数字电路逻辑设计
数字电路与逻辑设计
数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计是计算机科学与工程领域中非常重要的基础知识之一。
它涉及到数字信号的处理和转换，以及逻辑门电路和数字系统的设计。
本文将为您介绍数字电路与逻辑设计的基本概念、原理和设计方法。
一、数字电路的基本概念数字电路是由数字信号驱动的电路，它能够对输入信号进行处理和转换，并输出相应的数字信号。
数字信号是以离散的形式表示的信号，它只能取0和1两个值，分别代表逻辑假和逻辑真。
数字电路通常由逻辑门电路组成，逻辑门电路是由逻辑门和逻辑元件构成的电路。
1.1 逻辑门逻辑门是数字电路最基本的组成元件，它能够根据输入信号的逻辑关系，产生相应的输出信号。
常见的逻辑门有与门（AND）、或门（OR）、非门（NOT）等。
例如，与门的输出信号仅在两个输入信号均为1时为1，否则为0。
1.2 逻辑元件逻辑元件是由逻辑门组成的电路，它可以实现更加复杂的逻辑功能。
常见的逻辑元件有多路选择器、译码器、加法器等。
例如，多路选择器可以根据控制信号的不同，将多个输入信号中的某一个传递到输出端。
二、数字电路的设计原理数字电路的设计原理包括布尔代数、卡诺图和编码器原理。
这些原理为数字电路的设计提供了理论基础和方法。
2.1 布尔代数布尔代数是一种用于描述逻辑关系和逻辑运算的数学方法。
它使用逻辑运算符号（如与、或、非）和变量来表示逻辑关系。
布尔代数可以用来简化逻辑表达式，减少逻辑门的数量和实现复杂逻辑功能。
2.2 卡诺图卡诺图是一种用于优化逻辑表达式的图形工具。
它将逻辑函数的输入和输出关系以表格形式表示，然后通过对表格中的1进行合并、提取和简化，得到最简化的逻辑表达式。
卡诺图可以减少逻辑门的数量和简化电路的复杂性。
2.3 编码器原理编码器是一种将多个输入信号转换为相应输出信号的逻辑电路。
它具有将多个输入信号映射到唯一输出信号的功能。
常见的编码器有优先编码器、十进制到二进制编码器等。
编码器可以在数字系统中实现数据的压缩和传输。
数字电路逻辑设计(第二版) 王毓银 电子科技大学
3.5.4 CMOS逻辑门电路
3.5.5 BiCMOS门电路
3.5.6 CMOS电路的正确使用方法
3.6 VHDL描述逻辑门电路
3.6.1 VHDL描述电路的基本方法
3.6.2 VHDL描述逻辑门电路
习题
第4章 组合逻辑电路
4.1 组合逻辑电路分析
6.4.1 设计给定序列信号的产生电路
6.4.2 根据序列循环长度M的要求设计发生器电路
6.5 时序逻辑电路的VHDL描述
6.5.1 移位寄存器的VHDL描述
6.5.2 计数器的VHDL描述
习题
第7章 半导体存储器
7.1 概述
7.1.1 半导体存储器的特点与应用
5.3 主从触发器
5.3.1 主从触发器基本原理
5.3.2 主从J-K触发器主触发器的一次翻转现象
5.3.3 主从J-K触发器集成单元
5.3.4 集成主从J-K触发器的脉冲工作特性
5.4 边沿触发器
5.4.1 维持一阻塞触发器
5.4.2 下降沿触发的边沿触发器
10.2.6 DAC的转换精度与转换速度
10.3 模数转换器（ADC）
10.3.1 模数转换基本原理
10.3.2 并联比较型ADC
10.3.3 逐次逼近型ADC
10.3.4 双积分型ADC
10.4 集成ADC及其应用举例
双积分型集成ADC
10.4.2 逐次逼近型集成ADC
2.1.3 真值表与逻辑函数
2.1.4 逻辑函数相等
2.1.5 三个规则
2.1.6 常用公式
2.1.7 逻辑函数的标准形式
数字电路逻辑设计课程设计
数字电路逻辑设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解数字电路基本概念，掌握逻辑门电路的工作原理和功能；2. 学会使用逻辑代数进行简单的逻辑表达式推导和化简；3. 掌握组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计方法；4. 了解数字电路的测试和调试方法。
技能目标：1. 能够运用所学知识，设计简单的组合逻辑电路和时序逻辑电路；2. 能够使用逻辑门集成电路进行电路搭建和测试；3. 能够分析数字电路中存在的问题，并提出改进措施。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对数字电路逻辑设计的兴趣，激发学习热情；2. 培养学生的团队协作精神，学会与他人共同解决问题；3. 增强学生的创新意识，敢于尝试新方法，提高解决问题的能力；4. 培养学生严谨的学习态度，注重实验操作的规范性和安全性。
分析课程性质、学生特点和教学要求，本课程目标旨在使学生在掌握数字电路基本知识的基础上，能够运用所学技能进行逻辑设计，培养其创新思维和实际操作能力。
课程目标具体、可衡量，便于后续教学设计和评估。
二、教学内容1. 数字电路基本概念：逻辑门电路、逻辑函数、逻辑代数；2. 组合逻辑电路设计：编码器、译码器、多路选择器、算术逻辑单元；3. 时序逻辑电路设计：触发器、计数器、寄存器、移位寄存器；4. 数字电路测试与调试：故障分析、测试方法、调试技巧；5. 实践操作：使用集成电路搭建组合逻辑电路和时序逻辑电路，进行测试与分析。
教学大纲安排如下：1. 数字电路基本概念（1课时）：介绍逻辑门电路、逻辑函数和逻辑代数，引导学生理解数字电路的基本组成和工作原理；2. 组合逻辑电路设计（2课时）：讲解组合逻辑电路的设计方法，举例说明编码器、译码器等常见组合逻辑电路；3. 时序逻辑电路设计（2课时）：介绍时序逻辑电路的特点，讲解触发器、计数器等时序逻辑电路的设计方法；4. 数字电路测试与调试（1课时）：分析数字电路常见故障，教授测试与调试方法；5. 实践操作（2课时）：指导学生使用集成电路进行组合逻辑电路和时序逻辑电路的搭建、测试与分析。
数字电路与逻辑设计
数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计1. 概述数字电路与逻辑设计指的是使用电子元件，如晶体管和集成电路，来设计电路，实现所需的数字电路逻辑功能。
这项技术是电路设计的基础，延伸到微处理器设计，功能实现以及控制系统的设计等领域。
它的核心目的是将某种逻辑功能模型所需的电路电路元件和元件组件，在尽可能小的控制要求下设计出来。
2. 技术和工具为了实现数字电路作为一种逻辑模型必须用到一系列的技术和工具，这类技术主要包括模拟信号处理、数字逻辑设计、多级逻辑组态设计、微程序控制、系统控制等，通过这些技术可以让电路系统更具功能、可靠性。
此外，在进行数字电路与逻辑设计时，还需要使用的设计工具，如电路设计工具、多级逻辑和控制系统设计工具、条件控制语言、功能描述语言等等。
3. 技术难点在实际的数字电路设计与逻辑设计中，面临着许多技术挑战。
在电路设计的时候，数字电路的设计者需要考虑仪器的数量、分布、功能、可靠性、保险设计以及可靠性测试等要素，而在进行多级逻辑组态的设计的过程中，还需要考虑项目组态、项目之间的关联性、信号的处理多样性等。
另外，在微程序控制、系统控制的设计过程中，有许多工程技术概念、技术原理和程序控制理论、工程武器思想和技术抽象原理要考虑，还有波形布局和数字运算，所以整个数字电路和应用的实现都非常复杂，里面的技术难点一大堆。
4. 应用数字电路与逻辑设计技术在电子工程和控制系统等多个应用领域中得到了深入应用，如家用电器、汽车系统、航空航天技术、信号处理技术、运动控制技术、智能仪表和自动制造等。
数字电路和逻辑设计技术日趋复杂，正逐步深入到计算机网络、信息处理、图像处理、自动化和网络安全等诸多领域，数字电路和逻辑设计的综合应用，极大地丰富了信息技术的应用领域，从而使国家才能得到提升。
数字电路与逻辑设计-
卡诺图化简
卡诺图化简是通过填涂卡诺图来化简 逻辑函数，通过圈并和圈乘的方法来 合并最小项。
04
组合逻辑电路设计
组合逻辑电路简介
组合逻辑电路
由门电路组成的数字电路，用于执行逻辑运算。
特点
输入和输出之间没有存储功能，仅根据当前输入 产生输出。
应用
如编码器、译码器、多路选择器等。
组合逻辑电路的分析
分析步骤 列出逻辑表达式；
强、精度高等优点。
逻辑运算和存储功能
02
数字电路具有逻辑运算和存储功能，可以实现各种复杂的逻辑
函数和数据存储。
高集成度和高性能
03
随着微电子技术的发展，数字电路的集成度越来越高，性能越
来越强大，可以实现高速、高可靠性的信息处理。
03
逻辑设计基础
逻辑代数简介
01
逻辑代数定义
逻辑代数是一种用于描述逻辑关 系的数学系统，它使用二进制变 量来表示逻辑值。
物联网技术的发展将推动数字电路在智能感 知和数据处理方面的应融合，实现 更加智能化的应用。
绿色环保
随着环保意识的提高，低功耗、低污染的数 字电路将成为未来的重要发展方向。
THANKS
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波形图
波形图是一种用于表示逻辑函数时间变化的图形方法，它通过波 形的形状和幅度来表示逻辑值。
逻辑函数的化简
公式化简
波形图化简
公式化简是通过代数方法对逻辑表达 式进行化简，常用的化简方法有合并 律、分配律、吸收律等。
波形图化简是通过观察波形图的形状 和幅度来化简逻辑函数，通过调整波 形的相位和幅度来简化函数。
02
03
基本逻辑运算
真值表
逻辑代数包括与、或、非三种基 本逻辑运算，以及一些复合逻辑 运算。
数字电路与逻辑设计
数字电路与逻辑设计数字电路是现代电子技术的基础，它在计算机、通信、嵌入式系统等领域扮演着重要的角色。
数字电路可以将输入信号转换为相应的输出信号，通过逻辑门和触发器等元件的组合和连接实现不同的功能。
本文将介绍数字电路与逻辑设计的基本概念和原理。
一、数字电路的基本概念数字电路是由数字信号进行处理和传输的电路系统。
数字信号是以离散的数值表示的信息信号，可以取两个离散值，分别表示逻辑0和逻辑1。
数字电路由逻辑门、触发器、时钟等基本元器件组成。
逻辑门是实现不同逻辑运算的基本单元，包括与门、或门、非门等。
触发器用于存储和传递信号，在时钟信号的控制下进行状态变化。
二、数字电路的组成和工作原理数字电路由多个逻辑门和触发器等元件组成，通过它们的连接和相互作用实现特定的功能。
逻辑门根据输入信号的逻辑值进行逻辑运算，最终产生输出信号。
触发器用于存储和传递信号，其状态随时钟信号的变化而改变。
数字电路的工作原理是基于信号的逻辑运算和状态的变化，通过适当的电路连接和时序控制实现不同的功能。
三、数字电路的逻辑设计方法数字电路的逻辑设计是指根据特定的功能需求，选择适当的逻辑门和触发器进行电路设计和连接。
逻辑设计的基本步骤包括功能定义、真值表的编制、逻辑方程的推导、电路的化简和时序控制的设计等。
逻辑设计要求准确、简洁、可靠，通过合理的电路设计使系统达到预期的功能。
四、数字电路的应用领域数字电路广泛应用于计算机、通信、嵌入式系统等领域。
在计算机中，各种数字电路协同工作，实现数据的处理和存储。
在通信系统中，数字电路用于数据的传输和编解码。
在嵌入式系统中，数字电路被用于控制和驱动各个外设，实现系统的功能。
总结：数字电路与逻辑设计是现代电子技术领域的重要基础知识。
它不仅是计算机、通信和嵌入式系统等领域的核心，也是电子工程师必备的技能。
数字电路通过逻辑门和触发器等基本元器件的组合和连接，实现了信号的处理和传输。
合理的逻辑设计方法可以确保数字电路的功能准确、可靠。
数字逻辑与电路设计
数字逻辑与电路设计数字逻辑与电路设计是计算机科学与工程领域中的重要基础学科，它涉及到计算机中数字信号的处理与传输，以及数字电路的设计与实现。
在如今信息技术高速发展的时代，数字逻辑与电路设计的知识变得尤为重要。
本文将介绍数字逻辑与电路设计的基本概念、应用领域以及设计流程。
一、数字逻辑的基本概念数字逻辑是计算机中用来处理和运算二进制信号的逻辑系统。
它以0和1来表示逻辑状态，通过与、或、非等逻辑门实现逻辑运算。
这些逻辑门可以组合成复杂的逻辑电路，实现各种数字运算、逻辑运算和控制功能。
数字逻辑中的基本元素包括逻辑门、触发器、计数器等。
逻辑门用来进行逻辑运算，包括与门、或门、非门等；触发器用来存储和传输数据，包括D触发器、JK触发器等；计数器用来计数和产生时序信号。
二、数字电路的应用领域数字电路广泛应用于计算机、通信、控制等领域，它是现代电子设备中的核心组成部分。
以下是数字电路在不同领域的几个典型应用：1. 计算机：数字电路在计算机中起到控制和运算的作用。
计算机的中央处理器、存储器、输入输出接口等都是由数字电路组成的。
2. 通信：数字电路在通信系统中负责信号的编码、解码和传输。
例如调制解调器、数字信号处理器等都是数字电路的应用。
3. 控制：数字电路用于各种自动控制系统。
例如数字控制器、工业自动化设备等都需要数字电路进行控制。
4. 显示：数字电路在显示技术中起到关键作用。
例如数码管、液晶显示屏等都是数字电路驱动的。
三、数字电路的设计流程数字电路的设计包括设计规格、逻辑设计、电路设计和验证等步骤。
下面是一个典型的数字电路设计流程：1. 设计规格：明确设计的需求和规范，包括功能要求、性能要求等。
2. 逻辑设计：根据设计规格，利用逻辑门和触发器等基本元件进行逻辑电路的设计。
可以使用逻辑图、真值表、状态转换图等进行描述和分析。
3. 电路设计：在逻辑设计的基础上，将逻辑电路转换为电路图。
选择适当的电子元件，进行连线和布局等。
王毓银 数字电路逻辑设计
王毓银数字电路逻辑设计
《数字电路逻辑设计》是王毓银编著的普通高等教育“十一五”国家级规划教材，全书共分为 10 章，主要内容包括数字逻辑基础、逻辑门电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路、半导体存储器和可编程逻辑器件、硬件描述语言、脉冲波形的产生与变换、数模和模数转换器、数字系统设计等。
本书以数字逻辑电路的设计为主线，突出了中大规模集成电路在数字系统设计中的重要地位，在内容取舍和编排上进行了新的尝试，将数字逻辑基础知识、中大规模集成电路的原理及应用与数字系统设计有机地结合在一起，使读者能够建立系统的概念。
本书可作为高等院校电气信息类、仪器仪表类、电子信息科学类等专业“数字电路”课程的教材，也可供相关工程技术人员参考。
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为0 。（作为对下级编码器的允许控制）
（4）逻辑符号（注意信号极性的表示方法）
（5）扩展举例 由两片8线—3线编码器扩展为16线—4线编码器
应用举例：
一个呼叫请求控制器，有N条输入线，连接N 个按键，请求有优先级。有唯一按键时，输出其 对应编码；有多键同时按下时，输出优先级最高 者的编码。
数字电路逻辑设计
第四章 组合逻辑电路
•
完成逻辑功能的电路称为逻辑电路，它可以分为两
大类：组合逻辑电路和时序逻辑电路。
•
组合逻辑电路的特点是没有记忆，当前的输出只与
当前的输入有关，与以前的历史无关（相比之下，时序
电路当前的状态就与现在和过去都有关）。
• 我们有时为解决逻辑问题，要设计一种专用的组合 电
• 路，对一些被广泛使用的经典组合电路我们可以采用拿 来主义，不必重新设计， 如：编码器、译码器、数据
选择器 / 分配器等。
• 本章分为两大部分：
•
对给定电路——分析，对实现逻辑关系——设计。
第一节 路图上的连接，转化 为易于归纳的形式，进而了解电路的功能。
首先看一下逻辑电路图：
（1）写出表达式： 为简化分析，我们先把 ST 输入分析后排除。ST 信 号高电平时起决定性作用，将所有门电路封锁，所有输 出全为 1 。当ST= 0 时，对电路没有影响，正常工作。 下面我们假设允许芯片工作，ST = 0 ，ST=1。 由图 Y2 = IN7 + IN6 + IN5 +IN4
分析步骤如下： （1）从输入向输出逐级推导，得到最终的输出表达式。
（在这个过程中，有时可以设几个中间变量） （2）表达式化简。 （3）由逻辑表达式列出真值表。 （4）由真值表（简单逻辑可直接由表达式）概括出逻 辑功能。 （这一步较难）
例如：分析下列电路的逻辑功能。
逻辑电路分析举例： （1）逐级推导表达式
（1）为便于分析，设中间变量、 和
(2) 列出真值表
规律：输入有奇数个1时，F=1；输入有两个或以上1，CO=1。
（3）归纳逻辑功能 归纳功能是比较难的，需要积累经验。本例第一步要 总结出奇数个1，两个以上1这样的规律，然后再联想出全 加器：A和B是被加数、加数，CI是低位进位，F是本位 的和，CO是向高位的进位。
A、逐位进位加法器
逐位进位加法器各位之间采用串联结构，特点是： 电路简单，工作速度慢！
B、超前进位加法器 从低位向高位逐次进位，是我们熟悉的计算方法， 它的速度慢。其实，经过公式推导（见书P222）我们 发现： 每一位的进位值只与被加数、加数及最低位进位 有关。而被加数、加数及最低位进位在计算开始前就 确定了，因此可以同步地计算各位的最终取值，大大 缩短计算时间。
当任一允许端无效时，译码器不工作，输出线全为高。 当所有允许端均有效时，译码器工作：对任一个二进 制码输入，有唯一的一条输出线为低电平，其他输出端 均为高电平。（输出线下标号=二进制码值）
L = A/B/C + /AB/C + /A/BC + ABC （2）表达式化简（本例已是最简）。 （3）列出真值表。
三 位 奇 数 检 验 器
（4）经过总结归纳：输入中有奇数个1时，输出为1
以下我们结合一些常用组合逻辑电路，边学习典型 电路，边熟悉分析过程。
一、全加器 所谓全加器，是指具有从低位进位、向高位进位功 能的加法器。如果不考虑低位进位，则称位半加器。 （ 与全加器对应的还有全减器、半减器。） 下面我们分析一位全加器电路。
使用一个优先编码器，就可以满足这一电路 。
三、译码器 译码器的工作过程与编码器相反，它将二进制编码
翻译成不同的硬件输出组合。
例如： 一个2线—4线译码器 电路如图：
（1）写出表达式 太简单，不写了 （2）列出真值表
（3）总结、归纳 通常 M 线—N线二进制译码器，满足 N=2M关系，
M位二进制码输入，N条译码线输出。另有若干译码允 许端（高或低电平有效）。
如果不事先说出分析的是全加器，可能不一定会想 到是加法器这类的东西。目前，我们要求能够从真值表 归纳出表面的逻辑规律，如：输入有奇数个 1 时，输出 为1。
与全加器对应的还有全减器，即带低位借位，向高位 借位的减法器。实验课将要求设计。
（4）多位加法器 由多个一位全加器可以构成多位加法器。构成的方法 有两种：
（2）列出真值表
（3）分析、总结、归纳
从输入分析： • /ST为1，任何输入均不被编码；/ST为0，允许编码。 • 输入低电平有效，同时有多个低电平输入时，对最高 下标号输入编码。
从输出分析： • 允许编码时，Y0、Y1、Y2给出编码的三位二进制值。 • YEX=YS=1， 编码器不工作。 • YEX=1，YS=0， 编码器工作，但无有效输入。 • YEX=0，YS=1， 编码器工作，已对有效输入编码。
二、编码器 把二进制码按一定规律编排，为每组代码赋予特定 的含义，这一过程叫编码。具有编码功能的电路叫编码器 。
例如：8421码就是一种编码，它按自然二进制的取值 为“0”~“9”阿拉伯数字编码。
又如：键盘每个键的键值码，ASCII码等。
下面我们要讲的编码器是8线—3线优先编码器。 它有8个输入端，有三个编码输出，还有编码允许端，辅 助输出端。
超前进位加法器的特点是：电路复杂，速度很快！ 74XX283是4位超前进位加法器集成电路。 4位超前进位加法器的内部逻辑图如下：
由图可见： 电路较复杂，这是
为追求速度付出的代价。 其实电路很有规律，
每位都有相同的四级。 由于每位只需考虑
本级和低位各级，所 以位数越高，电路越 繁。
位数增加，电路复 杂，但延迟时间不增 加。这是超前进位的 特点。 （全加器的逻辑符号见书）
Y2 = IN7 • IN6 • IN5 • IN4
Y1 = IN7 • IN6 • （IN5+IN4+IN3） • （IN5+IN4+IN2）
Y0 =IN7 • （IN6+IN5） • （IN6+IN4+IN3） • （IN6+ IN4 + IN2 + IN1） 从表达式看不出任何规律，还要作真值表。