内容简介
《数字电路与系统设计(第2版)/普通高等教育“十一五”国家级规划教材》在内容和结构上进行了精心的选择和编排,进一步减少了小规模数字集成电路的内容,突出了中、大、超大规模数字集成电路的应用和数字系统设计,电子设计自动化等内容,既兼顾了数字电路的基本理论和经典内容,又介绍了数字电子技术的新成果和电路设计的新方法,较好地处理了学习与创新、继承与发展的问题,使读者学习《数字电路与系统设计(第2版)/普通高等教育“十一五”国家级规划教材》之后,能够运用所学知识,灵活地解决数字电路与系统设计方面的一些实际问题。
全书共9章,分别是:数字逻辑基础,组合逻辑器件与电路,时序逻辑基础与常用器件,时序逻辑电路分析与设计,可编程逻辑器件,数/模接口电路,数字系统设计,电子设计自动化,脉冲信号的产生与变换电路。各章配有大量例题、习题及自测题,书末附有习题和自测题的参考答案。
《数字电路与系统设计(第2版)/普通高等教育“十一五”国家级规划教材》选材新颖,时代感强,逻辑性好,适应面广,既可作为电子工程、通信工程、信息工程、雷达工程、计算机科学和技术、电力系统及自动化等电类专业和机电一体化等非电类专业的专业基础课教材,又可作为相关专业工程技术人员的学习与参考用书。
内页插图
目录
第1章 数字逻辑基础
1.1 绪论
1.1.1 数字电路的基本概念
1.1.2 数字集成电路的发展趋势
1.2 数制与代码
1.2.1 数制
1.2.2 带符号数的表示法
1.2.3 代码
1.3 逻辑代数基础
1.3.1 逻辑代数的基本运算
1.3.2 复合逻辑运算与常用逻辑门
1.3.3 逻辑代数的基本公式和运算规则
1.4 逻辑函数的描述方法
1.4.1 真值表描述法
1.4.2 代数式描述法
1.4.3 卡诺图描述法
1.5 逻辑函数的化简
1.5.1 逻辑函数最简的标准
1.5.2 代数法化简逻辑函数
1.5.3 逻辑函数的卡诺图化简法
1.5.4 含有任意项的逻辑函数的化简
本章小结
习题1
自测题1
第2章 组合逻辑器件与电路
2.1 集成逻辑门
2.1.1 双极型逻辑门电路
2.1.2 CMOS逻辑门电路
2.1.3 集成逻辑门的主要参数
2.1.4 各类逻辑门的性能比较
2.1.5 正逻辑与负逻辑
2.2 常用MSI组合逻辑模块
2.2.1 加法器
2.2.2 比较器
2.2.3 编码器
2.2.4 译码器
2.2.5 数据选择器
2.3 组合逻辑电路分析
2.3.1 门级电路分析
2.3.2 模块级电路分析
2.4 组合逻辑电路设计
2.4.1 门级电路设计
2.4.2 模块级电路设计
2.5 组合逻辑电路中的竞争与险象
2.5.1 逻辑竞争与险象
2.5.2 逻辑险象的识别
2.5.3 逻辑险象的消除方法
本章小结
习题2
自测题2
第3章 时序逻辑基础与常用器件
3.1 时序逻辑基础
3.1.1 时序逻辑电路的一般模型
3.1.2 时序逻辑电路的描述方法
3.1.3 时序逻辑电路的一般分类
3.2 触发器及其应用
3.2.1 RS触发器
3.2.2 集成触发器
3.2.3 触发器的应用
3.3 MSI计数器及其应用
3.3.1 二一五一十进制异步加法计数器7490
3.3.2 4位二进制同步可预置加法计数器74163
3.3.3 同步十进制可逆计数器74192
3.3.4 计数器的应用
3.MSI移位寄存器及其应用
3.4.1 4位双向移位寄存器74194
3.4.2 移位寄存器的应用
3.5 半导体存储器
3.5.1 半导体存储器的分类
3.5.2 随机存取存储器
3.5.3 存储器容量的扩展
本章小结
习题3
自测题3
第4章 时序逻辑电路分析与设计
4.1 同步时序电路分析
4.1.1 触发器级电路分析
4.1.2 模块级电路分析
4.2 触发器级同步时序电路设计
4.2.1 设计步骤
4.2.2 导出原始状态图或状态表
4.2.3 状态化简
4.2.4 状态分配
4.2.5 设计举例
4.3 模块级同步时序电路设计
4.3.1 基于计数器的电路设计
4.3.2 基于移位寄存器的电路设计
4.4 异步计数器分析与设计
4.4.1 异步计数器分析
4.4.2 异步计数器设计
本章小结
习题4
自测题4
第5章 可编程逻辑器件
5.1 可编程逻辑器件概述
5.1.1 PLD的发展简史
5.1.2 PLD的分类
5.1.3 PLD电路的表示方法
5.2 简单可编程逻辑器件(SPLD)
5.2.1 只读存储器(ROM)
5.2.2 可编程逻辑阵列(PLA)和可编程阵列逻辑(PAL)
5.2.3 通用阵列逻辑(GAL)
5.3 高密度可编程逻辑器件(HDPLD)
5.3.1 复杂可编程逻辑器件(CPLD)
5.3.2 现场可编程门阵列(FPGA)
5.4 PLD的编程与使用
5.4.1 PLD的开发过程
5.4.2 PLD的编程技术
本章小结
习题5
自测题5
第6章 数/模接口电路
6,1集成数/模转换器
6.1.1 数/模转换的基本概念
6.1.2 常用数/模转换技术
6.1.3 集成DAC的主要技术指标
6.1.4 集成DAC芯片的选择与使用
6.2 集成模/数转换器
6.2.1 模/数转换的一般过程
6.2.2 常用模/数转换技术
6.2.3 集成ADC的主要技术指标
6.2.4 集成ADC芯片的选择与使用
6.3 数/模接口电路的应用
6.3.1 程控增益放大器
6.3.2 数据采集与控制系统
本章小结
习题6
自测题6
第7章 数字系统设计
7.1 数字系统设计概述
7.1.1 数字系统的基本概念
7.1.2 数字系统设计的一般过程
7.1.3 数字系统的总体方案与逻辑划分
7.1.4 数据子系统的构造方法
7.2 控制子系统的设计工具
7.2.1 ASM图
7.2.2 分组一按序算法语言
7.3 控制子系统的实现方法
7.3.1 硬件控制器的实现方法
7.3.2 微程序控制器的实现方法
7.4 数字系统设计举例
7.4.1 14位二进制数密码锁系统
7.4.2 铁道路口交通控制系统
本章小结
习题7
自测题7
第8章 电子设计自动化
8.1 EDA概述
8.1.1 EDA的发展概况
……
第9章 脉冲信号的产生与变换电路
前言/序言
“数字电路与系统设计”是电子、通信、雷达、信息、计算机、电力系统及自动化等电类专业和机电一体化等非电类专业的一门重要的专业基础课。作为该课程的主教材之一,《数字电路与系统设计》介绍了数字电路与数字系统的基础理论和分析、设计方法,主要包括数字逻辑基础、组合逻辑器件与电路、时序逻辑基础与常用器件、时序逻辑电路分析与设计、可编程逻辑器件、数/模接口电路、数字系统设计、电子设计自动化、脉冲信号的产生与变换电路等九章内容。《数字电路与系统设计(第一版)》自2003年出版以来,受到了广大教师和学生的欢迎,并于2006年入选普通高等教育“十一五”国家级规划教材。
本版除了更正第一版中的个别印刷错误外,主要做了以下三个方面的修订工作:
(1)改写了数字系统设计、电子设计自动化等章节的内容。在数字系统设计一章中,主要改变了设计实例中的系统结构和实现方法,使得设计思路更加清晰、实现电路更加简单,有利于学生学习和掌握数字系统设计的基本方法;在电子设计自动化一章中,主要用Altera公司最新的EDA软件QuartusⅡ取代了MAX+plusⅡ,使学生可以掌握最新EDA工具的使用方法。
(2)删除了部分不常用的内容.如PLD的边界扫描测试技术、由门电路构成的单稳态触发器和施密特触发器等。由于有集成的单稳态触发器和施密特触发器,因此现在已经很少用门电路来构成单稳态触发器和施密特触发器了。
(3)更换了部分习题和自测题,增加了电路仿真题,使习题、自测题更加全面、合理。由于篇幅限制,书中未介绍电路仿真软件Multisim,但习题中安排了电路仿真,建议教师授课时使用Multisim软件辅助部分电路的教学,并安排部分仿真实验项目,使学生熟练掌握Multisim这种先进的仿真设计工具的使用方法。
修订内容约占原书的20%,修订后的版本依然保持了本书第一版的特色:
(1)教材结构合理。全书由两条主线统揽:一条主线是器件-电路-系统,另一条主线是理论基础-分析方法-设计方法。在处理器件、电路、系统的关系时,先介绍器件,再介绍电路,后介绍系统,符合数字电路开始于器件、发展于电路、归结于系统的发展脉络,内容集中,系统性强;在处理理论基础、分析方法、设计方法的关系时,先介绍理论基础,再介绍分析方法,后介绍设计方法,符合人们认识事物的客观规律,衔接自然,逻辑性好,便于读者学习、掌握。
(2)内容与时俱进。数字电子技术和数字电路的设计手段发展迅速,本书在有限的篇幅里对介绍的内容做了认真的挑选。在处理继承与发展、现实与未来的关系方面,既对数字电路的基本理论和经典内容做了适当介绍,也对数字电子技术的新成果和电路设计的新方法进行了介绍,减少了小规模数字集成电路的内容,突出了中、大、超大规模数字集成电路的应用和数字系统设计、电子设计自动化等内容。
《数字电路与逻辑设计基础》 内容简介 本书是一本面向高等院校电子信息类、自动化类及相关专业本科生的数字电路与逻辑设计基础教材。本书紧密结合当前数字电路与系统设计的最新发展趋势,以扎实的理论基础、丰富的工程实践案例和清晰的逻辑脉络,为读者构建起系统、深入的学习路径。全书内容涵盖了数字电路设计和系统实现的关键技术,旨在培养学生理解、分析和设计复杂数字系统的能力。 第一篇 数字逻辑基础 本篇主要介绍数字电路设计所必需的最基本概念和理论。 第一章 数制与编码 二进制、十进制、十六进制等常用数制的表示法、相互转换规则:深入阐述不同数制在计算机和数字系统中的重要性,详述它们之间严谨的转换方法,通过大量的例题和练习,帮助读者熟练掌握。 无符号数和带符号数表示法(原码、反码、补码、移码):详细讲解计算机如何表示和处理负数,深入分析各种带符号数表示法的原理、优缺点及其在运算中的实际应用。 BCD码、ASCII码、格雷码等常用编码方式:介绍各种编码的定义、特性及其在数据传输、输入输出等场景下的应用,例如BCD码在数码显示中的应用,ASCII码在字符表示中的重要性。 纠错码(奇偶校验码):简要介绍信息传输中的错误检测机制,重点讲解奇偶校验码的原理、生成方法及检测过程。 第二章 逻辑门电路 基本逻辑运算(逻辑与、逻辑或、逻辑非):清晰定义和讲解最基础的三种逻辑运算,通过真值表、逻辑符号图和波形图等多种方式进行可视化展示。 组合逻辑门(与非门、或非门、异或门、同或门):介绍由基本逻辑运算构成的常用逻辑门,阐述它们的逻辑功能和应用,特别是与非门作为通用逻辑门的重要性。 布尔代数基本定理和定律:系统梳理布尔代数的核心定理,如交换律、结合律、分配律、德摩根定理等,并详细讲解如何利用这些定律进行逻辑函数的化简。 逻辑函数的表示方法(真值表、逻辑图、逻辑表达式):介绍描述逻辑函数的三种基本方式,以及它们之间的相互转换,强调真值表是逻辑函数最本质的描述。 逻辑函数的化简方法(卡诺图法、奎恩-麦克拉斯基法):重点讲解两种常用的逻辑函数化简方法。卡诺图法以其直观性,适合中小规模函数化简;奎恩-麦克拉斯基法则是一种系统化、算法化的方法,适用于复杂函数的化简,并能在计算机程序中实现。 第三章 组合逻辑电路 组合逻辑电路的特点和分析方法:阐述组合逻辑电路的定义——输出仅取决于当前输入,不受历史状态影响,并介绍分析组合逻辑电路的通用步骤。 常用组合逻辑电路模块的设计与应用: 编码器和译码器:讲解优先级编码器、数据选择器(多路选择器)在信号选择和数据路由中的应用;介绍七段数码管译码器在显示驱动中的作用。 加法器和减法器:深入分析半加器、全加器、并行加法器(行波进位加法器、超前进位加法器)、以及如何实现减法运算(利用加法器和补码)。 比较器:介绍各位的比较器和多位的比较器,如何实现数字量的比较功能。 分配器和数据选择器:再次强调数据选择器在信号选择和功能实现上的灵活性。 组合逻辑电路的设计流程:总结从需求分析到逻辑电路实现的完整流程,包括功能抽象、真值表建立、逻辑函数化简、逻辑图绘制等环节。 实际应用案例分析:通过一个或多个实际的组合逻辑电路应用案例,如简单的算术逻辑单元(ALU)的一部分、数据路径的控制逻辑等,来巩固所学知识。 第二篇 时序逻辑基础 本篇将引入“时间”的概念,重点介绍具有记忆功能的时序逻辑电路。 第四章 触发器 触发器的基本概念和分类:引入“状态”、“翻转”、“触发”等关键概念,介绍触发器的主要分类:电平触发和边沿触发。 基本触发器(SR触发器):讲解最基础的SR触发器(置位-复位触发器),分析其工作原理、状态表,并指出其存在的“约束条件”问题。 主从JK触发器、D触发器、T触发器:详细介绍JK触发器、D触发器(数据触发器)和T触发器(翻转触发器)的工作原理、状态转移特性、触发时序图,以及它们如何克服SR触发器的不足。 边沿触发方式和电平触发方式的对比:深入分析两种触发方式在避免竞争冒险和提高电路稳定性方面的区别和优势。 触发器的集成应用:简单提及集成触发器芯片的型号和基本用法。 第五章 寄存器和移位寄存器 寄存器的作用和构成:介绍寄存器作为存储单元,用于存放数据,由若干个触发器构成,每位数据由一个触发器存储。 并行输入/并行输出(PIPO)寄存器:讲解最基本的寄存器类型,数据一次性输入和读出。 移位寄存器:详细介绍移位寄存器的功能——数据可以左移或右移。 串行输入/并行输出(SIPO)、并行输入/串行输出(PISO)、串行输入/串行输出(SISO)移位寄存器:分析不同输入输出方式的移位寄存器,并讲解它们的典型应用,如数据格式转换。 双向移位寄存器:介绍可以实现双向移位的移位寄存器。 通用移位寄存器(如通用寄存器):探讨能够实现多种移位操作的通用寄存器。 移位寄存器的应用:列举移位寄存器在串并转换(如通信接口)、数据延迟、循环冗余校验(CRC)电路等领域的实际应用。 第六章 计数器 计数器的作用和分类:介绍计数器作为累加或分频电路,按顺序改变状态,并分为同步计数器和异步计数器。 异步计数器(行波计数器):讲解各级触发器翻转信号来自前一级触发器的输出,分析其工作特点、优缺点(如速度受级联长度限制)。 同步计数器:讲解所有触发器同时接收时钟信号,触发信号由组合逻辑产生,分析其工作原理和设计方法。 二进制计数器(加法和减法):介绍基本的二进制向上计数和向下计数器。 十进制计数器(BCD计数器):讲解实现0-9循环的计数器,包括同步和异步十进制计数器。 任意模计数器:介绍如何设计模值为任意数的计数器(通过反馈或控制)。 通用计数器(可预置、可使能):探讨具有预置功能(初始值设定)和使能控制(控制计数开始和停止)的计数器。 计数器的应用:列举计数器在频率测量、定时器、数字分频器、波形发生器等方面的广泛应用。 第七章 时序逻辑电路的设计 有限状态机(FSM)的概念:引入状态机模型,描述电路在不同状态下的行为,包括输入、输出和状态转移。 摩尔(Moore)型状态机和米利(Mealy)型状态机:深入分析两种状态机的区别,即输出是否仅取决于当前状态(摩尔)还是同时取决于当前状态和输入(米利)。 状态图和状态表:学习如何用状态图和状态表来描述和定义一个状态机。 状态图/状态表的简化:介绍如何识别和合并等效状态,以简化状态机设计。 状态分配:讨论如何为状态分配二进制编码,并分析不同编码方式对触发器数量和组合逻辑复杂度的影响。 时序逻辑电路的设计步骤:系统梳理设计一个时序逻辑电路的完整流程:功能分析、状态图绘制、状态表建立、状态简化、状态分配、选择触发器类型、列出状态转移方程和输出方程、绘制逻辑图。 时序逻辑电路的分析:反向进行,从给定的时序逻辑电路图出发,分析其功能、状态转移特性和输出规律。 时序竞争与冒险:探讨在时序电路设计中可能出现的竞争现象和冒险问题,以及如何通过触发器类型选择、触发脉冲整形、增加冗余逻辑等方法来解决。 第三篇 存储器与数字系统基础 本篇将介绍数字系统中重要的存储单元以及构成复杂数字系统的基本方法。 第八章 半导体存储器 存储器的基本概念和分类:介绍存储器的作用(存储信息)和分类(按易失性、按访问方式等)。 随机存储器(RAM): 静态随机存储器(SRAM):讲解SRAM的工作原理,其特点是速度快,但集成度较低,价格较高,多用于缓存。 动态随机存储器(DRAM):讲解DRAM的工作原理,其特点是集成度高,价格较低,但需要刷新,速度相对较慢,是计算机内存的主流。 只读存储器(ROM): 掩膜ROM(MROM)、可编程ROM(PROM)、可擦写可编程ROM(EPROM)、电可擦写可编程ROM(EEPROM):介绍不同类型的ROM,及其编程方式和特点,例如EEPROM可以电擦除和重新编程。 闪存(Flash Memory):介绍现代应用广泛的闪存技术,它结合了EEPROM的可擦写性和更高的集成度。 存储器的扩展:介绍如何通过地址扩展(增加存储单元数量)和数据位扩展(增加每个存储单元的位数)来构建更大容量的存储器。 存储器的接口:简要介绍存储器与CPU之间的数据和地址总线接口。 第九章 可编程逻辑器件(PLD) PLD概述:介绍PLD作为一种通用性强、开发灵活的数字集成电路,允许用户根据设计需求编程实现逻辑功能。 可编程只读存储器(PROM):将其作为一种早期的、基于ROM结构的PLD。 可编程阵列逻辑(PAL):介绍PAL的结构,它有可编程的AND阵列和固定的OR阵列。 通用阵列逻辑(GAL):介绍GAL是PAL的改进型,具有可编程的宏单元和电可擦写的特性。 复杂可编程逻辑器件(CPLD):介绍CPLD的结构,它由多个逻辑块(宏单元)和可编程互连线组成,逻辑容量比PAL/GAL更大。 现场可编程门阵列(FPGA):介绍FPGA的结构,它由大量的查找表(LUT)实现逻辑功能,具有极高的灵活性和并行处理能力,是当前数字系统设计的主流器件。 PLD的设计流程和应用:简要介绍使用硬件描述语言(HDL)进行PLD设计,以及PLD在原型开发、小批量生产、专用集成电路(ASIC)的替代等方面的应用。 第十章 数制与系统设计入门 数字系统设计的层次化和模块化:强调在设计复杂数字系统时,采用自顶向下(Top-Down)和自底向上(Bottom-Up)相结合的设计思想,以及将系统分解为可管理、可复用的模块的重要性。 硬件描述语言(HDL)概述:介绍Verilog HDL和VHDL作为描述数字电路行为和结构的标准语言,是现代数字系统设计的核心工具。 简单数字系统的设计案例: 交通信号灯控制器:设计一个基本的交通信号灯控制系统,包括状态机、定时器等。 简易计算器:设计一个可以进行基本加减运算的计算器,涉及ALU、控制逻辑和显示驱动。 数字锁/密码锁:设计一个基于输入序列的数字锁,涉及状态机和按键输入处理。 数字系统设计的基本流程(HDL为主):简要介绍使用HDL进行设计、仿真、综合、实现和下载到目标器件的基本流程。 集成电路(IC)设计简介:简要介绍数字集成电路从逻辑设计到物理实现的简要过程。 本书内容循序渐进,从最基本的逻辑门电路到复杂的时序逻辑电路和存储器,再到现代的PLD和系统设计方法,力求为读者打下坚实的数字电路与系统设计基础,并为后续更深入的学习和研究奠定坚实的基础。书中穿插了大量的例题和思考题,旨在帮助读者巩固理解,并鼓励独立思考和实践。