数字逻辑设计课件-第3章-集成逻辑门电路
数字逻辑电路与系统设计课件
用于计数和控制时序，常用于实现定时器和分频器。
移位器
用于二进制数据的移位操作，常用于数据格式化和数据传输。
顺序脉冲发生器
用于产生一定规律的顺序脉冲信号，常用于控制电路的工作流程。
04
数字系统设计
数字系统概述
数字系统的基本概念
数字系统是指使用离散的二进制数字信号进行信息处理的系统。它主要由逻辑 门电路、触发器、寄存器、加法器等基本元件组成，具有精度高、稳定性好、 易于大规模集成等优点。
实现逻辑功能
根据状态转换图，实现相应的 逻辑功能。
确定设计目标
明确设计时序逻辑电路的目的 和要求，如实现特定的功能、 达到一定的性能指标等。
设计状态转换图
根据设计要求，设计状态转换 图，确定状态和输出。
验证设计
通过仿真或实验验证设计的正 确性和可行性。
常用时序逻辑电路
寄存器
用于存储二进制数据，常用于数据传输和数据处理。
集成化和智能化技术的发展，为数字 系统的设计带来了新的机遇和挑战。
数字系统的智能化是当前的一个重要 趋势，它使得数字系统能够具有更强 的自适应性、智能性和灵活性。
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分析输入和输出信号的逻辑关系，确定电路的功 能。
真值表和逻辑表达式
通过列出所有输入组合和对应的输出值，得到真 值表，并根据真值表推导出逻辑表达式。
3
逻辑功能描述
根据逻辑表达式或真值表，描述组合逻辑电路的 逻辑功能。
组合逻辑电路的设计
明确设计要求：确定输入和 输出信号，以及电路要实现 的功能。
根据功能要求，逐一确定每 个输入组合对应的输出值。
自底向上的设计方法
数字逻辑与数字集成电路第2版
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06
平均无故障时间、平均修复时间、可用性等，这些指标用于衡量数字系统的可靠性水平。
采用冗余设计、容错技术、故障检测与恢复机制等手段，提高数字系统的可靠性，确保系统稳定运行。
设计方法
可靠性指标
故障诊断
通过监控系统的运行状态、分析异常数据等方式，快速定位故障原因，为故障排除提供依据。
详细描述
总结词
可编程逻辑器件是一种可以通过编程实现各种数字逻辑功能的集成电路。
详细描述
可编程逻辑器件是一种可以通过编程实现各种数字逻辑功能的集成电路。它由可编程的逻辑门电路组成，用户可以通过编程来配置这些门电路的连接和参数，从而实现所需的数字逻辑功能。常见的可编程逻辑器件包括可编程逻辑阵列（PLA）、可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）等。由于其灵活性高、可重复编程的特点，可编程逻辑器件被广泛应用于数字系统设计、数字信号处理和嵌入式系统等领域。
数字系统设计
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03
将数字系统设计分为逻辑抽象、功能抽象和行为抽象三个层次，以便更好地理解和设计复杂的数字系统。
抽象化设计
从系统总体功能和行为出发，逐步细化设计，直至完成每个最小单元的设计。
自顶向下设计
将复杂的数字系统划分为若干个相对独立、功能明确的模块，便于设计、调试和维护。
模块化设计
数字逻辑与数字集成电路第2版
contents
目录
数字逻辑基础数字电路基础数字系统设计数字信号处理数字通信与网络数字系统安全与可靠性
数字逻辑基础
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01
03
逻辑表达式的化简
通过逻辑代数的基本定理和运算规则，将复杂的逻辑表达式化简为简单的形式，便于分析和理解。
数字逻辑教学课件数字电路
加密解密：数字电路可以用于实 现加密解密，保护通信内容的安 全性。
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调制解调：数字电路可以用于调 制解调，将数字信号转换为模拟 信号，或者将模拟信号转换为数 字信号。
数字滤波：数字电路可以用于实 现数字滤波，对通信信号进行滤 波处理，提高信号质运算功能，如与、 或、非等。
组合逻辑电路的设计方法
列出真值表 写出逻辑表达式 画出逻辑图 进行仿真验证
组合逻辑电路的分析方法
列出逻辑表达式
计算逻辑表达式的值
根据逻辑表达式画出逻辑图
分析逻辑电路的功能
05
时序逻辑电路
时序逻辑电路的基本概念
时序逻辑电路的组成和功能
时序逻辑电路的定义和特点
确定故障部位。
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数字电路的故障排除方法
观察法：通过观察电路 板上的元件是否有明显 的损坏或异常现象，如 烧焦、断裂、变色等， 以初步判断故障部位。
电阻法：通过测量电路 板上的元件阻值，判断 元件是否正常，如电阻、
电容等。
电压法：通过测量电路 板上的关键点电压，判 断电路是否正常工作， 如电源电压、芯片输入
输出电压等。
波形法：通过示波器等 仪器测量电路中的信号 波形，判断电路是否正 常工作，如时钟信号、
数据传输信号等。
替换法：通过替换可疑 元件或集成电路，判断 故障部位，以排除故障。
隔离法：通过断开部分 电路或连接线，缩小故 障范围，以确定故障部
位。
逻辑分析法：通过分析 数字电路的逻辑关系和 工作原理，结合故障现 象进行推理和分析，以
时序逻辑电路的分析方法和 步骤
第3章 逻辑门
内容提要：
本章主要讲述数字电路的基本逻辑单元－－门电 路，有TTL逻辑门、MOS逻辑门。在讨论半导体二极 管和三极管及场效应管的开关特性基础上，讲解它们 的电路结构、工作原理、逻辑功能、电器特性等等， 为以后的学习及实际使用打下必要的基础。本章重点 讨论TTL门电路和CMOS门电路。
VGS (TH ) N VI VDD VGS (TH ) P
两个管子同时导通时的功耗
PT。
电容充放电的功耗为
PC CL f V DD
2
其中：CL－负载电容
f－输入信号的频率 VDD－漏极电源电压
两个管子同时导通时的功耗PT为
2 PT VDD I TAV CPD f V DD
单开关电路功耗较大，目前出现互补开关电路 （如CMOS门电路），即用一个管子代替图3.1.2中的电 阻，如图3.1.3所示
Vcc S1
输 入v I 信 号 输 vo 出 信 号
S2
图3.1.3 互补开关电路
图3.1.2高低电平实现原理电路
Vcc
互补开关电路的原理为 开关S1和S2受同一输入 信号vI的控制，而且导通和 断开的状态相反。当S1闭合 时，S2断开，输出为高电平 “1”；相反当S1断开时，S2 闭合，输出为高电平“0”。
图3.3.17 输出为低电平时的电路
2.高电平输出特性 在输入为低电平，即 vI＝VIL＝0时，此时T1导通， T2截止，如图3.3.18所示，电流从T1管流出到负载，输 出电压VOH＝VDD－IOHRON1随电流增加而下降。
电流的实际方向与所 设方向相反
图3.3.18 输出为高电平时的电路
3.2.3 CMOS反相器的动态特性
AB段：输入低电平
数字逻辑电路教案公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件
N O IOLmax /IIL
其中IOLmax为最大允许灌电流，,IIL是一个负载 门灌入本级电流（≈1.4mA）。No越大，阐明 门负载能力越强
返回
第18页
• 平均传播延迟时间tpd
导通延迟时间tPH：L输入波形上升沿50%幅值处到输 出波形下降沿50% 幅值处所需要时间，
截止延迟时间tPLH：从输 入波形下降沿50% 幅值
10
输出高电平
电路 “与非”逻辑功效：F A • B
注：增长扇入，只增长串联驱动管
11
个数，但扇入不宜过多，普通 串联
通通
返回 第37页
• CMOS反相器
工作原理： 电源电压VDD＞VT1+|VT2|，VDD |1VV、GG衬SS12输＜|底入V＞与T1为V漏T2低源电间合VV平TTP12T用NT--V1结2--管导I范NPL始MM截通=围OO终SS止0较启启V处；时大动动于可电电反压压在偏3，～18V， 电N路MO中S管电衬流底近总似是为接零到（电忽路略最T低1截电 止位漏，电P流MO）S管,衬VDD底主总要是降接落到在电T路1上最， 输高出电为位高电平VOH≈VDD 2T输、1通出输T为入2止低为，电高平V电DDV主O平L≈要VI0H降V。=在VTD2D上时柵做，，输极入相端连
2、A输入低电平V IL = 0.3V时， T1截止T2导通，电路输出 高电平VOH = VDD - VT2 = 8V。
电路执行逻辑非功效
工作管
返回 第36页
• NMOS与非门
工作原理：
1、当两个输入端A和B均为高电平时
T1和T2都导通，输出低电平
2、当输出端有一个为低电平时，
与低电平相连驱动管就截止，
吉大数电课件 仪电学院
杨泓渊
主讲教师：杨泓渊 YangHongYuan
仪器科学与电气工程学院 地质宫518 联系电话：88502797 EMAIL： yang_hy@
课程概述 课程在本专业所处的位置、与其他课程的 关系。 课程特征与学习方式、方法 考核（加权计算方式） 期末考试60分，平时分：40（考勤、提问 、作业、期中测试）。
思考题
1. 对于一个二进制数00 110010.00100100, 在自然二进制数，8421BCD码， 5421BCD码，2421BCD码，余3码，余3 循环码6种情况下，表示的数值各为多少？ 2. 要用二进制数来表示英文中的26个字母， 在不区分大小写的情况下，至少要用多少 位？若区分大小写呢？ 3. 格雷码有什么特点？
b 6 b 5 b 4 b3 b 2 b1 b0 7位码：
ASICII码表
1-3-3 可靠性编码
作用: 提高系统的可靠性。 为了减少或者发现代码在形成和传送过程中 可能发生的错误。 格雷码 奇偶校验码
汉明码
循环冗余码
• 格雷码 1.特点：任意两个相邻的数，其格雷码仅 有一位不同。 2.作用：避免代码形成或者变换过程中产 生的错误。
二进制的缺点：
数的位数太长且字符单调，使得书写、记 忆和阅读不方便。
Ⅱ．十六进制
基数R=16的进位计数制称为十六进制。 十六进制数中的基本计数符号有： 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F。 进位规律是‚逢十六进一‛。 位权是十六的整数次幂。
十六进制数用途： 表示和记录二进制数。
• 余3BCD码 （1）无权码。每个字符编码比相应的 8421BCD码多3。 （2）不允许出现0000~0010和1101~1111六种 组合。（无字符对应） （3）自补码：对9自补 （4）余3码相加：有进位加3，无进位减3 与十进制数的相互转换：按位转换 与二进制数的不同
电子技术基础数字部分第六版康华光逻辑门电路共节课件
逻辑门电路是数字电路中的基本单元，它能够实现逻辑运算，即根据输入信号的状态，决定输出信号 的状态。逻辑门电路通常由晶体管等电子元件构成，通过组合不同的逻辑门电路，可以实现复杂的逻 辑功能。
逻辑门电路的基本功能
总结词
逻辑门电路的基本功能是根据输入信号的状态，决定输出信号的状态。具体来说，与门能够实现逻辑与运算，或 门能够实现逻辑或运算，非门能够实现逻辑非运算等。
电子技术基础数字部分第六版康 华光逻辑门电路课件
• 逻辑门电路的原理与结构 • 逻辑门电路的应用 • 逻辑门电路的实验与实践 • 逻辑门电路的常见问题与解决方案
01
逻辑门电路概述
逻辑门电路的定义与分类
总结词
逻辑门电路是实现逻辑运算的电路，能够根据输入信号的状态，决定输出信号的状态。根据功能不同， 逻辑门电路可以分为与门、或门、非门、与非门、或非门等。
采取有效的噪声抑制措施，如加入去 耦电容等，以减小噪声对逻辑门电路 性能的影响。
逻辑门电路的应用前景与展望
嵌入式系统领域
随着嵌入式系统的发展，逻辑门电路在其 中的应用将更加广泛，特别是在控制、信
号处理等方面。
人工智能领域
人工智能技术的快速发展对逻辑门电路提 出了更高的要求，其在算法实现、数据处
理等方面将发挥重要作用。
高速通信领域
在高速通信领域，逻辑门电路在信号调制、 解调等方面具有重要应用，未来随着通信 技术的发展，其需求也将持续增长。
绿色能源领域
随着绿色能源技术的推广，逻辑门电路在 太阳能逆变器、风能控制系统等领域的应 用也将得到进一步拓展。
THANK YOU
感谢各位观看
05
逻辑门电路的常见问题与解决方案
逻辑门电路的常见故障与排除方法
第三章组合逻辑电路 (1)
第三章组合逻辑电路一、概述1、概念逻辑电路分为两大类：组合逻辑电路和时序逻辑电路数字逻辑电路中，当其任意时刻稳定输出仅取决于该时刻的输入变量的取值，而与过去的输出状态无关，则称该电路为组合逻辑电路，简称组合电路2、组合逻辑电路的方框图和特点（1）方框图和输出函数表达式P63输出变量只与当前输入变量有关，无输出端到输入端的信号反馈网络，即组合电路无记忆性，上一次输出不对下一次输出造成影响3、组合逻辑电路逻辑功能表示方法有输出函数表达式、逻辑电路图、真值表、卡诺图4、组合逻辑电路的分类（1）按功能分类常用的有加法器、比较器、编码器、译码器等（2）按门电路类型分类有TTL、CMOS（3）按集成度分类小、中、大、超大规模集成电路二、组合逻辑电路的分析方法 由电路图---电路功能 1、分析步骤（1）分析输入输出变量、写出逻辑表达式 （2）化简逻辑表达式 （3）列出真值表（4）根据真值表说明逻辑电路的功能 例：分析下图逻辑功能第一步：Y=A ⊕B ⊕C ⊕D 第二步： 第三步：A B C D Y 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 10 0 0 1=1=1=1CDY1 0 0 1 01 0 1 0 01 0 1 1 11 1 0 0 01 1 0 1 11 1 1 0 11 1 1 1 0第四步：即0和1出现的个数不为偶则输出1，奇偶个数的检验器三、组合逻辑电路的设计方法1、概念根据要求，最终画出组合逻辑电路图，称为设计2、步骤（1）确定输入输出变量个数（2）输入输出变量的状态与逻辑0或1对应（3）列真值表（4）根据真值表写出输出变量的逻辑表达式（5）对逻辑表达式化简，写出最简逻辑表达式（6）根据逻辑表达式，画出逻辑电路图例：三部雷达A、B、C, 雷达A、B的功率相等，雷达C是它们的两倍，发电机X最大输出功率等于A的功率，发电机Y输出功率等于A与C的功率之和，设计一个组合逻辑电路，根据雷达启停信号以最省电的方式开关发电机第一步：输入变量3个，输出变量2个第二步：雷达启动为1、发电机发电状态为1第三步：A B C X Y0 0 0 0 00 0 1 0 10 1 0 1 00 1 1 0 11 0 0 1 01 0 1 0 11 1 0 0 11 1 1 1 1第四步：卡诺图化简第五步：写逻辑表达式第六步：画逻辑电路图四、常用中规模标准组合模块电路一些常用的组合逻辑电路，如编码器、译码器、加法器等制成中规模电路，称为中规模标准组合模块电路1、半加器进行两个1位二进制数相加的加法电路称为半加器，如图3-11所示真值表如下：A B S C0 0 0 00 1 1 01 0 1 01 1 0 1根据真值表，写出逻辑表达式如下：S=AB+AB=A⊕BC=AB2、全加器即带低位上产生的进位的加法器真值表如下：A iB iC i-1S i C i0 0 0 0 00 0 1 1 00 1 0 1 00 1 1 0 11 0 0 1 01 0 1 0 11 1 0 0 11 1 1 1 1根据真值表，卡诺图化简后写出逻辑表达式如下：S i=A i⊕B i⊕C i-1C i=A i B i+C i-1(A i⊕B i)（为便于实现）根据逻辑表达式，画出电路图如图3-13所示3、加法器可以实现多位二进制数加法的电路（1）串行进位加法器低位全加器的进位输出端连到高位全加器的进位输入端，如图3-3所示（2）超前进位加法器C i=A i B i+C i-1(A i⊕B i)= A i B i+C i-1(A i B i+ A i B i）= A i B i C i-1+A i B i C i-1 +A i B i C i-1+ A i B i C i-1=A i B i+ B i C i-1+ A i C i-1= A i B i+C i-1（A i+B i）令P i=A i+B i，称P i为第i位的进位传输项，令G i=A i B i,称G i 为第i位的进位产生项，则第0位的进位为C0=G0+P0C-1,第1位的进位为C1=G1+P1 C0, C0带入C1，消去C0，得C1=G1+P1（G0+P0 C-1），同理，得C2= G2+P2（G1+ P1（G0+P0 C-1）），，C3= G3+ P3（G2+ P2（G1+P1（G0+P0 C-1））），即知道相加的二进制数的各位和最低位进位就可以超前确定进位，提高了速度，如图3-4所示4、乘法器完成两个二进制乘法运算的电路（1）乘法器P85（2）并行乘法器P855、数值比较器比较二进制数大小，输入信号是要比较的数，输出为比较结果（1）1位数值比较器A B M G L0 0 0 1 00 1 1 0 01 0 0 0 11 1 0 1 0M=ABG=AB+AB= AB+AB（便于逻辑实现）L=AB逻辑电路图如图3-5所示（2）4位数值比较器多位二进制数比较大小，先看最高位情况，如相等再看次高位情况，以此类推4位比较器为例，8个输入端（A3A2A1A0，B3B2B1B0），三个输出端（L，G，M）A>B，则A3>B3，或A3=B3且A2>B2，或A3=B3，A2=B2，A1>B1，或A3=B3，A2=B2，A1=B1，A0>B0设定AB的第i位比较结果为L i=A i B i，G i=A i B i+A i B i，M i=A i B i，则L=L3+G3L2+G3G2L1+G3G2G1L0同理, A=B 时，G=G3G2G1G0，A<B时，M=M3+G3M2+G3G2M1+G3G2G1M0,因A不大于也不等于B时即小于B，故M=LG=L+G（便于逻辑实现）逻辑电路图如P87图3-18所示（3）集成数值比较器4位数值比较器封装在芯片中，构成4位集成数值比较器，74ls85真值表如图3-6所示考虑到级联，增加了级联输入端（更低位的比较结果），级联时，如构成8位数值比较器，低四位比较结果为高四位数值比较器的级联输入端，而低四位的级联输入端应结为相等的情况（010），74ls85级联如图3-7所示cc14585真值表如图3-8所示，cc14585级联如图3-9所示6、编码器将输入信号用二进制编码形式输出的器件，若有N个输入信号，假设最少输出编码位数为m位，则2m-1<N<2m（1）二进制编码器以2位输出编码为例输入输出I0I1I2I3Y1Y01 0 0 0 0 00 1 0 0 0 10 0 1 0 1 00 0 0 1 1 1故Y1=I2+I3，Y0=I1+I3逻辑电路图如P89图3-22所示但当不止一个输入端有编码要求时该电路不能解决问题（2）二进制优先编码器3位二进制优先编码器为例8个输入端为I0~I7，输出端为Y2~Y1,假设I7的编码优先级最高，则对应真值表为：输入输出I0I1I2I3I4I5I6I7Y2Y1Y0×××××××0 0 0 0 ××××××0 1 0 0 1 ×××××0 110 1 0 ××××0 1110 1 1 ×××0 1111 1 0 0 ××0 11111 1 0 1 ×0 111111 1 1 0 0 1111111 1 1 1 “×”为任意值根据真值表，列出逻辑表达式如P90所示，逻辑图过于麻烦，略以上为低电平有效的情况，高电平有效真值表如图3-10所示，得A2=I4+I5+I6+I7,A1=I2+I3+I6+I7，A0=I1+I3+I5+I7, 逻辑图便于实现（3）8线-3线编码器74ls148编码器图形符号如图3-11所示，真值表如图3-12所示74ls148编码器级联，注意控制信号线的连接，级联图如图3-13所示选通信号有效，当高位芯片输入不全为1时，选通输出端为1，低位芯片不工作且二进制反码输出端为1，与门受高位芯片二进制反码输出端影响，扩展输出端为0，作为A3，根据输入情况不同，得编码0000~0111；选通信号有效，当高位芯片输入全为1时，高位芯片不工作，选通输出信号为0，低位芯片工作，高位芯片扩展输出端为1，作为A3，高位芯片二进制反码输出端全1，与门受低位芯片二进制反码输出端影响，根据输入情况不同，得编码1000~1111，即实现16线-4线编码器功能（4）9线-4线编码器74ls147编码器图形符号、真值表如图3-14所示注意，其输出对应十进制数的8421BCD码的反码（5）码组变换器将输入的一种编码转换为另一种编码的电路参见P92例3-5原理：加0011和加1011的原因7、译码器译码是编码的逆过程，将二进制代码转换成相应十进制数输出的电路（1）3线-8线译码器真值表如图3-15所示逻辑表达式如下：Y0=CBA、Y1=CBA……Y6=CBA、Y7=CBA（2）集成3线-8线译码器74LS138译码器符号如图3-16所示，真值表如图3-17所示注意三个选通信号，在级联时的作用，级联如图3-18所示74LS138译码器典型应用如图3-19所示（3）集成4线-10线译码器74LS42符号如图3-20所示，真值表如图3-21所示逻辑表达式如图3-22所示（4）显示译码器是用来驱动显示器件的译码器（A）LED数码管电能---光能（发光二极管构成）具有共阴极和共阳极两种接法，如图3-23所示，注意非公共端连接高电平或低电平时要串接限流电阻（B）显示译码器74LS47（驱动LED为共阳极接法的电路，驱动共阴极要用74LS48）引脚图如图3-24所示，真值表如图3-25所示要具有一定的带灌电流负载能力才能驱动LED相应段发光，显示效果如P99图3-35所示附加控制端用于扩展电路功能：灯测试输入LT：全亮灭零输入RBI：将不需要的“0”不显示以使得要显示的数据更醒目灭灯输入\灭零输入BI\RBO:作为输入使用，一旦为0则灯灭。