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发布时间:2020-08-17 21:55:45

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作者:白炽贵 江敏

出版社:电子工业出版社

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数字电路基础与实训

数字电路基础与实训试读:

前言

本书是面向职业学校的数字电路实训教材,学生以焊接电路板并通电验证的实训方式来学习数字电路应用技术。全书共7章。

第1章简要介绍学习数字电路必备的基础知识,包括数字电路的特点,以及数字IC、逻辑代数、门电路、数制和编码的精要简介。

第2章是关于74HC08、74HC32、74HC04、74HC14、74HC00和74HC86六片常用数字集成门电路的8个实训。

第3章是74HC148、74HC138、74HC157、74HC85、74HC283、74LS248和CD4511七种常用组合逻辑电路的7个实训。

第4章是关于74HC279、74HC74、74HC109、74HC123、74HC221、74HC573、CD4017、CD4015、74HC194、74HC595、74HC393和74HC192这12种常用时序逻辑电路的12个实训。

第5章是关于ADC0809模/数转换及DAC0832数/模转换的实训。

第6章是关于W27C512、27512、27256、27128、2817A、2864六种存储器编程实训和HM6264的写读实训,为更深刻掌握随机存储器的读写原理和失电保护技术,还特意安排了一个16×16点阵LED汉字显示屏电路实训。

第7章是关于16路实用抢答器的设计与制作实训。它综合应用了前面章节的8路数显抢答器实训、74HC192BCD加减计数器实训和W27C512编程实训等数字电路应用技术,把学生从数字IC的功能验证学习层面,提升到了数字电路的应用开发远景。

全书实训由浅入深,引人入胜,能吸引学生的学习兴趣,16路抢答器甚至还可形成产品。对每一实训,书中都给出了实训电路板元件定位图和实训电路板焊接布线图,能指导学生成功完成实训。实训内容做到了面广、量大、质优和梯级展开。数字电路最容易安装成功,最能让学生在赏心悦目的操作实训中学习技能技术。学生在学习和掌握数字电路技术的同时,还能大大提高焊接技术工艺,增强岗位责任感。此外,还可开发学生的电路设计潜能。

为方便教学,本书配有电子教案和教学指南及习题答案。电子教案包括了书中所有的数字IC的引脚排列图和功能表、每个实训的实训电路图、实训电路板元件定位照片、实训电路板焊接布线照片以及关于实训电路板通电验证的演示视频,是课堂教学时最有用最方便的多媒体资料。

本书是多位作者多年数字电路教学的结晶,而且在融入学校电子专业教学教改过程中,发挥了重要作用,在研发过程中得到了重庆市綦江职业教育中心舒楚彪校长和电子专业全体教师的大力支持和指导,在此,谨向他们表示衷心的感谢。

本书由重庆市綦江职业教育中心白炽贵和重庆电子工程职业学院江敏任主编,重庆市綦江职业教育中心幸晓光和陈志明任副主编。幸晓光编写了第1~2章,江敏编写第3~4章,白炽贵、陈志明编写第5~7章。本书关于74系列数字IC的资料均来自参考文献[1]及参考文献[2],关于逻辑代数有关内容参考和引用了参考文献[3],谨此向三文献的作者表示最崇高的敬意!

由于作者水平有限,书中难免错误与不足,敬祈读者指正!

编者

2014年2月第1章 数字电路基础1.1 数字电路的特点1.1.1 模拟信号和数字信号

电子电路中的电信号可以分为模拟信号和数字信号两大类。模拟信号的特点是信号电压(或信号电流)从大到小(或从小到大)的变化是随时间而连续逐渐变化,如图1-1所示。处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。数字信号的特点是信号电压(或信号电流)从大到小(或从小到大)的变化是陡然跳变的,如图1-2所示。处理数字信号的电子电路称为数字电路。图1-1 模拟信号示意图图1-2 数字信号示意图

数字信号只有两个离散值,叫做二值逻辑。常用数字1和0来表示。它的0和1不表示数量的大小关系,而只表示对立的两种状态,称为逻辑0和逻辑1。逻辑0和逻辑1用来表示对象的高与低、通与断、亮与熄、开与关等。逻辑0和逻辑1是用数字电路电源两极的电压值来表示的。最常用的是+5V和0V。即用5V来表示逻辑1,用0V来表示逻辑0。当然,也可用5V来表示逻辑0,用0V来表示逻辑1。表示逻辑1和逻辑0的电压值又称逻辑电平,5V为高电平,0V为低电平。1.1.2 正逻辑与负逻辑

数字电路只有两种状态:高电平和低电平。如果用高电平表示逻辑1,用低电平表示逻辑0,这种表示体系为正逻辑体系;如果用高电平表示逻辑0,用低电平表示逻辑1,这种表示体系为负逻辑体系。一般技术资料中采用正逻辑体系。在本书关于数字电路的所有描述中,均采用正逻辑体系,即逻辑1 电平为高电平,逻辑0电平为低电平,如图1-3所示。因此,为叙述方便,书中有时也把高电平简称为1电平,低电平简称为0电平,以突出该电路环境结构的逻辑值特性。图1-3 正逻辑电平图示1.1.3 数字信号的基本参数和波形

数字信号的基本参数有如下几个。

V—信号幅度,信号电压波形变化的最大值,如图1-4所示。m

T—信号的重复周期,如图1-4所示,信号的周期T与信号的频率f互为倒数。

T—信号的脉冲宽度,即脉冲顶部的持续时间,如图1-4所示。w图1-4 数字信号基本参数的意义

理想的数字信号波形是标准的矩形波,而实际的数字信号的波形只能近似为梯形波,如图1-5所示。这是因为数字信号从低电平变到高电平,或从高电平变到低电平都是要用一定的时间的。波形上对应于从低电平变到高电平的直线称为上升沿,波形上对应于从高电平变到低电平的直线称为下降沿。对应于上升沿的时间记为T,对应于下r降沿的时间记为T。f

从图1-5可知,数字信号的一个完整波形由四大部分组成:低电平部分、上升沿部分、高电平部分和下降沿部分。尽管周期性数字信号中都存在一定的上升时间和下降时间,但在实际分析时都可忽略,即视为矩形波。无论是把数字信号视为矩形波还是梯形波,数字信号的波形都由四部分组成。根据需要而引用波形的四部分,就能对数字电路系统起相应的控制作用。对这四部分,一定要理解和牢记,它是后面学习分析数字电路工作原理的基本要素。在本书后面有关数字电路的分析描述中,1电平等同于高电平,0电平等同于低电平,其大前提就在于本书关于数字逻辑电路的所有描述全部基于正逻辑体系。图1-5 数字信号的波形1.2 数字集成电路的种类和常用逻辑电平

作为标准数字集成电路(IC)的系列产品分为三大类,即TTL型、CMOS型和ECL型。常用逻辑电平与之相对应,也有TTL、CMOS和ECL等,下面进行简单介绍。1.2.1 数字IC的种类和特点

TTL类型IC以双极型晶体管为开关元件,输入级采用多发射极晶体管形式(各输入端分别对应一条发射极),开关放大电路也都由晶体管构成,所以称为“晶体管—晶体管—逻辑”,即Transistor—Transistor—Logic,缩写为TTL,一般以“74”(民用)或“54”(军用)为型号前缀,如74LS、74S、74ALS、74AS和74F等系列。这类IC的特点是速度高,功耗较大。最常用的是74LS系列,其工作电压为5V±5%,抗干扰能力差,电源要求高。

CMOS类型IC用MOS—FET(即金属氧化物半导体场效应管)作为开关元件,构成互补型电路,特点是很低的静态功耗和很高的输入阻抗。主要产品系列有4000B(包括4500B)、40H、74HC系列。其中,4000B系列速度最低,功耗最小。而74HC系列是具有CMOS低功耗性和LS—TTL高速性的产品,其工作电压为2~6V,抗干扰能力强,电源特性好,是现在数字IC的首选品种,也是本书实训的主要IC。在可能的情况下,本书实训优先使用74HC系列,其次才考虑使用74LS系列。

ECL类型IC用双极型晶体管作为开关元件,称为“发射极耦合逻辑”,ECL就是这一称谓的英文描述的缩写。它与TTL类型不同的是工作在非饱和状态,开关速度非常高,功耗也很大,电源电压和逻辑电平特殊,一般不大使用。1.2.2 常用逻辑电平

数字系统中常用的逻辑电平有TTL、CMOS、ECL、LVTTL、RS232等。其中,TTL和CMOS的逻辑电平按典型电压可分为四类:5V系列、3.3V系列、2.5V系列和1.8V系列。

5V TTL和5V CMOS是通用的逻辑电平,3.3V及以下的逻辑电平称为低电压逻辑电平。在以计算机处理器为中心的数字电路中,5V TTL电平用得最多。本书的所有实训电路中,都使用通用的5V逻辑电平。

下面,给出74HC系列IC的5V CMOS电平与74LS系列的5V TTL电平在输入输出电平上存在的差异。这里用VOH表示输出逻辑1电平的电压,VOL表示输出逻辑0电平的电压,VIH表示输入逻辑1电平的电压,VIL表示输入逻辑0电平的电压。

74LS系列逻辑电平临界值:

① VOHmin=2.4V,VOLmax=0.4V

② VIHmin=2.0V,VILmax=0.8V

74HC系列逻辑电平临界值:

① VOHmin=4.99V,VOLmax=0.01V

② VIHmin=3.5V,VILmax=1.5V

由此可知,74HC系列能驱动74LS系列,但74LS系列一般不能驱动74HC系列。为克服此不足,数字IC厂商又开发了74HCT系列CMOS高速数字IC,其特点就是能被TTL电平驱动。1.3 逻辑代数简介

逻辑代数是英国数学家布尔首先创立的,因此又称布尔代数。它是一种仅使用数值1和0的代数,但这里的1和0并不代表数量的大小,而是表示完全对立的两个矛盾的方面。逻辑代数是研究数字电路的工具,在此只做一些简单介绍。1.3.1 基本逻辑关系

1.“与”逻辑

逻辑代数把决定某个事件的所有条件全都具备时,这个事件才会发生的因果关系定义为“与”逻辑。

2.“或”逻辑

逻辑代数把决定某个事件的所有条件中只要有任意一个条件具备,或任意多个条件具备,这件事就会发生的因果关系定义为“或”逻辑。

3.“非”逻辑

逻辑代数把事件的发生与否和决定这个事件的条件是否具备的状态刚好相反的因果关系定义为“非”逻辑。1.3.2 基本逻辑运算

用Y代表因果关系中的事件,用A和B代表因果关系中的条件。则Y、A、B都只能取0和1两个逻辑值。这里的Y、A、B称为逻辑变量。

1.“与”运算(逻辑乘)

把遵循“与”逻辑的表达式“Y=A·B”中的运算叫做“与”运算。运算符“·”称为“与”运算符。由“与”逻辑可得“与”运算的规则,就是

为书写方便,当“与”运算的两个运算量都为变量形式时,两者之间的“与”运算符“·”可以省略。如“A·B”可表示为“AB”。

2.“或”运算(逻辑加)

把遵循“或”逻辑的表达式“Y=A+B”中的运算叫做“或”运算。运算符“+”称为“或”运算符。由“或”逻辑可得“或”运算的规则,就是

3.“非”运算(逻辑非)

把遵循“非”逻辑的表达式中的运算叫做“非”运算。运算符“”称为“非”运算符。由“非”逻辑可得“非”运算的规则,就是1.3.3 逻辑代数公理(1)与运算公理:(2)或运算公理:(3)非运算公理:1.3.4 逻辑代数定律(1)0-1律:(2)自等律:(3)互补律:(4)交换律:(5)结合律:(6)分配律:(7)重叠律:(8)还原律:(9)反演律(摩根定理):

以上定律的正确性,可用逻辑代数公理,以列表格的方式给出证明。这里以摩根定理为例,给出列表证明的方法(表1-1)。表1-1 摩根定理真值表

由表1-1可知,对于任意一组变量取值,公式1左右两边都相等,因此公式1成立。同理,公式2成立。这种表格称为真值表。真值表中,要全部列举出变量取值的所有组合。

顺便说明,反演律可以推广为多变量的形式,以公式1为例,可以推出

这个公式将为第7章抢答器设计中数字IC的变通使用提供理论依据。用真值表的方法可证明这个公式的正确性,但其真值表过大(8个变量的取值组合有256种),比较麻烦。而其他证明方法(见参考文献1)又超出了本书范围,我们直接应用即可。

关于逻辑代数的更多学习内容,请读者在后继的学习中完成。1.4 门电路简介

门电路是数字电路的重要组成单元。它可分为基本门电路和复合门电路。基本门电路只有三种:与门电路、或门电路、非门电路。复合门电路由基本门电路组合而成。复合门电路主要有与非门电路、或非门电路、异或门电路。

学习时可把门电路看成一个规定了输入端和输出端及其逻辑运算的“黑盒子”,它内部的电路组成可以不必关心,重点掌握其逻辑运算对输入端的处理而得到的输出结果。

以下关于门电路的所有描述中,均采用正逻辑体系,即逻辑1 电平为高电平,逻辑0电平为低电平,因此,也把高电平简称为1电平,低电平简称为0电平,以突出该电路结构的逻辑值特性。1.4.1 与门电路

1.与门电路的逻辑符号

图1-6和图1-7都是与门电路的逻辑符号,我国以IEEEⅠ为国家标准,技术资料上IEEEⅡ更流行。为方便阅读数字电路技术资料,本书采用IEEEⅡ逻辑符号。

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

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