第一章數(shù)字電路基礎(chǔ)1§１—２數(shù)制與碼制§１—１

數(shù)字信號與數(shù)字電路§１—３

邏輯門電路學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解數(shù)字電路的特點及應(yīng)用，掌握數(shù)字信號的表示方法。2.掌握二進制、十六進制數(shù)的表示方法，會進行數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換，熟悉8421BCD碼的表示形式。3.掌握與門、或門、非門基本邏輯門的邏輯功能，熟悉其圖形符號。4.掌握與非門、或非門、與或非門等復(fù)合邏輯門的邏輯功能，熟悉其圖形符號。5.掌握集成門電路的邏輯功能測試方法，了解數(shù)字集成電路的使用注意事項。3§１—１數(shù)字信號與數(shù)字電路4當(dāng)人們在超市購物結(jié)賬付款時，收銀員只要把條形碼掃描器對準(zhǔn)貨物上的條形碼一掃，計算機屏幕上立刻就會顯示該物品的價格。這是因為條形碼經(jīng)掃描器掃描后，會產(chǎn)生相應(yīng)的“數(shù)字信號”，經(jīng)計算機處理后就可以顯示為貨物的名稱及價格等信息，進而可刷卡付款，打印付款收據(jù)。超市自動收款設(shè)備如圖所示。5超市自動收款設(shè)備一、模擬信號與數(shù)字信號電子電路處理的信號有模擬信號和數(shù)字信號兩類。通常將那些在時間上和數(shù)值上均是連續(xù)變化的信號稱為模擬信號。數(shù)字信號是指在時間上和數(shù)值上都是離散的信號。6模擬信號與數(shù)字信號a）模擬信號b）數(shù)字信號實際上，數(shù)字信號中的1和0不僅可以用于表示高低電平，在生產(chǎn)生活中還可以代表許多信息，如發(fā)光二極管亮還是不亮，開關(guān)閉合還是斷開，對某一建議同意還是反對等，也都可以用1和0來表示。處理模擬信號的電子電路稱為模擬電子電路，簡稱模擬電路；處理數(shù)字信號的電子電路則稱為數(shù)字電子電路，簡稱數(shù)字電路。7二、數(shù)字信號的優(yōu)點1.便于記錄保存由于數(shù)字信號只有1和0兩種狀態(tài)，所以可以很方便地用電路輸出電壓的高與低、電容器上電荷的有與無、磁性物質(zhì)的極化方向N與S等方式記錄保存，也可以利用打孔紙帶上孔的有與無、光盤上有無凹坑來記錄0和1。數(shù)字信號的記錄方式如圖所示。8數(shù)字信號的記錄方式a）磁卡9數(shù)字信號的記錄方式b）打孔紙帶c）光盤2.抗干擾能力強數(shù)字信號中的高電平與低電平有一定的允許范圍，例如在TTL電路（Transistor-TransistorLogic，即晶體管—晶體管邏輯電路，因輸入級和輸出級均采用晶體管而得名）中，高電平的范圍是2.4～5V，低電平的范圍是0～0.8V，如圖所示，因此數(shù)字電路的抗干擾能力很強。10高電平范圍與低電平范圍圖所示為利用整形電路消除干擾和失真的方法，即設(shè)置一個門限電壓，使其值介于高電平與低電平之間，高于此門限電壓的信號通過后輸出為1，低于此門限電壓的信號通過后輸出為0，這樣就可以方便地將疊加在傳輸信號上的干擾去除掉。此外，還可利用差錯控制技術(shù)對傳輸信號進行查錯和糾錯。11整形電路的作用3.處理精度高增加數(shù)字電路中數(shù)字的位數(shù)，即可相應(yīng)提高電路的精度。下面以CD唱盤用數(shù)字信號記錄聲音為例進行說明，其信號類型及波形圖見表。12用數(shù)字信號記錄聲音13用數(shù)字信號記錄聲音4.可進行邏輯判斷和運算數(shù)字電路不僅能進行數(shù)值運算，還可以進行邏輯運算和邏輯判斷，這在控制系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。正因如此，數(shù)字電路又稱為數(shù)字邏輯電路。14三、數(shù)字電路的基本組成下面以兩個應(yīng)用電路為例，說明數(shù)字電路的基本組成。1.用數(shù)字電路測量電動機轉(zhuǎn)速使用非接觸式數(shù)字轉(zhuǎn)速表來測量電動機轉(zhuǎn)速，其原理框圖如圖所示。使用時只要在被測電動機轉(zhuǎn)軸上裝一圓盤，圓盤上打一小孔，用光源照射。電動機每轉(zhuǎn)一周，光電管被照射一次，每次輸出一個脈沖信號，這一信號經(jīng)放大整形后成為幅度較大也較為規(guī)則的矩形脈沖，測得單位時間的脈沖個數(shù)，再經(jīng)計數(shù)、處理，最后便能從顯示器直接讀出被測電動機的轉(zhuǎn)速。1516用數(shù)字電路測量電動機轉(zhuǎn)速的原理框圖2.四人搶答器四人搶答器原理框圖如圖所示。17四人搶答器原理框圖從以上兩個電路的工作過程可以看出，數(shù)字電路大致包含數(shù)字信號的產(chǎn)生與整形、編碼、寄存、譯碼、顯示等典型單元數(shù)字電路。此外，為了將傳感器轉(zhuǎn)換而來的模擬信號轉(zhuǎn)換成控制系統(tǒng)所需要的數(shù)字信號，必須采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/DConverter）。數(shù)字信號被處理后，通常還要經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/AConverter）恢復(fù)成模擬信號，去驅(qū)動執(zhí)行元件，如圖所示。18數(shù)字電路基本組成原理框圖§1—2

數(shù)制與碼制19數(shù)制是指計數(shù)的方法。在不同的數(shù)制中，數(shù)碼（計數(shù)符號）的多少、進位的方式和計算的方法也各不相同。圖所示為我國傳統(tǒng)算盤的數(shù)制。20算盤的數(shù)制圖所示為目前人們普遍使用的計算器，按鍵輸入十進制數(shù)，計算器將其轉(zhuǎn)換為二進制進行運算，然后將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)，最后顯示十進制數(shù)。21計算器的工作過程一、幾種常用數(shù)制在數(shù)字電路和計算機中，常用的數(shù)制有十進制、二進制、八進制、十六進制等。1.十進制十進制數(shù)有10個不同的數(shù)碼：0、1、2、…、9，稱它的基數(shù)為10。任何一個十進制數(shù)都可以用這十個數(shù)碼按一定規(guī)律排列起來表示。十進制的計數(shù)規(guī)律是“逢十進一”。在一個十進制數(shù)中，每個不同位置的數(shù)碼，代表的數(shù)值不同。222.二進制二進制數(shù)只有兩個數(shù)碼：0和1。它的基數(shù)為2，計數(shù)規(guī)律是“逢二進一”。3.十六進制和八進制采用二進制來表示數(shù)，通常位數(shù)很多，書寫起來十分麻煩。十六進制數(shù)有16個數(shù)碼：0、1、…、9，A、B、C、D、E、F，它的基數(shù)為16，計數(shù)規(guī)律是“逢十六進一”。八進制數(shù)有8個數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7，它的基數(shù)為8，計數(shù)規(guī)律是“逢八進一”。23十進制、二進制、八進制、十六進制的對應(yīng)關(guān)系見表。24幾種常用數(shù)制的對應(yīng)關(guān)系二、不同數(shù)制間的轉(zhuǎn)換1.二進制、八進制、十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)將二進制、八進制、十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)，只要按各位權(quán)展開相加即可。為了區(qū)分各種不同的進制，可在數(shù)后加上不同的字母來表示，通常用D表示十進制（常省略不寫），B表示二進制（常省略不寫），O或Q表示八進制，H表示十六進制等；也可直接用數(shù)字表示。2.十進制數(shù)（整數(shù)）轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)，可采用除2逆序取余法。253.二進制數(shù)與八進制數(shù)、十六進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換（1）二進制數(shù)與八進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換由于八進制數(shù)的基數(shù)8=23，對應(yīng)為二進制數(shù)有000~111共8個不同的狀態(tài)，故每位八進制數(shù)碼可用3位二進制數(shù)表示。方法是從低位開始，每3位二進制數(shù)為一組，若最后不足3位，在高位用0補足3位即可。將每組二進制數(shù)用一個等值的八進制數(shù)碼代替，按順序排列即變?yōu)榘诉M制數(shù)。26（2）二進制數(shù)與十六進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換由于十六進制的基數(shù)16=24，對應(yīng)為二進制數(shù)有0000~1111共16個不同的狀態(tài)，故每位十六進制數(shù)碼可用4位二進制數(shù)表示。方法是從低位開始，每4位二進制數(shù)為一組，若最后不足4位，在高位用0補足4位即可。將每組二進制數(shù)用一個等值的十六進制數(shù)碼表示，按順序排列即變?yōu)槭M制數(shù)。27三、碼制用數(shù)碼、符號、文字來表示特定對象的過程稱為編碼。1.二進制代碼數(shù)字系統(tǒng)的信息通常采用多位二進制數(shù)表示，稱為二進制代碼。一個二進制數(shù)有1和0兩個代碼，可以表示兩個信息，n位二進制代碼可以表示2n個不同的信息。如果需要編碼的信息有N項，則應(yīng)滿足N≤2n。2.BCD碼用二進制數(shù)表示十進制數(shù)的編碼方法稱為二—十進制編碼，簡稱BCD碼。2829幾種常見的BCD碼（1）8421BCD碼最常用的BCD碼是8421BCD碼。（2）5421BCD碼5421BCD碼也是一種有權(quán)碼，從高位到低位分別是5、4、2、1。（3）2421BCD碼2421BCD碼也是一種有權(quán)碼，從高位到低位的權(quán)分別是2、4、2、1。（4）余3碼這是一種無權(quán)碼，它是在相應(yīng)的8421BCD碼上加0011（3）得到的。30（5）格雷碼這也是一種無權(quán)碼，它的特點是相鄰兩個代碼間只有一位數(shù)不同，這兩個數(shù)也可以看作是相鄰的，因此它是一種循環(huán)碼（所謂循環(huán)碼，是指具有以下兩個特點的編碼:一是相鄰性，即任意兩個相鄰代碼僅有一位數(shù)碼不同；二是循環(huán)性，即首尾的兩個代碼也具有相鄰性）。（6）標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼在數(shù)字系統(tǒng)和計算機中，需要編碼的信息除了數(shù)字外，還有字符及各種專用符號。31§1—3

邏輯門電路32圖所示是三人表決器示意圖。A、B、C三人參加表決，按下按鈕表示同意，不按按鈕表示不同意。根據(jù)少數(shù)服從多數(shù)的原則，表決通過則綠燈亮，反之則紅燈亮。33三人表決器a)表決器b)電路框圖這是一個簡單的控制電路。三個按鈕送入的信號是輸入信號，分別代表A、B、C是否同意，其輸出信號是控制兩盞指示燈的信號，代表表決是否通過。其中，A、B、C是否同意為邏輯條件，紅、綠燈是否亮為邏輯結(jié)果，每一種條件對應(yīng)一種結(jié)果。把輸入狀態(tài)作為條件，輸出狀態(tài)作為結(jié)果，輸入與輸出的關(guān)系即為邏輯關(guān)系。三人表決器邏輯關(guān)系見表。在邏輯系統(tǒng)中，任何復(fù)雜的邏輯關(guān)系都由與、或、非三種邏輯關(guān)系組合而成，實現(xiàn)這三種基本邏輯關(guān)系的電路分別稱為與門（AND）、或門（OR）和非門（NOT）。3435三人表決器邏輯關(guān)系一、基本門電路1.與門（AND）在圖所示的與邏輯開關(guān)電路中，只有當(dāng)A、B兩個開關(guān)都閉合時，燈才亮；只要有一個開關(guān)斷開，燈就不亮。這就是說，只有當(dāng)決定一件事情的幾個條件完全具備時，這件事情才能發(fā)生，否則不發(fā)生。這樣的關(guān)系稱為與邏輯關(guān)系。圖所示為與門邏輯符號。3637與邏輯開關(guān)電路與門邏輯符號把開關(guān)通斷與燈泡亮滅的關(guān)系列在表中。如果設(shè)開關(guān)通為1，不通為0；燈亮為1，不亮為0，可得表所列值，這便是與門的真值表，它反映了與門輸出狀態(tài)與輸入狀態(tài)之間的邏輯關(guān)系。38電路狀態(tài)與門真值表與門的邏輯功能可概括為“有0出0，全1出1”。與門的邏輯表達式為：Y=A·B=AB該表達式讀作Y等于A與B或Y等于A乘B，所以通常也把與門邏輯稱為邏輯乘。數(shù)字電路的邏輯關(guān)系也常常用波形圖來描述，在畫波形圖時可省去坐標(biāo)軸，但輸入波形與輸出波形之間的時間必須嚴(yán)格對應(yīng)。如圖所示，與門在A、B兩個波形的輸入電壓作用下，得到如Y波形所示的輸出電壓。3940與門輸入輸出波形2.或門（OR）在圖所示的或邏輯開關(guān)電路中，A和B兩個開關(guān)只要有一個閉合燈就亮。這說明，當(dāng)決定一件事情的幾個條件中，只要有一個條件具備，這件事情就會發(fā)生。這樣的邏輯關(guān)系稱為或邏輯關(guān)系。41或邏輯開關(guān)電路圖所示為非門邏輯符號。非門真值表見表。42或門邏輯符號或門真值表或門的邏輯功能可概括為“全0出0，有1出1”。或門的邏輯表達式為：Y=A+B該表達式讀作Y等于A或B，也可讀作Y等于A加B，所以或邏輯也稱邏輯加。433.非門（NOT）在圖所示的非邏輯開關(guān)電路中，當(dāng)開關(guān)A斷開時，燈亮；A閉合時，燈就不亮。也就是說，事情的結(jié)果與條件總是呈相反狀態(tài)。這種關(guān)系稱為非邏輯關(guān)系。44非邏輯開關(guān)電路圖所示為非門邏輯符號。非門真值表見表。非門的邏輯功能可概括為“有0出1，有1出0”。非門的邏輯表達式為：該表達式讀作Y等于A非。45非門邏輯符號非門真值表二、復(fù)合門電路由與、或、非三種基本門電路可以組合成復(fù)合門電路，常用的復(fù)合門電路見表。46常用復(fù)合門電路47常用復(fù)合門電路48常用復(fù)合門電路三、其他類型的門電路1.集電極開路與非門（OC門）這種類型的電路內(nèi)部，輸出三極管的集電極是開路的，故稱集電極開路與非門，也稱集電極開路門，簡稱OC門。OC門具有與非功能，其邏輯表達式為：OC門的邏輯符號如圖所示。OC門在電路中使用時，需要在其輸出端Y與電源VCC之間外接一個上拉電阻RL，如圖所示。4950OC門a）邏輯符號b）外接上拉電阻74LS01是一種常用的OC與非門，其外形和引腳排列如圖所示。51OC與非門74LS01a）外形圖b）引腳排列OC門的主要應(yīng)用如下：（1）直接驅(qū)動發(fā)光二極管或小型繼電器圖a所示為用OC門驅(qū)動發(fā)光二極管的顯示電路圖。該電路只有當(dāng)輸入均為高電平時，輸出才為低電平，發(fā)光二極管才能導(dǎo)通發(fā)光。圖b所示為用OC門驅(qū)動小型繼電器的電路，同樣，也只有當(dāng)輸入均為高電平時，繼電器KA才能得電動作。5253OC門直接驅(qū)動小型負載a）驅(qū)動發(fā)光二極管b）驅(qū)動小型繼電器（2）實現(xiàn)線與邏輯功能將幾個OC門的輸出端并聯(lián)可實現(xiàn)線與邏輯功能，這種連接方法稱為線與。圖所示為由3個OC門構(gòu)成的線與電路，其邏輯表達式為：54用OC門實現(xiàn)線與功能2.三態(tài)門（TS門）三態(tài)門簡稱TS門，是在普通門的基礎(chǔ)上，加上使能控制信號和控制電路構(gòu)成的。三態(tài)門的輸出除了有一般門電路的高電平、低電平狀態(tài)外，還可以呈高阻狀態(tài)（或稱禁止?fàn)顟B(tài)）。三態(tài)輸出與非門邏輯符號和邏輯功能見表。邏輯符號中EN為控制端，也稱使能端。5556三態(tài)門邏輯符號與邏輯功能三態(tài)門主要用于實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)或信號的總線傳輸?？偩€可以是單向傳輸，也可以是雙向傳輸。74LS125是一種常用的低電平有效型三態(tài)門，其外形和引腳排列如圖所示。5774LS125三態(tài)門a）外形圖b）引腳排列（1）用三態(tài)門構(gòu)成單向總線電路連接如圖所示，圖中三態(tài)門均為高電平有效。只有當(dāng)控制端為高電平時，該三態(tài)門才處于工作狀態(tài)，其余三態(tài)門均處于高阻狀態(tài)，而且任何時刻只能有一個三態(tài)門處于工作狀態(tài)。這樣，總線（或稱母線）就能輪流接受各三態(tài)門的輸出。58用三態(tài)門構(gòu)成單向總線（2）用三態(tài)門構(gòu)成雙向總線電路連接如圖所示。59用三態(tài)門構(gòu)成雙向總線四、TTL與非門的電壓傳輸特性和主要參數(shù)1.電壓傳輸特性晶體管—晶體管邏輯電路（TTL）的電壓傳輸特性是指門電路的輸出電壓隨輸入電壓變化的特性，通常用電壓傳輸特性曲線來表示，如圖所示。60基本TTL與非門的電壓傳輸特性曲線2.主要參數(shù)（1）輸出高電平UOHUOH是指輸出端空載，輸入端有一個或一個以上為低電平時所對應(yīng)的輸出電壓。（2）輸出低電平UOLUOL是指輸出端空載，所有輸入端都接高電平時所對應(yīng)的輸出電壓。（3）閾值電壓UTH電壓傳輸特性轉(zhuǎn)折區(qū)中心點對應(yīng)的輸入電壓稱為閾值電壓UTH，或形象化地稱為門限電壓。61（4）開門電平UONUON是在保證輸出為額定低電平時所允許的最小輸入高電平值。（5）關(guān)門電平UOFFUOFF是在保證輸出電壓為額定高電平的90%的條件下，所允許的最大輸入低電平值。（6）噪聲容限噪聲容限是指在保證電路正常輸出的前提下，輸入信號所允許的波動范圍。62（7）扇出系數(shù)NN是指一個與非門可帶同類門的個數(shù)，它反映了門電路的帶負載能力。（8）平均傳輸延遲時間tpd由于開關(guān)器件的轉(zhuǎn)換需要時間，與非門的輸出與輸入之間存在一定的滯后，如圖所示。63傳輸延遲時間示意圖五、數(shù)字集成電路系列及型號命名數(shù)字集成電路根據(jù)內(nèi)部半導(dǎo)體器件的不同，有TTL型和CMOS型兩類。TTL集成電路主要由雙極型三極管構(gòu)成。國產(chǎn)TTL集成電路主要有54、74兩大系列，其中，54系列為軍用產(chǎn)品，74系列為民用產(chǎn)品?；パa金屬氧化物半導(dǎo)體（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS）集成電路主要由單極型場效應(yīng)管構(gòu)成。64按照我國國家標(biāo)準(zhǔn)，集成電路型號命名由5部分組成，第一部分用字母表示國家標(biāo)準(zhǔn)，第二部分用字母表示器件的類型，第三部分用阿拉伯?dāng)?shù)字表示器件的系列和品種代號，第四部分用字母表示器件的工作溫度范圍，第五部分用字母表示器件的封裝形式，各部分符號及意義見表。65集成電路的型號及其意義例如CT74LS20ED型和CC4011EP型：CT74LS××有時簡稱74LS××或LS××。66六、數(shù)字集成電路使用注意事項1.TTL電路使用注意事項（1）TTL電路的電源正端通常標(biāo)VCC，負端標(biāo)GND。電源電壓的允許范圍為4.5～5.5V。一般使用5V電源。（2）TTL與非門輸入端通過電阻R接地時，若R＜680Ω，相當(dāng)于接低電平；若R＞2.5kΩ（最好10kΩ以上），相當(dāng)于接高電平。TTL與非門輸入端接地，相當(dāng)于接低電平；輸入端懸空，相當(dāng)于接高電平。對多余輸入端一般不要懸空，防止受外界干擾。67（3）TTL與門（與非門）、或門（或非門）多余輸入端處理方法分別見表。68TTL與門（與非門）多余輸入端處理方法69TTL或門（或非門）多余輸入端處理方法（4）除OC門和TS門外，TTL門電路輸出端不允許并聯(lián)使用，否則不僅會造成邏輯混亂，還可能損壞器件。（5）輸出端不允許直接接電源或接地。（6）多余門的處理。2.CMOS電路使用注意事項（1）CMOS電路的電源正端標(biāo)VDD，負端標(biāo)VSS，使用時通常將VSS接地。（2）CMOS集成電路的多余輸入端不能懸空，否則電路將受到干擾，不能正常工作。（3）與門（與非門）多余輸入端接VDD，或門（或非門）多余輸入端接地，盡量不要將輸入端并聯(lián)使用。