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数字电路
教师:**** tel:********* 目录 数字电路写给读者 第一章 数字电路概论1.二进制LSB和MSB传输BCD编码有权码无权码 2.二值逻辑变量与基本逻辑运算输入输出几种逻辑运算类型与运算(A ⋅ \cdot ⋅B)或运算(A+B)非运算( A ‾ \overline{A} A)与非运算( A B ‾ \overline{AB} AB)或非运算( A + B ‾ \overline{A+B} A+B)异或运算(A ⨁ \bigoplus ⨁B)同或运算(A⊙B) 由真值表写逻辑表达式 第二章 逻辑代数与硬件描述语言基础1.逻辑代数基本公式和恒等式对偶规则 2.逻辑函数的卡诺图化简法最小项卡诺图无关项 3.Verilog HDL基础 第三章 逻辑门电路1.逻辑门电路分类2.CMOS电路CMOS反相器(即非门)CMOS与非门CMOS与门CMOS或非门输入保护电路和缓冲电路输入端保护电路CMOS漏极开路(OD)门三态输出门电路 3.TTL逻辑门 第四章 组合逻辑电路1.组合逻辑电路的分析2.组合逻辑电路的设计3.竞争-冒险现象解决办法法一:增加乘积项,避免互补项相加法二:输出端并联电容 4.常见集成组合逻辑电路(重难点)编码器普通编码器:只有一个输入信号为1,其他都是0,此时2n个输入对应n个输出(多输入,少输出)优先编码器:规定优先级,解决上述问题 译码器数据选择器数值比较器(比较简单)一位数值比较器两位数值比较器多位数值比较器 加法器(比较简单)半加器全加器多位加法器 第五章 锁存器和触发器(重点)1.锁存器SR锁存器(两个或非门组成)逻辑门控SR锁存器(加个使能信号)D(Data)锁存器逻辑门控D锁存器传输门控D锁存器 2.触发器D触发器JK触发器T触发器和T'触发器 第六章 时序电路1.时序电路基本组成和分类2.同步时序电路分析3.同步时序逻辑电路的设计 写给读者作者是华中科技大学本科生,这是我的数字电路笔记 感谢你阅读本文。本文不允许任何形式的转载。有任何问题请联系:[email protected] 第一章 数字电路概论 1.二进制 LSB和MSB通常,MSB位于二进制数的最左侧,LSB位于二进制数的最右侧。 传输串行:在计算机总线或其他数据通道上,每次传输一个bit 并行:所有bit同时传送 BCD编码意义:用4个bit表示0-9 有权码8421码:4个bit的权值分别是8、4、2、1 2421码: 5421码: 无权码余3码:在8421码的基础上,将每个代码都加上0011而形成 余3循环码: 格雷码: 仅有0、1 几种逻辑运算类型![]() 把每个输出为1的一组输入变量组合状态以逻辑乘形式表示(原变量表示取值1,反变量表示取值0),再将所有的这些逻辑乘进行逻辑加。 第二章 逻辑代数与硬件描述语言基础 1.逻辑代数 基本公式和恒等式这部分太简单了 对偶规则对于逻辑函数式,若将其中的与换成或,或换成与;并将1换成0,0换成1;所得的新的函数式就是L的对偶式 ![]() n个变量(X1, X2, …, Xn)的最小项就是n个因子的乘积,在该乘积中每个变量都以它的原变量或非变量的形式出现一次,且仅出现一次。 ![]() ![]() 卡诺图横纵二进制码为格雷码。使用格雷码的意义在于:使得相邻的格子只有一个bit不同,方便寻找共同bit,从而画圈圈。 化简过程就是画圈圈的过程,把相邻的元素圈起来。(注意包括上下底相邻,左右边相邻和四角相邻)。包围圈内的方格数一定是2n个,包围圈的方格数要尽可能多。 ![]() 在有些逻辑问题中,有些变量的取值要加以约束。 如A=1表示电机正转;B =1表示电机反转;C =1表示电机停转。ABC不能等于000、011、101、111中的任何一组。 填函数的卡诺图时在无关项对应的格内填符号 “×” 。逻辑函数式中用“Φ”或、“d”表示无关项。 化简时可根据需要视为“1”也可视为“0”,使函数化到最简。(无视无关项即可) ![]() 这部分等以后再补吧(逃) 第三章 逻辑门电路 1.逻辑门电路分类![]() MOS管的特性在模电中已经学过,不再赘述。 CMOS反相器(即非门)![]() 当输入为低电位时,下方的NMOS的栅源电压为0,截止;上方的PMOS的栅源电压为-VDD,导通;输出为高电位。 当输入为高电位时,下方的NMOS的栅源电压为VDD,导通;上方的PMOS的栅源电压为0,截止;输出为低电位。 CMOS与非门![]() 直接列出真值表 ![]() ![]() 先与非再非即可得与 CMOS或非门![]() 做类似与非门的分析即可 输入保护电路和缓冲电路 输入端保护电路![]() 当输入电压不在正常电压范围时,二极管导通,限制了电容两端电压的增加,保护了输入电路。 Rs和MOS管的栅极电容组成积分电路,即使是大信号的输入,C充电也需要时间,保证漏极电位的正常 CMOS漏极开路(OD)门这部分等以后再补吧(逃) 三态输出门电路加入一个“使能”输入,来决定输出是否为第三态——高阻态。 ![]() EN上无圈,表示高电平有效;有圈,表示低电平有效 还有其他的三态门,比如三态与非门,不加赘述 3.TTL逻辑门非重点 第四章 组合逻辑电路简单理解就是没有反馈的电路 1.组合逻辑电路的分析1.由电路图写出各输出端的逻辑表达式 2.化简逻辑表达式,比如卡诺图法 3.根据化简后的表达式写出功能 2.组合逻辑电路的设计1.由功能抽象出逻辑表达式 2.化简逻辑表达式,比如卡诺图法 3.根据化简后的表达式画出电路 3.竞争-冒险现象竞争:由于每级逻辑门存在延迟,信号经由不同的路径达到某一会合点的时间有先有后的现象 冒险:由于竞争而引起电路输出发生瞬间错误现象称为冒险,比如毛刺 产生条件:只要有互补变量进行与运算、或运算 ![]() ![]() 当A=B=1时,出现竞争-冒险现象 由卡诺图可知,这个表达式也可以写成 ![]() 当A=B=1时,L恒等于1,不会出现竞争-冒险现象 如何增加乘积项?把卡诺图相邻的圈圈圈起来即可 ![]() 竞争-冒险现象相当于瞬间的高频信号,用电容滤波即可 4.常见集成组合逻辑电路(重难点) 编码器能将输入信号变换为不同的二进制的代码输出。如BCD编码器 普通编码器:只有一个输入信号为1,其他都是0,此时2n个输入对应n个输出(多输入,少输出)![]() 这种编码器致命缺点在于,不能同时有两个1输入。用这种编码器做键盘,只能每次按一个键…… 优先编码器:规定优先级,解决上述问题![]() 优先编码器的功能表里有"×"符号,用来表示优先级。比如当I7为高电平时,其他信号为什么都不重要了,说明I7相对后面优先级最高。 这其实是集成电路CD4532的功能表。 EI是使能信号,它为低电平时,整个电路不工作,输出全为低电平 若EI为高电平,但是没有I信号输入,相当于键盘通电,但是没有按键被按下,此时只有EO输出为1 当有按键被按下时,GS=1,EO=0,按照优先级顺序处理输入信号I,从而输出相应的信号 译码器译码器是普通编码器的逆过程,可以将n个输入转变为2n个输出,少输入,多输出。输出信号只有一个是1,其他都是0。所以译码器又叫唯一地址译码器 ![]() 译码器也有使能信号,只有使能信号全都满足时,电路才会正常工作。还要特别注意输出端是否取非。 译码器的输出实际上是输入的信号变量最小项,利用这点可以通过控制输入来生成逻辑函数 数据选择器有多个信号输入,需要选择一个输出 靠什么来选择呢?靠"选择信号" 比如有四个信号输入,那么"选择信号"可以用2位二进制表示,2位二进制可以表示四种状态,即可以确定是4个中的哪一个信号输出 "选择信号"就是译码器!,n位"选择信号"对应2n种状态(少对应多),就可以选择2n个输入信号中的一个进行输出 ![]() "选择信号"译码后,实际上是"选择信号"的逻辑函数最小项。众多最小项中只有一个最小项mi是1,所以与输入信号D相乘后,输出信号Y=m1D1+m2D2+…+miDi+…=Di 从另一个角度看,由于Y=m1D1+m2D2+…+miDi+…,那么通过控制Di就可以得到多个最小项的或 数值比较器(比较简单) 一位数值比较器直接列出真值表 ![]() 根据真值表画出电路即可 ![]() 先比高位,再比低位。可以用一位数值比较器拓展而成 ![]() 可以通过串联或者并联形式,前者节约门电路,后者节约时间,太简单不再赘述。 加法器(比较简单) 半加器直接列出真值表画出电路 ![]() 比较简单,先加低位再进位到高位 ![]() 串联法:过于简单不赘述 超前进位加法器:不需要等低位进位,因为加数输入时,进位数就已经确定,直接求得进位数即可 显然,第i位的进位数为: ![]() 求出carry bit,剩下的就相当于无进位的全加器 ![]() 这类电路具有“记忆功能”,是组合逻辑电路没有的 1.锁存器 SR锁存器(两个或非门组成)![]() 锁存器的真值表如下 R(Reset)S(Set)Q00保持原来的Q01110011状态不定,不允许这种状态 逻辑门控SR锁存器(加个使能信号)![]() 其实没必要上面那么复杂,当E=0时就是保持不变的状态。所以R和S信号就是相反的关系,可以用一个非门接在一起。这就是D锁存器 ![]() 只要电路工作,即E=1,那么它的原理就和RS锁存器一样。 如果D=1,相当于R=0且S=1,那么Q=1(置1) 如果D=0,相当于R=1且S=0,那么Q=0(置0) 有很多方式可以描述电路的功能,比如真值表、波形图等。这一章引入特性方程这一新方式 D锁存器的特性方程:Q=D(电路工作时) 之后还会引入状态转换图来描述电路 传输门控D锁存器![]() 传输门TG的作用就是,当电压给对了,D信号就会传过去 E=1时,TG1导通,TG2断开,Q=D E=0时,TG2导通,TG1断开,Q保持不变 2.触发器刚才讲了锁存器,锁存器是在某个信号处于高电平或者低电平的时候工作,比如使能信号E 但是触发器不一样,触发器是在某个信号处于上升沿或者下降沿的时候工作,这里一般是信号CP ![]() 分析如下 CP=0时,输入信号D送入主锁存器,使Q’=D CP由0跳变到1时,从锁存器TG3打开,Q’信号送Q到端 Q’由CP跳变前的电路决定。CP跳变后,Q=Q’。换句话说,触发器的状态仅仅取决于CP信号上升沿到达前瞬间的D信号 D触发器由两个D锁存器构成的触发器,就是上图,这里不再分析 JK触发器我们把D触发器封装一下,输入信号是D和C,输出Q和Q。再加上几个门电路,就构成了JK触发器 ![]() 如果C信号有效时,比如上升沿到来 那么可以写出JK触发器的状态方程 ![]() 当J和K取不同值的时候,电路就可以完成不同的功能。 例如,上升沿到来前,J=K=1,那么有D=Q非。上升沿到来后,由D触发器的特性可知,D=Q,那么此时Q=Q非,实现翻转。 特别注意,如果上升沿迟迟不到来,那么D也就只能卡在或门的后面,不能进入D触发器从而改变Q 这边我们可以用状态转换图来描述这个电路 ![]() T触发器只需要将JK触发器的J和K接在一起就好了 ![]() 写出方程如下 ![]() T’触发器更简单了,直接把T触发器中的T接到1 ![]() 写出方程如下 ![]() 当上升沿来之后,Q翻转,保持住,直到下一次上升沿到来 总结一下,本章的内容分为锁存器和触发器。内容不难,特别要注意电路工作的条件! 第六章 时序电路 1.时序电路基本组成和分类![]() 上图是时序电路的基本电路结构,存储部分由触发器构成 在时序电路中,要弄懂电路的功能,需要三组方程,分别是输出方程、状态方程、激励方程 输出方程描述输出信号Z与输入信号X和当前电路状态Q的关系,即Z=F(X,Qn) 如果输出信号Z是Q的单值函数,该电路是摩尔型电路;如果Z是二元函数,该电路是米里型电路。这本教材讨论摩尔型电路 激励方程描述触发器的输入Y与X和Q的关系,即Y=F(X,Qn) 状态方程描述触发器下一状态与当前状态和Y的关系,即Qn+1=F(Y,Qn) 激励方程和状态方程可以通过触发器特性方程联系起来 2.同步时序电路分析1.大致了解电路构成,判断触发器类型,写出特性方程 2.写出激励方程和输出方程(也许不需要) 3.把激励方程代入特性方程,就可以写出状态方程,即Qn+1的表达式 4.画出状态转换表 5.画出状态转换图,确定功能 6.可以关心一下电路的自启动问题 3.同步时序逻辑电路的设计1.逻辑抽象,建立最初的状态图或者状态表 2.状态化简,合并等价状态(如果在相同的输入下输出相同或者相互变化就叫等价) 3.状态分配,n个触发器可以确定2n个状态(highly encoding) 4.选择触发器的类型 5.求出电路的激励方程和输出方程 6.画出逻辑图并检查自启动能力 后面还有好多章包括ROM、RAM、可编程逻辑器件有缘再更新吧。 数电出成绩了,92分。 谢谢大家。 |
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