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1、(1-1),第三单元 数字电子技术基础,(1-2),第三单元 数字电子技术基础,3.1 数字电子技术的特点 与分类3.2 数制与码3.3 基本逻辑门电路 3.4 逻辑函数的基本概念3.5 逻辑函数的化简,(1-3),第一节 数字电子技术的特点与分类,数字信号和模拟信号,电子电路中的信号,模拟信号,数字信号,时间连续的信号,时间和幅度都是离散的,例:正弦波信号、锯齿波信号等。,例:产品数量的统计、数字表盘的读数、数字电路信号等。,(1-4),模拟信号,数字信号,(1-5),数字电路所处理的信号是二进制数字信号。数字电路中的晶体管都工作在开关状态,即饱和区或截止区。数字电路中研究的是电路的输出与输
2、入信号之间的逻辑运算关系。,二 数字电路的主要特点,1.电路的特点,(1-6),三 数字电路的分类,组合逻辑电路输入和输出之间有着一一对应的关系。例如:门电路、译码器。时序电路电路的输出不仅仅与当前的输入状态有关,而且与以前的输入状态有关。例如:计数器、脉冲电路及其他,(1-7),第二节 数制与码,一、十进制计数法:,以十为基数的记数体制。表示数的十个数码:,1、2、3、4、5、6、7、8、9、0,遵循逢十进一的规律。,816,=,一个十进制数数 N 可以表示成:,若在数字电路中采用十进制,必须要有十个电路状态与十个记数码相对应。这样将在技术上带来许多困难,而且很不经济。,102、101、10
3、0叫权,(1-8),二、二进制:,以二为基数的记数体制。,表示数的两个数码:,0、1,遵循逢二进一的规律。,(1001)B=,=(9)D,二进制的优点:用电路的两个状态-开关来表示二进制数,数码的存储和传输简单、可靠。,二进制的缺点:位数较多,使用不便;不合人们的习惯,输入时将十进制转换成二进制,运算结果输出时再转换成十进制数。,二进制十进制转换,加权法,(1-9),十进制与二进制之间的转换,十进制与二进制之间的转换方法:可以采用除二取余法,又称短除法。,一定要除到商为0,25=(11001)2,(1-10),三、十六进制计数法,十六进制记数码:,0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B
4、、C、D、E、F,说明:十六进制的一位对应二进制的四位。,1.十六进制与十进制之间的转换。,Hexadecimal:十六进制的Decimal:十进制的Binary:二进制的,(1-11),(0101 1001)B=,027+1 26+0 25+1 24+1 23+0 22+0 21+1 20D,=,(023+1 22+0 21+1 20)161+(1 23+0 22+0 21+1 20)160D,=(59)H,每四位2进制数对应一位16进制数,B=,从末位开始四位一组,(1001 1100 1011 0100 1000)B,=(9CB48)H,(1-12),四、二进制码,BCD码是用四位二进制
5、数表示一位十进制数。数字电路中所用的主要是二十进制码(BCD-Binary-Coded-Decimal码)。因为24=16,因此,从16种表示中选十个来表示09十个字符,可以有盈余。便形成了多种编码。最常用的是8421BCD码。,(1-13),十进制数(N)D,二进制编码(K3K2K1K0)B,(N)D=W3K3+W2K2+W1K1+W0K0,W3W0为二进制各位的权重,8421码,就是指W3=8、W3=4、W3=2、W3=1。,用四位二进制数表示一位十进制数,该四位二进制数的每一位也有权重。,2421码,就是指W3=2、W3=4、W3=2、W3=1。,5421码,就是指W3=5、W3=4、W
6、3=2、W3=1。,(1-14),二进制数,自然码,8421码,2421码,5421码,余三码,(1-15),基本逻辑关系:与(and)、或(or)非(not)。基本逻辑门电路:与 门、或 门、非 门。,第二节 基本逻辑门电路,一、“与”逻辑,与逻辑:决定事件发生的各条件中,所有条件都具备,事件才会发生(成立)。,规定:开关合为逻辑“1”开关断为逻辑“0”灯亮为逻辑“1”灯灭为逻辑“0”,(1-16),电路逻辑符号:,逻辑表达式:F=ABC,逻辑乘法逻辑与,真值表,真值表特点:有0 出0,全1出1,与逻辑运算规则:,0 0=0 0 1=01 0=0 1 1=1,(1-17),二、“或”逻辑,或
7、逻辑:决定事件发生的各条件中,有一个或一个以上的条件具备,事件就会发生(成立)。,规定:开关合为逻辑“1”开关断为逻辑“0”灯亮为逻辑“1”灯灭为逻辑“0”,(1-18),真值表,电路逻辑符号:,逻辑表达式:F=A+B+C,逻辑加法逻辑或,真值表特点:有1 出1,全0出0。,或逻辑运算规则:,0+0=0 0+1=11+0=1 1+1=1,(1-19),三、“非”逻辑,“非”逻辑:决定事件发生的条件只有一个,条件不具备时事件发生(成立),条件具备时事件不发生。,规定:开关合为逻辑“1”开关断为逻辑“0”灯亮为逻辑“1”灯灭为逻辑“0”,(1-20),电路逻辑符号:,逻辑非逻辑反,真值表特点:1非
8、出0,0非出1。,逻辑式:,运算规则:,(1-21),四、复合门电路,“与”、“或”、“非”是三种基本的逻辑关系,实际应用中经常把这三种门电路复合起来,做成各种复合门电路。,与非:条件A、B、C都具备,则F 不发生。,其他几种常用的逻辑关系如下表:,(1-22),或非:条件A、B、C任一具备,则F 不发生。,异或:条件A、B有一个具备,另一个不具备则F 发生。,同或:条件A、B相同,则F 发生。,(1-23),基本逻辑关系小结,(1-24),五、门电路的传输时间,对于数字集成门电路来讲,由于内部晶体管的开关需要时间,电路的输入信号到达以后,也需要一定的时间延时才能使输出产生相应的变化,这段时间
9、称为门电路的“传输时间”。,(1-25),第四节 逻辑函数的基本概念一、逻辑变量与逻辑函数,逻辑代数是由英国科学家乔治布尔(GeorgeBoole)创立的,故又称布尔代数。,在逻辑代数中,逻辑函数的变量只能取两个值(二值变量),即0和1,中间值没有意义。,0和1表示两个对立的逻辑状态。,例如:电位的低高(0表示低电位,1表示高电位)、开关的开合等。,(1-26),逻辑函数,逻辑函数:若逻辑变量A、B、C.的值确定之后,变量L的值也被惟一地确定,则变量L可以称为是变量A、B、C、.的逻辑函数,表示为:L=f(A,B,C,.),(1-27),二、逻辑函数的表示方法,逻辑函数的表示有四种方法:真值表
10、、函数式、逻辑图及卡诺图。,(1-28),将输入、输出的所有可能状态一一对应地列出。n个变量可以有2n个输入状态。,1 真值表,列真值表的方法:一般按二进制的顺序,输出与输入状态一一对应,列出所有可能的状态。,例如:,(1-29),2 逻辑表达式,把逻辑函数的输入、输出关系写成与、或、非等逻辑运算的组合式。也称为逻辑函数式,通常采用“与或”的形式。,例:,A=1,B=0,C=1,A=1,B=1,C=1,A=1,B=1,C=0,(1-30),如何由真值表得到函数式:在真值表中取出输出为1的各项,每项在函数式中对应一个乘积项,每个乘积项中输入变量为1的写成原变量,输入变量为0的写成反变量。再把这些
11、乘积项加起来即得函数式。,(1-31),3 逻辑图,把相应的逻辑关系用逻辑符号和连线表示出来,就构成了逻辑电路图。逻辑电路图通常也简称逻辑图。,(1-32),4 卡诺图,将n个输入变量的全部最小项用小方块阵列图表示,并且将逻辑相邻的最小项放在相邻的几何位置上,所得到的阵列图就是n变量的卡诺图。,下面介绍两个重要概念最小项和逻辑相邻。,(1-33),最小项:构成逻辑函数的基本单元。对应于输入变量的一种组合,包含输入变量的每一个因子。,以三变量的逻辑函数为例:,输入变量赋值为1时用该变量表示、变量赋值为0时用该变量的反来表示。,可见输入变量的八种状态分别唯一地对应着八个最小项。,(1-34),(1
12、)若表达式中的乘积包含了所有变量的原变量或反变量,则这一项称为最小项。,最小项的特点:,(2)任何时候函数或电路只能工作在2n种状态中的一种。如果输入变化使某一个最小项等于1,其他的最小项就不可能处于工作状态。,(1-35),之所以称之为最小项,是因为该项已包含了所有的输入变量,不可能再分解。,例如:对于三变量的逻辑函数,如果某一项的变量数少于3个,则该项可继续分解;若变量数等于3个,则该项不能继续分解。,(1-36),根据最小项的特点,从真值表可直接用最小项写出逻辑函数式。,例如:由左图所示三变量逻辑函数的真值表,可写出其逻辑函数式:,验证:将八种输入状态代入该表示式,均满足真值表中所列出的
13、对应的输出状态。,(1-37),逻辑相邻:若两个最小项只有一个变量以原、反区别,其他变量均相同,则称这两个最小项逻辑相邻。,(1-38),例1:二输入变量卡诺图,卡诺图的每一个方块(最小项)代表一种输入组合,并且把对应的输入组合注明在阵列图的上方和左方。,卡诺图的画法。,(1-39),例2:三输入变量卡诺图,注意:00与10逻辑相邻。,(1-40),例3:四输入变量卡诺图,(1-41),有时为了方便,用二进制对应的十进制表示单元格的编号。单元格的值用函数式表示。,A,BC,00,01,11,10,0,1,F(A,B,C)=m(1,2,4,7),1,2,4,7单元取1,其它取0,(1-42),四
14、变量卡诺图单元格的编号:,(1-43),逻辑函数四种表示方式的相互转换,一、逻辑电路图逻辑代数式,AB,(1-44),二、真值表卡诺图,二变量卡诺图,真值表,(1-45),三、真值表、卡诺图逻辑代数式,方法:将真值表或卡诺图中为1的项相加,写成“与或式”。,(1-46),三 逻辑代数的基本定律及公式,加运算规则:,0+0=0,0+1=1,1+0=1,1+1=1,乘运算规则:,00=0 01=0 10=0 11=1,非运算规则:,(1-47),与普通代数相似的定律,一、交换律,二、结合律,三、分配律,A+B=B+A,A B=B A,A+(B+C)=(A+B)+C=(A+C)+B,A(B C)=(
15、A B)C,A(B+C)=A B+A C,A+B C=(A+B)(A+C),(1-48),求证:(分配律第2条)A+BC=(A+B)(A+C),证明:,右边=(A+B)(A+C),=AA+AB+AC+BC;分配律,=A+A(B+C)+BC;结合律,AA=A,=A(1+B+C)+BC;结合律,=A 1+BC;1+B+C=1,=A+BC;A 1=1,=左边,(1-49),摩根定理,可以用列真值表的方法证明(部分):,德 摩根(De Morgan)定理:,(1-50),摩根定理的表述:上面切一刀,下面变变号(与变或、或变与),(1-51),常用公式(吸收律),1.原变量的吸收:,A+AB=A,证明:
16、,A+AB=A(1+B)=A1=A,利用运算规则可以对逻辑式进行化简。,例如:,吸收是指吸收多余(冗余)项,多余(冗余)因子被取消、去掉 被消化了。,长中含短,留下短。,(1-52),2.反变量的吸收:,证明:,例如:,长中含反,去掉反。,(1-53),3.混合变量的吸收:,证明:,例如:,正负相对,余全完。,(1-54),第五节 逻辑函数的化简1表达式的种类,(1-55),2 代数化简法,(1-56),3 卡诺图化简法,该方框中逻辑函数的取值与变量C无关,可直接合并为AB。,该方框中逻辑函数的取值与变量B无关,可直接合并为AC。,(1-57),化简过程:,卡诺图适用于输入变量为3、4个的逻辑
17、代数式的化简;化简过程比公式法简单直观。,(1-58),逻辑相邻,逻辑相邻的项可以合并,消去一个因子,(1-59),利用卡诺图化简的规则,1.相邻单元的个数是2n个,并组成矩形时,可以合并。,(1-60),4.一个函数可以有几种圈法,答案可能不唯一,2.先找面积尽量大的组合进行化简,利用吸收规则,2n个相邻单元合并,可吸收掉n个变量。,3.各最小项可以重复使用。但每一次新的组合,至少包含一个未使用过的项,直到所有为1的项都被使用后化简工作方算完成。,5.每一个组合中的公因子构成一个“与”项,然后将所有“与”项相加,得最简“与或”表示式。(注意利用无所谓状态,可以使结果大大简化。),(1-61),例1:化简,F(A,B,C,D)=(0,2,3,5,6,8,9,10,11,12,13,14,15),(1-62),例2:化简,(1-63),例3:用卡诺图化简逻辑代数式,首先:逻辑代数式卡诺图,1,1,(1-64),例4:已知真值表如图,用卡诺图化简。,(1-65),化简时可以将无所谓状态当作1或 0,目的是得到最简结果。,F=A,(1-66),说明一:化简结果不唯一。,(1-67),说明二:采用前述方法,化简结果通常为与或表示式。若要求用其他形式表示则用摩根定理来转换。,(1-68),结束,电子技术,数字电路部分,