第一章数字逻辑基础.ppt
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1、授课教师鞠艳杰,同学们好!,课程性质,电类专业三大技术基础课之一! 电路理论、模拟电子线路、脉冲与数字电路 64学时考试课 考研专业课之一 数字电子技术基础是电专业人才必备的理论与技术基础 数字电子技术是高级应用型人才所具有的基本职业素质,课程目标,获得适应信息时代的数字电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能。培养分析和解决实际问题的能力,为以后深入学习数字电子技术及其相关学科和专业打好以下两方面的基础: 正确分析、设计数字电路,特别是集成电路的基础; 为进一步学习设计专用集成电路(ASIC)的基础。,数字信号传输、变换、产生等。内容涉及相关器件、功能电路及系统。,硬件 处理数字信号的电子
2、电路及其逻辑功能 数字电路的分析方法 数字电路的设计方法 各种典型器件在电子系统中的应用,软件 系统分析、设计的软件工具ABEL、VHDL、 VerilogHDL、EDA工具软件QuartusII等,课程研究内容,a、发展快,b、应用广,学习方法,打好基础、,关注发展、,主动更新、,注重实践,课程特点,摩尔定律:集成度按10倍/6年的速度发展。,c、工程实践性强,课程特点与学习方法,掌握基本概念、基本电路和基本分析、设计方法,能独立的应用所学的知识去分析和解决数字电路的实际问题的能力。,教学方法与安排,教 材 数字电子技术基础康华光 主编高等教育出版社 2006.1 第五版 教学方法通过教、学
3、、做相结合的教学模式,从应知、应会两个方面进行教学,在内容的安排上采用双循环的知识结构 教学进度 十六周,64学时,九章的教学内容。,教学要求与考核,基本要求本课程要求理论讲授与操作实践紧密结合。通过本课程的学习,要求学生在数字电子技术的理论、技能和素质方面达到教材的基本要求。 考 核理论考试(期末笔试)占80% ,平时成绩占20%。 平时成绩:出勤、课堂纪律、听课态度、课堂问答、作业完成情况,综合评定 。,电子技术基础 数字部分(第五版),康华光主编,电子技术基础数字部分(第五版),第一章 数字逻辑概论 第二章 逻辑代数与硬件描述语言基础 第三章逻辑门电路 第四章 常用组合逻辑电路 第五章
4、锁存器和触发器 第六章 时序逻辑电路 第七章 存储器、复杂可编程器件和现场可编 程门阵列 第八章 脉冲波形的产生与变换 第九章 数模与模数转换器,第一章 数字逻辑概论,第一章 数字逻辑概论,1.1数字电路与数字信号 1.2数制 1.3二进制数的算数运算 1.4二进制代码 1.5二值逻辑变量与基本逻辑运算 1.6逻辑函数及其表示方法,1.1.1数字技术的发展及其应用,1.1.3 模拟信号与数字信号,1.1.4 数字信号的描述方法,1.1 数字电路与数字信号,1.1.2数字集成电路的分类及特点,1.1.1 数字技术的发展及其应用,6070年代,IC技术迅速发展 小规模 中规模 大规模 超大规模 (
5、SSI) (MSI) (LSI) (VLSI) 10万个晶体管/片。 70年代末,微处理器的出现,使数字电子的性能产生了质的飞跃 80年代后- ULSI , 1 0 亿个晶体管/片 、 ASIC 制作技术成熟 90年代后- 97年一片集成电路上有40亿个晶体管。 目前- 芯片内部的布线细微到亚微米(0.130.09m)量级;微处理器的时钟频率高达3GHz(109Hz) 将来- 高分子材料或生物材料制成密度更高、三维结构的电路 目前较先进的器件: 可编程逻辑器件(PLD) 微处理器(CPU) 数字信号处理器(DSP),电子管,晶体管,集成电路,发展特点:以电子器件的发展为基础,电子管时代,190
6、6年,福雷斯特等发明了电子管;电子管体积大、重量重、耗电大、寿命短。目前在一些大功率发射装置中使用。,电压控制器件 电真空技术,1.1.1 数字技术的发展及其应用,电子管,晶体管,集成电路,发展特点:以电子器件的发展为基础,晶体管时代,电流控制器件 半导体技术,1.1.1 数字技术的发展及其应用,电子管,晶体管,集成电路,发展特点:以电子器件的发展为基础,半导体集成电路,1.1.1 数字技术的发展及其应用,6070年代,IC技术迅速发展 小规模 中规模 大规模 超大规模 (SSI) (MSI) (LSI) (VLSI) 10万个晶体管/片。 70年代末,微处理器的出现,使数字电子的性能产生了质
7、的飞跃 80年代后- ULSI , 1 0 亿个晶体管/片 、 ASIC 制作技术成熟 90年代后- 97年一片集成电路上有40亿个晶体管。 目前- 芯片内部的布线细微到亚微米(0.130.09m)量级;微处理器的时钟频率高达3GHz(109Hz) 将来- 高分子材料或生物材料制成密度更高、三维结构的电路 目前较先进的器件: 可编程逻辑器件(PLD) 微处理器(CPU) 数字信号处理器(DSP),电子管,晶体管,集成电路,发展特点:以电子器件的发展为基础,1.2数字电路的应用,模拟量的数字表示:模拟量可以用数字0、1的编码来表示。,传感器,放大器,模数转换器,数模转换器,执行机构,功率放大,数
8、字电路(CPU),一般测控系统框图,数码相机,计算机,数字技术的应用,根据电路的结构特点及其对输入信号的响应规则的不同, -数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。,从集成度不同 -数字集成电路可分为小规模、中规模、大规模、超大规模和甚大规模五类。,从电路的形式不同, -数字电路可分为集成电路和分立电路,从器件不同 -数字电路可分为TTL 和 CMOS电路,1、数字集成电路的分类,1.1.2、数字集成电路的分类及特点,集成度:每一芯片所包含的门个数,1.1.2、数字集成电路的分类及特点,2、数字集成电路的特点,1)电路简单,便于大规模集成,批量生产,2)可靠性、稳定性和精度高,抗干扰能力强,
9、3)体积小,通用性好,成本低.,4)具可编程性,可实现硬件设计软件化,5)高速度 低功耗,6)加密性好,1.1.2、数字集成电路的分类及特点,3、数字电路的分析、设计与测试,(1)数字电路的分析方法,数字电路的分析: 根据电路确定电路输出与输入之间的逻辑关系。,(2) 数字电路的设计方法,数字电路的设计: 从给定的逻辑功能要求出发,选择适当的逻辑器件,设计出符合要求的逻辑电路。,设计方式:分为传统的设计方式和基于EDA软件的设计方式。,分析工具:逻辑代数。 电路逻辑功能主要用真值表、功能表、逻辑表达式和波形图。,1.1.2、数字集成电路的分类及特点,电路设计方法伴随器件变化从传统走向现代,传统
10、的设计方法:,现代的设计方法:,1.1.2、数字集成电路的分类及特点,EDA技术以计算机为基本工具、借助于软件设计平台,自动完成数字系统的仿真、逻辑综合、布局布线等工作。最后下载到芯片,实现系统功能。使硬件设计软件化。,原理图设计,VerilogHDL语言设计,状态机设计,EDA(Electronics Design Automation)技术,4、验证结果,实验板,下载线,EDA(Electronics Design Automation)技术,1.1.3、模拟信号和数字信号,电子电路中的信号,模拟信号,数字信号,时间、数值连续的物理量(电信号),时间和数值离散的物理量(电信号),1.1.3
11、模拟信号,表示信号的物理参量之一是信号的强度随时间变化的特性,即信号的时域特性,具体到电子系统中所采用的信号则是电压或电流的时间特性 模拟信号的特点是信号参量的取值随连续时间的变化而保持其连续性,模拟信号的特性一般如图1-1-1所示。通常把工作在模拟信号下的电子电路称为模拟电路。,1.1.3 模拟信号,u,正弦波信号,锯齿波信号,研究模拟电路时,注重电路输入、输出信号间的大小、相位关系。包括交直流放大器、滤波器、信号发生器等。,在模拟电路中,晶体管一般工作在放大状态。,图1-1-1模拟信号波形,1.1.3 数字信号,一、数字信号的特点 数字信号在时间上和数值上均是离散的。 (其强度的取值是有限
12、个数) 数字信号在电路中常表现为突变的电压或电流。图1-1-2所示为数字信号。 图1.1.2 典型的数字信号,V,t,1.1.3 模拟信号的数字表示,由于数字信号便于存储、分析和传输,通常都将模拟信号转换为数字信号.,1.1.4 数字信号的描述方法,二值数字逻辑和逻辑电平 数字信号是一种二值信号,用两个电平(高电平和低电平)分别来表示两个逻辑值(逻辑1和逻辑0)。 二值数字逻辑: 0、1数码 -表示数量时称二进制数; -表示事物状态时称二值逻辑 有两种逻辑体制: 正逻辑体制规定:高电平为逻辑1,低电平为逻辑0。 负逻辑体制规定:低电平为逻辑1,高电平为逻辑0。,(a) 用逻辑电平描述的数字波形
13、,(b) 16位数据的图形表示,数字波形-是信号逻辑电平对时间的图形表示.,1.1.4 数字信号的描述方法,高电平,低电平,有脉冲,*非归零型,*归零型,比特率 - 每秒钟转输数据的位数,无脉冲,数字波形的两种类型:,1.1.4 数字信号的描述方法数字波形,周期性和非周期性,非周期性数字波形,周期性数字波形,1.1.4 数字信号的描述方法数字波形,数字信号的主要参数,一个周期性数字信号,可用以下几个参数来描绘: Vm信号幅度。 T信号的重复周期。表示两个相邻脉冲之间的时间间隔 tW脉冲宽度。脉冲幅值的50%的两个时间所跨越的时间 q占空比。其定义为:,1.1.4 数字信号的描述方法数字波形,数
14、字信号的主要参数 上升时间tr从脉冲幅值的10上升到90所需的 时间。 下降时间tf从脉冲幅值的90下降到10所需的 时间。 脉冲宽度tw 脉冲幅值的50的两个时间点所跨越的时间。,1.1.4 数字信号的描述方法数字波形,例1.1.1 某通信系统每秒钟传输1544000位(1.544兆位)数据,求每位数据的时间。,解:按题意,每位数据的时间为,1.1.4 数字信号的描述方法数字波形,例1.1.2 设周期性数字波形的高电平持续6ms,低电平持续10ms,求占空比q。,解:因数字波形的脉冲宽度tw=6ms,周期T=6ms+10ms=16ms。,1.1.4 数字信号的描述方法数字波形,非理想脉冲波形
15、,1.1.4 数字信号的描述方法数字波形,下图所示为三个周期相同(T=20ms),但幅度、脉冲宽度及占空比各不相同的数字信号。,1.1.4 数字信号的描述方法,数字波形-是信号逻辑电平对时间的图形表示. 二值位形图:二值数据的数字波形。 时序图:表明相互时间关系的多重数字波形图。,模拟信号与数字信号比较表,项目,模拟信号,(Analog),数字信号,(Digital),特点,连续,离散,波形,数学,十进制,二进制,电平数,无穷多个,有限个,典型,温度、压力等,数字系统的信号,数字电路,通常把工作在数字信号下的电子电路称为数字电路。 数字电路的特点: 数字电路的输入、输出都是数字信号。 在数字电
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