內容簡介
《數字電子技術》共分8章。第1章和第2章作為數字邏輯的理論基礎,討論瞭數製、碼製和邏輯代數基礎。第3章至第5章在小規模集成電路分析和設計基礎上,討論瞭組閤邏輯和時序邏輯電路中的基本概念、分析方法及設計方法.第6章討論瞭脈衝波形的産生與變換電路的結構、工作原理及參數計算。第7章討論瞭數/模與模/數轉換電路的結構、主要技術指標。第8章討論瞭半導體存儲器和可編程邏輯器件的結構特點及應用。
《數字電子技術》可作為電子工程、計算機、機電等相關專業的本科生教材,也可供電子技術領域的工程技術人員學習參考。
《數字電子技術》配有電子教案。需要者可登錄齣版社網站,免費下載。
內頁插圖
目錄
第1章 數宇電路基礎
1.1 數製
1.1.1 進位數製的基本概念
1.1.2 常用進位計數製
1.2 數製轉換
1.2.1 十進製數轉換成其他進製數
1.2.2 非十進製數轉換成十進製數
l.2.3 二進製數與八進製數、十六進製數之間的轉換
1.3 碼製
1.3.1 帶符號數的代碼錶示
1.3.2 帶符號數的加、減運算
1.3.3 十進製數的常用代碼
1.4 本章小結
1.5 例題精選
1.6 自我檢測題
第2章 邏輯代數基礎
2.1 基本邏輯運算
2.1.1 與邏輯(與運算、邏輯乘)
2.1.2 或邏輯(或運算、邏輯加)
2.1.3 非邏輯(非運算、邏輯反)
2.2 常用復閤邏輯
2.2.1 “與非”邏輯
2.2.2 “或非”邏輯
2.2.3 “與或非”邏輯
2.2.4 “異或”邏輯及“同或”邏輯
2.3 集成邏輯門
2.3.1 BJT集成邏輯門
2.3.2 MOS集成邏輯門
2.4 邏輯代數的基本定理與基本規則
2.4.1 邏輯代數的基本公理
2.4.2 邏輯代數的基本定理
2.4.3 邏輯代數的基本規則
2.5 邏輯函數的數學錶達式
2.5.1 邏輯函數的基本錶達式
2.5.2 邏輯函數的標準形式——最小項
2.6 邏輯函數的化簡
2.6.1 代數法化簡
2.6.2 卡諾圖法化簡
2.6.3 利用無關項簡化函數錶達式
2.7 本章小結
2.8 例題精選
2.9 自我檢測題
第3章 組閤邏輯電路
3.1 組閤邏輯電路的特點
3.1.1 組閤邏輯電路的工作特點
3.1.2 組閤邏輯電路的結構特點
3.2 組閤邏輯電路的分析方法
3.3 常用的中規模組閤邏輯部件
3.3.1 編碼器
3.3.2 譯碼器
3.3.3 加法器
3.3.4 數據選擇器
3.3.5 數值比較器
3.4 組閤邏輯電路的設計方法
3.4.1 SSI設計方法
3.4.2 MSI設計方法
3.5 組閤邏輯電路中的競爭與冒險
3.5.1 競爭現象
3.5.2 冒險現象
3.5.3 冒險現象的判彆
3.5.4 冒險現象的消除
3.6 本章小結
3.7 例題精選
3.8 自我檢測題
第4章 觸發器
4.1 觸發器的基本特點和分類
4.1.1 觸發器的基本特點
4.1.2 觸發器的分類
4.2 常見觸發器的電路結構、邏輯符號及動作特點
4.2.1 基本RS觸發器的電路結構、邏輯符號及動作特點
4.2.2 同步RS觸發器的電路結構、邏輯符號及動作特點
4.2.3 主從RS觸發器的電路結構、邏輯符號及動作特點
4.2.4 主從JK觸發器的電路結構、邏輯符號及動作特點
4.2.5 維持阻塞邊沿觸發器的電路結構、邏輯符號及動作特點
4.3 不同結構觸發器的主要特點
4.4 常見觸發器的邏輯功能及其描述
4.4.1 Rs觸發器的邏輯功能及其描述
4.4.2 JK觸發器的邏輯功能及其描述
4.4.3 D觸發器的邏輯功能及其描述
4.4.4 T觸發器的邏輯功能及其描述
4.5 本章小結
4.6 例題精選
4.7 自我檢測題
第5章 時序邏輯電路
5.1 時序邏輯電路的特點及其分類
5.1.1 時序邏輯電路的特點
5.1.2 時序邏輯電路的分類
5.1.3 時序邏輯電路的描述方法
5.2 時序電路的分析
5.2.1 同步時序電路的分析
5.2.2 異步時序電路的分析
5.3 常用的MSI時序邏輯器件
5.3.1 寄存器
5.3.2 計數器
5.3.3 序列信號發生器
5.4 同步時序電路的設計
5.4.1 原始狀態轉換圖或狀態轉換錶的建立
5.4.2 狀態化簡
5.4.3 狀態分配
5.4.4 觸發器類型的選擇及其激勵函數和輸齣函數的確定
5.5 本章小結
5.6 例題精選
5.7 自我檢測題
第6章 脈衝波形的産生與變換
6.1 概述
6.2 施密特觸發器
6.2.1 施密特觸發器的特點
6.2.2 門電路構成的施密特觸發器
6.2.3 集成施密特觸發器
6.2.4 施密特觸發器的應用
6.3 單穩態觸發器
6.3.1 單穩態觸發器的特點及應用
6.3.2 門電路構成的單穩態觸發器
6.3.3 集成單穩態觸發器
6.4 多諧振蕩器
6.4.1 多諧振蕩器的特點
6.4.2 門電路構成的多諧振蕩器
6.4.3 施密特觸發器構成的多諧振蕩器
6. 5555定時器及其應用
6.5.1 555定時器的電路結構與功能
6.5.2 555定時器構成的施密特觸發器
6.5.3 555定時器構成的單穩態觸發器
6.5.4 555定時器構成的多諧振蕩器
6.6 本章小結
6.7 例題精選
6.8 自我檢測題
第7章 數/模與模/數轉換
7.1 概述
7.2 數/模轉換
7.2.1 DAC的基本概念
7.2.2 DAC的主要技術指標
7.2.3 常見的DAC電路
7.3 模/數轉換
7.3.1 ADC的基本概念
7.3.2 ADC的電路組成及其工作原理
7.3.3 ADC的主要技術指標
7.3.4 常見的ADC電路
7.4 本章小結
7.5 例題精選
7.6 自我檢測題
第8章 半導體存儲器和可編程邏輯器件
8.1 半導體存儲器
8.1.1 半導體存儲器的分類
8.1.2 隻讀存儲器(ROM)的結構及工作原理
8.1.3 隨機存儲器(RAM)的結構及工作原理
8.1.4 存儲器容量的擴展
8.1.5 存儲器在組閤邏輯設計中的應用
8.2 可編程邏輯器件
8.2.1 可編程邏輯器件的分類
8.2.2 可編程邏輯器件的基本結構
8.2.3 可編程邏輯器件在數字邏輯電路設計中的應用
8.3 本章小結
8.4 例題精選
8.5 自我檢測題
附錄
附錄一 數字集成電路的型號命名法
附錄二 常用74LS係列器件引腳圖
附錄三 常用PLD、ROM、RAM器件引腳圖
參考文獻
精彩書摘
本章首先介紹有關數製和碼製的一些基本概念和術語,然後給齣數字電路中常用的數製和碼製。此外,還具體介紹瞭不同數製之間的轉換方法和二進製算術運算的原理和方法。
當我們觀察自然界中各種物理量時不難發現,就其變化規律的特點而言,不外乎有兩大類。一類是物理量的變化在時間上和數量上都是離散的。也就是說,它們的變化在時間上和數值上是不連續的,總是發生在一係列離散的瞬間。我們把這一類物理量稱為數字量,把錶示數字量的信號稱為數字信號(參見圖1(a)),並把工作在數字信號下的電路稱為數字電路。例如:統計通過某一個橋梁的汽車數量,得到的就是一個數字量,最小數量單位的“1”代錶一輛汽車,小於1的數值已經沒有任何物理意義。數字信號在電路中常錶現為突變的電壓或電流。
另外一類是物理量的變化在時間上和數值上都是連續的信號。這一類物理量稱為模擬,量,把錶示模擬量的信號稱為模擬信號(參見圖1(b)),並把工作在模擬信號下的電子電路稱為模擬電路。例如:熱電偶工作時輸齣的電壓或電流信號就是一種模擬信號,.因為被測量的溫度不可能發生突跳,所以測得的電壓或電流無論在時間上還是數值上都是連續的。而且,這個信號在連續變化過程中的任何一個取值都有具體的物理意義,即錶示一個相應的溫度。
……
前言/序言
本書是根據教育部《關於進一步加強高等學校本科教學工作的若乾意見》和《教育部、財政部關於實施高等學校本科教學質量與教學改革工作的意見》精神編寫的。全書包括數字電路基礎、邏輯代數基礎、組閤邏輯電路、觸發器、時序邏輯電路、脈衝波形的産生與變換、數/模與模/數轉換、半導體存儲器和可編程邏輯器件等8章內容。
本書具有以下特色:
1.精煉內容,突齣教材特點。
由於許多院校開設瞭“大規模集成電路設計”、“數字係統設計”、“硬件描述語言”等選修課,因此我們在本書中,對這些相關內容做瞭刪減,使本書的篇幅得到瞭大幅度的壓縮。由於課時的關係,教材中打有“*”的部分作為選學內容。
2.注重學生能力的培養。
在每章小結中包括各章的重點內容、難點內容和需注意的問題,同時還給齣瞭各章的例題精選及自我檢測題,有助於學生抓住各章的重點、難點,提高學習效率和學習效果;在精選例題時,特彆注重瞭題目的基礎性、多樣性、綜閤性和靈活性,並增加瞭一定的難度係數,以便提高學生分析問題及解決問題的能力。
3.擴大教材的適用範圍。
考慮到其他專業學生學習本課程的要求,本書補充瞭部分內容。如在時序電路的設計中,我們增加瞭利用隱含錶進行狀態化簡的內容,以避免學生因某些知識的欠缺而導緻學習上的睏難。
本書的第1章由顧潔編寫,第2章、第8章由王守華編寫,第4章由李旭紅編寫,第7章由耿偉霞編寫,第3章、第5章、第6章(除6.5 節外)由董敏編寫,第6.5 節由吳文峰編寫。全書由董敏統稿。
本書在編寫過程中,還得到瞭程紅麗、楊建翔、楊波、楊俊三、陳偉、薛穎軼及羅小瑩等的支持,他們對本書的編寫提供瞭許多寶貴的意見和有價值的資料,在此,對他們錶示衷心的感謝。
《宇宙的織錦:多維宇宙與弦理論的奧秘》 導論:超越維度的想象邊界 我們生活在一個三維空間和一個時間維度構成的四維時空中,這是我們感知世界的基礎。然而,古老的哲學思辨和現代物理學的最新探索,卻不斷挑戰著我們對“現實”的認知極限。是否存在著比我們所能觸及的維度更多的空間?那些隱藏在宇宙深處的秘密,是否與更高的維度息息相關?《宇宙的織錦:多維宇宙與弦理論的奧秘》一書,正是旨在引領讀者踏上一場穿越想象邊界的智力探險,深入探究多維宇宙的可能性,以及弦理論如何試圖為我們理解宇宙的終極結構提供一套宏偉的框架。 本書並非一本科普讀物,也非一本純粹的數學論文,而是試圖在嚴謹的科學推演與富有啓發性的哲學思考之間尋找平衡,為那些對宇宙奧秘懷有強烈好奇心、並願意接受前沿科學思想挑戰的讀者而寫。我們將從人類曆史上對空間和維度的理解演變開始,迴顧歐幾裏得幾何學的奠基,到非歐幾何學的革命,再到愛因斯坦的相對論如何將時空視為一個不可分割的整體。正是這些思想的火花,為我們打開瞭對更高維度存在的想象之門。 第一章:維度的遐想——從幾何學到相對論 在古代,人們對空間的理解是樸素的,通常局限於肉眼所見的長度、寬度和高度。直綫、平麵和立體是幾何學的基本元素,它們構建瞭我們日常所熟悉的世界。然而,數學傢們在探索幾何學的過程中,逐漸發現瞭一些“異常”的現象。例如,在不同幾何體係下,平行綫的性質會發生根本性的變化。這些看似抽象的數學探索,卻潛藏著對空間本質的深刻洞察。 19世紀,非歐幾何學的誕生,徹底顛覆瞭人們對空間形態的固有觀念。黎曼幾何、羅巴切夫斯基幾何等非歐幾何學的發展,證明瞭空間並非隻能是平坦的,它可以是彎麯的,並且存在著多種可能的結構。這些數學理論在當時可能顯得“無用”,但它們為後來的物理學革命埋下瞭伏筆。 進入20世紀,阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論將時空的概念推嚮瞭一個全新的高度。他認為,引力並非一種神秘的“力”,而是物質和能量導緻時空彎麯的錶現。在這個理論框架下,我們所處的四維時空並非一個靜態的舞颱,而是一個動態的、相互作用的實體。愛因斯坦的理論不僅解釋瞭行星的軌道、光綫的彎麯等現象,更預示著宇宙的整體結構可能比我們想象的更加復雜。 本書的第一章,將詳細梳理這些關鍵性的科學思想的演變曆程,從幾何學的抽象推理,到相對論的宏大視野,逐步建立起讀者對“維度”這一概念的初步認知,並為理解更高維度的存在做好思想準備。我們將探討,數學上的可能性如何一步步引導物理學傢們去思考,我們感知的現實是否僅僅是更廣闊宇宙圖景中的一個縮影。 第二章:隱藏的維度——卡魯紮-剋萊因理論的啓示 如果我們的宇宙真的存在著比四維更高的維度,那麼它們在哪裏?我們又為什麼無法直接感知它們?卡魯紮-剋萊因理論,是曆史上首次嘗試將引力和電磁力統一在一個更高維度時空中的重要理論,為解答這些疑問提供瞭最早的啓示。 1919年,西德尼·卡魯紮在一篇論文中提齣瞭一個驚人的設想:如果將愛因斯坦的四維時空推廣到一個五維時空,並且假設第五個維度是捲麯的、非常小的,以至於我們無法直接察覺,那麼在理論上,他可以將電磁學的方程納入廣義相對論的框架中。卡魯紮的這一大膽嘗試,雖然在當時存在一些數學上的不完善之處,但其核心思想——利用被“捲麯”起來的隱藏維度來統一不同的物理力——具有劃時代的意義。 奧斯卡·剋萊因在1926年進一步發展瞭卡魯紮的思想,他提齣,這些隱藏的維度可能以一種“緊緻化”的方式存在,這意味著它們在空間上非常局限,就像一張紙被捲成一個細小的圓柱體,從遠處看,你隻會看到長度,而忽略瞭捲麯起來的寬度。剋萊因還提齣瞭量子化的概念,認為這些緊緻化的維度可能在能量上也呈現齣量子化的離散特性。 本書的第二章,將深入解析卡魯紮-剋萊因理論的數學構建和物理意義。我們將探討,為何一個簡單的維度增加,卻能神奇地聯係起本來毫不相關的兩種基本力。我們將深入分析“緊緻化”這一概念的直觀理解,以及它如何為解釋高維度的不可見性提供瞭一種可能的解釋。通過對這個早期理論的剖析,讀者將初步領略到,維度並非僅僅是空間的延伸,它們還可以是隱藏在“角落”裏,深刻影響著我們宇宙運行規律的關鍵因素。 第三章:弦的舞蹈——弦理論的數學優雅與物理願景 進入20世紀後期,物理學在統一基本力,尤其是將引力與量子力學相結閤的道路上遭遇瞭巨大的挑戰。傳統粒子物理學將基本粒子視為點狀的,但在描述引力時,這些點狀粒子會産生無窮大的能量,導緻理論失效。正是在這樣的背景下,弦理論應運而生,它以一種極其優雅而深刻的方式,試圖解決這些根本性的難題。 弦理論的核心思想是,構成宇宙最基本的單元並非點狀的粒子,而是極其微小的、一維的“弦”。這些弦以不同的頻率振動,就像小提琴的弦可以發齣不同的音符一樣,不同的振動模式對應著不同的基本粒子,例如電子、光子、誇剋,甚至引力子。這就意味著,我們所見的萬韆粒子,本質上是同一種基本弦的不同“演奏”。 更令人著迷的是,弦理論在數學上是自洽的,並且能夠自然地容納引力。它預測瞭引力子作為弦的一種特定振動模式的存在。然而,弦理論的數學模型並非存在於我們熟悉的四維時空中,它需要至少十個維度纔能保持數學上的自洽性。這意味著,如果弦理論是正確的,那麼我們所處的宇宙,實際上是存在著六個額外維度,並且這些維度是高度“緊緻化”的,以至於我們無法直接感知。 本書的第三章,將詳細闡述弦理論的基本概念。我們將從弦的振動模式齣發,解釋它們如何對應不同的粒子。我們將探討弦理論對數學的要求,特彆是其對維度數量的預測。我們將深入理解“緊緻化”的六個額外維度是如何可能存在的,以及它們可能具有的奇特形狀,例如卡拉比-丘(Calabi-Yau)流形。我們將討論弦理論如何提供瞭一個統一所有基本力的框架,以及它對宇宙起源、黑洞物理學等問題的潛在解釋。本章將是本書的重頭戲,旨在為讀者展現弦理論的強大數學邏輯和宏大物理願景。 第四章:緊緻化的奧秘——多重幾何與宇宙的韆姿百態 弦理論預言瞭十個或十一個維度,但這十個維度的具體形態,並非是固定的。那些被“捲麯”起來的額外維度,可以擁有無數種不同的緊緻化方式,每一種緊緻化方式都會導緻其所描述的宇宙具有不同的物理定律和粒子譜。這就像同一組樂器,可以演奏齣無窮無盡的樂麯一樣,不同的額外維度幾何結構,會“決定”我們宇宙的方方麵麵。 卡拉比-丘流形,是弦理論中最常被提及的額外維度幾何模型之一。它們是具有特殊對稱性的六維流形,能夠在十維超引力理論中保持超對稱性,從而避免産生不必要的物理矛盾。然而,卡拉比-丘流形並非隻有一種,它們的傢族數量極其龐大,據估計可能達到10的500次方種之多。 這種“巨大的景觀”(Landscape)預示著,弦理論並非指嚮一個唯一的、確定的宇宙模型,而是指嚮一個包含著海量可能宇宙的“多重宇宙”集閤。我們的宇宙,可能僅僅是這片“景觀”中的一個特定的“山榖”,其特定的物理常數、粒子種類,以及相互作用力,都是由其獨特的額外維度緊緻化方式所決定的。 本書的第四章,將深入探索額外維度的緊緻化問題。我們將介紹卡拉比-丘流形等主要的幾何模型,並解釋它們在弦理論中的重要性。我們將討論“巨大的景觀”概念,以及它對我們理解宇宙獨特性和宇宙學原理的深遠影響。我們將探討,為何如此多的可能宇宙中,我們恰好存在於這樣一個具有特定物理定律的宇宙。這其中是否存在著某種選擇機製?或者,我們對“選擇”的理解本身,是否需要被重塑?本章將引導讀者思考,弦理論所描繪的宇宙,其多樣性可能遠超我們的想象。 第五章:M理論與統一——超越弦的境界 雖然弦理論在數學上取得瞭巨大的成功,但它最初存在多種不同的版本(例如I型弦理論、IIA型、IIB型、異形弦理論等),它們之間似乎存在著難以調和的差異。然而,在20世紀90年代中期,物理學傢們發現,這些看似不同的弦理論,實際上是同一個更深層理論在不同極限下的錶現。這個更深層的理論,被稱作M理論。 M理論,是在11維時空中運作的理論,它可以統一所有的五種超弦理論,並且包含著弦之外的更高維度的對象,例如“膜”(branes)。膜是比弦更高級的物體,它們可以是二維的(稱為“膜”),也可以是更高維度的。一些理論認為,我們所在的宇宙,可能就是一個3+1維的膜,而其他的膜可能平行存在於更高維度的空間中,構成多重宇宙的一部分。 M理論的提齣,是物理學史上的一個裏程碑,它標誌著對宇宙統一描述的進一步深化。它不僅統一瞭基本力,還為我們理解黑洞的熵、量子引力等難題提供瞭新的視角。然而,M理論的數學結構仍然非常復雜,並且其直接的實驗驗證極其睏難,因為涉及的尺度和能量都遠超我們目前的探測能力。 本書的第五章,將深入介紹M理論的概念。我們將迴顧弦理論的多種版本是如何被統一的,以及M理論為何被認為是更根本的理論。我們將探討“膜”的概念,以及它如何為多重宇宙和宇宙學提供新的解釋。我們將討論M理論在解決黑洞信息悖論、量子引力等方麵的潛力,以及它所麵臨的理論挑戰和未來的研究方嚮。本章將帶領讀者走嚮理論的前沿,思考宇宙終極統一的可能形態。 第六章:實驗的曙光?——尋找高維度的證據 盡管多維宇宙和弦理論在理論上展現瞭驚人的邏輯和優雅,但其最終的檢驗,仍然需要依賴於實驗的證據。然而,由於弦理論所描述的尺度極其微小,遠小於我們目前任何粒子加速器能夠達到的分辨率,因此直接觀測到弦本身幾乎是不可能的。那麼,我們是否還能找到其他途徑來驗證這些理論? 一種可能的途徑是尋找高維度存在的間接證據。例如,如果存在額外的維度,那麼粒子在加速器中的碰撞結果可能會與標準模型預測的有所不同。某些高能粒子可能會“泄漏”到額外的維度中,導緻碰撞能量的損失,從而錶現為“缺失”的能量。大型強子對撞機(LHC)等實驗,正在努力尋找這樣的跡象。 另一種可能性是,高維度的存在可能會影響我們對宇宙學常數、暗能量、暗物質等宇宙學現象的理解。弦理論的某些模型,能夠對這些目前無法解釋的宇宙謎團提供新的解釋。例如,暗能量可能與額外維度的幾何形狀有關。 此外,一些理論物理學傢正在探索利用宇宙學觀測來尋找高維度的證據。例如,宇宙微波背景輻射的某些特性,或者引力波的信號,可能攜帶瞭高維度存在的蛛絲馬跡。 本書的第六章,將詳細探討尋找高維度的實驗和觀測途徑。我們將介紹粒子對撞機實驗如何試圖探測缺失的能量,以及可能遇到的睏難。我們將探討弦理論在解釋暗物質、暗能量等宇宙學現象方麵的潛力。我們將分析宇宙學觀測,如宇宙微波背景輻射和引力波,是否可能為高維度提供證據。本章將引領讀者思考,理論的飛躍最終如何與現實的觀察相結閤,以及科學探索的邊界在哪裏。 結語:星辰大海的深層敘事 《宇宙的織錦:多維宇宙與弦理論的奧秘》一書,旨在揭示宇宙深層結構的可能性,挑戰我們對現實的固有認知。從幾何學的抽象推演,到愛因斯坦的相對論,再到弦理論的宏偉構想,人類對宇宙的理解不斷深入,維度從三維擴展到四維,再到弦理論所需要的十一個維度。 多維宇宙和弦理論,為我們理解宇宙的起源、基本力的統一、以及宇宙的終極命運,提供瞭一個全新的視角。它們並非隻是抽象的數學遊戲,而是試圖勾勒齣宇宙最深層的“織錦”,以及那隱藏在萬物之下的“鏇律”。 雖然前方的探索之路依然漫長,許多理論仍需時間的檢驗,但對未知的好奇,對真理的追求,將永遠是推動人類文明前進的強大動力。本書希望激發讀者對宇宙奧秘的持續思考,鼓勵大傢以更開放的心態,去探索那個可能遠比我們想象中更加奇妙和壯麗的宇宙。我們所處的現實,或許隻是一個宏大交響樂中的一個短暫的音符,而整個宇宙的交響樂,則在更高維度的舞颱上,以我們尚未完全理解的方式,壯麗地演奏著。