数字电路逻辑设计

数字电路是算术和逻辑操作数字信号的电路.

1. 逻辑代数基础

数制

• 数制间的转换
• 二进制数原码、反码和补码.

逻辑代数基础

• 三个基本逻辑操作:和或非
• 五种复合逻辑操作:与非、或非、与或非、异或
  逻辑代数的基本规律
• 变量与常量的关系：A 0=A,A 1=1等;
• 交换律、结合律、分配律；

• 反演规则:若逻辑函数f表达式中的所有·”变成“ ”，“ ”变成“·，0变为1 ，新函数是原函数f的反函数.
• 对偶规则:如果逻辑函数f表达式中的所有·”变成“ ”，“ ”变成“·0变为1，1变为0，并保持原函数中的运算顺序不变，因此获得的新逻辑表达式称为函数f的对偶式.

数字电路逻辑功能的表示

• 标准与-或表达式(标准积之和):由最小项之和组成的表达式.
• 表达形式:
  真值表
  逻辑表达式
  卡诺图：根据循环码排列变量可能的值组合获得的真实值表
  逻辑图：逻辑符号图
  时序图(或波形图)
  状态图(时序图)
• 简化逻辑函数(得到最简化和-或类型)
  公式法
  卡诺图法:

2.逻辑门电路

• 晶体管逻辑门电路
  晶体二极管开关特性
  晶体三极管开关特性
• TTL(晶体管集成逻辑门):TTL典型的高电平3门电路.6V,低电平0.3V
  TTL与非门，或非门，异或门，或门
  OC门：集电极开路TTL线与非门可以实现
  三态输出门：在普通门上增加控制端，实现总线结构和数据的双向传输
• MOS逻辑门
• CMOS(互补型MOS管)

3. 组合逻辑电路

组合逻辑电路：任何时间的输出仅 这取决于此时的输入，与电路的原始状态无关.

• 组合逻辑电路分析方法
  逻辑图->写逻辑表达式->化简->真值表->逻辑功能
• 常用的组合逻辑电路：
  全加器
  编码器
  译码器
  数值比较器
  数据选择器：
  
• 逻辑电路设计方法
  逻辑功能->真值表->逻辑函数式->选择设备类型->函数式变换
  

4. 触发器

触发器：具有记忆功能，可存储二进制信号（输入信号消失后状态不变）

• 分类
  按电路结构分为基本触发器和钟控触发器.
  电平触发器、边缘触发器发器和脉冲触发器.
  按逻辑功能分为：RS触发器、D触发器、JK触发器、T触发器,T’触发器.
• 触发器描述：
  状态转移真值表
  特征方程(状态方程)
  状态转移图
  激励表
• 边缘触发器：仅在CP上下工作
  主从触发器：CP高电平主触发器工作，CP低电平从触发器工作

5. 时序逻辑电路

时序逻辑电路：输出信号不仅取决于当前输入信号，还取决于以前状态的电路；分为：同步和异步.

• 时序逻辑电路分析
  
• 时序逻辑电路设计
  几种时序器件
• 寄存器
  数码寄存器
  移位寄存器
• 同步计数器:定时,分频,执行数字运算
  4位二进制同步计数器
  十进制同步计数器

6. 半导体存储器

• 按制造工艺:双极型,MOS型(集成度高,功耗小)
• 按存取方式
  顺序存取存储器(SAM)
  随机存取存储器(RAM):静态存储器(SRAM),动态存储器(DRAM)
  只读存储器(ROM):可编程ROM(PROM),可擦除的可编程ROM(EPROM,紫外光擦除),电可擦除可编程ROM(EEPROM)

7. 可编程逻辑器件(PLD)

• FPLA现场可编程逻辑阵列:FPLA是“与或”阵列结构器件,是“与”阵列和“或”阵列均可编程.

• PAL可编程阵列逻辑:PAL是“与或”阵列结构器件,它包括一个可编程的“与”阵列和一个固定的“或”阵列,其中“与”阵列的编程特性可以使输入项增多,而“或”阵列的固定使器件结构简单.

• GAL通用阵列逻辑:GAL在PAL结构基础上产生,其结构与PAL一样由一个可编程的“与”门阵列去驱动一个固定的“或”门阵列,但它的每个输出引脚都接有一个输出逻辑宏单元(OLMC),这些宏单元可通过编程进行不同模式的组合,因而提供高度的灵活性.与PAL器件相比,GAL反复改写.

• CPLD复杂可编程逻辑器件:万门以上的PLD.

• FPGA现场可编程门阵列:电路结构由独立的可编程逻辑模块组成(而非“与或”逻辑阵列).

8. 脉冲单元电路

在数字电路中常常需要各种脉冲波形，脉冲波形获取方法主要有两种:通过整形电路对已有的非脉冲波形进行变换获取或利用脉冲信号产生器（多谐振荡器）直接获取.

施密特触发器和单稳态触发器是两种不同用途的脉冲波形的整形、变换电路。

• 施密特触发器用以将变化缓慢的或快速变化的非矩形脉冲变换成上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲.
• 单稳态触发器用以将宽度不符合要求的脉冲变换成符合要求的矩形脉冲.
• 555定时器是一种多用途集成电路，只要其外部配接少量阻容元件就可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等，方便灵活.

9. 模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)

ADC

• 原理:取样,保持,量化,编码
• 分类:并联比较型,逐次逼近型,双积分型
• 性能:转换精度(用分辨率和转换误差描述)和转换速度(并联比较型>逐次逼近型>双积分型)

DAC

• 原理:用存于数字寄存器的数字量的各位数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为1的位在位权网络上产生与其位权成正比的电流值，再由运算放大器对各电流值求和，并转换成电压值.
• 分类:根据位权网络的不同，可以分为权电阻网络DAC、R-2R倒T形电阻网络DAC和单值电流型网络DAC等.