数电教学侯建军课件

数字电子技术教学课件侯建军教授主讲目录数字电子技术概述数制与编码历应领进转换编码发展程、用域与基本原理制与各种系统逻辑代数基础组合逻辑电路设计逻辑数编码译码选择运算与代定律加法器、器、器、多路器时序逻辑电路设计存储器与寄存器状态时组触发器、机与序分析RAM、ROM与寄存器数字电路实验指导典型应用案例分析验项实设备与目指南第一章数字电子技术概述数术现术础应计字电子技是代信息技的基，广泛用于算机、通信、自领将带动控制等域本章您了解发展历程与应用领域规数术从真空管到晶体管，再到大模集成电路，字技的革命性发展彻底改变了人类社会模拟与数字电路的区别连续数模拟信号变化，字信号离散取值，两者处理方式与优缺点完全不同数字系统基本组成数字电路的优势数显术势这现导与模拟电路相比，字电路具有著的技优，也是它在代电子系统中占据主地位的根本原因便于存储和传输易于实现复杂逻辑抗干扰能力强过组逻辑数现通合大量基本门电路，字系统可以实极其复杂逻辑术数数状态的功能，支持算运算、据处理、控制等多种功字信号只有0和1两种，即使受到一定程度的远围过阈识别这数能，超模拟电路的能力范干扰，只要不超值，仍能正确使得字系统杂环现在复电磁境中表出色，信息处理精度高第二章数制与编码数础数编码们计数将详细绍字系统的基是制与，它是理解和设字电路的前提本章介数制转换方法常用编码方式进进进进码进数进编码二制、八制、十制、十六制BCD用于十制的二制转换规则之间的相互与技巧表示码数仅格雷相邻值一位变化的特殊编码码计标编码ASCII算机中字符的准系统编码的重要作用数制转换实例数转换数术础进转换对数关制是字电子技的基操作，掌握不同制之间的方法于理解字系统至重要十进制数156转换为其他进制二进制数101101转换转换为二进制转换为八进制转换为十进制156÷2=78余0156÷8=19余41×25+0×24+1×23+1×22+0×21+1×2078÷2=39余019÷8=2余3=32+0+8+4+0+139÷2=19余12÷8=0余2=45结19÷2=9余1果2348BCD码表示9÷2=4余1码4÷2=2余045的BCD表示码2÷2=1余04的BCD0100码1÷2=0余15的BCD0101结果100111002转换为十六进制156÷16=9余129÷16=0余9结果9C16第三章逻辑代数基础逻辑数数计论础计数数代是字电路设的理基，提供了分析和设字系统的学工具逻辑变量与函数基本逻辑运算逻辑代数定律逻辑当为时变量只有0和1两个取值的变量与AND只有所有输入1，输出才基本公式幂等律、吸收律、互补律等为逻辑数关数应逻辑简转换1函描述输入与输出之间系的学定理用用于表达式的化与为为表达式或OR只要有一个输入1，输出就1逻辑诺图表示方法真值表、表达式、卡等非NOT输入取反，0变1，1变0与非NAND、或非NOR、异或XOR等复合运算逻辑代数定律举例逻辑数简换逻辑这计数代定律是化和变表达式的有力工具，掌握些定律可以设出更高效的字电路基本逻辑代数定律德摩根定理应用交换律A+B=B+AA·B=B·A顺换结输入变量的序可以互而不影响果结合律A+B+C=A+B+CA·B·C=A·B·C顺结运算序可以改变而不影响果分配律A·B+C=A·B+A·CA+B·C=A+B·A+C逻辑计逻辑开德摩根定理是设中最重要的定理之一可用于表达式的展或合并A·B=A+BA+B=A·B第四章组合逻辑电路设计组逻辑数仅当没记忆合电路是字系统的基本构成模块，其输出由前输入决定，有功能组合逻辑电路特点仅当过状态关1输出取决于前输入，与去无馈径记忆无反路，无功能数可用布尔代表达式完全描述常用组合逻辑电路现进数加法器实二制的加法运算2编码将编码为器多路输入更少的输出译码将编码转换为器信息多路输出选择选择为多路器在多个输入中一个作输出设计流程与方法写逻辑简现确定输入输出→建立真值表→出表达式→化→电路实半加器与全加器数计现术简单杂组逻辑应加法器是字算机中实算运算的核心部件，从的半加器到复的并行加法器，都是合电路的典型用半加器结构全加器与级联设计来进进全加器可以处理三个输入（A、B和自低位的位Cin），输出包括和S和向高位的位Cout全加器可由两个半加器和一个或门构成现进数来进半加器是最基本的加法电路，能实两个一位二制的相加，但不能处理自低位的位进·第一个半加器处理A和B，得到中间和S1和位C1终进·第二个半加器处理S1和Cin，得到最和S和位C2输入输出过终进·C1和C2通或门得到最位Cout进A BS（和）C（位）级应过将级连级数现进数联用通前一全加器的Cout接到下一的Cin，可以构建任意位的并行加法器，实多位二制的加法运算0000011010101101译码器与编码器实例4-2编码器设计2-4译码器电路实现编码将编码为进码键盘扫断4-2器4个输入信号2位二制，常用于描和优先中系统输入输出I3I2I1I0Y1Y0译码将进转换为应码显驱2-4器2位二制输入4位输出，每次只有一个输出有效，广泛用于地址解和示动000100输入输出001x01A1A0Y0Y1Y2Y301x x100010001x xx11010100编码优先器表达式100010Y1=I3+I2110001Y0=I3+I1·I2译码逻辑器表达式多路选择器应用选择称数选择选择为组逻辑应数传逻辑数现多路器（也据器或多路复用器）是一种能够在多个输入信号中一个作输出的合电路，广泛用于据输和函实4选1多路选择器设计多路选择器功能应用选择仅数选择还现组逻辑多路器不可以用于据，能灵活实各种合功能通用逻辑函数生成器过将选择连数连选择现逻辑数通输入接到变量，据输入接到常量0或1，多路器可以实任意n变量的函并串转换器选择将数转换为数数传应利用多路器可以并行据串行据流，在据输系统中广泛用可编程逻辑阵列选择组编逻辑阵为现论础多个多路器合可以构成可程列，代FPGA和CPLD提供了理基选择结规现数多路器具有构整、易于集成的特点，是代字系统中不可或缺的基本模块选选择数线选择线数线41多路器有4个据输入（D0-D3）、2个控制（S1,S0）和1个据输出（Y）选择信号输出S1S0Y00D001D110D211D3现实方式第五章时序逻辑电路设计时逻辑记忆数仅当还历状态关现数储础序电路是具有功能的字电路，其输出不取决于前输入，与电路的史有，是实字系统存和控制功能的基时序电路定义与分类触发器种类与原理状态机设计方法当状态关逻储单锁计定义输出与输入和电路前相的基本存元存器与触发器设流程辑状态状态编码电路主要类型RS、JK、D、T触发器

1.确定变量与状态转图状态时时传迟分类

2.建立移和表工作特性建立间、保持间、输延时时时数·按钟信号同步序电路与异步序

3.确定触发器类型和量触发方式电平触发、边沿触发（上升沿/导状态转电路下降沿）

4.出移方程和输出方程状态仅状态现·按描述Moore型（输出与

5.电路实与优化关状态有）与Mealy型（输出与和输入关有）触发器详解时逻辑储单储进计数状态杂时础触发器是序电路的基本存元，能够存1位二制信息，是寄存器、器和机等复序电路的基构件12RS触发器JK触发器最基本的触发器类型，有两个输入R（复位）和S（置位）当时当时S=1，R=0，输出Q=1；S=0，R=1，输出Q=0状态导结S=R=1是禁止，会致不确定果寄存器与计数器计数杂时逻辑应数数储计数寄存器和器是基于触发器构建的更复的序电路，广泛用于字系统的据存和功能移位寄存器计数器计数预环计数时数组器是一种能够按照定序列循的序电路，是字系统中的重要成部分分类同步计数器时所有触发器由同一钟信号控制状态转换时杂同发生，速度快但电路复级储进数现时移位寄存器是由若干触发器联而成的，能够存多位二制据并实移位操作的序电路基本类型异步计数器数·串入串出据按位依次输入和输出级为级时数时前一触发器的输出作后一的钟输入·串入并出据按位输入，所有位同输出简单稳态时电路但速度受限，存在亚风险·并入串出所有位同输入，按位输出状态机设计基础状态为数数计状态规来计杂时为机是描述系统行的学模型，在字系统设中，机提供了一种范化的方法设和分析具有复序行的电路状态图与状态表Moore与Mealy型状态机Moore型状态机仅当状态关关输出与前有，与输入无稳输出信号定，不受输入变化影响状态图标记状态内在中，输出在部状态图状态图过圆状态状态转是机的形化表示，通圈表示，箭头表示移状态状态当状态状态表是机的表格化表示，包含前、输入、下一和输出计设流程问题状态

1.分析，确定输入、输出和所需绘状态图状态

2.制或表状态编码进码

3.确定方式（二制、格雷等）导状态转

4.出移方程和输出方程选择现

5.合适的触发器类型实电路第六章存储器与寄存器储数读数组储应场存器是字系统中保存和取据的重要成部分，不同类型的存器具有不同的特性和用景存储器分类基本结构与参数结按存取方式基本构储数访问储单阵·随机存取存器RAM任意位置据可以随机·存元列顺储数顺访问译码·序存取存器据按特定序·地址器储读写按存特性·控制电路数缓读储内断·据冲器·只存器ROM容固定，电不丢失读写储读写断数·存器RAM可可，电丢失主要参储断内储数·非易失性存器电不丢失且可更改容·容量能存的总位访问时时·速度间与周期间宽读写数数·位每次的据位寄存器组设计组组临时储数寄存器是CPU中的核心件，用于存据和指令结构特点·多个寄存器并行排列逻辑·具有统一的控制访问·支持并行多个寄存器计虑设考读写数·端口量数宽·寄存器量与位时·序要求与功耗控制存储器实例分析储应场们区别对计数关不同类型的存器具有各自的特点和用景，了解它的于设高效的字系统至重要静态RAM与动态RAM比较各类ROM对比静态RAM SRAM储单存元6个晶体管构成的触发器电路编类型可程性擦除方式特点特点编丝术编应数PROM一次性可程不可擦除使用熔技，程后不可更改·只要有电源供，据就能保持访问·速度快，无需刷新编线专·集成度低，功耗高，成本高EPROM多次可程紫外擦除需要用擦除器，擦除整个芯片应缓场用CPU存、寄存器文件等高速合编节级编EEPROM多次可程电擦除可以电擦除，支持字程动态RAM DRAM编级Flash多次可程电擦除块擦除，高密度，低成本储单存元一个晶体管和一个电容现储为储术应代系统中，Flash存器因其高密度、低成本和非易失性特点，已成主流的非易失性存技，广泛用于各类嵌入式系统、移动设备和大容量存储特点设备渐·电容上的电荷会逐泄漏，需要定期刷新访问较·速度慢，但集成度高·功耗低，成本低第七章数字电路实验指导验数术习环节过践对论识养计调试实是字电子技学的重要，通动手实可以加深理知的理解，培电路设和能力1实验目的与要求数计掌握字电路的基本工作原理与设方法养计调试测试培电路分析、设、和能力数熟悉常用字集成电路的使用方法数计了解字系统设的一般流程2常用实验器材与仪器数逻辑计数字集成电路74系列门、触发器、器等验验开实平台面包板、实箱、FPGA发板测数逻辑量仪器字万用表、分析仪、示波器辅线夹助工具跳、IC、电源等3基本实验方法计计逻辑电路设根据功能要求设电路选选择元件型合适的集成电路芯片计图连电路搭建按照设接电路测试验证计功能电路功能是否符合设要求现问题故障排除分析和解决电路中出的实验项目示例数验项础综应渐进数计以下是几个典型的字电路实目，从基到合用，帮助学生循序地掌握字电路设技能组合逻辑电路设计与测试触发器与计数器实验数字时钟设计实验验内验内验内实容实容实容逻辑测试时测试时产频·基本门特性·各类触发器序特性·钟脉冲生与分计现计数计计数级计·加法器电路设与实·同步/异步器设·器联设编码译码验证频现显驱·器/器功能·分电路实·七段示动电路选择应计时键·多路器用实例·序列发生器设·钟校准与按控制逻辑逻辑关时这综验综应组逻辑时要求掌握门特性、真值表与表达式的系，以要求掌握触发器的工作原理、序特性分析方法，以及是一个合性实，要求学生合用合和组逻辑计计数术逻辑识数及基本合电路的设方法基于触发器构建器和序列发生器的技序知，完成一个功能完整的字系统这验项简难数内过亲计调试这对论识养些实目由到，覆盖了字电路的主要容，通手设和些电路，可以加深理知的理解，培实际工程能力实验注意事项数验过规调试验字电路实程中，遵循正确的操作范和掌握基本的方法，可以提高实效率和成功率电路连接规范与安全操作信号测量与故障排查观波形察要点观时频·使用示波器察钟信号的率和占空比检时·查信号的上升/下降间和抖动情况时观关时关·多通道同察相信号的序系常见故障及排查方法现故障象可能原因排查方法问题损检电路完全不工作电源或芯片坏查电源和芯片第八章典型应用案例分析过应数计践将论识应问题通分析实际用案例，可以了解字电路设的完整流程和工程实方法，所学理知用到实际中数字时钟设计案例简易计算器电路设计数字温度测量系统数时时产计数现术将转换为数进一个完整的字钟系统，包括基生、基于字电路实基本的算运算功能，涉及模拟温度信号字信号，并行处理数显驱键盘数结显环节显数术控制、示动和人机交互等功能模块输入、据处理和果示等和示的系统，展示字与模拟接口技这组逻辑时逻辑储术内过详细计现对数计些案例涵盖了合、序、存器和接口技等核心容，通分析其设思路和实方法，可以加深字系统设的理解数字时钟设计要点数时数计数译码显驱数数计字钟是一个典型的字系统，集成了器、器、示动等多种字电路模块，是理解字系统设的良好案例核心模块设计时钟脉冲产生与分频显示驱动电路设计产频为码转换为显编码晶振生基准率（通常

32.768kHz）BCD七段示频将频为态扫驱数码分电路基准率降至1Hz作秒脉冲动描动多位管关键术关键术技技荡荡产稳时译码转换编码·采用RC振器或晶体振器生定基·使用BCD-7段器进计数现频选择计数现扫·使用二制器实精确分·利用多路器和器实描虑偿扫频显闪烁·考温度补以提高精度·控制描率避免示按键输入与时间调整键数时图显连关时产计数按去抖动处理字钟系统框示了各功能模块之间的接系，包括基生、控显驱键制、示动和按接口等部分选择时逻辑模式与间设置问题时级计数级计时关键术系统需要解决的核心包括精确的间基准、多器的联设、间调稳显技整的人机交互以及定可靠的示输出计数现键·使用RC电路或器实按去抖计状态时调·设机控制间整流程逻辑误·增加保护防止操作简易计算器设计简计将数逻辑应术组逻辑时逻辑计数综应易算器是字电路用于算运算的典型案例，它融合了合和序的设方法，是理解字系统的合用运算逻辑设计输入输出接口设计错误检测与处理输入接口键盘阵扫·矩描电路键·按去抖动处理数编码·输入据与寄存输出接口数字温度测量系统数测数结应数测应字温度量系统是模拟信号与字处理相合的典型用，展示了字电路在实际量控制中的用方法传感器信号数字化数据处理与显示传过数转换转换为数数温度感器输出的模拟信号需要通模器ADC字信号才能由字电路处理数数进显观关键术字化后的温度据需要行处理和示，使用户能直地了解温度信息技传感器选择数据处理算法传数计将转换为常用温度感器·值算ADC输出实际温度值热宽围应数滤滤·电偶温度范，响快·字波移动平均、中值波等热线偿误·敏电阻成本低，非性·校准补消除系统差传标单转换摄换·集成温度感器输出准化，精度高·温度位氏度/华氏度切信号调理显示与控制信号处理电路课程总结核心知识点回顾设计思路与方法数计现过计质基础理论字电路设是一个从需求分析到系统实的完整程，遵循以下方法可以提高设效率和量需求分析与规格定义数编码·制与逻辑数础·代基标约明确系统功能、性能指和束条件数简·布尔函化方法系统划分与模块设计组合逻辑电路将杂为复系统分解功能明确的模块，定义接口·基本门电路与功能块电路实现与优化编码译码计·加法器、器、器设选择应选择现时资·多路器用合适的器件，实各功能模块，优化序和源验证与测试时序逻辑电路进验证时测试行功能、序分析和边界，确保系统可靠性·触发器工作原理计数计·器与寄存器设状态计·机设方法存储器与系统·RAM与ROM特性储计·存器接口设数综计·字系统合设学习建议与发展方向数术领础这术字电子技是电子信息域的基，掌握一技后，可以向多个方向发展数计开计数计计字集成电路设、嵌入式系统发、FPGA设、字信号处理、算机硬件设等议习过论践结验关术养维问题建在学程中注重理与实相合，多动手实，注新技发展，培系统思和解决的能力侯建军教授教学特色军数术领验独爱侯建教授在字电子技教学域拥有丰富经，形成了特的教学风格和方法，深受学生喜理论与实践紧密结合注重培养学生动手能力坚课讲课仅论侯教授持知行合一的教学理念，在堂解理在侯教授的程中，学生不需要掌握理，更要具论识时计验项将独计调试知的同，设了配套的实目，帮助学生备立设和电路的能力转为践抽象概念化具体实过进验项础逻辑杂数通逐步递的实目，从基门到复字论应验项养践问题维每个重要理点都有相的演示实和动手目，使系统，培学生的实能力和解决的思亲验学生能够身体电路的工作原理，加深理解励计创开计竞赛鼓学生自主设和新，展小型电子设，习热激发学情丰富的案例与实验资源来积验资内贴应侯教授多年累了大量真实工程案例和实源，使教学容近实际用开数验详验导扩资发了完整的字电路实平台和配套教材，提供实的实指和丰富的展源线习资库频讲练习习建立了上学源，包含视解、仿真演示和互动，方便学生自主学调为养习创为来专坚侯教授的教学方法强以学生中心，注重培学生的自主学能力和新精神，学生未的业发展奠定实础基参考资料与推荐书目为习数术选资书论验导线资帮助学生深入学字电子技，以下是精心挑的参考料和推荐目，包括理教材、实指和在源推荐教材与专著在线资源与工具核心教材实验与实践指导数术础军数术验军·《字电子技基》侯建著，高等教育出版社·《字电子技实教程》侯建著，高等教育出版社数逻辑计数计辉·《字设》M.Morris Mano著，电子工业出版社·《字电路设实用教程》李晓著，机械工业出版社数逻辑计计践·《字电路与设》周明德著，高等教育出版社·《FPGA设与实》宋戈著，电子工业出版社数计刚数维术张远·《字系统设与VHDL》王著，电子工业出版社·《字电路故障分析与修技》著，人民邮电出版社进阶阅读现数计伟·《代字电路设方法》朱正著，清华大学出版社数计·《字集成电路设》Neil H.E.Weste著，机械工业出版社计组计软·《算机成与设硬件/件接口》David A.Patterson著，机械工业出版社习课学平台与程数术础课·中国大学MOOC-字电子技基程·EdX-Digital Systems:From LogicGates toProcessors·Coursera-Digital Systems:Hardware/Software Design计仿真与设工具数逻辑软·Logisim-字电路仿真件计·Proteus-电子电路设与仿真工具计·Multisim-交互式电路设与仿真计软·Quartus Prime-Intel FPGA设件计环·Vivado DesignSuite-Xilinx FPGA设境资库区源与社开计资·OpenCores-源硬件设源数项码库·GitHub-字电子目与代计问区·Stack ExchangeElectronics-电子设答社致谢感谢侯建军教授的精彩讲授感谢同学们的积极参与课开热习们问讨论践仅课内程的成功离不每一位同学的情参与和刻苦学你的提、和实探索，不丰富了堂断进容，也推动了教学方法的不改期待你们的精彩未来数术时础这术将为们职开阔们来习字电子技是信息代的基，掌握门技你的业发展打广空间希望你在未的学断创为数术贡和工作中，能够不探索、新，字技的发展献力量数字世界，无限可能。