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 −37 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 = −378 bit
U =
2.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1011 0100 >> 1 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1011 0100>> 1
R =
3.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC000111100101324576

把 F = AB + A′C′ + ABC′ + A′BC 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 + A′C′ + ABC′ + A′BC
L =
4.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD00011110000111101011031214X50716112113X151140809111X10

求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 4, 6, 11, 12, 13, 14) + d(5, 10, 15) 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, 4, 6, 11, 12, 13, 14) + d(5, 10, 15)
L =
5.数据采集与采样中等
Vin​N = ?250 kPa2ᴺ − 10≤ 0.2 kPa

一个传感器在 250 kPa 的量程内测量压力,其输出充满 ADC 的整个输入范围。读数必须分辨出 0.2 kPa。求 ADC 所需的最小位数 N。

量程 = 250 kPa分辨率 = 0.2 kPa
N =
6.数据采集与采样困难
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​10 MHz / (16·D)

一个时钟为 10 MHz 的微控制器把其 UART 波特率设为 fclk/(16·D),其中 D 是四舍五入到最接近值的整数。目标是 57600 波特。求实际波特率的百分比误差(偏快时为正)。

fclk = 10 MHz目标 = 57600 Bd
e = %

3溶液

1.数制

答案: U = 219

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

37 = 0010 0101
取反后: 1101 1010
+1 → 1101 1011

按无符号数读取

1101 1011₂ = 256 − 37 = 219

答案

U = 219
2.数制

答案: R = 90

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 1 位,把每一位向右移动 1 个位置;从右端移出的位丢失,左侧补入 0。

1011 0100 >> 1
= 0101 1010

结果的值

0101 1010₂ = 90

答案

R = 90
3.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 3

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(6, 7)
A′C′ → m(0, 2)
ABC′ → m(6)
A′BC → m(3)
ABC00011110011001131204051716

圈组并读出结果

F = B + A′C′

数出文字个数

L = 3

答案

L = 3
4.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 8

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′, BD′, BC′, A′D′, A′C′, AC, AB
ABCD00011110000111101011031214X50716112113X151140809111X10

最小覆盖

F = CD′ + BC′ + A′C′ + AC
L = 8

答案

L = 8

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: N = 11

ADC 分辨率:N 位转换器把满量程 VFSR 分成 2ᴺ 个码,从 0 到 2ᴺ − 1。一个台阶为 1 LSB = VFSR/2ᴺ:转换器能显示的最小变化。截断式 ADC 给出码 ⌊Vin/LSB⌋;四舍五入式 ADC 与真实值的偏差永远不超过 ½ LSB,即它的量化误差。每增加一位,LSB 减半,对满量程正弦波而言,理想信号量化噪声比 SQNR = 6.02·N + 1.76 dB 约增加 6 dB。要在量程内达到分辨率 r,选取满足 2ᴺ ≥ 量程/r 的最小 N。

所需台阶数

250/0.2 = 1250

位数

log₂(1250) = 10.29
210 = 1024 < 1250 ≤ 211 = 2048
N = 11

答案

N = 11
6.数据采集与采样

答案: e = −1.357 %

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。

分频系数

D = 10·10⁶/(16·57600) = 10.85 → 11

实际波特率

10·10⁶/(16·11) = 56818 Bd

误差

(56818 − 57600)/57600·100 = −1.357 %

答案

e = −1.357 %

误差低于约 2 % 通常可以接受。

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