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1、YCF(中职）电子线路第九章中职）电子线路第九章_ _数字电路基础数字电路基础知识教学课件知识教学课件第九章第九章 数字电路基础知识数字电路基础知识教学目标教学目标第一节第一节 数制与码制数制与码制第二节第二节 门电路门电路第三节第三节 CMOS门电路门电路第四节第四节 数字集成门电路数字集成门电路教学目标教学目标1.1.掌握二进制、十进制及其互相转换。掌握二进制、十进制及其互相转换。2.2.掌握掌握“与与”门、门、“或或”门、门、“非非”门的逻辑功能。门的逻辑功能。3.3.理解理解TFL“TFL“与非与非”门、门、0C”0C”门和门和“三态三态”门的功能和典型门的功能和典型应用。应用。4.4
2、.理解理解CMOSCMOS反相器的工作原理、反相器的工作原理、CMOSCMOS门电路和门电路和CMOSCMOS传输器。传输器。返回第一节第一节 数制与码制数制与码制一、数制一、数制1.数制数制人们通常采用的数制有十进制、二进制、八进制和十六进制。人们通常采用的数制有十进制、二进制、八进制和十六进制。(1)十进制数：生活中常用的表示方法十进制数：生活中常用的表示方法(2)二进制数：用二进制数：用0和和1两个数码来表示两个数码来表示 基数为基数为2，进位规则是，进位规则是“逢二进一逢二进一”，借位规则是，借位规则是“借一当二借一当二”位权是以位权是以2为底的幂为底的幂(3)十六进制数：十六进制数：
3、由由0-9,A-F组成，组成，A-F对应对应10-15 “逢十六进一逢十六进一”下一页返回第一节第一节 数制与码制数制与码制2.不同数制之间的互相转换不同数制之间的互相转换(1)二进制数与十进制数的互换二进制数与十进制数的互换二进制数转换成十进制数：只需按权展开然后相加即可二进制数转换成十进制数：只需按权展开然后相加即可十进制数转换成二进制数：一整数部分采用除十进制数转换成二进制数：一整数部分采用除2取余法，小数部分取余法，小数部分采用乘采用乘2取整法，然后通过小数点将转换后的二进制数连接起来即可。取整法，然后通过小数点将转换后的二进制数连接起来即可。(2)二进制数与八进制数的互换：二进制三位
4、数对应于八进制一位二进制数与八进制数的互换：二进制三位数对应于八进制一位二进制数转换成八进制数：二进制数转换成八进制数：“三位并一位三位并一位”八进制数转换成二进制数：八进制数转换成二进制数：“一位拆三位一位拆三位”下一页返回上一页第一节第一节 数制与码制数制与码制(3)二进制数与十六进制数的互换二进制数与十六进制数的互换二进制数转换成十六进制数：二进制数转换成十六进制数：“四位并一位四位并一位”十六进制数转换成二进制数：十六进制数转换成二进制数：“一位拆四位一位拆四位”例：将（例：将（1011100.00111）2 转化为十六进制数转化为十六进制数例：将（例：将（16E.5F）16 转换成二
5、进制数转换成二进制数下一页返回上一页第一节第一节 数制与码制数制与码制二、码制二、码制1.8421码码每一位代表一个固定的数每一位代表一个固定的数0或或1，它的权值自左向右为，它的权值自左向右为8,4,2,1，将每一位上的数分别乘以各自的权值，然后相加，得到的，将每一位上的数分别乘以各自的权值，然后相加，得到的和即是所表示的一位十进制数。和即是所表示的一位十进制数。例例 （0110）8421=（6）10注意：注意：8421码中的码中的1010到到1111是没有意义的，不能使用是没有意义的，不能使用（10）10=（D001D0D0）8421下一页返回上一页第一节第一节 数制与码制数制与码制2.余
6、余3码码余余3码所表示的码所表示的4位二进制数的大小要比它对应的十进制数大位二进制数的大小要比它对应的十进制数大3。如如0101表示十进制数是表示十进制数是2.常见的二一十进制编码如常见的二一十进制编码如表表9-1所示。所示。3.循环码循环码(格雷码或反射码格雷码或反射码)循环码见循环码见表表9-2所示所示优点：相邻的两个编码中只有一位的状态不同优点：相邻的两个编码中只有一位的状态不同返回上一页第二节第二节 门电路门电路一、二极管一、二极管“与与”门电路门电路1.电路结构：如电路结构：如图图9-1 (a)所示所示2.工作原理工作原理(1)当输入端全为当输入端全为1：VD1,VD2导通，输出端也
7、为高电平导通，输出端也为高电平“1”(2)若输入端有一个或一个以上为若输入端有一个或一个以上为0：假定是：假定是A为为0,B为为1 二极管二极管VD1导通，输出端为低电平导通，输出端为低电平“0”所以这种门电路称为所以这种门电路称为“与与”门电路。门电路。图图9-1(b)图是国标与门画法，图是国标与门画法，(c),(d)图是常见的画法。图是常见的画法。图图9-2是与门电路工作波形图是与门电路工作波形图 下一页返回第二节第二节 门电路门电路二、二极管二、二极管“或或”门电路门电路1.电路结构：电路结构：如如图图9-3 (a)所示所示2.工作原理工作原理分析过程如与门电路分析过程如与门电路或或”门
8、电路逻辑图如门电路逻辑图如图图9-3 (b),(c),(d)所示，其中所示，其中(b)图是国标画法图是国标画法.(d)图是常见画法。图是常见画法。“或或”门电路工作波形图门电路工作波形图如图如图9-4所示。所示。下一页返回上一页第二节第二节 门电路门电路3.三极管三极管“非非”门电路门电路如如图图9-5 (a)所示，三极管只工作在截止和饱和状态所示，三极管只工作在截止和饱和状态其工作原理与反相器相同其工作原理与反相器相同“非非”门电路门电路逻辑图逻辑图9-5(b)、(c)、(d)所示，工作波形图如所示，工作波形图如图图9-6所示。所示。下一页返回上一页第二节第二节 门电路门电路三、组合逻辑门电
9、路三、组合逻辑门电路1.“与非与非”门：门：逻辑图如逻辑图如图图9-7所示所示2.“或非或非”门：门：逻辑图如逻辑图如图图9-8所示所示3.“与或非与或非”门门：逻辑图如逻辑图如图图9-9所示。所示。4.“异或异或”门门由由“异或异或”的逻辑函数表达式的逻辑函数表达式:可得可得“异或异或”门电路逻辑图如门电路逻辑图如图图9-10所示所示5.“同或同或”门门逻辑图表示如逻辑图表示如图图9-11所示所示下一页返回上一页第二节第二节 门电路门电路6.0C门门晶体管的集电极是开路的晶体管的集电极是开路的TTL“与非与非”门电路，简称门电路，简称0C”门电路。门电路。该电路使用时要外接负载电阻。该电路使
10、用时要外接负载电阻。逻辑符号如逻辑符号如图图9-12所示。所示。7.三态门三态门三态门的输出除了高电平和低电平两种状态外，还可以出现第三种三态门的输出除了高电平和低电平两种状态外，还可以出现第三种状态，即高阻状态状态，即高阻状态图图9-13所示是一个三态门的逻辑符号。所示是一个三态门的逻辑符号。EN是控制端是控制端三态门可以实现用一根导线轮流传送几个不同设备的数据或控制信三态门可以实现用一根导线轮流传送几个不同设备的数据或控制信号，如号，如图图9-14所示电路。所示电路。返回上一页第三节第三节 CMOS门电路门电路MOS门电路主要有门电路主要有3种种:NMOS门电路、门电路、PMOS门电路和门
11、电路和CMOS门电路门电路一、一、CMOS反相器反相器CMOS反相器是采用增强型反相器是采用增强型NMOS管和增强型管和增强型PMOS管构成管构成的互补型的互补型MOS反相器。反相器。优点：功耗极低、抗干扰能力强、开关速度快、带负载能力强优点：功耗极低、抗干扰能力强、开关速度快、带负载能力强和稳定性好和稳定性好下一页返回第三节第三节 CMOS门电路门电路1.电路结构：电路结构：如如图图9-15所示所示V1是驱动管，是驱动管，V2是负载管，它们的栅极连接在一起作为输入是负载管，它们的栅极连接在一起作为输入端，漏极连接在一起作为输出端端，漏极连接在一起作为输出端为保证电路正常工作，应该有为保证电路
12、正常工作，应该有下一页返回上一页第三节第三节 CMOS门电路门电路2.静态特性静态特性（1）VA=0时，时，VCS1=VA=0,所以所以V1截止，截止，V2导通，输导通，输出电压为：出电压为：Roff1为为V1的截止电阻，的截止电阻，Ron2为为V2的导通电阻，由于的导通电阻，由于 所以所以下一页返回上一页第三节第三节 CMOS门电路门电路（2）VA=EV时，时，,所以所以V1导通，导通，所以所以V2截止，输出电压为截止，输出电压为 由于由于 所以所以 可见输入为低电平时，输出为高电平可见输入为低电平时，输出为高电平;输入为高电平时，输出为输入为高电平时，输出为低电平，输入、输出之间实现反相功
13、能。所以此电路称为低电平，输入、输出之间实现反相功能。所以此电路称为CMOS反相器。反相器。下一页返回上一页第三节第三节 CMOS门电路门电路3.动态特性动态特性当输入为高电平时，输出端负载电容当输入为高电平时，输出端负载电容C1 两端被短路，输出为低两端被短路，输出为低电平电平;当输入端电压由高变低时，当输入端电压由高变低时，V1由导通变为截止，由导通变为截止，V2由截由截止变为导通，电源止变为导通，电源Ev通过导通的通过导通的V2向向 CL 充电，由充电，由Ron2已很已很小，因此，输出端电压会迅速上升。小，因此，输出端电压会迅速上升。同样，当输入电压由低变高时，同样，当输入电压由低变高时
14、，V1由截止变为导通，由截止变为导通，V2由导通由导通变为截止，变为截止，CL上充的电荷通过上充的电荷通过V1放电，而放电，而Ron1很小，输出端电很小，输出端电压会迅速下降。压会迅速下降。下一页返回上一页第三节第三节 CMOS门电路门电路二、二、CMOS门电路门电路1.CMOS“与非与非”门电路门电路如如图图9-16所示。所示。工作原理如下：工作原理如下：(1)当当A,B同时为高，同时为高，V1、V2导通，导通，V3,V4截止，输出截止，输出Y是低是低电平，输出电阻为两只驭动管导通电阻之和。电平，输出电阻为两只驭动管导通电阻之和。(2)当当A,B同时为低时，同时为低时，V1、V2截止，截止，
15、V3,V4导通，输出导通，输出Y是是高电平，输出电阻为两只驭动管导通电阻的并联。高电平，输出电阻为两只驭动管导通电阻的并联。(3)当当A,B一为高一为低时，一为高一为低时，V1、V2不导通，不导通，V3,V4只有一只有一个导通，输出个导通，输出Y为高，输出电阻为负载管的导通电阻为高，输出电阻为负载管的导通电阻下一页返回上一页第三节第三节 CMOS门电路门电路2.CMOS“或非或非”门电路门电路如如图图9-17所示所示增强型增强型NMOS管管V1,V2并联后作为驱动管并联后作为驱动管;增强型增强型PMOS管管V3,V4串联后作为负载管。串联后作为负载管。工作原理：工作原理：当当A,B同时为高电平
16、时，同时为高电平时，V1,V,V2同时导通，同时导通，V3,V4同时截同时截止，输出止，输出Y为低电平，输出电阻是两只驱动管导通电阻的并联。为低电平，输出电阻是两只驱动管导通电阻的并联。其他情况的分析类似于对其他情况的分析类似于对CMOS“与非与非”门的分析情况门的分析情况下一页返回上一页第三节第三节 CMOS门电路门电路3.CMOS三态输出反相器电路三态输出反相器电路电路如电路如图图9-18(a)所示，所示，图图9-18 (b)是其电路逻辑图。是其电路逻辑图。其工作过程如下其工作过程如下:(1)当控制信号当控制信号C=0时，时，V5,V4组成的组成的CMOS反相器输出端反相器输出端C=1，此
17、时会造成控制管，此时会造成控制管V3、V4导通导通,称这种状态为电路打开，称这种状态为电路打开，由由V1,V2组成的基本组成的基本CMOS反相器可以实现非逻辑功能反相器可以实现非逻辑功能(2)当控制信号当控制信号C=1时，时，V4截止，截止，V5,V6组成的组成的CMOS反相反相器输出端器输出端C=0，V3截止，无论截止，无论A端电平如何，输出都处于悬空端电平如何，输出都处于悬空状态状态下一页返回上一页第三节第三节 CMOS门电路门电路三、三、CMOS传输器传输器1.电路组成电路组成电路如电路如图图9-19 (a)所示，所示，图图9-19 (b)是其电路的逻辑图。是其电路的逻辑图。2.工作状态
18、工作状态(1)断开状态断开状态 C=0(2)导通状态导通状态 C=1返回上一页第四节第四节 数字集成门电路数字集成门电路集成门电路若是以三极管为主要器件，输入端和输出端都是三集成门电路若是以三极管为主要器件，输入端和输出端都是三极管结构，则这种电路称为三极管一三极管逻辑电路，简称极管结构，则这种电路称为三极管一三极管逻辑电路，简称TTL电路。电路。TTL电路与分立元件电路相比，具有体积小、耗电少、工作可电路与分立元件电路相比，具有体积小、耗电少、工作可靠、性能好和速度高等优点。靠、性能好和速度高等优点。由场效应晶体管构成的集成门电路称为由场效应晶体管构成的集成门电路称为MOS集成门电路。集成门
19、电路。CMOS是是PMOS管与管与NMOS管组成的互补型集成电路，具有管组成的互补型集成电路，具有功耗低、抗干扰性强、开关速度快等优点。功耗低、抗干扰性强、开关速度快等优点。下一页返回第四节第四节 数字集成门电路数字集成门电路1.数字集成电路的电压传输特性数字集成电路的电压传输特性TTL与非门的电压传输特性测试电路及测试曲线如与非门的电压传输特性测试电路及测试曲线如图图9-20所所示曲线分为四段示曲线分为四段:(1)AB段段(截止区截止区)(2)BC段和段和CD段段(3)DE段段(饱和区饱和区)提示提示:在逻辑电路中，在逻辑电路中，TTL门通常工作于门通常工作于AB段段(截止区截止区)和和DE
20、段段(饱和区饱和区)，即开关状态。，即开关状态。下一页返回上一页第四节第四节 数字集成门电路数字集成门电路2.数字集成电路的主要参数数字集成电路的主要参数(1)输出高电平输出高电平VOH和输出低电平和输出低电平VOL(2)输入高电平电压输入高电平电压VIH和输入低电平电压和输入低电平电压VIL3.数字集成门电路的型号系列及外形介绍数字集成门电路的型号系列及外形介绍(1)型号型号 74 x x系列属于系列属于TTL型，型，74表示民用表示民用,如如CT74LS00中中C表表示中国制造，示中国制造，T表示器型为表示器型为TTL,LS表示低功耗肖特基系列，表示低功耗肖特基系列，00为品种代码为品种代
21、码;而而MC14x x x系列属于系列属于CMOS型型下一页返回上一页第四节第四节 数字集成门电路数字集成门电路(2)外形外形双列直插式外形封装双列直插式外形封装,如如图图9-21 所示为型号为所示为型号为74L500与非与非集成集成不管管脚数为多少，一般数字集成电路的右下角管脚默认为集不管管脚数为多少，一般数字集成电路的右下角管脚默认为集成电路的接地管脚成电路的接地管脚(或负电源管脚或负电源管脚)，集成块的左上角管脚为数，集成块的左上角管脚为数字集成块的正电源管脚，这点大家一定要切记，因为在电路原字集成块的正电源管脚，这点大家一定要切记，因为在电路原理图中，一般都没有画出集成电路的默认电源管
22、脚，但连接实理图中，一般都没有画出集成电路的默认电源管脚，但连接实际电路图时一定要用导线连上。际电路图时一定要用导线连上。返回上一页表表9-1常见的二常见的二-十进制编码十进制编码返回表表9-2 四位循环码四位循环码返回图图9-1二极管二极管“与与”门电路即逻辑图门电路即逻辑图返回 图图9-2 “与与”门电路工作波形图门电路工作波形图返回 图图9-3二极管二极管“或或”门电路及逻辑图门电路及逻辑图返回图图9-4 “或或”门电路工作波形图门电路工作波形图返回图图9-5三极管三极管“非非”门电路及逻辑图门电路及逻辑图返回图图9-6 “非非”门电路工作波形图门电路工作波形图返回图图9-7“与非与非”
23、门电路逻辑图门电路逻辑图返回图图9-8“或非或非”门电路逻辑图门电路逻辑图返回图图9-9“与或非与或非”门电路逻辑图门电路逻辑图返回图图9-10“异或异或”门电路逻辑图门电路逻辑图返回图图9-11“同或同或”门电路逻辑图门电路逻辑图返回图图9-12 OC门电路逻辑符号门电路逻辑符号返回 图图9-13 三态门逻辑符号三态门逻辑符号返回 图图9-14 三态门实现数据双向传输三态门实现数据双向传输返回 图图9-15 CMOS反相器电路反相器电路返回 图图9-16 CMOS“与非与非”门电路门电路返回 图图9-17 CMOS“或非或非”门电路门电路返回 图图9-18 CMOS三态输出反相器的电三态输出反相器的电路逻辑图路逻辑图返回 图图9-19 CMOS传输器电路及逻辑图传输器电路及逻辑图返回 图图9-20 TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性返回 图图9-21数字集成电路的外形和管脚数字集成电路的外形和管脚排列排列返回