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1−12806403211608041201

8 位模式 1001 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?

1001 00108 bit
N =
2.数制困难
1327 个编码,b = ? 位?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

某系统要为 1327 个项目中的每一个分配一个长度相同的独立二进制编码。最少需要多少位 b?

1327
b = bit
3.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111000010302140507060121131150141809011010

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(4, 8, 13, 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(4, 8, 13, 15)
L =
4.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​CLKMOD-12

同步模 12 计数器依次计 0, 1, …, 11,然后回到 0。它从 4 开始。经过 16 个时钟脉冲后,它显示的计数 Q(十进制)是多少?

Q0 = 416N = 12
Q =
5.数据采集与采样中等
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​PTb​11·Tb​9600 Bd, 8E1

一条 UART 以 9600 波特、8E1 格式发送字节:8 个数据位、一个偶校验位和 1 个停止位,外加起始位。求它每秒最多能传输多少个数据字节。

baud = 9600 Bd8E1
RB = B/s
6.数据采集与采样困难
f0fs​/2fs​300 Hz3f₁?

一个 300 Hz 方波在没有抗混叠滤波器的情况下以 1 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 Hz 给出。

f₁ = 300 Hzfs = 1 kHz谐波: 3f₁
fa = Hz

3溶液

1.数制

答案: N = −110

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 + 2 = −110

答案

N = −110
2.数制

答案: b = 11 bit

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。

2 的幂

210 = 1024 < 1327
211 = 2048 ≥ 1327

答案

b = 11
3.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。

ABCD000111100001111000010302140507060121131150141809011010

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。

ABD
A′BC′D′
AB′C′D′

最简 SOP 形式

F = ABD + A′BC′D′ + AB′C′D′
L = 11

答案

L = 11
4.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: Q = 8

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。

完整循环

每 12 个脉冲使计数器回到相同的状态。

16 = 1·12 + 4

剩余脉冲之后的计数

Q = (4 + 4) mod 12 = 8
Q = 1000₂

答案

Q = 8
5.数据采集与采样

答案: RB = 872.7 B/s

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。

每帧位数

1 + 8 + 1 + 1 = 11

字节速率

9600/11 = 872.7 B/s

答案

RB = 872.7 B/s
6.数据采集与采样

答案: fa = 100 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。

谐波频率

3f₁ = 3·300 Hz = 900 Hz

最接近的采样率整数倍

m = round(0.9) = 1

混叠频率

fa = |900 − 1·1000| = 100 Hz

答案

fa = 100 Hz

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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