大學(xué)課件 數(shù)字邏輯基礎(chǔ) 1

1.1.數(shù)字邏輯基礎(chǔ)數(shù)字邏輯基礎(chǔ)1.1 數(shù)字電路與數(shù)字信號數(shù)字電路與數(shù)字信號1.2 數(shù)制數(shù)制1.3 二進制數(shù)的算術(shù)運算二進制數(shù)的算術(shù)運算1.4 二進制代碼二進制代碼1.5 二值邏輯變量與基本邏輯運算二值邏輯變量與基本邏輯運算1.6 邏輯函數(shù)及其表示方法邏輯函數(shù)及其表示方法1.1.1 數(shù)字技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用數(shù)字技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用1.1.2 數(shù)字集成電路的分類及特點數(shù)字集成電路的分類及特點1.1.3 模擬信號與數(shù)字信號模擬信號與數(shù)字信號1.1.4 數(shù)字信號的描述方法數(shù)字信號的描述方法1.1 數(shù)字電路與數(shù)字信號數(shù)字電路與數(shù)字信號1.1.1數(shù)字技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用數(shù)字技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用1.1數(shù)字電路與數(shù)字信號數(shù)字電路與數(shù)字信號80年代后年代后- ULSI ， 1 0 億個晶體管億個晶體管/片片 、 ASIC 制作技術(shù)成熟制作技術(shù)成熟目前目前- 芯片內(nèi)部的布線細微到亞微米芯片內(nèi)部的布線細微到亞微米(0.130.09 m)量級量級微處理器的時鐘頻率高達微處理器的時鐘頻率高達3GHz（109Hz）90年代后年代后- 97年一片集成電路上有年一片集成電路上有40億個晶體管。億個晶體管。6070代代-IC技術(shù)迅速發(fā)展：技術(shù)迅速發(fā)展：SSI、MSI、LSI 、VLSI。10萬個晶體管萬個晶體管/片。片。將來將來- 高分子材料或生物材料制成密度更高、三維結(jié)構(gòu)的電路高分子材料或生物材料制成密度更高、三維結(jié)構(gòu)的電路發(fā)展特點發(fā)展特點: :以電子器件的發(fā)展為基礎(chǔ)以電子器件的發(fā)展為基礎(chǔ)電子管時代電子管時代1906年，福雷斯特等發(fā)明了電子管；電子管年，福雷斯特等發(fā)明了電子管；電子管體積大、重量重、耗電大、壽命短。目前在體積大、重量重、耗電大、壽命短。目前在一些大功率發(fā)射裝置中使用一些大功率發(fā)射裝置中使用。電壓控制器件電壓控制器件電真空技術(shù)電真空技術(shù)晶體管時代晶體管時代電流控制器件電流控制器件 半導(dǎo)體技術(shù)半導(dǎo)體技術(shù)半導(dǎo)體二極管、三極管半導(dǎo)體二極管、三極管器件器件半導(dǎo)體集成電路半導(dǎo)體集成電路電路設(shè)計方法電路設(shè)計方法伴隨器件變化從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代伴隨器件變化從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代a)a)傳統(tǒng)的設(shè)計方法：傳統(tǒng)的設(shè)計方法：b)b)現(xiàn)代的設(shè)計方法：現(xiàn)代的設(shè)計方法：采用自下而上的設(shè)計方法；由人工組裝采用自下而上的設(shè)計方法；由人工組裝, ,經(jīng)反復(fù)調(diào)試經(jīng)反復(fù)調(diào)試、驗證驗證、修改完成修改完成。所用的元器件較多，電路可靠性差。所用的元器件較多，電路可靠性差, ,設(shè)計周期長。設(shè)計周期長?，F(xiàn)代現(xiàn)代EDA技術(shù)實現(xiàn)硬件設(shè)計軟件化。采用從上到下設(shè)計方技術(shù)實現(xiàn)硬件設(shè)計軟件化。采用從上到下設(shè)計方法，電路設(shè)計法，電路設(shè)計、 分析、仿真分析、仿真 、修訂、修訂 全通過計算機完成全通過計算機完成。EDA技術(shù)以計算機為基本工具、借助于軟件設(shè)計平臺，自動完技術(shù)以計算機為基本工具、借助于軟件設(shè)計平臺，自動完成數(shù)字系統(tǒng)的仿真、邏輯綜合、布局布線等工作。最后下載到成數(shù)字系統(tǒng)的仿真、邏輯綜合、布局布線等工作。最后下載到芯片，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。使硬件設(shè)計軟件化。芯片，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。使硬件設(shè)計軟件化。1、設(shè)計：、設(shè)計：在計算機上利用軟件平臺進行設(shè)計在計算機上利用軟件平臺進行設(shè)計原理圖設(shè)計原理圖設(shè)計VerlogHDL語言設(shè)計語言設(shè)計狀態(tài)機設(shè)計狀態(tài)機設(shè)計設(shè)計方法設(shè)計方法EDA（Electronics Design Automation)技術(shù)技術(shù)3 3、下載、下載2 2、仿真、仿真4 4、驗證結(jié)果、驗證結(jié)果實驗板實驗板下載線下載線數(shù)字技術(shù)數(shù)字技術(shù)根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)特點及其對輸入信號的響應(yīng)規(guī)則的不同，根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)特點及其對輸入信號的響應(yīng)規(guī)則的不同， -數(shù)字電路可分為組合邏輯電路和時序邏輯電路。數(shù)字電路可分為組合邏輯電路和時序邏輯電路。 從集成度不同從集成度不同 -數(shù)字集成電路可分為小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模、數(shù)字集成電路可分為小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模、超大規(guī)模和甚大規(guī)模五類。超大規(guī)模和甚大規(guī)模五類。 從電路的形式不同，從電路的形式不同， -數(shù)字電路可分為集成電路和分立電路數(shù)字電路可分為集成電路和分立電路從器件不同從器件不同 -數(shù)字電路可分為數(shù)字電路可分為TTL 和和 CMOS電路電路1 1、數(shù)字集成電路的分類、數(shù)字集成電路的分類1.1.2、數(shù)字集成電路的分類及特點、數(shù)字集成電路的分類及特點可編程邏輯器件、多功能專用集成電可編程邏輯器件、多功能專用集成電路路106以上以上甚大規(guī)模甚大規(guī)模大型存儲器、微處理器大型存儲器、微處理器10,00099,999超大規(guī)模超大規(guī)模小型存儲器、門陣列小型存儲器、門陣列1009999大規(guī)模大規(guī)模計數(shù)器、加法器計數(shù)器、加法器1299中規(guī)模中規(guī)模邏輯門、觸發(fā)器邏輯門、觸發(fā)器最多最多12個個小規(guī)模小規(guī)模典型集成電路典型集成電路門的個數(shù)門的個數(shù)分類分類集成度集成度: :每一芯片所包含的門個數(shù)每一芯片所包含的門個數(shù)2、數(shù)字集成電路的、數(shù)字集成電路的特點特點1)電路簡單電路簡單, ,便于大規(guī)模集成便于大規(guī)模集成, ,批量生產(chǎn)批量生產(chǎn)2)可靠性、穩(wěn)定性和精度高可靠性、穩(wěn)定性和精度高, ,抗干擾能力強抗干擾能力強3)體積小體積小, ,通用性好通用性好, ,成本低成本低. .4)具可編程性具可編程性, ,可實現(xiàn)硬件設(shè)計軟件化可實現(xiàn)硬件設(shè)計軟件化5)高速度高速度 低功耗低功耗6)加密性好加密性好 3、數(shù)字電路的分析、設(shè)計與測試數(shù)字電路的分析、設(shè)計與測試(1)數(shù)字電路的分析方法數(shù)字電路的分析方法數(shù)字電路的分析數(shù)字電路的分析: :根據(jù)電路確定根據(jù)電路確定電路輸出與輸入之間的邏輯關(guān)系。電路輸出與輸入之間的邏輯關(guān)系。(2) 數(shù)字電路的設(shè)計方法數(shù)字電路的設(shè)計方法數(shù)字電路的設(shè)計數(shù)字電路的設(shè)計:從給定的邏輯功能要求出發(fā)，選擇適當?shù)倪壿嫃慕o定的邏輯功能要求出發(fā)，選擇適當?shù)倪壿嬈骷?，設(shè)計出符合要求的邏輯電路器件，設(shè)計出符合要求的邏輯電路。 設(shè)計方式設(shè)計方式: :分為傳統(tǒng)的設(shè)計方式和基于分為傳統(tǒng)的設(shè)計方式和基于EDA軟件的設(shè)計方式。軟件的設(shè)計方式。 分析工具：分析工具：邏輯代數(shù)。邏輯代數(shù)。電路邏輯功能主要用真值表、功能表、邏輯表達式和波形圖。電路邏輯功能主要用真值表、功能表、邏輯表達式和波形圖。-時間和數(shù)值均連續(xù)變化的電信號，如正弦波、三角波等時間和數(shù)值均連續(xù)變化的電信號，如正弦波、三角波等 u uOt Otu u1.1.3 數(shù)字信號與數(shù)字信號數(shù)字信號與數(shù)字信號數(shù)字信號波形數(shù)字信號波形2 2、數(shù)字信號、數(shù)字信號 -在時間上和數(shù)值上均是離散的信號。在時間上和數(shù)值上均是離散的信號。3 3、模擬信號的數(shù)字表示、模擬信號的數(shù)字表示由于數(shù)字信號便于存儲、分析和傳輸，通常都將模擬信號轉(zhuǎn)換由于數(shù)字信號便于存儲、分析和傳輸，通常都將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號為數(shù)字信號. . 0 0 模擬信號模擬信號 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器 3 3 V V 數(shù)字輸出數(shù)字輸出 0 0 0 0 1 1 模數(shù)轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)電壓電壓(V)(V)二值邏輯二值邏輯電電 平平+51H( (高電平高電平) )00L( (低電平低電平) )邏輯電平與電壓值的關(guān)系（正邏輯）邏輯電平與電壓值的關(guān)系（正邏輯）1.1.4 數(shù)字信號的描述方法數(shù)字信號的描述方法1 1、二值數(shù)字邏輯和邏輯電平、二值數(shù)字邏輯和邏輯電平 a a 、在電路中用低、高電平表示、在電路中用低、高電平表示0 0、1 1兩種邏輯狀態(tài)兩種邏輯狀態(tài) 0 0、1 1數(shù)碼數(shù)碼-表示方式表示方式二值數(shù)字邏輯二值數(shù)字邏輯 - -(a) (a) 用邏輯電平描述的數(shù)字波形用邏輯電平描述的數(shù)字波形(b) 16(b) 16位數(shù)據(jù)的圖形表示位數(shù)據(jù)的圖形表示2 2、數(shù)字波形、數(shù)字波形數(shù)字波形數(shù)字波形-是信號邏輯電平對時間的圖形表示是信號邏輯電平對時間的圖形表示. .高電平高電平低電平低電平有脈沖有脈沖* *非歸零型非歸零型* *歸零型歸零型 比特率比特率 - - 每秒鐘轉(zhuǎn)輸數(shù)據(jù)的位數(shù)每秒鐘轉(zhuǎn)輸數(shù)據(jù)的位數(shù)無脈沖無脈沖(1)(1)數(shù)字波形的兩種類型數(shù)字波形的兩種類型: :(2)(2)周期性和非周期性周期性和非周期性 非周期性數(shù)字波形非周期性數(shù)字波形周期性數(shù)字波形周期性數(shù)字波形 例例1.1.1 某通信系統(tǒng)每秒鐘傳輸某通信系統(tǒng)每秒鐘傳輸15440001544000位位(1.544(1.544兆位兆位) )數(shù)數(shù)據(jù)，求每位數(shù)據(jù)的時間。據(jù)，求每位數(shù)據(jù)的時間。ns648s1067647s105441916 .解：解：按題意，每位數(shù)據(jù)的時間為按題意，每位數(shù)據(jù)的時間為例例1.1.2 設(shè)周期性數(shù)字波形的高電平持續(xù)設(shè)周期性數(shù)字波形的高電平持續(xù)6ms，低電平持續(xù)，低電平持續(xù)10ms，求占空比求占空比q。%.%q537100ms16ms6 解：因數(shù)字波形的脈沖寬度解：因數(shù)字波形的脈沖寬度tw=6ms，周期，周期T=6ms+10ms=16ms。非理想脈沖波形非理想脈沖波形(3)(3)實際脈沖波形及主要參數(shù)實際脈沖波形及主要參數(shù)幾個主要參數(shù)幾個主要參數(shù): :占空比占空比 Q - - 表示脈沖寬度占整個周期的百分比表示脈沖寬度占整個周期的百分比上升時間上升時間t tr r 和下降時間和下降時間t tf f -從脈沖幅值的從脈沖幅值的10%到到90% 上升上升 下降所經(jīng)歷的時間下降所經(jīng)歷的時間( ( 典型值典型值ns ) )脈沖寬度脈沖寬度 (tw )- 脈沖幅值的脈沖幅值的50%50%的兩個時間所跨越的時間的兩個時間所跨越的時間周期周期 (T) - - 表示兩個相鄰脈沖之間的時間間隔表示兩個相鄰脈沖之間的時間間隔 tr脈沖寬度脈沖寬度 tw 0.5V 4.5V 2.5V 幅值幅值=5.0V 0.0V 5.0V tf0.5V 2.5V 4.5V (4)(4)時序圖時序圖-表明各個數(shù)字信號時序關(guān)系的多重波形圖。表明各個數(shù)字信號時序關(guān)系的多重波形圖。 由于各信號的路徑不同，這些信號之間不可能嚴格保持同步關(guān)系。由于各信號的路徑不同，這些信號之間不可能嚴格保持同步關(guān)系。為了保證可靠工作，各信號之間通常允許一定的時差，但這些時差為了保證可靠工作，各信號之間通常允許一定的時差，但這些時差必須限定在規(guī)定范圍內(nèi)，各個信號的時序關(guān)系用時序圖表達。必須限定在規(guī)定范圍內(nèi)，各個信號的時序關(guān)系用時序圖表達。