數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 2

1、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ),欒江寧,一. 數(shù)字信號(hào)與數(shù)字電路,第1章 數(shù)字電路基礎(chǔ),§1.1 數(shù)字電路概述,模擬信號(hào)特點(diǎn)：在時(shí)間上和幅值上都是連續(xù)的。傳遞、加工和處理模擬信號(hào)的電路稱(chēng)為模擬電路。 數(shù)字信號(hào)特點(diǎn)：在時(shí)間上和幅值上都是不連續(xù)的離散信號(hào)。傳遞、加工和處理數(shù)字信號(hào)的電路稱(chēng)為數(shù)字電路也稱(chēng)為邏輯電路。,二.數(shù)字電路的特點(diǎn)和分類(lèi),數(shù)字電路按制作工藝可分為分立元件電路和集成電路兩大類(lèi)。,1、 按電路類(lèi)型分類(lèi) （1）組合邏輯電路

2、輸出只與當(dāng)時(shí)的輸入有關(guān)，如：編碼器、加減法器、比較器、數(shù)據(jù)選擇器。,（2）時(shí)序邏輯電路 輸出不僅與當(dāng)時(shí)的輸 入有關(guān)，還與電路原來(lái)的狀態(tài)有關(guān)。 如：觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器、寄存器 2、 按集成度分類(lèi) SSI →MSI→LIS→VLSI 表1.1.1 數(shù)字集成電路分類(lèi),三.數(shù)字電路的優(yōu)點(diǎn),數(shù)字電路便于高度集成化工作可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)數(shù)字信息便于長(zhǎng)期保存產(chǎn)品系列多、通用性強(qiáng)、成本低保密性好。易加密處理，不

3、易竊取,四.脈沖波形,1、脈沖：一些不連續(xù)作用的電壓或電流，它們的作用時(shí)間對(duì)于兩次停歇時(shí)間來(lái)說(shuō)，是很短的。在電子技術(shù)中，把這種作用時(shí)間短促的電壓或電流叫做脈沖，也可以把一切既非直流又非交流的電壓或電流統(tǒng)稱(chēng)脈沖。,2、幾種常見(jiàn)的脈沖,五.脈沖的主要參數(shù)1、脈沖幅度Um,指脈沖的上限值到下限值之間的變化，如Um為正值，則叫正脈沖；如為負(fù)值，則叫負(fù)脈沖。,2、脈沖前沿時(shí)間tr: 表示脈沖開(kāi)始時(shí)的過(guò)渡時(shí)間。對(duì)于正脈沖，前沿指脈沖上升時(shí)間，對(duì)于

4、負(fù)脈沖則指下降時(shí)間。一般指脈沖從0.1Um變化到0.9Um 。3、脈沖后沿時(shí)間tf：表示脈沖結(jié)束時(shí)的過(guò)渡時(shí)間。正脈沖的后沿即為下降時(shí)間，負(fù)脈沖的后沿則為上升時(shí)間。一般指脈沖從從0.9Um 下降到0.1Um 所需的時(shí)間。,,4、脈沖寬度tu 由前沿的0.5Um到后沿的0.5Um 所需的時(shí)間。,5、脈沖周期 T 兩個(gè)相鄰脈沖重復(fù)出現(xiàn)所間隔的時(shí)間。,6、脈沖頻率：脈沖周期 T 的倒數(shù)1/T=f為脈沖頻率。,7、占空比q：脈沖寬度 與脈沖

5、重復(fù)周期T的比值。q ＝tu ∕T。它是描述脈沖波形疏密的參數(shù)。,數(shù)制是一種計(jì)數(shù)方法，是計(jì)數(shù)進(jìn)位制的簡(jiǎn)稱(chēng)一、數(shù)制 1.十進(jìn)制數(shù)（最常用） 用0~9十個(gè)數(shù)碼來(lái)表示，計(jì)數(shù)基數(shù)是10，其中低位數(shù)和相鄰高位數(shù)間的關(guān)系是逢十進(jìn)一，故稱(chēng)為十進(jìn)制。每一位的權(quán)為10的冪。,§1.2 數(shù)制與編碼,例如：,任意十進(jìn)制數(shù)D可表示成為,2. 二；八；十六進(jìn)制數(shù)既轉(zhuǎn)十進(jìn)制數(shù) (1)二進(jìn)制數(shù) 每一位僅有0和1兩個(gè)可能的數(shù)碼

6、，計(jì)數(shù),基數(shù)為2；低位和相鄰高位之間的進(jìn)位關(guān)系是逢二進(jìn)一。每一位的權(quán)為2的冪。例如：,即二進(jìn)制數(shù)的各位加權(quán)系數(shù)的和就是對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。,(2)八進(jìn)制數(shù)：是以8為基數(shù)的計(jì)數(shù)體制。其進(jìn)位規(guī)律是逢八進(jìn)一，每一位的權(quán)為8的冪。如：,即八進(jìn)制數(shù)的各位加權(quán)系數(shù)的和就是對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。,,(3)十六進(jìn)制數(shù)：是以16為基數(shù)的計(jì)數(shù)體制。其進(jìn)位規(guī)律是逢十六進(jìn)一，每一位的權(quán)為16的冪。,3. 十進(jìn)制數(shù)與二；八；十六進(jìn)制數(shù)間的轉(zhuǎn)換,(1)十—二轉(zhuǎn)換,(2)十-

7、--八；十六轉(zhuǎn)換 例：(107.625)10=(1101011.101)2 (254.3584)10=(376.2674)8,將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)，需將整數(shù)和小數(shù)分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換。整數(shù)部分轉(zhuǎn)換分別采用“除2取余法”， 直到商為0。第一個(gè)余數(shù)為最低位，最后一個(gè)余數(shù)為最高位。 小數(shù)部分轉(zhuǎn)換分別采用“乘2取整法”， 第一個(gè)數(shù)為最高位，最后一個(gè)數(shù)為最低位。,(3)十進(jìn)制與二進(jìn)制對(duì)照表,二、常用編碼 1.二----十

8、進(jìn)制代碼,2.可靠性代碼,(1)格雷碼(無(wú)權(quán)碼),§1.3邏輯代數(shù)基礎(chǔ),邏輯變量及基本邏輯運(yùn)算,邏輯函數(shù)及其表示方法,一.邏輯變量與邏輯函數(shù),邏輯代數(shù)又稱(chēng)布爾代數(shù)，邏輯代數(shù)與普通代數(shù)相似之處在于它們都是用字母表示變量，用代數(shù)式描述客觀事物件的邏輯關(guān)系，但不同是，邏輯代數(shù)是描述客觀事物間的邏輯關(guān)系。邏輯函數(shù)表達(dá)式中的邏輯變量的取值和邏輯函數(shù)值只有兩個(gè)，即0和1。,1、 邏輯變量及基本邏輯運(yùn)算,(一)、邏輯變量,取值：邏輯0、邏輯

9、1。邏輯0和邏輯1不代表數(shù)值大小，僅表示相互矛盾、相互對(duì)立的兩種邏輯狀態(tài),(二)、基本邏輯運(yùn)算,與運(yùn)算,或運(yùn)算,非運(yùn)算,返 回,與邏輯真值表,與邏輯關(guān)系表,與邏輯,,開(kāi)關(guān)A,開(kāi)關(guān)B,燈F,斷 斷斷 合合 斷,合 合,滅滅滅,亮,A,B,F,1 0,1 1,0 1,0 0,0,0,1,0,,?,只有決定某一事件的所有條件全部具備，這一事件才能發(fā)生,或

10、邏輯真值表,或邏輯,? 1,A,B,F,1 0,1 1,0 1,0 0,1,1,1,0,F= A + B+ ...+ N,返 回,返 回,非邏輯,非邏輯真值表,,,1,A,F,0,1,1,0,(三)、復(fù)合邏輯運(yùn)算,與非邏輯運(yùn)算,或非邏輯運(yùn)算,與或非邏輯運(yùn)算,異或運(yùn)算,A,B,F,1 0,1 1,0 1,0 0,1,1,0,0,=1,同或運(yùn)算,返 回,0V,3V,二極

11、管與門(mén)電路,0V,3V,3V,3V,返 回,VL VL,1 1,1,1 0,0 1,0 0,0,0,0,0,0 1,0 0,1 0,1 1,1,1,1,VL,VL,VH,VL,VL VH,VH VL,VH VH,電平關(guān)系,正邏輯,負(fù)邏輯,返 回,(與門(mén)),(或門(mén)),(四)、正邏輯與負(fù)邏輯,2、邏輯函數(shù)及其表示方法,

12、(一)、邏輯函數(shù),用有限個(gè)與、或、非邏輯運(yùn)算符，按某種邏輯關(guān)系將邏輯變量A、B、C、...連接起來(lái)，所得表達(dá)式F = f（A、B、C、...）稱(chēng)為邏輯函數(shù)。,取值：邏輯0、邏輯1。邏輯0和邏輯1不代表數(shù)值,返 回,大小，僅表示相互矛盾、相互對(duì)立的兩種邏輯狀態(tài),(二)、邏輯函數(shù)的表示方法,真值表,邏輯函數(shù)式,邏輯圖,波形圖,,F,,斷“0”,合“1”,,亮“1”,滅“0”,0,0,0,0,1,1,0,? 挑出函數(shù)值為1的項(xiàng),1,? 每個(gè)

13、函數(shù)值為1的輸入變量取值組合成一個(gè)乘積項(xiàng),? 這些乘積項(xiàng)作邏輯加,F= ABC+ABC+ABC,,,返 回,返 回,公理,交換律,結(jié)合律,分配律,0?? 0 = 0,0?? 1 =1 ?? 0 =0,1?? 1 = 1,,0?+ 0 = 0,0?+ 1 =1 + 0 =1,1?+ 1 = 1,,A?? B = B ?? A,A?+ B = B ?+ A,(A?? B?)? C = A?? (B?? C),(A+ B?

14、)+ C = A+ (B+ C),,,,A?? ( B?+ C ) = A?? B+ A?? C,A?+ B ? C =( A?+ B)? (A+ C ),二、邏輯代數(shù)的運(yùn)算公式和規(guī)則,1、邏輯代數(shù)的公理、定律(公式),返 回,0-1律,重疊律,互補(bǔ)律,還原律,反演律,自等律,A? 0=0 A+ 1=1,A? 1=A A+ 0=A,,A? A=A A+ A=A,吸收律,消因律,包含律,合并律,A+A? B=A

15、 A ? (A+B)=A,1、邏輯代數(shù)的公理、定律(公式),摩根定律,第二章 門(mén)電路,,2.1 概述2.2 半導(dǎo)體二極管和三極管的開(kāi)關(guān)特性2.3 最簡(jiǎn)單的與、或、非門(mén)電路2.4 TTL門(mén)電路2.5 其它類(lèi)型的雙極型數(shù)字集成電路2.6 CMOS門(mén)電路2.7 其它類(lèi)型的MOS集成電路2.8 TTL電路與CMOS電路的接口,返 回,圖2.1.2 正邏輯與負(fù)邏輯,返 回,2.2 二極管和三極管

16、的開(kāi)關(guān)特性（一）,圖1 二極管開(kāi)關(guān)電路圖2 二極管的伏安特性圖3 二極管伏安特性的幾種近似方法圖4 二極管的動(dòng)態(tài)電流波形圖5 雙極型三極管的兩種類(lèi)型 (a)NPN型 (b)PNP型,,,,,,返回,下頁(yè),圖6 雙極型三極管的特性曲線 (a)輸入特性曲線 (b)輸出特性曲線圖7 雙極型三極管的基本開(kāi)關(guān)電路圖8 用圖解法分析圖2.2.7電路 (a)電路圖 (b)作圖方法圖9 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)等效電路 (

17、a)截止?fàn)顟B(tài) (b)飽和導(dǎo)通狀態(tài)圖10 雙極型三極管的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性,,,,,,圖1 二極管開(kāi)關(guān)電路,返回,圖2 二極管的伏安特性,返回,圖3 二極管伏安特性的幾種近似方法,返回,圖4 二極管的動(dòng)態(tài)電流波形,返回,圖5 雙極型三極管的兩種類(lèi)型 (a)NPN型 (b)PNP型,返回,圖6 雙極型三極管的特性曲線 (a)輸入特性曲線 (b)輸出特性曲線,返回,圖7 雙極型三極管的

18、基本開(kāi)關(guān)電路,返回,圖8 用圖解法分析圖7電路 (a)電路圖 (b)作圖方法,返回,圖9 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)等效電路 (a)截止?fàn)顟B(tài) (b)飽和導(dǎo)通狀態(tài),返回,圖10 雙極型三極管的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性,返回,2.3 最簡(jiǎn)單的與、或、非門(mén)電路,圖2.3.1 二極管與門(mén)圖2.3.2 二極管或門(mén)圖2.3.3 三極管非門(mén)（反相器）圖2.3.4 ,圖2.3.3電路的化簡(jiǎn),,,,,返回,圖2.

19、3.1 二極管與門(mén),返回,圖2.3.2 二極管或門(mén),返回,圖2.3.3 三極管非門(mén)（反相器）,返回,圖2.3.4 圖2.3.3電路的化簡(jiǎn),返回,2.4 TTL門(mén)電路（一）,圖1 TTL反相器的典型電路圖2 TTL反相器的電壓傳輸特性圖3 輸入端噪聲容限示意圖圖4 TTL反相器的輸入端等效電路圖5 TTL反相器的輸入特性圖6 TTL反相器高電平輸出等效電路,,,,,,返回,,下頁(yè),圖7 TTL反

20、相器高電平輸出特性圖8 TTL反相器低電平輸出等效電路圖9 TTL反相器低電平輸出特性圖11 TTL反相器輸入端經(jīng)電阻接地時(shí)的等效電路圖12 TTL反相器輸入端負(fù)載特性例一 ；例二,,,,,,,,返回,2.4 TTL門(mén)電路（二）,圖14 TTL反相器的動(dòng)態(tài)電壓波形圖15 TTL反相器的交流噪聲容限(a)正脈沖噪聲容限(b)負(fù)脈沖噪聲容限圖16 TTL反相器電源電流的計(jì)算(a)vO＝VOL 的情況

21、 (b)vO＝VOH的情況,,返回,,,上頁(yè),下頁(yè),圖17 TTL反相器的電源動(dòng)態(tài)尖峰電流圖18 TTL反相器電源尖峰電流的計(jì)算圖19 電源尖峰電流的近似波形圖20 TTL與非門(mén)電路圖21 多發(fā)射極三極管（a）結(jié)構(gòu)示意圖 （b）符號(hào)及等效電路,,,,,,返回,下頁(yè),上頁(yè),圖22 TTL或非門(mén)電路圖23 TTL與或非門(mén)圖24 TTL異或門(mén)圖25 推拉式輸出級(jí)并聯(lián)的情況圖26 集電極開(kāi)路與非門(mén)電路和圖形符號(hào),,,,,,下頁(yè),

22、上頁(yè),返回,2.4 TTL門(mén)電路（三）,返回,上頁(yè),下頁(yè),圖27 OC門(mén)輸出并聯(lián)的接法及邏輯圖圖28 計(jì)算OC門(mén)負(fù)載電阻最大值的工作狀態(tài)圖29 計(jì)算OC門(mén)負(fù)載電阻最小值的工作狀態(tài)例 2.4.4 圖31 三態(tài)輸出門(mén)的電路圖和圖形符號(hào)(a)控制端高電平有效 (b)控制端低電平有效,,,,,,圖32 用三態(tài)輸出門(mén)接成總線結(jié)構(gòu)圖33 用三態(tài)輸出門(mén)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸圖34 74H系與非門(mén)(74H 00)的電路結(jié)構(gòu)圖35

23、抗飽和三極管圖36 肖特基勢(shì)壘二極管的結(jié)構(gòu)圖37 74S系與非門(mén)(74S 00)的電路結(jié)構(gòu)圖38 74S系反相器的電壓傳輸特性圖39 74LS系與非門(mén)(74LS 00)的電路結(jié)構(gòu),返回,下頁(yè),上頁(yè),,,,,,,,,§ 2.4-1 與非門(mén)集成電路,一、二極管-三極管邏輯(DTL)集成電路,P,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的一種DTL型“與非”門(mén)電路如圖19-19所示,其由兩只三極管、六只二極管和四只電阻組成。在二極管組成的與門(mén)電路

24、和BG2 接成的反相器之間插入一個(gè)晶體管BG1和電勢(shì)轉(zhuǎn)移二極管D6。BGl為射極跟隨器,起電流放大作用,從而提高負(fù)載能力；二極管D6用來(lái)提高抗干擾能力。,現(xiàn)在我們來(lái)分析電路的邏輯關(guān)系。當(dāng)輸入端有一個(gè)或一個(gè)以上是低電勢(shì)(0.3V)時(shí)、則P端電勢(shì)0.3+0.7=1V( 二極管壓降為 0.7V)。由于 P端到地有BGl的發(fā)射結(jié)、二極管D6和BG2的發(fā)射結(jié),要使 BGl、D6和BG2導(dǎo)通,必須使P端電勢(shì)大于 3×0.7=2.1V。因

25、此,P 端電勢(shì)為1V時(shí),,BGl、D6 和BG2都截止,輸出F為高電勢(shì)(5V)。當(dāng)輸入都是高電勢(shì)(3.5V)時(shí),P端電勢(shì)升高, BGl、D6和BG2都導(dǎo)通,BG2飽和;輸出F為低電勢(shì)(0.3V),為BG2飽和時(shí)集電極與發(fā)射極之間壓降。當(dāng)三者都導(dǎo)通后,P端的電勢(shì)就鉗制在 3×0.7=2.1V,因此五個(gè)二極管都截止。故圖19-19是與非門(mén)電路。接入,D6使輸入電勢(shì)提高到Ub1=Ube1+Ud6+Ube2=2.1V,即低于2.1V的

26、干擾電勢(shì)對(duì)電路不起作用;如去掉D6(D6短路),輸入電勢(shì)降到Ub1=Ube1+Ube2=1.4V?？梢?jiàn)D6 起到直流電勢(shì)的轉(zhuǎn)移作用,提高了抗干擾作用。DTL 型與非門(mén)電路有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小等優(yōu)點(diǎn), 但工作速度慢 ,僅適用于低速開(kāi)關(guān)電路。,二、晶體管-晶體管邏輯(TTL)集成電路,圖19-20所示，它由一個(gè)多發(fā)射極晶體管BG1與一個(gè)晶體管BG2所組成的。多發(fā)射極晶體管中每個(gè)發(fā)射相當(dāng)于DTL電路中的二極管，起了與門(mén)的作用。 當(dāng)輸入端都

27、為高電勢(shì)(+3.6V)時(shí)，因?yàn)閁b1=Ubc1+Ube2=0.7+0.7=1.4V，所以多發(fā)射極晶體管的發(fā)射結(jié)處于反向偏置，沒(méi)有電流，而集電結(jié),處于正向偏置狀態(tài),電源Ec通過(guò)R1和BGl的集電結(jié)向BG2提供足夠基極電流,使BG2飽和導(dǎo)通,輸出端F為低電勢(shì)(+0.3V)。當(dāng)輸入端中一個(gè)(或幾個(gè))如eE為低電勢(shì)(+0.3V)時(shí),則發(fā)射結(jié)b1eE處于正向偏置,所以b1點(diǎn)電勢(shì)被鉗制在 Ub1=Ub1eE+0.3=0.7+0.3=1V。要使BG

28、1的,集電結(jié)和BG2的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通,b1點(diǎn)電勢(shì)必須大于這兩個(gè)結(jié)正向壓降的和(1.4V),故BG2截止,輸出端F為高電勢(shì)(+5V)。當(dāng)輸入端從高電勢(shì)變成低電勢(shì)的瞬間,由于BG2 在飽和時(shí)積累在基區(qū)的多余儲(chǔ)存電荷還來(lái)不及清除,故b2c2仍處于正向偏置,b2電勢(shì)還是0.7V,這時(shí)BG1飽和,它的集電極電流是,由 C1(即b2)流向eE, 這個(gè)電流正好成了BG2的反向基極電流,它能很快地從BG2的基極 “ 拉走 ” 多余的儲(chǔ)存電荷,從而使BG2迅

29、速脫離飽和狀態(tài)而進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài),提高了電路的開(kāi)關(guān)速度,這就是TTL與非門(mén)電路采用多極晶體管的的關(guān)鍵所在。電路開(kāi)關(guān)時(shí)間縮短到50ns以下。,圖2.4.1 TTL反相器的典型電路,返回,,多反射結(jié)結(jié)構(gòu),TTL與非門(mén)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),,結(jié)論同類(lèi)型門(mén)電路有相同的輸入輸出特性，因?yàn)樗鼈冇邢嗤妮斎搿⑤敵鼋Y(jié)構(gòu)，所不同的是中間倒相級(jí)?！?4系列,,TTL與非門(mén)典型電路,,圖19-21是TTL與非門(mén)的典型電路,它與圖19-20不同的地方,就是加入了B

30、G3、BG4組成的兩級(jí)射極輸出器和BG5反相器。,當(dāng)輸入端都是高電勢(shì)(+3.6V)時(shí),BG1的五個(gè)發(fā)射結(jié)都處于反向偏置,電源Ec(+5V )經(jīng)過(guò)BG1的集電結(jié)向BG2提供正向基極電流,使BG2飽和導(dǎo)通,,它的發(fā)射極電流又使BG5飽和導(dǎo)通,輸出端F為接近于零的低電勢(shì)。在BG2飽和導(dǎo)通時(shí),它的集電極電勢(shì)(0.3伏)只能使BG3輕微導(dǎo)通(其發(fā)射極電流約為0.l毫安,它使R4上只有約0.3伏的電壓,因而B(niǎo)G4的發(fā)射結(jié)沒(méi)有正向偏壓,BG4處于截

31、止?fàn)顟B(tài)。復(fù)合管BG3、BG4降低了輸出高電平時(shí)的輸出電阻，提高了電路帶負(fù)載的能力。,,當(dāng)輸入端有一個(gè)或幾個(gè)為低電勢(shì)時(shí),則BG1的基極b1對(duì)發(fā)射極eE是正向偏置,電源通過(guò)R1和b1的電流不再流向BGl的集電極Cl, 而是流向 eE,BG2基區(qū)的多余電荷則從b2流向C1,形成BG2的反向基極電流,使BG2 加速截止。BG2截止后,它的發(fā)射極就是BG5的基極,處于零電勢(shì),因此 BG5也很快截止,輸出端 F將很快變?yōu)楦唠妱?shì)。,TTL與非

32、門(mén)典型電路（74H系列）,三極管復(fù)合結(jié)構(gòu)提高驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力,,2)關(guān)門(mén)電平UOFF ，開(kāi)門(mén)電平UON,當(dāng)輸入電平在0V～ UOFF范圍都表示邏輯0，當(dāng)輸入電平在UON ～5V范圍都表示邏輯1，UOFF稱(chēng)為關(guān)門(mén)電平，UON稱(chēng)為開(kāi)門(mén)電平。,對(duì)TTL與非門(mén)電路：UOFF=0.8V，UON=1.8V,3)輸出高電平UOH=3V，輸出低電平UOL=0.3V,返回,圖2.4.20 TTL與非門(mén)電路,返回,圖2.4.21 多發(fā)射極三極