数字逻辑与数字系统,逻辑门电路讲解.
数字逻辑电路基础知识整理
数字逻辑电路基础知识整理数字逻辑电路是电子数字系统中的基础组成部分，用于处理和操作数字信号。
它由基本的逻辑门和各种组合和顺序逻辑电路组成，可以实现各种功能，例如加法、减法、乘法、除法、逻辑运算等。
下面是数字逻辑电路的一些基础知识整理：1. 逻辑门：逻辑门是数字逻辑电路的基本组成单元，它根据输入信号的逻辑值进行逻辑运算，并生成输出信号。
常见的逻辑门包括与门、或门、非门、异或门等。
2. 真值表：真值表是描述逻辑门输出信号与输入信号之间关系的表格，它列出了逻辑门的所有输入和输出可能的组合，以及对应的逻辑值。
3. 逻辑函数：逻辑函数是描述逻辑门输入和输出信号之间关系的数学表达式，可以用来表示逻辑门的操作规则。
常见的逻辑函数有与函数、或函数、非函数、异或函数等。
4. 组合逻辑电路：组合逻辑电路由多个逻辑门组合而成，其输出信号仅取决于当前的输入信号。
通过适当的连接和布线，可以实现各种逻辑操作，如加法器、多路选择器、比较器等。
5. 顺序逻辑电路：顺序逻辑电路由组合逻辑电路和触发器组成，其输出信号不仅取决于当前的输入信号，还取决于之前的输入信号和系统状态。
顺序逻辑电路可用于存储和处理信息，并实现更复杂的功能，如计数器、移位寄存器、有限状态机等。
6. 编码器和解码器：编码器将多个输入信号转换成对应的二进制编码输出信号，解码器则将二进制编码输入信号转换成对应的输出信号。
编码器和解码器可用于信号编码和解码，数据传输和控制等应用。
7. 数字信号表示：数字信号可以用二进制表示，其中0和1分别表示低电平和高电平。
数字信号可以是一个比特（bit），表示一个二进制位；也可以是一个字（word），表示多个二进制位。
8. 布尔代数：布尔代数是逻辑电路设计的数学基础，它通过符号和运算规则描述了逻辑门的操作。
布尔代数包括与、或、非、异或等基本运算，以及与运算律、或运算律、分配律等运算规则。
总的来说，数字逻辑电路是由逻辑门和各种组合和顺序逻辑电路组成的，它可以实现各种基本逻辑运算和数字信号处理。
数电 第1章 数字逻辑电路基础
两类信号: 模拟信号;数字信号. 在时间上和幅值上均连续 的信号称为模拟信号; 在时间上和幅值上均离散 的信号称为数字信号.
处理数字信号的电路称为数字电路.
数字电路特点:
1) 工作信号是二进制表示的二值信号(具有“0”和“1”
两种取值);
2) 电路中器件工作于“开”和“关”两种状态,电路的输
与逻辑电路
若将开关断开和灯的熄灭状态用逻辑量“0”表示;将开关 合上和灯亮的状态用逻辑量“1”表示,则上述状态表可表 示为:
A 0 0 1 1 与逻辑真值表 B F=A ·B 0 1 0 1 0 0 0 1
A B
&
F=AB
与门逻辑符号
与门的逻辑功能概括： 1）有“0”出“0”； 2）全“1”出“1”。
非逻辑电路
•
与门和或门均可以有多个输入端.
1.3.2
复合逻辑运算
1. 与非逻辑 (将与逻辑和非逻辑组合而成)
与非逻辑真值表 B F=A ·B 0 1 0 1 1 1 1 0
A 0 0 1 1
A
&
B
F=AB
与非门逻辑符号
2. 或非逻辑 (将或逻辑和非逻辑组合而成)
A 0 0 1 1 或非逻辑真值表 B F=A +B
表示二进制数的方法有三种，即原码、反码和补码
符号位(+)
真实二进制数
B6 B 5 B4 B3 B2 B1 B0 1 0 1 0 0 1 1 =－4510
符号位(－)
补码
用补码系统表示有符号数
1.3.3
+9 +4
补码系统中的加法
0 1001 (被加数) 0 0100 (加数) 0 1101 (和=+13)
数字逻辑应用与设计知识点
数字逻辑应用与设计知识点数字逻辑应用与设计是计算机科学与工程领域的重要基础知识，它涉及到数字电路的设计、逻辑分析与应用等方面。
本文将从以下几个方面对数字逻辑应用与设计的相关知识点进行探讨。
一、数字逻辑基础知识1. 二进制与十进制：介绍二进制与十进制数制的互相转换方法，以及其在计算机中的应用。
2. 逻辑门与布尔代数：介绍逻辑门的种类与功能，并引出与逻辑门相关的布尔代数的基本规则。
3. 组合逻辑电路：讲解组合逻辑电路的设计原理、常用的逻辑门电路，以及组合逻辑电路的应用。
二、数字逻辑应用1. 编码器与解码器：介绍编码器与解码器的基本原理、种类及其应用场景。
2. 多路选择器与复用器：讲解多路选择器与复用器的基本概念、操作方式及其在电路设计中的应用。
3. 加法器与减法器：讲解全加器和全减器的结构和实现方法，并介绍加法器和减法器的级联应用。
4. 移位寄存器与计数器：介绍移位寄存器和计数器的基本原理，以及它们在数字系统中的应用。
三、数字逻辑设计1. Karnaugh图：简要介绍Karnaugh图及其在逻辑函数化简中的应用方法。
2. 时序逻辑与状态机：讲解时序逻辑电路的基本概念，引出状态机的概念和分类，并举例说明其应用。
3. 存储器与寄存器：介绍存储器的基本结构、存储方式，以及常用的寄存器类型。
4. 控制器设计：讲解控制器的设计原理与方法，引入基本的有限状态机的设计流程。
综上所述，数字逻辑应用与设计的知识点包括数字逻辑基础、数字逻辑应用和数字逻辑设计等方面。
它们是计算机科学与工程领域中不可或缺的基础知识，对于深入理解计算机原理和设计具有重要意义。
通过学习与应用这些知识点，我们可以更好地理解数字电路的工作原理，为计算机系统的设计与优化提供有力支持。
《数字逻辑教案》
《数字逻辑教案》word版一、教学目标：1. 让学生了解数字逻辑的基本概念和原理。
2. 培养学生运用数字逻辑分析和解决问题的能力。
3. 引导学生掌握数字逻辑的基本运算和设计方法。
二、教学内容：1. 数字逻辑的基本概念：数字逻辑电路、逻辑门、逻辑函数等。
2. 逻辑运算：与运算、或运算、非运算、异或运算等。
3. 逻辑门电路：与门、或门、非门、异或门等。
4. 数字逻辑电路的设计方法：组合逻辑电路、时序逻辑电路。
5. 数字逻辑电路的应用：数字计算器、数字存储器等。
三、教学方法：1. 讲授法：讲解数字逻辑的基本概念、原理和运算方法。
2. 实验法：让学生动手搭建逻辑门电路，加深对数字逻辑的理解。
3. 案例分析法：分析实际应用中的数字逻辑电路，提高学生解决问题的能力。
四、教学准备：1. 教材：《数字逻辑》2. 实验器材：逻辑门电路模块、导线、电源等。
3. 教学工具：PPT、黑板、粉笔等。
五、教学进程：1. 第1周：数字逻辑的基本概念和原理。
第2周：逻辑运算和逻辑门电路。
第3周：组合逻辑电路的设计方法。
第4周：时序逻辑电路的设计方法。
第5周：数字逻辑电路的应用案例。
2. 实验环节：在第3周和第4周结束后，安排一次实验课程，让学生动手搭建逻辑门电路，加深对数字逻辑的理解。
3. 课程总结：在第5周课程结束后，进行课程总结，回顾本门课程的主要内容，巩固所学知识。
4. 课程考核：期末进行课程考核，包括笔试和实验操作两部分，全面评估学生的学习效果。
六、教学评估：1. 课堂参与度评估：通过观察学生在课堂上的提问、回答和讨论情况，评估学生的参与度和兴趣。
2. 作业评估：通过检查学生的作业完成情况，评估学生对课堂所学知识的理解和掌握程度。
3. 实验报告评估：对学生实验报告的完整性、准确性和创新性进行评估，了解学生对实验内容的理解和应用能力。
4. 期末考试评估：通过期末考试的笔试和实验操作两部分，全面评估学生对数字逻辑知识的掌握程度和应用能力。
数字逻辑与数字集成电路第2版
CATALOGUE
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
CATALOGUE
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
CATALOGUE
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。
数字逻辑电路基础知识整理
数字逻辑电路基础知识整理数字逻辑电路是由离散的数字信号构成的电子电路系统，主要用于处理和操作数字信息。
它是计算机和其他数字系统的基础。
以下是一些数字逻辑电路的基础知识的整理：1. 逻辑门：逻辑门是数字电路的基本构建单元。
它们根据输入信号的逻辑关系生成输出信号。
常见的逻辑门有与门、或门、非门、异或门等。
其中，与门输出仅当所有输入都为1时才为1；或门输出仅当至少一个输入为1时才为1；非门将输入信号取反；异或门输出仅当输入中的1的数量为奇数时才为1。
2. 逻辑运算：逻辑运算是对逻辑门的扩展，用于实现更复杂的逻辑功能。
常见的逻辑运算包括与运算、或运算、非运算、异或运算等。
与运算将多个输入信号进行AND操作，返回结果；或运算将多个输入信号进行OR操作，返回结果；非运算对输入信号进行取反操作；异或运算将多个输入信号进行异或操作，返回结果。
3. 编码器和解码器：编码器将多个输入信号转换为较少数量的输出信号，用于压缩信息；解码器则将较少数量的输入信号转换为较多数量的输出信号，用于还原信息。
常用的编码器有优先编码器和BCD编码器，常用的解码器有二进制-十进制解码器和译码器。
4. 多路选择器：多路选择器根据选择输入信号从多个输入信号中选择一个信号输出。
它通常有一个或多个选择输入信号和多个数据输入信号。
选择输入信号决定了从哪个数据输入信号中输出。
多路选择器可用于实现多路复用、数据选择和信号路由等功能。
5. 触发器和寄存器：触发器是存储单元，用于存储和传输信号。
常见的触发器有弗洛普触发器、D触发器、JK触发器等。
寄存器由多个触发器组成，用于存储和传输多个比特的数据。
6. 计数器和时序电路：计数器用于计数和生成递增或递减的序列。
它通过触发器和逻辑门组成。
时序电路在不同的时钟脉冲或控制信号下执行特定的操作。
常见的时序电路有时钟发生器、定时器和计数器。
7. 存储器：存储器用于存储和读取数据。
常见的存储器包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
与门电路的逻辑功能
与门电路的逻辑功能
与门电路的逻辑功能：
①与门电路作为数字逻辑中最基本构建模块之一其核心功能在于实现两个或多个输入信号逻辑与运算；
②工作原理简单明了当所有输入端均为高电平逻辑1时输出端才呈现高电平否则无论哪种情况输出始终维持低电平逻辑0状态；
③物理实现上与门可通过不同技术手段构建例如使用二极管电阻组合或者更常见基于互补金属氧化物半导体CMOS技术设计；
④CMOS与门由PMOS与NMOS晶体管配对构成当所有输入都为高电平时NMOS导通PMOS截止使输出端拉高反之若任一输入为低电平则PMOS导通NMOS截止输出端接地变为低电平；
⑤在实际应用中与门广泛用于算术逻辑单元ALU中参与执行加减乘除等复杂运算作为基本逻辑运算单元与门与其他逻辑门配合共同完成任务；
⑥计算机内存读写控制机制内与门发挥着重要作用当地址有效信号与读写控制信号同时为高电平时才会触发数据存取操作；
⑦时钟同步电路设计中与门用于同步信号生成只有当主时钟脉冲与使能信号同时到达时才会产生有效同步脉冲；
⑧数据选择器与译码器等复杂逻辑模块内部亦包含多个与门级联或与其他逻辑门组合实现高级功能如多路输入信号选择；
⑨从原理上讲任意复杂数字系统都可以通过与门非门或门等基本逻辑门组合实现这构成了布尔代数理论基础；
⑩教育实践中与门常作为入门级实验对象帮助学生理解数字逻辑基本概念并掌握简单电路搭建技巧；
⑪现代集成电路设计中尽管出现了更加复杂高级逻辑单元但与门仍然是不可或缺组成部分其简单可靠特性使其在各种应用场景下仍占有重要地位；
⑫展望未来随着纳米技术发展新型材料如碳纳米管石墨烯等可能会被用来制造尺寸更小功耗更低的与门电路进一步推动信息技术进步；。
第一章 数字逻辑电路基础知识
(DFC.8)H =13×162+15×161+12×20+8×16-1 =(3580 .5)D
二. 二进制数←→十六进制数
因为24=16，所以四位二进制数正好能表示一位十六进制数的16个数码。反过
来一位十六进制数能表示四位二进制数。
例如：
(3AF.2)H 1111.0010=(001110101111.0010)B 2
第一章 数字逻辑电路基础知识
1.1 数字电路的特点 1.2 数制 1.3 数制之间的转换 1.4 二进制代码 1.5 基本逻辑运算
数字电路处理的信号是数字 信号，而数字信号的时间变 量是离散的，这种信号也常 称为离散时间信号。
1.1 数字电路的特点
（1）数字信号常用二进制数来表示。每位数有二个数码，即0和1。将实际中彼此 联系又相互对立的两种状态抽象出来用0和1来表示，称为逻辑0和逻辑1。而且在 电路上，可用电子器件的开关特性来实现，由此形成数字信号，所以数字电路又 可称为数字逻辑电路。
例如： （1995）D=（7CB）H =（11111001011）B
或 1995D =7CBH=11111001011B 对于十进制数可以不写下标或尾符。
1.3 不同进制数之间的转换
一.任意进制数→十进制数： 各位系数乘权值之和(展开式之值)＝十进制数。 例如： (1011.1010)B=1×23+1×21+1×20+1×2-1+1×2-3
逻辑运算可以用文字描述，亦可用逻辑表达式描述，还可 以用表格（这种表格称为真值表）和图形（ 卡诺图、波形 图）描述。
在逻辑代数中有三个基本逻辑运算，即与、或、非逻辑运 算。
一. 与逻辑运算
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－ － －－
++ ++
－ － －－
++ ++
－ － －－ ++ + +
少子漂移电流
耗尽层
多子扩散电流
少子飘移
－
补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E
多子扩散
又失去多子，耗尽层宽，E
内电场E
P型半导体 耗尽层 N型半导体
－ －－ ++ + +
－ － －－
++ ++
－ － －－ ++ + +
少子漂移电流
动态平衡： 扩散电流 ＝ 漂移电流
征激发产生的少－子浓－度是－ － + + + +
一定的，故IR基－本上－与外－ －
++ ++
IR
加反压的大小无关，所以 内电场 E
称为反向饱和电流。但IR
与温度有关。
EW
R
PN结加正向电压时，具有较大的正向 扩散电流，呈现低电阻， PN结导通；
PN结加反向电压时，具有很小的反向 漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。
+
i
u
UD
UD
u
- UD
U D 二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。
理想二极管模型
i
正偏 反偏
+
ui
-
u
三.
二极管的主要参数
二极管长期连续工
(1) 最大整流电流IF——
作时，允许通过二 极管的最大整流
电流的平均值。
(2) 反向击穿电压UBR———
(3) 反向电流IR——
二极管反向电流 急剧增加时对应的反向 电压值称为反向击穿
电向电流值。 硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极 管在微安(A)级。
第2章 逻辑门电路
本章主要内容 ➢半导体器件基础 ➢门电路的相关概念 ➢基本逻辑门电路 ➢TTL与非门电路——工作原理和电压传输特
性 ➢其他类型TTL门电路——OC门和三态门 ➢MOS逻辑门——NMOS和CMOS门电路
半导体器件基础
半导体的基本知识 半导体二极管 半导体三极管
1 半导体的基本知识
在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的 半导体称为杂质半导体。
1. N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例 如磷，砷等，称为N型半导体。
N型半导体
硅原子 +4
多余电子
+4
磷原子
+4
+4
+4
电子空穴对 自由电子
N型半导体
+5 +4
++ + + ++ + +
+4 +4
++ + +
多数载流子——自由电子 少数载流子—— 空穴
由此可以得出结论：PN结具有单向导 电性。
2 半导体二极管
结构
二极管 = PN结 + 管壳 + 引线
符号
P
+
阳极
N
-
阴极
半导体二极管的型号
国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：
2AP9
用数字代表同类器件的不同规格。 代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。 代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge， C为N 型Si， D为P型Si。 2代表二极管，3代表三极管。
势垒 UO
硅 0.5V 锗 0.1V
多子扩散电流
总电流＝0
2. PN结的单向导电性
(1) 加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反。
外电场削弱内电场 →耗尽层变窄 →扩散运动＞漂移运动
→多子扩散形成正向电流I F
P型半导体 空间电荷区 N型半导体
－ － －－
++ ++
常温300K时：
硅：1.4 1010
电子空穴对的浓度
cm3
锗：2.5 1013
cm3
导电机制
－ +4
E
＋
+4
+4 自由电子
+4
+4 +4
+4
+4
+4
自由电子 带负电荷 电子流
载流子
空穴 带正电荷 空穴流 ＋总电流
本征半导体的导电性取决于外加能量：
温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。
二. 杂质半导体
－ － －－
++ + +
－ － －－
++ + +
－ － －－
++ + +
少子—电子
少子—空穴
少子浓度——与温度有关
多子浓度——与温度无关， 与掺杂浓度有关
三. PN结及其单向导电性
1 . PN结的形成
PN结合 因多子浓度差 多子的扩散 空间电荷区
形成内电场 阻止多子扩散，促使少子漂移。 内电场E
P型半导体 空间电荷区 N型半导体
－ － － 正－向电流 + + + +
－ － －－ ++ + +
内电场 E
EW
R
(2) 加反向电压——电源正极接N区，负极接P区
外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动
→少子漂移形成反向电流I R
P
空间电 荷区
N
在一定的温度－ 下，－ 由－本 － + + + +
本征半导体的共价键结构
+4
+4 +4
+4
+4 +4
+4
+4 +4
在绝对温度T=0K时， 所有的价电子都被共价键 紧紧束缚在共价键中，不 会成为自由电子，因此本 征半导体的导电能力很弱 ，接近绝缘体。
束缚电子
+4
+4 +4
+4
空穴
+4 +4
自由电子
+4
+4 +4
当温度升高或受到 光的照射时，束缚 电子能量增高，有 的电子可以挣脱原 子核的束缚，而参 与导电，成为自由 电子。
在物理学中，根据材料的导电能力，可以将他们划分导 体、绝缘体和半导体。
典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。
si
硅原子
GGee
+44
锗原子
硅和锗最外层轨道上的 四个电子称为价电子。
一. 本征半导体
本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常 称为“九个9”。
施主离子
2. P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。
硅原子
+4
空穴
+4
硼原子
+4
电子空穴对
空穴
+4 +4
P型半导体
－ － －－
+3 +4
－ － －－
－ － －－
+4 +4
受主离子
多数载流子—— 空穴 少数载流子——自由电子
杂质半导体的示意图
多子—空穴
多子—电子
P型半导体
N型半导体
一 、半导体二极管的V—A特性曲线
实验曲线
i
锗
击穿电压UBR
(1) 正向特性 i
u
V
mA
(2) 反向特性
i u
V
uA
0
u
反向饱和电流
导通压降 硅：0.7 V
死区
电压
E
锗：0.3V
硅：0.5 V 锗： 0.1 V
E
二极管的模型
二极管的V—A特性
i
0
u
导通压降
+
ui
-
串联电压源模型
i
u UD u UD
自由电子产生的 同时，在其原来的共 价键中就出现了一个 空位，称为空穴。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
+4
+4
空穴
+4
电子空穴对
可见本征激发同时产生
电子空穴对。
+4
+4
外加能量越高（温度
越高），产生的电子空
穴对越多。
与本征激发相反的
+4 +4
现象——复合
自由电子
+4 +4
在一定温度下，本征激 发和复合同时进行，达 到动态平衡。电子空穴 对的浓度一定。