1-第1部分数制转换.ppt

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1、第1章数字电路概述,1,电路分析、模拟电子技术 数字电子技术（数字电子学） 汇编语言程序设计 计算机组成原理 微型计算机原理及接口技术 计算机体系结构 计算机外部设备,本课程与其它课程的关系,第1章数字电路概述,2,学会学习,一个人在学校学习的知识80%终生用不上，那我们为什么还要在学校孜孜不倦地学习呢？我们实际上一直在学习一种学习方法。走上社会马上会发现一些问题摆在你面前。这时候就需要重新学习了。触类旁通，举一反三，要看个人的本事或悟性了。有不断学习能力的人一定是社会适应力强的人，社会适应力强的人，一定比别人容易成功。我们常常羡慕别人成功，那只是一个结果。我们应该羡慕过程，学会学习。不怕自己

2、掌握的知识过时，只要掌握了学习方法，又有学习的愿望，成功就离你进了一大步。要知道所有的成功都是一 步步走出来的。,第1章数字电路概述,3,数字电子技术的发展方向,电子技术由模拟电子技术、数字电子技术两部分构成。 随着晶体管、集成电路的发明和大量应用，在各自的应用领域都得到了长足的发展，产品更是日新月异。 模拟电子技术是整个电子技术的基础，在信号放大、功率放大、整流稳压、模拟量反馈、混频、调制解调电路领域具有无法替代的作用。例如高保真(Hi-Fi)的音箱系统、移动通讯领域的高频发射机等。 与模拟电路相比，数字电路具有精度高、稳定性好、抗干扰能力强、程序软件控制等一系列优点。从目前的的发展趋势来看

3、，除一些特殊领域外，以前一些模拟电路的应用场合，大有逐步被数字电路所取代的趋势，如数字滤波器等。 数字电子技术目前也在向两个截然相反的方向发展，一是基于通用处理器的软件开发技术，比如单片机、DSP、PLC等技术，其特点是在一个通用处理器(CPU）的基础上结合少量的硬件电路设计来完成系统的硬件电路，而将主要精力集中在算法、数据处理等软件层次上的系统方法。其一个极端的例子就是现在的计算机技术，硬件电路全部是标准的、在市场上可以买得到的，其优点是；缺点是。 另一个方向是基于CPLD/FPGA的可编程逻辑器件的系统开发，其特点是将算法、数据加工等工作全部融入系统的硬件设计当中，在“线与线的互联”当中完

4、成对数据的加工。,第1章数字电路概述,4,追求最佳是人类的本性之一 “钱”是人类至今为止找到的最佳物质交换形式（“金钱万能”） “电”是人类至今为止找到的最佳能量形式（电统治了能量领域） “数字-bit”是人类至今为止找到的最佳信息表达形式（信息统一于数字）,前言,第1章数字电路概述,5,主要内容,第1章 数制与转换 第2章 基本逻辑电路 第3章 集成逻辑门电路 第4章 组合逻辑电路 第5章 触发器 第6章 时序逻辑电路 第8章 存储器和可编程逻辑器件 第9章 A/D和D/A转换器,6,第1章 数制转换,第1章数字电路概述,7,目 录,1 概述 2 进位计数值 3 数值转换 4 数制之间的转换

5、 5 常用代码 6 数字电路EDA仿真分析与设计,第1章数字电路概述,8,1 概述,电子技术是20世纪发展最迅速、应用最广泛的技术，已使人们的日常生活发生了根本的变革。 在我们的日常生活中有很多数字电子产品，如计算机、数码相机/摄像机、手机、DVD、MP3/MP4以及数字电视等。 因此，分析和设计数字电路已成为现代工程设计不可缺少的部分。,第1章数字电路概述,9,1.1 数字信号与模拟信号,在电子电路中，产生、传递、加工和处理的信号可以分为模拟信号和数字信号两大类。 模拟信号在时间和数值上都是连续的，即对应于任意时间均有确定的电流或电压值，并且其幅值是连续的，如正弦波信号就是典型的模拟信号。,

6、第1章数字电路概述,10,1.1 数字信号与模拟信号,某天最低气温是15C，最高气温是25C，则一天的气温变化是连续的。,图1-1,第1章数字电路概述,11,1.1 数字信号与模拟信号,与模拟信号不同，数字信号在时间和数值上是离散的，或者说是不连续的，且其数值的变化都是某个最小量值的整数倍 。,图1-2,第1章数字电路概述,12,1.2 数字电路与模拟电路,处理模拟信号的电路称为模拟电路。 处理数字信号的电路称为数字电路。 自然界存在大量的模拟信号和数字信号以及模拟系统和数字系统，并且这些系统往往并非独立，而是相互渗透的，因此在进行信号处理时需要将两者通过接口电路进行转换。,第1章数字电路概述

7、,13,数字集成电路的分类 从制造工艺方面来分类: 双极型(TTL型)、单极型(MOS型)和混合型（BiCMOS)三类。 TTL型:速度高、功耗大、集成度低 MOS型：速度低、功耗小、集成度高 BiCMOS:充分发挥两种电路的优势，但制造工艺复杂,第1章数字电路概述,14,数字集成电路按集成度分类: 小规模集成电路（SSI）：每片组件包含10-100个元件（或10-20个等效门） 中规模集成电路（MSI）：每片组件包含100-1000个元件（或20-200个等效门） 大规模集成电路（LSI）：每片组件包含1000-100000个元件（或100-1000个等效门） 超大规模集成电路（VLSI）：

8、每片组件包含100000个元件以上（或1000个以上等效门）,第1章数字电路概述,15,1.3 数字电路的优点,随着大规模、超大规模数字电路的出现，以及计算机的普遍使用，数字电路的应用领域越来越广泛。目前，数字集成电路正朝着高速度、低功耗，大规模和可编程的方向发展。 数字信号的特点 (1)便于存储、处理和交换。数字通信的信号形式和计算机所用信号一致，都是二进制代码，因此便于与计算机联网，也便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换，可使通信网的管理、维护实现自动化、智能化。 (2)抗干扰能力强、无噪声积累。在模拟通信中，为了提高信噪比，需要在信号传输过程中及时对衰减的传输信号进行放大，信号在传

9、输过程中不可避免地叠加上的噪声也被同时放大。随着传输距离的增加，噪声累积越来越多，以致使传输质量严重恶化。 对于数字通信，由于数字信号的幅值为有限个离散值(通常取两个幅值)，在传输过程中虽然也受到噪声的干扰，但当信噪比恶化到一定程度时，即在适当的距离采用判决再生的方法，再生成没有噪声干扰的和原发送端一样的数字信号，所以可实现长距离高质量的传输。 ,第1章数字电路概述,16,(3)便于加密处理。信息传输的安全性和保密性越来越重要，数字通信的加密处理的比模拟通信容易得多，以话音信号为例，经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运算进行加密、解密处理。 (4)设备便于集成化、微型化。数字通信采用时分多

10、路复用，不需要体积较大的滤波器。设备中大部分电路是数字电路，可用大规模和超大规模集成电路实现，因此体积小、功耗低。 (5)便于构成综合数字网和综合业务数字网。采用数字传输方式，可以通过程控数字交换设备进行数字交换，以实现传输和交换的综合。另外，电话业务和各种非话业务都可以实现数字化，构成综合业务数字网。 (6)占用信道频带较宽。一路模拟电话的频带为4kHz带宽，一路数字电话约占64kHz，这是模拟通信目前仍有生命力的主要原因。随着宽频带信道(光缆、数字微波)的大量利用(一对光缆可开通几千路电话)以及数字信号处理技术的发展(可将一路数字电话的数码率由64kb/s压缩到32kb/s甚至更低的数码率

11、)，数字电话的带宽问题已不是主要问题了。 以上介绍可知，数字通信具有很多优点，所以各国都在积极发展数字通信。近年来，我国数字通信得到迅速发展，正朝着高速化、智能化、宽带化和综合化方向迈进。,第1章数字电路概述,17,1.4 数字电路的研究方法,这部分在数字电路的分析和设计章节详细讲解！,第1章数字电路概述,18,1.2 进位计数制,第1章数字电路概述,19,数制的定义,用一组固定的数码符号和一套统一的规则来表示数值的方法叫做数制。,数制的种类很多，如二进制、八进制、十进制、十六进制、二十四进制、六十进制、十二进制等。,每一种进位计数制包含一组数码符号和两个基本因素。 （1）数码：用不同的数字符

12、号来表示一种数制 的数值，这些数字符号称为“数码”。 （2）基数：数制所使用的数码个数称为“基数”。 （3）位权：某数制每一位所具有的值称为“权”。,第1章数字电路概述,20,进位计数制的规则,十进制 R=10，可使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 二进制 R=2 ，可使用0,1 八进制 R=8 ，可使用0,1,2,3,4,5,6,7 十六进制 R=16 ，可使用0,9,A,B,C,D,E,F,“逢R进一，借一当R”,第1章数字电路概述,21,二进制,我认识她已有1011年了。,（1） 特 点： 只有两个数码0和1 逢二进一 （2）书写规则：在数字后面加写字母B作为标识。 在括号外面加

13、数字下标2 如：(1011)2 = 1 23 + 022 + 121 + 120 = (11)10,第1章数字电路概述,22,十进制,特 点：有10个不同的数字符号，即0 9。（基数为10） 逢十进一,书写规则：在数字后面加写字母D作为标识，一般约定D可以省略, 即无后缀的数字为十进制数字。 在括号外面加数字下标10,如：一个十进制数 1357 其含义是： (1357)10 = 1103+3102+5101+7100,第1章数字电路概述,23,八进制,特 点： 有8个不同的数字符号，即0 7 逢8进一,书写规则： 在数字后面加写字母O作为标识。 在括号外面加数字下标8,通过按“权”展开式，求出

14、 ( 5675 )8 的值（十进制数） ( 5675 )8 = 5 83 + 682 + 781 + 580 = ( 3050 )10,第1章数字电路概述,24,十六进制,特 点： 有16个数字符号：09 A B C D E F 逢16进一,书写规则： 在数字后面加写字母H作为标识 在括号外面加数字下标16,如： (FDE)16 可用下式求出十进制数值： ( FDE ) 16 =1516 2 + 1316 1 + 1416 0 = ( 4062 ) 10,第1章数字电路概述,25,1.4 数制之间的转换,1、R进制转换为十进制（按权展开式求和）,例（1100.11）2 = （ ？ ）10,第1

15、章数字电路概述,26,2、十进制转换为 R 进制,方法：,整数部分采用除基数R取余法； 小数部分采用乘基数R取整法。,举例说明：（286.8125）10=（ ？ ）2,余数,第1章数字电路概述,27,对于小数部分： 乘2取整,0. 81252=1.625 取出整数1 （最高位）,1. 6252=1.25 取出整数1,0.252=0.5 取出整数0,0. 52=1.0 取出整数1 （最低位）, （0.8125）10 = （0.1101）2 则（286.8125）10 = (100011110.1101)2,第1章数字电路概述,28,3、二进制、八进制、十六进制之间转换,二进制N进制是以小数点为中

16、心，分别向前、后每N位一组，不足N位则以“0”补足，再把每组二进制数转换为相应的N进制数即可。,例如：（10110.1001）2= （ ？ ）8,解： （10110.1001）2 = （010 110.100 100）2,=（26.44）8,二进制数、八进制数、十六进制数的基数有着整幂关系， 23=8,24=16, 即2n=R; 具体方法如下：,第1章数字电路概述,29,N进制二进制只要把每个N进制对应的二进制数码写出来即可。,例如： （3DB.4A）16 =（ ？ ）2,解：（3 D B . 4 A ）16,=（0011 1101 1011.0100 1010）2 =（111101 1011

17、. 0100101）2,1.4 数制之间的转换,第1章数字电路概述,30,计算机的运行基础二进制,二进制运算法则比较简单，如： 求和法则(3个) ：0+0=0 , 0+1=1+0=1, 1+1=10 求积法则(3个) ：00=0，01=10=0， 11=1,可用进制的0，1直接代表逻辑代数中的“假”和“真”,二进制只有两种状态，数字传输处理不易出错。,使用二进制数，只需0，1两个状态，技术上轻而易举，如开关的通与断，晶体管中导通与截止等，磁介质的带磁与不带磁。,第1章数字电路概述,31,二进制数的常用单位,字长 若干个字节组成一个字（Word），其位数称 为字长。字长是计算机能直接处理的二进制

18、 数的数据位数，直接影响到计算机的功能、 用途及应用领域。常见的字长有8位、16位、 32位、64位等。,位 二进制数所表示的数据的最小单位， 就 是二进制的1位数，简称位（bit）。,字节 把个bit称为个字节（Byte），字节是计 算机中的最小存储单元。,第1章数字电路概述,32,二进制数的常用单位,K 字节 1KB = 1024 byte = 1024 B M（兆）字节 1MB = 1024 KB = 1024 1024 B G（吉）字节 1GB = 1024 MB = 1024 1024 1024 B T（太）字节 1TB = 1024 GB,第1章数字电路概述,33,1.4 常用代码

19、,计算机等数字系统所处理的信息多为数值、文字、符号、图形、声音和图像等，它们都可以用多位二进制数来表示，这种多位二进制数叫做代码。 如果用一组代码并给每个代码赋以一定的含义则称编码（Encode）。,第1章数字电路概述,34,在数字电路中，常用二-十进制码，也叫做BCD（Binary-Coded Decimal）码。 所谓二-十进制码，就是用4位二进制数组成的代码来表示1位十进制数。 4位二进制数具有16种组合，二-十进制数的10个数字符号只需选用其中的10种组合来表示常用的几种二-十进制编码表2-1所示。,第1章数字电路概述,35,表2-1 常用的几种二-十制编码,有权码,无权码,第1章数字

20、电路概述,36,格雷码的书写方法,格雷码又称循环码,在卡诺图中变量排列方式 设十进制数的8421BCD码为:B3B2B1B0 与其对应的格雷码为:G3G2G1G0 则Gi=BiBi+1 举例说明,第1章数字电路概述,37,常用的BCD码为8421BCD码,压缩8421BCD码:一位十进制数用四位二进制数来表示。 非压缩8421BCD码:一位十进制数用四位二进制数来表示。 举例：257.85D =(0010,0101,0111.1000,0101)8421BCD(压缩) =(0000,0010,0000,0101,000,0111.0000,1000,0000,0101) 8421BCD (非压

21、缩),第1章数字电路概述,38,编码（补充）,计算机所处理的数据包括数值型数据和非数值型数据两种。因为在计算机中只能识别二进制的数码信息，所以不管是可以参加算术运算的数值型数据还是包括文字、数字、声音、图像等的非数值型数据，将其变为指定的二进制符号称为编码。,第1章数字电路概述,39,数值型数据的编码,数的范围 数的范围由硬件（CPU中的寄存器）决定。当使用8位寄存器时，字长为8位，所以一个无符号整数的最大值是（11111111）2 = （255）10,当使用16位寄存器时，字长为16位，所以一个无符号整数的最大值是（1111111111111111）2 = （655355）10,第1章数字电

22、路概述,40,数值型数据的编码,数的符号 在计算机内部，正负号也必须数码化以0和1的形式表示。 通常规定最高位为符号位，并用0表示正，用1表示负。 数据的格式如图：8位二进制数表示的带符号整数,第1章数字电路概述,41,数值型数据的编码,小数点的表示法 定点数表示法 定点数又分为定点整数和定点小数。,定点整数：小数点的位置约定在最低位的后面，用于表示整数。,定点小数：小数点的位置约定在符号位之后，用来表示小于1的纯小数。,第1章数字电路概述,42,数值型数据的编码,小数点的表示法 浮点数表示法 采用浮点数表示，即小数点的位置不固定 将十进制数0.003456、 3.456、 34.56可以分别

23、表示为： 0.003456 = 0.345610-2 3.456 = -0.3456101 34.56 = 0.3456102 即表示为一个纯小数与10的整数次幂的乘积形式。,第1章数字电路概述,43,数值型数据的编码,一个二进制数N也可以表示为一个纯小数与 2 的整数次幂的乘积形式。 即：N = S2C 式中的N、C、S均为二进制数。 S称为尾数，即全部的有效数字，是纯小数。 S前面的号是整个数值的正负 C称为阶码（通常是整数），指明小数点的实际位置，决定数的表示范围 C前面的号是阶码的正负 在计算机中一般浮点数的存放形式如下图所示：,第1章数字电路概述,44,字符型数据的编码,ASCII码

24、 ASCII码是由美国国家标准委员会制定的一种包括数字、字母、通用符号、控制符号在内的字符编码集，全称叫美国国家信息交换标准代码。ASCII码是一种7位二进制编码，能表示27=128种国际上最通用的西文字符，是目前计算机中，特别是微型计算机中使用最普遍的字符编码集。,表示文字信息和控制信息的基础是各种字符，各种字符必须按一定规则用二进制编码表示，才能为计算机所识别。,第1章数字电路概述,45,ASCII码表,第1章数字电路概述,46,BCD码,十进制数与8421码的对应关系,例如（62.38）10 =( ? )BCD 解： ( 6 2 . 3 8 )10 =(0110 0010 . 0011

25、1000 )BCD,第1章数字电路概述,47,1.5数字电路EDA仿真分析与设计,随着现代电子系统的复杂化，计算机和相应的工程仿真软件已经成为现代电子技术的基本分析设计工具。仿真分析可以大大地缩短研制周期，节约成本，它已经具有举足轻重的作用。 所谓仿真分析，是指使用计算机对所设计电路的结构和行为进行预测，仿真器以文本形式或波形图等形式给出电路的输出，以便设计者分析系统，修改系统设计。,第1章数字电路概述,48,1.5 数字电路EDA仿真分析与设计,EDA仿真软件已有很多种，常用的有PSpice和Electronics Workbench EDA（EWB）等。 EWB支持模拟和数字混合电路的分析

26、和设计。 Multisim2001为Multisim的一个版本，作为EDA仿真工具，目前已广泛应用于电子电路的仿真实验和电子系统的仿真设计。,第1章数字电路概述,49,Multisim为用户提供了类型丰富的虚拟仪器，这些虚拟仪表主要包括示波器、万用表、函数发生器、失真度分析仪、频谱分析仪、逻辑分析仪和网络分析仪等，从而使电路仿真分析操作更符合电子工程技术人员的实验工作习惯。,第1章数字电路概述,50,1.5 数字电路EDA仿真分析与设计,对第3章介绍的反相器进行仿真时，可得其输入输出仿真波形如图所示。,第1章数字电路概述,51,1.5 数字电路EDA仿真分析与设计,需要说明的是本书一般采用A代表A的反变量，而在仿真中采用A代表A的反变量。 当采用EDA工具进行分析和设计时，需要将自己的设计输入到计算机中。此操作称为描述。常用的描述方式有两种：原理图方式和硬件语言输入方式。,第1章数字电路概述,52,本章小结,本章作为本书及数字电路的概述，介绍了数字信号的基本概念、数字信号的表示方法、数字电路的基本功能、数字电路的测试/故障排除及EDA仿真。,