数字逻辑概论

1.1 数字电路与数字信号
1.1.3 模拟信号和数字信号
3 模拟量的数字表示
由于数字信号便于存储、分析和传输，通常将模 拟信号转换成数字信号。
模数转换的实现
1.1 数字电路与数字信号
1.1.3 模拟信号和数字信号
3 模拟量的数字表示
采样：按一定时间间隔采集模拟 信号，得到离散的取样信号。
量化：选取一个量化单位，将 取样信号除以量化量单位并取 整。
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 2、数字集成电路的特点
① 稳定性高、结果的再现性好。 ② 电路简单、易于设计 ③ 体积小、成本低，便于大规模集成，批量生产。 ④ 可编程性，可实现硬件设计的软件化。
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⑤ 高速度，低功耗
⑥加密性好。 ⑦抗干扰能力强。
1.1 数字电路与数字信号
高频模拟电路
电子电路 组合逻辑电路 数字电路 时序逻辑电路
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 二极管、晶体管、场效应管工作在开关 状态，时而导通，时而截止，构成电子开关，
是组成逻辑门电路的基本单元。
将门电路集成在一块半导体芯片上就构 成了数字集成电路。
1.1 数字电路与数字信号
a、设计 在计算机上利用软件平
台进行设计。
原理图输入
输入
HDL文本输入
状态机设计
1.1 数字电路与数字信号
1.1.2 数字电路的分类及特点
3 数字电路的分析、设计与测试
b、测试和仿真 c、下载
d、验证结果
1.1 数字电路与数字信号
1.1.2 数字电路的分类及特点
3 数字电路的分析、设计与测试
(3) 数字电路的测试技术
1.1 数字电路与数字信号
1.1.4 数字信号的描述方法 2 数字波形 (4) 时序图 (timing diagram)
表明各信号之间时序关系的波形图。
由于各信号的路径不同 ，
它们之间不可能保持严格 的同步关系，各信号之间 允许一定的误差，但这些 误差必须限定在规定的范 围内。
时序图
1.2 数制
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
数字电路也称为逻辑电路，数字电路的分析是指确定给
定的逻辑电路的输出与输入之间的逻辑关系，不能采用模
拟电路的分析方法。
分析工具 逻辑代数 表达电路功能 真值表、逻辑表达式、卡诺图 、波形图
1.1 数字电路与数字信号
电子技术基础（数字部分）
1.本课程的性质
是电子信息、通信、自动控制、计算机、电气工程类专 业的必修课，具有入门性质的重要的专业基础课。
2.本课程的任务
（1)获得电子技术的基本知识和基本理论，为专业应用打基础 （2)培养抽象思维和分析问题、解决问题的能力。
3.本课程的特点
（1)自成体系、理论性和实践性都很强。 （2)涵盖面广、跨度大； （3)内容多、学时紧，有难度。 （4)实验独立设课。
1.1.2 数字集成电路的分类及特点
1 数字集成电路的分类
SSI Small-Scale Integration
MSI Medium-Scale Integration 集成度
LSI Large-Scale Integration
VLSI Very-Large-Scale Integration
ULSI Ultra-Large-Scale Integration
表示数字信号的高、低电平称为逻辑电平，逻 辑电平不是物理量，而是物理量的相对表示。
1.1 数字电路与数字信号
1.1.4 数字信号的描述方法 1.二值数字逻辑和逻辑电平 二值数字逻辑中逻辑电平和电压值的关系。（正逻辑）
电压 3.5~5V 0~1.5V 电平 H (高) L (低) 二值逻辑 1 0 逻辑状态 true (真) false (假)
1.1.2 数字电路的分类及特点
3 数字电路的分析、设计与测试
(2) 数字电路的设计 电路的设计：从给定的逻辑功能要求出发，确定输 入、输出变量，选择逻辑器件，设计出符合要求的
逻辑电路。
设计过程：方案提出、验证和修改三个阶段。 设计方式：传统的设计方式和基于EDA软件的设 计方式。 EDA (Electronic Design Automation)
tW q(%) 100 % T 6ms 100% 37 .5% 16 ms
1.1 数字电路与数字信号
1.1.4 数字信号的描述方法 2 数字波形 (3) 实际数字信号波形
非理想脉冲波形
1.1 数字电路与数字信号
1.1.4 数字信号的描述方法 2 数字波形
上升时间 tr
从脉冲幅值的10%上升到90%所用时间 下降时间 tf 从脉冲幅值的90%下降到10%所用时间 脉冲宽度 tw 脉冲幅值的50%的两个时刻所跨时间
Agilent
XMM1
XLA1
1
测试设备：
数字电压表、电子示波 器、逻辑分析仪等。 具体测试技术将在实验
XSC2
Tektronix
P G 1 2 3 4 T
课中进行介绍。
F
C Q T
1.1 数字电路与数字信号
1.1.3 模拟信号和数字信号 1 模拟信号 模拟量 在时间上连续变化、数值上也连续取值的物理 量，如温度、压力、模拟声音的音频信号等。 模拟信号 表示模拟量的信号,如正弦变化的交流信号。 模拟电路 处理模拟信号的电子电路。
多位数码中每一位的构成方式，以及从低位到高位 的进位规则称为数制。 1.2.1 十进制 以10为基数的计数体制
数码： 位权：
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
统一表达式：
进位规则：逢十进一
10i
按权展开：
( 368.258 )D = 3×102+6×101+8×100
+2×10-1+5×10-2+ 8×10-3
1.1 数字电路与数字信号
1.1.2 数字电路的分类及特点
3 数字电路的分析、设计与测试
(2) 数字电路的设计 传统的硬件电路设计全均由人工完成，硬件电路的
验证和调试是在电路构成后进行的，故电路中存在的
问题只能在验证后发现。若问题重大，可能要重新设
计，多数需经反复的调试、验证、修改后完成。设计
的周期长，资源的浪费大，不能满足大规模集成电路 设计的需要。
1.1 数字电路与数字信号
1.1.2 数字电路的分类及特点
3 数字电路的分析、设计与测试
(2) 数字电路的设计
基于EDA软件的设计方式借助于计算机来快速准确地完成
电路的设计。设计者提出方案后，利用计算机进行逻辑分析、性 能分析和时序测试，如发现错误或方案不理想，可以重复上述过
程直到得到满意的电路，然后进行硬件电路的实现。
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 数字集成电路的分类 集成度分类
分类 SSI MSI LSI VLSI ULSI
门数（一 个芯片）
10 100 104 105 >105
典型电路 逻辑门、触发器 计数器、加法器 小型存储器、门阵列 大型存储器、微处理器
专用集成电路 ASIC 可编程逻辑器件 PLD
1.2 数制
1.3 二进制的算术运算
1.4 二进制代码
1.5 基本逻辑运算 1.6 逻辑函数描述方法
1.1 数字电路与数字信号
1.1.1 数字技术的发展及其应用 发展特点：以电子器件的发展为基础
1906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 前主要在一些大功率
发射装置中使用。
脉冲宽度 (pulse width) tW 高电平持续的时间
占空比 (duty ratio) q 脉冲宽度与周期的比值
tW q(% ) 100% T
1.1 数字电路与数字信号
1.1.4 数字信号的描述方法 2 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。
的不断发展和完善。 数字技术被广泛应用于：
广播、电视、通信、医学
诊断、测量、控制、文化 娱乐以及家庭生活等方面。
1.1 数字电路与数字信号
1.1.1 数字技术的发展及其应用
数字技术被广泛应用于：
广播、电视、通信、医学诊 断、测量、控制、文化娱乐 以及家庭生活等方面。
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 低频模拟电路 模拟电路
1.1 数字电路与数字信号
1.1.4 数字信号的描述方法 2 数字波形 是信号逻辑电平对时间的图形表示。
(a) 用逻辑电平表示数字波形
(b) 16位数据的图形表示
1.1 数字电路与数字信号
1.1.4 数字信号的描述方法 2 数字波形 (1) 数字波形的类型
① 非归零型
在一个时间拍内用高电平代表1，低电平
电子管时代
1.1 数字电路与数字信号
1.1.1 数字技术的发展及其应用
晶体管时代：半导体技术
半导体二极管、三极管
1.1 数字电路与数字信号
1.1.1 数字技术的发展及其应用
半导体集成电路
1.1 数字电路与数字信号
1.1.1 数字技术的发展及其应用 数字技术应用的典型代 表是电子计算机，数字电
子技术的发展导致计算机
1.1 数字电路与数字信号
1.1.4 数字信号的描述方法 2 数字波形 又称为二值位形图。非归零信号的每 位数据占用一个位时间。
比特率 (Bit rate) 每秒钟转输数据的位数。 例1.1.1 某通信系统每秒传输1544000位数据，求每位数 据传输的时间。 解：每位数据传输的时间为
1.54410 9 647 . 67 10 s 648ns s
代表0。
② 归零型 在一个时间拍内用有脉冲代表1，无脉冲 代表0。
1.1 数字电路与数字信号
1.1.4 数字信号的描述方法
2 数字波形
(a) 非归零型信号 (b) 归零型信号 两者区别：非归零型信号在一个时间拍不归零，而归零型信号 在一个时间拍内会归零。一般作为时序控制信号的时钟脉冲是 归零型。其它大多数数字信号是非归零型。
1.1 数字电路与数字信号
1.1.3 模拟信号和数字信号 1 模拟信号 用传感器将模拟量转换为成比例的电
压或电流信号，送到电子系统处理。
模拟信号波形
1.1 数字电路与数字信号
1.1.3 模拟信号和数字信号 2 数字信号 数字量 在时间和数值上都离散的物理量，如每
隔1小时测量的某天温度，各种脉冲信号等。 数字信号 表示数字量的信号。 数字电路 处理数字信号的电子电路。
6
1
1.1 数字电路与数字信号
1.1.4 数字信号的描述方法 2 数字波形 (2) 周期性和非周期性数字波形
(a)非周期性数字波形
(b) 周期性数字波形
1.1 数字电路与数字信号
1.1.4 数字信号的描述方法 2 数字波形 周期性数字波形的参数 周期 (period) T 频率 (frequency) f
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。是硬件的设计软件化。
1.1 数字电路与数字信号
1.1.2 数字电路的分类及特点 3 数字电路的分析、设计与测试
EDA (Electronic Design Automation)
1.1.2 数字集成电路的分类及特点 1 数字集成电路的分类 双极型 (BJT) 电子器件 （结构、 工艺） 单极型 (FET) TTL(晶体管逻辑) ECL(射极耦合逻辑)
I2L(集成注入逻辑)
PMOS (P沟道金属氧化物半导体) NMOS(N沟道MOS) CMOS(互补MOS)
1.1 数字电路与数字信号
n 1 (N)D K 10i i i m
1.2 数制
任意进制数的表达式： 系数
电子技术基础（数字部分）
第1章
数字逻辑概论
第1章 数字逻辑基础 本章学习重点
知道模拟 / 数字信号定义
熟悉各种常用数制及其转换
熟悉原码、反码、补码及二进制数的算术运算
熟悉常见的二进制代码，掌握基本的逻辑运算
掌握基本和常用逻辑函数及其表示方法
第1章 数字逻辑概论
1.1 数字电路与数字信号
采样信号
编码：用适当位数的0和1表示数字信号。
1.1 数字电路与数字信号
1.1.4 数字信号的描述方法 1.二值数字逻辑和逻辑电平 二值数字逻辑：数字信号用0、1两个数码表示，称 为二值数字逻辑，也简称为数字逻辑。
－－表示数量时称为二进制数。 －－表示两种不同的逻辑状态时称为二值数字逻辑
表示方式
在电路中用高、低电平表示0、1两种逻辑状态。