数字电子技术:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 6 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

数制

位权
二进制 2k,八进制 8k,十六进制 16k
转为十进制
Σ dk·bk
从十进制转换
除以基数,余数从下往上读
十六进制 ↔ 二进制
一位十六进制数 = 4 位二进制
二进制补码
按位取反后加 1

数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

基本逻辑门
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
布尔规则
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
德摩根律
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
卡诺图的顺序
00, 01, 11, 10 (Gray code)
由 2ᵏ 个格子组成的圈
消去 k 个变量
4 选 1 多路选择器
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
触发器
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
计数器
n 位:2ⁿ 个状态; 模 N:满足 2ⁿ ≥ N 的最小 n; fout = fclk/N
行波计数器
fmax = 1/(n·tpd)
环形计数器与约翰逊计数器
n 个和 2n 个状态

方法

  1. 对于电路,从输入到输出一个门一个门地分析,并在每根线上写出值;或者写出它的表达式并填写真值表。
  2. 化简时,把 1(以及标为 X 的无关项)填入行列按格雷码 00, 01, 11, 10 排列的卡诺图。
  3. 用尽可能少而大的圈(由 1、2、4、8 或 16 个格子组成)覆盖所有 1,可以绕过边界;每个圈对应一个乘积项,由保持不变的变量构成。求 POS 形式时圈 0。
  4. 对于触发器和计数器,在每个有效时钟边沿读取输入,写出每个边沿之后的状态,并记住 n 位计数器在 2ⁿ 个状态之后回绕。

数据采集与采样

奈奎斯特准则
fs > 2·fmax, fN = fs/2
混叠频率
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
步长
1 LSB = VFSR/2ᴺ
量化误差(四舍五入)
±½ LSB
截断式 ADC 码值
D = ⌊Vin/LSB⌋
分辨率 r 所需的位数
2ᴺ ≥ span/r
理想 SQNR,满量程正弦波
SQNR = 6.02·N + 1.76 dB
数据速率
通道数 × fs × N 比特/秒
多路复用 ADC
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/波特率;8N1 = 每字节 10 位;字节/秒 = 波特率/每帧位数
波特率分频器
baud = fclk/(16·D)

方法

  1. 先写出已知量:采样率、信号频率、位数、输入量程、波特率。
  2. 采样类题目,把每个频率与 fs/2 比较;更高的频率会出现在 fa = |f − k·fs|,其中取最接近的 fs 整数倍。
  3. 分辨率类题目,求 1 LSB = VFSR/2ᴺ,或求满足 2ᴺ ≥ 量程/分辨率 的最小 N。
  4. 数据速率和 UART 链路类题目,要数清所有发送的内容:通道数、每秒采样数、每个采样的位数或整字节数,以及每帧的起始位、校验位和停止位。

2练习题

1.数制中等
8 位补码0−12806403201608040201

设置各位,使其以 8 位补码存储 −29。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −298 bit
U =
2.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0111 0111 >> 2 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0111 0111>> 2
R =
3.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC000111100101324576

把 F = A′BC′ + BC + A′B′C′ 化简为最简积之和形式。化简后的表达式包含多少个文字 L?

F = A′BC′ + BC + A′B′C′
L =
4.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD0001111000011110101103120415X706X120130151141809011010

求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 5, 8, 14) + d(7, 12) 的最简 SOP 形式,其中 d 表示无关项。它包含多少个文字 L?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 5, 8, 14) + d(7, 12)
L =
5.数据采集与采样中等
128⋮8 ch∿01N = 101 kHz? MB

一台记录仪用 10 位 ADC 对 8 个通道各以 1 kHz 采样。每个采样点以整数个字节存储。求 10 min 记录所需的内存 M,单位 MB(1 MB = 10⁶ 字节)。

n = 8fs = 1 kHzN = 10t = 10 min
M = MB
6.数据采集与采样困难
f0fs​/2fs​20 kHz3f₁?

一个 20 kHz 方波在没有抗混叠滤波器的情况下以 50 kHz 采样。方波含有奇次谐波 3f₁、5f₁、7f₁、…… 它的谐波 3f₁ 在采样数据中出现在哪个频率 fa?以 kHz 给出。

f₁ = 20 kHzfs = 50 kHz谐波: 3f₁
fa = kHz

3溶液

1.数制

答案: U = 227

设置比特位:每一位对应 2 的一个幂(128、64、…、1)。一个十六进制数字恰好是四位,在 8 位补码中最左边的位权重为 −128。按位运算对每个位位置分别进行。

取反加一

29 = 0001 1101
取反后: 1110 0010
+1 → 1110 0011

按无符号数读取

1110 0011₂ = 256 − 29 = 227

答案

U = 227
2.数制

答案: R = 29

设置比特位:每一位对应 2 的一个幂(128、64、…、1)。一个十六进制数字恰好是四位,在 8 位补码中最左边的位权重为 −128。按位运算对每个位位置分别进行。

逐位计算

右移 2 位,把每一位向右移动 2 个位置;从右端移出的位丢失,左侧补入 0。

0111 0111 >> 2
= 0001 1101

结果的值

0001 1101₂ = 29

答案

R = 29
3.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 4

布尔代数:化简表达式的规则有 X + X′ = 1 和 X·X′ = 0、X + X = X、吸收律 X + X·Y = X、合并律 X·Y + X·Y′ = X、X + X′Y = X + Y,以及一致性定理 XY + X′Z + YZ = XY + X′Z。德摩根律把 (X·Y)′ 变成 X′ + Y′,把 (X + Y)′ 变成 X′·Y′。卡诺图以图形方式应用这些规则:每个由两个相邻格子组成的圈,就是一次使用 XY + XY′ = X。

表达式的最小项

A′BC′ → m(2)
BC → m(3, 7)
A′B′C′ → m(0)
ABC00011110011001131204051706

圈组并读出结果

F = BC + A′C′

数出文字个数

L = 4

答案

L = 4
4.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 12

卡诺图:各格按格雷码(00, 01, 11, 10)排列,所以相邻的格子(包括跨越边界的格子)恰好只有一个变量不同。把 1 圈成由 1、2、4、8 或 16 个格子组成的矩形,圈尽可能大、尽可能少,直到每个 1 都被覆盖。每个圈对应一个乘积项:圈内保持不变的变量。由 2ᵏ 个格子组成的圈会消去 k 个变量。无关项 (X) 可用来使圈变大,但不必被覆盖。改为圈 0 则得到最简 POS 形式。

质蕴涵项

由 1 和 X 能够构成的最大的圈。

B′C′D′, A′C′D, AC′D′, A′B′D′, A′BD, ABD′, A′B′C′
ABCD0001111000011110101103120415X706X120130151141809011010

最小覆盖

F = B′C′D′ + A′C′D + A′B′D′ + ABD′
L = 12

答案

L = 12

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

5.数据采集与采样

答案: M = 9.6 MB

数据速率:每个通道每秒提供 fs 个 N 位的采样,因此原始速率为 通道数 × fs × N bit/s。在内存中一个采样占用整数个字节(12 位采样存为 2 个字节),因此一段记录的内存为 通道数 × fs × 每个采样的字节数 × 时间。多路复用 ADC 依次转换各通道:每次转换(含建立时间)需要 t,所以 n 个通道转一轮需要 n·t,每个通道的采样频率为 1/(n·t)。

每个采样的字节数

⌈10/8⌉ = 2 B

字节速率

8·1000·2 = 16000 B/s

内存

M = 16000·600 = 9.6 × 10⁶ B = 9.6 MB

答案

M = 9.6 MB
6.数据采集与采样

答案: fa = 10 kHz

采样:ADC 每秒测量信号 fs 次。根据奈奎斯特–香农定理,只有当 f < fs/2(奈奎斯特频率,也称折叠频率)时,频率 f 才能被正确采集,因此采样率必须超过最高信号频率的两倍。更高的频率不会丢失:它会作为混叠出现在 fa = |f − k·fs|,其中整数 k 使结果落在 0 到 fs/2 之间。采样点无法区分二者,因此必须在 ADC 之前用模拟抗混叠滤波器滤除 fs/2 以上的全部成分。

谐波频率

3f₁ = 3·20 kHz = 60 kHz

最接近的采样率整数倍

m = round(1.2) = 1

混叠频率

fa = |60 − 1·50| = 10 kHz

答案

fa = 10 kHz

混叠落在信号频带内,任何数字滤波器都无法去除它。只有在 ADC 之前使用模拟滤波器才有帮助。

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