内容简介

本书是根据教育部学科专业调整方案和电类各专业人才培养新模式的需求而编写的。本书系统地介绍了数字电子技术的基础知识，包括数字电路基础、门电路、组合逻辑电路、常用组合逻辑器件、时序逻辑电路、常用时序逻辑器件、可编程逻辑器件、脉冲波形的产生和整形电路、数-模转换器和模-数转换器、数字系统设计基础等内容。

本书概念清楚，内容先进、实用，在系统介绍基础知识的基础上，突出逻辑器件功能及应用，还对EDA的基础知识作了介绍。每章均安排小结、思考题和习题，力求做到通俗易懂，便于使用。

本书可作为高等院校电气信息类、电子信息类、仪器仪表类及其他相近专业的本科生教材或教学参考书使用，也可供有关工程技术人员参考使用。

前    言

　　随着新知识经济时代的到来，世界范围的经济发展与科技进步已向高等教育提出了更高的要求，教育的核心是素质教育，教育的重点是对创新意识和应用能力的培养。随着我国教育事业发展的不断深入，应用型人才培养向着厚基础、宽层面、强能力的方向发展，强化学生的实践能力已成为刻不容缓的任务。

　　数字电子技术作为一门技术基础课，是计算机信息类、电子类、仪器仪表类、机电类等专业的必修课。随着电子科学技术的飞速发展，电子计算机和集成电路获得了广泛的应用，电子技术的发展对科学技术、国民经济和国防各个领域的影响日益深入，数字电子技术的知识、理论和方法在相关专业的地位越来越重要。

　　EDA技术、大规模集成电路，特别是可编程逻辑器件的高速发展，对数字电子技术课程的教学内容提出了更高的要求。为适应科学技术的发展和社会对人才培养的要求，本书在第1版的基础上对教学内容进行了调整和充实，精简了分立元件部分，增强了集成逻辑器件的内容，教学重点也从逻辑电路分析转向逻辑电路设计和集成芯片的应用。本书突出了以下几个方面。

　　(1) 将重点放在基本概念和基本方法上。尽管LSI、VLSI已成为数字系统的主体，但中、小规模集成电路仍不失其基础地位，为此，本书仍以集成电路的基础理论、基本电路、基本分析方法与设计方法为重点。

　　(2) 突出方法，适应发展。本书重点介绍通用系列集成电路的基本原理及特性，略去其内部复杂电路及分析，侧重器件的逻辑功能及输入、输出电气特性，使学生能以此为基础进行实际工程设计与应用。

　　(3) 为适应电子技术的飞速发展，本书引入了EDA技术的基础知识，在介绍VHDL语言和Multisim 10.0软件的基础上，对主要章节的电路采用VHDL语言描述并用Multisim软件仿真，使读者在微型计算机上能够对典型电路进行功能验证，为后续数字系统设计课程的学习打下必要的基础。考虑到不同学校的需要，这部分作为选学内容，以"*"号标出。

　　(4) 近年来，集成电路理论与设计、集成工艺、电子技术应用等都有很大的发展与突破，本书突出了CMOS电路，增强了CPLD、FPGA等一类新型可编程逻辑器件的内容。

　　(5) 为便于读者加深理解，本书中针对重点、难点内容都设有相应的例题，每章均安排有小结、思考题、习题，力求做到通俗易懂，便于教学。

　　(6) 书中各部分内容均从基本概念入手，提供学习数字电子技术的基本电路、分析方法、设计方法，通过具体的电路系统加以总结和归纳，从而培养学生分析问题、解决问题的能力。

　　本书可作为高等院校电气信息类、电子信息类、仪器仪表及其他相近专业的本科生教材或教学参考书使用，也可供有关工程技术人员参考使用。

　　本书由张雪平、赵娟任主编，李双喜、张玉芝、许振伟、曾菊容任副主编，牛慧娟、周妮娜参加了编写工作。各章编写分工为：张雪平编写绪论、第8章并负责制订编写提纲和全书的统稿工作，李双喜编写第5章、第6章，张玉芝编写第9章，许振伟编写第1章和有"*"号的章节，赵娟编写第4章，牛慧娟编写第2章，曾菊蓉编写第7章、第10章，周妮娜编写第3章。

　　限于作者水平，书中的缺点和错误在所难免，衷心希望选用本书的师生提出批评意见。

　　　

 

　　编  者

目    录

 

绪论 1

第1章  数字电路基础 5

概述 5

1.1  数制和码制 5

1.1.1  数制 5

1.1.2  几种常用数制之间的转换 7

1.1.3  码制 10

1.1.4  算术运算和逻辑运算 15

1.2  逻辑代数基础 17

1.2.1  基本逻辑运算 17

1.2.2  逻辑代数的基本公式 23

1.2.3  逻辑代数的基本定理 26

1.2.4  逻辑函数的表示方法 28

1.2.5  逻辑函数的公式法化简 33

1.2.6  逻辑函数的卡诺图法化简 36

1.2.7  具有无关项的逻辑函数

及其化简 43

*1.3  EDA技术基础 45

1.3.1  VHDL语言基础 45

1.3.2  Multisim 10.0 软件简介 51

小结 53

思考题 53

习题 54

第2章  门电路 56

概述 56

2.1  逻辑门电路中的开关器件 57

2.1.1  二极管及其开关特性 57

2.1.2  三极管及其开关特性 58

2.1.3  MOS管及其开关特性 60

2.2  分立元件门电路 62

2.2.1  二极管与门和或门 62

2.2.2  三极管非门 64

2.2.3  MOS管非门 64

2.3  TTL门电路 64

2.3.1  TTL反相器的电路结构

和工作原理 64

2.3.2  TTL反相器的外部特性 66

2.3.3  TTL反相器的动态特性 70

2.3.4  其他类型的TTL门电路 74

2.3.5  TTL数字集成电路系列 80

2.4  CMOS门电路 84

2.4.1  CMOS反相器的电路结构

和工作原理 84

2.4.2  CMOS反相器的外部特性 86

2.4.3  CMOS与非门和或非门 88

2.4.4  CMOS三态门和漏极

开路门 90

2.4.5  CMOS传输门 92

2.4.6  CMOS 数字集成电路系列 94

*2.5  门电路的VHDL描述及其仿真 96

2.5.1  门电路的VHDL描述 96

2.5.2  门电路的仿真 98

小结 99

思考题 99

习题 100

第3章  组合逻辑电路 106

概述 106

3.1  组合逻辑电路的分析 106

3.1.1  组合逻辑电路的特点 106

3.1.2  组合逻辑电路的分析方法 107

3.2  组合逻辑电路的设计 109

3.3  组合逻辑电路中的竞争与冒险 111

3.3.1  竞争与冒险的概念 112

3.3.2  竞争与冒险的识别 112

3.3.3  冒险现象的消除 114

*3.4  组合逻辑电路的VHDL描述

及其仿真 115

3.4.1  组合逻辑电路的VHDL

描述 115

3.4.2  组合逻辑电路的仿真 117

小结 117

思考题 118

习题 118

第4章  常用组合逻辑器件 120

概述 120

4.1  编码器和译码器 121

4.1.1  编码器 121

4.1.2  译码器 125

4.1.3  显示译码器 130

4.2  数据选择器和数据分配器 132

4.2.1  数据选择器 132

4.2.2  数据分配器 134

4.3  加法器和数值比较器 135

4.3.1  加法器 136

4.3.2  数值比较器 138

4.4  中规模集成电路实现组合逻辑

函数 141

小结 145

思考题 145

习题 146

第5章  时序逻辑电路 149

概述 149

5.1  触发器 151

5.1.1  基本触发器 151

5.1.2  同步触发器 153

5.1.3  边沿触发器 155

5.1.4  触发器的逻辑功能及其描述

方法 158

5.2  时序逻辑电路状态的描述 163

5.3  时序逻辑电路的分析方法 167

5.3.1  时序逻辑电路的分析步骤 167

5.3.2  时序逻辑电路的分析举例 167

5.4  时序逻辑电路的设计方法 171

5.4.1  时序逻辑电路的设计步骤 171

5.4.2  时序逻辑电路的设计举例 173

5.5  时序逻辑电路的竞争与冒险 179

*5.6  时序逻辑电路的VHDL描述及其

仿真 182

5.6.1  时序逻辑电路的VHDL

描述 182

5.6.2  时序逻辑电路的仿真 185

小结 186

思考题 187

习题 187

第6章  常用时序逻辑器件 191

概述 191

6.1  寄存器和移位寄存器 192

6.1.1  寄存器 192

6.1.2  移位寄存器 196

6.2  计数器 198

6.2.1  二进制计数器 200

6.2.2  十进制计数器 207

6.2.3  N进制计数器 211

6.3  顺序脉冲发生器 215

6.4  常用时序逻辑器件的应用 217

小结 222

思考题 222

习题 223

第7章  可编程逻辑器件 226

概述 226

7.1  可编程逻辑器件的发展 227

7.2  可编程逻辑器件的结构和表示

方法 228

7.2.1  可编程逻辑器件的结构 228

7.2.2  PLD电路的表示方法 229

7.3  存储器 231

7.3.1  ROM的组成原理 231

7.3.2  ROM的分类 233

7.3.3  ROM的应用 234

7.4  PLA 236

7.4.1  基本的PLA电路 236

7.4.2  PLA的几种输出结构和反馈

形式 237

7.4.3  PLA的应用举例 239

7.5  GLA 241

7.5.1  OLMC 242

7.5.2  GLA器件的结构控制字 242

7.5.3  OLMC的组态 243

7.6  EPLD 245

7.6.1  EPLD的基本结构和特点 245

7.6.2  EPLD的与-或逻辑阵列 245

7.6.3  EPLD的OLMC 246

7.7  CPLD 248

7.7.1  EAB 249

7.7.2  LE及LAB 251

7.7.3  FT 254

7.7.4  IOE 256

7.8  FPGA 258

7.8.1  FPGA的基本结构 258

7.8.2  CLB 259

7.8.3  IOB 260

7.8.4  PI 261

7.8.5  编程数据 263

7.8.6  FPGA与CPLD的比较 263

7.9  可编程逻辑器件的开发流程 264

小结 266

思考题 267

习题 267

第8章  脉冲波形的产生和整形电路 269

概述 269

8.1  555定时器 270

8.1.1  555定时器的电路结构 270

8.1.2  555定时器的基本功能 271

8.2  施密特触发器 272

8.2.1  555定时器构成的施密特

触发器 272

8.2.2  集成施密特触发器 274

8.2.3  施密特触发器的应用 276

8.3  单稳态触发器 277

8.3.1  555定时器构成的单稳态

触发器 278

8.3.2  集成单稳态触发器 279

8.3.3  单稳态触发器的应用 283

8.4  多谐振荡器 283

8.4.1  555定时器构成的多谐

振荡器 284

8.4.2  石英晶体多谐振荡器 286

8.4.3  多谐振荡器的应用 287

小结 288

思考题 289

习题 289

第9章  数-模转换器和模-数转换器 293

概述 293

9.1  D/A转换器 294

9.1.1  倒T形电阻网络D/A

转换器 294

9.1.2  权电流型D/A转换器 295

9.1.3  双极性输出D/A转换器 298

9.1.4  D/A转换器的主要技术

指标 300

9.2  A/D转换器 303

9.2.1  A/D转换器的基本原理 303

9.2.2  并联比较型A/D转换器 304

9.2.3  反馈比较型A/D转换器 306

9.2.4  双积分型A/D转换器 308

9.2.5  A/D转换器的主要技术

指标 311

小结 312

思考题 312

习题 313

第10章  数字系统设计基础 317

概述 317

10.1  数字系统设计方法 317

10.1.1  传统的数字系统设计方法 317

10.1.2  现代的数字系统设计方法 320

10.2  数字系统设计实例 322

10.2.1  十字路口交通灯控制器 322

10.2.2  1/100秒计时控制器 323

小结 328

思考题 328

习题 329

附录 330

附录1  数字系统设计的VHDL文件 330

附录2  基本逻辑单元图形符号

   对照表 338

附录3  常用数字系统名词中英文

   对照表 340

参考文献 343