第1章 数制与编码

数字电路应用
精度高、抗干扰能力强 0～+0V 1～+5V 结构简单、容易制造，便于集成及系列化生产 可以抽象到系统级、寄存器级、门级、物理级 疯狂的数字 音乐：CD、MP3 电影：MPEG、RM、DVD 数字电视 数字电路在日常生活、自动控 数字照相机 制、测量仪器、通信等领域得 数字摄影机 到广泛应用 手机
H B
=0101
1110. 1100=(5E.C) H
=0010
0011.0100 0010
= (100011.0100001)B
数字技术的发展过程
数字技术是一门应用学科，它的发展可分为5个阶段
① 产生：20世纪30年代在通讯技术（电报、电话）首 先引入二进制的信息存储技术。而在1847年由英国科学 家乔治.布尔(George Boole)创立布尔代数，并在电子电 路中的得到应用，形成开关代数，并有一套完整的数字 逻辑电路的分析和设计方法.
1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片
数字电路分类
一、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(Small Scale IC，SSI) 中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI)
大规模集成电路(Large Scale IC，LSI)
电子管（真空管）
③第二阶段：20世纪60年代晶体管的出现，使得数字 技术有一个飞跃发展，除了计算机、通讯领域应用外， 在其它如测量领域得到应用
晶体管图片
获得1956年 Nobel物理奖
1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain
超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI) 特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI)
巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）
划分集成电路规模的标准
类 别 SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI 数字集成电路 MOS IC 双极IC ＜102 102～103 103～105 105～107 107～109 ＞109 ＜100 100～500 500～2000 ＞2000 模拟集成电路 ＜30 30～100 100～300 ＞300
1、N——〉十进制（权展开相加）
(123.4)10=1x102+2x101+3x100+4x10-1
(123.4)8 =1x82+2x81+3x80+4x8-1
=(83.4) 10
(123.4)16=1x162+2x161+3x160+4x16-1
=(291.25) 10 (1010.11) 2= 1x23+1x21+1x2-1 +1x2-2 =(10.75) 10
数字信号是一种二值信号，用两个电平（高电平和低电
平）分别来表示两个逻辑值（逻辑1和逻辑0）。
逻辑1
逻辑1
逻辑0
逻辑0
逻辑0
二、波形参数
1、理想数字信号的主要参数
V
Vm 0 tw T t (ms)
一个理想的周期性数字信号，可用以下几个参数来描绘： Vm——信号幅度。 T——信号的重复周期。 tW——脉冲宽度。 tW q ( ß )——占空比。其定义为： (%) q 100% T
第一台通用电 子计算机：
ENIAC
Electronic Numerical Integrator and Calculator
1946年2月14日
Moore School， Univ. of Pennsylvania
18,000个电子 管组成
②初级阶段：20世纪40年代电子计算机中的应用，此 时以电子管（真空管）作为基本器件。另外在电话交 换和数字通讯方面也有应用
1、工作任务不同：
模拟电路研究的是输出与输入信号之间的大小、相位、失 真等方面的关系；数字电路主要研究的是输出与输入间的逻辑 关系（因果关系）。
2、三极管的工作状态不同：
模拟电路中的三极管工作在线性放大区,是一个放大元件； 数字电路中的三极管工作在饱和或截止状态,起开关作用。 因此，基本单元电路、分析方法及研究的范围均不同。
BPRZ 曼彻斯特码 交替双极归零 1极性交替脉冲，0零电平 1下降沿，0上升沿
MVL 多值逻辑 不同电平代表不同数值
1.2、数制及变换
一 、数制
十进制 二进制 八进制 十六进制 N进制
0～9 0，1 0～7 0～9,A,B,C,D,E,F
逢十进位 逢二进位 逢八进位 逢十六进位
二 、数制及变换
Property）
本课程学习要求
深入掌握数字电路领域的基本概念和基本理论。 熟练掌握数字电路的分析和设计方法。 分析和设计方法是贯穿本课程的主线 逐步提高阅读集成电路产品手册的能力，以便从中 获取更多的信息。 积极实践，提高使用仪器、测试电路和排除故障的 能力
先修课程有：电路分析 线性电子电路等。 后续课程为：计算机组成原理、微机原理， EDA技术等。 数字逻辑电路是工学电子信息类专业、通讯类专业的重要 专业 基础课，主要讲述数字电路原理、方法和应用。
3、认真按时亲自做作业。对缺交1/3以上者，取消考试资格。
4、平时成绩：共20分 （1）作业：每次作业占1～2分 （2）平时表现：包括到课情况，课堂纪律。
第一章
数 制 与 编 码
教材原著：《数字电路》 龚之春 编著 主讲人：徐丽燕/牛小燕
杭州电子科技大学电子信息学院
第一章
数制与编码
一、信号（模拟信号、脉冲信号、数字信号） 1、模拟信号
课程内容包括： （一）数制与编码 （二）逻辑代数 （三）逻辑门 （四）双极型和单极型晶体管开关特性 （五）脉冲波形产生和整形电路 （六）组合逻辑电路 （七）触发器 （八）时序逻辑电路 （九）半导体存储器及可编程逻辑器件PLD （十）数模（D／A）及模数（A／D）转换
平时要求 1、坚持上课，无故旷课8学时以上，取消考试资格。 2、遵守课堂纪律，认真听课。课堂上讲话影响他人听课的， 作旷课处理。
下图所示为三个周期相同（T=20ms），但幅度、脉冲宽度 及占空比各不相同的数字信号。
V (V) 5 (a) 0 10 V (V) 20 30 40 50 t (ms)
(b)
3.6
0 10 10 (c) V (V) 20 30 40 50
t (ms)
0 10 20 30 40 50
t (ms)
2、实际数字信号波形参数 V0 起始电位 Vm脉冲幅度 VP脉冲峰值 Δ 平顶下降 δ 超量（过冲） t0起始时间 tr上升时间 tf下降时间 tw脉冲底部宽度 twA脉冲平均宽度 T 脉冲占空比 周期
(0.71) D (0.101101 ) B e
e 26
例 将（173.39)D转化成二进制数,要求精度为1%。
2 2 2 2 2 2 2 2 173 86 43 21 10 5 2 1 0
解：其过程如下 a. 整数部分 即(173)D=(10101101) B
1 (k ) 0 (k ) 1 (k ) 1 (k ) 0 (k ) 1(k ) 0 (k ) 1(k )
④第三阶段：20世纪60年代集成电路的出现，使得数 字技术有了更广泛的应用，在各行各业医疗、雷达、 卫星等领域都得到应用
⑤第四阶段：20世纪70年代中期到80年代中期，微电子 技术的发展，使得数字技术得到迅猛的发展，产生了大 规模和超大规模的集成数字芯片，应用在各行各业和我 们的日常生活
获得2000年Nobel物理奖
=(10101101.0110001)B
4、二进制、八进制、十六进制转换 每3位二进制变1位八进制 (1011110.11) (23.42)
O B
=001
011
110. 110=(136.6)O
=010
011. 100 010=(10011.10001)B
每4位二进制变1位十六进制 (1011110.11) (23.42)
互补金属氧化物半导体（CMOS）
镓砷化物（GaAs）
低
高
中
高
三、按电路结构分类
组合逻辑电路
时序逻辑电路
四、当前数字设计的趋势
越来越大的设计 越来越短的推向市场的时间

越来越低的价格
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（Intellectual
二、按集成工艺分类
工艺类型 电阻晶体管逻辑（RTL） 二极管晶体管逻辑（DTL） 晶体管晶体管逻辑（TTL） 发射极耦合逻辑（ECL） 负金属氧化物半导体（pMOS） 正金属氧化物半导体（nMOS）
电源 速度 消耗 高 低 高 低 中 中 高 高
中 中 低 中
封装 分立 分立,SSI SSI,MSI SSI,MSI,LSI MSI,LSI MSI,LSI,VLSI SSI,MSI,LSI, VLSI SSI,MSI,LSI
特点： 幅值随时间 连续变化
2、脉冲信号
3、数字信号
特点：
幅值随时间离散变化
高电平 低电平 数字信号 V(t) 上升沿 下降沿
t
数字信号的特点 数字信号在时间上和数值上均是离散的。 数字信号在电路中常表现为突变的电压或电流。
V (V)
5
0 10 20 30 40 50
t (ms)
典型的数字信号
tw T
VPP
V0 起始电位
t0起始时间
Vm脉冲幅度
VP脉冲峰值 Δ 平顶下降
tr上升时间