数字电路第八章分析解析

第八章数字电子电路仿真组合逻辑电路分析按图所示，创建一组合逻辑电路，输入变量A，B，C分别由三只开关[D]，[E]，[F]控制接入电平的高，低。

输出端L由指示灯的亮，灭表示高，低电平。

将测试结果输入到逻辑转换仪真值表区，选择真值表→简化表达式转换方式，得到简化逻辑表达式（L=A￣+B￣+C￣）。

选择表达式→逻辑电路转换方式可得到如图（A）所示的逻辑电路，若选择表达式→与非逻辑电路转换方式则可得到如图（B）所示全部由与非门组成的逻辑电路。

要获取给定组合逻辑电路的真值表，除了可以用上述直接测试的方法以外，还可以将创建好的逻辑电路输入端连接至逻辑转换仪的输入端，将电路的输出端连接至逻辑转换仪的输出端，如图所示。

然后选择电路→真值表转换方式直接获取真值表，再选择真值表→简化逻辑表达式转换方式，最后根据需要选择表达式→逻辑电路，或者表达式→与非逻辑电路获得简化的逻辑电路。

8.2组合逻辑电路设计一般组合逻辑电路设计过程可归纳为：分析给定问题列出真值表，由真值表求得简化的逻辑表达式，再根据表达式画出逻辑电路。

这一过程可借助逻辑转换仪完成。

例：试设计一个路灯控制逻辑电路，要求在四个不同的地方都能独立的控制路灯的亮灭。

解：设该逻辑电路四个输入变量为：A，B，C，D，分别由[E]，[F]，[G]，[H]四个开关控制，接入高电平（+5V）作为逻辑“1”，接入低电平（“地”）作为逻辑“0”。

逻辑电路输出端L接一指示灯模拟所控制的路灯，输出高电平（逻辑“1”）时指示灯亮，输出低电平（逻辑“0”）时指示灯灭。

（1）打开逻辑转换仪面板，在真值表区电击A，B，C，D四个逻辑变量建立一个四变量真值表，根据逻辑控制要求在真值表区输出变量列中填入相应逻辑值（2）点击逻辑转换仪面板上“真值表→简化逻辑表达式”按钮，求得简化的逻辑表达式。

（3）点击逻辑转换仪面板上“表达示→电路”按钮，获得逻辑电路如图（虚线以下部分）所示。

（4）逻辑功能测试：在通过逻辑转换仪获得的逻辑电路四个输入端接入四个开关，用来选择“+5V）或“地”，输出端L接指示灯，如图虚线以上部分所示。

第八章 脉冲波形的产生与整形在数字电路或系统中，常常需要各种脉冲波形，例如时钟脉冲、控制过程的定时信号等。

这些脉冲波形的获取，通常采用两种方法：一种是利用脉冲信号产生器直接产生；另一种则是通过对已有信号进行变换，使之满足系统的要求。

本章以中规模集成电路555定时器为典型电路，主要讨论555定时器构成的施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器以及555定时器的典型应用。

8.1 集成555定时器555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。

该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。

因而在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域中都得到了广泛的应用。

目前生产的定时器有双极型和CMOS 两种类型，其型号分别有NE555（或5G555）和C7555等多种。

通常，双极型产品型号最后的三位数码都是555，CMOS 产品型号的最后四位数码都是7555，它们的结构、工作原理以及外部引脚排列基本相同。

一般双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS 定时电路具有低功耗、输入阻抗高等优点。

555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。

双极型定时器电源电压范围为5～16V ，最大负载电流可达200mA ；CMOS 定时器电源电压变化范围为3～18V ，最大负载电流在4mA 以下。

一． 555定时器的电路结构与工作原理 1．555定时器内部结构：（1）由三个阻值为5k Ω的电阻组成的分压器； （2）两个电压比较器C 1和C 2：v +＞v －，v o =1； v +＜v －，v o =0。

（3）基本RS 触发器；（4）放电三极管T 及缓冲器G 。

2．工作原理。

当5脚悬空时，比较器C 1和C 2的比较电压分别为cc V 32和cc V 31。

（1）当v I1>cc V 32，v I2>cc V 31时，比较器 C 1输出低电平，C 2输出高电平，基本RS 触发器被置0，放电三极管T 导通，输出端v O 为低电平。

一、各章的重点、难点和教学要求（这里所的难点内容中的难点，不包括非重点内容中的难点。

）第一章逻辑代数基础逻辑代数是本书中分析和和设计数字逻辑电路时使用的主要数学工具，所以把它安排在第一章。

本章重点内容有：1、逻辑代数的基本公式和常用公式：2、逻辑代数的基本定理；3、逻辑函数的各种表示方法及相互转换；4、逻辑函数的化简方法；5、约束项、任意项、无关项的概念以及无关项在化简逻辑函数中的应用。

“最小项”和“任何一个逻辑函数式都可以化为最小项之和形式”是两个非常重要的概念，在逻辑函数的化简和变换中经常用到。

而“最大项”用得很少，不是本章的重点内容。

第一章里没有太难掌握的内容。

稍微难理解一点的是约束项、任意项、无关项这几个概念。

建议讲授过程中多举几个例子，这样可加深对这几个概念的理解。

第二章门电路虽然这章讨论的只是门电路铁外特性，但无论集成电路内部电路多么复杂，只要它们和这一章所讲的门电路具有相同的输入、输出电路结构，则这里对输入、输出特性的分析对它们也同样适同。

因此，这一章是全书对电路进行分析的基础。

本章的重点内容包括以下三个方面：1、半导体二极管三极管（包括双极型和MOS型）开关装态下的等效电路和外特性；2、TTL电路的外特性及其应用；3、CMOS电路的外特性及应用。

为了正确理解和运用这些外特性，需要了解TTL电路和CMOS电路的输入电路和输出电路结构及它们的工作原理。

内部的电路结构不是重点内容。

鉴于CMOS电路在数字集成电路中所占的比重已远远超过了TTL电路，建议在讲授时适当加大C MOS电路的比重，并相应压缩TTL电路的内容。

其他类型的双极型数字集成电路属于扩展知识面的内容。

第2.8节两种集成电路的接口问题可以作为学生自学时的阅读材料。

TTL电路的外特性是本章的一个难点，同时也是一个重点。

尤其是输入端采用多发射极三极管结构时，对输入特性的全面分析比较复杂。

从实用的角度出发，只要弄清输入为高/低时输入电流的实际方向和数值的近似计算就可以了。

数字电路知识点汇总〔东南大学〕第1章 数字逻辑概论 一、进位计数制1.十进制与二进制数的转换2.二进制数与十进制数的转换3.二进制数与16进制数的转换 二、根本逻辑门电路 第2章 逻辑代数表示逻辑函数的方法，归纳起来有：真值表，函数表达式，卡诺图，逻辑图及波形图等几种。

一、逻辑代数的根本公式和常用公式 1〕常量与变量的关系Ａ+0＝Ａ与Ａ=⋅1ＡＡ+1＝1与00=⋅AA A +＝1与A A ⋅＝0 2〕与普通代数相运算规律 a.交换律：Ａ+Ｂ＝Ｂ+ＡA B B A ⋅=⋅b.结合律：〔Ａ+Ｂ〕+Ｃ＝Ａ+〔Ｂ+Ｃ〕)()(C B A C B A ⋅⋅=⋅⋅c.分配律：)(C B A ⋅⋅＝+⋅B A C A ⋅))()(C A B A C B A ++=⋅+〕3〕逻辑函数的特殊规律a.同一律：Ａ+Ａ+Ａb.摩根定律：B A B A ⋅=+，B A B A +=⋅ b.关于否认的性质Ａ＝A 二、逻辑函数的根本规那么 代入规那么在任何一个逻辑等式中，假如将等式两边同时出现某一变量Ａ的地方，都用一个函数Ｌ表示，那么等式仍然成立，这个规那么称为代入规那么例如：C B A C B A ⊕⋅+⊕⋅ 可令Ｌ＝C B ⊕那么上式变成L A L A ⋅+⋅＝C B A L A ⊕⊕=⊕ 三、逻辑函数的：——公式化简法公式化简法就是利用逻辑函数的根本公式和常用公式化简逻辑函数，通常，我们将逻辑函数化简为最简的与—或表达式 1〕合并项法：利用Ａ+1=+A A 或A B A B A =⋅=⋅,将二项合并为一项，合并时可消去一个变量例如：Ｌ＝B A C C B A C B A C B A =+=+)( 2〕吸收法利用公式A B A A =⋅+，消去多余的积项，根据代入规那么B A ⋅可以是任何一个复杂的逻辑式例如 化简函数Ｌ＝E B D A AB ++解：先用摩根定理展开：AB ＝B A + 再用吸收法Ｌ＝E B D A AB ++ ＝E B D A B A +++ ＝)()(E B B D A A +++ ＝)1()1(E B B D A A +++ ＝B A +3〕消去法利用B A B A A +=+ 消去多余的因子 例如，化简函数Ｌ＝ABC E B A B A B A +++ 解： Ｌ＝ABC E B A B A B A +++ ＝)()(ABC B A E B A B A +++＝)()(BC B A E B B A +++＝))(())((C B B B A B B C B A +++++ =)()(C B A C B A +++ =AC B A C A B A +++ =C B A B A ++4)配项法利用公式C A B A BC C A B A ⋅+⋅=+⋅+⋅将某一项乘以〔A A +〕，即乘以1，然后将其折成几项，再与其它项合并。

LOGIC对扰动不敏感（2）Register寄存器为存放二进制数据的器件，通常由Latch 构成。

一般地，寄存器为边沿触发。

（3）flip-flops（触发器）任何由交叉耦合的门形成的双稳电路Register 时序参数D Q Clk T Clk D tsu Q tc-q thold注意：数据的上升和下降时间不同时，延时将不同。

2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 11 页Latch 时序参数Latch 的时序（ Timing ）参数还要考虑tD 2 D Q DQtD-qQClkClktC 2QtC 2Q寄存器（Register）2004－12－1锁存器（Latch）第 8 章 (1) 第 12 页清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德Latch 时序参数D Q Clk正电平 Latch 时钟负边沿T Clk D tc-q PWm thold td-q tsuQ注意：数据的上升和下降时间不同时，延时将不同。

2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 13 页最高时钟频率φ FF’s LOGIC tp,comb最高时钟频率需要满足：tclk-Q + tplogic+ tsetup < T =但同时需要满足:其中tplogic = tp,comb (max) tcd:污染延时（contamination delay） = 最小延时（minimum delay）第 8 章 (1) 第 14 页tcdreg + tcdlogic > thold =2004－12－1其中清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德研究不同时刻 （t1, t2）FF1φ (t1) LOGIC t p,combφ (t2)CLKt1tsu D tholdFF1 输入数据 应保持稳定t tsuF F2t2holdtFF2 输入数据 应保持稳定tclk-q QFF1 输出数据 经组合逻辑到达 t 已达稳定 寄存器输入端tclk-Qtp,comb (max）tsetup因此要求：tclk-Q + tp,comb (max) + tsetup < T =2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 15 页研究同一时刻 （t1）t1 时FF1φ (t1) LOGIC FF1 t p,combt1 时FF2输入数据（2）φ (t1)输入数据（1）tclk-q QFF1 输出数据 已达稳定经组合逻辑已 到达FF2 输入端破坏了本应保 持的数据（2）tt1tcdregtcdlogicholdsuD输入数据（2）应保持稳定至 t1F F2t因此要求 := tcd: 污染延时（contamination delay） = 最小延时（minimum delay）2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 16 页tcdreg + tcdlogic > thold写入（触发）静态 Latch 的方法：以时钟作为隔离信号, 它区分了“透明” （transparent ）和“不透明” （opaque）状态CLKCLKQ CLKD CLKDD弱反相器CLKMUX 实现弱反相器实现（强制写入）（控制门可仅用NMOS实现）2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德第 8 章 (1) 第 17 页Latch 的具体实现基于Mux 的 Latch负（电平） latch (CLK= 0 时透明) 正（电平） latch (CLK= 1 时透明)1 D 0Q D0 1QCLKCLKQ = Clk ⋅ Q + Clk ⋅ In2004－12－1Q = Clk ⋅ Q + Clk ⋅ In第 8 章 (1) 第 18 页清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德基于（传输门实现的） Mux 的 LatchCLKQ CLK DCLK（1）尺寸设计容易 （2）晶体管数目多（时钟负载因而功耗大）2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 19 页基于（传输管实现）Mux 的 Latch（仅NMOS 实现）CLK QM QM CLK CLKCLK仅NMOS 实现不重叠时钟 （Non-overlapping clocks）（1）仅NMOS 实现，电路简单，减少了时钟负载 （2）有电压阈值损失（影响噪声容限和性能，可能引起静态功耗）2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 20 页Q单元形式的Latch采用串联电压开关逻辑（CVSL）QNon-overlap时间过长，存储在动态节点上的电荷会泄漏掉（故称伪静态）低电压静态Latch双边沿触发寄存器RS Latch?动态Latch 和Register（1）比静态Latch和Register 简单（2）基于在寄生电容上存储电荷，由于漏电需要周期刷新（或经常更新数据）（3）不破坏的读信息：因此需要输入高阻抗的器件传输门构成的动态边沿触发寄存器（只需8 个晶体管，节省功耗和提高性能，甚至可只用NMOS 实现）动态节点。

第八章脉冲产生与整形在时序电路中，常常需要用到不同幅度、宽度以及具有陡峭边沿的脉冲信号。

事实上，数字系统几乎离不开脉冲信号。

获取这些脉冲信号的方法通常有两种：直接产生或者利用已有信号变换得到。

本章主要讨论常用的脉冲产生和整形电路的结构、工作原理、性能分析等，常见的脉冲电路有：单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器。

第一节基本知识、重点与难点一、基本知识（一）常用脉冲产生和整形电路1. 施密特触发器（1）电路特点施密特触发器是常用的脉冲变换和脉冲整形电路。

电路主要有两个特点：一是施密特触发器是电平型触发电路；二是施密特触发器电压传输特性具有回差特性，或称滞回特性。

输入信号在低电平上升过程中，电路输出状态发生转换时对应的输入电平称为正向阈值电压U T+，输入信号在高电平下降过程中，电路状态转换对应的输入电平称为负向阈值电压U T－，U T+与U T－的差值称为回差电压ΔU T。

（2）电路构成及参数施密特触发器有多种构成方式，如：门电路构成、集成施密特触发器、555定时器构成。

主要电路参数：正向阈值电压U T+、负向阈值电压U T－和回差电压ΔU T。

（3）电路应用施密特触发器主要应用范围：波形变换、波形整形和幅度鉴别等。

2. 单稳态触发器（1）电路特点单稳态触发器特点如下：①单稳态触发器有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；②在外加触发信号的作用下，触发器可以从稳态翻转到暂稳态，暂稳态维持一段时间，自动返回原稳态；③暂稳态维持时间的长短取决于电路参数R和C。

（2）电路构成及参数单稳态触发器有多种构成方式，如：门电路构成的积分型单稳态触发器、门电路构成的微分型单稳态触发器、集成单稳态触发器、555定时器构成的单稳态触发器等。

主要电路参数：暂稳态的维持时间t w、恢复时间t re 、分辨时间t d、输出脉冲幅度U m。

（3）电路应用单稳态触发器主要应用范围：定时、延时、脉冲波形整形等。

3. 多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器，接通电源后，就可以自动产生矩形脉冲，是数字系统中产生脉冲信号的主要电路。