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1−12816413201608041201

8 位模式 1110 0010 以补码形式存储一个有符号整数。它的十进制值 N 是多少?

1110 00108 bit
N =
2.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1101 1100 << 1 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1101 1100<< 1
R =
3.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111000111302140507061121131151140819011110

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(1, 3, 4, 9, 10, 12, 13, 14, 15) 的最简积之和 (SOP) 形式。它总共包含多少个文字 L(带撇的变量算一个文字)?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 3, 4, 9, 10, 12, 13, 14, 15)
L =
4.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD000111100001111000X11312041507161121131151141809111X10

求 F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 5, 6, 8, 11, 12, 13, 14, 15) + d(1, 10) 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(2, 3, 5, 6, 8, 11, 12, 13, 14, 15) + d(1, 10)
L =
5.数据采集与采样中等
128⋮8 ch∿01N = 1620 kHz? MB

一台记录仪用 16 位 ADC 对 8 个通道各以 20 kHz 采样。每个采样点以整数个字节存储。求 1 min 记录所需的内存 M,单位 MB(1 MB = 10⁶ 字节)。

n = 8fs = 20 kHzN = 16t = 1 min
M = MB
6.数据采集与采样困难
126⋮6 ch∿01tc​ = 2.5 µstset​ = 1 µsfs​ = ?

一个 6 通道的多路复用器为一个 ADC 供给信号。每次转换需要 2.5 µs,每次切换通道后输入还需要 1 µs 建立。各通道不间断地依次扫描。求每个通道的采样率 fs,单位 kHz。

n = 6tc = 2.5 µstset = 1 µs
fs = kHz

3溶液

1.数制

答案: N = −30

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 + 64 + 32 + 2 = −30

答案

N = −30
2.数制

答案: R = 184

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

左移 1 位,把每一位向左移动 1 个位置;从左端移出的位丢失,右侧补入 0。

1101 1100 << 1
= 1011 1000

结果的值

1011 1000₂ = 184

答案

R = 184
3.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 14

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。

ABCD000111100001111000111302140507061121131151140819011110

圈 1

每个圈都是由 2ᵏ 个格子组成的矩形;边上的格子与对边上的格子相邻。

B′C′D
BC′D′
ACD′
AB
A′B′D

最简 SOP 形式

F = B′C′D + BC′D′ + ACD′ + AB + A′B′D
L = 14

答案

L = 14

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

4.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 11

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。

CD′, B′C, BC′D, AD′, AC, A′C′D, AB, A′B′D
ABCD000111100001111000X11312041507161121131151141809111X10

最小覆盖

F = CD′ + B′C + BC′D + AD′ + AC
L = 11

答案

L = 11

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 = 19.2 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

⌈16/8⌉ = 2 B

字节速率

8·20000·2 = 320000 B/s

内存

M = 320000·60 = 1.92 × 10⁷ B = 19.2 MB

答案

M = 19.2 MB
6.数据采集与采样

答案: fs = 47.62 kHz

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)。

每个通道的时间

2.5 + 1 = 3.5 µs

每次扫描的时间

6·3.5 = 21 µs

每个通道的采样率

fs = 1/21 µs = 47.62 kHz

答案

fs = 47.62 kHz

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