內容簡介
《數字電路邏輯設計(第三版)/高等學校教材》第二版是普通高等教育“十五”國傢級規劃教材和高等教育齣版社百門精品課程教材立項項目。《數字電路邏輯設計(第三版)/高等學校教材》的前身《脈衝與數字電路》(第二版)曾獲第三屆國傢教委優秀教材一等奬,第三屆教育部科學技術進步三等奬;《數字電路邏輯設計》(脈衝與數字電路第三版)曾獲2002年普通高等學校優秀教材二等奬。
《數字電路邏輯設計(第三版)/高等學校教材》適應電子信息與通信工程學科、電子科學與技術學科迅猛發展的形勢,正確處理瞭基礎理論與實際應用的關係,既覆蓋瞭教育部高等學校電工電子基礎課程教學指導委員會頒布的本課程教學基本要求,也符閤當前我國高等學校工科本課程教學內容與課程體係改革的實際,定位準確,取材恰當,基本概念清楚,同時保持瞭前幾版的優點,深入淺齣,語言流暢,可讀性強。
全書共十章,主要包括緒論、邏輯函數及其簡化、集成邏輯門、組閤邏輯電路、集成觸發器、時序邏輯電路、半導體存儲器、可編程邏輯器件、脈衝單元電路、模數轉換器和數模轉換器等內容,各章後配有適量習題。除此之外,每章後還配有自我檢測題,掃描其對應的二維碼即可查看。
與書配套齣版的還有學習指導書,含有《數字電路邏輯設計(第三版)/高等學校教材》各章的習題解答。
《數字電路邏輯設計(第三版)/高等學校教材》可作為高等學校電子信息類、電氣信息類各專業的教科書,也可供本學科及其他相近學科工程技術人員參考。
作者簡介
王毓銀,1939年生,江蘇省南通市人。1963年畢業於北京郵電學院無綫電係,其後在北京郵電學院無綫電係任教。1985年調至北京郵電學院分院任無綫電工程係主任。長期從事數字電路的教學與科研工作。享受政府特殊津貼,曾任教育部高等學校工科電工課程教學指導委員會電子技術與電子綫路課程指導小組委員。1989年被授予北京市勞動模範。
主要著作有
《脈衝與數字電路》(第1、2版)(高等教育齣版社,1985、1992年齣版)。獲國傢教育委員會第三屆全國普通高等學校優秀教材一等奬,教育部第三屆科學技術進步三等奬。
《數字電路邏輯設計》[《脈衝與數字電路》(第三版)](高等教育齣版社,1999年齣版)。獲教育部2002年全國普通高等學校優秀教材二等奬。《數字電路邏輯設計》(第二版)為麵嚮21世紀課程教材、普通高等教育“十五”國傢級規劃教材。
內頁插圖
目錄
第1章 緒論
1.1 數字信號
1.2 數製及其轉換
1.3 二-十進製代碼(BCD代碼)
1.4 算術運算與邏輯運算
1.5 數字電路
1.6 本課程的任務與性質
習題
第2章 邏輯函數及其簡化
2.1 邏輯代數
2.1.1 基本邏輯
2.1.2 基本邏輯運算
2.1.3 真值錶與邏輯函數
2.1.4 邏輯函數相等
2.1.5 三個規則
2.1.6 常用公式
2.1.7 邏輯函數的標準形式
2.2 邏輯函數的簡化
2.2.1 公式法(代數法)
2.2.2 圖解法(卡諾圖法)
習題
第3章 集成邏輯門
3.1 晶體管的開關特性
3.1.1 晶體二極管開關特性
3.1.2 晶體三極管開關特性
3.2 TTL集成邏輯門
3.2.1 晶體管-晶體管邏輯門電路(TTL)
3.2.2 TTL與非門的主要外部特性
3.2.3 TTL或非門、異或門、OC門、三態輸齣門等
3.2.4 其他係列TTL門電路
3.3 MOS邏輯門
3.3.1 MOS晶體管
3.3.2 MOS反相器和門電路
3.4 CMOS電路
3.4.1 CMOS反相器工作原理
3.4.2 CMOS反相器的主要特性
3.4.3 CMOS傳輸門
3.4.4 CMOS邏輯門電路
3.4.5 BiCMOS門電路
3.4.6 CMOS電路的正確使用方法
習題
第4章 組閤邏輯電路
4.1 組閤邏輯電路分析
4.1.1 全加器
4.1.2 編碼器
4.1.3 譯碼器
4.1.4 數值比較器
4.1.5 數據選擇器
4.2 組閤邏輯電路設計
4.2.1 采用小規模集成器件的組閤邏輯電路設計
4.2.2 采用中規模集成器件實現組閤邏輯函數
4.3 組閤邏輯電路的冒險現象
4.3.1 靜態邏輯冒險
4.3.2 如何判斷是否存在邏輯冒險
4.3.3 如何避免邏輯冒險
習題
第5章 集成觸發器
5.1 基本觸發器
5.1.1 基本觸發器電路組成和工作原理
5.1.2 基本觸發器功能的描述
5.2 鍾控觸發器
5.2.1 鍾控R-S觸發器
5.2.2 鍾控D觸發器
5.2.3 鍾控J-K觸發器
5.2.4 鍾控T觸發器
5.2.5 電位觸發方式的工作特性
5.3 主從觸發器
5.3.1 主從觸發器基本原理
5.3.2 主從J-K觸發器主觸發器的一次翻轉現象
5.3.3 主從J-K觸發器集成單元
5.3.4 集成主從,一K觸發器的脈衝工作特性
5.4 邊沿觸發器
5.4.1 維持-阻塞觸發器
5.4.2 下降沿觸發的邊沿觸發器
5.4.3 CMOS傳輸門構成的邊沿觸發器
習題
第6章 時序邏輯電路
6.1 時序邏輯電路概述
6.2 時序邏輯電路分析
6.2.1 時序邏輯電路的分析步驟
6.2.2 寄存器、移位寄存器
6.2.3 同步計數器
6.2.4 異步計數器
6.3 時序邏輯電路設計
6.3.1 同步時序邏輯電路設計的一般步驟
6.3.2 采用小規模集成器件設計同步計數器
6.3.3 采用小規模集成器件設計異步計數器
6.3.4 采用中規模集成器件實現任意模值計數(分頻)器
6.4 序列信號發生器
6.4.1 設計給定序列信號的産生電路
6.4.2 根據序列循環長度M的要求設計發生器電路
習題
第7章 半導體存儲器
7.1 概述
7.1.1 半導體存儲器的特點與應用
7.1.2 半導體存儲器的分類
7.1.3 半導體存儲器的主要技術指標
7.2 順序存取存儲器(SAM)
7.2.1 動態CMOS反相器
7.2.2 動態CMOS移存單元
7.2.3 動態移存器和順序存取存儲器(SAM)
7.3 隨機存取存儲器(RAM)
7.3.1 RAM的結構
7.3.2 RAM存儲單元
7.3.3 RAM集成片HM6264簡介
7.3.4 RAM存儲容量的擴展
7.4 隻讀存儲器(ROM)
7.4.1 固定ROM
7.4.2 可編程ROM
7.4.3 利用ROM實現組閤邏輯函數
習題
第8章 可編程邏輯器件
8.1 可編程邏輯器件基本結構
8.1.1 “與-或”陣列結構
8.1.2 查找錶結構
8.1.3 可編程邏輯器件編程技術
8.2 簡單可編程邏輯器件(SPLD)
8.2.1 PAL器件的基本結構
8.2.2 GAL器件的基本結構
8.2.3 典型GAL器件
8.3 復雜可編程邏輯器件(CPLD)
8.4 現場可編程門陣列(FPGA)器件
8.5 可編程邏輯器件的開發
8.5.1 PLD設計流程
8.5.2 PLD編程與配置
習題
第9章 脈衝單元電路
9.1 脈衝信號與電路
9.1.1 脈衝信號
9.1.2 脈衝電路
9.2 集成門構成的脈衝單元電路
9.2.1 施密特觸發器
9.2.2 單穩態觸發器
9.2.3 多諧振蕩器
9.3 555定時器及其應用
9.3.1 555定時器的電路結構
9.3.2 用555定時器構成施密特觸發器
9.3.3 用555定時器構成單穩態觸發器
9.3.4 用555定時器構成多諧振蕩器
習題
第10章 模數轉換器和數模轉換器
10.1 數模轉換器(DAC)
10.1.1 數模轉換原理和一般組成
10.1.2 權電阻網絡DAC
10.1.3 R-2R倒T形電阻網絡DAC
10.1.4 單值電流型網絡DAC
10.1.5 集成DAC及其應用舉例
10.1.6 DAC:的轉換精度與轉換速度
10.2 模數轉換器(ADC)
10.2.1 模數轉換基本原理
10.2.2 並聯比較型ADC
10.2.3 逐次逼近型ADC
10.2.4 雙積分型ADC
10.3 集成ADC及其應用舉例
10.3.1 雙積分型集成ADC
10.3.2 逐次逼近型集成ADC
10.3.3 ADC的轉換精度和轉換速度
習題
附錄一 半導體集成電路型號命名方法
附錄二 集成電路主要性能參數
附錄三 二進製邏輯單元圖形符號說明
漢英名詞術語對照
主要參考文獻
前言/序言
本教材自1985年齣版以來,已曆經32個春鞦,本著既要符閤課程教學要求,又要能適應本課程教學內容與課程體係改革的需要的原則,多次修訂再版。
本書在前幾次修訂中曾增加瞭可編程邏輯器件、邏輯電路的測試和可測性設計、VHDL和數字係統設計基礎等內容,在教學實踐中由於學時限製,大部分院校都未能在課程中講述,許多院校為此開設瞭技術講座或單獨開設瞭EDA或數字係統設計等課程。這些內容的引入為數字電子技術課程體係起到瞭引導作用。然而,“數字電路邏輯設計”是數字電子技術的入門課程,是重要的專業技術基礎課,它的核心內容應該是邏輯函數、組閤邏輯電路、時序邏輯電路、集成邏輯門以及半導體存儲器、脈衝單元電路模數和數模轉換器等。
為瞭使教材更適應教學需要,本次修訂:
(1)加強和突齣瞭基礎部分,著重基本概念、基礎理論和基本分析、設計方法的論述,力求做到基本概念清楚,敘述簡潔,重點突齣,語言通順,可讀性強。刪去瞭第2章的邏輯函數的係統化簡法和第3章的發射極耦閤邏輯(ECL)門與集成注入邏輯(I2L)電路。
(2)對原第8章可編程邏輯器件進行瞭大幅度壓縮,刪去瞭具體器件的介紹。
(3)刪去瞭VHDL的內容及數字係統設計基礎一章。這部分內容大部分院校已單獨設課或在課程設計中講述。
本次修訂加強瞭基礎,突齣瞭基本概念和理論,由王毓銀和趙亦鬆共同完成。
由於編者水平所限,書中難免存在錯誤和不妥之處,殷切期望讀者予以批評和指正。
數字電路邏輯設計:從基礎到應用的係統性探索 本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的數字電路邏輯設計知識體係。我們將從最基礎的邏輯門和布爾代數齣發,逐步引導您掌握數字係統的構建原理,最終能夠獨立完成復雜數字電路的設計與分析。全書內容涵蓋瞭數字邏輯設計的核心概念、常用電路以及實際應用中的關鍵技術,力求理論與實踐相結閤,幫助您建立紮實的理論基礎和解決實際問題的能力。 第一部分:邏輯基礎與布爾代數 在深入探討數字電路之前,理解其底層邏輯是至關重要的。本部分將為您構建起堅實的邏輯基石。 第一章 緒論:數字世界的大門 我們將首先介紹數字電路與模擬電路的區彆,闡述數字電路在現代科技中的重要性及其應用領域,例如計算機、通信、控製係統等。您將瞭解數字信號的特點,以及二進製係統在數字電路中的核心地位。本章還將簡要迴顧數製轉換(二進製、十進製、十六進製等)的基本概念,為後續的學習做好鋪墊。 第二章 二進製數與邏輯運算 深入學習二進製數及其錶示方法,包括無符號數和有符號數的錶示。重點講解計算機中常用的二進製運算,如加法、減法、乘法和除法,以及它們在邏輯電路中的實現方式。我們將詳細介紹邏輯運算,如與(AND)、或(OR)、非(NOT)運算,並引入異或(XOR)、同或(XNOR)等基本邏輯運算。理解這些基本運算是掌握後續所有數字邏輯設計的關鍵。 第三章 布爾代數基礎 布爾代數是數字邏輯設計的數學基礎。本章將係統介紹布爾代數的基本公理和定理,例如交換律、結閤律、分配律、吸收律、德摩根定理等。我們將學習如何使用布爾代數來化簡邏輯錶達式,從而優化電路設計,減少元件數量,提高電路性能。通過大量的實例,您將熟練掌握布爾代數運算的技巧。 第四章 邏輯門電路 邏輯門是實現基本邏輯運算的電子器件。本章將詳細介紹各種基本邏輯門(AND、OR、NOT)和通用邏輯門(NAND、NOR、XOR、XNOR)的邏輯符號、真值錶和電路實現。您將理解這些邏輯門是如何通過半導體器件(如晶體管)來實現的,雖然不深入到晶體管層麵,但會建立對元件功能的理解。本章的重點在於掌握如何利用這些邏輯門組閤構建更復雜的邏輯功能。 第二部分:組閤邏輯電路設計 在掌握瞭基本邏輯門之後,我們將開始學習如何將它們組閤起來,設計實現特定功能的組閤邏輯電路。 第五章 組閤邏輯電路設計方法 本章將引導您掌握設計組閤邏輯電路的係統性方法。我們將學習如何根據功能需求,列齣真值錶,然後使用卡諾圖(Karnaugh Map)或奎因-麥剋拉斯基(Quine-McCluskey)算法等方法,對邏輯錶達式進行化簡,得到最簡邏輯錶達式,並最終繪製齣對應的邏輯電路圖。卡諾圖作為一種直觀的化簡工具,將得到重點講解。 第六章 常用組閤邏輯電路模塊 我們將深入研究一係列重要的組閤邏輯電路模塊,它們是構成復雜數字係統的基本單元。這包括: 編碼器與譯碼器: 學習如何設計優先編碼器(Priority Encoder)和通用編碼器,以及如何實現多路譯碼器(Decoder)和指示燈驅動器。理解它們在數據選擇和信號解碼中的作用。 數據選擇器(Multiplexer, MUX): 掌握數據選擇器的原理和設計,以及如何用它來實現邏輯函數。瞭解其在信號路由和數據分發中的廣泛應用。 數據分配器(Demultiplexer, DEMUX): 學習數據分配器的功能,以及如何用它來實現信號的分發和控製。 加法器與減法器: 詳細介紹半加器(Half Adder)、全加器(Full Adder)、進位鏈加法器(Ripple Carry Adder)和超前進位加法器(Lookahead Carry Adder)等,理解它們在算術運算中的實現。同時,介紹二進製減法的實現原理,如使用補碼。 比較器(Comparator): 學習如何設計多位比較器,實現兩個二進製數的比較功能。 第七章 集成電路(IC)基礎 本章將介紹集成電路的基本概念,包括集成電路的分類(TTL、CMOS等)、引腳定義、邏輯功能以及使用集成電路芯片進行電路設計的方法。您將瞭解如何閱讀集成電路的數據手冊(Datasheet),並根據芯片的規格來選擇閤適的器件。 第三部分:時序邏輯電路設計 與組閤邏輯電路不同,時序邏輯電路的輸齣不僅取決於當前的輸入,還取決於電路的曆史狀態。本部分將重點介紹這類電路的設計。 第八章 觸發器(Flip-Flop) 觸發器是構建時序邏輯電路的最基本存儲單元。我們將詳細介紹各種類型的觸發器,包括SR觸發器、JK觸發器、D觸發器和T觸發器,並分析它們的觸發時序、狀態轉換圖和方程。理解不同觸發器的特性及其適用場景是掌握時序邏輯設計的關鍵。 第九章 寄存器(Register) 寄存器用於存儲一組二進製數據。本章將介紹移位寄存器(Shift Register),包括串行輸入/並行輸齣(SIPO)、並行輸入/串行輸齣(PISO)、串行輸入/串行輸齣(SISO)和並行輸入/並行輸齣(PIPO)等類型,並探討它們在數據傳輸和處理中的應用。同時,也將介紹通用寄存器的設計。 第十章 計數器(Counter) 計數器能夠對輸入的時鍾脈衝進行計數。我們將學習如何設計同步計數器(Synchronous Counter)和異步計數器(Asynchronous Counter),包括二進製計數器、十進製計數器(BCD Counter)以及任意模計數器。您將理解計數器在分頻、定時和狀態機控製等方麵的作用。 第十一章 時序邏輯電路設計 本章將介紹設計復雜時序邏輯電路的係統化流程。您將學習如何根據係統功能的需求,建立狀態圖(State Diagram)和狀態錶(State Table),然後將其轉換為觸發器輸入方程和輸齣方程,最終設計齣完整的時序邏輯電路。我們將強調同步設計方法的重要性。 第十二章 有限狀態機(Finite State Machine, FSM) 有限狀態機是描述和設計同步時序邏輯電路的一種強大工具。我們將深入探討Mealy型和Moore型狀態機的區彆與聯係,學習如何繪製狀態圖、設計狀態錶,並將其映射到實際的觸發器和邏輯門電路。您將通過豐富的實例,掌握如何使用FSM來解決諸如序列檢測器、控製器等問題。 第四部分:現代數字設計方法與進階主題 在掌握瞭數字邏輯設計的基礎之後,本部分將介紹更現代化的設計工具和方法,以及一些進階的數字係統概念。 第十三章 可編程邏輯器件(PLD)與FPGA 本章將介紹可編程邏輯器件(PLD),如可編程隻讀存儲器(PROM)、可編程陣列邏輯(PAL)和通用陣列邏輯(GAL)。重點將放在現場可編程門陣列(FPGA)上,介紹其基本結構、工作原理以及如何使用硬件描述語言(HDL)如Verilog或VHDL進行設計。您將瞭解到FPGA是如何成為現代數字係統原型開發和實現的重要平颱。 第十四章 硬件描述語言(HDL)入門 我們將為您介紹硬件描述語言(HDL)的基本概念和語法。通過簡單的示例,您將學會如何使用HDL來描述組閤邏輯電路和時序邏輯電路,並理解HDL在自動化設計流程中的作用。這將為您後續深入學習FPGA設計打下基礎。 第十五章 存儲器 本章將介紹數字係統中常用的存儲器類型,包括隨機存取存儲器(RAM)和隻讀存儲器(ROM)。我們將探討它們的結構、工作原理以及在數字係統中的應用,例如數據存儲、程序存儲等。 第十六章 數模與模數轉換 數字電路常需要與現實世界的模擬信號進行交互。本章將介紹數模轉換器(DAC)和模數轉換器(ADC)的基本原理、結構和類型,以及它們在信號處理和數據采集中的重要作用。 第十七章 時序與同步 本章將深入探討數字電路中的時序問題,例如建立時間(Setup Time)、保持時間(Hold Time)、時鍾抖動(Clock Jitter)等。我們將學習如何分析和解決時序違規問題,以及如何設計高效、可靠的時鍾分發網絡。同步設計的重要性將在本章得到強調。 第十八章 復雜數字係統示例與設計流程 本章將通過一些實際的數字係統設計案例,例如簡單的微處理器、數據通路、狀態控製器等,來整閤前麵章節所學的知識。您將瞭解到從需求分析到係統實現的設計流程,以及在實際工程中可能遇到的挑戰和解決方法。 通過對本書內容的係統學習,您將不僅能夠理解數字電路的基本原理,更能掌握設計和分析復雜數字係統的能力。本書緻力於為您在數字電子技術領域的研究和實踐打下堅實的基礎。