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编辑推荐

适读人群 ：本书篇幅适中、可读性强，可作为普通高等院校计算机相关专业、电气自动化技术和信息类相关专业应用型本(专)科的教材或参考书，也可供从事电子技术工作的工程技术人员参考。
本书在内容组织上以讲清组合逻辑电路和时序逻辑电路的分析方法和设计方法为主线来介绍各种逻辑器件的功能及应用，贯彻理论联系实际和少而精的原则，加强了对中规模集成电路的应用。对教学目的和要求中要求必须掌握的基本概念、基本原理和基本分析方法，做到讲深讲透，并注意讲清思路、启发思维，以培养举一反三的能力。本书始终贯彻“讲、学、练”相结合的原则，从能力培养的角度出发，培养学生分析问题和解决问题的能力。

内容简介

本书定位在“应用型本科层次”，内容简明，通俗易懂，由浅入深，突出集成器件的应用，理论联系实际。
全书共分为12章，分别为：数字逻辑概论、逻辑代数基础、逻辑门电路、组合逻辑电路、锁存器与触发器、时序逻辑电路、脉冲波形的产生与变换、数/模和模/数转换、半导体存储器、可编程逻辑器件、数字电路Multisim仿真研究、数字电路应用实例。
为方便教学，本书还配有电子课件等教学资源包，任课教师和学生可以登录“我们爱读书”网（www.ibook4us.com）免费注册并浏览，或者发邮件至hustpeiit@163.com免费索取。
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精彩书评

（1）精讲基础，强化实践，理论联系实际
（2）以培养应用能力为目的，注重动手能力、设计能力、创新能力的培养
（3）课后习题丰富，基础练习、综合应用、考研类习题有机结合
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（6）可作为从事电子技术工作的工程技术人员的参考书

目录

第1章数字逻辑概论()

1.1数字电路与数字信号()


1.2数制()


1.3二进制数的算术运算()


1.4二进制代码()


1.5二值逻辑变量与基本逻辑运算()

1.6逻辑函数及其表示方法()

第2章逻辑代数基础()

2.1逻辑代数()


2.2逻辑函数的卡诺图化简法()


第3章逻辑门电路()

3.1MOS逻辑门电路()


3.2TTL逻辑门电路()


3.3逻辑描述中的几个问题()

3.4逻辑门电路使用中的几个实际问题()

第4章组合逻辑电路()

4.1概述()

4.2组合逻辑电路的分析()

4.3组合逻辑电路的设计()

4.4组合逻辑电路中的竞争冒险()


4.5常用组合逻辑集成电路()


第5章锁存器与触发器()

5.1概述()


5.2锁存器()


5.3触发器的电路结构和工作原理()


5.4触发器的逻辑功能()


第6章时序逻辑电路()

6.1时序逻辑电路的基本概念()


6.2同步时序逻辑电路的分析()


6.3异步时序逻辑电路的分析()

6.4若干典型的时序逻辑电路()


6.5同步时序逻辑电路的设计()



第7章脉冲波形的产生与变换()

7.1概述()

7.2单稳态触发器()


7.3施密特触发器()


7.4多谐振荡器()


7.5555定时器及其应用()


第8章数/模和模/数转换()

8.1概述()

8.2D/A转换器()


8.3A/D转换器()


第9章半导体存储器()

9.1只读存储器()


9.2随机存取存储器()

9.3存储器容量的扩展()

第10章可编程逻辑器件()

10.1可编程逻辑器件的基本特点()

10.2可编程逻辑阵列(PLA)()

10.3可编程阵列逻辑(PAL)()

10.4复杂的可编程逻辑器件(CPLD)()


第11章数字电路Multisim仿真研究()

11.1逻辑函数化简与变换的Multisim仿真研究()

11.2组合逻辑电路的Multisim仿真研究()

11.3时序逻辑电路的Multisim仿真研究()

11.4微分型单稳态触发器的Multisim仿真研究()

11.5555定时器构成的多谐振荡器的Multisim仿真研究()

第12章数字电路应用实例()

12.1遮挡式红外声光报警装置()

12.230秒倒计时器()

课后答案()

附录()

附录A常用逻辑符号对照表()

附录BCMOS和TTL门电路的技术参数表()

附录C本书常用符号表()

参考文献()

精彩书摘

第1章


数字逻辑概论










1. 数字电路与数字信号。
2. 数制。
3. 二进制数的算术运算。
4. 二进制代码。
5. 二值逻辑变量与基本逻辑运算。
6. 逻辑函数及其表示方法。

1. 了解模拟信号与数字信号、模拟电路与数字电路的区别与联系。
2. 熟练掌握数字量、数制的概念及不同数制的互化。
3. 熟练掌握二进制数的算术运算。
4. 掌握基本逻辑运算、逻辑函数的概念及逻辑问题的描述。
5. 掌握逻辑函数的常用表示方法：表达式、真值表、逻辑图、波形图，并掌握各种表示方法的相互转换。

随着现代电子技术的发展，人们正处于一个信息时代。每天都要通过电视、广播、通信、互联网等多种媒体获取大量的信息。而现代信息的存储、处理和传输越来越趋于数字化。在人们的日常生活中，常用的计算机、电视机、音响系统、视频记录设备、长途电信等电子设备或电子系统，无一不采用数字电路或数字系统。因此，数字电子技术的应用越来越广泛。
本章shou先介绍数字技术的发展及应用、数字集成电路的分类及特点、模拟信号与数字信号以及数字信号的描述方法。然后讨论数制、二进制数的算术运算、二进制码和数字逻辑的基本运算。
1.1数字电路与数字信号
1.1.1数字技术的发展及其应用
20世纪中期至21世纪初，电子技术特别是数字电子技术得到了飞速的发展，使工业、农业、科研、医疗以及人们的日常生活发生了根本性的变革。
电子技术的发展是以电子器件的发展为基础的。20世纪初直至20世纪中期，主要使用的电子器件是真空管，也称电子管。随着固体微电子学的进步，第一只晶体三极管于1947年问世，开创了电子技术的新领域。20世纪60年代初，模拟和数字集成电路相继上市。到20世纪70年代末微处理器的问世，电子器件及其应用出现了崭新的局面。1988年，集成工艺可在1 cm2的硅片上集成3500万个元件，说明集成电路进入甚大规模阶段。随着微加工技术的发展，当前的制造技术已使集成电路芯片内部的布线细微到纳米量级。例如英特尔第四代酷睿系列产品i7 4790k，它的制造工艺已经达到22 nm级别，时钟频率高达4.4 GHz（109 Hz）。随着芯片上元件和布线的缩小，芯片的功耗降低而速度却大为提高。
数字技术应用的典型代表是电子计算机，它是伴随着电子技术的发展而发展的。数字电子技术的发展衍生出计算机的不断发展和完善，计算机技术的影响已遍及人类经济生活的各个领域，掀起了一场“数字革命”。数字技术被广泛应用于广播、电视、通信、医学诊断、测量、控制、文化娱乐以及家庭生活等方面。由于数字信号具有便于存储、处理和传输的特点，使得许多使用传统模拟技术的领域转而运用数字技术。具体举例如下：
1. 照相机
传统的模拟相机是用卤化银感光胶片记录影像，胶片成像过程需要严格的加工工艺和技术，而且胶片不便于保存和传输。数字相机是将影像的光信号转换为数字信号，以像素阵列的形式进行存储。存储的信息包括色彩、光强度和位置等。例如640×480的像素阵列中，每个像素的红、绿、蓝三元色均是8位，则该阵列的数据超过700万。如果用JPEG图形格式进行压缩处理后，数据量只为原来的5％，便于进行网络的远距离传输。随着计算机处理照片技术的推广，外置大容量小体积硬盘的普及，激光数字彩色照片冲印设备的广泛应用，数字相机将取代模拟相机。
JPEG（joint picture experts group的缩写）是国际标准化组织ISO（international standard organization的缩写）和CCITT（international telephone and telegraph consultative committee的缩写）联合制定的静止图像压缩编码标准，是目前静止图像压缩比zui高的文件格式。
2. 视频记录设备

VCD（video compact disk的缩写）和DVD（digital video disk的缩写）普及之前，视频信息主要以记录模拟信号的录像带为主，而录像带的携带和保存都不方便。VCD是利用MPEG��1压缩方式，以数字信号记录图像和声音，它可以在直径为12 cm的光盘上，记录74 min的影音信息。DVD利用MPEG��2的压缩技术，与VCD相比，它的容量更大，画质和音质更好。仅单面单层、直径12 cm的光盘就可存储350亿位数据，可播放133 min，而双面双层存储的数据可达到其4倍之多。因此，DVD已成为家庭影院的重要组成部分。
MPEG（moving picture experts group的缩写）是世界数字视频和音频压缩比的标准化组织制定的，用于多媒体运动图像和伴音的数据压缩编码的国际标准。MPEG��1可将移动图像和相关的声音压缩成二进制比特流，压缩比为200∶1。与MPEG��1相比，MPEG��2的视频编码做了多项改进，使压缩比更高，图像质量更好。
3. 交通灯控制系统
1920年交通灯问世。早期的交通灯（红黄绿灯）是用机电定时器控制的。后来用继电器和开关构成的控制器，根据道路上传感器检测的信号进行控制。现在的交通灯由计算机控制，可以将监测系统检测到的车辆流量信息送到系统计算机，经计算后进行合理的时间分配。如果某路口东西方向堵塞，则将该路口东西方向的绿灯自动延时，并将附近区域东西方向的红灯也自动地延时，堵塞解除后，信号灯恢复正常状态。
随着微电子技术的发展，将会有更多的数字电子产品陆续问世。数字技术的发展、计算机的应用正在改变着人类的生产方式、生活方式及思维方式，它使得工业自动化、农业现代化、办公自动化和通信网络化成为现实。但是，无论数字技术如何发展，终将不能代替模拟技术。自然界中绝大多数物理量都是模拟量，数字技术不能直接接受模拟信号进行处理，也无法将处理后的数字信号直接送到外部物理世界。因此，模拟技术在电子系统中是不可缺少的。由于模拟技术难度远高于数字技术，其发展自然较慢。实际电子系统一般是模拟电路和数字电路的结合，在发展数字技术的同时，也应重视模拟技术的发展。
1.1.2数字集成电路的分类及特点
电子电路按功能分为模拟电路和数字电路。根据电路的结构特点及其对输入信号响应规则的不同，数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。数字电路中的电子器件，例如二极管、三极管（BJT、FET）处于开关状态，时而导通，时而截止，构成电子开关。这些电子开关是组成逻辑门电路的基本器件。逻辑门电路又是数字电路的基本单元。如果将这些门电路集成在一片半导体芯片上就构成数字集成电路。
1. 数字集成电路的分类
数字电路的发展历史与模拟电路一样，经历了由电子管、半导体分立器件到集成电路的过程。由于集成电路的发展非常迅速，很快占有主导地位，因此，数字电路的主流形式是数字集成电路。从20世纪60年代开始，数字集成器件以双极型工艺制成了小规模逻辑器件，随后发展到中规模；20世纪70年代末，微处理器的出现，使数字集成电路的性能发生了质的飞跃；从20世纪80年代中期开始，专用集成电路（ASIC, ASIC是application specific integrated circuit的缩写）制作技术已趋于成熟，标志着数字集成电路发展到了新的阶段。
ASIC是将一个复杂的数字系统制作在一块半导体芯片上，构成体积小、质量轻、功耗低、速度高、成本低且具有保密性的系统级芯片。ASIC芯片的制作可以采用全定制或半定制的方法。全定制适用于生产批量的成熟产品，由半导体生产厂家制造。对于生产批量小或研究试制阶段的产品，可以采用半定制方法。它是用户通过软件编程，将自己设计的数字系统制作在厂家生产的可编程逻辑器件（PLD ,PLD是programmable logic device的缩写）半成品芯片上，便得到所需的系统级芯片。从集成度来说，数字集成电路可分为小规模（SSl）、中规模（MSl）、大规模（LSl）、超大规模（VLSl）和甚大规模（ULSl）五类。所谓集成度，是指每一芯片所包含的门的个数。表1��1��1所示为数字集成电路的分类。




表1��1��1数字集成电路的分类




分类门的个数典型集成电路

小规模zui多12个逻辑门、触发器

中规模12～99计数器、加法器

大规模100～9 999小型存储器、门阵列

超大规模10 000～99 999大型存储器、微处理器

甚大规模106以上可编程逻辑器件、多功能专用集成电路




数字电路的发展不仅表现在集成度方面，而且在半导体器件的材料、结构和生产工艺上均有所体现。数字集成器件所用的材料以硅材料为主，在高速电路中，也使用化合物半导体材料，例如砷化镓等。
逻辑门是数字集成电路的主要单元电路，按照结构和工艺分为双极型、MOS型和双极�睲OS型。晶体管�簿�体管逻辑门电路TTL（transistor�瞭ransistor logic的缩写）问世较早，其工艺经过不断改进，是至今仍在使用的基本逻辑器件之一。随着金属�惭趸�物�舶氲继澹∕OS）工艺特别是CMOS（complementary metal�瞣xide�瞫emiconductor的缩写）工艺的发展，使得集成电路具有很高的电路集成度和工作速度，并且功耗很低，因此TTL的主导地位已被CMOS器件所取代。
2. 数字集成电路的特点
与模拟电路相比，数字电路主要有下列优点。
1） 稳定性高，结果的再现性好
数字电路的工作可靠，稳定性好。一般而言，对于一个给定的输入信号，数字电路的输出总是相同的。而模拟电路的输出则随着外界温度和电源电压的变化，以及器件的老化等因素而发生变化。
2） 易于设计
数字电路又称为数字逻辑电路，它主要是对用0和1表示的数字信号进行逻辑运算和处理，不需要复杂的数学知识，广泛使用的数学工具是逻辑代数。数字电路能够可靠地区分0和1两种状态就可以正常工作，电路的精度要求不高。因此，数字电路的分析与设计相对较容易。
3） 可大批量生产，成本低廉
数字电路结构简单，体积小而成本低廉。
4） 可编程性
现代数字系统的设计，大多采用可编程逻辑器件，即厂家生产的一种半成品芯片。用户根据需要用硬件描述语言（HDL, HDL是hardware description language的缩写）在计算机上完成电路设计和仿真，并写入芯片，这给用户研制开发产品带来了极大的方便性和灵活性。
5) 高速度，低功耗
随着集成电路工艺的发展，数字器件的工作速度越来越高，而功耗越来越低。集成电路中单管的开关速度可以做到小于10-11 s。整体器件中，信号从输入到输出的传输时间小于2×10-9 s。百万门以上超大规模集成芯片的功耗，可以低达毫瓦级。
由于具有这些优点，数字电路在众多领域取代了模拟电路，而且可以肯定这种趋势将会继续发展下去。
3. 数字电路的分析、设计与测试
1） 数字电路的分析方法
数字电路处理的是数字信号，电路中的半导体器件工作在开关状态，例如晶体管工作在饱和区或截止区，所以不能采用模拟电路的分析方法，例如小信号模型分析法。数字电路又称为逻辑电路，在电路结构、功能和特点等方面均不同于模拟电路，主要研究的对象是电路的输出与输入之间的逻辑关系，因而，数字电路的分析方法与模拟电路完全不同，所采用的分析工具是逻辑代数，表达电路输出与输入的关系主要用真值表、功能表、逻辑表达式或波形图。
随着计算机技术的发展，借助计算机仿真软件，可以更直观、更快捷、更全面地对电路进行分析。不仅可以对数字电路，而且可以对数模混合电路进行仿真分析。不仅可以进行电路的功能仿真，显示逻辑仿真的波形结果，以检查逻辑错误，而且可以考虑器件及连线的延迟时间，进行时序仿真，检测电路中存在的冒险竞争、时序错误等问题。
2） 数字电路的设计方法
数字电路的设计是从给定的逻辑功能要求出发，确定输入、输出变量，选择适当的逻辑器件，设计出符合要求的逻辑电路。设计过程一般有方案的提出、验证和修改三个阶段。设计方式分为传统的设计方式和基于EDA（electric design automation的缩写）软件的设计方式。传统的硬件电路设计全过程都是由人工完成，硬件电路的验证和调试是在电路构成后进行的，电路存在的问题只能在验证后发现。如果存在的问题较大，有可能重新设计电路，因而设计周期长，资源浪费大，不能满足大规模集成电路设计的要求。基于EDA软件的设计方式是借助于计算机来快速准确地完成电路的设计。设计者提出方案后，利用计算机进行逻辑分析、性能分析、时序测试，如果发现错误或方案不理想，可以重复上述过程直至得到满意的电路，然后进行硬件电路的实现。这种方法提高了设计质量，缩短了设计周期，节省了设计费用，提高了产品的竞争力。因此EDA软件已成为设计人员不可缺少的有力工具。
EDA软件的种类较多，大多数软件包含以下主要工具。
（1） 原理图输入设计者可以如同在纸上画电路一样，将逻辑电路图输入到计算机中，软件自动检查电路的接线、电源及地线的连接、信号的连接等。
（2） HDL文本输入硬件描述语言是用文本的形式描述硬件电路的功能、信号连接关系以及时序关系。它虽然没有图形输入那么直观，但功能更强，可以进行大规模、多个芯片的数字系统的设计。常用的HDL有ABEL、VHDL和Verilog HDL等。
（3） 测试平台当逻辑电

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