数字电路逻辑设计课件(非常详细).ppt

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1,数字电路,2,考试时间,十一周（具体等教务通知）（100分钟）,考试题型,简答题、计算题、设计题,半开卷考试,允许带矿大信纸一张，蓝色圆珠笔书写任意想要写的重点，考试结束时上交，算作平时成绩的一部分。

考试地点,具体等教务通知,书上例题、作业、实验,3,第一章数制与编码,要求：

会数制转换；符号数的代码表示及应用；8421BCD码、5421BCD码、余三码、格雷码；,4,第二章逻辑代数基础,要求：

基本概念；两种化简方法。

概念：

基本逻辑关系；逻辑函数的几种表示方法；最小项及标准式；无关项。

函数化简：

公式法和卡诺图法。

5,第三章逻辑门电路,要求：

概念；接口应用；特殊门及应用；波形图。

概念：

基础门；集成门功能及电气特性及相应参数；特殊门的特点及应用。

主要参数：

集成门使用接口：

VON,VOFF,VOH,VOL,RON,ROFF,IIS,IIHNo,tpd,输入、输出特性；输入负载特性；传输特性。

6,第四章组合逻辑电路,集成组合电路的应用：

概念；分析设计方法；集成电路应用；,概念：

组合电路特点；半加与全加、编码、译码、选择、比较；竞争与险象。

组合电路的分析与设计方法：

要求：

SSI一般分析设计方法由门实现；MSI真值表、表达式及变换为相应（逻辑部件）的形式。

注意使能端（控制端）的正确使用：

7,0.2数字电路,0.2.1.基本概念电信号：

指随时间变化的电压和电流。

模拟信号：

在时间和幅值上都为连续的信号。

数字信号：

在时间和幅值上都为离散的信号。

模拟电路：

处理和传输模拟信号的电路。

数字电路：

处理和传输数字信号的电路。

8,0.2.2模拟电路模拟信号：

时间上连续：

任意时刻有一个相对的值。

数值上连续：

可以是在一定范围内的任意值。

例如：

电压、电流、温度、声音等。

真实的世界是模拟的。

缺点：

很难度量；容易受噪声的干扰；难以保存。

优点：

用精确的值表示事物。

模拟电路：

处理和传输模拟信号的电路。

三极管工作在线性放大区。

9,0.2.3数字电路数字信号：

时间上离散：

只在某些时刻有定义。

数值上离散：

变量只能是有限集合的一个值，常用0、1二进制数表示。

10,数字信号取值：

数字信号位数：

例：

0和1不表示数值的大小，没有数值的概念，仅表示两种截然不同的逻辑状态,0和1两种。

即用二进制表示。

1位二进制表示2种状态；n位二进制表示2n种状态,取2nN,灯的开关2种取值1位二进制数人的性别2种取值1位学生的籍贯32种取值5位学生的民族56种取值6位（26=6456）东西南北方位4种取值2位产品的计数N种取值n位，2nN,11,数字电路：

处理和传输数字信号的电路。

即能对数字信号进行算术运算和逻辑运算。

三极管工作在开关状态，即饱和区或截止区。

算术运算对两个（及以上）数字信号进行加、减、乘、除的算术加工。

逻辑运算对数字信号进行与、或、非及其它逻辑关系的加工处理。

单元电路：

逻辑设计：

把单元电路和逻辑部件组成系统，根据确定的功能要求，设计出相应的数字电路。

门电路、触发器由单元电路构成逻辑部件,12,0.2.4.数字电路特点（与模拟电路相比）,

（1）数字电路的基本工作信号是用1和0表示的二进制的数字信号，反映在电路上就是高电平和低电平。

（2）晶体管处于开关工作状态，抗干扰能力强、精度高。

（3）通用性强。

结构简单、容易制造，便于集成及系列化生产。

（4）具有“逻辑思维”能力。

数字电路能对输入的数字信号进行各种算术运算和逻辑运算、逻辑判断，故又称为数字逻辑电路。

13,0.2.5.数字电路的分类

（1）按功能分类组合逻辑电路：

电路的输出信号只与当时的输入信号有关，而与电路原来的状态无关。

例：

表决器时序逻辑电路：

电路的输出信号不仅与当时的输入信号有关，而且还与电路原来的状态有关。

例：

计数器,

（2）按结构分类TTL双极型（BJT）CMOS单极型（FET）,14,（3）按集成电路规模分类集成度：

每块集成电路芯片中包含的元器件数目小规模集成电路（SmallScaleIC，SSI）10个门10100个元件中规模集成电路（MediumScaleIC，MSI）10100个门1001000个元件大规模集成电路（LargeScaleIC，LSI）1001000个门100010000个元件超大规模集成电路（VeryLargeScaleIC，VLSI）1000个门10000个元件特大规模集成电路（UltraLargeScaleIC，ULSI）巨大规模集成电路（GiganticScaleIC，GSI）,15,越来越大的设计越来越短的推向市场的时间（例如家电）越来越低的价格（例如家电）大量使用计算机辅助设计工具（EDA技术）多层次的设计表述大量使用复用技术IP（IntellectualProperty）,0.2.6.当前数字电路设计的趋势,16,从20世纪60年代以来数字集成电路经历了SSI、MSI到LSI、VLSI的发展过程,70年代初1K位存储器标志LSI问世后，微电子技术得到迅猛发展。

标志性的芯片主要有三类:

一类是CPU的发展.自从晶体管级的CPU问世以来，其集成度几乎1-2年翻一倍，性能提高一个数量级，例如：

1971-1972年出现的Intel4004和4040（4位），其集成度为2000晶体管，1976年生产的8085（8位），集成度为9000晶体管/片；而1980年生产的Iapx43201（32位），集成度为100000晶体管/片，目前奔腾芯片的集成度都达到几百万甚至上千万个晶体管。

工业用品的单片机也得到迅猛的发展，随着超大规模集成电路的发展，单片机已从4位、8位字长，发展到16位、32位字长。

另一类具有代表性的是专用ASIC的发展.由于EDA技术的发展，改变了传统的设计方式加之制造工艺水平的不断提高，ASIC以其适应面广，体积小，功耗低，而且具有高性能、高可靠性和高保密性等优点得到广大芯片设计者的青睐。

集成电路的发展,17,第三类典型的芯片是可编程器件.包括数字可编程器件和模拟可编程器件。

从20世纪70年代出现熔丝编程的PROM和PLA，数字可编程器件获得飞速发展，20世纪70年代末AMD公司在PLA的基础上推出PAL，80年代初期Lattice公司发明电可擦写的GAL器件。

80年代中期Xilinx公司提出现场可编程的概念，于1985生产了世界上第一片FPGA器件。

同期Altera公司推出了EPLD器件（ErasableProgrammableLogicDevice）。

80年代末期Lattice公司提出了在系统可编程技术以后，相继推出一系列具备在系统可编程能力的复杂可编程逻辑器件（CPLD-ComplexPLD）。

CPLD是在EPLD基础上发展起来的，它采用E2CMOS工艺制作，增加了内部连线，改进了内部结构体系，因而比EPLD的性能更好，设计也更加灵活。

集成电路的发展,18,专用集成电路（ASIC-ApplicationSpecificIntegratedCircuit）是为满足某一应用领域或特定用户需要而设计、制造的LSI或VLSI电路，可以将特定的电路或一个应用系统设计在一个芯片上，构成单片应用系统（SOC）。

ASIC可分为模拟ASIC和数字ASIC，数字ASIC又可以分为全定制和半定制两种。

全定制ASIC芯片的各层（掩膜）都是按特定电路功能专门制造的。

设计人员从晶体管级的版图尺寸、位置和互连线开始设计，以达到芯片面积利用率高、速度快、功耗低的最优性能。

但全定制的ASIC制作费用高，周期长，适用于批量较大的产品。

半定制是一种约束性设计方式。

约束的目的是简化设计、缩短设计周期以及提高芯片的成品率。

半定制的ASIC主要有门阵列、标准单元和可编程逻辑器件三种。

门阵列：

包括门电路、触发器等并留有布线区供设计人员连线，用户根据需要设计电路，确定连线方式，交生产厂家布线。

标准单元：

设计人员使用厂家提供的标准单元，利用CAD（或EDA）工具完成版图级的设计。

与门阵列比较其设计灵活，功能强，但设计周期长，费用高。

可编程逻辑器件：

设计人员用厂家提供的通用型半定制器件（PLD），借助特定的EDA软件进行设计，经过综合适配后形成特定的二进制文件（bitstreamfile），然后通过烧写器将文件写入芯片中，或通过ISP（InSystemProgram）的方式下载到芯片中即可。

用户通过可配置的逻辑器件进行电路设计,其特点成本低、设计周期短、可靠性高、承担的风险小。

集成电路的发展,19,0.3本课程讲授内容,绪论第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第十章,数制与编码:

“数”在计算机中怎样表示。

逻辑代数基础:

逻辑代数的基本概念、逻辑函数及其标准形式、逻辑函数的化简。

组合逻辑电路的分析与设计。

触发器及其应用。

时序逻辑电路的分析与设计。

脉冲电路。

半导体存储器RAM。

模/数（A/D）与数/模（D/A）转换。

逻辑门电路。

20,0.4数字电路的学习方法,

（1）重视基础，突出应用；

（2）重视外特性，少顾内部结构；（3）加强实践能力锻炼。

具体如下：

（1）逻辑代数是分析和设计数字电路的重要工具，应熟练掌握。

（2）重点掌握各种常用数字逻辑电路的逻辑功能、外部特性及典型应用。

对其内部电路结构和工作原理不必过于深究。

（3）掌握基本的分析方法。

（4）本课程实践性很强。

应重视习题、基础实验和综合实训等实践性环节。

（5）注意培养和提高查阅有关技术资料和数字集成电路产品手册的能力。

要求：

掌握基本原理及分析、设计方法,21,0.6成绩评定,理论80%包括：

平时30%和考试：

70%,0.7参考书,数字电路逻辑设计第三版王毓银高教出版社数字电子技术第四版阎石高教出版社数字设计引论沈嗣昌高教出版社电子系统设计何小艇等浙江大学出版社数字电路与系统设计邓元庆西安电子科大出版社数字电路龚之春电子科技大学出版社（成都）习题集、专科教材、相关杂志,实验20%包括：

操作60%和报告：

40%,22,第一章学习要求：

熟练掌握各进位计数制间的相互转换。

熟练掌握一个数原码、反码、补码的表示，以及原码、反码、补码的算术运算。

掌握8421BCD码、余3码、格雷码、奇偶校验码的特点。

23,第一章数制与编码,1进位计数制,2数制转换,3带符号数的代码表示,4常用的一般编码,24,1进位计数制,一、十进制数的表示数码个数：

10个。

计数规律:

数制：

进位计数制：

0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,逢十进1,借一当10,数码的个数和计数规律是进位计数制的两个决定因素,计数体制、计数方法。

高位进位，本位归0。

25,例：

123.45=1102+2101+3100+410-1+510-2,例：

123.45读作一百二十三点四五,计数法,例：

123.45读作一百二十三点四五,例：

123.45=1102+2101+3100+410-1+510-2,（N）10=an-110n-1+an-210n-2+a1101+a0100+a-110-1+a-210-2+a-m10-m,26,基与基数,用来表示数的数码的集合称为基（09）,集合的大小称为基数（十进制为10）。

即表示某种进位计数制所具有的数字符号的个数称为基数，也叫模。

在十进制中，10的整幂次方称为10进制数的权。

即表示某种进位计数制不同位置上数字的单位值，位置不同表示的数值大小不同。

权,例：

27,二、其它进制其它进制的计数规律可看成是十进制计数制的推广，对任意进制R，数N可以表示成按权展开式：

（N）R=an-1Rn-1+an-2Rn-2+a1R1+a0R0+a-1R-1+a-2R-2+a-mR-m,（N）R=（an-1an-2a1a0.a-1a-2a-m）R,28,权值一般用十进制表示,R2二进制,数码个数2个：

计数规律:

例：

0,1,逢二进1,借一当2,（11011.01）2=124+123+022+121+120+02-1+12-2