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刘一清 著

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• FPGA
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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030325730

商品编码：29692160024

包装：平装

出版时间：2011-11-01

基本信息

书名:数字逻辑电路实验与能力训练

定价：28.00元

售价：19.0元,便宜9.0元,折扣67

作者:刘一清

出版社：科学出版社

出版日期：2011-11-01

ISBN：9787030325730

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.222kg

编辑推荐

内容提要

　　《数字逻辑电路实验与能力训练》编写以培养中国未来的工程师为目的，注重理论联系实践及培养实验技能。各章节按照理解基本概念-掌握基本方法-培养基本技能-提高综合设计能力这一思想进行编排，由浅人深，引导学生在动手中理解概念，在动手中掌握方法，在动手中学会逻辑思维。
　　全书共六章，包括基本仪器的实验、基本门电路外部特性的实验和研究、组合逻辑电路实验、脉冲电路实验、时序电路的分析与设计实验、数字电路综合设计，书后有附录和参考文献。
　　《数字逻辑电路实验与能力训练》可作为电类专业（电子工程、电信工程、电机工程、计算机工程和通信工程）大学本科生的实验教材。

目录

前言
绪论
　0.1 数字电路实验的任务
　0.2 数字电路的实验过程
　0.3 实验预习
　0.4 电子元件参数手册学习
　0.5 电路原理图阅读
　0.6 实验过程中的异常情况处理
　0.7 实验故障排除
　0.8 实验步骤的编制
　0.9 实验数据表的设计
　0.10 实验结果的处理
　0.11 数字电路实验报告的撰写
　
章 基本仪器的实验
　1.1 万用表
　1.2 低频信号发生器
　1.3 示波器
　1.4 数电实验板的焊接
　
第2章 基本门电路外部特性的实验和研究
　2.1 基础知识-TTL非门电路原理
　2.2 TTL门电路外部特性的实验研究
　2.3 CMOS集成电路外部特性的实验研究
　
第3章 组合逻辑电路实验
　3.1 基础知识
　3.2 用小规模电路实现组合电路的实验研究
　3.3 编码器的实验研究
　3.4 译码器及数码显示的实验研究
　3.5 数据选择器的实验研究
　3.6 冒险和竞争的实验研究
　
第4章 脉冲电路实验
　4.1 基础知识
　4.2 多谐振荡器与脉冲产生电路的实验研究
　4.3 利用逻辑门构成多谐振荡器实验研究
　4.4 高秒脉冲发生器的实验研究
　4.5 波形调整实验研究
　
第5章 时序电路的分析与设计实验
　5.1 基础知识
　5.2 锁存器构成和触发器特性研究实验
　5.3 同步时序电路分析实验
　5.4 时序电路设计实验——序列检测
　5.5 时序电路设计实验——触发器构成计数器
　5.6 集成计数器应用研究实验
　
第6章 数字电路综合设计
　6.1 数字电路设计步骤
　6.2 自动售货机的设计研究
　6.3 数字锯齿波波形发生器的设计研究
　6.4 多功能数字电子钟的设计研究
　6.5 汽车尾灯控制器的设计研究
参考文献
附录
　　

作者介绍

文摘

序言

《数字逻辑电路原理及应用》 内容梗概： 本书是一部系统介绍数字逻辑电路基础理论、核心概念、设计方法与实际应用的全方位教程。它旨在为读者构建坚实的数字逻辑知识体系，培养严谨的逻辑思维能力，并最终能够独立完成数字电路的设计、分析与实现。全书内容层层递进，从最基础的逻辑门电路出发，逐步深入到组合逻辑和时序逻辑电路的复杂设计，直至应用层面的系统级设计，并结合当前流行的FPGA实现技术，为读者提供了一个从理论到实践的完整学习路径。 第一部分：数字逻辑基础（Building Blocks of Digital Logic） 本部分将为读者打下坚实的理论基础，是理解后续章节的关键。 绪论：数字化世界的大门 数字逻辑电路的定义、重要性及其在现代科技中的广泛应用（如计算机、通信、控制系统等）。 模拟电路与数字电路的根本区别，以及数字信号的优势。 数字逻辑电路的学习方法和思维模式介绍。 二进制数制及其运算（Binary Number Systems and Operations） 二进制、八进制、十进制、十六进制数制的表示方法、相互转换。 无符号数和带符号数的表示（原码、反码、补码），以及它们在计算机内部的存储和运算方式。 二进制的加、减、乘、除运算。 BCD（二进制编码的十进制）码的概念及其应用。 逻辑门电路（Logic Gates） 布尔代数的基本公理、定理和定律（如交换律、结合律、分配律、吸收律、德摩根定律等），这是进行逻辑化简的数学基础。 基本逻辑门（与门AND、或门OR、非门NOT）的功能、逻辑符号、真值表和电压阈值。 通用逻辑门（与非门NAND、或非门NOR、异或门XOR、同或门XNOR）的功能、逻辑符号、真值表和相互转换关系。 逻辑门的物理实现（MOSFET等晶体管技术简介），为理解实际电路打下基础。 逻辑函数的表示与化简（Representation and Simplification of Logic Functions） 逻辑函数的定义、表示方法（真值表、逻辑图、逻辑表达式）。 最小项和最大项的概念。 卡诺图（Karnaugh Map）法：介绍卡诺图的绘制、圈选（按2的幂次方分组，包含0或1）以及如何从中直接得到最简的与或表达式或或与表达式。卡诺图是进行多变量逻辑函数化简的直观且高效的方法。 奎恩-麦克拉斯基（Quine-McCluskey）算法：介绍该算法的步骤，包括最小项分组、寻找质蕴含项、确定 आवश्यक质蕴含项等，特别适用于变量较多的复杂逻辑函数化简，是一种系统化的代数化简方法。 门电路的优化设计：化简目标是为了减少逻辑门的数量，从而降低电路成本、功耗和提高速度。 第二部分：组合逻辑电路设计（Combinational Logic Circuit Design） 本部分将重点介绍不包含记忆功能的数字电路的设计方法。 组合逻辑电路的基本概念 组合逻辑电路的定义：输出仅取决于当前输入的逻辑电路。 组合逻辑电路的分析：给定逻辑图，推导出其逻辑表达式和真值表。 组合逻辑电路的设计：给定逻辑功能需求，设计出相应的逻辑电路。 常用组合逻辑电路模块（Common Combinational Logic Modules） 译码器（Decoders）：将n位二进制输入译成2^n个唯一输出中的一个。介绍其工作原理、逻辑符号、真值表，以及应用（如地址译码、数据选择）。 编码器（Encoders）：与译码器功能相反，将2^n个输入中的一个选择性地映射为n位二进制输出。介绍优先级编码器（Priority Encoders）解决输入冲突问题。 数据选择器（Multiplexers, MUX）：根据选择信号线，从多路输入数据中选择一路输出。介绍其工作原理、逻辑符号、真值表，以及应用（如数据路由、逻辑功能实现）。 分频器（Demultiplexers, DEMUX）：与数据选择器功能相反，将一路输入数据通过选择信号线送到多路输出中的一路。 加法器（Adders）：实现二进制数的加法运算。介绍半加器（Half Adder）、全加器（Full Adder）的原理、逻辑图，以及如何构建多位加法器（如行波进位加法器Ripple Carry Adder）。 减法器（Subtractors）：实现二进制数的减法运算，通常通过加法器配合补码实现。 比较器（Comparators）：对两个二进制数进行比较，输出相等、大于、小于的信号。 算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit, ALU）：集成加法、减法、逻辑运算等多种功能于一体的电路，是CPU的核心组件。 组合逻辑电路的设计实例 逻辑门的集成设计：如何利用基本逻辑门搭建更复杂的组合逻辑功能。 使用标准组合逻辑模块设计：如何通过组合预设的译码器、编码器、数据选择器等来实现复杂逻辑。 利用卡诺图或奎恩-麦克拉斯基算法设计：将逻辑功能需求转换为最简逻辑表达式，再绘制逻辑图。 第三部分：时序逻辑电路设计（Sequential Logic Circuit Design） 本部分将引入“状态”的概念，介绍包含记忆功能的数字电路。 时序逻辑电路的基本概念 时序逻辑电路的定义：输出不仅取决于当前输入，还取决于过去的输入序列（即电路的状态）。 触发器（Flip-Flops）作为时序逻辑电路的基本存储单元： SR触发器（SR Flip-Flop）：介绍其基本结构、激励表（Excitation Table）、状态转换图（State Transition Diagram），以及其缺点（亚稳态）。 D触发器（D Flip-Flop）：实现数据的直接存储，是时钟同步逻辑的基础。 JK触发器（JK Flip-Flop）：是SR触发器的增强版，解决了SR触发器的Q=Q'=1时的不确定性问题，并能实现翻转功能。 T触发器（T Flip-Flop）：主要用于计数器设计，当T=1时翻转，T=0时保持。 时钟（Clock）：介绍时钟信号的作用，同步时序逻辑与异步时序逻辑的区别。 触发器的时序特性：建立时间（Setup Time）、保持时间（Hold Time）、传播延迟（Propagation Delay）。 移位寄存器（Shift Registers） 移位寄存器的结构和工作原理：数据在时钟脉冲作用下向左或向右移动。 不同类型的移位寄存器：SISO（串入串出）、SIPO（串入并出）、PISO（并入串出）、PIPO（并入并出）。 移位寄存器的应用：数据串并转换、移位运算、延迟线等。 计数器（Counters） 计数器的分类： 异步计数器（Ripple Counter）：触发器之间不共用同一个时钟信号，时钟信号逐级传递，易受“冒险”现象影响。 同步计数器（Synchronous Counter）：所有触发器共用同一个时钟信号，设计复杂但性能更优。 不同模数（Modulus）的计数器设计：模10计数器（十进制计数器）、任意模数计数器。 常用计数器：约翰逊计数器（Johnson Counter）、扭环计数器（Twisted Ring Counter）。 计数器的应用：分频、定时、频率测量、数字系统中状态的表示等。 有限状态机（Finite State Machines, FSM） 状态机模型：介绍米利（Mealy）型和摩尔（Moore）型有限状态机的区别（输出与当前状态和当前输入有关 vs. 输出仅与当前状态有关）。 状态图（State Diagram）：用图形方式直观表示状态的转移和输出。 状态表（State Table）：将状态图中的信息用表格形式表示。 状态编码（State Encoding）：为状态分配二进制码，编码方式对电路的复杂度和性能有影响（如顺序编码、独热编码、二进制编码）。 状态机设计流程：根据需求设计状态图，生成状态表，选择编码方式，推导出触发器的激励方程和输出方程，最终绘制逻辑图。 状态机的应用：控制单元设计、序列检测、通信协议实现等。 第四部分：半导体存储器与数字集成电路（Semiconductor Memories and Integrated Circuits） 本部分介绍数字逻辑电路在存储器和大规模集成电路中的应用。 半导体存储器 随机存取存储器（RAM）： 静态RAM（SRAM）：原理、特点、读写操作、应用。 动态RAM（DRAM）：原理、特点、读写操作、刷新机制、应用。 只读存储器（ROM）： 掩膜ROM（MROM）：一次性写入。 可编程ROM（PROM）：一次性编程。 可擦除可编程ROM（EPROM）：紫外线擦除。 电可擦除可编程ROM（EEPROM）：电擦除。 闪存（Flash Memory）：EEPROM的改进型，应用广泛。 存储器的组织结构：地址线、数据线、读写控制线。 数字集成电路（Digital Integrated Circuits） 集成电路线的分类：大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）。 数字集成电路系列：TTL（晶体管-晶体管逻辑）、CMOS（互补金属氧化物半导体）逻辑系列，及其特点（功耗、速度、驱动能力）。 可编程逻辑器件（Programmable Logic Devices, PLD）： 可编程阵列逻辑（PAL）：可编程与门阵列，固定或门阵列。 通用阵列逻辑（GAL）：PAL的改进型，具有可编程输出逻辑。 可编程逻辑阵列（PLA）：可编程与门阵列和可编程或门阵列。 复杂可编程逻辑器件（CPLD）：由多个宏单元和可编程互连线组成。 现场可编程门阵列（FPGA）：由大量的查找表（LUT）、可配置开关和I/O块组成，灵活性和集成度极高，是现代数字系统原型设计和产品开发的重要工具。 第五部分：FPGA在数字逻辑设计中的应用（FPGA in Digital Logic Design） 本部分将重点介绍如何利用FPGA实现数字逻辑设计。 FPGA简介 FPGA的内部结构：CLB（可配置逻辑块）、IOB（输入/输出块）、Block RAM、DSP Slice、Clock Management Tile等。 FPGA的工作原理：通过配置查找表（LUT）实现逻辑功能，通过布线资源实现逻辑块之间的连接。 硬件描述语言（Hardware Description Languages, HDL） Verilog HDL：介绍Verilog的基本语法、数据类型、运算符、过程语句（always块）、模块实例化等。 VHDL：介绍VHDL的基本语法、实体（entity）、结构（architecture）、端口（port）、信号（signal）等。 HDL在FPGA设计中的作用：描述硬件结构、行为和时序，将设计思路转化为电路。 FPGA设计流程 需求分析与规格定义。 HDL代码编写：根据设计需求，使用Verilog或VHDL编写逻辑功能描述。 仿真（Simulation）：使用仿真工具验证HDL代码的逻辑功能是否正确，包括功能仿真和时序仿真。 综合（Synthesis）：将HDL代码转换成门级网表。 实现（Implementation）：包括映射（Mapping）、布局（Place）和布线（Route），将门级网表映射到FPGA器件的资源上。 时序约束与优化：设置时序要求，并对电路进行优化以满足时序。 生成比特流（Bitstream）：生成FPGA配置所需的二进制文件。 下载与验证：将比特流下载到FPGA器件，并在硬件上进行功能和性能的实际测试。 FPGA设计实例 使用FPGA实现常用的组合逻辑和时序逻辑电路（如加法器、计数器、状态机）。 更复杂的FPGA设计项目，例如简单的CPU控制器、通信接口模块等。 介绍FPGA开发板的使用和调试方法。 全书特点： 理论与实践相结合：每一章节都将理论知识与实际应用相结合，通过丰富的实例和工程化的设计方法，帮助读者将理论知识转化为实际的电路设计能力。 循序渐进的学习路径：从基础的逻辑门电路到复杂的FPGA设计，内容组织严谨，逻辑清晰，易于不同层次的读者理解和掌握。 强调逻辑思维和设计能力：本书不仅仅教授知识点，更注重培养读者严谨的逻辑思维能力和解决实际工程问题的设计能力。 覆盖主流设计工具与技术：重点介绍FPGA及其相关的硬件描述语言（Verilog/VHDL），使读者能够紧跟行业发展前沿。 详实的图例和表格：大量使用逻辑图、真值表、状态图、电路图等可视化元素，增强学习的直观性和易懂性。 目标读者： 电子工程、计算机科学、自动化等相关专业的本科生和研究生。 从事数字电路设计、嵌入式系统开发、FPGA开发的工程师。 对数字逻辑电路感兴趣的爱好者和自学者。 通过深入学习本书，读者将能够熟练掌握数字逻辑电路的设计原理和方法，具备运用现代EDA工具进行复杂数字系统设计的能力，为未来在相关领域的学习和工作打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书的实验指导部分，我的感受是“干货满满，实操性极强”。很多数字电路实验书，理论讲得天花乱坠，一到上机操作就感觉对不上了，要么是元件选型含糊不清，要么是步骤描述过于口语化，导致学生在面包板上摸索半天。但这本书在这方面做得非常出色。它详细列举了进行每个实验所需的全部器件清单，甚至包括了推荐的型号范围，这为我们采购和准备工作省去了不少麻烦。更关键的是，实验步骤被划分得极其细致，从电路原理图的绘制规范，到焊接或插接的注意事项，再到测试波形的预期结果，都做了明确的图示说明。我特别欣赏的是，它不仅提供了“如何做对”的指导，还设置了“为什么会错”的常见问题分析，比如“当输入信号不稳定时，时钟毛刺如何影响触发器的状态？”这类深入到工程实践层面的讨论，这远超出了简单的“按照步骤来”的教学范畴。通过跟着书本一步步搭建起加法器、译码器乃至简单的状态机，我对抽象的逻辑表达式在现实世界中如何“动起来”有了直观而深刻的体会，这种动手实践带来的成就感是看再多理论也无法替代的。

评分☆☆☆☆☆

这本书的“能力训练”模块设置，无疑是其区别于市面上其他教材的最大亮点。它显然不是只打算让学生停留在实现教科书上经典案例的水平。训练题目的设计非常有层次感，从基础的逻辑功能验证，逐步过渡到小型系统的集成设计，难度梯度控制得非常平滑且合理。我尤其喜欢它加入的开放性设计任务，比如要求我们根据某个实际需求（比如设计一个交通信号灯控制器，或者一个简单的数字密码锁），自己去完成需求分析、状态图绘制、逻辑表达式推导，直到最终硬件实现的全过程。这种从零开始的训练，强迫我们整合运用前面学到的所有知识点，极大地锻炼了独立解决复杂问题的能力。它不像那种固定模式的习题，而是更像一个微型的项目挑战，需要查阅资料、反复迭代设计方案。这本书更像一位严格但公正的导师，它不会直接告诉你答案，而是通过精心设计的引导性问题，让你自己一步步去逼近解决方案，这种自主探索的过程，是任何预设好的答案都无法比拟的宝贵经验。

评分☆☆☆☆☆

从排版和装帧来看，这本书也体现了编辑和作者的专业素养。在理工科教材中，清晰的图示和准确的符号是阅读体验的关键。这本书大量使用高质量的矢量图来展示电路图和波形图，线条清晰，逻辑符号标准统一，这对于避免阅读歧义至关重要。特别是对于时序逻辑电路中时序图的绘制，清晰的上升沿、下降沿、高电平低电平等标注，使得复杂的时序关系一目了然。纸张的质量也比较好，在实验室反复翻阅和在桌面上画草图也不会轻易损坏。此外，书中的术语表和索引做得非常细致，当我在复习某个特定概念时，能够快速定位到相关的章节和页码，这在期末复习或者项目攻关需要快速查阅资料时，极大地提升了效率。整体设计上，虽然内容专业，但页面布局并不显得拥挤，留白得当，让读者的眼睛得到了充分的休息，长时间阅读也不会感到视觉疲劳，这对于一本需要大量查阅和学习的专业书籍来说，是一个非常人性化的设计细节。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我最大的启发在于它对“工程思维”的强调，远超出了对“电路知识点”的简单传授。作者在多个章节中穿插讨论了电路设计的实际约束条件，比如功耗限制、延迟时间对系统性能的影响、器件选型时的成本与性能权衡等。这些内容在理论教材中往往被一带而过，但实际上却是决定一个设计能否走向实际应用的关键因素。例如，书中对于竞争冒险（Hazards）现象的讲解，不仅分析了其成因，还提供了多种消除方法，并讨论了不同消除方法在实际电路中的优缺点，这让我意识到，逻辑设计并非单纯的数学游戏，它必须考虑物理实现的各种非理想因素。这种将理论与实践、理想与现实紧密结合的教学方式，极大地拓宽了我对“数字电路”的理解边界。它让我明白，一名合格的工程师，不仅要知道如何把一个功能设计出来，更要懂得如何在限制条件下，设计出一个健壮、高效、可制造的系统。这本书为我未来在集成电路设计或嵌入式系统领域的发展，打下了极其坚实和全面的基础。

评分☆☆☆☆☆

这本《数字逻辑电路实验与能力训练》的教材，说实话，对于我这种刚接触数字电路的工科新生来说，简直是打开了一扇新世界的大门。拿到书的时候，我首先被它详实的理论介绍所吸引，每一个基本逻辑门的工作原理，从晶体管级别的开关特性到更宏观的布尔代数运算，都讲解得极其透彻。不像有些教材那样，只是简单罗列公式，这本书会花大量篇幅去解释“为什么是这样”，这种深入刨根问底的叙述方式，让我第一次真正理解了数字电路背后的物理实在。特别是关于组合逻辑电路和时序逻辑电路的部分，作者似乎非常懂得读者的困惑点，总能恰到好处地穿插一些历史背景或者实际应用中的小陷阱，使得原本枯燥的逻辑设计变得生动起来。我记得刚开始学卡诺图化简时一头雾水，但书中的图文并茂的步骤分解，配合大量的实例分析，让我很快就掌握了这种强大的化简工具。我感觉这本书不仅仅是在教我们如何设计电路，更是在培养一种严谨的、系统性的工程思维，这种基础的思维训练，对于后续学习微机原理、嵌入式系统等高级课程是至关重要的。书中的语言风格偏向于学术的严谨性，但又不失亲和力，即便是自学也能感到指导清晰。