數(shù)字電路概述

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1、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 章 數(shù) 字 電 路 概 述 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)參考教材：數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第3版2009年6月第3版第2次印刷李慶常主編，機(jī)械工業(yè)出版社總學(xué)時(shí)：48學(xué)時(shí)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)：?jiǎn)为?dú)設(shè)課實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：16學(xué)時(shí)，1學(xué)分實(shí)驗(yàn)教材：電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)張玉平主編，北京理工大學(xué)出版社 章 數(shù) 字 電 路 概 述 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)考試形式：半開(kāi)卷考試卷面成績(jī) 70%平時(shí)成績(jī) 30% 章 數(shù) 字 電 路 概 述 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第1章 數(shù)字電路概述第2章 邏輯代數(shù)及其化簡(jiǎn)第3章 集成邏輯門電路第4章 組合邏輯電路第5章 觸發(fā)器第6章 時(shí)序邏輯電路第7章 脈沖波形的產(chǎn)生和整形第8章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和可編程邏輯器件第

2、9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換第10章 數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 章 數(shù) 字 電 路 概 述 第1章 數(shù)字電路概述 1.1 數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào) 1.2 數(shù)字信號(hào)的表示方法 1.3 數(shù)字電路的基本功能及其應(yīng)用 1.4 電路測(cè)試和故障排除 1.5 數(shù)字電路EDA仿真分析與設(shè)計(jì) 章 數(shù) 字 電 路 概 述 綜 述電子技術(shù)是20世紀(jì)發(fā)展最迅速、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，已使人們的日常生活發(fā)生了根本的變革。在我們的日常生活中有很多數(shù)字電子產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)/攝像機(jī)、手機(jī)、DVD、MP3/MP4以及數(shù)字電視等。因此，分析和設(shè)計(jì)數(shù)字電路已成為現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)不可缺少的部分。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.1 數(shù)字信號(hào)與模擬

3、信號(hào)在電子電路中，產(chǎn)生、傳遞、加工和處理的信號(hào)可以分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩大類。 模擬信號(hào)在時(shí)間和數(shù)值上都是連續(xù)的，即對(duì)應(yīng)于任意時(shí)間均有確定的電流或電壓值，并且其幅值是連續(xù)的，如正弦波信號(hào)就是典型的模擬信號(hào)。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.1 數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)某天最低氣溫是15C，最高氣溫是25C，則一天的氣溫變化是連續(xù)的。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.1 數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)與模擬信號(hào)不同，數(shù)字信號(hào)在時(shí)間和數(shù)值上是離散的，或者說(shuō)是不連續(xù)的，且其數(shù)值的變化都是某個(gè)最小量值的整數(shù)倍 。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.1 數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)處理模擬信號(hào)的電路稱為模擬電路。 處理數(shù)字信號(hào)的電

4、路稱為數(shù)字電路。自然界存在大量的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)以及模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)，并且這些系統(tǒng)往往并非獨(dú)立，而是相互滲透的，因此在進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)需要將兩者通過(guò)接口電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.1 數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)數(shù)字電路與模擬電路相比較，具有以下特點(diǎn)：一般采用二進(jìn)制，易實(shí)現(xiàn)，易復(fù)制抗干擾能力強(qiáng)，精度高 可編程性強(qiáng) 便于長(zhǎng)期存儲(chǔ)，使用方便 1.保密性好 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.2 數(shù)字信號(hào)的表示方法 數(shù)字信號(hào)的表示采用二值邏輯。 1. 二值邏輯在數(shù)字電路中，既可以用0和1組成二進(jìn)制數(shù)，表示數(shù)量的大小，也可以用其表示一個(gè)事物的兩種不同的邏輯狀態(tài)。當(dāng)表示邏輯狀態(tài)時(shí)，如：是與否、真

5、與偽、有與無(wú)、開(kāi)與關(guān)、高與低、通與斷、亮與滅等，這里的0和1不是數(shù)值，而是邏輯0和邏輯1。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.2 數(shù)字信號(hào)的表示方法這種只有兩種對(duì)立邏輯狀態(tài)的邏輯關(guān)系稱為 二值邏輯。用0和1表示邏輯關(guān)系時(shí)，二進(jìn)制數(shù)可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.2 數(shù)字信號(hào)的表示方法 2. 邏輯電平在數(shù)字電路中，用電平的高低來(lái)表示邏輯1和邏輯0。因此，邏輯電平是指電路中表示邏輯1和邏輯0的電平。 不同工藝的數(shù)字集成電路具有不同的邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)電源電壓為5V時(shí)，數(shù)字集成電路的兩大類TTL和CMOS電路對(duì)應(yīng)的邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)如下表所示。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.2 數(shù)字信號(hào)

6、的表示方法電路類型輸入電平/V輸出電平/V低電平VIL高電平VIH低電平VOL高電平VOHTTL 00.8 2.05 00.4 2.45CMOS 01.5 3.65 00.5 4.45 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.2 數(shù)字信號(hào)的表示方法3. 波形圖如果將數(shù)字電路的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的關(guān)系按時(shí)間順序依次排列起來(lái)，就得到了其波形圖，又稱為時(shí)序圖。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.2 數(shù)字信號(hào)的表示方法在畫電路的波形圖時(shí)，應(yīng)特別注意輸出與輸入之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系 。第3章學(xué)習(xí)的反相器的波形圖如下圖所示： 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.2 數(shù)字信號(hào)的表示方法實(shí)際脈沖波形一般如下圖所示 ： 章 數(shù) 字

7、電 路 概 述 1.3 數(shù)字電路的基本功能及其應(yīng)用典型的電子信息系統(tǒng)組成框圖 章 數(shù) 字 電 路 概 述第 1章 數(shù) 字 電 路 概 述 20 1. 信號(hào)采集與處理 信號(hào)采集與處理電路完成對(duì)傳感器的信號(hào)采集，并根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其進(jìn)行隔離、放大、濾波、運(yùn)算、轉(zhuǎn)換等處理。一般而言，該電路為模擬電路，在模擬電子技術(shù)中有其描述。2. 接口電路-A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器 對(duì)于多數(shù)系統(tǒng)而言，傳感器輸出的信號(hào)為模擬信號(hào) ，而處理系統(tǒng)為數(shù)字系統(tǒng)。 章 數(shù) 字 電 路 概 述第 1章 數(shù) 字 電 路 概 述 21 運(yùn)算電路 運(yùn)算電路可完成信息的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，這部分內(nèi)容在第4章組合邏輯電路中介紹。存儲(chǔ)電路-

8、存儲(chǔ)器 數(shù)字系統(tǒng)都需要對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)器在第8章中介紹。 對(duì)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，需要對(duì)其地址進(jìn)行譯碼，即通過(guò)地址譯碼器尋址到相應(yīng)的單元。譯碼器內(nèi)容將在第4章中介紹，如果需要對(duì)信息進(jìn)行顯示，也可在該章了解到七段譯碼器及數(shù)碼顯示等內(nèi)容。 章 數(shù) 字 電 路 概 述第 1章 數(shù) 字 電 路 概 述 22 波形的產(chǎn)生與整形電路-多諧振蕩器 CPU及很多數(shù)字電路正常工作時(shí)，需要時(shí)鐘信號(hào)，該信號(hào)可通過(guò)多諧振蕩器獲得，該部分將在第7章波形的產(chǎn)生與整形電路中介紹。分頻電路-計(jì)數(shù)器 系統(tǒng)通過(guò)多諧振蕩器產(chǎn)生了基準(zhǔn)時(shí)鐘以后，不同器件需要的時(shí)鐘頻率可能有所不同，此時(shí)可通過(guò)分頻電路-計(jì)數(shù)器獲得所需要的其

9、他脈沖信號(hào)，分頻器的設(shè)計(jì)與分析在第6章時(shí)序邏輯電路中介紹。 章 數(shù) 字 電 路 概 述第 1章 數(shù) 字 電 路 概 述 23 順序脈沖發(fā)生器 系統(tǒng)各組成部分需要按照事先規(guī)定的順序協(xié)調(diào)工作，順序脈沖發(fā)生器便可產(chǎn)生此種信號(hào)以完成對(duì)各部分的控制。此部分內(nèi)容在第6章中介紹。信號(hào)的驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行 系統(tǒng)輸出的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大后，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成控制功能。功放電路在模擬電子技術(shù)中有說(shuō)明。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.3 數(shù)字電路的基本功能及其應(yīng)用某空調(diào)顯示控制電路框圖 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.4 電路測(cè)試和故障排除故障排除是指系統(tǒng)地隔離、辨識(shí)及定位電路和系統(tǒng)故障的技術(shù)。在進(jìn)行故障排除時(shí)，需對(duì)電路

10、進(jìn)行測(cè)試，并進(jìn)行故障診斷。故障診斷是一種了解和掌握設(shè)備在使用過(guò)程中的狀態(tài)的技術(shù)，以確定其整體或局部是否正常，早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因?qū)⒛茴A(yù)報(bào)故障發(fā)展趨勢(shì)。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.4 電路測(cè)試和故障排除電路測(cè)試組成框圖在數(shù)字電路的故障排除和測(cè)試中經(jīng)常用到的儀器設(shè)備有：萬(wàn)用表、示波器、邏輯分析儀、邏輯筆和信號(hào)發(fā)生器等。 章 數(shù) 字 電 路 概 述第 1章 數(shù) 字 電 路 概 述 27 1.4.1 電路測(cè)試及故障排除的儀器設(shè)備萬(wàn)用表是一種多用途、多量程的便攜式儀表，它集電壓表、電流表和歐姆表于一體，可以進(jìn)行交、直流電壓和電流以及電阻等多種電量的測(cè)量，有的萬(wàn)用表還可以測(cè)量晶體管的主要參數(shù)及電容器

11、的電容量等。 章 數(shù) 字 電 路 概 述第 1章 數(shù) 字 電 路 概 述 28 1.4.1 電路測(cè)試及故障排除的儀器設(shè)備示波器是電子測(cè)量中一種常用的儀器，它是觀察波形的窗口，可讓設(shè)計(jì)人員或維修人員將人眼看不到的信號(hào)變化轉(zhuǎn)換成可直接觀察的波形，并顯示在熒光屏上，以便人們進(jìn)行電路觀察、分析和測(cè)量。邏輯分析儀是一種類似于示波器的波形測(cè)試設(shè)備，它可以監(jiān)測(cè)硬件電路工作時(shí)的邏輯電平（高或低），存儲(chǔ)后采用圖形的方式直觀地表達(dá)出來(lái)，便于用戶檢測(cè)、分析電路設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。 章 數(shù) 字 電 路 概 述第 1章 數(shù) 字 電 路 概 述 29 1.4.1 電路測(cè)試及故障排除的儀器設(shè)備邏輯筆是一種方便的手持式數(shù)字電路測(cè)試

12、工具。它可檢測(cè)到電路的高電平、低電平、單脈沖、連續(xù)脈沖以及開(kāi)路等邏輯信息，并進(jìn)行提示，其體積小、使用靈活、攜帶方便。 信號(hào)發(fā)生器又稱為函數(shù)發(fā)生器，是一種應(yīng)用非常廣泛的電子設(shè)備，常作為電子測(cè)量系統(tǒng)中的信號(hào)源。信號(hào)發(fā)生器提供正弦波、方波、三角波等多種信號(hào)波形 。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.4.2 故障排除 1. 故障排除的方法直接觀察法 參數(shù)測(cè)試法信號(hào)跟蹤法部件替換法斷路法短路法 章 數(shù) 字 電 路 概 述第 1章 數(shù) 字 電 路 概 述 31 1.4.2 故障排除直接觀察法 直接觀察法包括斷電觀察和加電觀察兩種方法。 斷電觀察是指檢查元器件有無(wú)損壞、引腳有無(wú)接錯(cuò)、電路布局布線是否正確等。

13、加電觀察則是查看電路有無(wú)發(fā)燙、冒煙、發(fā)出焦味、打火、開(kāi)路及短路等現(xiàn)象。 章 數(shù) 字 電 路 概 述第 1章 數(shù) 字 電 路 概 述 32 1.4.2 故障排除參數(shù)測(cè)試法 該方法借助于儀器，測(cè)試電路或元器件的參數(shù)，通過(guò)理論分析找出故障原因。信號(hào)跟蹤法 該方法是在電路輸入端接入合適信號(hào)，通過(guò)示波器，按信號(hào)的流向，從前級(jí)向后級(jí)逐級(jí)觀察信號(hào)波形變化情況，以判定故障。部件替換法 元器件替換法將電路中可能存在故障的元器件采用正常元器件進(jìn)行更換，觀察故障是否排除。 章 數(shù) 字 電 路 概 述第 1章 數(shù) 字 電 路 概 述 33 1.4.2 故障排除斷路法 使用斷路法時(shí)，首先斷開(kāi)可能存在故障的電路，然后觀察

14、剩余電路是否正常，以此縮小故障范圍，加快排除速度。短路法 該方法采用臨時(shí)短接部分電路，將信號(hào)跳過(guò)部分可能存在故障的電路，觀察結(jié)果是否正確，以縮小故障范圍。 章 數(shù) 字 電 路 概 述第 1章 數(shù) 字 電 路 概 述 34 1.4.2 故障排除2. 信號(hào)跟蹤法故障排除的一般步驟故障排除前的準(zhǔn)備工作。 在任何故障排除前，首先應(yīng)檢查電源和地是否連接正確，是否存在電源和地的短路現(xiàn)象，這一點(diǎn)對(duì)保障電路器件的完好性非常重要，同時(shí)也應(yīng)保證測(cè)試儀器與被測(cè)電路的共地性。 章 數(shù) 字 電 路 概 述第 1章 數(shù) 字 電 路 概 述 35 1.4.2 故障排除根據(jù)故障現(xiàn)象判定故障可能發(fā)生的部位。從故障部位的輸入開(kāi)始

15、，一個(gè)一個(gè)芯片地進(jìn)行分析, 對(duì)于每個(gè)芯片，對(duì)應(yīng)其輸入信號(hào)，采用邏輯筆、示波器或邏輯分析儀，測(cè)試其輸出信號(hào)，并與理論輸出結(jié)果相比較，判定芯片的完好性。 如果所測(cè)試芯片正常，則測(cè)試下一芯片，直至故障排除。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.5 數(shù)字電路EDA仿真分析與設(shè)計(jì) 隨著現(xiàn)代電子系統(tǒng)的復(fù)雜化，計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的工程仿真軟件已經(jīng)成為現(xiàn)代電子技術(shù)的基本分析設(shè)計(jì)工具。仿真分析可以大大地縮短研制周期，節(jié)約成本，它已經(jīng)具有舉足輕重的作用。所謂仿真分析，是指使用計(jì)算機(jī)對(duì)所設(shè)計(jì)電路的結(jié)構(gòu)和行為進(jìn)行預(yù)測(cè)，仿真器以文本形式或波形圖等形式給出電路的輸出，以便設(shè)計(jì)者分析系統(tǒng)，修改系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 章 數(shù) 字 電 路 概 述

16、1.5 數(shù)字電路EDA仿真分析與設(shè)計(jì)EDA仿真軟件已有很多種，常用的有PSpice和Electronics Workbench EDA（EWB）等。EWB支持模擬和數(shù)字混合電路的分析和設(shè)計(jì)。Multisim2001為用戶提供了類型豐富的虛擬儀器，這些虛擬儀表主要包括示波器、萬(wàn)用表、函數(shù)發(fā)生器、失真度分析儀、頻譜分析儀、邏輯分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等，從而使電路仿真分析操作更符合電子工程技術(shù)人員的實(shí)驗(yàn)工作習(xí)慣。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.5 數(shù)字電路EDA仿真分析與設(shè)計(jì)需要說(shuō)明的是本書一般采用A代表A的反變量，而在仿真中采用A代表A的反變量。當(dāng)采用EDA工具進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)時(shí)，需要將自己的設(shè)計(jì)輸入到計(jì)算機(jī)中。此操作稱為描述。常用的描述方式有兩種：原理圖方式和硬件語(yǔ)言輸入方式。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 本章小結(jié)本章作為本書及數(shù)字電路的概述，介紹了數(shù)字信號(hào)的基本概念、數(shù)字信號(hào)的表示方法、數(shù)字電路的基本功能、數(shù)字電路的測(cè)試/故障排除及EDA仿真。