《数字电子技术基础》课件

数字电子技术基础本课程全面系统地介绍数字电子技术的基础知识，采用理论与实践相结合的教学方式课程基于阎石第六版教材，涵盖从基本逻辑概念到复杂数字系统设计的完整知识体系数字电子技术作为现代电子信息技术的核心基础，在计算机、通信、自动控制等领域发挥着关键作用通过本课程的学习，学生将掌握数字电路分析设计的基本方法，培养工程实践能力课程概述课程内容与目标学习方法与要求课程涵盖数字逻辑基础、集成要求学生理论与实践并重，通门电路、组合逻辑电路、时序过仿真实验加深理解，掌握基逻辑电路、存储器和可编程器本分析方法和设计技能，培养件等核心内容，培养学生的数创新思维和工程实践能力字电路分析与设计能力考核形式说明采用平时成绩、实验成绩和期末考试相结合的综合评价方式，注重理论知识掌握和实际应用能力的考查学习方法在科技活动中实际应用使用仿真软件工具积极参与科技创新活动，将所学通过实验理解消化熟练掌握Multisim等仿真软件的知识应用到实际项目中，培养创理解原理和应用的关系通过动手实验验证理论知识，加使用方法，通过仿真实验辅助学新思维和团队协作能力，为后续深入理解数字电路的基本工作原深对数字电路工作机制的理解，习，提高电路设计和调试能力课程学习打下坚实基础理，并能将理论知识与实际应用提高实践操作技能和观察分析能相结合，培养分析问题和解决问力题的能力第一章数字逻辑基础数字信号与模拟信号对比数字系统的基本特点数字电路的分类数字信号以离散的高低电平表示信息，数字系统处理离散的数字信号，具有稳数字电路分为组合逻辑电路和时序逻辑具有抗干扰能力强、精度高、易于处理定性好、可靠性高、易于集成和大规模电路两大类组合电路的输出只取决于和传输的优点模拟信号连续变化，容生产的特点数字系统的核心是逻辑运当前输入，时序电路的输出还与电路的易受到噪声干扰，但能直接反映物理量算和存储功能历史状态有关的变化数制与码制

（一）二进制表示方法进制转换方法二进制是数字电路的基础，只使掌握二进制与十进制、八进制、用和两个数字每一位的权值十六进制之间的相互转换方法01是的幂次，便于电路实现二除法取余法用于十进制转其他进2进制数的运算规则简单，适合逻制，按权展开法用于其他进制转辑电路处理十进制有符号数表示原码、反码、补码是表示有符号数的三种方法补码表示法在数字电路中应用最广，能统一处理正负数的加减运算，简化电路设计数制与码制

（二）BCD码及其应用ASCII码及其应用格雷码及其特性二十进制码用位二进制数美国标准信息交换码用位或格雷码是一种循环码，相邻-47表示一位十进制数，便于十位二进制数表示字符，是计两个码字只有一位不同这8进制数的显示和运算算机中字符编码的标准种特性使得在状态转换时避码是最常用的码统一了字符的表示方免了竞争冒险，广泛应用于8421BCD BCDASCII码，广泛应用于数字显示器法，实现了不同设备间的信轴角编码器和状态机设计和计算器中息交换中奇偶校验码通过增加一位校验位来检测数据传输中的单比特错误奇校验使得码字中的个数为1奇数，偶校验使得的个数为1偶数，提高数据传输的可靠性逻辑代数基础

（一）非运算NOT或运算OR输出与输入相反，变，变100任意输入为时输出就为，对，对应逻辑取反运算，符号111与运算AND应逻辑加法运算，符号为+为¯真值表应用所有输入都为时输出才为，列出所有输入组合及对应输出11对应逻辑乘法运算，符号为的表格，是分析和设计逻辑电·或省略路的基础工具逻辑代数基础

（二）基本定律交换律、结合律、分配律是逻辑代数的基础定律，为逻辑函数的变换和化简提供理论依据基本公式德摩根定理、吸收律、冗余律等公式是逻辑函数化简的重要工具，能够简化复杂的逻辑表达式化简方法代数化简法和卡诺图化简法是两种主要的逻辑函数化简方法，能够得到最简的逻辑表达式，减少电路复杂度第二章集成门电路集成电路基本概念集成电路是将多个电子元件制作在同一半导体衬底上的电路，具有体积小、功耗低、可靠性高的优点集成门电路分类按工艺分为双极型和单极型两大类，各有不同的TTL CMOS电气特性和应用领域TTL与CMOS比较速度快但功耗大，功耗低但速度相对较慢现代工TTL CMOS艺使得在速度和功耗方面都有显著改善CMOS集成门电路的性能指标

0.4V噪声容限电路能够正常工作时允许的最大噪声电压幅度10ns传输延迟输入信号变化到输出信号响应的时间间隔10mW静态功耗电路在静态工作时消耗的功率10扇出系数一个门电路能够驱动的同类门电路的最大数量门电路原理TTL输出级设计推拉式输出结构中间级放大信号放大与反相多发射极输入实现多输入逻辑功能门电路采用双极型晶体管构成，具有开关速度快、驱动能力强的特点多发射极输入晶体管实现多输入逻辑与功能，中间级提供TTL必要的增益，推拉式输出级确保强的驱动能力和快的开关速度门电路原理CMOS超低功耗设计静态功耗几乎为零高速开关特性现代工艺实现高速度强抗干扰能力噪声容限大于TTL门电路由和晶体管组成互补对结构，在静态时只有一种类型的管子导通，几乎无静态功耗电路具有对称的CMOS PMOSNMOS CMOS传输特性，噪声容限大，工作电压范围宽，是目前数字集成电路的主流技术第三章组合逻辑电路

（一）分析方法步骤从电路图写出逻辑表达式，列出真值表电路特点定义输出只依赖于当前输入状态，无记忆功能常见功能实现编码、译码、数据选择、算术运算等功能组合逻辑电路

（二）编码器原理与应用译码器原理与应用数据选择器原理与应用将多个输入信号编码为较少位数的二进制将二进制代码译成对应的输出信号七段根据地址控制信号从多个数据输入中选择代码输出优先编码器能处理多个同时输显示译码器将码转换为七段显示器的一个输出可实现并串转换、逻辑函数产BCD入，广泛应用于键盘扫描和中断处理系统驱动信号，实现数字显示功能生等功能，是数字系统中重要的数据路由中器件组合逻辑电路

（三）半加器设计实现两个一位二进制数相加，产生和位与进位输出全加器设计在半加器基础上增加进位输入，实现完整的一位加法运算多位并行加法器多个全加器级联构成，实现多位二进制数的快速并行加法组合逻辑电路

（四）比较器用于比较两个数的大小关系，输出大于、等于、小于三种状态奇偶校验电路通过异或门实现，能检测数据传输中的单比特错误这些电路在数字系统中承担着重要的数据处理和错误检测功能，是构建复杂数字系统的基础模块组合逻辑电路设计方法2需求分析与功能定义逻辑函数化简明确电路的输入输出要求，确定逻辑功能，建立真值表描采用代数法或卡诺图法对逻辑函数进行化简，得到最简的述输入输出关系逻辑表达式电路实现与优化测试与验证选择合适的门电路实现化简后的逻辑函数，考虑器件限制通过仿真或实际测试验证电路功能的正确性，确保满足设和性能优化计要求组合逻辑电路故障分析故障类型表现特征检测方法排除措施固定故障输出固定为或静态测试检查电源和接地01短路故障多个节点短接电阻测量查找短路点开路故障信号无法传输连续性测试修复断线延迟故障时序不匹配示波器观测更换器件第四章半导体存储电路存储器分类RAM与ROM区别基本参数指标按功能分为只读存储器可读可写但断电丢存储容量、存取时间、RAM和随机存取存储器失数据，只读但数功耗、工作电压是存储ROM ROM按工艺分为双极据永久保存用于器的主要参数容量越RAM RAM型和型按存储原临时数据存储，用大、速度越快、功耗越MOS ROM理分为静态和动态存储于程序和固定数据存低的存储器性能越好器储随机存取存储器RAM静态RAM工作原理动态RAM工作原理RAM应用电路使用双稳态触发器存储数据，只要利用电容存储电荷表示数据，需要在计算机系统中作为主存储器使SRAM DRAM RAM有电源供应就能保持数据存取速度周期性刷新以保持数据集成度高，成用，配合地址译码器、数据缓冲器和控快，但集成度低，功耗相对较大，主要本低，但存取速度相对较慢，主要用于制逻辑构成完整的存储子系统用于高速缓存主存储器现代还具有多种工作模式，如突发RAM的存储单元由个晶体管组成，具的存储单元只需一个晶体管和一个模式、页面模式等，以提高数据传输效SRAM6DRAM有非破坏性读出特性，读写操作简单，电容，结构简单，但需要复杂的刷新和率和系统性能但制造成本较高预充电控制电路只读存储器ROMFlash ROM电擦除可编程只读存储器EPROM紫外线擦除可编程只读存储器EEPROM电可擦除可编程只读存储器PROM一次性可编程只读存储器Mask ROM掩膜只读存储器，出厂时编程系列从最初的掩膜发展到现在的存储器，可编程性和擦除便利性不断提高存储器结合了的快速存取和的非易失性特点，成为现代电子设备ROM ROMFlash FlashRAM ROM中最重要的存储器类型存储器的扩展位扩展方法多个存储器芯片并联使用，共享地址线，各自提供数据线的不同位，实现数据字长的扩展字扩展方法多个存储器芯片分别对应不同的地址范围，通过地址译码器选择不同芯片，实现存储容量的扩展字位同时扩展结合位扩展和字扩展技术，既增加存储容量又扩展数据字长，构成大容量高性能的存储系统第五章时序逻辑电路基础时钟控制特性同步时序电路输出不仅依赖当前输入，还与电路历史所有触发器共用统一时钟信号，状态同状态有关步变化分析方法体系异步时序电路状态表、状态图、时序图是分析时序电触发器状态变化时间不同，电路分析较路的工具复杂触发器基础

（一）RS触发器原理JK触发器原理基本触发器由两个或非门交叉触发器消除了触发器的约RS JKRS耦合构成，具有置位和复位功束条件，当时实现状态翻JK=11能时状态不确定，实际转功能触发器是最通用的触RS=11JK应用中要避免这种情况时钟发器，可以实现、、触发RS RSD T触发器增加了时钟控制，只在时器的所有功能钟有效时才响应输入触发器时序特性建立时间和保持时间是触发器的重要时序参数输入信号必须在时钟有效沿前的建立时间内稳定，并在时钟沿后的保持时间内保持稳定触发器基础

（二）D触发器触发器具有数据锁存功能，输出在时钟有效沿跟随输入的D QD状态结构简单，应用广泛，是构成寄存器的基本单元T触发器触发器具有计数功能，当时在每个时钟沿翻转状态，T T=1T=0时保持原状态常用于构成二进制计数器和分频器主从触发器主从结构触发器由两级锁存器构成，有效消除了一次变化现象主触发器在时钟高电平接收数据，从触发器在时钟下降沿输出数据触发器的应用电路分频电路设计利用触发器或触发器构成分频器，每个触发器可实现二分频功能T JK多级触发器级联可实现任意整数分频，广泛应用于时钟信号处理中计数器设计触发器是构成计数器的基本单元，通过不同的连接方式可实现加法计数器、减法计数器或可逆计数器计数器在数字系统中承担着重要的计时和计数功能数据寄存器设计多个触发器并联构成数据寄存器，能够同时存储多位二进制数D据寄存器是和存储器之间的缓冲区，对提高系统性能起着CPU关键作用计数器

（一）同步计数器工作原理异步计数器工作原理不同进制计数器设计所有触发器共用同一时钟信号，状态同前一级触发器的输出作为后一级的时钟通过改变反馈逻辑可以实现任意进制的时变化同步计数器没有累积延迟，工输入，状态逐级变化异步计数器结构计数器常用方法包括清零法、置数法作频率高，但逻辑电路相对复杂简单，但有累积延迟，限制了工作频和门控法，都能有效改变计数器的模率值同步计数器的设计需要根据状态转换图确定各触发器的激励函数，然后用组合异步计数器适用于对速度要求不高的场十进制计数器广泛应用于数字钟表和计逻辑电路实现这些函数合，其最大计数频率受到累积延迟时间算器中，需要在计数到后自动清零并产9的限制生进位信号计数器

（二）可逆计数器设计环形计数器约翰逊计数器可逆计数器能够实现加环形计数器是移位寄存约翰逊计数器是环形计法和减法计数功能，通器的特殊应用，只有一数器的改进型，将移位过控制信号改变计数方个触发器为，其余为寄存器的输出取反后反1向设计时需要考虑加计数状态呈环形循馈到输入端计数状态0法和减法两种计数规环，常用于产生时序控数是触发器个数的两律，用控制信号选择不制信号和扫描信号倍，提高了计数器的利同的激励函数用率寄存器移位寄存器原理串入串出寄存器移位寄存器由多个触发器级联数据串行输入串行输出，常用构成，数据在时钟作用下逐位于串行数据传输和延迟线应移动根据数据输入输出方式用这种方式节省引脚数量，可分为左移、右移、双向移位但数据传输速度相对较慢等类型串入并出寄存器数据串行输入并行输出，实现串并转换功能广泛应用于串行通信接口，将串行数据转换为并行数据供后续电路处理状态机设计状态图表示法用圆圈表示状态，有向弧表示状态转换条件和输出米勒状态机设计输出只依赖于当前状态，适合同步时序电路设计状态机应用实例序列检测器、自动售货机控制、通信协议实现第六章脉冲波形的产生与整形50%占空比高电平时间占整个周期的百分比10ns上升时间脉冲从10%上升到90%幅值的时间1MHz重复频率单位时间内脉冲重复的次数5V脉冲幅度脉冲信号的最大电压值单稳态触发器脉冲产生功能产生固定宽度的脉冲信号555定时器实现外接电路确定脉冲宽度RC实际应用场景3延时电路、脉冲整形、防抖动单稳态触发器只有一个稳定状态，在外部触发信号作用下翻转到暂稳态，经过一定延迟时间后自动返回稳定状态这个延迟时间由外接的电路决定，可以精确控制脉冲宽度，在定时控制和脉冲整形中有重要应用RC多谐振荡器施密特触发器迟滞特性原理波形整形应用具有两个不同的阈值电压，实现抗干扰将缓慢变化或带噪声的信号整形为标准能力数字信号噪声抑制功能方波产生器迟滞窗口有效抑制输入信号中的噪声干配合网络可构成简单的方波发生器RC扰第七章数模与模数转换--转换基本概念数字信号与模拟信号之间的相互转换是连接数字系统与模拟世界的桥梁将数字码转换为模拟电压，将模拟电压转DAC ADC换为数字码量化误差与分辨率量化误差是由于位数有限造成的固有误差，分辨率定义为满量程除以的次方分辨率越高，量化误差越小，转换精度越2n高采样定理奈奎斯特采样定理规定采样频率必须大于信号最高频率的两倍，否则会产生频谱混叠，导致信号失真转换器D/AR-2R电阻网络DAC采用R和2R两种阻值的电阻构成梯形网络，具有电阻匹配要求低、精度高的优点每一位数字输入控制相应的模拟开关，将电流按二进制权重叠加输出权电阻网络DAC各位对应的电阻按二进制权重关系递增，通过求和放大器将各位电流相加电路概念简单，但对电阻精度要求很高，适用于中低分辨率应用DAC性能指标分辨率、精度、线性度、建立时间是DAC的主要性能指标还需考虑温度系数、电源抑制比等参数，这些指标决定了DAC在实际应用中的性能表现转换器A/D逐次比较型ADC双积分型ADC采用二分搜索算法逐位确定数字先对输入信号积分固定时间，再输出，转换时间固定为个时钟对基准电压反向积分至零，通过n周期电路包括采样保持器、比计时确定输入大小转换精度较器、和逐次比较寄存器，高，抗干扰能力强，但转换速度DAC是中速中精度应用的主流方案慢，适用于数字万用表等精密测量并行比较型ADC使用个比较器同时比较输入与各个基准电压，转换速度最快但硬件2^n-1复杂度最高主要应用于高速数据采集和实时信号处理系统中数据采集系统系统组成数据采集系统由传感器、信号调理电路、多路开关、采样保持器、和数字处理单元组成各部分协调工作实现模拟信号ADC的数字化处理多路复用技术多路开关允许一个处理多个模拟输入通道，降低系统成ADC本需要考虑通道间的串扰、建立时间和采样时序等问题采样保持电路在转换期间保持输入信号恒定，防止转换过程中信号变化ADC导致的错误采样保持放大器的获取时间和保持精度是关键参数第八章可编程逻辑器件基础FPGA配置接口、等配置方式JTAG SPI可编程互连灵活的布线资源连接各逻辑块存储资源分布式和块提供存储功能RAMRAM专用硬核、、高速收发器等硬核DSP PLL可配置逻辑块查找表和触发器构成的基本单元采用基于的配置存储器，可以重复编程配置现代集成了丰富的硬核资源，包括处理器、高速串行收发器、控制器等，实现了软硬件的深度融FPGA SRAMFPGA ARMDDR合简介Verilog HDL模块与层次化设计基本语法与数据类型模块是的基本设计单元，支持层次Verilog语言特点包括wire、reg等数据类型，always、化设计方法通过模块例化可以构建复杂Verilog HDL是硬件描述语言，支持结构assign等语句结构支持向量数据类型，的数字系统，实现设计的模块化和重用化、数据流和行为级建模语法类似C语能够描述总线和多位信号，提供丰富的操言，易于学习和使用，是FPGA和ASIC设作符进行逻辑和算术运算计的标准语言实际应用案例

（一）这些经典的数字电路应用案例展示了数字电子技术在日常生活中的广泛应用数字时钟利用分频器和计数器实现精确计时，交通灯控制系统采用状态机设计实现智能控制，简易计算器集成了键盘扫描、运算处理和显示驱动等多个功能模块实际应用案例

（二）数字频率计设计数字温度计设计简易数字示波器数字频率计通过在固定时间窗口内计数采用温度传感器将温度转换为电压信数字示波器将模拟信号数字化后进行存输入信号的周期数来测量频率系统包号，经过转换为数字信号后进行温储和显示主要包括前端放大器、ADC括输入整形电路、基准时钟发生器、计度补偿和标定系统还包括数据处理、、存储器、触发电路和显示控制系ADC数器和显示电路显示驱动和报警功能统关键技术包括信号预处理、闸门时间控设计要点包括传感器选择、信号调理、实现挑战包括高速采样、大容量存储、制和多位计数器设计现代频率计还具非线性校正和温度补偿算法的实现实时显示和复杂的触发算法现代示波有自动量程切换和平均测量功能器还具有频谱分析和协议解码功能。