第第 一一 章章
数数 字字 电电 路路 基基 础础
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§１—２ 数制与码制
§１—１ 数字信号与数字电路
§１—３ 逻辑门电路
第一章 数字电路基础
学习目标
1. 了解数字电路的特点及应用，掌握数字信号的表示方法。
2. 掌握二进制、十六进制数的表示方法，会进行数制之间的转换，熟悉
8421BCD码的表示形式。
3. 掌握与门、或门、非门基本逻辑门的逻辑功能，熟悉其图形符号。
4. 掌握与非门、或非门、与或非门等复合逻辑门的逻辑功能，熟悉其图
形符号。
5. 掌握集成门电路的逻辑功能测试方法，了解数字集成电路的使用注意
事项。
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§１—１
数字信号与数字电路
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第一章 数字电路基础
当人某省市购物结账付款时，收银员只要把条形码扫描器对准货物上的
条形码一扫，计算机屏幕上立刻就会显示该物品的价格。这是因为条形码
经扫描器扫描后，会产生相应的“数字信号”，经计算机处理后就可以显
示为货物的名称及价格等信息，进而可刷卡付款，打印付款收某省市自动
收款设备如图所示。
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超市自动收款设备
第一章 数字电路基础
一、模拟信号与数字信号
电子电路处理的信号有模拟信号和数字信号两类。
通常将那些在时间上和数值上均是连续变化的信号称为模拟信号。
数字信号是指在时间上和数值上都是离散的信号。
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模拟信号与数字信号
a）模拟信号b）数字信号
第一章 数字电路基础
实际上，数字信号中的1和0不仅可以用于表示高低电平，在生产生活中
还可以代表息，如发光二极管亮还是不亮，开关闭合还是断开，对某一建
议同意还是反对等，也都可以用1和0来表示。
处理模拟信号的电子电路称为模拟电子电路，简称模拟电路；处理数字
信号的电子电路则称为数字电子电路，简称数字电路。
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第一章 数字电路基础
二、数字信号的优点
1. 便于记录保存
由于数字信号只有1和0两种状态，所以可以很方便地用电路输出电压的
高与低、电容器上电荷的有与无、磁性物质的极化方向N与S等方式记录保
存，也可以利用打孔纸带上孔的有与无、光盘上有无凹坑来记录0和1。数
字信号的记录方式如图所示。
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数字信号的记录方式
a）磁卡
第一章 数字电路基础
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数字信号的记录方式
b）打孔纸带c）光盘
第一章 数字电路基础
2. 抗干扰能力强
数字信号中的高电平与低电平有一定的允，例如在TTL电路（Transistor
-Transistor Logic，即晶体管—晶体管逻辑电路，因输入级和输出级均采用
晶体管而得名）中，高电平的范围是2. 4～5 V，低电平的范围是0～0. 8 V
，如图所示，因此数字电路的抗干扰能力很强。
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高电平范围与低电平范围
第一章 数字电路基础
图所示为利用整形电路消除干扰和失真的方法，即设置一个门限电压，
使其值介于高电平与低电平之间，高于此门限电压的信号通过后输出为1，
低于此门限电压的信号通过后输出为0，这样就可以方便地将叠加在传输信
号上的干扰去除掉。此外，还可利用差错控制技术对传输信号进行查错和
纠错。
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整形电路的作用
第一章 数字电路基础
3. 处理精度高
增加数字电路中数字的位数，即可相应提高电路的精度。
下面以CD唱盘用数字信号记录声音为例进行说明，其信号类型及波形
图见表。
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用数字信号记录声音
第一章 数字电路基础
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用数字信号记录声音
第一章 数字电路基础
4. 可进行逻辑判断和运算
数字电路不仅能进行数值运算，还可以进行逻辑运算和逻辑判断，这在
控制系统中有广泛应用。正因如此，数字电路又称为数字逻辑电路。
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第一章 数字电路基础
三、数字电路的基本组成
下面以两个应用电路为例，说明数字电路的基本组成。
1. 用数字电路测量电动机转速
使用非接触式数字转速表来测量电动机转速，其原理框图如图所示。使
用时只要在被测电动机转轴上装一圆盘，圆盘上打一小孔，用光源照射。
电动机每转一周，光电管被照射一次，每次输出一个脉冲信号，这一信号
经放大整形后成为幅度较大也较为规则的矩形脉冲，测得单位时间的脉冲
个数，再经计数、处理，最后便能从显示器直接读出被测电动机的转速。
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第一章 数字电路基础
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用数字电路测量电动机转速的原理框图
第一章 数字电路基础
2. 四人抢答器
四人抢答器原理框图如图所示。
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四人抢答器原理框图
第一章 数字电路基础
从以上两个电路的工作过程可以看出，数字电路大致包含数字信号的产
生与整形、编码、寄存、译码、显示等典型单元数字电路。
此外，为了将传感器转换而来的模拟信号转换成控制系统所需要的数字
信号，必须采用模数转换器（A/D Converter）。数字信号被处理后，通常
还要经过数模转换器（D/A Converter）恢复成模拟信号，去驱动执行元件，
如图所示。
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数字电路基本组成原理框图
§1—2 数制与码制
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第一章 数字电路基础
数制是指计数的方法。在不同的数制中，数码（计数符号）的多少、进
位的方式和计算的方法也各不相同。
图所示为我国传统算盘的数制。
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算盘的数制
第一章 数字电路基础
图所示为目前人们普遍使用的计算器，按键输入十进制数，计算器将其
转换为二进制进行运算，然后将二进制数转换为十进制数，最后显示十进
制数。
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计算器的工作过程
第一章 数字电路基础
一、几种常用数制
在数字电路和计算机中，常用的数制有十进制、二进制、八进制、十六
进制等。
1. 十进制
十进制数有10个不同的数码：0、1、2、…、9，称它的基数为10。任何
一个十进制数都可以用这十个数码按一定规律排列起来表示。十进制的计
数规律是“逢十进一”。
在一个十进制数中，每个不同位置的数码，代表的数值不同。
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第一章 数字电路基础
2. 二进制
二进制数只有两个数码：0和1。它的基数为2，计数规律是“逢二进一
”。
3. 十六进制和八进制
采用二进制来表示数，通常位数很多，书写起来十分麻烦。
十六进制数有16个数码：0、1、…、9，A、B、C、D、E、F，它的基
数为16，计数规律是“逢十六进一”。
八进制数有8个数码：0、1、2、3、4、5、6、7，它的基数为8，计数规
律是“逢八进一”。
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第一章 数字电路基础
十进制、二进制、八进制、十六进制的对应关系见表。
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几种常用数制的对应关系
第一章 数字电路基础
二、不同数制间的转换
1. 二进制、八进制、十六进制数转换成十进制数
将二进制、八进制、十六进制数转换成十进制数，只要按各位权展开相
加即可。为了区分各种不同的进制，可在数后加上不同的字母来表示，通
常用D表示十进某省市略不写），B表示二进某省市略不写），O或Q表示
八进制，H表示十六进制等；也可直接用数字表示。
2. 十进制数（整数）转换为二进制数
十进制整数转换成二进制数，可采用除2逆序取余法。
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第一章 数字电路基础
3. 二进制数与八进制数、十六进制数的相互转换
（1）二进制数与八进制数的相互转换
由于八进制数的基数8=23，对应为二进制数有000~111共8个不同的状态，
故每位八进制数码可用3位二进制数表示。方法是从低位开始，每3位二进
制数为一组，若最后不足3位，在高位用0补足3位即可。将每组二进制数用
一个等值的八进制数码代替，按顺序排列即变为八进制数。
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第一章 数字电路基础
（2）二进制数与十六进制数的相互转换
由于十六进制的基数16=24，对应为二进制数有0000~1111共16个不同的
状态，故每位十六进制数码可用4位二进制数表示。方法是从低位开始，每
4位二进制数为一组，若最后不足4位，在高位用0补足4位即可。将每组二
进制数用一个等值的十六进制数码表示，按顺序排列即变为十六进制数。
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第一章 数字电路基础
三、码制
用数码、符号、文字来表示特定对象的过程称为编码。
1. 二进制代码
数字系统的信息通常采用多位二进制数表示，称为二进制代码。
一个二进制数有1和0两个代码，可以表示两个信息，n位二进制代码可
以表示2n个不同的信息。如果需要编码的信息有N项，则应满足N≤2n。
2. BCD码
用二进制数表示十进制数的编码方法称为二—十进制编码，简称BCD码。
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第一章 数字电路基础
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几种常见的BCD码
第一章 数字电路基础
（1）8421BCD码
最常用的BCD码是8421BCD码。
（2）5421BCD码
5421BCD码也是一种有权码，从高位到低位分别是5、4、2、1。
（3）2421BCD码
2421BCD码也是一种有权码，从高位到低位的权分别是2、4、2、1。
（4）余3码
这是一种无权码，它是在相应的8421BCD码上加0011（3）得到的。
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第一章 数字电路基础
（5）格雷码
这也是一种无权码，它的特点是相邻两个代码间只有一位数不同，这两
个数也可以看作是相邻的，因此它是一种循环码（所谓循环码，是指具有
以下两个特点的编码:一是相邻性，即任意两个相邻代码仅有一位数码不同；
二是循环性，即首尾的两个代码也具有相邻性）。
（6）标准信息交换码
在数字系统和计算机中，需要编码的信息除了数字外，还有字符及各种
专用符号。
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§1—3 逻辑门电路
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第一章 数字电路基础
图所示是三人表决器示意图。A、B、C三人参加表决，按下按钮表示同
意，不按按钮表示不同意。根据少数服从多数的原则，表决通过则绿灯亮，
反之则红灯亮。
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三人表决器
a)表决器b)电路框图
第一章 数字电路基础
这是一个简单的控制电路。三个按钮送入的信号是输入信号，分别代表
A、B、C是否同意，其输出信号是控制两盏指示灯的信号，代表表决是否
通过。
其中，A、B、C是否同意为逻辑条件，红、绿灯是否亮为逻辑结果，每
一种条件对应一种结果。把输入状态作为条件，输出状态作为结果，输入
与输出的关系即为逻辑关系。三人表决器逻辑关系见表。
在逻辑系统中，任何复杂的逻辑关系都由与、或、非三种逻辑关系组合
而成，实现这三种基本逻辑关系的电路分别称为与门（AND）、或门
（OR）和非门（NOT）。
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第一章 数字电路基础
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三人表决器逻辑关系
第一章 数字电路基础
一、基本门电路
1. 与门（AND）
在图所示的与逻辑开关电路中，只有当A、B两个开关都闭合时，灯才
亮；只要有一个开关断开，灯就不亮。这就是说，只有当决定一件事情的
几个条件完全具备时，这件事情才能发生，否则不发生。这样的关系称为
与逻辑关系。
图所示为与门逻辑符号。
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第一章 数字电路基础
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与逻辑开关电路 与门逻辑符号
第一章 数字电路基础
把开关通断与灯泡亮灭的关系列在表中。如果设开关通为1，不通为0；
灯亮为1，不亮为0，可得表所列值，这便是与门的真值表，它反映了与门
输出状态与输入状态之间的逻辑关系。
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电路状态 与门真值表
第一章 数字电路基础
与门的逻辑功能可概括为“有0出0，全1出1”。与门的逻辑表达式为：
Y=A·B=AB
该表达式读作Y等于A与B或Y等于A乘B，所以通常也把与门逻辑称为
逻辑乘。
数字电路的逻辑关系也常常用波形图来描述，在画波形某省市去坐标轴，
但输入波形与输出波形之间的时间必须严格对应。如图所示，与门在A、B
两个波形的输入电压作用下，得到如Y波形所示的输出电压。
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第一章 数字电路基础
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与门输入输出波形
第一章 数字电路基础
2. 或门（OR）
在图所示的或逻辑开关电路中，A和B两个开关只要有一个闭合灯就亮。
这说明，当决定一件事情的几个条件中，只要有一个条件具备，这件事情
就会发生。这样的逻辑关系称为或逻辑关系。
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或逻辑开关电路
第一章 数字电路基础
图所示为非门逻辑符号。非门真值表见表。
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或门逻辑符号
或门真值表
第一章 数字电路基础
或门的逻辑功能可概括为“全0出0，有1出1”。或门的逻辑表达式为：
Y=A+B
该表达式读作Y等于A或B，也可读作Y等于A加B，所以或逻辑也称逻
辑加。
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第一章 数字电路基础
3. 非门（NOT）
在图所示的非逻辑开关电路中，当开关A断开时，灯亮；A闭合时，灯
就不亮。也就是说，事情的结果与条件总是呈相反状态。这种关系称为非
逻辑关系。
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非逻辑开关电路
第一章 数字电路基础
图所示为非门逻辑符号。非门真值表见表。
非门的逻辑功能可概括为“有0出1，有1出0”。非门的逻辑表达式为：
该表达式读作Y等于A非。
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非门逻辑符号
非门真值表
第一章 数字电路基础
二、复合门电路
由与、或、非三种基本门电路可以组合成复合门电路，常用的复合门电
路见表。
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常用复合门电路
第一章 数字电路基础
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常用复合门电路
第一章 数字电路基础
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常用复合门电路
第一章 数字电路基础
三、其他类型的门电路
1. 集电极开路与非门（OC门）
这种类型的电路，输出三极管的集电极是开路的，故称集电极开路与非
门，也称集电极开路门，简称OC门。OC门具有与非功能，其逻辑表达式
为：
OC门的逻辑符号如图所示。OC门在电路中使用时，需要在其输出端Y
与电源VCC之间外接一个上拉电阻RL，如图所示。
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第一章 数字电路基础
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OC门
a）逻辑符号b）外接上拉电阻
第一章 数字电路基础
74LS01是一种常用的OC与非门，其外形和引脚排列如图所示。
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OC与非门74LS01
a）外形图b）引脚排列
第一章 数字电路基础
OC门的主要应用如下：
（1）直接驱动发光二极管或小型继电器
图a所示为用OC门驱动发光二极管的显示电路图。该电路只有当输入
均为高电平时，输出才为低电平，发光二极管才能导通发光。图b所示为
用OC门驱动小型继电器的电路，同样，也只有当输入均为高电平时，继
电器KA才能得电动作。
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第一章 数字电路基础
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OC门直接驱动小型负载
a）驱动发光二极管b）驱动小型继电器
第一章 数字电路基础
（2）实现线与逻辑功能
将几个OC门的输出端并联可实现线与逻辑功能，这种连接方法称为
线与。图所示为由3个OC门构成的线与电路，其逻辑表达式为：
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用OC门实现线与功能
第一章 数字电路基础
2. 三态门（TS门）
三态门简称TS门，是在普通门的基础上，加上使能控制信号和控制
电路构成的。
三态门的输出除了有一般门电路的高电平、低电平状态外，还可以呈
高阻状态（或称禁止状态）。
三态输出与非门逻辑符号和逻辑功能见表。逻辑符号中EN为控制端，
也称使能端。
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第一章 数字电路基础
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三态门逻辑符号与逻辑功能
第一章 数字电路基础
三态门主要用于实现多个数据或信号的总线传输。总线可以是单向传
输，也可以是双向传输。
74LS125是一种常用的低电平有效型三态门，其外形和引脚排列如图
所示。
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74LS125三态门
a）外形图b）引脚排列
第一章 数字电路基础
（1）用三态门构成单向总线
电路连接如图所示，图中三态门均为高电
平有效。只有当控制端为高电平时，该三态
门才处于工作状态，其余三态门均处于高阻
状态，而且任何时刻只能有一个三态门处于
工作状态。这样，总线（或称母线）就能轮
流接受各三态门的输出。
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用三态门构成单向总线
第一章 数字电路基础
（2）用三态门构成双向总线
电路连接如图所示。
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用三态门构成双向总线
第一章 数字电路基础
四、TTL与非门的电压传输特性和主要参数
1. 电压传输特性
晶体管—晶体管逻辑电路（TTL）的电压传输特性是指门电路的输出电
压随输入电压变化的特性，通常用电压传输特性曲线来表示，如图所示。
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基本TTL与非门的电压传输特性曲线
第一章 数字电路基础
2. 主要参数
（1）输出高电平UOH
UOH是指输出端空载，输入端有一个或一个以上为低电平时所对应的输
出电压。
（2）输出低电平UOL
UOL是指输出端空载，所有输入端都接高电平时所对应的输出电压。
（3）阈值电压UTH
电压传输特性转折区中心点对应的输入电压称为阈值电压UTH，或形象
化地称为门限电压。
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第一章 数字电路基础
（4）开门电平UON
UON是在保证输出为额定低电平时所允小输入高电平值。
（5）关门电平UOFF
UOFF是在保证输出电压为额定高电平的90%的条件下，所允大输入低电
平值。
（6）噪声容限
噪声容限是指在保证电路正常输出的前提下，输入信号所允动范围。
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第一章 数字电路基础
（7）扇出系数N
N是指一个与非门可带同类门的个数，它反映了门电路的带负载能力。
（8）平均传输延迟时间tpd
由于开关器件的转换需要时间，与非门的输出与输入之间存在一定的滞
后，如图所示。
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传输延迟时间示意图
第一章 数字电路基础
五、数字集成电路系列及型号命名
数字集成电路根据半导体器件的不同，有TTL型和CMOS型两类。
TTL集成电路主要由双极型三极管构成。国产TTL集成电路主要有54、
74两大系列，其中，54系列为军用产品，74系列为民用产品。
互补金属氧化物半导体plementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）
集成电路主要由单极型场效应管构成。
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第一章 数字电路基础
按照我国国家标准，集成电路型号命名由5部分组成，第一部分用字母
表示国家标准，第二部分用字母表示器件的类型，第三部分用阿拉伯数字
表示器件的系列和品种代号，第四部分用字母表示器件的工作围，第五部
分用字母表示器件的封装形式，各部分符号及意义见表。
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集成电路的型号及其意义
第一章 数字电路基础
例如CT74LS20ED型和CC4011EP型：
CT74LS××有时简称74LS××或LS××。
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第一章 数字电路基础
六、数字集成电路使用注意事项
1. TTL电路使用注意事项
（1）TTL电路的电源正端通常标VCC，负端标GND。电源电压的允为4.
5～5. 5 V。一般使用5 V电源。
（2）TTL与非门输入端通过电阻R接地时，若R＜680 Ω，相当于接低电
平；若R＞2. 5 kΩ（最好10 kΩ以上），相当于接高电平。TTL与非门输入
端接地，相当于接低电平；输入端悬空，相当于接高电平。
对多余输入端一般不要悬空，防止受外界干扰。
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第一章 数字电路基础
（3）TTL与门（与非门）、或门（或非门）多余输入端处理方法分别
见表。
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TTL与门（与非门）多余输入端处理方法
第一章 数字电路基础
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TTL或门（或非门）多余输入端处理方法
（4）除OC门和TS门外，TTL门电路输出端不允使用，否则不仅会造成
逻辑混乱，还可能损坏器件。
（5）输出端不允接电源或接地。
（6）多余门的处理。
第一章 数字电路基础
2. CMOS电路使用注意事项
（1）CMOS电路的电源正端标VDD，负端标VSS，使用时通常将VSS接地。
（2）CMOS集成电路的多余输入端不能悬空，否则电路将受到干扰，
不能正常工作。
（3）与门（与非门）多余输入端接VDD，或门（或非门）多余输入端接
地，尽量不要将输入端并联使用。
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第一章 数字电路基础
（4）输出端不允与VDD或VSS连接。
（5）接通电源后，才能输入信号；断电时，要求先撤信号，后断电源。
（6）在装接电路、改变电路连接或插电路板时，均应断开电源，带电
操作。
（7）CMOS集成电路应存放在导电的容器内，有良好的静电屏蔽。
（8）焊接CMOS电路时，电烙铁功率不得大于20 W，电烙铁外壳要有
良好的接地，最好利用电烙铁断电后的余热快速焊接。
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第一章 数字电路基础
3. TTL与CMOS电路的连接
TTL电路和CMOS电路之间电压和电流参数各不相同，一般不能直接连
接，而需要采用接口电路作为过渡。这主要是考虑两个问题：一是要求电
平匹配，即前级驱动门要为后级负载门提供符合标准的输出高电平和低电
平；二是要求电流匹配，即驱动门要为负载门提供足够大的驱动电流。
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第一章 数字电路基础
（1）TTL驱动CMOS电路
由于CMOS电路的输入阻抗高，所以用TTL电路驱动CMOS电路时，驱
动电流一般不会受到限制。
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TTL驱动CMOS电路
第一章 数字电路基础
此外，还可以采用具有电平转换作用的CMOS门（如CC40109）来实现
电平匹配，如图所示。
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用CMOS门实现电平匹配
第一章 数字电路基础
（2）CMOS驱动TTL电路
CMOS电路输出电平能满足要求，但驱动电流受到限制，主要是输出低
电平时带负载能力差，解决办法有以下几种：
1）几个同功能的CMOS电路并联使用，即将其输入端并联，输出端也
并联（TTL电路是不允的），如图所示。
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将CMOS并联以提高带负载能力
a)与非门b)或非门c)非门
第一章 数字电路基础
2）选用74HC/74HCT系列CMOS门直接驱动TTL门电路。
3）在CMOS电路输出端增加一级CMOS驱动器（如CC4010、
CC40107）作为接口电路，如图a所示，也可增加一级三极管放大器来扩展
输出电流，如图b所示。
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驱动TTL电路
a）用CMOS驱动器b）用三极管电流放大器扩展输出电流
