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发布时间:2020-06-29 12:18:06

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作者:孙余凯,项绮明等

出版社:电子工业出版社

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数字集成电路基础与应用

数字集成电路基础与应用试读:

前言

目前,数字集成电路的制造技术迅速发展,大规模集成电路已在我国各个技术领域广泛应用。为适应新的工业革命的需要,本着少而精的原则,我们编写了《数字集成电路基础与应用》一书,集中讨论数字集成电路的原理和应用技术。

本书以小规模集成逻辑门和触发器作为数字电路的基础,并在此基础上着重介绍中规模数字电路的各种逻辑电路,也适当地介绍了一些大规模集成电路。介绍这些集成电路的电路结构和工作原理均以应用为目的,使读者能熟悉掌握它们的功能、外部特性和参数,以及典型应用方式,为分析和设计数字系统服务。

考虑到目前MOS数字集成电路迅猛发展,其应用已很普及,以及双极型数字电路仍被大量使用,故本书在编写时采用对比的方法,将各种功能的双极型数字电路与MOS数字电路同时介绍给读者,通过对比归纳,全面介绍各自的特点,以利于学习和应用。

本书以组合逻辑时序逻辑电路的分析、设计方法为主要内容,运用逻辑代数、真值表、卡诺图及状态转换图等工具,对数字电路进行逻辑分析和设计,并结合中、大规模集成电路的应用尽可能介绍一些数字电路逻辑设计的新技术。

本书以便于自学和教学的方式组织各章内容。各章互有联系,也有相对独立性。每章除介绍基本内容外,还给出了大量的例题和一些十分典型的应用实例供参考,这些应用实例既可以拿来就用,又可以经过适当的扩展改为他用。在每章的最后给出了习题,在附录里有部分参考答案。可起到总结提高的作用。

为力求文字叙述简炼,书中有关内容和主要参数大多用一些插图和表格列出,不再作过多的说明,读者在阅读时务请留意。

参与本书编写的人员还有:刘普玉、王国太、项宏宇、许风生、吴鸣山、王艳玉、吕晨、刘忠梅、王华君、项天任、孙余明、薛广英、孙有勋、陈玉兰、孙余贵、王燕芳、孙余正、胡家珍、吕疑生、周志平、孙余平、陈芳、孙庆华、刘忠新、孙静、刘忠德、金宜全、谭长义、吴永平、孙莹、徐绍贤、王五春、刘英、陈帆、常乃英等。

在本书编写过程中,参考过国内外有关数字电路方面的书籍及资料,在此谨向有关单位和作者一并致谢。同时对给予我们支持和帮助的有关专家和部门深表谢意。

由于数字集成电路技术发展极为迅速,涉及面广,加上我们水平有限,书中难免有错误与不妥之处,真诚希望专家和读者批评指正。

我们的联系方式:tan_peixiang@phei.com.cn编著者2005年12月

第1章 数字电路基本知识

本章主要介绍常用的数制及其特点,常用的码制,逻辑代数的表示方法,逻辑关系和基本分析方法。

1.1 数字电路的特点及类型

数字电路是处理数字信号并能完成数字运算的电路。在电子计算机、电机、通信设备、自动控制、雷达、家用电器、日常电子小产品、汽车电子等许多领域得到了广泛的应用。1.1.1 什么是数字信号

电信号通常分为模拟和数字信号两类。模拟信号是连续变化的,而数字信号是断续变化(即离散)的。

数字信号目前常取二值信息,它用两个有一定数值范围的高或低电平来表示,也可用两个不同状态的逻辑符号如“1”和“0”来表示。典型的数字信号波形是具有一定幅度的矩形波,当它作用在某些电子电路上时,其半导体器件就会在截止与导通(或饱和)状态下工作,这和模拟信号作用于电路时器件工作在线性放大状态相比有根本的不同。1.1.2 什么是数字电路

处理加工数字信号的电子电路称作数字电路。电路的一般框图如图 1-1 所示,其输入与输出的资料以及控制与操作的变量都是数字信号。图1-1 数字电路组成的一般方框图

图 1-1 电路中含有对数字信号进行传送、逻辑运算、控制、计数、寄存、显示以及信号的产生、整形、变换等不同功能的数字部件。

数字电路的特点主要有以下几方面:

● 电路结构简单,容易制造,便于集成、系列化生产,成本低廉,使用方便。

● 由数字电路组成的数字系统,工作准确可靠,精度高。

● 不仅能完成数值运算,还可以进行逻辑运算与判断,在控制系统中这是不可少的,因此又把它称作“数字逻辑电路”。

1.2 数字电路的分类

数字电路根据分类方式的不同通常有以下3种分类方法。1.按电路组成结构分类

数字电路按其电路的组成结构分类,可分为:分立组件和集成电路两类。其中集成电路按集成度(在一块硅片上包含的逻辑门电路或组件的数量)分为:小规模(SSI)、中规模(MSI)、大规模(LSI)和超大规模(VLSI)集成电路。2.按所用器件分类

数字电路按电路所用器件分类,可以分为:双极型(如DTL、TTL、ECL、IIL、HTL)和单极型(如NMOS、PMOS、COMS)电路。3.按逻辑功能分类

数字电路按基逻辑功能分类,可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。

1.3 数字电路研究的内容和方法

分析、设计数字逻辑电路的基本工具是真值表、真值图(即卡诺图)、函数表达式、逻辑电路图和状态转换图。它们的数学基础则是逻辑代数。它的主要内容是逻辑函数的运算及简化方法,运用它可求出数字电路输入与输出变量间的逻辑关系。

1.4 数制

数制即计数的方法。在生产实践中人们习惯于各种计数方法,如十、十六、六十等进制,但最常用的是十进制数(Decimal),而在数字技术中经常使用二进制数和十六进制数等。1.4.1 十进制计数制

十进制计数制是大家最熟悉的一种进位计数制,十进制计数制是目前国际上通用的计数制。1.十进制计数制的数码

十进制计数制,简称十进制数,它采用十个数字符号:0,1,2,3,…,9。这些数字符号称为数码(或数字)。任何一个十进制数,均由这十个数码来表示。2.十进制计数制的计数原则

十进制计数制的计数原则是:逢十进一,借一当十。

例如:十进制数2985.6由5位数字组成,小数点左边有4位,右边有1位。这个数实际上是由以下多项式缩写而成的:

依此类推,任何一个n位整数,m位小数的十进制数(N)可记10为:(N)=(a a…aa.a a…a)其值为:10n-1n-210-1-2-m10

式中 a——十进制码中第i位的值,它可以是0~9中的任何一i个。i

10——第i位的权,也称为位权。10为进位的基数,也就是基本计数符号的个数。

n,m——均为正整数,分别是整数部分和小数部的位数。(N)——下标10表示十进制数,也可以用D表示。101.4.2 二进制计数制

在数字系统中,除了以10为基数的十进制计数制以外,应用较多的是二进制计数制。1.二进制计数制的数码

在二进制计数制中,每个数字只能有两个不同的取值,也就是采用“0”和“1”。任何一个二进制数均是由这2个数码表示的。2.二进制计数制的计数原则

二进制计数制的计数原则是:逢二进一,借一当二。

对于一个二进制数,也可用类似十进制数按权展开的方法展开,例如(1101.01),可以写成:

依此类推,任何一个n位整数,m位小数的二进制数(N)可记2为:(N)=(b b…bb.b b…b)其值应为:2n-1n-210-1-2-m2

式中 b——二进制码中第i位的值,它可以是0或1。ii

2——第i位的权,也称为位权。2为进位的基数。

m,n——均为正整数,n代表整数位数,m代表小数位数。(N)——下标2表示二进制数,也可以用B表示。23.二进制数运算规则

由于在二进制数中仅有0、1两个数码,相应的它的运算规则也比较简单,表1-1列出了二进制数的运算规则。表1-1 二进制数运算规则1.4.3 八进制计数制

二进制数对于计算机的数字系统来说,处理起来非常容易,但书写与记忆相对较慢,故经常又采用八进制数(和十六进制数)来表示二进制数。1.八进制计数制的数码

在八进制计数制中,其计数基数是8,每位可能取8个不同的数字符号:0、1、2、3、4、5、6、7中的任何一个。2.八进制计数制的计数原则

八进制计数制的计数原则是:逢八进一,借一当八。

任何一个八进制数均可以表示为:

式中 a——八进制数中第i位的值,它可以是0~7中的任何一i个。i

8——第i位的权,8为进位的基数。(N)——下标8表示八进制数,也可以用O表示。8

n,m——含义同上,以下同。1.4.4 十六进制计数制

十六进制计数制在计算机系统中应用较多。1.十六进制计数制的数码

十六进制数常用0~9,A、B、C、D、E、F共十六个不同的数码、字母来表示一位十六计数制的数码。2.十六进制计数制的计数原则

十六进制计数制的计数原则是:逢十六进一,借一当十六。

任何一个十六进制数均可以表示为:

式中 a——十六进制数中第i位的值,它可以是0~9,A~F中的i任何一个。i

16——第i位的权,16为进位的基数。(N)——下标16表示十六进制数,也可用H表示。16

由以上介绍可看出,使用十六进制数或八进制数表示容易书写、阅读,便于记忆,也容易转换成可用电子开关组件存储、记忆的二进制数,所以,它们是被电子计算机等领域普遍采用的数据表示形式。1.4.5 各种计数制按权展开实例[例1-1]将(1101.1011)按权展开B3210-1-2

解:(1101、1011)=1×2+1×2+0×2+1×2+1×2+0×2+1×B-42[例1-2]将(35.2)按权展开O

解:按权展开,也就是将(35.2)按每位数权的不同分别展开,O即:[例1-3]将(2A.E)按权展开H

解:按权展开,也就是将(2A.E)按每位数权的不同分别展开,H即:

其他数制按权展开的方法与上述类似,读者可自行分析。

1.5 进位制计数制之间的互相转换

一个数从一种进位制计数制表示法转换成另一种进位制计数制表示法,称为数制转换。1.5.1 常用进位制计数制对应关系

二进制数、八进制数、十六进制数及十进制数是现代数字系统中常用的四种数制,这几种进位制计数制之间的对应关系如表1-2中所列。表1-2 常用计数制数的表示方法(续表)1.5.2 二进制数转换为十进制数

二进制数转换为十进制数的方法,是利用式(1-4-2)将二进制数权展开,然后把所有各项的数值按十进数相加即得。[例1-4]把二进制数(101.101)转换为十进制数。B

由该例可看出,只要把二进制数中数字为1的位权相加即得等值的十进制数。1.5.3 十进制数转换为二进制数

十进制数转换为二进制数时,需要将十进制数的整数部分和小数部分分别进行转换,最后再将转换结果相加即可得到完整的转换结果。1.整数部分的转换

整数部分的转换采用除 2 取余法,也就是将进制整数逐次除以 2,并依次记下余数,一直除到商数为零时结束,就得到等值的二进制数。[例1-5]将(143)转换成等值二进制数D

由此即得:(143)=(10001111)DB2.小数部分的转换

小数部分的转换采用乘 2 取整法,也就是将十进制数的小数逐次乘以 2(每次只将小数部分乘以 2),并依次记下整数,然后把全部整数按次序排列起来,即可得到等值的二进制数。[例1-6]将(0.375)转换为等值二进制数的小数。D

解:按照乘2取整法进行转换

由此即得:(0.375)=(0.011)DB[例1-7]将(0.727)转换为等值二进制数的小数。D

解:

由此可得:(0.727)≈(0.1011101000011)产生的误差小于DB131/2。3.需要说明的问题

对于一个既有整数部分又有小数部分的十进制数要转换成二进制数时,则可将其整数部分用除2取余法转换成二进制数的整数,将其小数部分用乘2取整法转换成二进制数的小数,然后将二进制数的整数部分和小数部分合并即可得到等值的二进制数。

二进制数转换为十进制数时,可以完整地进行转换;但十进制数转换为二进制数时,有时不能完全转换,只能达到一定的精度。1.5.4 二进制数转为八进制数

二进制数与八进制数的相互转换较容易,因为三位二进制数可以表示一位八进制数。故将二进制数转换为八进制数的规律如下:

从二进制数的小数点开始,把二进制数的整数部分自右向左分成三位一组,最后不足三位者,在左面添零补齐;把二进制数的小数部分自左向右分成三位一组,最后不足三位者在右面添零补齐,然后将每组用一位八进制数表示,即可得等值的八进制数。[例1-8]将(11010011.1011011)转换成八进制数。B

解:根据上述规律,(11010011.1011011)与其对应的八进制B数之间的关系为:

转换结果为:(11010011.1011011)=(323.554)。BO1.5.5 八进制数转换为二进制数

八进制数转换为二进制数时,只要将每位八进制数写成相应的三位二进制数,按原顺序排列即可。[例1-9]将(1037.26)转换成二进制数。O

解:

转换结果为:(1037.26)=(1000011111.01011)OB1.5.6 二进制数转换为十六进制数

由于四位二进制数可以表示一位十六进制数,将二进制数转换为十六进制数时,可将被转换的二进制数的整数部分从右向左分成四位一组,最后不足四位者,在左面添零补齐;把二进制数的小数部分自左向右分成四位一组,最后不足四位者在右面添零补齐。最后将每组用一位十六进制数表示,即可得到等值的十六进制数。[例1-10]将(11010011.1011011)转换成十六进制数。B

解:根据上述规律,(11010011.1011011)与其对应的十六进B制数之间的关系为:

转换结果为:(11010011.1011011)=(D3.B6)BH1.5.7 十六进制数转换为二进制数

将十六进制数转换为二进制数,只需将每位十六进制数用对应的四位二进制数写出即可。[例1-11]将(D3F)转换为二进制数。H

解:根据转换方法,(D3F)与对应的二进制数之间的关系为:H

转换结果为:(D3F)=(110100111111)HB

1.6 码制

数码除了表示数量的大小之外,有时还用来表示不同的事物,也就是用不同的数码表示不同的事物。当用数码作为代号来表示不同的事物时,称其为代码。不同的代码都有一定的规则,通常将这些规则称为码制。

人们较熟悉的是十进制码,而数字系统中是以二进制数代码作为处理对象,进而就产生了一种利用四位二进制数表示一位十进制数的计数方式,将这种表示十进制数的四位二进制数代码称为二—十进制数代码(Binarg Coded Decimal),简称为BCD码。常见的BCD码有以下几种。1.6.1 8421码

8421码是最基本最常用的BCD码,是一种有权码或加权码,其3210权值由高到低分别为:8(2)、4(2)、2(2)、1(2)。假设8421码为aaaa,则一位十进制数(N)可表示为:3210D

必须注意的是:在8421码中不允许出现1010~1111六种编码,因为在十进制数中没有单个的数字符号同它们对应。

任何一个十进制数要写成 8421 码,只要把该十进制数的各位数字分别转换成对应的8421码。

表1-3列出了8421码与十进制数的对应关系。[例1-12]将(269)分别用8421码表示。D

解:根据上述转换规律可得到:表1-3 各种有权、无权码与十进制数之间的对应关系

即可得:(269)=(00100110100)D8421

即可得:(978.45)=(100101111000.01000101)D8421[例1-13]将(1011101010000)和(01010111.10010001)分84218421别用十进制数表示。

解:根据表1-3中8421码与十进制数之间的对应关系,可得到:

即可得:(1011101010000)=(1750)8421D

即可得:(01010111.10010001)=(57.91)8421D1.6.2 2421码(埃肯码)

2421码是另一种形式的有权码,也是用四位二进制代码来表示一位十进制数,各位的权值由高到低分别为2,4,2,1。如果用a,a,a,a分别代表2421码的四位进制代码,则一位十进制数3210((N)可表示为:D

2421码与十进制数的对应关系如表1-3所列。

2421是一种对9的自补代码,即2421码表示的数,只要自身按位取反,就能得到该数对9之补的2421码,例如:

3的2421码是0011,3对9之补是9-3=6,而6的2421码是1100。而0011和1100之间是自身按位取反的,故二者互为反码。[例1-14]用2421码对(3462)进行编码。D

解:根据2421码与十进制码之间的对应关系(见表1-3中2421(B)码)可得到:

所以有:(3462)=(0011010011000010)D8421

除了上述的8421码和2421码以外,有权码还有5211、5421、7421、5311码等。这些有权码与十进制数之间的对应关系如表1-3中所列。1.6.3 余3码

余3码也是用四位二进制代码来表示一个十进制数字,它比8421码多出0011,故叫余3码。

余3码也是一种对9的自补代码,但各位没有固定的权值,故是一种无权码。其与十进制数之间的对应关系如表1-3中所列。

余3码不允许出现0000、0001、0010、1101、1110、1111六种代码。[例1-15]用余3码对(1986)进行编码。D

解:根据余3码与十进制码之间的对应关系(如表1-3)可得到:

故可得:(1986)=(0100110010111001)D余3码1.6.4 码制说明

以上介绍的二—十进制编码是用四位二进制代码组成的。由于四位二进制编码有16个状态,用来表示十进制数,还多余6个状态,需要去掉,去掉哪6个,有多种方案,于是就形成了各种二—十进制编码(包含有权码和无权码)。这些去掉的码称为伪码。具有一定特点的BCD码归纳如表1-3中所列,供参考。

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

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