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?−128?64?32?16?8?4?2?1

把 −77 写成 8 位补码模式。再把该模式当作无符号二进制数读出:它的十进制值 U 是多少?

N = −778 bit
U =
2.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0110 1100 >> 2 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0110 1100>> 2
R =
3.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC000111100101324576

把 F = AB′ + ABC + 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 = AB′ + ABC + A′B′C
L =
4.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
CLKT123456

一个上升沿触发的 T 触发器从 Q = 0 开始,接收到所示的输入。点选 Q 第一次从 1 回到 0 的时钟边沿。

Q₀ = 0T
  1. 1时钟边沿 1
  2. 2时钟边沿 2
  3. 3时钟边沿 3
  4. 4时钟边沿 4
  5. 5时钟边沿 5
  6. 6时钟边沿 6
5.数据采集与采样中等
tTs​ = 1/fs​f = 2.4 kHzfs​ = 4 kHz

一个 2.4 kHz 的正弦波在没有抗混叠滤波器的情况下以 4 kHz 采样。它在采样中出现在哪个频率 fa?以 Hz 给出。

f = 2.4 kHzfs = 4 kHz
fa = Hz
6.数据采集与采样困难
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​10·Tb​19200 Bd, 8N1

一个 16 位 ADC 通过 UART 以 19200 波特、8N1 格式(起始位、8 个数据位、1 个停止位)发送每个采样点。每个采样点以 2 个整字节发送,且链路一直处于忙碌状态。求能无混叠采样的最高信号频率 fmax,单位 Hz。

baud = 19200 BdN = 168N1
fmax = Hz

3溶液

1.数制

答案: U = 179

位置计数制:每个数位的值等于该数字乘以基数的某次幂。二进制各位的权为 1、2、4、8、16、……;十六进制为 1、16、256、……,A–F 代表 10–15。在 8 位补码中,最左边一位的权是 −128 而不是 +128,负数就是这样存储的。

取反加一

77 = 0100 1101
取反后: 1011 0010
+1 → 1011 0011

按无符号数读取

1011 0011₂ = 256 − 77 = 179

答案

U = 179
2.数制

答案: R = 27

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。

0110 1100 >> 2
= 0001 1011

结果的值

0001 1011₂ = 27

答案

R = 27
3.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 6

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

AB′ → m(4, 5)
ABC → m(7)
A′B′C → m(1)
ABC00011110010011030214151706

圈组并读出结果

F = B′C + AC + AB′

数出文字个数

L = 6

答案

L = 6
4.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: 时钟边沿 3

触发器与计数器:触发器只在时钟的有效边沿改变。D 复制其输入 (Q⁺ = D);T 在 T = 1 时翻转;JK 在 00 时保持,01 时复位,10 时置位,11 时翻转。n 位二进制计数器有 2ⁿ 个状态,按模 2ⁿ 计数;模 N 计数器依次计 0, 1, …, N − 1 然后回到 0,需要满足 2ⁿ ≥ N 的最小 n 个触发器。行波计数器的每一级使频率减半,所以模 N 计数器的最后一级输出频率为 fclk/N。n 个触发器的约翰逊计数器有 2n 个状态,环形计数器有 n 个。

每个边沿之后的 Q

T 触发器在 T = 1 时每个上升沿翻转,在 T = 0 时保持。

1: T = 1 → Q = 1
2: T = 0 → Q = 1
3: T = 1 → Q = 0
4: T = 1 → Q = 1
5: T = 0 → Q = 1
6: T = 1 → Q = 0

第一次从 1 变为 0

时钟边沿 3

答案

时钟边沿 3
5.数据采集与采样

答案: fa = 1600 Hz

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。

奈奎斯特频率

fs/2 = 2 kHz < f = 2.4 kHz

最接近的采样率整数倍

k = round(2400/4000) = 1

混叠频率

fa = |2400 − 1·4000| = 1600 Hz

答案

fa = 1600 Hz

图中的虚线曲线就是混叠:它恰好通过相同的采样点。

6.数据采集与采样

答案: fmax = 480 Hz

UART:异步串行链路把每个字节作为一帧发送:一个起始位(低电平)、若干数据位、一个可选的校验位以及一个或两个停止位(高电平)。波特率是每秒的位数,所以一位持续 Tb = 1/波特率,n 位的一帧持续 n/波特率。常见的 8N1 格式每个字节占 10 位。波特率发生器对时钟分频:波特率 = fclk/(16·D),其中 D 为整数,因此实际波特率与目标值略有差别;误差在约 2 % 以内通常可以接受。

线路上每个采样点的位数

2·10 = 20 bit

最高采样率

fs,max = 19200/20 = 960 Hz

奈奎斯特极限

fmax = 960/2 = 480 Hz

答案

fmax = 480 Hz

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