數字電子技術基礎(第三版)（簡體書）

作為本科數字電子技術的教科書，本書借鑒了目前國外知名高校同類教材的選材和教學理念，將傳統的數字電子技術作為通向現代數字電子技術的橋樑，在總體上不減少傳統和現代數字電子技術基本內容，且保證教學成效的前提下，最大限度地降低對前期基礎知識的依賴，循序漸進地推出該課程所有必須講授的內容，從而打破教學模式的局限，將目標定位於使學習者在數字電子技術的基礎理論、實踐能力和創新精神三方面有明顯的進步。本書將引導學習者基於現代數字電子技術理論，在全新的軟硬件平臺上實踐已學到的數字電子技術基礎知識，有效提高面向現代數字電子技術的工程能力，以高起點適應相關後續課程的要求。書中還給出了大量自主創新設計實踐項目。

相比于同類型的傳統教材，本書的特色突出表現在：將傳統和現代的教學內容和教學方法有機融為一體；能毫無障礙地在低年級進行教學(如在本科第一學期)；強調並著力培養學生的自主創新能力。

本書可作為本科或高職院校電子信息類、自動化類、計算機類、儀器類等專業的專業基礎課教材，或作為相關專業技術人員的自學參考書。

目 錄

第1章 數制與編碼.... 1

1.1 模擬信號與數字信號.... 1

1.1.1 模擬信號與數字信號的概念... 1

1.1.2 數字電路與模擬電路的區別... 1

1.1.3 數字電路的特點... 2

1.2 數字系統中的數制.... 3

1.2.1 十進制數... 3

1.2.2 二進制數... 4

1.2.3 十六進制數... 5

1.2.4 八進制數... 6

1.3 不同數制間的轉換.... 6

1.3.1 十六進制數、二進制數與十進制數間的轉換... 6

1.3.2 十進制數轉換為二進制數、十六進制數... 7

1.3.3 二進制數與十六進制數、八進制數間的轉換... 7

1.4 數字系統中數的表示方法和格式.... 8

1.4.1 二-十進制編碼... 8

1.4.2 帶符號位的二進制碼... 10

1.4.3 可靠性編碼... 13

1.4.4 標準字符碼... 15

1.4.5 條形碼和二維碼... 16

習題.... 17

第2章 邏輯代數基礎.... 19

2.1 邏輯代數的基本運算.... 19

2.1.1 邏輯代數的基本概念... 19

2.1.2 邏輯代數的3種基本邏輯運算... 20

2.1.3 複合邏輯運算... 21

2.2 邏輯代數的運算規則.... 23

2.2.1 邏輯代數的基本公理... 23

2.2.2 邏輯代數的基本定律... 23

2.2.3 邏輯代數的基本規則... 24

2.2.4 若干常用公式... 25

2.3 邏輯函數表述方法.... 27

2.3.1 邏輯函數的表示方法... 27

2.3.2 真值表與邏輯表達式的相互轉換... 28

2.3.3 邏輯表達式的常用形式... 29

2.4 邏輯函數的標準形式.... 29

2.4.1 最小項和最大項... 30

2.4.2 標準與或式――最小項表達式... 31

2.4.3 標準或與式――最大項表達式... 32

2.5 邏輯函數的化簡方法.... 32

2.5.1 代數化簡法... 33

2.5.2 卡諾圖化簡法... 35

2.5.3 具有無關項的邏輯函數及其化簡... 40

2.5.4 多輸出函數的化簡... 41

習題.... 42

第3章 邏輯門電路.... 45

3.1 概述.... 45

3.2 分立元件邏輯門.... 46

3.2.1 二極管與門、或門... 46

3.2.2 晶體管非門... 47

3.3 CMOS集成邏輯門.... 47

3.3.1 增強型MOS管的工作原理... 47

3.3.2 CMOS邏輯門電路... 48

3.3.3 CMOS傳輸門及其構建的邏輯門... 50

3.4 TTL集成邏輯門.... 51

3.4.1 TTL與非門的工作原理... 51

3.4.2 集電極開路門和漏極開路門... 53

3.4.3 三態門... 54

3.5 集成邏輯門相關概念.... 56

3.5.1 集成邏輯門的性能參數... 56

3.5.2 TTL集成電路邏輯門及同類CMOS器件系列... 61

3.5.3 CMOS與TTL邏輯器件的封裝... 62

3.5.4 TTL與CMOS集成電路的傳統接口技術... 63

習題.... 63

實驗與設計.... 65

第4章 組合邏輯電路的分析與設計.... 67

4.1 組合邏輯電路手工分析.... 67

4.1.1 組合邏輯電路的定義... 67

4.1.2 組合邏輯電路的手工分析步驟... 68

4.1.3 組合邏輯電路分析實例... 68

4.2 組合邏輯電路手工設計方法.... 69

4.2.1 組合邏輯電路手工設計的一般步驟... 69

4.2.2 組合邏輯電路的設計示例... 69

4.3 編碼器.... 71

4.3.1 編碼器的基本概念... 71

4.3.2 二進制普通編碼器... 71

4.3.3 二進制優先編碼器... 72

4.3.4 二-十進制優先編碼器... 74

4.4 譯碼器.... 74

4.4.1 譯碼器的基本概念... 74

4.4.2 二進制譯碼器... 75

4.4.3 用譯碼器實現邏輯函數... 75

4.4.4 二-十進制譯碼器... 77

4.4.5 顯示譯碼器... 77

4.5 數據選擇器與數據分配器.... 81

4.5.1 數據選擇器的基本概念... 81

4.5.2 集成數據選擇器... 81

4.5.3 用數據選擇器實現邏輯函數... 83

4.5.4 數據分配器... 84

4.6 加法器.... 85

4.6.1 半加器... 85

4.6.2 全加器... 86

4.6.3 多位加法器... 86

4.7 數值比較器.... 89

4.7.1 1位數值比較器... 89

4.7.2 集成數值比較器... 89

4.7.3 集成數值比較器的擴展... 90

4.8 廣義譯碼器概念.... 91

4.9 可編程邏輯器件的結構與原理.... 92

4.9.1 PLD概述... 92

4.9.2 簡單PLD的結構與工作原理... 93

4.10 組合邏輯電路的競爭與冒險.... 96

4.10.1 冒險現象的判斷... 97

4.10.2 冒險現象的解決方法... 98

習題.... 98

實驗與設計.... 101

第5章 觸發器及含觸發器的PLD.. 102

5.1 概述.... 102

5.2 基本RS觸發器.... 103

5.2.1 基本RS觸發器的電路結構和工作原理... 103

5.2.2 基本RS觸發器的功能描述... 104

5.2.3 基本RS觸發器的應用... 105

5.3 鐘控觸發器.... 106

5.3.1 鐘控RS觸發器... 106

5.3.2 鐘控D觸發器(D鎖存器)... 107

5.4 主從觸發器.... 109

5.4.1 主從RS觸發器... 109

5.4.2 主從JK觸發器... 110

5.5 邊沿觸發器.... 111

5.5.1 邊沿D觸發器... 111

5.5.2 邊沿JK觸發器... 114

5.6 觸發器間的轉換.... 116

5.6.1 D觸發器轉換為JK、T和T′觸發器... 116

5.6.2 JK觸發器轉換為D、T和T′觸發器... 117

5.7 含觸發器的PLD的結構與原理.... 117

5.7.1 通用可編程邏輯器件GAL. 118

5.7.2 複雜可編程邏輯器件CPLD.. 120

5.7.3 現場可編程門陣列FPGA.. 121

習題.... 123

實驗與設計.... 125

第6章 組合邏輯電路時序分析與自動化設計.... 128

6.1 傳統數字技術存在的問題.... 128

6.2 數字系統自動設計流程.... 130

6.2.1 設計輸入... 130

6.2.2 硬件描述語言... 131

6.2.3 綜合... 131

6.2.4 適配... 131

6.2.5 仿真... 131

6.2.6 硬件測試... 132

6.3 原理圖輸入法邏輯電路設計.... 132

6.3.1 原理圖編輯輸入方法... 132

6.3.2 創建工程... 134

6.3.3 功能分析... 137

6.3.4 編譯前設置... 137

6.3.5 全程編譯... 139

6.3.6 邏輯功能測試... 140

6.4 硬件測試.... 143

6.4.1 引腳鎖定... 143

6.4.2 對FPGA編程配置... 145

6.4.3 對FPGA配置器件編程... 146

6.5 用HDL表述廣義譯碼器.... 148

6.5.1 用HDL表述真值表與電路設計... 149

6.5.2 3人表決電路的HDL表述方式... 151

6.5.3 對真值表的其他HDL表述方式... 153

6.6 數字方法去抖動和延時電路設計.... 155

6.6.1 數字去抖動電路設計... 155

6.6.2 數字延時電路的設計與測試... 158

實驗與設計.... 160

第7章 時序邏輯電路的分析與設計.... 163

7.1 時序邏輯電路的特點與功能.... 163

7.1.1 時序邏輯電路的結構... 163

7.1.2 時序邏輯電路的分類... 164

7.2 時序邏輯電路的人工分析方法.... 164

7.2.1 同步時序邏輯電路分析... 165

7.2.2 異步時序邏輯電路的分析舉例... 167

7.3 時序邏輯電路的人工設計方法.... 169

7.3.1 時序邏輯電路的人工設計步驟... 169

7.3.2 設計舉例... 170

7.4 計數器.... 174

7.4.1 異步計數器設計.................................................................................................................... 175

7.4.2 同步計數器設計... 177

7.4.3 專用集成計數器應用... 179

7.5 寄存器.... 185

7.5.1 並行寄存器... 185

7.5.2 移位寄存器... 186

習題.... 194

實驗與設計.... 198

第8章 時序邏輯電路的自動化設計與分析.... 200

8.1 用74系列宏模塊設計數字電路.... 200

8.1.1 用74390宏模塊設計一個2位十進制計數器... 200

8.1.2 可預置型任意模計數器設計... 202

8.2 計數器通用設計模型.... 204

8.2.1 時序邏輯電路設計方案考察... 204

8.2.2 計數器的一般結構模型... 205

8.2.3 普通二進制計數器設計討論... 205

8.2.4 BCD碼計數器設計討論... 206

8.2.5 模可控計數器設計討論... 207

8.2.6 反饋清0法構成模12計數器設計討論... 208

8.2.7 同步加載型計數器設計討論... 209

8.2.8 異步加載型計數器設計討論... 209

8.2.9 可逆計數器設計討論... 210

8.3 從計數器的一般模型到狀態機.... 211

8.4 基於一般模型結構的計數器設計.... 212

8.4.1 基於一般模型的十進制計數器設計... 212

8.4.2 含自啟動電路的十進制計數器的設計... 214

8.4.3 異步控制型任意模計數器設計... 214

8.4.4 初值可預置型計數器設計... 215

8.5 基於IP核的計數器設計.... 216

8.6 有限狀態機的設計與應用.... 219

8.6.1 計數器與狀態機的對應關係... 219

8.6.2 步進電機控制電路設計... 220

8.6.3 鍵觸點消抖動電路設計... 222

8.6.4 簡易溫控系統設計... 224

實驗與設計.... 226

第9章 半導體存儲器及其應用.... 228

9.1 存儲器概述.... 228

9.1.1 存儲器分類... 228

9.1.2 半導體存儲器性能指標... 229

9.2 只讀存儲器.... 230

9.2.1 ROM結構和工作原理... 230

9.2.2 ROM的分類... 231

9.2.3 掩膜ROM... 231

9.2.4 可編程ROM... 232

9.3 隨機存取存儲器.... 234

9.3.1 RAM的分類... 234

9.3.2 RAM的基本結構... 235

9.3.3 SRAM的工作原理... 235

9.3.4 DRAM工作原理... 237

9.3.5 存儲器的擴展方法... 238

9.3.6 其他類型的存儲器... 240

9.4 存儲器應用電路設計.... 241

9.4.1 利用LPM_ROM設計查表式乘法器... 241