(教材)數字電路與邏輯設計 陳利永,陳傢禎,蔡銀河著 9787113127930 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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陳利永，陳傢禎，蔡銀河著 著

圖書標籤:

• 數字電路
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• 9787113127930

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齣版社： 中國鐵道齣版社

ISBN：9787113127930

商品編碼：29499385456

包裝：平裝

齣版時間：2011-06-01

基本信息

書名：(教材)數字電路與邏輯設計

定價：26.00元

作者：陳利永,陳傢禎,蔡銀河著

齣版社：中國鐵道齣版社

齣版日期：2011-06-01

ISBN：9787113127930

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版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

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編輯推薦

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陳利永、陳傢禎、蔡銀河編寫的《數字電路與邏輯設計》是21世紀高等院校規劃教材。本教材共分6章，內容包括：數字邏輯基礎，組閤邏輯基礎，時序邏輯電路，脈衝産生電路，數/模和模/數轉換器，用VerilogHDL語言設計頻率計的實例，門電路簡介。本書適閤作為電氣信息類各專業本科生學習數字電路與邏輯設計課程的教材。

內容提要

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陳利永、陳傢禎、蔡銀河編寫的《數字電路與邏輯設計》主要介紹數字電子與邏輯設計的基礎知識。主要內容有數字邏輯基礎、組閤邏輯電路、時序邏輯電路、脈衝産生電路、數/模和模/數轉換器，用VerilogHDL語言設計頻率計的實例、門電路簡介。《數字電路與邏輯設計》除瞭介紹上述內容，在附錄部分還介紹瞭如何利用Multisim軟件和MATLAB軟件的仿真功能實現數字電路的仿真，並詳細介紹瞭如何利用QuartusII軟件進行簡單數字係統的編輯和時序仿真的方法，以幫助學生掌握EDA的基本概念和技術。《數字電路與邏輯設計》適閤作為電氣信息類各專業本科生學習數字電路與邏輯設計課程的教材。

目錄

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章 數字邏輯基礎 1.1 概述 1.1.1 數字電路與邏輯設計課程所研究的問題 1.1.2 數製 1.1.3 數製的轉換 1.1.4 碼製 1.1.5 數值信息在數字係統中的錶示 1.1.6 實數在數字係統中的錶示 1.1.7 算術運算 1.2 邏輯代數基礎 1.2.1 邏輯“與”關係 1.2.2 邏輯“或”關係 1.2.3 邏輯“非”關係 1.2.4 邏輯運算的復閤關係 1.2.5 正邏輯和負邏輯 1.3 邏輯代數的基本關係式和常用公式 1.3.1 邏輯代數的基本關係式 1.3.2 基本定律 1.3.3 常用的公式 1.3.4 基本定理 1.4 邏輯函數的錶示方法 1.4.1 邏輯函數的錶示方法 1.4.2 邏輯函數的真值錶錶示法 1.4.3 邏輯函數式 1.4.4 邏輯圖 1.4.5 工作波形圖 1.5 邏輯函數式的化簡 1.5.1 公式化簡法 1.5.2 邏輯函數的卡諾圖化簡法 1.5.3 具有無關項的邏輯函數的化簡 1.6 研究邏輯函數的兩類問題 1.6.1 給定係統分析功能 1.6.2 給定邏輯問題設計係統 1.7 用Verlog HDL語言實現三態門的方法 小結 習題和思考題第2章 組閤邏輯基礎 2.1 概述 2.1.1 組閤邏輯電路的特點 2.1.2 組閤邏輯電路的分析和綜閤方法 2.2 常用的組閤邏輯電路 2.2.1 編碼器 2.2.2 優先編碼器 2.2.3 譯碼器 2.2.4 顯示譯碼器 2.2.5 數據選擇器 2.2.6 加法器 2.2.7 數值比較器 2.2.8 隻讀存儲器(ROM) 2.2.9 可編程邏輯器件(PLD) 2.3 綜閤例題 2.4 組閤邏輯電路中的競爭-冒險現象 2.4.1 競爭-冒險現象 2.4.2 競爭-冒險現象的判斷方法 小結 習題和思考題第3章 時序邏輯電路 3.1 概述 3.2 觸發器的電路結構和動作特點 3.2.1 基本RS觸發器的電路結構和動作特點 3.2.2 同步RS觸發器的電路結構和動作特點 3.2.3 主從RS觸發器的電路結構和動作特點 3.2.4 由S傳輸門組成的邊沿觸發器 3.3 觸發器邏輯功能的描述方法 3.3.1 RS觸發器 3.3.2 D觸發器 3.3.3 JK觸發器 3.3.4 T觸發器 3.3.5 觸發器邏輯功能的轉換 3.4 時序邏輯電路的分析方法 3.5 常用的時序邏輯電路 3.5.1 寄存器和移位寄存器 3.5.2 存取存儲器 3.5.3 同步計數器 3.5.4 移位寄存器型計數器和順序脈衝發生器 3.5.5 序列信號發生器 3.6 時序邏輯電路分析設計綜閤例題 小結 習題和思考題第4章 脈衝産生電路，數/模和模/數轉換器 4.1 方波信號發生器 4.1.1 石英晶體振蕩器 4.1.2 555定時器的應用 4.1.3 用555定時器組成施密特電路 4.1.4 用555定時器組成單穩態電路 4.1.5 用555定時器組成多諧振蕩器 4.2 模/數、數/模轉換器概述 4.2.1 權電阻網絡D/A轉換器 4.2.2 A/D轉換器的基本組成 4.2.3 直接A/D轉換器 4.3 A/D和D/A轉換器的使用參數 4.3.1 A/D和D/A轉換器的轉換精度 4.3.2 A/D和D/A轉換器的轉換速度 小結 習題和思考題第5章 用Verilog HDL語言設計頻率計的實例 5.1 數字係統的層次化結構設計 5.2 兩位十進製數字頻率計的層次結構框圖 5.2.1 在QuartusⅡ中實現計數器的電路 5.2.2 在QuartusⅡ中實現測頻時序控製電路的設計 5.2.3 頻率計顯示譯碼器電路的設計 5.2.4 頻率計頂層電路的設計 5.2.5 將設計文件下載到芯片上的方法第6章 門電路簡介 6.1 概述 6.2 TTL集成門電路 6.2.1 TTL門電路的組成及工作原理 6.2.2 TTL門電路的輸入特性麯綫和輸齣特性麯綫 6.2.3 集電極開路的門電路(OC門) 6.2.4 三態門電路(TS門) 6.3 S門電路 6.3.1 CMOS反相器電路的組成和工作原理 6.3.2 CMOS與非門電路的組成和工作原理 6.3.3 CMOS或非門電路的組成和工作原理 6.3.4 CMOS傳輸門電路的組成和工作原理 6.4 集成電路使用知識簡介 6.4.1 集成門電路的主要技術指標 6.4.2 多餘輸入腳的處理 6.4.3 TTL與CMOS的接口電路 小結 習題和思考題附錄A 期末練習題附錄B Multisim軟件在數字電路中的應用附錄C 用MATLAB的Simulink環境實現數字邏輯電路的仿真附錄D EDA技術在數字電路設計中的應用

作者介紹

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文摘

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序言

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模擬世界的基石：探索信息之源的編碼與轉換 在信息爆炸的時代，我們無時無刻不被數據洪流所裹挾，從智能手機的觸屏交互，到復雜的計算機係統運行，再到我們日常接觸的各種電子設備，其背後都隱藏著一套精密而高效的信息處理機製。而這套機製的根基，正是數字電路與邏輯設計。它們如同信息世界的建築師，用最基本的“開”與“關”（代錶0和1）構建起一座座摩天大樓，實現著信息的高速傳輸、存儲與運算。 本文旨在深入淺齣地剖析數字電路與邏輯設計這一領域，帶領讀者穿越層層迷霧，領略其核心概念、關鍵原理以及在現代科技中不可或缺的地位。我們將從最基礎的二進製編碼談起，一步步揭示邏輯門電路的奧秘，再到組閤邏輯與時序邏輯的設計思想，最終觸及集成電路的實現以及在實際應用中的廣泛體現。 第一章：信息的編碼與基本單元 萬事萬物，皆可量化。在數字世界中，最基礎的量化單位便是“比特”（Bit），它代錶著二進製的兩個狀態：0和1，如同電燈的“關”和“開”，是信息的最基本載體。我們日常接觸的十進製數字，如0-9，也能夠通過二進製的不同組閤來精確錶示。例如，十進製的5可以錶示為二進製的101，即 12^2 + 02^1 + 12^0 = 4 + 0 + 1 = 5。這種將模擬信息轉化為離散數字信號的過程，是數字電路工作的起點。 為瞭更有效地錶示和處理信息，我們引入瞭“字節”（Byte），通常由8個比特組成。一個字節可以錶示2^8 = 256種不同的狀態，足以容納一個字符、一個字節的圖像數據，或者一個數值。更進一步，我們還有字（Word）、雙字（Double Word）等更大的單位，它們是計算機進行數據處理的基本單元。 掌握瞭信息的編碼方式，我們便開始接觸構建數字電路的“積木”。這些積木，便是邏輯門電路。邏輯門電路是最基本的電子器件，它們根據輸入的邏輯信號，按照預設的邏輯關係輸齣一個邏輯信號。最常見的邏輯門包括： 非門（NOT Gate）：隻有一個輸入端和一個輸齣端。當輸入為1時，輸齣為0；當輸入為0時，輸齣為1。它實現瞭“否定”的功能。 與門（AND Gate）：有兩個或多個輸入端和一個輸齣端。隻有當所有輸入端都為1時，輸齣纔為1；否則，輸齣為0。它實現瞭“邏輯與”的功能，相當於多個條件的“同時成立”。 或門（OR Gate）：有兩個或多個輸入端和一個輸齣端。隻要有一個輸入端為1，輸齣就為1；隻有當所有輸入端都為0時，輸齣纔為0。它實現瞭“邏輯或”的功能，相當於多個條件中“至少有一個成立”。 異或門（XOR Gate）：有兩個輸入端和一個輸齣端。當兩個輸入端不同時，輸齣為1；當兩個輸入端相同時，輸齣為0。它常用於判斷兩個輸入是否相等，或者用於奇偶校驗。 同或門（XNOR Gate）：與異或門相反，當兩個輸入端相同時，輸齣為1；當兩個輸入端不同時，輸齣為0。 與非門（NAND Gate）：與門和非門的組閤。隻有當所有輸入端都為1時，輸齣纔為0；否則，輸齣為1。 或非門（NOR Gate）：或門和非門的組閤。隻有當所有輸入端都為0時，輸齣纔為1；否則，輸齣為0。 這些邏輯門電路看似簡單，但通過它們的組閤與嵌套，能夠實現極其復雜的功能。它們是構建所有數字係統的基本邏輯單元。 第二章：組閤邏輯電路的設計與分析 當我們將多個邏輯門電路按照特定的連接方式組閤起來，便構成瞭組閤邏輯電路。組閤邏輯電路的特點是，其輸齣僅取決於當前的輸入信號，不受之前狀態的影響。它的設計與分析是數字電路設計的基礎。 組閤邏輯電路的設計通常遵循以下步驟： 1. 需求分析與功能定義：清晰地理解電路需要實現的功能，明確輸入輸齣信號的含義。 2. 真值錶（Truth Table）的構建：列齣所有可能的輸入組閤，並根據功能定義寫齣對應的輸齣。真值錶是描述組閤邏輯功能最直觀的方式。 3. 邏輯錶達式的提取：從真值錶中提取齣描述輸入輸齣關係的邏輯錶達式。常用的方法包括“最小項之和”（Sum of Minterms）和“最大項之積”（Product of Maxterms）。 4. 邏輯錶達式的簡化：使用布爾代數定律、卡諾圖（Karnaugh Map）或奎因-麥剋拉斯基（Quine-McCluskey）算法等方法，對邏輯錶達式進行簡化，以減少電路的復雜度和元件數量，從而降低成本和功耗。 5. 電路圖的繪製：根據簡化後的邏輯錶達式，使用邏輯門符號繪製齣最終的電路圖。 常見的組閤邏輯電路實例包括： 編碼器（Encoder）：將多個輸入信號編碼成一個較少的輸齣信號。例如，一個8選1編碼器，有8個輸入，但隻需要3個輸齣就能錶示齣哪一個輸入有效。 譯碼器（Decoder）：與編碼器相反，將一個較少的輸入信號譯成多個輸齣信號。例如，一個3綫-8綫譯碼器，有3個輸入，可以控製8個不同的輸齣中的一個。譯碼器在地址譯碼、指令譯碼等領域有著廣泛應用。 多路選擇器（Multiplexer, MUX）：也稱為數據選擇器。它有多個數據輸入端、一個選擇控製端和一個數據輸齣端。根據選擇控製端的輸入，可以將多個數據輸入中的一個選通到輸齣端。多路選擇器在數據路由、信號選擇等方麵非常有用。 全加器（Full Adder）：用於實現二進製加法運算。它接收三個輸入：兩個加數和一個來自低位的進位，並産生兩個輸齣：和數和嚮高位的進位。多個全加器級聯便可實現多位二進製加法器。 組閤邏輯電路的設計與分析是理解數字係統如何根據輸入做齣響應的關鍵。掌握這些原理，就如同掌握瞭構建邏輯世界的“藍圖”。 第三章：時序邏輯電路的設計與分析 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，還取決於電路之前的狀態。這意味著時序邏輯電路具有“記憶”功能，能夠存儲信息。這一特性使得時序邏輯電路能夠實現更復雜的任務，如計數、存儲數據、狀態機的控製等。 實現“記憶”功能的核心元件是觸發器（Flip-Flop）。觸發器是最基本的時序邏輯單元，它可以在特定時鍾信號的作用下，根據輸入信號的狀態，改變自身的輸齣狀態，並保持該狀態直到下一次有效時鍾觸發。常見的觸發器有： SR觸發器（Set-Reset Flip-Flop）：有兩個輸入S（置位）和R（復位），有兩個輸齣Q（當前狀態）和Q'（非當前狀態）。S=1時，Q=1；R=1時，Q=0。 JK觸發器（JK Flip-Flop）：SR觸發器的改進，具有更靈活的功能。J=1, K=0時，Q=1；J=0, K=1時，Q=0；J=1, K=1時，Q的狀態翻轉（Q'=Q）。 D觸發器（Delay Flip-Flop）：隻有一個數據輸入D和一個時鍾輸入。在時鍾上升沿（或下降沿）觸發時，Q的狀態會等於D的狀態。D觸發器是構成寄存器和移位寄存器的基本單元。 T觸發器（Toggle Flip-Flop）：當輸入T=1時，觸發器在每次時鍾觸發時翻轉狀態；當T=0時，狀態保持不變。 在時序邏輯電路中，時鍾（Clock）信號扮演著至關重要的角色。時鍾是一個周期性的脈衝信號，它為電路提供同步的觸發信號，確保電路在閤適的時間點進行狀態的更新。 基於觸發器，我們可以構建各種時序邏輯電路： 寄存器（Register）：由一組觸發器組成，用於存儲多位二進製數據。例如，一個8位的寄存器可以同時存儲8個比特的數據。 移位寄存器（Shift Register）：一種特殊的寄存器，其存儲的數據可以在時鍾信號的驅動下，嚮左或嚮右移動。移位寄存器常用於串並轉換、數據延遲等。 計數器（Counter）：用於對時鍾脈衝進行計數。計數器可以實現遞增、遞減或按預設序列計數的功能。根據計數方式，分為同步計數器和異步計數器。 狀態機（Finite State Machine, FSM）：一種數學模型，用於描述一個係統在不同狀態之間的轉換。狀態機由一係列狀態、狀態之間的轉換以及觸發轉換的條件組成。它們是控製復雜數字係統的核心。 時序邏輯電路的設計與分析，需要關注狀態的轉移、時鍾的同步以及時序的約束。理解瞭這些，我們就能設計齣能夠執行復雜序列操作的數字係統。 第四章：集成電路（IC）與現代數字係統 我們今天所使用的絕大多數數字電路，並非由分立的邏輯門和觸發器搭建而成，而是高度集成的集成電路（Integrated Circuit, IC）。集成電路是將大量的晶體管、電阻、電容等電子元件，通過微電子技術，集成在一塊小小的半導體芯片上。 根據集成度的高低，集成電路可以分為： 小規模集成電路（Small Scale Integration, SSI）：集成度較低，通常包含幾十個甚至更少的邏輯門。 中規模集成電路（Medium Scale Integration, MSI）：集成度適中，包含幾十到幾百個邏輯門，如常用的編碼器、譯碼器、計數器等。 大規模集成電路（Large Scale Integration, LSI）：集成度較高，包含數韆到數萬個邏輯門。 超大規模集成電路（Very Large Scale Integration, VLSI）：集成度極高，包含數十萬到數百萬甚至數十億個邏輯門。微處理器、存儲器等都屬於VLSI。 集成電路的齣現，極大地提高瞭數字係統的性能、可靠性，並降低瞭成本和功耗。現代計算機的中央處理器（CPU）、圖形處理器（GPU）、存儲芯片（RAM、ROM）等，都是高度復雜的VLSI芯片。 數字電路與邏輯設計在現代科技中無處不在： 計算機係統：CPU的核心就是由億萬個邏輯門組成的復雜組閤邏輯和時序邏輯電路，負責執行指令、進行運算。內存、硬盤控製器等也高度依賴數字電路。 通信係統：手機、路由器、基站等通信設備，其信號處理、數據編碼、調製解調等都離不開數字電路。 消費電子：電視、空調、洗衣機、數碼相機等，其控製麵闆、信號處理、用戶界麵等都運用瞭數字電路技術。 工業控製：自動化生産綫、機器人、PLC（可編程邏輯控製器）等，都需要精確的數字邏輯控製。 人工智能與機器學習：訓練和運行復雜的AI模型，需要強大的計算能力，而這正是基於高性能的數字集成電路所實現的。 結語 數字電路與邏輯設計，作為信息時代的基石，其重要性不言而喻。從最基礎的二進製編碼到復雜的集成電路設計，我們看到瞭人類如何通過對“開”與“關”的巧妙運用，構建齣能夠處理海量信息、實現復雜功能的數字世界。掌握這一領域的知識，不僅能幫助我們更深刻地理解現代科技的運作原理，更能為投身於信息技術創新與發展奠定堅實的基礎。這趟探索數字邏輯世界的旅程，既充滿瞭挑戰，也蘊含著無限的可能。

評分☆☆☆☆☆

如果讓我用一個詞來形容這本書給我的感受，那就是“係統性”。很多關於組閤邏輯和時序邏輯的講解，往往是相互割裂的，但這本書巧妙地將兩者融閤，通過一個完整的例子串聯起來，展示瞭從基本的與非門到實現一個完整數據通路控製單元的演進過程。特彆是書中對有限狀態機（FSM）的闡述，無論是米利（Mealy）還是穆爾（Moore）模型，講解得非常透徹，並且非常直觀地展示瞭狀態圖到電路圖的轉換過程。這種由淺入深、層層遞進的結構，讓我得以建立起一個清晰的知識框架。我不再是零散地記住幾個電路模塊，而是開始理解它們如何作為積木，共同搭建起復雜的數字大腦。這種結構化的學習體驗，極大地提高瞭我的學習效率，它教會我的不僅僅是電路知識，更是一種解決復雜工程問題的結構化思路。

評分☆☆☆☆☆

這本《數字電路與邏輯設計》真是讓人眼前一亮，尤其是在我接觸到更深層次的微處理器架構之後，迴過頭來看這本書的基礎講解，真是佩服作者們對概念的梳理能力。它不像有些教材那樣，上來就拋齣一堆復雜的公式和真值錶，而是非常注重從最基本的邏輯門原理齣發，循序漸進地構建起整個數字係統的知識體係。我記得第一次嘗試理解卡諾圖化簡時，感到異常吃力，但書中的圖文並茂的解釋，特彆是那些精心設計的實例，讓我豁然開朗。它沒有停留在理論的層麵，而是通過大量的實際應用案例，比如簡單的計數器設計、譯碼器的實現等，將抽象的邏輯轉化為具體的電路功能。這種教學方法極大地激發瞭我對硬件底層邏輯的興趣，讓我明白瞭每一個“0”和“1”背後所蘊含的工程智慧。特彆是對時序邏輯的講解，清晰地闡述瞭觸發器的狀態轉移和同步異步控製，這對於後續學習狀態機設計至關重要。整體而言，這本書的知識深度和廣度把握得恰到好處，是打牢數字電路基礎的絕佳讀物。

評分☆☆☆☆☆

說實話，這本書的排版和習題設計是我個人非常欣賞的一點。很多教材內容堆砌得密密麻麻，閱讀體驗極差，但陳老師他們的這本教材在視覺引導上做得相當到位。每一章節的結構劃分都非常清晰，關鍵定義用粗體突齣，公式推導過程條理分明，即便是需要反復查閱的復雜組閤電路分析，也能很快定位到關鍵步驟。更讓我感到驚喜的是配套的實驗指導部分（雖然我沒有實際操作，但光看文字描述就受益匪淺）。它似乎在努力彌閤理論學習與實際動手之間的鴻溝，很多習題並非簡單的公式代入，而是要求讀者進行係統級的思考，比如如何用已知的邏輯模塊去實現一個更復雜的計算單元。這對於培養工程師的係統思維能力至關重要。我感覺作者們不僅僅是想教會我們“怎麼做”，更是在引導我們思考“為什麼這樣設計會更優”。這種注重方法論的講解方式，讓這本書超越瞭普通教材的範疇，更像是一位經驗豐富的老工程師在傳授心法。

評分☆☆☆☆☆

這本書的敘述風格非常嚴謹，帶著一種老派工科教材特有的紮實感，但這並非意味著它枯燥乏味。相反，它的嚴謹性保證瞭知識的準確性和前瞻性。比如在介紹CMOS邏輯電路時，對不同邏輯族（如TTL和CMOS）的噪聲容限和功耗特性的對比分析非常到位，這在現代低功耗設計中依然是重要的考量因素。我注意到書中對異步電路的風險和競爭冒險（Race Condition）問題的討論，這一點很多初級教材會一帶而過，但本書卻給予瞭足夠的篇幅進行深入剖析並提供瞭實際的規避方案，這體現瞭作者們對數字係統魯棒性（Robustness）的高度重視。閱讀這些部分時，我常常會停下來思考，這些看似微小的設計決策，是如何影響到整個係統在不同環境下的穩定運行的。這種對細節的精雕細琢，使得這本書在理論深度上足以支撐後續深入學習，例如FPGA設計或ASIC驗證等方麵的內容。

評分☆☆☆☆☆

初次翻閱此書時，我略微擔心其年代感可能會讓內容顯得陳舊，畢竟數字電路技術發展日新月異。然而，事實證明，對於基礎理論而言，經典就是永恒的。這本書對布爾代數、邏輯門、以及存儲單元這些基石內容的講解，紮實到幾乎可以作為參考手冊來使用。雖然芯片製造工藝的參數在不斷更新，但本書所教授的邏輯設計原理、優化方法和係統思維模式，卻是跨越時代的。例如，書中關於時序約束和時鍾域交叉的初步討論，雖然可能沒有覆蓋最新的超高速SerDes技術，但其背後的原理和設計哲學，對於理解現代高速同步設計中麵臨的挑戰是至關重要的。這本書成功地做到瞭，既傳授瞭堅實的傳統數字電路知識，又為讀者理解現代數字係統設計中的前沿問題打下瞭不可動搖的理論基礎。