数、绘制逻辑图等步骤；设计方法则是从功能需求出发，确定输入输出关系，然后通过逻辑函数化简和电路实现常见组合逻辑电路典型的组合逻辑电路包括编码器、译码器、多路选择器、加法器、比较器等，这些是构建复杂数字系统的基本功能模块本章我们将深入学习组合逻辑电路的分析与设计方法，了解各种功能模块的工作原理和应用场景这些电路是数字系统中的基础构件，广泛应用于数据处理、控制系统和通信设备中组合逻辑电路的特点无记忆特性无反馈结构分析与设计方法组合逻辑电路的输出仅取决于当前输入组合逻辑电路中不存在信号反馈路径，组合逻辑电路的分析通常从电路结构出状态，与过去的输入或状态无关每当信号只能从输入端单向流向输出端这发，确定各级输出的逻辑函数，最终得输入发生变化时，输出会在一定的传播种结构确保了电路的稳定性，避免了振到整个电路的输入输出关系延迟后跟随变化，但不会记住之前的荡和不确定状态的出现设计过程则相反，从需求规范出发，确状态由于没有反馈路径，组合逻辑电路不能定真值表，导出逻辑函数，进行化简，这种特性使得组合逻辑电路的分析相对实现计数、存储等需要记忆功能的操最后转换为门电路图设计中还需考虑简单，只需考虑所有可能的输入组合及作，这是它与时序逻辑电路的本质区竞争冒险、传播延迟等实际因素其对应的输出即可，不需要考虑状态转别换过程常见组合逻辑电路编码器与译码器是一对互补的电路编码器将2^n个输入中的一个转换为n位二进制码；译码器则将n位二进制码转换为2^n个输出中的一个它们广泛应用于地址解码、键盘扫描和显示驱动中数据选择器（多路复用器）能够从多个输入中选择一个传送到输出端，而数据分配器（解复用器）则将单路输入分配到多个输出之一加法器实现二进制数的算术加法，比较器用于比较两个二进制数的大小关系算术逻辑单元ALU是一种更复杂的组合逻辑电路，能够根据控制信号执行各种算术和逻辑操作，是CPU的核心部件编码器与译码器二进制编码器优先编码器二十进制译码器-将2^n个输入信号编码为n当多个输入同时有效时，仅将二进制码转换为十进制形位二进制码例如，8-3编对优先级最高的输入进行编式，通常用于地址解码和显码器有8个输入线和3个输出码常用于中断控制系统，示驱动3-8译码器和4-16线，当某一输入为高电平确保高优先级事件优先处译码器是常见类型，广泛应时，输出相应的3位二进制理用于存储器寻址编码七段译码器BCD-将BCD码转换为驱动七段数码管的信号，是数字显示系统的核心部件74LS47和74LS48是常用的专用集成电路数据选择器与分配器应用示例数据路由、控制信号选择、时分复用典型电路结构2与-或结构实现，选择控制部分和数据通路部分选择器与分配器类型32选

1、4选

1、8选1选择器；1分

2、1分

4、1分8分配器基本功能选择器多路输入，单路输出；分配器单路输入，多路输出数据选择器（多路复用器）和数据分配器（解复用器）是一对互补的组合逻辑电路数据选择器根据选择信号将多个输入数据中的一个连接到输出端；而数据分配器则将单个输入数据根据选择信号分配到多个输出线中的一个这两种电路在数字系统中有广泛应用，包括数据总线控制、时分多路复用通信、存储器地址选择等同时，它们也是实现复杂逻辑函数的有效工具，通过适当连接可以实现任意组合逻辑功能加法器电路半加器全加器实现一位二进制加法，无进位输入，有和输考虑进位输入的一位加法器，是构建多位加出S和进位输出C法器的基本单元超前进位加法器串行加法器通过预先计算进位，大幅提高多位加法的速多位加法器的简单实现，进位逐位传递，速度度较慢半加器由一个异或门和一个与门组成，实现两个一位二进制数的加法，但不考虑来自低位的进位全加器在半加器基础上增加了对进位输入的处理，通常由两个半加器和一个或门构成，是构建多位加法器的基本单元串行加法器将多个全加器级联，进位信号从低位向高位逐级传递，结构简单但速度受限于进位链的延迟超前进位加法器通过引入生成函数和传播函数，直接计算各位的进位信号，大大减少了进位传播延迟，提高了加法速度，是高性能计算系统中的关键部件比较器电路1位比较功能一位比较器能判断两个二进制位A和B的大小关系AB,A=B,A4比较位数典型的74系列比较器芯片支持4位二进制数比较3输出状态比较器通常有三个输出信号，分别表示大于、等于和小于关系8级联能力多片比较器可以级联，构成更高位数的比较器比较器是一种用于比较两个二进制数大小关系的组合逻辑电路一位比较器是最基本的单元，通过逻辑门组合可以判断两个二进制位的大小关系多位比较器通常采用从高位到低位逐位比较的方式，高位比较结果优先于低位在实际应用中，常用的74LS85等比较器芯片支持4位二进制数比较，并提供级联能力，可以通过串联多片构建更高位数的比较器比较器广泛应用于数据处理、排序算法、边界检测以及各种需要大小比较的控制系统中第五章触发器电路触发器的基本概念触发器是数字电路中最基本的存储元件，能够存储一位二进制信息它具有两个稳定状态，可以在外部信号控制下切换状态，并保持该状态直到接收到下一个控制信号触发器是构建时序逻辑电路的基础基本触发器类型按功能和结构分类，常见的触发器包括RS触发器、JK触发器、D触发器和T触发器每种触发器都有其特定的功能特点和应用场景，但都能实现基本的状态存储功能触发方式与时序特性触发器可分为电平触发和边沿触发两种，后者又分为上升沿触发和下降沿触发不同的触发方式决定了触发器的时序特性，影响其在系统中的应用方式在本章中，我们将详细学习各类触发器的工作原理、特性方程和应用方法触发器作为数字系统中的基本记忆单元，是理解时序逻辑电路的关键通过掌握触发器的工作机制，我们将为学习复杂时序系统奠定基础基本触发器RS锁存器结构RS基本RS锁存器由两个交叉耦合的与非门或或非门构成与非门实现的RS锁存器输入为R（复位）和S（置位），或非门实现的则输入为R和S，作用相反工作原理当S=1，R=0时，触发器被置位，Q=1；当S=0，R=1时，触发器被复位，Q=0；当S=R=0时，触发器保持原状态；S=R=1是禁止状态，会导致不确定输出特性方程RS触发器的特性方程可表示为Qnext=S+R·Q，反映了下一状态与当前输入和当前状态的关系使用特性方程可以分析触发器的行为时序分析通过时序图可以清晰展示RS触发器的动态行为，包括置位、复位和保持操作时序分析是理解触发器工作过程的重要方法主从触发器JK基本结构主从JK触发器由两个RS锁存器级联组成，前一级称为主触发器，后一级称为从触发器两级之间通过反相器连接，确保主从触发器不会同时处于透明状态，避免竞争冒险工作原理在时钟高电平期间，主触发器接收J和K输入信号并改变状态；在时钟下降沿，主触发器的状态锁定并传递给从触发器，此时从触发器的状态变为可见的输出这种两阶段操作有效防止了竞争冒险竞争冒险现象如果没有主从结构，当J=K=1时，触发器可能在一个时钟周期内多次翻转，导致不确定的最终状态主从结构通过控制信号传播时序，确保每个时钟周期只发生一次状态变化，有效解决了这一问题触发器与触发器D T触发器触发器触发器间的转换D TD触发器是一种数据锁存器，其输出直接T触发器是一种翻转触发器，当T输入为1各类触发器之间可以相互转换JK触发跟随数据输入D，在时钟有效时刻锁存输时，输出在时钟有效时刻翻转；当T为0器是最通用的，可以通过适当连接转换入数据特性方程为Qnext=D，表明时，保持当前状态不变特性方程为为其他类型；D触发器可以通过将D连接下一状态完全由输入D决定，与当前状态Qnext=T⊕Q，表明下一状态取决于T到Q输出并增加反相器实现T触发器功无关输入和当前状态能D触发器结构简单，使用方便，特别适合T触发器特别适合用于计数和分频电路了解触发器间的转换关系，有助于灵活用作数据寄存器它解决了RS触发器的虽然不常见专用的T触发器芯片，但可以运用有限的资源实现所需功能，是数字禁止状态问题，是现代数字系统中最常通过将JK触发器的J和K输入连接在一起电路设计的重要技巧用的触发器类型之一来实现T触发器功能触发器的应用分频电路利用T触发器的翻转特性，可以实现频率分频单个T触发器可以实现2分频，N个级联的T触发器可以实现2^N分频这种电路广泛应用于时钟生成系统中计数器设计触发器是构建计数器的基本元件通过适当连接多个触发器，可以实现二进制计数器、BCD计数器等各种类型的计数电路，用于时序控制和数据计数数据存储D触发器是构建寄存器和存储器的基本单元多个D触发器组合可以存储多位二进制数据，实现数据缓存、移位和暂存功能4实际应用案例触发器在数字时钟、频率合成器、数据采集系统和通信协议中有广泛应用例如，UART通信中的波特率生成、键盘防抖动电路等都依赖触发器实现第六章时序逻辑电路时序逻辑电路的概念时序逻辑电路是输出不仅与当前输入有关，还与电路的历史状态（即先前的输入）有关的数字电路它包含存储元件（如触发器），能够记忆状态信息基本分析与设计方法时序电路的分析通常从状态表或状态图出发，确定次态函数和输出函数；设计则是从功能需求出发，构建状态图，选择状态编码，导出触发器激励函数和输出函数3状态机设计状态机是时序逻辑电路的一种抽象模型，包括Moore型（输出仅依赖当前状态）和Mealy型（输出依赖当前状态和输入）两种类型状态机设计是复杂时序系统的重要方法4典型时序电路常见的时序逻辑电路包括计数器、移位寄存器、序列发生器和序列检测器等这些是构建数字控制系统和数据处理系统的基本功能模块时序逻辑电路特点状态记忆特性状态与输入的关系同步与异步时序电路时序逻辑电路的核心特点是具有记忆功时序电路的输出不仅取决于当前输入，同步时序电路由统一的时钟信号控制所能，能够记住过去的状态信息这种记还与电路当前所处的状态有关同样的有状态变化，状态只在指定的时钟沿变忆功能通过反馈回路和存储元件（如触输入信号，在电路处于不同状态时可能化，具有良好的同步性和可预测性，便发器）实现触发器存储电路的状态，产生不同的输出响应这种输入+状态于分析和设计现代数字系统多采用同反馈路径将当前状态作为输入参与下一决定输出的特性，是时序电路与组合逻步设计方式状态的计算辑电路的本质区别异步时序电路没有统一的时钟控制，状正是这种记忆特性，使得时序电路能够时序电路的行为可以通过状态转移图或态变化由输入信号直接触发这种电路实现计数、存储、序列控制等组合逻辑状态表来描述，展示在不同输入条件响应速度快，但容易受到竞争冒险和亚电路无法完成的功能，为数字系统提供下，电路如何从一个状态转移到另一个稳态问题的影响，设计和分析难度较了时间维度上的处理能力状态，以及在每个状态下产生什么输大出计数器电路二进制计数器按自然二进制数顺序计数，利用T触发器级联实现十进制计数器模为10的计数器，用于BCD码计数，常用于数字显示系统环形计数器一位1在各位置循环移动，用移位寄存器实现，译码简单可逆计数器4能够实现向上或向下计数，具有计数方向控制功能计数器是最常用的时序逻辑电路之一，用于对脉冲信号进行计数或产生特定的计数序列不同类型的计数器有各自的特点和应用场景二进制计数器结构简单，但译码较复杂；十进制计数器便于与十进制系统接口；环形计数器输出直接可用，无需译码；可逆计数器则提供了灵活的计数功能现代集成电路中通常有专用的计数器芯片，如74LS90（十进制计数器）、74LS193（可逆二进制计数器）等，它们提供了复位、预置、进位/借位等功能，便于系统集成设计计数器时，需要考虑计数范围、速度、复位条件以及与其他电路的接口要求移位寄存器基本移位寄存器基本移位寄存器由一系列级联的D触发器组成，每个触发器的输出连接到下一个触发器的输入在时钟脉冲的控制下，数据位从一个触发器移动到下一个，实现数据的移位功能移位方向可以是右移或左移串入串出移位寄存器串入串出SISO是最简单的移位寄存器类型，数据从一端逐位输入，经过一定的时钟周期后从另一端逐位输出这种结构常用于数据延迟和串行数据传输电路简单，但数据访问受限于移位顺序多功能移位寄存器除了基本的串入串出型外，还有串入并出SIPO、并入串出PISO和并入并出PIPO等类型现代集成电路中通常提供多功能移位寄存器，如74LS194，它支持多种数据加载和移位模式，并具有并行访问能力，适用于各种数据处理场景状态机设计状态机类型·Moore型输出仅依赖当前状态·Mealy型输出依赖当前状态和当前输入·两种类型可互相转换，但功能等价状态图与状态表·状态图直观表示状态转换关系的图形·状态表表格形式列出所有状态转换信息·两种表示法可互相转换，包含相同信息状态编码方法·二进制编码状态数少时最常用·格雷码编码相邻状态只有一位变化·一位热码编码译码简单，但状态位数多电路实现·确定所需触发器类型和数量·导出状态转换方程和输出方程·绘制逻辑电路图并验证功能第七章半导体存储器存储器分类按存取方式分为随机存取存储器RAM和顺序存取存储器；按信息保持特性分为易失性存储器（如RAM）和非易失性存储器（如ROM）；按功能分为只读存储器、读写存储器和内容寻址存储器等每种类型都有各自的特点和应用领域随机存取存储器RAMRAM是一种可读可写的易失性存储器，可分为静态RAMSRAM和动态RAMDRAM两大类SRAM速度快但密度低，DRAM密度高但需要刷新RAM广泛用作计算机的主存和各种缓存只读存储器ROMROM是一种非易失性存储器，内容在制造时或编程后确定常见类型包括掩模ROM、PROM、EPROM、EEPROM和Flash Memory等ROM常用于存储固定程序和数据可编程逻辑器件介于存储器和逻辑电路之间的器件，通过编程可实现特定的逻辑功能包括PLA、PAL、CPLD和FPGA等类型，为数字系统设计提供了灵活性和可重构能力存储器的基本结构存储单元矩阵地址译码器二维阵列排列的存储单元，每个单元存储1位将地址信号转换为选择特定存储单元的行列选信息择信号数据读写电路控制逻辑负责数据的写入和读出操作，包括写入驱动和管理读/写操作、片选和输出使能等功能读出放大存储器的容量表示其可存储的信息量，如1K×8表示有1024个单元，每个单元8位，总容量为8K位存储器的组织方式描述了其内部结构，如4M×1表示有4M个存储单元，每个单元1位；1M×4则表示有1M个单元，每个单元4位，总容量相同但结构不同地址译码器是存储器中的关键部分，它将输入的地址码转换为对应的行选择和列选择信号，从而定位到特定的存储单元在大容量存储器中，为了减少译码器的复杂度，常采用分级译码和矩阵选择技术读写控制电路则负责根据控制信号执行数据的读取或写入操作存储器RAM静态动态读写时序与刷新RAMSRAM RAMDRAM/SRAM的存储单元由六个晶体管构成的双DRAM的存储单元由一个晶体管和一个电RAM的读操作包括施加地址信号、激活稳态触发器电路组成，只要电源保持，容器组成，信息以电容器上的电荷形式读控制信号、等待数据有效等步骤写数据就能稳定保存，不需要刷新每个存储由于电容器漏电，DRAM需要定期操作则需要准备好地址和数据，然后激SRAM单元占用面积较大，集成度低，但刷新（通常为几毫秒一次）以保持数活写控制信号每个操作都有特定的时访问速度快，功耗低据序要求SRAM主要用于高速缓存和寄存器文件等DRAM的单元结构简单，集成度高，成本DRAM的刷新是维持数据的关键操作，包需要快速访问的场合典型的SRAM芯片低，但访问速度较慢，且需要刷新电括RAS-only刷新、CAS-before-RAS刷新如62648K×8和6225632K×8等路现代计算机的主存多采用DRAM，如和隐藏刷新等方式刷新电路会定期访SDRAM、DDR SDRAM等问所有存储单元，读出并重写数据，防止信息丢失存储器ROM掩模ROMMask ROM是在制造过程中通过掩模图形设定内容的只读存储器，内容一旦确定不可更改其优点是成本低、可靠性高，但修改内容需要重新制造整个芯片，适用于大批量生产的固定程序存储可编程ROMPROM允许用户通过编程设备写入数据，但只能编程一次而可擦除可编程ROMEPROM则增加了数据擦除能力，通过紫外线照射可擦除全部内容；电可擦除ROMEEPROM进一步提高了灵活性，允许电擦除，且可以对单个字节进行读写操作Flash存储器是EEPROM的改进型，结合了EPROM和EEPROM的优点，具有高密度、低成本和电擦除特性，已成为主流非易失性存储器可编程逻辑器件1可编程逻辑阵列PLAPLA包含可编程与阵列和可编程或阵列，能够实现多输入多输出的组合逻辑功能结构灵活，但速度较慢，集成度有限2可编程阵列逻辑PALPAL包含可编程与阵列和固定或阵列，结构比PLA简单，速度更快，但功能灵活性稍低是早期广泛使用的可编程逻辑器件3复杂可编程逻辑器件CPLDCPLD由多个PAL结构单元组成，通过可编程互连矩阵连接，集成度和功能都有较大提升适合中等规模的逻辑设计4现场可编程门阵列FPGAFPGA由大量可配置逻辑块和可编程互连资源组成，集成度高、功能强大、灵活性好支持现场编程和重配置，是现代数字系统设计的重要平台第八章脉冲波形的产生与整形单稳态触发器多谐振荡器单稳态触发器具有一个稳定状态和一个亚稳态，在触发信号作用多谐振荡器可分为无稳态、单稳态和双稳态三种无稳态多谐振下从稳定状态跳变到亚稳态，经过一定时间自动返回稳定状态荡器（自由运行多谐）能够自动产生周期性矩形波，是信号发生其输出是定宽脉冲，常用于脉冲延时和整形器的核心电路适用于时钟信号生成施密特触发器定时器555施密特触发器具有滞回特性，能够将缓变信号整形为快变信号，555定时器是一种多功能集成电路，可配置为单稳态、无稳态或有效抑制噪声干扰其两个阈值电平之差称为滞回电压，越大抗双稳态工作模式它结构简单，使用方便，性能稳定，是产生和噪能力越强广泛用于信号整形和噪声抑制处理脉冲信号的理想器件单稳态触发器电路结构工作原理应用实例单稳态触发器通常由一个RC时间常数电路当输入触发信号到来时，触发器输出从稳单稳态触发器广泛应用于脉冲延时、脉冲和一个双稳态电路（如施密特触发器或比定状态跳变到亚稳态；电容开始充电或放整形和脉冲宽度控制等场合实际应用较器）组成外部触发信号导致电路状态电，当电压达到阈值时，触发器返回稳定中，常使用555定时器或74LS123等专用集变化，RC网络的充放电过程决定了输出脉状态整个过程产生一个定宽脉冲，脉宽成电路构建单稳态触发器，简化设计并提冲的宽度由RC时间常数决定高可靠性多谐振荡器无稳态多谐振荡器振荡电路晶体振荡器RC无稳态多谐振荡器没有稳定状RC振荡电路利用电阻电容网络晶体振荡器利用石英晶体的压态，输出在两个状态之间自动的相移特性，在满足相位和幅电效应，产生极其稳定的高频切换，产生周期性的矩形波信度条件时产生持续振荡常见振荡其频率精度高，温度稳号其振荡频率由电路的RC时类型包括RC移相振荡器和维恩定性好，是高精度时钟源的理间常数决定，可以通过调整电电桥振荡器，主要用于产生正想选择在计算机、通信设备阻或电容值改变频率弦波信号中广泛应用电压控制振荡器电压控制振荡器VCO的输出频率可通过控制电压调节，是频率合成和调制电路的核心部件在锁相环、调频电路和频率合成器中有重要应用第九章数模与模数转换电路数字信号离散的二进制数据转换D/A将数字量转换为模拟量模拟信号连续变化的物理量转换A/D将模拟量转换为数字量应用系统数据采集、信号处理数模转换器DAC和模数转换器ADC是连接数字世界和模拟世界的桥梁DAC将数字信号转换为模拟信号，常用于音频播放、波形生成和控制系统；ADC则将模拟信号转换为数字信号，广泛应用于数据采集、测量系统和数字通信两种转换器都有多种实现方式，针对不同的应用场景有不同的性能指标要求DAC主要关注分辨率、建立时间和单调性；ADC则关注分辨率、转换速度和精度本章将详细介绍各种转换电路的工作原理、性能指标和应用技术转换器D/A应用实例1音频播放、波形发生、自动控制系统性能指标分辨率、精度、转换速度、单调性实现方式权电阻网络型和R-2R梯形网络型基本原理4将数字码转换为对应的模拟电压或电流权电阻网络型D/A转换器使用与二进制位权重成比例的电阻值，直接将数字输入转换为模拟输出其优点是概念简单，但在高位数时需要非常大范围的电阻值，难以精确制造R-2R梯形网络型D/A转换器仅使用两种电阻值（R和2R），通过特殊的梯形网络结构实现加权求和，克服了权电阻网络的缺点它结构紧凑，易于集成，精度高，是现代D/A转换器的主流结构典型的D/A转换器芯片包括DAC0832（8位）和AD667（12位）等，在各种需要数字控制模拟量的场合都有广泛应用转换器A/D比较型转换器计数型转换器A/D A/D同时比较多个阈值，速度快但硬件复杂通过计数和比较实现，结构简单但速度慢双积分型转换器逐次逼近型转换器A/D A/D通过积分降噪，高精度但速度较慢二分法逼近，速度和精度平衡，应用广泛比较型（并行型）A/D转换器使用2^n-1个比较器同时比较输入信号与参考电压，优点是转换速度极快，但硬件复杂度随位数指数增长，通常用于高速低分辨率场合计数型A/D转换器结构简单，但转换时间随位数线性增长，适用于低速应用逐次逼近型A/D转换器采用二分搜索算法，是速度和硬件复杂度的良好折衷，广泛应用于中速转换场合双积分型A/D转换器通过积分过程抑制噪声，精度高但速度较慢，常用于数字多用表等精密测量设备现代集成电路提供了多种类型的A/D转换器芯片，如ADC0804（8位逐次逼近型）和ICL7135（4½位双积分型）等，满足不同应用需求。