《数字电子技术与仪表》课件

数字电子技术与仪表本课程为学时的全面课程讲解，系统地介绍数字电子技术的基础理论50和实际应用课程涵盖从数字电路基础知识到高级应用设计的完整体系，包括数制与编码、逻辑代数、组合逻辑电路、时序逻辑电路、脉冲波形技术以及数字仪表测量等核心内容课程采用理论与实践相结合的教学方式，通过丰富的实例分析和动手实验，帮助学生深入理解数字电路的工作原理和设计方法学生将学会运用现代数字电子技术解决实际工程问题，为后续专业课程学习和实际工作奠定坚实基础课程大纲基础理论与数制1讲课程内容，包括数字信号概念、各种数制系统、编码原理及数据表7示方法逻辑代数与设计2讲深入学习，涵盖布尔代数基本定律、逻辑函数表达和卡诺图化简技9巧组合逻辑电路3讲专题讲解，掌握基本逻辑门电路和典型组合逻辑电路的分析设计方6法时序逻辑电路4讲系统学习，包括触发器原理、计数器设计和状态机分析方法8第一部分数制与编码基础模拟信号特点数字信号优势工程应用流程连续变化的物理量，如温度、压力等离散的数字量表示，具有强抗干扰能通过模数转换器将模拟信号转换为数信号在时间和幅度上都是连续的，容力便于存储、处理和传输，可以实字信号，经数字处理后，再通过数模易受到噪声干扰，传输过程中会产生现高精度的数据处理和复杂的逻辑运转换器还原为模拟信号输出，实现精失真和衰减算功能确控制模拟与数字信号对比模拟信号特性数字信号特性连续值变化，信号幅度可以是离散值表示，通常用和两个01任意值易受环境噪声干扰，逻辑电平具有很强的抗干扰传输距离受限信噪比随传输能力，可以通过纠错编码进一距离增加而恶化，精度受到硬步提高可靠性易于存储和长件限制距离传输转换原理模数转换包括采样、量化和编码三个步骤数模转换通过数字控制模拟开关实现转换精度取决于量化位数和参考电压精度数制的基本概念二进制八进制基数为，使用和两个数字符号，是数基数为，使用八个数字符号，常用于20180-7字电路的基础数制计算机系统中的简化表示十六进制十进制基数为，使用和共个符号，广基数为，使用十个数字符号，是人160-9A-F16100-9泛用于程序设计和内存地址表示类日常使用的自然数制常用数制及其转换二进制转十进制按位权重法，每位数字乘以对应的的幂次，然后累加求2和十进制转二进制除取余法，反复除以，取余数倒序排列得到二进制结果22快速转换技巧利用位二进制对应位十六进制，位二进制对应位八4131进制的关系码制系统码码格雷码BCD ASCII用位二进制表美国标准信息交相邻码字只有一4示位十进制数换码，位二进位不同的循环码，17字，码是最制编码，用于字在旋转编码器和8421常用的码，符、数字和控制模数转换器中广BCD便于十进制运算符的计算机内部泛应用和显示表示校验码CRC循环冗余校验码，用于检测和纠正数据传输过程中的错误，提高系统可靠性数据表示与运算原码表示反码表示最高位为符号位，表示正正数与原码相同，负数为0数，表示负数其余位表原码除符号位外各位取反1示数值的绝对值，直观易主要用作补码运算的中间懂但运算复杂步骤补码表示正数与原码相同，负数为反码加补码运算可以将减法转换为1加法，简化运算电路设计二进制的运算实例加法运算规则，，，（向高位进位）多位加法按位0+0=00+1=11+0=11+1=101进行，注意进位的传播和溢出检测减法运算技巧利用补码将减法转换为加法运算被减数加上减数的补码，最终结果的符号位判断正负，简化了运算电路溢出检测方法当运算结果超出表示范围时发生溢出检测方法包括符号位检测法和双符号位检测法，确保运算结果的正确性第二部分逻辑代数基础基本概念逻辑代数是研究逻辑关系的数学工具，变量只能取或两01个值基本运算包括与、或、非三种基本逻辑运算，以及与非、或非等复合运算基本定律交换律、结合律、分配律等基本定律，为逻辑化简提供理论基础基本逻辑运算38基本运算类型真值表组合与、或、非是构三个基本运算可以组合出种不同AND ORNOT8成所有逻辑函数的基础运算的逻辑关系100%完备性仅用这三种基本运算就能实现任意复杂的逻辑功能复合逻辑运算运算名称逻辑符号真值表特点实际应用与非⊼只有全时输通用逻辑门NAND1出0或非⊽只有全时输通用逻辑门NOR0出1异或⊕输入相异时奇偶校验XOR输出1同或⊙输入相同时比较电路XNOR输出1逻辑代数基本定律对偶原理在逻辑表达式中互换·和+，0和1，得到对偶式德摩根定律A·B=A+B，A+B=A·B吸收律A+A·B=A，A·A+B=A分配律A·B+C=A·B+A·C交换结合律A+B=B+A，A·B=B·A逻辑函数表达方式真值表表示法逻辑代数表达式卡诺图表示法列出所有输入变量组合及对应输出值用逻辑运算符连接变量的代数式包将真值表以方格图形式表示，相邻格的表格形式直观明了，便于理解逻括与或式、或与式等标准形式便于子对应的变量组合只有一位不同便辑关系，是逻辑函数最基本的表示方进行代数运算和逻辑化简，是电路设于进行逻辑化简，直观显示最优覆盖法适合变量较少的简单函数分析计的重要工具方案最小项与最大项最小项定义最大项定义包含所有输入变量的与项，每个变量包含所有输入变量的或项，每个变量以原变量或反变量形式出现且仅出现以原变量或反变量形式出现且仅出现一次一次形式转换标准表达式两种标准形式可以通过德摩根定律和最小项之和构成最小项标准式，最大对偶原理相互转换项之积构成最大项标准式逻辑函数的代数化简基本公式法1直接运用逻辑代数基本定律和公式进行化简配项法人为增加项使其便于运用吸收律等进行化简因式分解法提取公因子，将表达式分解为几个因子的乘积形式代入法用新变量代替复杂表达式的一部分简化运算卡诺图及其应用二变量卡诺图三变量卡诺图方格图，个最小项相邻方格图，个最小项变量2×242×48格子在水平或垂直方向上只有按格雷码顺序排列，确保物理一个变量不同适合简单逻辑相邻的格子逻辑上也相邻化函数的直观化简简时注意边界的循环相邻四变量卡诺图方格图，个最小项行列变量都按格雷码排列相邻判断包4×416括上下、左右以及四个角的循环相邻关系卡诺图化简技巧成组合并规则相邻的格可以合并，合并的个数必须是的幂次合并后消除变化的变量，12保留不变的变量质蕴含项识别不能被其他更大组合包含的最大组合称为质蕴含项必要质蕴含项必须选取，其他质蕴含项按最优原则选择化简策略优先选择大的组合以减少项数覆盖所有的格且不重复覆盖选择项数少、1变量少的最优解无关项处理约束条件下不会出现的输入组合标记为无关项化简时可以将无关项当×作或以获得更简化的结果01第三部分组合逻辑电路基本逻辑门电路分析设计典型电路模块与门、或门、非门是构成所有数字电路组合逻辑电路的输出仅取决于当前输入，编码器、译码器、数据选择器等是常用的基础单元每种门电路都有特定的逻不依赖于电路的历史状态分析和设计的组合逻辑电路模块，广泛应用于数字辑功能和电气特性遵循严格的逻辑规则系统设计中基本逻辑门电路二极管逻辑最简单的逻辑门实现方式，但存在电平损失和带负载能力弱的问题晶体管逻辑和是主要技术，具有良好的驱动能力和噪声容TTL CMOS限性能对比速度快功耗大，功耗低抗干扰强，各有应用优TTL CMOS势逻辑门电路特性组合逻辑电路分析方法电路图分析从输入到输出逐级分析，写出各级的逻辑表达式，最终得到总的逻辑函数时序波形分析根据输入信号的时序变化，分析各节点的逻辑状态变化，绘制时序波形图功能验证通过真值表验证电路功能的正确性，检查是否存在竞争冒险等问题故障检测分析电路可能出现的故障模式，制定相应的检测和诊断方法组合逻辑电路设计步骤功能描述分析明确电路的输入输出要求，分析逻辑关系，建立完整的真值表确定所有输入变量和输出函数的对应关系逻辑函数化简利用代数法或卡诺图法对逻辑函数进行最简化选择合适的逻辑形式，考虑实际器件的限制和成本因素电路实现优化根据化简结果选择合适的逻辑门器件，绘制电路图考虑扇入扇出限制，进行时序分析和功能验证典型组合逻辑电路编码器二进制编码器将个输入信号编码为位二进制输出同时只能有一个输入有2^n n效，输出对应的二进制代码应用于数据压缩和信号选择优先编码器当多个输入同时有效时，按优先级选择最高优先级的输入进行编码是典型的线优先编码器，广泛应用于中断系统74LS1488-3键盘扫描应用在键盘接口电路中，编码器将按键信号转换为对应的数字编码结合扫描电路可以实现多键检测和防重复按键功能典型组合逻辑电路译码器二进制译码器显示译码器1将位二进制输入译码为个输出信号中将码转换为段数码管的驱动n2^n74LS47BCD7的一个信号使能控制地址译码器通过使能端控制译码器的工作状态，实现在存储器系统中选择特定的存储单元或外级联扩展设典型组合逻辑电路数据选择器多路选择器原理数据分配器功能逻辑函数实现是选数据选择器，通过位译码器可以作为选数据分利用数据选择器可以实现任意组合逻74LS15181374LS13818地址输入选择路数据输入中的一路输配器使用将一路输入数据分配到路辑函数将函数的最小项作为数据输88出具有选通控制端，可以实现数据输出中的一路通过地址控制选择输入，变量作为地址输入这种方法简的有条件传输选择器是实现数据路出通道，实现数据的定向分发功能化了复杂逻辑函数的硬件实现过程由的重要器件第四部分时序逻辑电路存储特性时钟同步时序逻辑电路具有记忆功时序电路通常需要时钟信能，输出不仅取决于当前号进行同步控制时钟信输入，还取决于电路的内号协调各部分的工作时序，部状态存储元件是实现确保数据传输和状态转换记忆功能的核心的正确性状态机设计复杂的时序逻辑可以用状态机描述通过状态转换图可以清晰地表达系统的行为逻辑，便于分析和设计基本触发器边沿触发在时钟信号的上升沿或下降沿触发状态改变电平触发在时钟信号的高电平或低电平期间响应输入变化主从结构由主锁存器和从锁存器串联构成，避免空翻现象锁存器D数据锁存器，输出跟随输入，具有透明传输特性锁存器SR基本RS锁存器，具有置位和复位功能常用触发器类型触发器类型输入端功能特点主要应用触发器、、无约束状态，计数器、分JK JK CLK时翻频器J=K=1转触发器、输出跟随输寄存器、移D DCLK入，延迟一位器个时钟触发器、时翻转，二进制计数T TCLK T=1时保持器T=0触发器的时序参数5ns建立时间数据在时钟有效沿前必须稳定保持的最小时间2ns保持时间数据在时钟有效沿后必须继续保持的最小时间100MHz最大频率触发器能够正常工作的最高时钟频率限制15ns传输延迟从时钟有效沿到输出稳定的传播延迟时间计数器设计异步计数器各级触发器的时钟输入来自前一级的输出，结构简单但速度较慢，存在累积延迟问题同步计数器所有触发器共用同一时钟信号，通过逻辑门控制各级的输入速度快但电路复杂可编程计数器可以通过控制信号改变计数模值的计数器74LS160/161是典型的可编程十进制/二进制计数器级联扩展通过进位输出和进位输入实现多片计数器的级联，扩大计数范围和增加计数位数移位寄存器串入串出串入并出数据串行输入，串行输出，常用于数数据串行输入，并行输出，用于串并据传输和延迟线应用转换和数据分配双向移位并入串出可以实现左移和右移操作，数据并行输入，串行输出，用于并串74LS194是典型的双向移位寄存器转换和数据压缩序列检测器型状态机型状态机Moore Mealy输出只取决于当前状态，与输输出同时取决于当前状态和当入无关输出在状态转换后的前输入输出变化可以在输入下一个时钟沿生效结构简单，变化后立即发生响应速度快，但可能需要更多状态状态数较少设计实例检测特定序列的序列检测器设计需要定义状态、画状态转1011换图、列状态表，最后实现电路考虑重叠和非重叠检测方式时序逻辑电路分析方法状态表分析列出所有可能的当前状态、输入组合及对应的次态和输出状态图绘制用圆圈表示状态，用箭头表示状态转换，标注转换条件时序图分析3根据输入序列和时钟信号，分析各时刻的状态和输出变化时序逻辑设计实例交通灯控制器实现十字路口交通灯的自动控制，包括红绿黄灯的时序切换和紧急情况处理需要考虑行人过街和车流量检测功能数字密码锁通过键盘输入密码序列，正确时开锁，错误时报警需要实现密码存储、比较和错误次数限制功能自动售货机实现商品选择、投币计数、找零和出货控制需要处理各种异常情况如缺货、投币不足等状态第五部分脉冲与波形技术脉冲特性脉冲信号是数字系统中的基本信号形式，具有特定的幅度、宽度和周期特性脉冲质量直接影响系统性能波形产生通过振荡器电路产生各种波形信号，包括方波、三角波和正弦波定时器是常用的波形产生器件555脉冲整形对失真的脉冲信号进行整形，恢复标准的逻辑电平施密特触发器是常用的脉冲整形电路脉冲信号参数单稳态触发器工作原理定时器实现应用实例555单稳态触发器具有一个稳定状态和一定时器是通用的单稳态电路，通过脉冲延时电路用于产生标准的延时信555个暂稳态在外部触发信号作用下，外接电阻和电容确定输出脉冲宽度号在数字系统中用作去抖动电路，R C电路从稳定状态转入暂稳态，经过一脉宽计算公式为具有触发消除机械开关的抖动干扰也可用于T=

1.1RC段时间后自动返回稳定状态输出脉输入端和复位端，便于控制和级联使脉冲宽度调制和定时控制等应用场合冲宽度由时间常数决定用RC多谐振荡器非稳态振荡器方波发生器设计多谐振荡器没有稳定状态，利用定时器构建的方波555在两个暂稳态之间不断切发生器电路简单可靠通换，产生连续的方波输出过调节电阻值可以改变输振荡频率由外部网络决出频率和占空比输出方RC定，可以产生从几赫兹到波信号可以作为数字系统几兆赫兹的信号的时钟源或测试信号压控振荡器电压控制振荡器的振荡频率受控制电压调节广泛应用于VCO锁相环、频率调制和自动频率控制系统中通过改变控制电压可以实现频率的连续调节施密特触发器迟滞特性噪声抑制电平转换波形整形具有两个不同的阈值电压，迟滞特性有效抑制输入信号可以将缓慢变化的模拟信号对失真的数字信号进行整形，上升阈值高于下降阈值，形中的噪声干扰，避免输出的转换为标准的数字逻辑电平恢复陡峭的上升和下降沿成迟滞回环错误跳变与转换技术A/D D/A采样定理采样频率必须大于信号最高频率的两倍，才能无失真地重建原始信号这是数字信号处理的基础理论2量化过程将连续的模拟量转换为离散的数字量量化位数决定精度，位n ADC的分辨率为1/2^n3逐次逼近ADC通过二分法逐位确定数字输出，转换时间固定结构相对简单，精度较高，应用广泛型Σ-ΔADC采用过采样和噪声整形技术，可以实现很高的分辨率适用于高精度、低速的测量应用第六部分数字集成电路与测量集成电路分类数字集成电路按工艺分为、等不同系列，按功能分为门TTL CMOS电路、触发器、计数器等不同类型具有各自的特点和应用领域参数测量方法数字电路的关键参数包括逻辑电平、时序特性、功耗等需要使用专门的测试设备和方法进行准确测量和评估数字仪表应用数字万用表、示波器、逻辑分析仪等是数字电路测试的重要工具这些仪表本身也是数字技术应用的典型实例数字集成电路家族电路系列工艺特点主要优势典型应用系列双极型工艺速度快，驱高速数字系TTL动能力强统系列互补工功耗低，噪便携式设备CMOS MOS艺声容限大系列射极耦合逻超高速，延高频通信系ECL辑迟小统混合信号模数混合工集成度高，系统级芯片IC艺功能强数字集成电路参数测量时序参数传输延迟、建立保持时间等关键时序指标1功耗测试静态功耗和动态功耗的准确测量方法负载能力扇入扇出特性和驱动能力评估抗干扰性噪声容限和电磁兼容性测试逻辑功能真值表验证和功能完整性检查数字示波器原理数字采样数据存储将连续的模拟信号按一定频率进行采将采样得到的数字数据存储在存储器样，转换为离散的数字样本中，便于后续处理和显示波形重构信号处理通过插值算法重建波形，在屏幕上显对存储的数据进行数字滤波、运算和示连续的波形曲线分析处理数字万用表设计转换电路显示驱动系统ADC采用高精度的积分型或通过微处理器控制或ADCΣ-LCD LED型实现模数转换转换数码管显示测量结果包括数ΔADC精度通常达到位，确保据处理、单位转换和显示格式14-24测量的高准确度电路设计需化功能具有背光控制和自动要考虑温度补偿和线性校正关机等节能特性校准保护电路内置标准参考电压源用于自动校准设计过载保护和防反接电路，保证仪表和被测电路的安全具有自动量程切换和峰值保持功能第七部分应用实例与系统设计系统设计方法综合应用实例新技术发展数字系统设计遵循自顶向下的设计方法，数字频率计、通信系统等复杂应用展示、和人工智能硬件代表了数FPGA DSP从系统需求分析开始，逐步细化到具体了数字电子技术的综合运用这些实例字电子技术的发展方向可编程逻辑和的电路实现包括功能划分、接口定义涵盖了信号处理、控制逻辑和人机交互专用处理器为复杂应用提供了灵活高效和性能优化等环节等多个方面的解决方案数字频率计设计信号调理电路输入信号经过放大、滤波和整形处理，转换为标准的电平脉冲信TTL号包括自动增益控制和触发电平调节功能闸门控制电路产生精确的计数闸门时间，通常为秒或其倍数闸门时间的精度直1接影响频率测量的准确度计数显示电路在闸门时间内对输入脉冲进行计数，计数结果即为频率值采用多级计数器扩展计数范围误差分析优化主要误差来源包括时基误差、量化误差和计数误差通过提高时±1基精度和增加闸门时间可以减小测量误差。