1、第1章数字电路基础 近年来，随着大规模、超大规模集成电路技术的发展，数字化已经成为当今电子技术的发展趋势和潮流，U盘、MP3、数码照相机的大量普及，数字电视、数字手机的大量推广，使我们步入了一个全新的“数码时代”。而数字电子技术则是我们步入数码世界的钥匙。1.1数字信号及数字电路 1.1.1数字信号及其特点 在某种程度上，各种电子电路和电气设备都是将各种非电物理量转换为电信号，然后再利用电子技术对其进行处理、转化以及对其他设备和物理量进行控制的电子电器。因此了解电信号的分类对于电子技术的学习很有帮助。电信号按照幅度和时间的变化关系(通俗地说就是波形的形状)可以分为模拟信号、脉冲信号、数字信号三
2、种。1.模拟信号 图1-1模拟信号波形模拟信号是指幅度随时间连续变化的信号，通俗地说，就是波形比较平滑，没有尖峰、阶跃等突变的信号，如图1-1所示。例如：反映随时间连续变化的温度、压力等物理量的电信号，话筒中输出的模拟语音信号以及摄像机输出的模拟图像信号等，如图1-1所示。最常见的模拟信号是正弦波信号。2.脉冲信号 脉冲信号是指幅度随时间不连续变化的信号，通俗地说，就是波形存在转折点或尖峰、阶跃等突变的信号。例如：电子产品中运用非常广泛的矩形波、锯齿波、三角波、梯形波等信号，如图1-2所示。3.数字信号 数字信号是指幅度上和时间上都离散(不连续)的信号，通俗地说，就是波形只有高低两种电平的信号
3、，如图1-3所示。数字信号是一种特殊的脉冲信号。例如矩形波就可看成是一种数字信号，但数字信号不一定要求高低电平交替出现。数字信号波形数字信号的特点：数字信号波形只有高低两种电平，因此它正好和自然界大量存在着的互斥型事件或互斥型状态相对应，如开与关、高与低、来与去、上和下、左和右以及逻辑学中的真和假、古代的阴和阳、二进制数码1和0等。因此，数字信号很容易用自然界的事物、状态、颜色等来进行表示，如围棋中的黑棋子和白棋子，电平的高低，电流的有无、大小、方向，开关的通断等。1.1.2数字电路及其特点 从以上分析可知，数字信号实质上就是指可用数码0和1表示的矩形脉冲序列。处理数字信号的电路就是数字电路。
4、数字电路的功能是对数字信号完成各种逻辑或数学运算，根据运算结果完成显示、控制等功能。因为数字电路处理的是数字信号，因此，它与模拟电路相比，具有以下鲜明的特点和优势：(1)单元电路简单，功耗低，便于集成化和模块化由于数字信号只有高、低两种电平(或称为1、0两种状态)，数字电路只要可以可靠地区分、表示这两种电平或状态即可，所以数字电路中的半导体器件(晶体管、场效应晶体管)等均处于饱和导通或截止关断的开关状态。因此，数字电路功耗低，对元件参数要求不高，各单元电路结构简单，便于模块化；同时各单元电路可以根据逻辑需要像搭积木一样灵活组合，也便于集成。(2)抗干扰能力强数字信号高低电平之间变化明显、差别较
5、大，而且只有高低两种电平，所以数字电路抗干扰能力强。即使在信号的传送和处理过程中受到一定的衰减、干扰或失真，如图1-4所示，但经过放大、整形后仍可还原为原数字信号。(3)数字电路的研究对象是电路输入和输出信号之间的逻辑关系和模拟电路注重电路的工作点、放大倍数、频率响应不同，数字电路研究的是输入、输出信号之间的逻辑关系，运用的方法主要是逻辑分析和逻辑设计，因此数字电路又称为逻辑电路。(4)数字电路可以方便地保存、传输、处理数字信号因为数字信号只有1和0两种状态，所以数字电路可以方便地通过磁场、电场、电压、电流、激光等参量实现数字信号的保存和传输，同时还可利用日益发达的数字信号处理技术实现数字信号
6、的检错、纠错、降噪等。正是因为数字电路存在以上突出优点，它在自动控制、家用电器等各方面逐步取代模拟电路，成为电子技术发展的新潮流。MP3、MP4、数码照相机、数字手机、数字电视等数码产品的普及，宣告着数码时代的来临，因此学好数字电路对于后续专业课程的学习具有重要的意义。1.2常用数制 数字信号只有1和0两个数码，只能表示两种状态。如果要表示两个以上的状态或某个物理量数值的大小，一位二进制数显然是不够的。为了解决这个问题，人们便利用进位计数的方法组成多位数码，因此出现了数制的概念。多位数码中每一位的构成方法以及从低位向高位的进位规则就称为进制。人们在生活中用得最多的是十进制，因此，我们可以和十进
7、制对比来学习其他进制。1.2.1十进制 十进制数中每一位可能取的数码为09，共十个计数数码，因此称为十进制。其“基数”为10，基数就是指该进制基本计数数码的个数。在十进制的计数过程中，当从0计到9之后再往下计数时，09十个基数已经用尽，此时采取往高位进1的方法继续计数，即接下来从10开始继续计数，因此十进制的计数规则是：逢十进一。从以上的分析可知，基数09位于不同位时，代表的数值是不同的，如同样是数码1，位于个位时代表1，位于十位时就代表10，位于百位时却代表100。数码在不同位置上，其代表的数值大小也不同，称之为“位权”，简称为“权”。因此一个数据的大小最终可由组成该数据的数码和位权来表示，
8、这种表达式就称为按权展开式。如十进制数1234，可以将其按权展开为因此，十进制数的按权展开表达式为1.2.2二进制 1.什么是二进制 在较深入地学习了十进制后，我们就可以和十进制对比来学习二进制了。二进制数中每一位可能取的数码只能是0或1，共两个，因此称为二进制，其“基数”为2。在二进制的计数过程中，当从0计到1之后再往下计数时，就向前进位从10开始继续计数，因此二进制的计数规则是：逢二进一。2.为什么要采用二进制计数(1)电路中容易实现在数字电路和计算机中，大量采用的是二进制计数方式，为什么不采用人们十分熟悉的十进制计数方式呢？这主要是因为二进制数每位只有0和1两个数码，在电子电路中非常容易
9、实现，如晶体管的“导通”和“截止”、电平的“高”与“低”、发光二极管的“亮”和“灭”等都可以表示；而十进制数每位均有09共10个数码，需要10种不同的电路状态才能进行表示，在技术实现方面存在一定的难度，成本和可靠性方面也没有优势。(2)运算简单二进制数由于只有0和1两个数码，因此其运算规则也比较简单，见表1-1。1.2.3十六进制1.为什么采用十六进制数二进制数有很多优点，但当二进制数较大时，其位数很多，读写都非常麻烦。这时人们便将二进制数按四位一组进行分组，便得到十六进制数。2.什么是十六进制十六进制数中每一位数码除了09外，还有A、B、C、D、E、F，共有16个，因此称为十六进制，其基数为
10、16。在十六进制的计数过程中，当从0计数到F之后再往下计数时，就向前进位，从10开始继续计数(此时10等于十进制数16)，因此十六进制的计数规则是：逢十六进一。1.2.4常用进制间的对应关系常用进制之间的对应关系见表1-2，应特别注意十六进制数AF与十进制数、二进制数的对应关系。1.3常用数制之间的转换人们习惯使用十进制数，但数字系统和计算机系统中大多采用二进制数(或十六进制数)，因此在向数字系统或计算机系统输入数据时，必须将十进制数转化为二进制数或十六进制数；而在经过数字系统和计算机系统处理后，输出结果必然为二进制数或十六进制数，为了便于人们读取和识别，有必要将其转换为十进制数。1.3.1二
11、进制、十六进制转化为十进制将二进制、十六进制转化为十进制，只要把二进制数或十六进制数按权展开，然后按十进制数求和即可，这在前面一节已经有过介绍。1.3.2十进制转换为二进制十进制转换为其他进制时一般采取除以该进制的基数取余数，再逆序排列的方法。如十进制转换为二进制，采取“除2取余，逆序排列”的方法。即将该十进制数逐次除以2，并依次记下余数，一直到商为0时止。最后一次得到的余数为转换后二进制的高位，首次相除得到的余数为转换后二进制数的最低整数位。1.3.3十进制转换为十六进制和转换为二进制方法相同，十进制转换为十六进制，采取“除16取余，逆序排列”的方法。1.3.4二进制和十六进制之间的转换十六
12、进制可以看成是四位二进制为一组的组合，因此二进制和十六进制之间的转换相对较简单。1.二进制数转换为十六进制数将二进制数转换为十六进制很简单，只需将二进制数从低位开始(从右至左)，每四位分一组，最后不足四位时，在左边用零补齐，最后将每组四位二进制数所对应的十六进制数写出即可。2.十六进制数转换二进制数将十六进制数转换为二进制数也很简单，只需将十六进制数从低位开始(从右至左)，将每位十六进制数所对应的四位二进制数写出即可。1.4编码由前面的学习可知，不同的进制和数码可以表示数量的大小。在生活中，有时为了统计和分析的方便，也可以用数码或其他符号表示不同的事物或同类事物的不同对象。例如，运动会上为了便
13、于识别和统计运动员的成绩，而给每个运动员编排一个号码；学生入校时，给每个学生编排一个学号。这些编号仅代表不同的运动员和学生，而没有数量大小的意义，又称为编码。为了便于记忆和查找，在编码的过程中总遵循一定的规则，这些规则就称为码制。1.4.1BCD码数字电路常用的二十进制编码(BCD码)能方便地进行十进制数与二进制数之间的转换。它用四位二进制代码表示一位十进制数，但必须注意，这里的二进制代码不一定表示二进制数，它们的含义由人们预先约定。四位二进制可以表示16种不同的状态，而表示一位十进制数(09)，只需选取其中的10种状态即可。因此用四位二进制表示十进制数时10个状态有许多不同的选择方法，具体对
14、应8421码、余3码、格雷码等多种编码方式，见表1-6。从表1-6可知，常用的BCD码根据各位数码是否有确定的位权值，可以区分为有权BCD码和无权BCD码，其中8421码是一种最简单、最常用的BCD码，它的位权值和二进制数一致，常称为自然权码。余3码和格雷码属于无权码，各位数码没有确定的位权值，因此不便于人们识别，但它们具有各自的优点。例如格雷码，它的两个相邻代码之间仅有一位数码不同，利用格雷码的这一特点，它可尽量避免数字电路在运算过程中出现虚假信号(减少竞争冒险)的机会，从而提高电路的可靠性，因此它在高分辨率、高可靠性设备中得到了广泛的运用。1.4.2BCD码和十进制数的相互转换在数字系统中
15、，很多情况下十进制数就是用8421BCD码表示的，如十进制BCD码计数器等。十进制数和8421BCD码相互转换只要将十进制数的各位分别对应于四位一组的8421BCD码即可。1.4.3ASCII码在数字电路中，除了数字需要编码外，其他需要处理的文字、图像、声音等也需要编码。目图1-5按下按键A输入的ASCII码前，国际上广泛采用的字符编码为ASCII码(美国国家信息交换标准码)。ASCII码是七位二进制代码，共表示了12个不同字符，其中96个图形字符，分别是26个大写英文字符(AZ)和26个小写英文字符(az)、10个数字字符(09)、34个专用符号，还有32个控制字符。在我们打字时敲击键盘，键
16、盘向电脑输入的其实就是ASCII码。例如，当我们按下按键A时，通过键盘电缆输入电脑的数据为A对应的ASCII码1000001，或者更确切地说，是一串对应的高低电平，如图1-5所示。1.5数字电路实验箱数字电路一般由数字集成电路组成，由于模块和型号较多，集成电路之间往往连线较多、外围元件很少。根据以上特点，为了提高实验的速度和效率，避免重复焊接实验板，各实验仪器厂家纷纷研制出了各种数字电路实验箱。图1-7所示为DLBS3型数字电路实验箱的实物图。1.5.1数字电路实验箱的工作原理数字电路实验箱借助集成电路插座将实验用到的集成电路(也叫集成块)固定好，集成块的引脚通过锁紧插座引出，利用连接导线实现
17、集成块引脚之间的连接，由连接导线插针和锁紧插座紧密接触实现数字电路的电路连接。完成实验后，拆除连接导线和数字集成块即可。为了便于输入逻辑电平，在实验箱的面板上配置了逻辑电平开关，同时为了直观显示逻辑电平的状态，还配置了逻辑电平和数码管显示等模块。由于连接导线的拆除和连接非常灵活方便，大大提高了数字电路实验的效率。1.5.2DLBS3型数字电路实验箱的结构各厂家生产的数字电路实验箱虽然在外形、尺寸、功能上存在一定的差异，但模块组成基本相同，以DLBS3型为例，它一般由以下几部分组成。(1)数字集成块插座数字集成块插座如图1-8所示，一般多为14脚和16脚，少数配有24、28脚以方便较大规模的数字
18、集成块实验。它们的引脚通过锁紧插座与连接导线的插针连通，实现数字集成块之间的连接。(2)逻辑电平开关数字实验中，数字集成块的输入和控制引脚根据逻辑功能的需要，分别接不同的逻辑电平(高电平1和低电平0)，因此大部分的数字电路实验箱都配有一个逻辑电平开关，如图1-9所示。一般逻辑电平开关位于上端为高电平1、位于下端为低电平0，通过锁紧插座和连接导线为集成块的输入和控制引脚提供合适的高、低电平。(3)逻辑电平显示数字实验中，经常需要实时观察数字集成块输出端的高低电平状态，与模拟电路不同，我们不再关注输出端电压的具体数值，而只需知道其逻辑电平的高低即可，因此大部分的数字电路实验箱都配有一个逻辑电平指示
19、模块，如图1-10所示。通过锁紧插座和连接导线将集成块输出引脚的高、低电平通过发光二极管的亮灭来指示。一般上端发光二极管亮表示高电平1，下端发光二极管亮表示低电平0。(4)七段数码管显示数字电子实验中，有时需要实时观察数字集成块输出端的数值，因此大部分的数字电路实验箱都配有一个七段数码管显示模块，如图1-11所示。它有两种形式：一种是直接对数码管的各段进行控制，如图1-11中左端的两个数码管，通过锁紧插座AG、DP(小数点)和连接导线将显示译码集成块输出引脚的高、低电平通过数码管各段来进行指示；另一种显示8421BCD码的数值，内部已经包含有七段显示译码电路，如图1-11右端的两个数码管，将8
20、421码(如计数器的输出)D、C、B、A输入到8、4、2、1插座，数码管就显示对应的数值。(5)电源和接地有些数字集成块的引脚可能要求直接接电源或接地，因此实验箱中提供了电源和接地模块，并且还用发光二极管指示电源是否正常，如图1-12所示。(6)单脉冲发生器在触发器等实验中，需要正、负单个脉冲或单个脉冲的上升沿和下降沿，此时可以使用单脉冲发生器，如图1-13所示。这里有两个独立的单脉冲发生器P1和P2，其中单脉冲发生器P1通过锁紧插座P1输出正脉冲，通过输出负脉冲，P2也是如此。(7)矩形脉冲发生器在计数器等实验中，需要一些连续的矩形脉冲作为时钟信号，此时可以使用矩形脉冲发生器，如图1-14所
21、示。它用一个电位器调节矩形脉冲的宽度，一个电位器调节矩形脉冲的频率。用一个开关来选择频率的单位，当开关位于“Hz”端时，产生的矩形脉冲频率较低，一般为几赫兹几十赫兹；当开关位于“KHz”端时，产生的矩形脉冲频率较高，一般为几千赫兹几十千赫兹。(8)可调电压源在A/D、D/A等实验中，有时需要一个可以自由调节电压的电源，如图1-15所示，该电压源有正负二组电压源输出，从“+1015V”输出的为正电源，从“1015V”输出的为负电源，分别调节各自的电位器可以改变输出电压。(9)外接分立元件区虽然数字集成电路的外接元件很少，但有时仍需接一定的电容、电阻、电位器来组成定时、延时等电路，因此需要一个外接
22、分立元件区，如图1-16所示。图1-16外接分立元件区在外接分立元件区数字电路实验箱自带有10k(“10K”)和1(“1K”)两个电位器以及一个NPN晶体管，其他元器件可通过外接元件引脚插座与锁紧插座相连。(10)自带数字集成块实验区数字电路实验箱自带一些常用的门电路和触发器等数字集成块(如74LS00、74LS04、74LS08、74LS32、74LS28、74LS86、74LS55、74LS112、74LS74等)，因此以上数字集成块可以直接使用，如图1-17所示。1.5.3DLBS3型数字电路实验箱使用注意事项1)实验前的准备。根据实验需要，准备好连接导线和数字集成块以及其他元器件，连接
23、好数字电路实验箱电源线。2)实验前的检查。暂时不插入数字集成电路，打开实验箱电源，检查5V电源指示灯是否亮，用一根连接导线将逻辑开关与逻辑电平相连，检查逻辑开关和逻辑指示是否正常。3)实验箱检查完毕，断电连线。连线过程中特别注意不要将电源和地端短路，多余的连接线应拿到实验箱外部，不得散漏在实验箱面板上，否则极易造成短路。4)最后插上数字集成电路，切记集成块缺口方向和数字电路实验箱集成块插座方向一致，插入时避免折断和弄弯集成块引脚。5)再次检查连线，无误后开机。密切注意是否有冒烟等异常情况，随时做好断电准备。6)实验过程中随手做好实验记录，分析实验现象。7)实验结束后，先关闭数字电路实验箱电源，然后拆除连接导线。拆连接导线时手要抓住导线的插针处，小心地将插针拔出，不可拿住导线的中心，用大力强行将导线拔出，更不得抓住几根连接导线同时拔出，这样极易造成实验箱损坏和连接导线断裂开路。8)最后拔出数字集成块。可采用专用的拔集成块工具，如果没有，必须在集成块两端用其他工具(如一字螺钉旋具)均匀慢慢拔出。数字集成块应及时放入集成块插槽或泡沫垫中保管。
