本书是浙江省精品课程重点建设教材,依据电子信息科学与电气信息类平台课程教学基本要求编写。全书共8章,主要内容包括:数字电路基础知识、数制和码制、逻辑代数基础、集成门电路,组合逻辑电路,锁存器、触发器和时序逻辑电路,半导体存储器,脉冲信号的产生与整形电路,数模与模数转换器,可编程逻辑器件,VHDL语言简介,数字系统设计基础等。每章安排了例题讲解、自我检测题、习题和实验题,并配套电子课件、习题参考答案等。
贾立新,男,浙江工业大学副教授,长期从事电类基础课程、电子设计专业课程教学,全国电子设计竞赛获奖团队优秀导师,出版多部教材,教学、写作经验丰富。
目 录
第1章 数字逻辑基础 1
1.1 绪论 1
1.1.1 模拟信号和数字信号 1
1.1.2 模拟电路、数字电路和混合信号
电路 2
1.1.3 数字电路的发展历史 3
1.1.4 数字电路的优点 4
1.2 数制和码制 5
1.2.1 数制 5
1.2.2 码制 9
1.3 逻辑代数基础 12
1.3.1 基本逻辑运算 12
1.3.2 复合逻辑运算 14
1.3.3 基本公式 15
1.3.4 基本规则 17
1.4 逻辑函数及其表示方法 18
1.5 逻辑函数的两种标准形式 21
1.6 逻辑函数的化简 24
1.6.1 化简的意义 24
1.6.2 公式化简法 26
1.6.3 卡诺图化简法 26
1.7 逻辑电路分析设计举例 32
1.8 QuartusII软件的基本操作 34
1.9 例题讲解 44
本章小结 47
自我检测题 47
习题 50
实验题 52
第2章 集成门电路 53
2.1 CMOS门电路 53
2.1.1 MOS管的开关特性 53
2.1.2 CMOS门电路的结构和工作
原理 54
2.1.3 CMOS门电路的静态特性 58
2.1.4 CMOS门电路的动态特性 65
2.1.5 CMOS逻辑电路系列 67
2.1.6 CMOS漏极开路门 68
2.1.7 CMOS三态门 71
2.1.8 CMOS传输门 73
2.2 TTL门电路 74
2.2.1 二极管和三极管的开关特性 74
2.2.2 分立元件门电路 76
2.2.3 LSTTL与非门 78
2.2.4 LSTTL门电路的电气特性 80
2.2.5 TTL集电极开路门和三态门 83
2.3 BiCMOS门电路 84
2.4 不同系列门电路的接口 85
2.5 例题讲解 88
本章小结 91
自我检测题 91
习题 93
实验题 98
第3章 组合逻辑电路 100
3.1 编码器 100
3.2 译码器 104
3.3 数据选择器 110
3.4 数值比较器 114
3.5 加法器 116
3.6 组合逻辑电路的竞争与冒险 120
3.6.1 竞争冒险及其产生原因 120
3.6.2 冒险现象的识别 121
3.6.3 冒险现象的消除 123
3.7 例题讲解 124
本章小结 127
自我检测题 127
习题 128
实验题 131
第4章 时序逻辑电路 133
4.1 锁存器 133
4.1.1 基本SR锁存器 133
4.1.2 钟控SR锁存器 137
4.1.3 钟控D锁存器 138
4.2 触发器 141
4.2.1 主从D触发器 141
4.2.2 维持阻塞D触发器 143
4.2.3 其他功能的触发器 144
4.2.4 触发器的动态参数 145
4.3 计数器 147
4.4 寄存器 155
4.4.1 并行寄存器 155
4.4.2 移位寄存器 155
4.5 序列信号发生器 159
4.6 时序逻辑电路的分析与设计 164
4.6.1 概述 164
4.6.2 同步时序逻辑电路的分析 166
4.6.3 同步时序逻辑电路的设计 169
4.6.4 异步时序逻辑电路的分析* 177
4.7 例题讲解 178
本章小结 181
自我测验题 182
习题 185
实验题 192
第5章 半导体存储器 196
5.1 概述 196
5.2 只读存储器 197
5.3 静态随机存取存储器 202
5.4 动态随机存取存储器 205
本章小结 207
自我检测题 208
习题 208
第6章 脉冲波形的产生与整形 210
6.1 概述 210
6.2 施密特触发器 210
6.2.1 由CMOS门构成的施密特
触发器 211
6.2.2 施密特触发器的应用 213
6.3 多谐振荡器 215
6.3.1 由CMOS门构成的多谐
振荡器 215
6.3.2 CMOS石英晶体振荡器 217
6.4 单稳态触发器 218
6.4.1 由CMOS门构成的微分型
单稳态触发器 218
6.4.2 集成单稳态触发器 220
6.4.3 单稳态触发器的应用 222
6.5 555定时器及应用 223
6.5.1 CMOS集成定时器7555的
电路结构和工作原理 223
6.5.2 555定时器构成的施密特
触发器 224
6.5.3 555定时器构成的多谐
振荡器 225
6.5.4 555定时器构成的单稳态
触发器 227
本章小结 229
自我检测题 229
习题 231
实验题 235
第7章 数模与模数转换器 236
7.1 概述 236
7.2 D/A转换器 236
7.2.1 D/A转换器的基本原理 236
7.2.2 权电阻型D/A转换器 237
7.2.3 R-2R网络型D/A转换器 238
7.2.4 权电流型D/A转换器 240
7.2.5 D/A转换器的主要技术
指标 243
7.2.6 D/A转换器的典型应用 245
7.3 A/D转换器 246
7.3.1 A/D转换器的基本原理 246
7.3.2 并行比较型A/D转换器 249
7.3.3 逐次逼近型A/D转换器 252
7.3.4 双积分型A/D转换器 256
7.3.5 型A/D转换器* 258
7.3.6 A/D转换器的主要技术
指标 260
本章小结 261
自我检测题 261
习题 262
实验题 265
第8章 现代数字系统设计基础 267
8.1 概述 267
8.2 可编程逻辑器件 268
8.2.1 可编程逻辑阵列PLA 268
8.2.2 复杂可编程逻辑器件
CPLD 271
8.2.3 现场可编程门阵列FPGA 273
8.3 VHDL语言简介 278
8.3.1 概述 278
8.3.2 VHDL的语言要素 281
8.3.3 VHDL程序的基本结构 284
8.3.4 VHDL程序的句法 286
8.3.5 常量、变量与信号 292
8.4 数字系统设计实例 294
8.4.1 4位数字频率计设计 294
8.4.2 4位数字乘法器设计 297
本章小结 304
自我检测题 305
习题 306
实验题 307
附录A 常用集成芯片引脚排列 310
附录B EDA-3型数字数字电路学习板 312
自我检测题答案 314
参考文献 316
前 言
本书是浙江省首批精品课程“数字电路与数字逻辑”的配套教材,也是浙江工业大学重点建设教材。本书依据教育部教学指导委员会电子信息科学与电气信息类平台课程教学基本要求编写,同时充分吸收了国内外经典教材中的新概念、新理论和新技术,可作为高等学校“数字电子技术基础”或“数字电路与数字逻辑”等课程的教学用书。
全书分为8章。第1章是逻辑电路的数学基础。本章介绍了数字电路的基本概念、数制和码制、逻辑代数基础、逻辑电路的分析与设计。
第2章是数字电路的硬件基础。本章介绍了晶体管的开关特性,如何用MOS管和双极型晶体管来构建门电路,介绍了CMOS和LSTTL这两种典型门电路的逻辑功能、电气特性和主要技术指标。同时介绍了OD(OC)门、三态门和CMOS传输们的结构、功能和应用。
第3章是组合逻辑电路。本章介绍了编码器、译码器、数据选择器、数值比较器和加法器等常用组合逻辑电路模块的逻辑功能、符号、应用和VHDL代码;介绍了组合逻辑电路竞争冒险的概念、判别和消除方法。
第4章是时序逻辑电路。本章讨论了锁存器和触发器两种常用存储单元电路;讨论了如何使用触发器来构建寄存器和计数器等常用时序逻辑电路;介绍了N进制计数器、同步状态机、序列信号发生器的分析设计方法;给出了典型时序电路的VHDL代码。
第5章是半导体存储器。本章介绍了掩模ROM、PROM、EPROM、SRAM、DRAM等几种常用的半导体存储器,重点介绍其存储单元的工作原理和特点。
第6章是脉冲产生与整形电路。本章介绍了施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器等3种电路的结构、工作原理和主要参数,并给出了这3种电路的许多应用实例。
第7章是D/A和A/D转换器。本章介绍了权电阻型、R-2R网络型、权电流型3种典型D/A转换器;介绍并行比较型、逐次逼近型、双积分型、?-?型4种典型的A/D转换器。
第8章是现代数字系统设计基础。本章介绍了SPLD、CPLD和FPGA等典型可编程逻辑器件;介绍了VHDL语言的基本语法;介绍数字频率计和乘法器两个设计实例。
本书在第1版于2007年9月出版,第2版于2011年5月出版。本次修订在前两版的基础上做了以下修改。
1.提升了教材的实践性和实用性。本书作者从事数字电路与数字逻辑课程教学和大学生电子设计竞赛赛前辅导20年,实践经验丰富。在指导电子设计竞赛的过程中,对学生设计、调试和应用数字电路方面的能力需求有切身体会。对数字新器件、新技术在实际电子系统中的应用有深刻理解。对通过竞赛引导课程改革有多年实践。因此,理论与实践相结合将是本教材的亮点之一。
2.引领实验教学模式改革,促进理论课和实验课相融合。本书第1章就介绍了QuartusII软件的基本操作,帮助读者在课程学习的初始阶段,了解和掌握QuartusII软件这一逻辑电路分析与设计的重要工具。在介绍常用组合逻辑电路和时序逻辑电路模块时,既给出典型的标准集成电路芯片,也给出相应的VHDL代码。本书总共给出了20多种典型数字模块的VHDL代码,通过这些代码,让学生掌握入门级的VHDL语言。每一章后面均安排了实验题。理论课教材与实验指导书合二为一,例题、习题和实验题有机结合。将课程实验平台,这些实验题教学内容紧密结合,可由学生在课外完成。从传统的数字电子技术实验箱切换到以FPGA为核心的数字电路学习板,有利于将数字系统的设计方法从传统手工设计方法切换到应用EDA工具的现代数字系统设计方法,有利于数字设计能力的提高,有利于理论教学、基础实验、大型实验有机融合,有利于课程教学从课内延伸到课外,促进教学模式的改革。
3.教材内容编排的优化。将组合逻辑电路的分析与设计内容从第3章移到第1章,因为这部分内容与逻辑代数紧密相关;在第4章中,将时序逻辑电路的分析与设计移到寄存器和计数器之后,这样讲完触发器后可以自然地过渡到寄存器和计数器,而且可以突出时序逻辑电路的分析与设计。将可编程逻辑器件、VHDL语言简介、数字系统设计合并成一章,因为这3部分内容紧密相关。大部分章节安排了例题讲解,帮助读者提高解题能力。书尾提供了自我检测题答案,便于学生课后自学。
4.本书配套教学资源网站(http://kczy.zjut.edu.cn/szdl)提供丰富的教学资源。本书的多媒体电子课件、习题参考答案、试题库、50多学时的课程教学视频,读者也可通过华信教育资源网(http://www.hxedu.com.cn)注册下载。
本书由贾立新负责编写。浙江工业大学数字电路和数字逻辑课程组各位教师对第3版教材的修订提出了许多有益的建议。教育部电子信息科学与电气信息类基础课程教学指导委员会委员南余荣教授仔细审阅了全书,提出了许多建设性意见。在此一并表示衷心感谢。
本书的出版得到了2015年度浙江工业大学重点教材建设项目和2015年度浙江省课堂教学改革项目“《数字电路与数字逻辑》理论与实验相融合的课堂教学改革”(kg2015056)项目资助。
由于作者学识有限,书中难免有错误和不妥之处,望广大读者批评指正。如果在阅读本书的过程中发现错误或对本书有改进建议,请与本书的策划编辑联系E-mail:wyj@phei.com.cn。
作 者
2017年1月于浙江工业大学
这本书的深度和广度着实让我惊艳,它不仅仅是一本入门读物,更像是一本数字电路的百科全书。我之前看过一些关于数字电路的书籍,但往往要么过于浅显,要么过于理论化,让人难以深入。而这本《数字电路》(第3版)恰好找到了一个完美的平衡点。它在讲解基础知识的同时,也深入探讨了许多更高级的主题,比如状态机、存储器以及时序逻辑电路的设计。我特别被书中关于时序逻辑的部分所吸引,作者详细地阐述了触发器、寄存器、计数器的原理和应用,并且还提供了如何设计和分析复杂时序电路的方法。当我跟随书中的步骤,一步步地绘制出状态转移图,并将其转化为实际电路时,我感到了一种前所未有的满足感。书中的例子不仅仅是理论上的演示,很多都涉及到了实际的工程设计考量,比如时钟的同步、信号的延迟等等,这些细节的处理,让这本书的实用性大大提升。我尝试着将书中的一些设计思路应用到我个人的一些小项目上,效果出奇的好,这让我深刻体会到这本书所传达的工程智慧。它为我提供了一个坚实的理论基础,更重要的是,它教会了我如何将理论转化为实际可行的解决方案,这对我今后的学习和工作都将是宝贵的财富。
评分《数字电路》(第3版)这本书,对我而言,更像是一次深入的思维训练。作者在讲解每一个知识点时,不仅仅是告诉你“是什么”,更重要的是告诉你“为什么”和“如何”。我受益于书中关于算法和数据结构在数字电路设计中的应用的讲解。例如,在讲解解码器和编码器时,作者不仅给出了它们的逻辑结构,还引导我们思考如何用最简洁、最高效的方式来实现这些功能。这种对效率和优化的追求,贯穿了整本书的讲解。书中还包含了一些关于时序约束和时钟域交叉处理的内容,这些是实际工程中非常重要的考量,而这本书提前为我打下了基础,让我不再对这些问题感到陌生。我尝试着去推导一些书中的公式,并且去理解这些公式推导背后的逻辑,这个过程虽然有些挑战,但一旦理解了,就觉得豁然开朗。这本书的语言风格也很独特,既有学术的严谨,又不失沟通的温度,让人在阅读过程中不会感到疲惫。它让我不仅仅是记住了一些电路的连接方式,更重要的是培养了我一种分析问题、解决问题的能力,这对我今后的学术研究和职业发展都有着不可估量的价值。
评分这本书简直是打开了我对电子世界认知的一扇新大门。我一直对那些微小却强大无比的电路充满好奇,但又总觉得它们晦涩难懂。直到我翻开这本《数字电路》(第3版),我才发现,原来学习数字电路可以如此有趣且富有条理。作者没有一开始就抛出复杂的公式和原理,而是循序渐进地从最基础的概念讲起,比如二进制、逻辑门这些看似简单却至关重要的基石。读到关于组合逻辑的部分,我仿佛看到了一幅幅精密的图景在脑海中展开,各种逻辑门像一个个乐高积木,可以搭建出千变万化的功能。我特别喜欢作者在讲解每个概念时,都会辅以大量贴近实际应用的例子,这让我不再感觉理论脱离实际,而是能真切地体会到这些电路在手机、电脑甚至家用电器中的身影。书中的图示清晰直观,无论是逻辑符号还是时序图,都处理得恰到好处,极大地降低了理解难度。尤其是那些循序渐进的例题,我跟着一步步推导,从中不仅巩固了知识点,还学会了分析和解决问题的思维方式。这本书让我对数字电路不再感到畏惧,而是充满了探索的兴趣,我甚至开始主动去研究家里一些小家电的电路原理了,这种成就感真是难以言喻。
评分这本书给我的最大感受是它打破了我对数字电路学习的固有印象。我之前以为数字电路就是一堆枯燥的逻辑门和布线图,但《数字电路》(第3版)彻底颠覆了我的想法。作者以一种非常生动活泼的方式,将原本可能有些乏味的理论变得引人入胜。我特别喜欢书中关于“抽象层次”的讲解,作者清晰地展示了我们如何从最底层的晶体管,一步步向上构建出越来越复杂的数字系统,直到我们熟悉的微处理器。这种由简入繁、由低到高的视角,让我能够更好地理解数字电路的整体架构和设计思想。书中还有一些关于实际应用案例的分析,比如讲解存储器时,作者就深入剖析了DRAM和SRAM的工作原理,并且还探讨了它们在不同场景下的优劣势。这些内容让我在学习理论知识的同时,也能了解到这些技术背后的实际考量和权衡。我尝试着去理解书中的一些关于FPGA设计的内容,虽然这部分我还没有完全掌握,但书中的引导让我看到了一个全新的学习方向,并对未来在数字电路领域的发展有了更清晰的规划。这本书不仅仅传授知识,更点燃了我对这个领域的探索欲望。
评分拿到《数字电路》(第3版)这本书,我最直观的感受就是它的严谨性和系统性。作者在内容的组织上花了巨大的心思,将数字电路的知识点编织成一张完整而清晰的知识网络。从最基础的逻辑运算,到复杂的集成电路设计,每一个章节都承接前一个章节,环环相扣,几乎找不到任何逻辑上的断层。我尤其欣赏作者在处理一些关键概念时,所展现出的耐心和细致。例如,在讲解数字系统中的时序分析时,作者反复强调了时钟信号的重要性,并详细解释了建立时间和保持时间的概念,以及它们对电路稳定性的影响。这种反复强调和多角度的阐释,让原本有些抽象的概念变得易于理解和记忆。书中的数学推导虽然严谨,但并不枯燥,作者总能巧妙地将数学公式与实际电路功能联系起来,让读者明白这些公式背后的意义。我尝试着去复现书中的一些小型设计,通过仿真软件验证其功能,结果与书中的预测完全一致。这种高度的准确性和可验证性,让我对这本书的专业性有了更深的信赖。它不仅仅是一本教材,更像是一位经验丰富的导师,耐心地引导我一步步走近数字电路的核心。
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