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课程讲义
数字电子技术讲义
——项目驱动式教程
北华航天工业学院电子工程系
1.引言
本教程以一个数字钟电路的设计贯穿整个数字电子技术的学习。
打破传统教材从二极管到门电路再到逻辑电路，从二级制到逻辑代数再到电路设计的自底向上的讲述顺序，采用自顶向下的教学顺序，从一个典型的数字电路——数字钟开始，首先认识什么是数字电路，对数字电路有一个初步的印象，进而对该电路的功能进行分析，对电路的构成模块进行分解，然后从最简单的模块入手，由设计任务进行驱动，学习数字电子技术相关的理论知识，同时辅以动手实践，在具体电路的设计和调试过程中加深对基本概念的理解，增强设计能力的锻炼，为后续课程《可编程逻辑器件》的学习打下坚实的理论和实践基础。
什么是自顶向下的教学顺序？
举一个简单的例子，现在开始学习盖房子，我们想到的第一个问题是：
这栋房子要实现什么功能？
简单的归纳一下，要实现的基本功能包括：
遮风、避雨、保温、透光。
那么第二个问题就出来了：
怎样实现这些功能？
相关的功能部件都有哪些？
答案也很简单，我们需要分别去设计墙、梁、顶、窗。
第三个问题：
用什么材料去实现这些部件？
这里可以有不同的设计方法，模块化的设计或者零件化的设计，模块化设计可以采用预制的各种模块，像搭积木一样，零件化的设计可以细化到砖头、水泥、木头、玻璃这些基本材料。
在自顶向下的教学中，我们不是从砖头或水泥开始，先讲一大堆难以理解的伦理知识，比如砖是粘土烧制的，烧结温度是多少多少，水泥和沙子有多少种配比等等。
而是从什么是房子这个问题开始，分析房子的功能，首先用预制的梁和板完成一间具有基本功能的房子，进而再逐步深入的去学习怎样制作梁，怎样浇筑板。
为什么选择数字钟作为例程？
提到数字钟这个电路，很多课下自学过单片机的同学可能会说，“这个太简单了”，这里需要强调一下，用单片机做的数字钟属于软件的实现方法，我们这门课《数字电子技术》属于硬件电路设计，这是完全不同的两个领域。
关于两者的区别和联系，学完这门课程会有更加清晰的认识。
另外，数字钟电路是通过门电路、计数器等中小规模集成芯片来实现的，这是一种在上世纪七八十年代广泛使用的“过时”的设计方法，说过时，是因为现在几乎不会有人再用这类芯片去设计数字电路，也很难用它去设计实现比较复杂的电路，从上世纪八十年代开始广泛出现的可编程逻辑器件早已从集成规模、芯片价格、设计难度全方面的取代了中小规模集成电路。
但是作为一种教学方式，它是不过时的，用CPLD、FPGA的芯片去设计电路，本质上讲仍然属于硬件电路设计。
这里需要提一下，有些人把CPLD、FPGA电路设计简单的理解成“编程”，这种理解是不对的，虽然芯片厂商不断推出越来越简单的设计程序，甚至有芯片厂商开始推荐用户用C语言来编程，在实际工作中不断降低劳动强度，但是其硬件电路设计的本质没有改变，改变的仅仅是表达和描述的方式，如果没有数字电路设计的理论基础，就像在沙滩上盖房子，永远难以建起高楼大厦。
怎样学好数字电子技术？
怎样学好这门课这个问题不是孤立存在的，《电路分析》《模拟电子技术》和《数字电子技术》三门课共同构成了电子类专业课程的基石，在后两门课的学习中都要坚持理论与实践结合，实践与理论并重，一定要完成调一个电路、画一块板子的基本任务，打好基础，练好基本功，后续再学习可编程逻辑器件的电路设计，并与实际工程应用相结合，才能真正掌握电路设计的方法。
2.数字钟功能分析
数字钟电路如图1.1所示，它具有计时、校准、整点报时等功能，能够按24时制显示时、分、秒；能够分别对时分秒各位进行调整，被调整位具有数字闪烁功能；每个小时的最后10秒钟进行整点报时，即在59分51秒、53秒、55秒、57秒、59秒时分别发出“滴滴滴滴嘟”的声音。
图1.1数字钟电路
将电路按照功能模块进行划分，可以分成图1.2所示的几个部分。
图1.2数字钟的组成框图
首先，为了能够按秒进行计时，必须有一个周期为1s的固有信号，这个信号称为秒脉冲，它由脉冲发生器电路产生，脉冲频率保持不变。
计数器是数字钟的核心，它对秒脉冲按时分秒三位进行计数，其中秒位是一个60进制的计数器，每计60秒，向分位进一；分位也是一个60进制的计数器，每过60分向时位进一，时位是一个24进制的计数器，每过24小时，自动回到0.
计数器对脉冲个数的计数是以二进制的形式进行的，不方便人来识别，所以需要一个显示单元电路以更加直观的形式将计数结果进行显示。
这里选择数码管作为显示器件。
报时单元电路是另一个输出模块，判断计数值满足一定条件时，驱动蜂鸣器发出声音信号。
调节单元本质上是对计数器计数结果的人为干预，根据用户按键的不同输入，对三组计数器的计数值进行修改，这里会涉及到较为复杂的逻辑控制。
3.数码管及相关概念
本节首先从显示单元电路开始分析，这里涉及到数码管显示原理和显示译码电路两部分知识。
首先介绍数码管的结构和原理。
1.
2.
2.1.LED数码管的结构、原理
为了能以十进制数码直观地显示数字系统的运行数据，目前广泛使用了七段字符显示器，或称七段数码管。
这种字符显示器由七段可发光的线段拼接而成。
半导体数码管的每个线段都是一个发光二极管，因此也把它叫做LED数码管，常见外形如图2.1所示。
发光二级管使用的材料与普通的硅二极管不同，有磷砷化镓、磷化镓、砷化镓等几种，而且半导体中的杂质浓度很高。
当外加正电压的时候，大量的电子和空穴在扩散的过程中复合，其中一部分电子从导带跃进到价带，把多余的能量以光的形式释放出来，便发出一定波长的可见光。
常见的数码管型号有BS201、BS211等，在这些数码管中还在右下角处增设了一个小数点，形成了所谓的八段数码管。
图2.1数码管外观和示意图
为减少器件的引脚数量，每个数码管中的8个发光二极管会将阴极连在一起，称为共阴极数码管，或者8个发光二极管的阳极连在一起，称为共阳极数码管。
其等效电路如图2.2所示。
各段发光二极管与数码管引脚之间的连接关系可以查阅器件的数据手册，或者用万用表进行测量。
如果想要点亮某段线段，只需将相应的发光二极管加上一定的正向偏置电压即可。
图2.2数码管等效电路
思考题1：
如何用万用表测试数码管的类型和引脚？
动手实践1：
在面包板上点亮一个数码管，显示特定的数字。
（注意：
发光二极管的正向导通电压一般在1.7V左右，如果将5V的电源电压直接加到发光二极管的两端，发光二极管将因流过过大的正向电流而烧毁，所以必须串接适当的限流电阻。
发光二极管正常发光时的电流为10mA左右，当使用5V电源时，限流电阻可以取330Ω或者再稍大一些。
）
通过上面的实践我们发现，为了使数码管显示一定的字符，需要给数码管的引脚加上特定的电平。
这里以共阴极数码管为例，当b、c引脚加高电平，其他引脚加低电平时，数码管将显示字符“1”。
为了表示方便，我们用数字1表示高电平，用数字0表示低电平，将a~g各引脚的电平按顺序排列，可以视为一个编码。
例如，显示字符“1”对应编码0110000，显示字符2对应编码1101101。
2.2.显示译码电路
在数字电路中，我们用低电平和高电平表示数字0和1，这是一种约定的对应关系，如果用高电平表示1，用低电平表示0，这种对应关系我们称为正逻辑。
当然也可以用低电平表示1，用高电平表示0，相应的称为负逻辑。
如果不做特殊说明，后面我们缺省都以正逻辑进行叙述。
在数字钟的计数器电路单元中，脉冲个数的计数值是以二进制的形式保存和输出的，十进制计数器CD4518的计数状态如表2.1所示。
表2.1CD4518计数状态
计数值
引脚状态
Q3
Q2
Q1
Q0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
2
0
0
1
0
3
0
0
1
1
4
0
1
0
0
5
0
1
0
1
6
0
1
1
0
7
0
1
1
1
8
1
0
0
0
9
1
0
0
1
显然，计数器中数字的表示方法与数码管所需的显示编码并不相同，现在我们需要一个电路能够自动的将计数器的二进制数转换成数码管的编码，这样的一个电路称为译码器。
完成这个功能的译码器至少需要四个输入引脚和七个输出引脚，其示意图如图2.3所示。
图2.3译码器电路示意图
芯片CD4511就是这样的一款显示译码芯片，其引脚、功能、封装可以查看相关的产品数据手册。
思考题2：
上网查找芯片CD4511的数据手册，并学习其主要功能和用法？
动手实践2：
由一片CD4511和一个共阴极数码管构成一位显示电路单元，实现对二进制数字的静态显示。
4.数制和码制
前节提到，在数字电路中用二进制表示数字，本节内容将重点讲述二进制数的数学基础，相关内容参见阎石编著《数字电子技术》（第五版）第一章。
需要掌握的主要知识点包括：
1.二进制、八进制、十六进制的含义；
2.二进制数与十进制数的相互转化；
3.二进制小数的表示；
4.二进制数与八进制、十六进制数的相互转化；
5.二进制数的四则运算
6.补码的含义和应用
7.常见的编码
8.通过格雷码的特点初步理解竞争冒险的概念
竞争冒险的初步认识：
假设某个计数器电路，其计数值以4位二进制数（Q3Q2Q1Q0）的形式进行表示，在计数值变化的工程中，比如计数值由3变成4，相应的二进制形式为（0011）→（0100），在这一过程中，Q2、Q1、Q0的数值都将发生变化，在实际电路中，我们不能保证这种变化是严格同时发生的，比如由于某种原因Q0的变化最快，Q1次之，Q2最慢，计数器的实际输出过程为（0011）→（0010）→（0000）→（0100），虽然中间两个状态保持的时间非常短暂，但是在某些情况下，会对电路造成致命性的影响。
如果将计数器的输出用格雷码来表示，相邻的两个计数值只有一位数字不同，就可以避免上述情况的发生。
5.计数器
根据讲义第1节中数字钟的结构框图可知，数字钟的核心电路是一个计数器。
在讲义第2节中实现了十进制数字的静态显示。
如果能够把计数器的计数值动态的输入到显示电路的输入端，那么就可以动态的显示计数的结果，要达到这一目标，一个必要的前提条件是：
计数器的输出信号和译码器的输入信号应该有相同的定义。
CD4511的输入是二进制形式的，那么计数器CD4518的输出也应该是用二进制形式表示的。
下面讨论计数器的输入。
作为一个电子电路，计数器的输入只能是电信号，而作为数字电路，又限定了这个输入信号只能是数字信号，即常说的数字脉冲信号。
图4.1是几种常见的计数信号。
正脉冲负脉冲上升沿下降沿
图4.1常见计数信号
表4.1是CD4518的功能表，由其中的前两行可以看出，芯片有两种计数模式，将ENABLE引脚接高电平，RESET引脚接低电平，芯片可以对CLOCK引脚上的上升沿信号进行计数；将CLOCK引脚和RESET引脚都接低电平，芯片可以对ENABLE引脚上的下降沿信号进行计数。
表4.1CD4518功能表
思考题：
上网查找芯片CD4518的数据手册，并学习其主要功能和用法？
动手实践：
将一片CD4518接成一个十进制计数器，将其计数结果与CD4511构成的显示电路相连。
（计数器的输入脉冲信号可以用按键产生，也可以使用试验台上的信号源输出TTL方波信号）
6.脉冲源
本节学习标准秒脉冲发生电路的工作原理。
它的核心是时基芯片NE555，通过控制阻容回路充放电的过程，实现一个多谐振荡电路，产生固定频率的脉冲信号。
3.
4.
5.
5.1.555定时器引脚
DIP8封装的NE555实物如图5.1所示，其引脚分配见图5.2。
它是一种数模混合的芯片，电源和地线引脚分别为8脚和1脚，分配位置与常见的数字电路不同。
5脚为参考输入电压，该引脚为可选输入，当该引脚不使用时，系统以电源电压作为参考基准。
图5.1NE555外形图图5.2NE555引脚分配
5.2.555定时器功能表
NE555的功能表见表5.1，引脚4为异步清零信号
，当该引脚输入低电平时，不论其他输入引脚为什么状态，第3引脚都将输出低电平。
当引脚4输入高电平，
=1时，芯片将2、6两个输入引脚上的信号与两个阈值电平
、
相比较，根据比较结果控制输出端3引脚的输出电平。
芯片除了3引脚作为输出端外，还有7引脚作为辅助输出，根据NE555原理框图（图5.3），7引脚连接到芯片内部的一个三极管的集电极，控制三极管基极的信号为G3的输出，它与3引脚电平相反，当3引脚信号Vo=1时，三极管基极为低电平，三极管处于截止状态，7引脚输出为高阻态（相当于引脚悬空），当3引脚信号Vo=0时，三极管基极为高电平，三极管处于饱和状态，7引脚输出为低电平（相当于引脚与地连通）。
功能表中第三行输出“原态”的含义是：
当输入由其他状态转变为“
”时，输出将保持前一时刻的状态不变。
表5.1NE555功能表
图5.3NE555原理框图
5.3.555定时器构成多谐振荡器（脉冲源）
由NE555与外围元件R1、R2、C构成如图5.4所示的振荡电路。
当引脚7处于高阻状态时，电容C通过R1、R2构成的串联支路充电；当7引脚被内部三极管拉低时，电容C通过电阻R2放电。
图5.4NE555构成的多谐振荡器
图5.5电容C及振荡器输出电压波形
电路接通电源的初始时刻，电容C上的电压为零，引脚2、6输入电平等于零，NE555处于功能表第4行所示状态，3引脚输出高电平，TD截止，电源通过R1和R2对电容C进行充电。
根据三要素法可以得到电容C的充电电压曲线（初始电压为零，终止电压为Vcc，时间常数为（R1+R2）×C）。
当电容电压超过
时，NE555进入功能表第3行所示状态，输出及TD状态保持不变，电容继续充电。
当电容电压超过
时，NE555进入功能表第2行所示状态，输出反转，3引脚输出低电平。
同时TD导通，电容通过R1和TD对地进行放电，进入放电过程，根据三要素法可以得到电容C的放电电压曲线（初始电压为
，终止电压为0，时间常数为R2×C）。
当电容电压低于
时，电容再次进入充电过程，周而复始，引脚3将输出确定周期的方波信号。
信号周期由充放电回路的时间常数确定，具体关系如5-1式所示：
（5-1）
思考题：
要想通过NE555多谐振荡电路产生1Hz的方波信号作为数字钟的计时秒脉冲，试确定合适的阻容参数。
动手实践：
用NE555搭建多谐振荡电路，产生标准秒脉冲信号，并将该信号作为上一节CD4518十进制计数器的输入，对系统进行联调。
7.报时电路
（一）
7.1.简化的任务
基于前几节内容建立的简易计时器只能从0到9进行计数，所以本节的报时电路也要进行简化。
简化后的任务：
设计一个报时电路，当计时到9时点亮一个LED进行显示，持续时间1S。
7.2.一种简易的实现电路
CD4518的计数输出用8421码表示十进制数字0-9，分析其输出状态可以归纳出：
当CD4518的4个输出端中Q3和Q0均为高电平是计数值为9的充分必要条件。
我们要设计的报时电路功能可以描述如下：
电路有两个输入端A和B，一个输出端Y，输入端分别接CD4518的Q3和Q0，当两个输入端都为高电平时，输出高电平，驱动LED发光报时；当两个输入端不同时为高电平时，输出低电平。
电路功能可以用表6-1表示。
表6-1与运算功能表
A
B
Y
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
为了实现上述功能，可以使用图6-1所示电路，电路由两个二极管D1、D2和上拉电阻在R构成，当两个输出端A和B都接5v电平时，两个二极管都处于截止状态，输出端Y=5v；当输入端A接5v电平，B接0v电平时，二极管D2导通，D1截止，输出端Y的电平等于D2的导通压降，一般小于1v，可以认为Y上输出为低电平。
图6-1参考课本71页图3.2.5
这个电路中实现的输出跟输入之间的关系我们称为“逻辑与运算”，简称“与”。
其他两种基本逻辑运算“或”和“非”将在下一节介绍。
8.逻辑代数基础
本节内容请参考课本：
3.2.2二极管与门；3.2.3二极管或门；114页三极管反相器；2.2逻辑代数中的三种基本运算；2.3逻辑代数的基本公式和常用公式；2.5逻辑函数及其表示方法；2.6.2卡诺图化简法；另外根据课堂上CD4518的例子理解约束项和任意项的概念
8.1.三种基本逻辑运算
8.2.逻辑代数基本公式
8.3.逻辑代数常用公式
8.4.逻辑函数表示方法
8.5.逻辑函数的化简
8.6.卡诺图
9.报时电路
（二）
组合逻辑电路设计
10.报时电路（三）
数据选择器设计
11.常见的组合逻辑电路
11.1.编码器
11.2.译码器
11.3.数据选择器和数据分配器
11.4.加法器
11.5.比较器
N进制计数器
统一的时钟——分频器
计数器的基础——触发器
调节校时电路设计——多方案
功能选择电路——时序电路设计（状态机）
高级显示功能——CD4511辅助功能
附录A：
实验套件
元件清单
教学配套实验套件包含了本课程各类常见功能芯片和实验用到的阻容元件，以及面包板和各类线缆，套件清单见表A.1。
表A.1实验套件元器件清单
序号
名称
型号
数量
备注
1
与非门
74HC00
2
2
与非门
74HC20
1
3
译码器
74HC138
1
4
数据选择器
74HC153
1
5
计数器
74HC161
2
6
译码器
CD4511
2
7
计数器
CD4518
1
8
时基电路
NE555
2
9
数码管
42056
2
10
电解电容
47uF
1
11
瓷片电容
0.01uF
5
12
瓷片电容
0.1uF
5
13
电位器
2k
1
14
电位器
20k
1
15
电阻
330
8
16
电阻
510
8
17
电阻
1k
4
18
电阻
1.8k
4
19
电阻
5.1k
4
20
电阻
82k
4
21
面包板
1
22
杜邦线
60
23
电源线
1
器件识别
命名知识
面包板的用法
色环电阻的识别
附录B：
仪器使用
稳压电源
万用表
信号源
示波器
升级会员 