內容簡介
《數字電路與係統設計(第2版)/普通高等教育“十一五”國傢級規劃教材》在內容和結構上進行瞭精心的選擇和編排,進一步減少瞭小規模數字集成電路的內容,突齣瞭中、大、超大規模數字集成電路的應用和數字係統設計,電子設計自動化等內容,既兼顧瞭數字電路的基本理論和經典內容,又介紹瞭數字電子技術的新成果和電路設計的新方法,較好地處理瞭學習與創新、繼承與發展的問題,使讀者學習《數字電路與係統設計(第2版)/普通高等教育“十一五”國傢級規劃教材》之後,能夠運用所學知識,靈活地解決數字電路與係統設計方麵的一些實際問題。
全書共9章,分彆是:數字邏輯基礎,組閤邏輯器件與電路,時序邏輯基礎與常用器件,時序邏輯電路分析與設計,可編程邏輯器件,數/模接口電路,數字係統設計,電子設計自動化,脈衝信號的産生與變換電路。各章配有大量例題、習題及自測題,書末附有習題和自測題的參考答案。
《數字電路與係統設計(第2版)/普通高等教育“十一五”國傢級規劃教材》選材新穎,時代感強,邏輯性好,適應麵廣,既可作為電子工程、通信工程、信息工程、雷達工程、計算機科學和技術、電力係統及自動化等電類專業和機電一體化等非電類專業的專業基礎課教材,又可作為相關專業工程技術人員的學習與參考用書。
內頁插圖
目錄
第1章 數字邏輯基礎
1.1 緒論
1.1.1 數字電路的基本概念
1.1.2 數字集成電路的發展趨勢
1.2 數製與代碼
1.2.1 數製
1.2.2 帶符號數的錶示法
1.2.3 代碼
1.3 邏輯代數基礎
1.3.1 邏輯代數的基本運算
1.3.2 復閤邏輯運算與常用邏輯門
1.3.3 邏輯代數的基本公式和運算規則
1.4 邏輯函數的描述方法
1.4.1 真值錶描述法
1.4.2 代數式描述法
1.4.3 卡諾圖描述法
1.5 邏輯函數的化簡
1.5.1 邏輯函數最簡的標準
1.5.2 代數法化簡邏輯函數
1.5.3 邏輯函數的卡諾圖化簡法
1.5.4 含有任意項的邏輯函數的化簡
本章小結
習題1
自測題1
第2章 組閤邏輯器件與電路
2.1 集成邏輯門
2.1.1 雙極型邏輯門電路
2.1.2 CMOS邏輯門電路
2.1.3 集成邏輯門的主要參數
2.1.4 各類邏輯門的性能比較
2.1.5 正邏輯與負邏輯
2.2 常用MSI組閤邏輯模塊
2.2.1 加法器
2.2.2 比較器
2.2.3 編碼器
2.2.4 譯碼器
2.2.5 數據選擇器
2.3 組閤邏輯電路分析
2.3.1 門級電路分析
2.3.2 模塊級電路分析
2.4 組閤邏輯電路設計
2.4.1 門級電路設計
2.4.2 模塊級電路設計
2.5 組閤邏輯電路中的競爭與險象
2.5.1 邏輯競爭與險象
2.5.2 邏輯險象的識彆
2.5.3 邏輯險象的消除方法
本章小結
習題2
自測題2
第3章 時序邏輯基礎與常用器件
3.1 時序邏輯基礎
3.1.1 時序邏輯電路的一般模型
3.1.2 時序邏輯電路的描述方法
3.1.3 時序邏輯電路的一般分類
3.2 觸發器及其應用
3.2.1 RS觸發器
3.2.2 集成觸發器
3.2.3 觸發器的應用
3.3 MSI計數器及其應用
3.3.1 二一五一十進製異步加法計數器7490
3.3.2 4位二進製同步可預置加法計數器74163
3.3.3 同步十進製可逆計數器74192
3.3.4 計數器的應用
3.MSI移位寄存器及其應用
3.4.1 4位雙嚮移位寄存器74194
3.4.2 移位寄存器的應用
3.5 半導體存儲器
3.5.1 半導體存儲器的分類
3.5.2 隨機存取存儲器
3.5.3 存儲器容量的擴展
本章小結
習題3
自測題3
第4章 時序邏輯電路分析與設計
4.1 同步時序電路分析
4.1.1 觸發器級電路分析
4.1.2 模塊級電路分析
4.2 觸發器級同步時序電路設計
4.2.1 設計步驟
4.2.2 導齣原始狀態圖或狀態錶
4.2.3 狀態化簡
4.2.4 狀態分配
4.2.5 設計舉例
4.3 模塊級同步時序電路設計
4.3.1 基於計數器的電路設計
4.3.2 基於移位寄存器的電路設計
4.4 異步計數器分析與設計
4.4.1 異步計數器分析
4.4.2 異步計數器設計
本章小結
習題4
自測題4
第5章 可編程邏輯器件
5.1 可編程邏輯器件概述
5.1.1 PLD的發展簡史
5.1.2 PLD的分類
5.1.3 PLD電路的錶示方法
5.2 簡單可編程邏輯器件(SPLD)
5.2.1 隻讀存儲器(ROM)
5.2.2 可編程邏輯陣列(PLA)和可編程陣列邏輯(PAL)
5.2.3 通用陣列邏輯(GAL)
5.3 高密度可編程邏輯器件(HDPLD)
5.3.1 復雜可編程邏輯器件(CPLD)
5.3.2 現場可編程門陣列(FPGA)
5.4 PLD的編程與使用
5.4.1 PLD的開發過程
5.4.2 PLD的編程技術
本章小結
習題5
自測題5
第6章 數/模接口電路
6,1集成數/模轉換器
6.1.1 數/模轉換的基本概念
6.1.2 常用數/模轉換技術
6.1.3 集成DAC的主要技術指標
6.1.4 集成DAC芯片的選擇與使用
6.2 集成模/數轉換器
6.2.1 模/數轉換的一般過程
6.2.2 常用模/數轉換技術
6.2.3 集成ADC的主要技術指標
6.2.4 集成ADC芯片的選擇與使用
6.3 數/模接口電路的應用
6.3.1 程控增益放大器
6.3.2 數據采集與控製係統
本章小結
習題6
自測題6
第7章 數字係統設計
7.1 數字係統設計概述
7.1.1 數字係統的基本概念
7.1.2 數字係統設計的一般過程
7.1.3 數字係統的總體方案與邏輯劃分
7.1.4 數據子係統的構造方法
7.2 控製子係統的設計工具
7.2.1 ASM圖
7.2.2 分組一按序算法語言
7.3 控製子係統的實現方法
7.3.1 硬件控製器的實現方法
7.3.2 微程序控製器的實現方法
7.4 數字係統設計舉例
7.4.1 14位二進製數密碼鎖係統
7.4.2 鐵道路口交通控製係統
本章小結
習題7
自測題7
第8章 電子設計自動化
8.1 EDA概述
8.1.1 EDA的發展概況
……
第9章 脈衝信號的産生與變換電路
前言/序言
“數字電路與係統設計”是電子、通信、雷達、信息、計算機、電力係統及自動化等電類專業和機電一體化等非電類專業的一門重要的專業基礎課。作為該課程的主教材之一,《數字電路與係統設計》介紹瞭數字電路與數字係統的基礎理論和分析、設計方法,主要包括數字邏輯基礎、組閤邏輯器件與電路、時序邏輯基礎與常用器件、時序邏輯電路分析與設計、可編程邏輯器件、數/模接口電路、數字係統設計、電子設計自動化、脈衝信號的産生與變換電路等九章內容。《數字電路與係統設計(第一版)》自2003年齣版以來,受到瞭廣大教師和學生的歡迎,並於2006年入選普通高等教育“十一五”國傢級規劃教材。
本版除瞭更正第一版中的個彆印刷錯誤外,主要做瞭以下三個方麵的修訂工作:
(1)改寫瞭數字係統設計、電子設計自動化等章節的內容。在數字係統設計一章中,主要改變瞭設計實例中的係統結構和實現方法,使得設計思路更加清晰、實現電路更加簡單,有利於學生學習和掌握數字係統設計的基本方法;在電子設計自動化一章中,主要用Altera公司最新的EDA軟件QuartusⅡ取代瞭MAX+plusⅡ,使學生可以掌握最新EDA工具的使用方法。
(2)刪除瞭部分不常用的內容.如PLD的邊界掃描測試技術、由門電路構成的單穩態觸發器和施密特觸發器等。由於有集成的單穩態觸發器和施密特觸發器,因此現在已經很少用門電路來構成單穩態觸發器和施密特觸發器瞭。
(3)更換瞭部分習題和自測題,增加瞭電路仿真題,使習題、自測題更加全麵、閤理。由於篇幅限製,書中未介紹電路仿真軟件Multisim,但習題中安排瞭電路仿真,建議教師授課時使用Multisim軟件輔助部分電路的教學,並安排部分仿真實驗項目,使學生熟練掌握Multisim這種先進的仿真設計工具的使用方法。
修訂內容約占原書的20%,修訂後的版本依然保持瞭本書第一版的特色:
(1)教材結構閤理。全書由兩條主綫統攬:一條主綫是器件-電路-係統,另一條主綫是理論基礎-分析方法-設計方法。在處理器件、電路、係統的關係時,先介紹器件,再介紹電路,後介紹係統,符閤數字電路開始於器件、發展於電路、歸結於係統的發展脈絡,內容集中,係統性強;在處理理論基礎、分析方法、設計方法的關係時,先介紹理論基礎,再介紹分析方法,後介紹設計方法,符閤人們認識事物的客觀規律,銜接自然,邏輯性好,便於讀者學習、掌握。
(2)內容與時俱進。數字電子技術和數字電路的設計手段發展迅速,本書在有限的篇幅裏對介紹的內容做瞭認真的挑選。在處理繼承與發展、現實與未來的關係方麵,既對數字電路的基本理論和經典內容做瞭適當介紹,也對數字電子技術的新成果和電路設計的新方法進行瞭介紹,減少瞭小規模數字集成電路的內容,突齣瞭中、大、超大規模數字集成電路的應用和數字係統設計、電子設計自動化等內容。
《數字電路與邏輯設計基礎》 內容簡介 本書是一本麵嚮高等院校電子信息類、自動化類及相關專業本科生的數字電路與邏輯設計基礎教材。本書緊密結閤當前數字電路與係統設計的最新發展趨勢,以紮實的理論基礎、豐富的工程實踐案例和清晰的邏輯脈絡,為讀者構建起係統、深入的學習路徑。全書內容涵蓋瞭數字電路設計和係統實現的關鍵技術,旨在培養學生理解、分析和設計復雜數字係統的能力。 第一篇 數字邏輯基礎 本篇主要介紹數字電路設計所必需的最基本概念和理論。 第一章 數製與編碼 二進製、十進製、十六進製等常用數製的錶示法、相互轉換規則:深入闡述不同數製在計算機和數字係統中的重要性,詳述它們之間嚴謹的轉換方法,通過大量的例題和練習,幫助讀者熟練掌握。 無符號數和帶符號數錶示法(原碼、反碼、補碼、移碼):詳細講解計算機如何錶示和處理負數,深入分析各種帶符號數錶示法的原理、優缺點及其在運算中的實際應用。 BCD碼、ASCII碼、格雷碼等常用編碼方式:介紹各種編碼的定義、特性及其在數據傳輸、輸入輸齣等場景下的應用,例如BCD碼在數碼顯示中的應用,ASCII碼在字符錶示中的重要性。 糾錯碼(奇偶校驗碼):簡要介紹信息傳輸中的錯誤檢測機製,重點講解奇偶校驗碼的原理、生成方法及檢測過程。 第二章 邏輯門電路 基本邏輯運算(邏輯與、邏輯或、邏輯非):清晰定義和講解最基礎的三種邏輯運算,通過真值錶、邏輯符號圖和波形圖等多種方式進行可視化展示。 組閤邏輯門(與非門、或非門、異或門、同或門):介紹由基本邏輯運算構成的常用邏輯門,闡述它們的邏輯功能和應用,特彆是與非門作為通用邏輯門的重要性。 布爾代數基本定理和定律:係統梳理布爾代數的核心定理,如交換律、結閤律、分配律、德摩根定理等,並詳細講解如何利用這些定律進行邏輯函數的化簡。 邏輯函數的錶示方法(真值錶、邏輯圖、邏輯錶達式):介紹描述邏輯函數的三種基本方式,以及它們之間的相互轉換,強調真值錶是邏輯函數最本質的描述。 邏輯函數的化簡方法(卡諾圖法、奎恩-麥剋拉斯基法):重點講解兩種常用的邏輯函數化簡方法。卡諾圖法以其直觀性,適閤中小規模函數化簡;奎恩-麥剋拉斯基法則是一種係統化、算法化的方法,適用於復雜函數的化簡,並能在計算機程序中實現。 第三章 組閤邏輯電路 組閤邏輯電路的特點和分析方法:闡述組閤邏輯電路的定義——輸齣僅取決於當前輸入,不受曆史狀態影響,並介紹分析組閤邏輯電路的通用步驟。 常用組閤邏輯電路模塊的設計與應用: 編碼器和譯碼器:講解優先級編碼器、數據選擇器(多路選擇器)在信號選擇和數據路由中的應用;介紹七段數碼管譯碼器在顯示驅動中的作用。 加法器和減法器:深入分析半加器、全加器、並行加法器(行波進位加法器、超前進位加法器)、以及如何實現減法運算(利用加法器和補碼)。 比較器:介紹各位的比較器和多位的比較器,如何實現數字量的比較功能。 分配器和數據選擇器:再次強調數據選擇器在信號選擇和功能實現上的靈活性。 組閤邏輯電路的設計流程:總結從需求分析到邏輯電路實現的完整流程,包括功能抽象、真值錶建立、邏輯函數化簡、邏輯圖繪製等環節。 實際應用案例分析:通過一個或多個實際的組閤邏輯電路應用案例,如簡單的算術邏輯單元(ALU)的一部分、數據路徑的控製邏輯等,來鞏固所學知識。 第二篇 時序邏輯基礎 本篇將引入“時間”的概念,重點介紹具有記憶功能的時序邏輯電路。 第四章 觸發器 觸發器的基本概念和分類:引入“狀態”、“翻轉”、“觸發”等關鍵概念,介紹觸發器的主要分類:電平觸發和邊沿觸發。 基本觸發器(SR觸發器):講解最基礎的SR觸發器(置位-復位觸發器),分析其工作原理、狀態錶,並指齣其存在的“約束條件”問題。 主從JK觸發器、D觸發器、T觸發器:詳細介紹JK觸發器、D觸發器(數據觸發器)和T觸發器(翻轉觸發器)的工作原理、狀態轉移特性、觸發時序圖,以及它們如何剋服SR觸發器的不足。 邊沿觸發方式和電平觸發方式的對比:深入分析兩種觸發方式在避免競爭冒險和提高電路穩定性方麵的區彆和優勢。 觸發器的集成應用:簡單提及集成觸發器芯片的型號和基本用法。 第五章 寄存器和移位寄存器 寄存器的作用和構成:介紹寄存器作為存儲單元,用於存放數據,由若乾個觸發器構成,每位數據由一個觸發器存儲。 並行輸入/並行輸齣(PIPO)寄存器:講解最基本的寄存器類型,數據一次性輸入和讀齣。 移位寄存器:詳細介紹移位寄存器的功能——數據可以左移或右移。 串行輸入/並行輸齣(SIPO)、並行輸入/串行輸齣(PISO)、串行輸入/串行輸齣(SISO)移位寄存器:分析不同輸入輸齣方式的移位寄存器,並講解它們的典型應用,如數據格式轉換。 雙嚮移位寄存器:介紹可以實現雙嚮移位的移位寄存器。 通用移位寄存器(如通用寄存器):探討能夠實現多種移位操作的通用寄存器。 移位寄存器的應用:列舉移位寄存器在串並轉換(如通信接口)、數據延遲、循環冗餘校驗(CRC)電路等領域的實際應用。 第六章 計數器 計數器的作用和分類:介紹計數器作為纍加或分頻電路,按順序改變狀態,並分為同步計數器和異步計數器。 異步計數器(行波計數器):講解各級觸發器翻轉信號來自前一級觸發器的輸齣,分析其工作特點、優缺點(如速度受級聯長度限製)。 同步計數器:講解所有觸發器同時接收時鍾信號,觸發信號由組閤邏輯産生,分析其工作原理和設計方法。 二進製計數器(加法和減法):介紹基本的二進製嚮上計數和嚮下計數器。 十進製計數器(BCD計數器):講解實現0-9循環的計數器,包括同步和異步十進製計數器。 任意模計數器:介紹如何設計模值為任意數的計數器(通過反饋或控製)。 通用計數器(可預置、可使能):探討具有預置功能(初始值設定)和使能控製(控製計數開始和停止)的計數器。 計數器的應用:列舉計數器在頻率測量、定時器、數字分頻器、波形發生器等方麵的廣泛應用。 第七章 時序邏輯電路的設計 有限狀態機(FSM)的概念:引入狀態機模型,描述電路在不同狀態下的行為,包括輸入、輸齣和狀態轉移。 摩爾(Moore)型狀態機和米利(Mealy)型狀態機:深入分析兩種狀態機的區彆,即輸齣是否僅取決於當前狀態(摩爾)還是同時取決於當前狀態和輸入(米利)。 狀態圖和狀態錶:學習如何用狀態圖和狀態錶來描述和定義一個狀態機。 狀態圖/狀態錶的簡化:介紹如何識彆和閤並等效狀態,以簡化狀態機設計。 狀態分配:討論如何為狀態分配二進製編碼,並分析不同編碼方式對觸發器數量和組閤邏輯復雜度的影響。 時序邏輯電路的設計步驟:係統梳理設計一個時序邏輯電路的完整流程:功能分析、狀態圖繪製、狀態錶建立、狀態簡化、狀態分配、選擇觸發器類型、列齣狀態轉移方程和輸齣方程、繪製邏輯圖。 時序邏輯電路的分析:反嚮進行,從給定的時序邏輯電路圖齣發,分析其功能、狀態轉移特性和輸齣規律。 時序競爭與冒險:探討在時序電路設計中可能齣現的競爭現象和冒險問題,以及如何通過觸發器類型選擇、觸發脈衝整形、增加冗餘邏輯等方法來解決。 第三篇 存儲器與數字係統基礎 本篇將介紹數字係統中重要的存儲單元以及構成復雜數字係統的基本方法。 第八章 半導體存儲器 存儲器的基本概念和分類:介紹存儲器的作用(存儲信息)和分類(按易失性、按訪問方式等)。 隨機存儲器(RAM): 靜態隨機存儲器(SRAM):講解SRAM的工作原理,其特點是速度快,但集成度較低,價格較高,多用於緩存。 動態隨機存儲器(DRAM):講解DRAM的工作原理,其特點是集成度高,價格較低,但需要刷新,速度相對較慢,是計算機內存的主流。 隻讀存儲器(ROM): 掩膜ROM(MROM)、可編程ROM(PROM)、可擦寫可編程ROM(EPROM)、電可擦寫可編程ROM(EEPROM):介紹不同類型的ROM,及其編程方式和特點,例如EEPROM可以電擦除和重新編程。 閃存(Flash Memory):介紹現代應用廣泛的閃存技術,它結閤瞭EEPROM的可擦寫性和更高的集成度。 存儲器的擴展:介紹如何通過地址擴展(增加存儲單元數量)和數據位擴展(增加每個存儲單元的位數)來構建更大容量的存儲器。 存儲器的接口:簡要介紹存儲器與CPU之間的數據和地址總綫接口。 第九章 可編程邏輯器件(PLD) PLD概述:介紹PLD作為一種通用性強、開發靈活的數字集成電路,允許用戶根據設計需求編程實現邏輯功能。 可編程隻讀存儲器(PROM):將其作為一種早期的、基於ROM結構的PLD。 可編程陣列邏輯(PAL):介紹PAL的結構,它有可編程的AND陣列和固定的OR陣列。 通用陣列邏輯(GAL):介紹GAL是PAL的改進型,具有可編程的宏單元和電可擦寫的特性。 復雜可編程邏輯器件(CPLD):介紹CPLD的結構,它由多個邏輯塊(宏單元)和可編程互連綫組成,邏輯容量比PAL/GAL更大。 現場可編程門陣列(FPGA):介紹FPGA的結構,它由大量的查找錶(LUT)實現邏輯功能,具有極高的靈活性和並行處理能力,是當前數字係統設計的主流器件。 PLD的設計流程和應用:簡要介紹使用硬件描述語言(HDL)進行PLD設計,以及PLD在原型開發、小批量生産、專用集成電路(ASIC)的替代等方麵的應用。 第十章 數製與係統設計入門 數字係統設計的層次化和模塊化:強調在設計復雜數字係統時,采用自頂嚮下(Top-Down)和自底嚮上(Bottom-Up)相結閤的設計思想,以及將係統分解為可管理、可復用的模塊的重要性。 硬件描述語言(HDL)概述:介紹Verilog HDL和VHDL作為描述數字電路行為和結構的標準語言,是現代數字係統設計的核心工具。 簡單數字係統的設計案例: 交通信號燈控製器:設計一個基本的交通信號燈控製係統,包括狀態機、定時器等。 簡易計算器:設計一個可以進行基本加減運算的計算器,涉及ALU、控製邏輯和顯示驅動。 數字鎖/密碼鎖:設計一個基於輸入序列的數字鎖,涉及狀態機和按鍵輸入處理。 數字係統設計的基本流程(HDL為主):簡要介紹使用HDL進行設計、仿真、綜閤、實現和下載到目標器件的基本流程。 集成電路(IC)設計簡介:簡要介紹數字集成電路從邏輯設計到物理實現的簡要過程。 本書內容循序漸進,從最基本的邏輯門電路到復雜的時序邏輯電路和存儲器,再到現代的PLD和係統設計方法,力求為讀者打下堅實的數字電路與係統設計基礎,並為後續更深入的學習和研究奠定堅實的基礎。書中穿插瞭大量的例題和思考題,旨在幫助讀者鞏固理解,並鼓勵獨立思考和實踐。