FPGA数字电路设计综述.docVIP

1 数字电子基础 3 1.1 导读 3 1.2 数字电路概述 3 1.2.1 数字信号与数字电路 3 1.2逻辑函数及其表示方法 4 1.2.1逻辑代数 4 1.2.2逻辑函数的表示方法及相互转换 4 1.3逻辑函数的公式化简法 6 1.3.1逻辑函数的不同表达方式 6 1.3.2逻辑函数的公式化简法 6 1.4逻辑函数的卡诺图化简法 6 1.4.1逻辑函数的最小项及其表达式 6 1.4.2逻辑函数的卡诺图表示法 7 1.4.3用卡诺图化简逻辑函数 8 2逻辑门电路 10 2.1 导读 10 2.1逻辑门电路 10 2.1.1三种基本门电路 10 2.1.2 DTL与非门 12 2.2 TTL逻辑门电路 13 2.2.1 TTL与非门的电路结构 13 2.2.2 TTL与非门的工作原理 13 2.3 其他类型的TTL门电路 14 2.3.1集电极开路与非门（OC门） 14 2.3.2三态门（TSL门） 15 2.4多余输入端的处理 17 3组合逻辑 19 3.1 导读 19 3.2组合逻辑电路基础 19 3.2.1组合逻辑电路的基本概念 19 3.2.2组合逻辑电路的分析方法 20 3.2.3组合逻辑电路的设计方法 20 3.3常用组合逻辑建模 21 3.3.1编码器 21 3.3.2 译码器和数据分配器 24 3.3.3数据选择器 29 3.3.4数值比较器 30 3.3.5加法器（减法器） 32 3.3.6乘法器 34 3.3.7除法器 36 4触发器 38 4.1导读 38 4.2触发器的电路结构及工作原理 38 4.2.1基本RS触发器(异步) 38 4.2.2同步RS触发器 39 4.2.3主从触发器和边沿触发器 42 4.3触发器的功能分类及相互转换 44 4.3.1触发器的功能分类 44 4.3.2不同类型时钟触发器的相互转换 45 5时序逻辑电路 47 5.1导读 47 5.2时序逻辑电路的基本概念 47 5.2.1时序逻辑电路的结构及特点 47 5.3 时序逻辑的设计 48 5.3.1同步时序逻辑电路的设计步骤 48 5.3.2时序电路通用设计方法 48 5.3时序逻辑建模 49 5.3.1数码寄存器 49 5.3.2移位寄存器 50 5.3.3锁存器 50 5.3.4寄存器集成电路介绍 51 5.3.5计数器 53 6总结 60 1 数字电子基础 1.1 导读 个人认为，现代信息技术就是，把现实世界，利用强大的计算机技术处理和变换。而数字电路技术是整个信息技术的一个桥梁。现代计算机是基于是微电体系的，至少现阶段计算机只能做“电计算”。所以我们需要一门技术把丰富多彩的现实世界，用电信号表示出来让计算机也能理解，数字电路就是起这个作用。他能够把现实世界中的各种信息，转换到计算机的物理的电世界。本章介绍了把现实世界用物理的电信号表示出来的基本技术。本章主要讨论数字电子技术的基础理论知识。同时，还给出了逻辑函数的概念、表示方法及相互转换。 1.2 数字电路概述 1.2.1 数字信号与数字电路 电子电路中的信号可分为两类，一类在时间和幅度上都是连续的，称为模拟信号，如图1.1所示，例如电压、电流、温度、声音等信号。传送和处理模拟信号的电路称为模拟电路； 图1.1 模拟信号 另一类在时间和幅度上都是离散的，称为数字信号，如图1.2所示，例如计时装置的时基信号、灯光闪烁等信号都属于数字信号。传送和处理数字信号的电路称为数字电路。 图1.2 数字信号 数字电路的特点 信号是离散的数字信号。数字信号常用0、1二元数值表示。 半导体器件均工作在开关状态，即工作在截止区和饱和区。 研究的主要问题是输入、输出之间的逻辑关系。 主要分析工具是逻辑代数。 1.2逻辑函数及其表示方法 1.2.1逻辑代数 逻辑代数又叫布尔代数或开关代数，是由英国数学家乔治·布尔于1847年创立的。逻辑代数与普通代数都由字母来代替变量，但逻辑代数与普通代数的概念不同，它不表示数量大小之间的关系，而是描述客观事物一般逻辑关系的一种数学方法。 逻辑变量的取值只有两种，即逻辑0和逻辑1，它们并不表示数量的大小，而是表示两种对立的逻辑状态，如开关的通与断、电位的高与低、灯的亮与灭等。0和1称为逻辑常量。 例如，在图1.3所示的指示灯控制电路中，我们用字母Y表示指示灯，用A、B表示两个开关。指示灯Y的亮与灭两种状态取决于开关A、B的通断状态。我们将A、B称为输入逻辑变量，将Y称为输出逻辑变量。 图1.3 指示灯控制电路 逻辑代数有两种逻辑体制，其中，正逻辑体制规定，高电平为逻辑1，低电平为逻辑0；负逻辑体制规定，低电平为逻辑1，高电平为逻辑0。 1.2.2逻辑函数的表示方法及相互转换 逻辑函数常用的表示方法有5种：逻辑真值表，逻辑函数表达式，逻辑图，波形