數(shù)字電路的基礎知識教程第1章

1、第一章第一章 數(shù)字電路基礎數(shù)字電路基礎1.1 1.1 數(shù)字電路的基本概念數(shù)字電路的基本概念1.2 1.2 數(shù)制數(shù)制1.3 1.3 二二十進制碼十進制碼1.4 1.4 數(shù)字電路中的二極管與三極管數(shù)字電路中的二極管與三極管1.5 1.5 基本邏輯運算基本邏輯運算1.6 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 1.1 數(shù)字電路的基本概念數(shù)字電路的基本概念5V(V)0t(ms)102030 4050數(shù)字信號在電路中常表現(xiàn)為突變的電壓或電流。數(shù)字信號在電路中常表現(xiàn)為突變的電壓或電流。 一、模擬信號與數(shù)字信號一、模擬信號與數(shù)字信號模擬信號模擬信號時間連續(xù)數(shù)值也連續(xù)的信號。如速度、壓時間連

2、續(xù)數(shù)值也連續(xù)的信號。如速度、壓力、溫度等。力、溫度等。數(shù)字信號數(shù)字信號在時間上和數(shù)值上均是離散的。如電子表在時間上和數(shù)值上均是離散的。如電子表的秒信號，生產線上記錄零件個數(shù)的記數(shù)信號等。的秒信號，生產線上記錄零件個數(shù)的記數(shù)信號等。 有兩種邏輯體制：有兩種邏輯體制： 正邏輯體制正邏輯體制規(guī)定：高電平為邏輯規(guī)定：高電平為邏輯1，低電平為邏輯，低電平為邏輯0。 負邏輯體制負邏輯體制規(guī)定：低電平為邏輯規(guī)定：低電平為邏輯1，高電平為邏輯，高電平為邏輯0。 下圖為采用正邏輯體制所表的示邏輯信號：下圖為采用正邏輯體制所表的示邏輯信號：二、正邏輯與負邏輯二、正邏輯與負邏輯 數(shù)字信號是一種二值信號，用兩個電平（

3、高電平和低電數(shù)字信號是一種二值信號，用兩個電平（高電平和低電平）分別來表示兩個邏輯值（邏輯平）分別來表示兩個邏輯值（邏輯1和邏輯和邏輯0）。）。 邏輯邏輯0 邏輯邏輯0 邏輯邏輯0 邏輯邏輯1 邏輯邏輯1 三、數(shù)字信號的主要參數(shù)三、數(shù)字信號的主要參數(shù) 一個理想的周期性數(shù)字信號，可用以下幾個參數(shù)來描繪：一個理想的周期性數(shù)字信號，可用以下幾個參數(shù)來描繪： Vm信號幅度。信號幅度。 T信號的重復周期。信號的重復周期。 tW脈沖寬度。脈沖寬度。 q占空比。其定義為：占空比。其定義為： %100(%)WTtq5V(V)0t(ms)twTVm 圖中所示圖中所示為三個周期相為三個周期相同（同（T T=20m

4、s=20ms），），但幅度、脈沖但幅度、脈沖寬度及占空比寬度及占空比各不相同的數(shù)各不相同的數(shù)字信號。字信號。Vt(V)(ms)501020304050Vt(V)(ms)01020304050Vt(V)(ms)010203040503.610(a)(b)(c) 1.2 1.2 數(shù)數(shù) 制制例例1.2.11.2.1 將二進制數(shù)將二進制數(shù)10011.10110011.101轉換成十進制數(shù)。轉換成十進制數(shù)。 解：解：將每一位二進制數(shù)乘以位權，然后相加，將每一位二進制數(shù)乘以位權，然后相加，可得可得 (10011.101)(10011.101)B B1 12 24 40 02 23 30 02 22 21

5、12 21 11 12 20 01 12 21 10 02 22 21 12 23 3 （19.625)19.625)D D一、一、幾種常用的計數(shù)體制幾種常用的計數(shù)體制 1.1.十進制十進制( (Decimal)Decimal) 2. 2.二進制二進制( (BinaryBinary) ) 3 3. .十六進制十六進制(Hexadecimal)(Hexadecimal)與八進制（與八進制（OctalOctal）二、二、不同數(shù)制之間的相互轉換不同數(shù)制之間的相互轉換 1 1二進制轉換成十進制二進制轉換成十進制231152122222余0余1余1余1余10bbbbb01234讀取次序例例1.2.21.

6、2.2 將十進制數(shù)將十進制數(shù)2323轉換成二進制數(shù)。轉換成二進制數(shù)。解：解： 用用“除除2 2取余取余”法轉換法轉換: : 2.2.十進制轉換成二進制十進制轉換成二進制則（則（23)23)D D = =（10111)10111)B B 1.3 1.3 二二十進制碼（十進制碼（ BCDBCD碼）碼） BCDBCD碼碼用二進制代碼來表示十進制的用二進制代碼來表示十進制的0 09 9十個數(shù)。十個數(shù)。 要用二進制代碼來表示十進制的要用二進制代碼來表示十進制的09十個數(shù)，至少要用十個數(shù)，至少要用4位二進制數(shù)。位二進制數(shù)。 4位二進制數(shù)有位二進制數(shù)有16種組合，可從這種組合，可從這16種組合中選擇種組合中

7、選擇10種種組合分別來表示十進制的組合分別來表示十進制的09十個數(shù)。十個數(shù)。 選哪選哪10種組合，有多種方案，這就形成了不同的種組合，有多種方案，這就形成了不同的BCD碼。碼。位權位權0123456789十進制數(shù)十進制數(shù)8 4 2 10 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 18421碼碼2 4 2 10 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 12421碼碼0 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1

8、 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 111 0 00 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 01 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 111 0 05 4 2 15421碼碼無權無權余余3碼碼 常用常用BCDBCD碼碼 1.4 1.4 數(shù)字電路中的二極管與三極管數(shù)字電路中的二極管與三極管(1)(1)加正向電壓加正向電壓V VF F時，二極管導通，管壓降時，二極管導通，管壓降V VD D可忽略。二極可忽略。二極管相當于一個閉合的開關。管相當于一個閉合的開關。一、二極管的開關特性一、二極管的開關特性1 1二極管的靜態(tài)特

9、性二極管的靜態(tài)特性DRLFFVIFKFRVLI 可見，二極管在電路中表現(xiàn)為一個可見，二極管在電路中表現(xiàn)為一個受外加電壓受外加電壓vi控制的開關控制的開關。當外加電壓當外加電壓vi為一脈沖信號時，二極管將隨著脈沖電壓的為一脈沖信號時，二極管將隨著脈沖電壓的變化在變化在“開開”態(tài)與態(tài)與“關關”態(tài)之間轉換。這個轉換過程就態(tài)之間轉換。這個轉換過程就是二極管開關的是二極管開關的動態(tài)特性動態(tài)特性。(2)(2)加反向電壓加反向電壓V VR R時，二極管截止，反向電流時，二極管截止，反向電流I IS S可忽略。二可忽略。二極管相當于一個斷開的開關。極管相當于一個斷開的開關。LKVRRDLRVSRI 2 2二極

10、管開關的動態(tài)特性二極管開關的動態(tài)特性 給二極管電路加入給二極管電路加入一個方波信號，電流的一個方波信號，電流的波形怎樣呢？波形怎樣呢？ts為存儲時間，為存儲時間，tt稱為渡越時間稱為渡越時間。trets十十tt稱為稱為反向恢復時間反向恢復時間+DLIRvitRtt(c)sItiI0.1I1FRt0 反向恢復時間：反向恢復時間：t treret ts s十十t tt t產生反向恢復過程的原因：產生反向恢復過程的原因：反向恢復時間反向恢復時間t trere就是存儲電荷消散所需要的時間。就是存儲電荷消散所需要的時間。 同理，二極管從截止轉為正向導通也需要時間，這段時同理，二極管從截止轉為正向導通也需

11、要時間，這段時間稱為間稱為開通時間開通時間。開通時間比反向恢復時間要小得多，一般。開通時間比反向恢復時間要小得多，一般可以忽略不計?？梢院雎圆挥嫛?NPpLx濃濃度度分分布布耗耗盡盡層層NP區(qū)區(qū)區(qū)區(qū)中中空空穴穴區(qū)區(qū)中中電電子子區(qū)區(qū)濃濃度度分分布布nL 二、三極管二、三極管的開關特性的開關特性1 1三極管的三種工作狀態(tài)三極管的三種工作狀態(tài) （1 1）截止狀態(tài)：）截止狀態(tài)：當當V VI I小于三極管發(fā)射結死區(qū)電壓時，小于三極管發(fā)射結死區(qū)電壓時，I IB BI ICBOCBO00， I IC CI ICEOCEO00，V VCECEV VCCCC，三極管工作在截止區(qū)，對應圖中的，三極管工作在截止區(qū)，

12、對應圖中的A A點。點。 三極管工作在截止狀態(tài)的條件為：發(fā)射結反偏或小于死區(qū)電壓三極管工作在截止狀態(tài)的條件為：發(fā)射結反偏或小于死區(qū)電壓+V+-T123BiRebiVCCRICbCcCEVVCiCSB1I0.7VB5C/RCIB2BIB3D=0IIBI=IBSCCEVCEAvICCB4 此時，若調節(jié)此時，若調節(jié)R Rb b，則，則I IB B，I IC C，V VCECE，工作點沿著負載線由，工作點沿著負載線由A A點點BB點點CC點點DD點向上移動。在此期間，三極管工作在放大區(qū)，點向上移動。在此期間，三極管工作在放大區(qū)， 其特點為其特點為I IC CIIB B。 三極管三極管工作在放大狀態(tài)的條

13、件為：工作在放大狀態(tài)的條件為：發(fā)射結正偏，集電結反偏發(fā)射結正偏，集電結反偏 （2 2）放大狀態(tài)：）放大狀態(tài)：當當V VI I為正值且大于死區(qū)電壓時，為正值且大于死區(qū)電壓時，三極管三極管導通。有導通。有 bIbBEIBRVRVVI +V+-T123BiRebiVCCRICbCcCEVVCiCSB1I0.7VB5C/RCIB2BIB3D=0IIBI=IBSCCEVCEAvICCB4 再減小再減小R Rb b，I IB B會繼續(xù)增加，但會繼續(xù)增加，但I IC C不會再增加，不會再增加，三極管三極管進入飽和狀態(tài)。進入飽和狀態(tài)。飽和時的飽和時的V VCECE電壓稱為飽和壓降電壓稱為飽和壓降V VCESC

14、ES，其典型值為：，其典型值為：V VCESCES0.30.3V V。 三極管三極管工作在飽和狀態(tài)的電流條件為：工作在飽和狀態(tài)的電流條件為：I IB B I IBS BS 電壓條件為：電壓條件為：集電結和發(fā)射結均正偏集電結和發(fā)射結均正偏 （3 3）飽和狀態(tài)：）飽和狀態(tài)：V VI I不變，繼續(xù)減小不變，繼續(xù)減小R Rb b，當，當V VCECE 0.70.7V V時，集電結變?yōu)闀r，集電結變?yōu)榱闫?，稱為零偏，稱為臨界飽和狀態(tài)臨界飽和狀態(tài)，對應，對應E E點。此時的集電極電流用點。此時的集電極電流用I ICSCS表示表示，基極，基極電流用電流用I IBSBS表示表示，有，有: :CCCC0.7V-R

15、VRVICCCSCCCCSBSRVII+V+-T123BiRebiVCCRICbCcCEVVCiCSB1I0.7VB5C/RCIB2BIB3D=0IIBI=IBSCCEVCEAvICCB4工作狀態(tài)工作狀態(tài)截截 止止放放 大大飽飽 和和條條 件件工工作作特特點點偏值情況偏值情況集電極電集電極電流流管壓降管壓降近似的等近似的等效電路效電路C、E間等間等效電阻效電阻cbebce0.7VIBICBIbce0.7VIBCSI0BIBSB0IIBSBII0CIBCIICCCCSC/ RVIICCCEVVCCCCCERIVVV3 . 0CESCEVV 三種工作狀態(tài)比較三種工作狀態(tài)比較發(fā)射結電壓發(fā)射結電壓死區(qū)

16、電壓死區(qū)電壓發(fā)射結正偏發(fā)射結正偏集電結反偏集電結反偏發(fā)射結正偏發(fā)射結正偏集電結正偏集電結正偏很大很大相當開關斷開相當開關斷開可變可變很小很小相當開關閉合相當開關閉合解：解： 根據(jù)飽和條件根據(jù)飽和條件IBIBS解題。解題。例例1.4.1 電路及參數(shù)如圖所示，設輸入電壓電路及參數(shù)如圖所示，設輸入電壓VI=3V，三極管的，三極管的VBE=0.7V。（1 1）若）若6060，試判斷，試判斷三極管三極管是否飽和，并求出是否飽和，并求出IC和和VO的值的值。（2）將）將RC改為改為6.8kW W，重復以上計算。，重復以上計算。)0.023(1000.7-3mAB I)0.020(106012mACCCBS

17、 RVI IBIBS 三極管飽和。三極管飽和。 )1.2(1012mACCCCSC RVIIV3 . 0CESO VVIB不變，仍為不變，仍為0.023mA )0.029(6.86012mACCCBS RVI IBIBS 三極管處在放大狀態(tài)。三極管處在放大狀態(tài)。 )1.4(0.02360mAB IIC )2.48(6.81.4-12-VCCCCCEO RIVVV+V-T123100kRCCRVbI（+12V）VCO10k（3）將）將RC改為改為6.8kW W，再將，再將Rb改為改為60kW W，重復以上計算。，重復以上計算。 由此可見，由此可見，Rb 、RC 、等參數(shù)都等參數(shù)都能決定三極管是否

18、飽和。能決定三極管是否飽和。 即即在在VI一定（要保證發(fā)射結正偏）和一定（要保證發(fā)射結正偏）和VCC一定的條件下，一定的條件下，Rb越小，越小，越大，越大，RC越大，越大，三極管三極管越容易飽和。越容易飽和。在數(shù)字電路中總是合理地選擇這在數(shù)字電路中總是合理地選擇這幾個參數(shù)，使三極管在導通時為飽和導通。幾個參數(shù)，使三極管在導通時為飽和導通。)0.038(600.7-3mAB I IBS0.029 mAIBIBS 三極管飽和。三極管飽和。 )1.76(6.812mACCCCS RVIICV3 . 0CESO VV+V-T123100kRCCRVbI（+12V）VCO10kCCCbIRVRV 飽和條

19、件可寫為：飽和條件可寫為： 2 2三極管的動態(tài)特性三極管的動態(tài)特性（1）延遲時間延遲時間td從從vi正跳變正跳變的瞬間開始，到的瞬間開始，到iC上升到上升到 0.1ICS所需的時間所需的時間 （2）上升時間上升時間triC從從0.1ICS上升到上升到0.9ICS所需的時間。所需的時間。（3）存儲時間存儲時間ts從從vi下跳變下跳變的瞬間開始，到的瞬間開始，到iC下降到下降到0.9ICS所需的時間。所需的時間。（4）下降時間下降時間tfC從從0.9ICS下下降到降到0.1ICS所需的時間。所需的時間。 +V+-T123BiRebiVCCRICbCcCEVVi0V2ICICEOICStt1vCCS

20、ICSItiCSI0.10.9tdSttrtf開通時間開通時間ton= td +tr關斷時間關斷時間toff= ts +tf一、基本邏輯運算一、基本邏輯運算設：開關閉合設：開關閉合=“1”=“1” 開關不閉合開關不閉合=“0”=“0” 燈亮，燈亮，L=1L=1 燈不亮，燈不亮，L=0L=0 1.5 1.5 基本邏輯運算基本邏輯運算 與邏輯與邏輯只有當決定一件事情的條件全部具備之后，這只有當決定一件事情的條件全部具備之后，這件事情才會發(fā)生。件事情才會發(fā)生。1 1與運算與運算BAL與邏輯表達式：與邏輯表達式：AB燈燈L不閉合不閉合不閉合不閉合閉合閉合閉合閉合不閉合不閉合閉合閉合不閉合不閉合閉合閉合

21、不亮不亮不亮不亮不亮不亮亮亮0101BLA0011輸輸 入入0001輸出輸出 與邏輯真值表與邏輯真值表VBLAA&L=ABB2 2或運算或運算或邏輯表達式：或邏輯表達式： LA+B 或邏輯或邏輯當決定一件事情的幾個條件中，只要有一個當決定一件事情的幾個條件中，只要有一個或一個以上條件具備，這件事情就發(fā)生?；蛞粋€以上條件具備，這件事情就發(fā)生。AB燈燈L不閉合不閉合不閉合不閉合閉合閉合閉合閉合不閉合不閉合閉合閉合不閉合不閉合閉合閉合不亮不亮亮亮亮亮亮亮0101BLA0011輸輸 入入0111輸出輸出 或邏輯真值表或邏輯真值表LBVAL=A+BA1B3 3非運算非運算非邏輯表達式：非邏輯表達

22、式： AL 非邏輯非邏輯某事情發(fā)生與否，僅取決于一個條件，而某事情發(fā)生與否，僅取決于一個條件，而且是對該條件的否定。即條件具備時事情不發(fā)生；條且是對該條件的否定。即條件具備時事情不發(fā)生；條件不具備時事情才發(fā)生。件不具備時事情才發(fā)生。A燈燈L閉合閉合不閉合不閉合不亮不亮亮亮LA0110非邏輯真值表非邏輯真值表ALRVL=A1A 二、其他常用邏輯運算二、其他常用邏輯運算 2 2或非或非 由或運算和非由或運算和非運算組合而成。運算組合而成。 1 1與非與非 由與運算由與運算 和和非運算組合而非運算組合而成。成。0101BLA0011輸輸 入入1110輸出輸出 “與與非非”真值真值表表0101BLA0

23、011輸輸 入入1000輸出輸出 “或或非非”真值真值表表&ABL=ABABL=A+B13 3異或異或 異或是一種異或是一種二變量二變量邏輯運算，邏輯運算，當兩個變量取值相同時，邏當兩個變量取值相同時，邏輯函數(shù)值為輯函數(shù)值為0 0；當兩個變量取值不同時，邏輯函數(shù)值為；當兩個變量取值不同時，邏輯函數(shù)值為1 1。0101BLA0011輸輸 入入0110輸出輸出 “異或異或”真值真值表表BAL異或的邏輯表達式為：異或的邏輯表達式為：BAL=A=1+ B 1.6 1.6 邏輯函數(shù)及其表示方法邏輯函數(shù)及其表示方法解：解：第一步：設置自變量和因變量。第一步：設置自變量和因變量。 第二步：狀態(tài)賦值。

24、第二步：狀態(tài)賦值。 對于自變量對于自變量A、B、C設：設： 同意為邏輯同意為邏輯“1”， 不同意為邏輯不同意為邏輯“0”。 對于因變量對于因變量L設：設： 事情通過為邏輯事情通過為邏輯“1”， 沒通過為邏輯沒通過為邏輯“0”。一、邏輯函數(shù)的建立一、邏輯函數(shù)的建立例例1.6.11.6.1 三個人表決一件事情，結果按三個人表決一件事情，結果按“少數(shù)服從多數(shù)少數(shù)服從多數(shù)”的原則決的原則決定，試建立該邏輯函數(shù)。定，試建立該邏輯函數(shù)。第三步：根據(jù)題義及上述規(guī)定第三步：根據(jù)題義及上述規(guī)定 列出函數(shù)的真值表。列出函數(shù)的真值表。0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1A

25、 B C00010111 L三人表決電路真值表三人表決電路真值表 一般地說，若輸入邏輯變量一般地說，若輸入邏輯變量A、B、C的取值確定以后，輸出邏輯變量的取值確定以后，輸出邏輯變量L的值也唯的值也唯一地確定了，就稱一地確定了，就稱L是是A、B、C的邏輯函數(shù)，的邏輯函數(shù)，寫作：寫作： L=f（A，B，C） 邏輯函數(shù)與普通代數(shù)中的函數(shù)相比較，有兩邏輯函數(shù)與普通代數(shù)中的函數(shù)相比較，有兩個突出的特點：個突出的特點：（1 1）邏輯變量和邏輯函數(shù)只能取兩個值）邏輯變量和邏輯函數(shù)只能取兩個值0 0和和1 1。（2 2）函數(shù)和變量之間的關系是由）函數(shù)和變量之間的關系是由“與與”、“或或”、“非非”三種基本運算

26、決定的。三種基本運算決定的。 二、邏輯函數(shù)的表示方法二、邏輯函數(shù)的表示方法ABCCABCBABCAL BABAL 1 1真值表真值表將輸入邏輯變量的各種可能取值和相應的函數(shù)值排列將輸入邏輯變量的各種可能取值和相應的函數(shù)值排列在一起而組成的表格。在一起而組成的表格。 2 2函數(shù)表達式函數(shù)表達式由邏輯變量和由邏輯變量和“與與”、“或或”、“非非”三種運算三種運算符所構成的表達式。符所構成的表達式。 由真值表可以轉換為函數(shù)表達式。例如，由由真值表可以轉換為函數(shù)表達式。例如，由“三人表決三人表決”函數(shù)的函數(shù)的真真值表可寫出值表可寫出邏輯表達式：邏輯表達式：解：解：該函數(shù)有兩個變量，有該函數(shù)有兩個變量，有4 4種取值的種取值的可能組合，將他們按順序排列起來即可能組合，將他們按順序排列起來即得真值表。得真值表。0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1A B C00010111 L三人表決電路真值表三人表決電路真值表 反之，由函數(shù)表達式也可以轉換成真值表。反之，由函數(shù)表達式也可以轉換成真值表。例例1.6.2 1.6.2 列出下列函數(shù)的真值表：列出下列函數(shù)的真值表：真值表真值表0 00 11 01 1A B 1001 L 3 3邏輯圖邏輯圖由邏輯符號及它們之間的連線而構成的圖形。由邏輯符