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
补码中的位权1−12806403211618040201

8 位模式 1001 1000 以补码形式存储一个有符号整数。它的十进制值 N 是多少?

1001 10008 bit
N =
2.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1010 0111 XOR 0110 1010 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1010 0111XOR0110 1010
R =
3.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC000111100101324576

把 F = AC′ + B′C′ + 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 = AC′ + B′C′ + A′B′C′
L =
4.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
CLKJK1234567

一个上升沿触发的 JK 触发器从 Q = 0 开始,在 7 个时钟上升沿接收到所示的输入。Q 改变状态的次数 N 是多少?

Q₀ = 0JK
N =
5.数据采集与采样中等
tTs​ = 1/fs​f = 115 kHzfs​ = 100 kHz

一个 115 kHz 的正弦波在没有抗混叠滤波器的情况下以 100 kHz 采样。它在采样中出现在哪个频率 fa?以 kHz 给出。

f = 115 kHzfs = 100 kHz
fa = kHz
6.数据采集与采样困难
f0fs​/2fs​2.4 kHz7f₁?

一个 2.4 kHz 方波在没有抗混叠滤波器的情况下以 10 kHz 采样。方波含有奇次谐波 3f₁、5f₁、7f₁、…… 它的谐波 7f₁ 在采样数据中出现在哪个频率 fa?以 kHz 给出。

f₁ = 2.4 kHzfs = 10 kHz谐波: 7f₁
fa = kHz

3溶液

1.数制

答案: N = −104

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。

位权相加

其余各位保持正常的正权值。

−128 + 16 + 8 = −104

答案

N = −104
2.数制

答案: R = 205

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

XOR 在两位不同时得 1。

1010 0111
XOR 0110 1010
= 1100 1101

结果的值

1100 1101₂ = 205

答案

R = 205
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

AC′ → m(4, 6)
B′C′ → m(0, 4)
A′B′C′ → m(0)
ABC00011110011001030214050716

圈组并读出结果

F = B′C′ + AC′

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: N = 5

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

JK 触发器:00 保持,01 复位 (Q = 0),10 置位 (Q = 1),11 翻转。

1: J = 1, K = 1 → Q = 1
2: J = 0, K = 1 → Q = 0
3: J = 1, K = 0 → Q = 1
4: J = 1, K = 0 → Q = 1
5: J = 0, K = 1 → Q = 0
6: J = 1, K = 1 → Q = 1
7: J = 0, K = 0 → Q = 1

数出变化的次数

0 → 1 → 0 → 1 → 1 → 0 → 1 → 1
N = 5

答案

N = 5
5.数据采集与采样

答案: fa = 15 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。

奈奎斯特频率

fs/2 = 50 kHz < f = 115 kHz

最接近的采样率整数倍

k = round(115/100) = 1

混叠频率

fa = |115 − 1·100| = 15 kHz

答案

fa = 15 kHz

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: fa = 3.2 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

7f₁ = 7·2.4 kHz = 16.8 kHz

最接近的采样率整数倍

m = round(1.68) = 2

混叠频率

fa = |16.8 − 2·10| = 3.2 kHz

答案

fa = 3.2 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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