数字电路学习(完整)ppt课件.ppt

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1、数 字 电 子 技 术,电子技术的分类：,模拟电子技术-研究模拟电路 Analog Circuits ：传递和处理模拟信号-A,数字电子技术-研究数字电路 Digital Circuits ：传递和处理数字信号-D,电子电路中的信号,模拟信号-Analog signal,数字信号- Digital signal,时间和幅度上连续的信号,时间和幅度都是离散的信号,电子技术的应用领域：,Communication,Control,Computer,Culture life,汽车、电视、雷达、通信、电子计算机、自动控制、电子测量仪表、航天、核物理、生物、医疗和日常生活（门铃、游戏、家电、生活管理）等

2、，无处不存在。,4C,人类进入到数字时代,数字技术是发展最快 、 应用最广泛的技术.,航空航天,“勇气”号 火星探测器,雷达技术,通信技术,计算机、自动控制,计算机,数码相机,概述,第 1 章绪论,数制与码制,本章小结,主要要求：,了解数字电路的特点和分类。,了解脉冲波形的主要参数。,1.1概述,传递、和 处理模拟信号,传递、和处理数字信号,数字电路中典型信号波形,一、数字电路与数字信号,输出信号与输入信号之间的对应逻辑关系,逻辑代数,只有高电平和低电平两个取值,导通(开)、截止(关),便于高度集成化、工作可靠性高、数字信息便于保存、抗干扰能力强等,研究对象,分析工具,信 号,电子器件工作状态

3、,主要优点,二、数字电路特点,将晶体管、电阻、电容等元器件用导线在线路板上连接起来的电路。,将上述元器件和导线通过半导体制造工艺做在一块硅片上而成为一个不可分割的整体电路。,根据电路结构不同分,分立元件电路,集 成 电 路,根据半导体的导电类型不同分,双极型数字集成电路,单极型数字集成电路,以双极型晶体管作为基本器件,以单极型晶体管作为基本器件,例如 CMOS,例如 TTL、ECL,三、数字电路的分类,根据集成密度不同分,Um,tr,tf,T,tw,脉 冲 幅 度 Um： 脉冲上升时间 tr：脉冲下降时间 tf：脉 冲 宽 度 tw ：脉 冲 周 期 T ：脉 冲 频 率 f ： 占 空 比

4、q ：,脉冲电压变化的最大值,脉冲波形从 0.1Um 上升到 0.9Um 所需的时间,脉冲上升沿 0.5Um 到下降沿 0.5Um 所需的时间,脉冲波形从 0.9Um 下降到 0.1Um 所需的时间,周期脉冲中相邻两个波形重复出现所需的时间,1 秒内脉冲出现的次数 f = 1/T,脉冲宽度 tw 与脉冲周期 T 的比值 q = tw/T,四、脉冲波形的主要参数,理解 BCD 码的含义，掌握 8421BCD 码，了解其他常用 BCD 码。,主要要求：,掌握二进制、十进制、八进制和十六进制数及其相互转换。,1.2数制和码制,计数的方法,(一) 十进制 (Decimal),(xxx)10 或 (xx

5、x)D,例如(3176.54)10 或(3176.54)D,数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9,进位规律：逢十进一，借一当十,一、数制,例如 0 + 1 = 1 1 + 1 = 10 11 + 1 = 100 10 1 = 1,(二) 二进制 (Binary),(xxx)2 或 (xxx)B,例如 (1011.11)2 或 (1011.11)B,数码：0、1,进位规律：逢二进一，借一当二,权：2i 基数：2 系数：0、1,将按权展开式按照十进制规律相加，即得对应十进制数。,(三) 八进制和十六进制,例如 (437.25)8 = 482 + 381 + 780 + 28-1 + 58-

6、2 = 256 + 24 + 7 + 0.25 + 0.078125 = (287.328125)10,例如(3BE.C4)16 = 3162 + 11161 + 14160 + 1216-1 + 416-2 = 768 + 176 + 14 + 0.75 + 0.015625 = (958.765625)10,二、不同数制间的关系与转换,对同一个数的不同计数方法,不同数制之间有关系吗？,1.500 1,整数0.750 0,(二) 不同数制间的转换,1. 各种数制转换成十进制,2. 十进制转换为其它进制,例 将十进制数 (26.375)10 转换成二进制数,26,6 1,3 0,1 1,0 1

7、,2,(26 )10 = (11010 ) 2,2,2,1.000 1,.375,2,2,2,2,0.375,2,一直除到商为 0 为止,余数 13 0,按权展开求和,整数和小数分别转换 整数部分：除 N 取余法 小数部分：乘 N 取整法,读数顺序,读数顺序,.011,每位八进制数用三位二进制数代替，再按原顺序排列。,八进制二进制,3. 二进制与八进制间的相互转换,二进制八进制,(11100101.11101011)2 = (345.726)8,(745.361)8 = (111100101.011110001)2,补0,(11100101.11101011)2 = ( ? )8,111001

8、01.11101011,0,0,从小数点开始，整数部分向左 (小数部分向右) 三位一组，最后不足三位的加 0 补足三位，再按顺序写出各组对应的八进制数 。,补0,11,100,101,111,010,11,一位十六进制数对应四位二进制数，因此二进制数四位为一组。,4. 二进制和十六进制间的相互转换,(10011111011.111011)2= (4FB.EC)16,(3BE5.97D)16 = (11101111100101.100101111101)2,补 0,(10011111011.111011)2 = ( ? )16,10011111011.111011,0,0,0,补 0,100,1

9、111,1011,1110,11,例如 ：用四位二进制数码表示十进制数 0 90000 0 0001 1 0010 2 0011 3 0100 40101 5 0110 6 0111 7 1000 8 1001 9,将若干个二进制数码 0 和 1 按一定规则排列起来表示某种特定含义的代码称为二进制代码，或称二进制码。,用数码的特定组合表示特定信息的过程称编码,三、二进制代码,例如：用三位自然二进制码表示十进制数 0 7： 000 0 001 1 010 2 011 3 100 4 101 5 110 6 111 7,(一) 自然二进制码,按自然数顺序排列的二进制码,(二) 二-十进制代码,表示

10、十进制数 0 9 十个数码的二进制代码,(又称 BCD 码 即 Binary Coded Decimal),1 位十进制数需用 4 位二进制数表示，故 BCD 码为 4 位。,4 位二进制码有 16 种组合，表示 0 9十个数可有多种方案，所以 BCD 码有多种。,常用二 - 十进制代码表,权为 8、4、2、1,比 8421BCD 码多余 3,取四位自然二进制数的前 10 种组合，去掉后 6 种组合 1010 1111。,格雷码(Gray 码，又称循环码),0110,最低位以 0110 为循环节,次低位以 00111100 为循环节,第三位以 0000111111110000 为循环节,.,0

11、110,0110,0110,00111100,00111100,0000111111110000,0000000011111111,特点:,相邻项或对称项只有一位不同,典型格雷码构成规则 ：,用 BCD 码表示十进制数举例：,(36)10 = ( )8421BCD,(4.79)10 = ( )8421BCD,(01010000)8421BCD = ( )10,注意区别 BCD 码与数制：,(150)10 = (000101010000)8421BCD = (10010110)2 = (226)8 = (96)16,6 0110,3 0011,4. 0100.,7 0111,9 1001,010

12、1 5,0000 0,本章小结,数字电路是传递、加工和处理数字信号的电子电路。它有分立元件电路和集成电路两大类，数字集成电路发展很快，目前多采用中大规模以上的集成电路。,数字电路的主要优点是便于高度集成化、工作可靠性高、数字信息便于保存、抗干扰能力强、保密性好等。,数字电路中的信号只有高电平和低电平两个取值，通常用 1 表示高电平，用 0 表示低电平，正好与二进制数中 0 和 1 对应，因此，数字电路中主要采用二进制。,常用的计数进制有十进制、二进制、八进制和十六进制。,二进制数进位规律是逢二进一，借 一当二。其基数为 2；权为 2i 。,二进制代码指将若干个二进制数码 0 和 1 按一定规则

13、排列起来表示某种特定含义的代码，简称二进制码。,二进制数十进制数方法：按权展开后求和。,十进制数二进制数方法：整数“除 2 取余”法， 小数“乘 2 取整”法。写出转换结果时需注意读数的顺序。,BCD 码指用以表示十进制数 0 9 十个数码的二进制代码 。,十进制数与 8421 码对照表,编码是用数码的特定组合表示特定信息的过程。,概述,第 2 章逻辑代数基础,逻辑函数及其表示法,逻辑代数的基本定律和规则,逻辑函数的代数化简法,逻辑函数的卡诺图化简法,本章小结,主要要求：,理解逻辑值 1 和 0 的含义。,2.1 概 述,理解逻辑体制的含义。,一、逻辑代数,逻辑代数中的 1 和 0 不表示数量

14、大小，仅表示两种相反的状态。,注意,例如：开关闭合为 1 晶体管导通为 1 电位高为 1 断开为 0 截止为 0 低为 0,主要要求：,掌握逻辑代数的常用运算。,理解并初步掌握逻辑函数的建立和表示的方法。,2.2 逻辑函数及其表示法,掌握真值表、逻辑式和逻辑图的特点及其相互转换的方法。,一、基本逻辑函数及运算,1. 与逻辑,决定某一事件的所有条件都具备时，该事件才发生,逻辑表达式 Y = A B 或 Y = AB,与门 (AND gate),若有 0 出 0；若全 1 出 1,开关 A 或 B 闭合或两者都闭合时，灯 Y 才亮。,2. 或逻辑,决定某一事件的诸条件中，只要有一个或一个以上具备时

15、，该事件就发生。,若有 1 出 1若全 0 出 0,逻辑表达式 Y = A + B,或门 (OR gate),1,3. 非逻辑,决定某一事件的条件满足时，事件不发生；反之事件发生。,1,非门(NOT gate) 又称“反相器”,二、几种导出的逻辑运算,由基本运算组合而成,若相异出 1若相同出 0,若相同出 1若相异出 0,注意：异或和同或互为反函数，即,例 试对应输入信号波形分别画出下图各电路的输出波形。,解：,Y1,0 1 1 0 0 1 1 0,0 0 1 1 0 0 1 1,Y2,Y3,三、逻辑符号对照,四、逻辑函数及其表示方法,逻辑函数描述了某种逻辑关系。常采用真值表、逻辑函数式、卡诺

16、图和逻辑图等表示。,1. 真值表,列出输入变量的各种取值组合及其对应输出逻辑函数值的表格称真值表。,0,0,4 个输入变量有 24 = 16 种取值组合。,2. 逻辑函数式,表示输出函数和输入变量逻辑关系的 表达式。又称逻辑表达式，简称逻辑式。,逻辑函数式一般根据真值表、卡诺图或逻辑图写出。,(1)找出函数值为 1 的项。(2)将这些项中输入变量取值为 1 的用原变量代替， 取值为 0 的用反变量代替，则得到一系列与项。(3)将这些与项相加即得逻辑式。,3. 逻辑图,运算次序为先非后与再或，因此用三级电路实现之。,由逻辑符号及相应连线构成的电路图。,例如 画 的逻辑图,例 图示为控制楼道照明的

17、开关电路。两个单刀双掷开关 A 和 B 分别安装在楼上和楼下。上楼之前，在楼下开灯，上楼后关灯；反之，下楼之前，在楼上开灯，下楼后关灯。试画出控制功能与之相同的逻辑电路。,(1) 分析逻辑问题，建立逻辑函数的真值表,(2) 根据真值表写出逻辑式,解：,方法：找出输入变量和输出函数，对它们的取值作出逻辑规定，然后根据逻辑关系列出真值表。,设开关 A、B合向左侧时为 0 状态，合向右侧时为 1 状态；Y 表示灯，灯亮时为 1 状态，灯灭时为 0 状态。则可列出真值表为,(3) 画逻辑图,与或表达式(可用 2 个非门、 2 个与门和 1 个或门实现),异或非表达式(可用 1 个异或门和 1 个非门实

18、现),=B,第三堂课 内容及重点与难点,1、简要复习上堂课主要内容。2、本堂课要学习的内容：逻辑代数的基本定律和规则，逻辑函数的代数化简法，逻辑函数的卡诺图化简法。3、重点：逻辑代数的基本定律和规则，逻辑函数的代数化简法，逻辑函数的卡诺图化简法。4、难点：逻辑函数的代数化简法。5、要求：熟练掌握重点内容,2.3逻辑代数的基本定律和规则,主要要求：,掌握逻辑代数的基本公式、基本定律和重要规则。,一、基本公式,二、基本定律,普通代数没有！,例 证明等式 A + BC = (A + B) (A + C),解：,真值表法,公式法,右式 = (A + B) (A + C),用分配律展开,= AA,+ A

19、C,+ BA,+ BC,= A + AC + AB + BC,= A (1 + C + B) + BC,= A 1 +BC,= A + BC,0,0,0,0,= 左式,(二) 逻辑代数的特殊定理,吸收律,A + AB = A,A + AB = A (1 + B) = A,推广公式：,推广公式：,摩根定律,(又称反演律),三、重要规则,(一) 代入规则,A A A,利用代入规则能扩展基本定律的应用。,将逻辑等式两边的某一变量均用同一个逻辑函数替代，等式仍然成立。,变换时注意：(1) 不能改变原来的运算顺序。(2) 反变量换成原变量只对单个变量有效，而长非 号保持不变。,可见，求逻辑函数的反函数有

20、两种方法：利用反演规则或摩根定律。,原运算次序为,(二) 反演规则,对任一个逻辑函数式 Y，将“”换成“+”，“+”换成“”，“0”换成“1”，“1”换成“0”，原变量换成反变量，反变量换成原变量，则得到原逻辑函数的反函数。,(三) 对偶规则,对任一个逻辑函数式 Y，将“”换成“+”，“+”换成“”，“0”换成“1”，“1”换成“0”，则得到原逻辑函数式的对偶式 Y 。,对偶规则：两个函数式相等，则它们的对偶式也相等。,应用对偶规则可将基本公式和定律扩展。,主要要求：,了解逻辑函数式的常见形式及其相互转换。,掌握逻辑函数的代数化简法。,2.4 逻辑函数的代数化简法,理解最简与 - 或式和最简与

21、非式的标准。,逻辑式有多种形式，采用何种形式视需要而定。各种形式间可以相互变换。,一、逻辑函数式的几种常见形式和变换,例如,与或表达式,或与表达式,与非 - 与非表达式,或非 - 或非表达式,与或非表达式,转换方法举例,二、逻辑函数式化简的意义与标准,化简意义,使逻辑式最简，以便设计出最简的逻辑电路，从而节省元器件、优化生产工艺、降低成本和提高系统可靠性。,不同形式逻辑式有不同的最简式，一般先求取最简与 - 或式，然后通过变换得到所需最简式。,最简与 - 或式标准,(1)乘积项(即与项)的个数最少(2)每个乘积项中的变量数最少,用与门个数最少与门的输入端数最少,最简与非式标准,(1)非号个数最

22、少(2)每个非号中的变量数最少,用与非门个数最少与非门的输入端数最少,三、代数化简法,运用逻辑代数的基本定律和公式对逻辑式进行化简。,并项法,运用 ，将两项合并为一项，并消去一个变量。,吸收法,运用A+AB =A 和 ，消去多余的与项。,消去法,运用吸收律 ，消去多余因子。,配项法,通过乘 或加入零项 进行配项，然后再化简。,综合灵活运用上述方法,例 化简逻辑式,解：,应用,例 化简逻辑式,解：,应用,应用 AB,例 化简逻辑式,解：,应用,用摩根定律,第四堂课 内容及重点与难点,1、简要复习上堂课主要内容。2、本堂课要学习的内容：逻辑函数的卡诺图化简法；分立元件门电路；TTL集成逻辑门电路。

23、3、重点：逻辑函数的卡诺图化简法；TTL集成逻辑门电路的外特性。4、难点： TTL集成逻辑门电路的外特性。5、要求：熟练掌握重点内容,主要要求：,理解最小项的概念与编号方法，了解其主要性质。,掌握用卡诺图表示和化简逻辑函数的方法。,理解卡诺图的意义和构成原则。,掌握无关项的含义及其在卡诺图化简法中的应用。,2.5逻辑函数的卡诺图化简法,代数化简法,优点：对变量个数没有限制。缺点：需技巧，不易判断是否最简式。,卡诺图化简法,优点：简单、直观，有一定的步骤和方法 易判断结果是否最简。 缺点：适合变量个数较少的情况。 一般用于四变量以下函数的化简。,代数化简法与卡诺图化简法的特点,n 个变量有 2n

24、 种组合，可对应写出 2n 个乘积项，这些乘积项均具有下列特点：包含全部变量，且每个变量在该乘积项中 (以原变量或反变量)只出现一次。这样的乘积项称为这 n 个变量的最小项，也称为 n 变量逻辑函数的最小项。,1. 最小项的定义和编号,(一)最小项的概念与性质,2.5.1 逻辑函数的最小项表达式,如何编号？,如何根据输入变量组合写出相应最小项？,例如,3 变量逻辑函数的最小项有 23 = 8 个,将输入变量取值为 1 的代以原变量，取值为 0 的代以反变量，则得相应最小项。,简记符号,例如,2. 最小项的基本性质,(2) 不同的最小项，使其值为 1 的那组变量取值也不同。,(3) 对于变量的任

25、一组取值，任意两个最小项的乘积为 0。,(4) 对于变量的任一组取值，全体最小项的和为 1。,任何形式的逻辑式都可以转化为标准与-或式，而且逻辑函数的标准与 - 或式是唯一的。,(二) 逻辑函数的最小项表达式,每一个与项都是最小项的与 - 或逻辑式称为标准与 - 或式，又称最小项表达式。,如何将逻辑式转化为 标准与-或式呢 ？,例 将逻辑式 化为标准与或式。,(3) 利用A+A=A，合并掉相同的最小项。,= m0 + m1 + m12 + m13 + m15,=m (0,1,12,13,15),解：(1) 利用摩根定律和分配律把逻辑函数式展开为与或式。,AB,+,(2) 利用配项法化为标准与或

26、式。,(一) 卡诺图的构成,2.5.2 逻辑函数的卡诺图表示法,1. 相邻最小项,两个最小项中只有一个变量互为反变量，其余变量均相同，称为相邻最小项，简称相邻项。,相邻最小项重要特点：,两个相邻最小项相加可合并为一项， 消去互反变量，化简为相同变量相与。,将 n 变量的 2n 个最小项用 2n 个小方格表示，并且使相邻最小项在几何位置上也相邻且循环相邻，这样排列得到的方格图称为 n 个变量最小项卡诺图，简称变量卡诺图。,2. 卡诺图及其构成方法,变量取 0 的代以反变量 取 1 的代以原变量,二变量卡诺图,01,0 1,0 0,0 1,m0,m1,m2,m3,四变量卡诺图,三变量卡诺图,01,

27、00 01,11,10,m6,m7,m4,m2,m3,000,m0,m5,001,m1,以循环码排列以保证相邻性,变量取 0 的代以反变量 取 1 的代以原变量,卡诺图特点：循环相邻性,如何写出卡诺图方格对应的最小项？,已知最小项如何找相应小方格？,例如,原变量取 1，反变量取 0。,1,0,0,1,？,用卡诺图表示逻辑函数举例,已知标准与或式画函数卡诺图,例 试画出函数 Y = m (0,1,12,13,15) 的卡诺图,解： (1) 画出四变量卡诺图,(2) 填图,逻辑式中的最小项 m0、m1、m12、m13、m15对应的方格填 1，其余不填。,已知真值表画函数卡诺图,例 已知逻辑函数 Y

28、 的 真值表如下，试画 出 Y 的卡诺图。,解：(1) 画 3 变量卡诺图。,(2)找出真值表中 Y = 1 对应的最小项，在 卡诺图相应方格中 填 1，其余不填。,已知一般表达式画函数卡诺图,解：(1) 将逻辑式转化为与或式,(2) 作变量卡诺图,找出各与项所对应的最小项方格填 1，其余不填。,例 已知 ，试画出 Y 的卡诺图。,AB,+,(3) 根据与或式填图,AB 对应最小项为同时满足 A = 1， B = 1 的方格。,2.5.3 用卡诺图化简逻辑函数,化简规律,2 个相邻项合并消去 1 个变量，化简结果为相同变量相与。,4 个相邻项合并消去 2 个变量，化简结果为相同变量相与。,8

29、个相邻项合并消去 3 个变量,画包围圈规则,包围圈必须包含 2n 个相邻 1 方格，且必须成方形。先圈小再圈大，圈越大越是好；1 方格可重复圈，但须每圈有新 1；每个“1”格须圈到，孤立项也不能掉。,同一列最上边和最下边循环相邻，可画圈； 同一行最左边和最右边循环相邻，可画圈；四个角上的 1 方格也循环相邻，可画圈。,注意,m15,m9,m7,m6,m5,m4,m2,m0,解：(1)画变量卡诺图,例 用卡诺图化简逻辑函数 Y(A,B,C,D)=m (0,2,4,5,6,7,9,15),(2)填卡诺图,1,1,1,1,1,1,1,1,(3)画包围圈,a,b,c,d,(4)将各图分别化简,圈 2

30、个可消去 1 个变量，化简为 3 个相同变量相与。,Yb = BCD,圈 4 个可消去 2 个变量，化简为 2 个相同变量相与。,循环相邻,(5)将各图化简结果逻辑加，得最简与或式,解：(1)画变量卡诺图,例 用卡诺图化简逻辑函数 Y(A,B,C,D)=m (0,2,5,7,8,10,12,14,15),(2)填卡诺图,1,1,1,1,1,1,1,1,(4)求最简与或式 Y=,1,消 1 个剩 3 个,(3)画圈,消 2 个剩 2 个,4 个角上的最小项循环相邻,解：(1)画变量卡诺图,(2)填图,1,1,(4)化简,(3)画圈,例 用卡诺图化简逻辑函数,Y =,例 已知某逻辑函数的卡诺图如下

31、所示，试写出其最 简与或式。,解：,例 已知函数真值表如下，试用卡诺图法求其最简与或式。,注意：该卡诺图还有其他画圈法,可见，最简结果未必唯一。,解：(1)画函数卡诺图,1,1,1,1,1,1,(3)化简,(2)画圈,Y =,约束项和随意项都不会在逻辑函数中出现，所对应函数值视为 1 或 0 都可以，故统称无关项。,不允许出现的无关项又称约束项；客观上不会出现的无关项又称随意项。,2.5.4 具有无关项的逻辑函数的化简,合理利用无关项可使逻辑式更简单,1. 无关项的概念与表示,无关项是特殊的最小项，这种最小项所对应的变量取值组合或者不允许出现或者根本不会出现。,无关项在卡诺图和真值表中用“”“

32、”来标记，在逻辑式中则用字母 d 和相应的编号表示。,2. 利用无关项化简逻辑函数,无关项的取值对逻辑函数值没有影响。化简时应视需要将无关项方格看作 1 或 0 ，使包围圈最少而且最大，从而使结果最简。,将 d10 看成 0,其余看成 1,解：(1)画变量卡诺图,例 用卡诺图化简函数 Y=m (0,1,4,6,9,13)+ d (2,3,5,7,10,11,15),(2)填图,1,1,1,1,1,(4)写出最简与 - 或式,最小项,(3)画包围圈,无关项,1,0,例 已知函数 Y 的真值 表如下，求其最简 与 - 或式。,解：(1)画变量卡诺图,1,1,1,(4)写出最简与 - 或式,(2)填

33、图,(3)画包围圈,解：(1)画变量卡诺图,(2)填图,(4)求最简与 - 或式,(3)画包围圈,求最简与非式基本方法是：先求最简与或式，再利用还原律和摩根定律变换为最简与非式。,(5)求最简与非式,分析题意,称约束条件，表明与项 AB 和 AC 对应的最小项不允许出现，因此 AB 和 AC 对应的方格为无关项。,本章小结,分析数字电路的数学工具是逻辑代数，它的定律有的和普通代数类似，如交换律、结合律和第一种形式的分配律；但很多与普通代数不同，如吸收律和摩根定律。须注意：逻辑代数中无减法和除法。,逻辑函数和逻辑变量的取值都只有两个，即 0 或 1。须注意：逻辑代数中的 0 和 1 并不表示数量

34、大小，仅用来表示两种截然不同的状态。,正逻辑体制规定高电平为逻辑 1、低电平为逻辑 0；负逻辑体制则规定低电平为逻辑 1、高电平为逻辑 0。未加说明则默认为正逻辑体制。,基本逻辑运算有与运算(逻辑乘)、或运算(逻辑加) 和非运算(逻辑非)3 种。常用复合逻辑运算有与非运算、或非运算、与或非运算、异或运算和同或运算。,逻辑函数常用的表示方法有：真值表、逻辑函数式、卡诺图和逻辑图。,不同表示方法各有特点，适宜不同的应用。,卡诺图主要用于化简逻辑式。,真值表通常用于分析逻辑函数的功能、根据逻辑功能要求建立逻辑函数和证明逻辑等式等。,逻辑式便于进行运算和变换。在分析电路逻辑功能时，通常首先要根据逻辑图

35、写出逻辑式；而设计逻辑电路时需要先写出逻辑式，然后才能画出逻辑图。,逻辑图是分析和安装实际电路的依据。,真值表、逻辑式、卡诺图和逻辑图之间可相互转换,(1)找出函数值为 1 的项。(2)将这些项中输入变量取值为 1 的用原变量代替， 取值为 0 的用反变量代替，则得到一系列与项。(3)将这些与项相加即得逻辑式。,(1)按 n 位二进制数递增的方式列出输入变量的各 种取值组合。 (2)分别求出各种组合对应的输出逻辑值填入表格。,实用中通常先由真值表画卡诺图，然后应用卡诺图化简法写出简化表达式。,(1)应用摩根定律和分配律等求出与或表达式。(2)根据变量数 n 画出变量卡诺图。(3)根据与或式填图

36、。,根据电路逐级写出相应逻辑运算。,将各级逻辑运算用相应逻辑门去实现。,化简逻辑函数的目的是为了获得最简逻辑式，从而使逻辑电路简单，成本低、可靠性高。,不同形式的逻辑式有不同的最简式，求最简式的一般方法是：先求最简与或式，然后变换成所需的最简形式。,逻辑函数化简方法主要有代数法和卡诺图法。,最小项特点是：包含全部变量，且每个变量在该乘积项中(以原变量或反变量形式)只出现一次。若两个最小项只有一个变量互为反变量，其余变量均相同，则称为相邻最小项。,代数化简法可化简任何复杂的逻辑函数，但需要一定的技巧和经验，而且不易判断结果是否最简。卡诺图化简法直观简便，易判断结果是否最简，但一般用于四变量以下函

37、数的化简。,因此卡诺图具有下面的特点：2n 个相邻最小项有 n 个变量相异，相加可以消去这 n 个变量，化简结果为相同变量的与。,卡诺图是按照使相邻最小项在几何位置上也相邻且循环相邻这样的原则排列得到的方格图。,无关项有约束项和随意项两种情况，其取值对逻辑函数值没有影响。因此，化简时应视需要将无关项方格看作 1 或 0，使包围圈最少而且最大，从而使结果最简。,第五堂课 内容及重点与难点,1、简要复习上堂课主要内容。2、本堂课要学习的内容：分立元件门电路；TTL集成逻辑门电路。3、重点：TTL集成逻辑门电路的外特性。4、难点： TTL集成逻辑门电路的外特性。5、要求：熟练掌握重点内容,概述,第

38、3 章逻辑门电路,分立元件门电路,TTL 集成逻辑门电路,CMOS 集成逻辑门电路,TTL电路与CMOS电路的接口,本章小结,3.1 概 述,主要要求：,了解逻辑门电路的作用和常用类型。,理解高电平信号和低电平信号的含义。,TTL 即 Transistor-Transistor Logic,CMOS 即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,一、门电路的作用和常用类型,按功能特点不同分,按逻辑功能不同分,按电路结构不同分,输入端和输出端都用三极管的逻辑门电路。,用互补对称 MOS 管构成的逻辑门电路。,二、高电平和低电平的含义,高电平和低电平为某规定范

39、围的电位值，而非一固定值。,高电平信号是多大的信号？低电平信号又是多大的信号？,主要要求：,理解三极管的开关特性。,了解与门、或门、非门、与非门、或非门电路及其工作原理。,3.2分立元件门电路,三极管为什么能用作开关？怎样控制它的开和关？,当输入 uI 为低电平，使 uBE Uth时，三极管截止。,iB 0，iC 0，C、E 间相当于开关断开。,三极管关断的条件和等效电路,负载线,饱和区,放大区,一、三极管的开关特性,截止区,三极管截止状态等效电路,uI=UIL,Uth为门限电压,(一)静态开关特性,饱和区,放大区,uI 增大使 iB 增大，从而工作点上移， iC 增大，uCE 减小。,截止区

40、,三极管截止状态等效电路,S 为放大和饱和的交界点，这时的 iB 称临界饱和基极电流，用 IB(sat) 表示；相应地，IC(sat) 为临界饱和集电极电流； UBE(sat) 为饱和基极电压； UCE(sat) 为饱和集电极电压。对硅管， UBE(sat) 0.7V， UCE(sat) 0.3V。在临界饱和点三极管仍然具有放大作用。,uI 增大使 uBE Uth时，三极管开始导通，iB 0，三极管工作于放大导通状态。,3.2.1 三极管的开关特性,(一)静态开关特性,饱和区,放大区,截止区,三极管截止状态等效电路,uI=UIH,三极管开通的条件和等效电路,当输入 uI 为高电平，使iB IB

41、(sat)时，三极管饱和。,uBE UCE(sat) 0.3 V 0，C、E 间相当于开关合上。,三极管饱和状态等效电路,一、三极管的开关特性,(一)静态开关特性,iB 愈大于 IB(Sat) ， 则饱和愈深。,由于UCE(Sat) 0，因此饱和后 iC 基本上为恒值， iC IC(Sat) =,例下图电路中 = 50,UBE(on) = 0.7 V,UIH = 3.6 V,UIL = 0.3 V,为使三极管开关工作,试选择 RB 值,并对应输入波形画出输出波形。,解：(1)根据开关工作条件确定 RB 取值,uI = UIL = 0.3 V 时,三极管满足截止条件,uI = UIH = 3.6

42、 V 时,为使三极管饱和,应满足 iB IB(sat),所以求得 RB 29 k，可取标称值 27 k。,(2) 对应输入波形画出输出波形,可见，该电路在输入低电平时输出高电平，输入高电平时输出低电平，因此构成三极管非门。由于输出信号与输入信号反相，故又称三极管反相器。,三极管截止时，iC 0，uO +5 V,三极管饱和时，uO UCE(sat) 0.3 V,上例中三极管反相器的工作波形是理想波形，实际波形为 ：,uI 从 UIL 正跳到 UIH 时，三极管将由截止转变为饱和， iC 从 0 逐渐增大到 IC(sat)，uC 从 VCC 逐渐减小为 UCE(sat)。,uI 从 UIH 负跳到

43、时 UIL，三极管不能很快由饱和转变为截止，而需要经过一段时间才能退出饱和区。,(二)动态开关特性,uI 正跳变到 iC 上升到 0.9IC(sat) 所需的时间 ton 称为三极管开通时间。,通常工作频率不高时，可忽略开关时间，而工作频率高时，必须考虑开关速度是否合适，否则导致不能正常工作。,uI 负跳变到 iC 下降到 0.1IC(sat) 所需的时间 toff 称为三极管关断时间。 通常 toff ton,开关时间主要由于电荷存储效应引起，要提高开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。,(二)动态开关特性,在普通三极管的基极和集电极之间并接一个肖特基势垒二极管(简称 S

44、BD) 。,抗饱和三极管的开关速度高,SBD 的导通电压只有 0.4 V 而非 0.7 V，因此 UBC = 0.4 V 时，SBD 便导通，使UBC 钳在 0.4 V 上，降低了饱和深度。,(三)抗饱和三极管简介,（一）二极管与门电路,3.2.2 二极管门电路,逻辑表达式 Y = AB,（二）二极管或门电路,逻辑表达式 Y = A + B,3.2.3 三极管非门电路,（一）与非门电路,3.2.4 组合逻辑门电路,（二）或非门电路,主要要求：,了解 TTL 与非门的电路组成、工作原理、 主要应用，掌握其外特性、主要参数。,了解 TTL 数字集成电路序列。,3.3TTL 集成逻辑门电路,了解其它

45、功能的TTL门电路及其逻辑功能、主要应用。,了解 TTL 集成门的使用注意事项。,3.3.1 TTL 与非门,(一)典型 TTL 与非门电路,输入级,中间级,输出级,RB、RC 和V6 所构成的有源泄放电路的作用是提高开关速度，它们不影响与非门的逻辑功能，因此下面分析中不予考虑。,(二)TTL 与非门的工作原理,(二)TTL 与非门的工作原理,0.3 V3.6 V3.6 V,输入端有一个或数个为 低电平时，输出高电平。,输入低电平端对应的发射结导通，uB1= 0.7 V + 0.3 V = 1 V,V1管其他发射结因反偏而截止。,因为抗饱和三极管 V1的集电结导通电压为 0.4 V，而 V2、

46、V5 发射结导通电压为 0.7 V，因此要使 V1 集电结和 V2、V5 发射结导通，必须 uB1 1.8 V。,这时 V2、V5 截止。,1 V,(二)TTL 与非门的工作原理,0.3 V3.6 V3.6 V,输入端有一个或数个为 低电平时，输出高电平。,输入低电平端对应的发射结导通，uB1= 0.7 V + 0.3 V = 1 V,V1管其他发射结因反偏而截止。,这时 V2、V5 截止。,uC2 VCC = 5 V，,5 V,V3 、V4 导通。,uO = 5V - 0.7 V - 0.7 V = 3.6 V。,因此，输入有低电平时，输出为高电平。,1 V,(二)TTL 与非门的工作原理,

47、输入均为高电平时，输出低电平。,3.6 V3.6 V3.6 V,因此，V1 发射结反偏而集电极正偏，处于倒置状态。,1.8 V,倒置放大,VCC 经 R1 使 V1 集电结和 V2、V5 发射结导通，使uB1 = 1.8 V。,这时 V2、V5 饱和。,1 V,使 V3 导通，而 V4 截止。,uO = UCE5(sat) 0.3 V,uC2 = UCE2(sat) + uBE5 = 0.3 V + 0.7 V = 1 V,因此，输入均为高电平时，输出为低电平。,综上所述,该电路实现了与非逻辑功能,即,TTL 电路输入端悬空时相当于输入高电平。,注意,(三) TTL 与非门的外特性及主要参数,

48、1. 电压传输特性和相关参数,输出电压随输入电压变化的特性,0 uI 0.8V时, uB1 1.5V，V2、V5 截止，V3、V4 导通，输出为高电平，UOH 3.6V。如AB 段所示，称与非门工作在截止区或处于关门状态。,(三) TTL 与非门的外特性及主要参数,1. 电压传输特性和相关参数,0.8V uI 1.1V时, 1.5V uB1 1.8V， V2、V5 工作于放大区， uI 的微小增大引起 uO 急剧下降，如 BC 段所示，称与非门工作在转折区或过渡区。,(三) TTL 与非门的外特性及主要参数,1. 电压传输特性和相关参数,uI 1.1V时， uB1 1.8V，V2、V5 饱和，

49、输出为低电平，UOL 0.3V，如 CD 段所示，称与非门工作在饱和区或处于开门状态。,(三) TTL 与非门的外特性及主要参数,1. 电压传输特性和相关参数,(三) TTL 与非门的外特性及主要参数,1. 电压传输特性和相关参数,关门电平 UOFF,输出电压下降到UOH(min)时,对应的输入电压值。,开门电平 UON,输出电压上升到UOL(max)时,对应的输入电压值。,阈值电压 UTH,转折区中点对应的输入电压，又称门槛电平。,近似分析时认为：uI UTH，则与非门开通，输出低电平UOL；uI UTH，则与非门关闭， 输出高电平UOH。,水位指示器,如图是某型号电热水器的水位指示电路，核

50、心器件是一片CMOS六“非”门CD4069。当水箱中无水时，六个“非”门均由330k电阻偏置至高电平，所以输出均为低电平，发光二极管LED1LED6均不亮。当水位高于“非”门1的输入探针时，由于水的导电作用（自来水的电阻一般在50100k之间），使“非”门1输入变为低电平，所以其输出变为高电平，驱动LED1点亮。依次类推，当水位逐渐升高时，LED1LED6依次点亮，指示出水位的高低。,水位指示器,(三) TTL 与非门的外特性及主要参数,1. 电压传输特性和相关参数,输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值，就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值称为噪声容限。噪声容限越大，抗干扰能力越强。,