內容簡介

本書是根據教育部高等學校電子類本科指導性專業規范的要求，結合電類專業人才培養新模式的需求而編寫的。本書共分9章，系統地介紹了數字電路的基礎知識，包括邏輯代數基礎、邏輯門電路、組合邏輯電路、時序邏輯電路、存儲器與可編程邏輯器件、脈沖產生和整形電路、數/模和模/數轉換電路、EDA技術基礎、數字系統設計基礎等。另外，本書還介紹了集成電路的產生、發展過程，當前技術水平，未來發展方向等相關知識的背景，以激發學生的求知欲望。

本書概念清楚，內容先進，體系合理，在系統介紹基礎知識的基礎上，突出邏輯器件的功能及應用，用VHDL語言描述基本邏輯電路并采用Multisim軟件仿真。每章均安排有小結、思考題、習題、讀物，力求做到通俗易懂，便于使用。

本書可作為高等院校電氣信息類、電子信息類、儀器儀表類及其他相近專業的本科生教材或教學參考書，也可供有關工程技術人員參考。

前    言

　　隨著我國教育改革的不斷深入，教育的重點是培養人的創新意識和應用能力已成為共識。本書是根據教育部高等學校電子類本科指導性專業規范的要求，結合電類專業人才培養新模式的需求而編寫的。

　　數字電路與邏輯設計作為一門技術基礎課，是計算機信息類、電子類、儀器儀表類、機電類等專業的必修課。隨著電子科學技術的飛速發展，電子計算機和集成電路獲得了廣泛的應用，電子技術的發展對科學技術、國民經濟和國防各個領域的影響日益深入，數字電路理論和方法在相關專業的地位越來越重要。

　　EDA技術、大規模集成電路，特別是可編程邏輯器件的高速發展，對數字電路課程的教學內容提出了更高的要求。為適應科學技術的發展和社會對人才培養的要求，本書對教學內容進行了整合和充實，精簡了分立元件部分，增強了集成邏輯器件的內容，教學重點也從邏輯電路分析轉向邏輯電路設計和集成芯片的應用。本書具有以下幾個特點。

　　(1) 突出方法，適應發展。本書體現了近期教改成果，重點介紹通用集成電路的基本原理及特性，略去其內部復雜電路及分析，側重器件的邏輯功能及輸入、輸出電氣特性，增強了CPLD、FPGA等新型可編程邏輯器件的內容，使學生以此進行實際工程設計與應用的初步訓練。

　　(2) 書中引入了EDA技術的基礎知識，在介紹VHDL語言和Multisim 10.0軟件的基礎上，對主要章節的電路采用VHDL語言描述并用Multisim 10.0軟件仿真，使學生能夠在微機上對典型電路進行功能驗證，加深對數字電路的認識，也為后續數字系統設計課程的學習打下必要的基礎。考慮到不同學校的需要，這部分作為選學內容，以"*"號標出。

　　(3) 本書以"神奇的集成電路"為主線，用讀物的形式在各章最后分別介紹電子管、晶體管溯源，集成電路的發明，硅谷的故事，半導體的奧秘，巧奪天工的集成電路制造工藝，用計算機設計集成電路，騰飛的中國芯，微電子技術新領域，未來暢想曲等內容供學生選讀，讓學生了解相關知識的背景。

　　(4) 為便于讀者加深理解，書中針對重點、難點內容都設有相應的例題，每章均安排有小結、思考題、習題、讀物，力求做到通俗易懂，便于教學。

　　(5) 書中各部分內容均從基本概念入手，提供學習數字電路的分析方法和設計方法，通過具體電路系統加以歸納和總結，從而培養學生分析問題、解決問題的能力。

　　本書由張雪平任第一主編，負責制訂編寫提綱并全書統稿。趙娟編寫第1、2、3章，張雪平編寫第4、6章，曾菊容編寫第5、9章，楊欣編寫第7章，鄒云峰編寫第8章。

　　在本書的前期編寫過程中，楊興全、李雙喜、張玉芝、許振偉、牛慧娟、周妮娜等做了大量的工作，在此一并表示感謝！

　　限于作者水平，書中缺點和錯誤在所難免，衷心希望選用本書的師生提出批評意見。

　　

 

　　                                     編  者

目    錄

 

緒論 1

第1章　邏輯代數基礎 5

1.1　概述 5

1.2　數制和碼制 6

1.2.1　數制 6

1.2.2　幾種常用數制之間的轉換 8

1.2.3　碼制 11

1.2.4　算術運算和邏輯運算 17

1.3　邏輯代數基礎 19

1.3.1　基本邏輯運算 19

1.3.2　邏輯代數的基本公式 25

1.3.3　邏輯代數的基本規則 28

1.3.4　邏輯函數的表示方法 30

1.3.5　邏輯函數的公式化簡法 35

1.3.6　邏輯函數的卡諾圖化簡法 38

1.3.7　具有無關項的邏輯函數

及其化簡 47

小結 49

思考題 49

習題 50

讀物：神奇的集成電路1--電子管、

  晶體管溯源 52

第2章　邏輯門電路 60

2.1　概述 60

2.2　邏輯門電路中的開關器件 62

2.2.1　二極管及其開關特性 62

2.2.2　三極管及其開關特性 62

2.2.3　MOS管及其開關特性 63

2.3　分立元件門電路 64

2.3.1　二極管與門和或門 64

2.3.2　三極管非門 66

2.3.3　MOS管非門 66

2.4　TTL門電路 66

2.4.1　TTL反相器的電路結構

和工作原理 66

2.4.2　TTL反相器的動態特性 72

2.4.3　其他類型的TTL門電路 73

2.4.4　TTL數字集成電路系列 78

2.5　CMOS門電路 82

2.5.1　CMOS反相器的電路結構

和工作原理 82

2.5.2　CMOS與非門和或非門 84

2.5.3　CMOS傳輸門 85

2.5.4　CMOS三態門和漏極開路門 85

2.5.5　CMOS數字集成電路系列 87

小結 88

思考題 88

習題 89

讀物：神奇的集成電路2--集成電路的

      發明 94

第3章　組合邏輯電路 97

3.1　概述 97

3.2　組合邏輯電路的分析和設計方法 98

3.2.1　組合邏輯電路的分析方法 98

3.2.2　組合邏輯電路的設計方法 101

3.3　常用組合邏輯器件及應用 103

3.3.1　編碼器和譯碼器 104

3.3.2　數據選擇器和數據分配器 116

3.3.3　加法器和數值比較器 119

3.3.4　中規模集成電路實現組合

邏輯函數 123

3.4　組合邏輯電路中的競爭與冒險 126

3.4.1　代數法 127

3.4.2　卡諾圖法 128

3.4.3  冒險現象的清除 129

小結 130

思考題 131

習題 132

讀物：神奇的集成電路3--硅谷的

      故事 135

第4章　時序邏輯電路 141

4.1　概述 141

4.1.1　時序邏輯電路的一般模型

和結構特點 141

4.1.2　時序邏輯電路的類型 142

4.2　觸發器 142

4.2.1　基本觸發器 143

4.2.2　同步觸發器 145

4.2.3　邊沿觸發器 147

4.2.4　觸發器的邏輯功能及其描述

方法 149

4.3　時序邏輯電路的分析方法 155

4.3.1  時序邏輯電路狀態的描述 155

4.3.2  時序邏輯電路的分析步驟 158

4.3.3  時序邏輯電路的分析舉例 159

4.4　時序邏輯電路的設計方法 162

4.4.1　時序邏輯電路的設計步驟 163

4.4.2　時序邏輯電路的設計舉例 165

4.5　時序邏輯電路的競爭與冒險 170

4.5.1  觸發器的競爭-冒險 171

4.5.2　時序邏輯電路競爭與冒險的

處理方法 173

4.6　常用時序邏輯器件及應用 173

4.6.1　寄存器和移位寄存器 174

4.6.2　計數器 180

4.6.3　順序脈沖發生器 196

4.6.4  常用時序邏輯器件的應用 199

小結 203

思考題 204

習題 205

讀物：神奇的集成電路4--半導體的

      奧秘 211

第5章　存儲器與可編程邏輯器件 215

5.1　概述 215

5.2　可編程邏輯器件的結構和表示

方法 216

5.2.1　可編程邏輯器件的結構 216

5.2.2　可編程邏輯器件的表示

方法 217

5.3　存儲器 218

5.3.1　只讀存儲器 218

5.3.2　隨機存儲器 222

5.3.3　存儲器的擴展 223

5.4　可編程邏輯器件 224

5.5　可編程邏輯器件的開發流程 225

小結 227

思考題 228

習題 228

讀物：神奇的集成電路5--巧奪天工的

      集成電路制造工藝 230

第6章　脈沖產生和整形電路 232

6.1　概述 232

6.2　555定時器 233

6.2.1　555定時器的電路結構 233

6.2.2　555定時器的基本功能 234

6.3　施密特觸發器 235

6.3.1　555定時器構成的施密特

觸發器 235

6.3.2　集成施密特觸發器 237

6.3.3　施密特觸發器的應用 239

6.4　單穩態觸發器 241

6.4.1　555定時器構成的單穩態

觸發器 241

6.4.2　集成單穩態觸發器 243

6.4.3　單穩態觸發器的應用 246

6.5　多諧振蕩器 247

6.5.1　555定時器構成的多諧

振蕩器 247

6.5.2　石英晶體多諧振蕩器 250

6.5.3　多諧振蕩器的應用 251

小結 252

思考題 253

習題 253

讀物：神奇的集成電路6--用計算機設計

      集成電路 257

第7章　數/模和模/數轉換電路 261

7.1　概述 261

7.2　D/A轉換電路 262

7.2.1　倒T形電阻網絡D/A

轉換器 262

7.2.2　權電流型D/A轉換器 263

7.2.3　雙極性輸出D/A轉換器 266

7.2.4　D/A轉換器的轉換精度

和轉換速度 268

7.3　A/D轉換電路 271

7.3.1　A/D轉換器的基本原理 271

7.3.2　并聯比較型A/D轉換器 272

7.3.3　反饋比較型A/D轉換器 274

7.3.4　雙積分型A/D轉換器 276

7.3.5　A/D轉換器的轉換精度

和轉換速度 279

小結 280

思考題 280

習題 281

讀物：神奇的集成電路7--騰飛的

      中國芯 284

*第8章　EDA技術基礎 287

8.1　EDA技術簡介 287

8.2　Multisim 10.0軟件簡介 287

8.2.1　Multisim 10.0 287

8.2.2　Multisim 10.0的操作界面 287

8.2.3　Multisim 10.0操作界面的

設置 289

8.2.4　Multisim 10.0繪制電路的

常用操作 294

8.2.5  Multisim 10.0虛擬儀器 301

8.2.6　Multisim 10.0數字電路應用

舉例 307

8.3  VHDL語言基礎 312

8.3.1  可編程邏輯器件與硬件描述

語言 312

　　

8.3.2  VHDL語言簡介 312

8.3.3  VHDL程序基礎 313

8.3.4　VHDL數字電路程序設計

實例 322

小結 324

思考題 325

習題 325

讀物：神奇的集成電路8--微電子技術

      新領域 326

第9章　數字系統設計基礎 333

9.1　概述 333

9.2　數字系統設計方法 333

9.2.1　傳統設計方法 333

9.2.2　現代設計方法 336

9.3　多路智力競賽搶答器設計 338

9.3.1　搶答器的功能要求 338

9.3.2　搶答器的組成框圖 339

9.3.3　搶答器的電路設計 340

9.4  多功能數字鐘設計 344

9.4.1　數字鐘的功能要求 344

9.4.2　數字鐘電路系統的組成

框圖 344

9.4.3　主體電路的設計與裝調 345

9.4.4　功能擴展電路設計 348

小結 351

思考題 352

習題 352

讀物：神奇的集成電路9--未來

      暢想曲 353

附錄1　基本邏輯單元圖形符號

對照表 359

附錄2　常用數字系統名詞中英文

對照表 361

參考文獻 363