數(shù)字電路概述

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1、數(shù)字電子技術基礎 章 數(shù) 字 電 路 概 述 數(shù)字電子技術基礎參考教材：數(shù)字電子技術基礎第3版2009年6月第3版第2次印刷李慶常主編，機械工業(yè)出版社總學時：48學時數(shù)字電子技術實驗：單獨設課實驗學時：16學時，1學分實驗教材：電子技術實驗張玉平主編，北京理工大學出版社 章 數(shù) 字 電 路 概 述 數(shù)字電子技術基礎考試形式：半開卷考試卷面成績 70%平時成績 30% 章 數(shù) 字 電 路 概 述 數(shù)字電子技術基礎第1章 數(shù)字電路概述第2章 邏輯代數(shù)及其化簡第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 時序邏輯電路第7章 脈沖波形的產生和整形第8章 半導體存儲器和可編程邏輯器件第

2、9章 A/D轉換與D/A轉換第10章 數(shù)字系統(tǒng)的設計 章 數(shù) 字 電 路 概 述 第1章 數(shù)字電路概述 1.1 數(shù)字信號與模擬信號 1.2 數(shù)字信號的表示方法 1.3 數(shù)字電路的基本功能及其應用 1.4 電路測試和故障排除 1.5 數(shù)字電路EDA仿真分析與設計 章 數(shù) 字 電 路 概 述 綜 述電子技術是20世紀發(fā)展最迅速、應用最廣泛的技術，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)字電子產品，如計算機、數(shù)碼相機/攝像機、手機、DVD、MP3/MP4以及數(shù)字電視等。因此，分析和設計數(shù)字電路已成為現(xiàn)代工程設計不可缺少的部分。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.1 數(shù)字信號與模擬

3、信號在電子電路中，產生、傳遞、加工和處理的信號可以分為模擬信號和數(shù)字信號兩大類。 模擬信號在時間和數(shù)值上都是連續(xù)的，即對應于任意時間均有確定的電流或電壓值，并且其幅值是連續(xù)的，如正弦波信號就是典型的模擬信號。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.1 數(shù)字信號與模擬信號某天最低氣溫是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)字信號與模擬信號與模擬信號不同，數(shù)字信號在時間和數(shù)值上是離散的，或者說是不連續(xù)的，且其數(shù)值的變化都是某個最小量值的整數(shù)倍 。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.1 數(shù)字信號與模擬信號處理模擬信號的電路稱為模擬電路。 處理數(shù)字信號的電

4、路稱為數(shù)字電路。自然界存在大量的模擬信號和數(shù)字信號以及模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)，并且這些系統(tǒng)往往并非獨立，而是相互滲透的，因此在進行信號處理時需要將兩者通過接口電路進行轉換。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.1 數(shù)字信號與模擬信號數(shù)字電路與模擬電路相比較，具有以下特點：一般采用二進制，易實現(xiàn)，易復制抗干擾能力強，精度高 可編程性強 便于長期存儲，使用方便 1.保密性好 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.2 數(shù)字信號的表示方法 數(shù)字信號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組成二進制數(shù)，表示數(shù)量的大小，也可以用其表示一個事物的兩種不同的邏輯狀態(tài)。當表示邏輯狀態(tài)時，如：是與否、真

5、與偽、有與無、開與關、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)字信號的表示方法這種只有兩種對立邏輯狀態(tài)的邏輯關系稱為 二值邏輯。用0和1表示邏輯關系時，二進制數(shù)可以進行邏輯運算。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.2 數(shù)字信號的表示方法 2. 邏輯電平在數(shù)字電路中，用電平的高低來表示邏輯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準。當電源電壓為5V時，數(shù)字集成電路的兩大類TTL和CMOS電路對應的邏輯電平標準如下表所示。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.2 數(shù)字信號

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)字信號的表示方法3. 波形圖如果將數(shù)字電路的輸入信號和輸出信號的關系按時間順序依次排列起來，就得到了其波形圖，又稱為時序圖。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.2 數(shù)字信號的表示方法在畫電路的波形圖時，應特別注意輸出與輸入之間的對應關系 。第3章學習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)字信號的表示方法實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. 信號采集與處理 信號采集與處理電路完成對傳感器的信號采集，并根據(jù)實際需要對其進行隔離、放大、濾波、運算、轉換等處理。一般而言，該電路為模擬電路，在模擬電子技術中有其描述。2. 接口電路-A/D轉換器和D/A轉換器 對于多數(shù)系統(tǒng)而言，傳感器輸出的信號為模擬信號 ，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 運算電路 運算電路可完成信息的算術運算和邏輯運算，這部分內容在第4章組合邏輯電路中介紹。存儲電路-

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

9、他脈沖信號，分頻器的設計與分析在第6章時序邏輯電路中介紹。 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)調工作，順序脈沖發(fā)生器便可產生此種信號以完成對各部分的控制。此部分內容在第6章中介紹。信號的驅動與執(zhí)行 系統(tǒng)輸出的控制信號經過功率放大后，驅動執(zhí)行機構完成控制功能。功放電路在模擬電子技術中有說明。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.3 數(shù)字電路的基本功能及其應用某空調顯示控制電路框圖 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.4 電路測試和故障排除故障排除是指系統(tǒng)地隔離、辨識及定位電路和系統(tǒng)故障的技術。在進行故障排除時，需對電路

10、進行測試，并進行故障診斷。故障診斷是一種了解和掌握設備在使用過程中的狀態(tài)的技術，以確定其整體或局部是否正常，早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因將能預報故障發(fā)展趨勢。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.4 電路測試和故障排除電路測試組成框圖在數(shù)字電路的故障排除和測試中經常用到的儀器設備有：萬用表、示波器、邏輯分析儀、邏輯筆和信號發(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 電路測試及故障排除的儀器設備萬用表是一種多用途、多量程的便攜式儀表，它集電壓表、電流表和歐姆表于一體，可以進行交、直流電壓和電流以及電阻等多種電量的測量，有的萬用表還可以測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 電路測試及故障排除的儀器設備示波器是電子測量中一種常用的儀器，它是觀察波形的窗口，可讓設計人員或維修人員將人眼看不到的信號變化轉換成可直接觀察的波形，并顯示在熒光屏上，以便人們進行電路觀察、分析和測量。邏輯分析儀是一種類似于示波器的波形測試設備，它可以監(jiān)測硬件電路工作時的邏輯電平（高或低），存儲后采用圖形的方式直觀地表達出來，便于用戶檢測、分析電路設計中的錯誤。 章 數(shù) 字 電 路 概 述第 1章 數(shù) 字 電 路 概 述 29 1.4.1 電路測試及故障排除的儀器設備邏輯筆是一種方便的手持式數(shù)字電路測試

12、工具。它可檢測到電路的高電平、低電平、單脈沖、連續(xù)脈沖以及開路等邏輯信息，并進行提示，其體積小、使用靈活、攜帶方便。 信號發(fā)生器又稱為函數(shù)發(fā)生器，是一種應用非常廣泛的電子設備，常作為電子測量系統(tǒng)中的信號源。信號發(fā)生器提供正弦波、方波、三角波等多種信號波形 。 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)測試法信號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損壞、引腳有無接錯、電路布局布線是否正確等。

13、加電觀察則是查看電路有無發(fā)燙、冒煙、發(fā)出焦味、打火、開路及短路等現(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)測試法 該方法借助于儀器，測試電路或元器件的參數(shù)，通過理論分析找出故障原因。信號跟蹤法 該方法是在電路輸入端接入合適信號，通過示波器，按信號的流向，從前級向后級逐級觀察信號波形變化情況，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，首先斷開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 該方法采用臨時短接部分電路，將信號跳過部分可能存在故障的電路，觀察結果是否正確，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. 信號跟蹤法故障排除的一般步驟故障排除前的準備工作。 在任何故障排除前，首先應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，這一點對保障電路器件的完好性非常重要，同時也應保證測試儀器與被測電路的共地性。 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始

15、，一個一個芯片地進行分析, 對于每個芯片，對應其輸入信號，采用邏輯筆、示波器或邏輯分析儀，測試其輸出信號，并與理論輸出結果相比較，判定芯片的完好性。 如果所測試芯片正常，則測試下一芯片，直至故障排除。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.5 數(shù)字電路EDA仿真分析與設計 隨著現(xiàn)代電子系統(tǒng)的復雜化，計算機和相應的工程仿真軟件已經成為現(xiàn)代電子技術的基本分析設計工具。仿真分析可以大大地縮短研制周期，節(jié)約成本，它已經具有舉足輕重的作用。所謂仿真分析，是指使用計算機對所設計電路的結構和行為進行預測，仿真器以文本形式或波形圖等形式給出電路的輸出，以便設計者分析系統(tǒng)，修改系統(tǒng)設計。 章 數(shù) 字 電 路 概 述

16、1.5 數(shù)字電路EDA仿真分析與設計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計。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、邏輯分析儀和網絡分析儀等，從而使電路仿真分析操作更符合電子工程技術人員的實驗工作習慣。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 1.5 數(shù)字電路EDA仿真分析與設計需要說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。當采用EDA工具進行分析和設計時，需要將自己的設計輸入到計算機中。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言輸入方式。 章 數(shù) 字 電 路 概 述 本章小結本章作為本書及數(shù)字電路的概述，介紹了數(shù)字信號的基本概念、數(shù)字信號的表示方法、數(shù)字電路的基本功能、數(shù)字電路的測試/故障排除及EDA仿真。