数字电路与逻辑设计

绪论 1

第1章　逻辑代数基础 5

1.1　概述 5

1.2　数制和码制 6

1.2.1　数制 6

1.2.2　几种常用数制之间的转换 8

1.2.3　码制 11

1.2.4　算术运算和逻辑运算 17

1.3　逻辑代数基础 19

1.3.1　基本逻辑运算 19

1.3.2　逻辑代数的基本公式 25

1.3.3　逻辑代数的基本规则 28

1.3.4　逻辑函数的表示方法 30

1.3.5　逻辑函数的公式化简法 35

1.3.6　逻辑函数的卡诺图化简法 38

1.3.7　具有无关项的逻辑函数

及其化简 47

小结 49

思考题 49

习题 50

读物：神奇的集成电路1--电子管、

晶体管溯源 52

第2章　逻辑门电路 60

2.1　概述 60

2.2　逻辑门电路中的开关器件 62

2.2.1　二极管及其开关特性 62

2.2.2　三极管及其开关特性 62

2.2.3　MOS管及其开关特性 63

2.3　分立元件门电路 64

2.3.1　二极管与门和或门 64

2.3.2　三极管非门 66

2.3.3　MOS管非门 66

2.4　TTL门电路 66

2.4.1　TTL反相器的电路结构

和工作原理 66

2.4.2　TTL反相器的动态特性 72

2.4.3　其他类型的TTL门电路 73

2.4.4　TTL数字集成电路系列 78

2.5　CMOS门电路 82

2.5.1　CMOS反相器的电路结构

和工作原理 82

2.5.2　CMOS与非门和或非门 84

2.5.3　CMOS传输门 85

2.5.4　CMOS三态门和漏极开路门 85

2.5.5　CMOS数字集成电路系列 87

小结 88

思考题 88

习题 89

读物：神奇的集成电路2--集成电路的

发明 94

第3章　组合逻辑电路 97

3.1　概述 97

3.2　组合逻辑电路的分析和设计方法 98

3.2.1　组合逻辑电路的分析方法 98

3.2.2　组合逻辑电路的设计方法 101

3.3　常用组合逻辑器件及应用 103

3.3.1　编码器和译码器 104

3.3.2　数据选择器和数据分配器 116

3.3.3　加法器和数值比较器 119

3.3.4　中规模集成电路实现组合

逻辑函数 123

3.4　组合逻辑电路中的竞争与冒险 126

3.4.1　代数法 127

3.4.2　卡诺图法 128

3.4.3 冒险现象的清除 129

小结 130

思考题 131

习题 132

读物：神奇的集成电路3--硅谷的

故事 135

第4章　时序逻辑电路 141

4.1　概述 141

4.1.1　时序逻辑电路的一般模型

和结构特点 141

4.1.2　时序逻辑电路的类型 142

4.2　触发器 142

4.2.1　基本触发器 143

4.2.2　同步触发器 145

4.2.3　边沿触发器 147

4.2.4　触发器的逻辑功能及其描述

方法 149

4.3　时序逻辑电路的分析方法 155

4.3.1 时序逻辑电路状态的描述 155

4.3.2 时序逻辑电路的分析步骤 158

4.3.3 时序逻辑电路的分析举例 159

4.4　时序逻辑电路的设计方法 162

4.4.1　时序逻辑电路的设计步骤 163

4.4.2　时序逻辑电路的设计举例 165

4.5　时序逻辑电路的竞争与冒险 170

4.5.1 触发器的竞争-冒险 171

4.5.2　时序逻辑电路竞争与冒险的

处理方法 173

4.6　常用时序逻辑器件及应用 173

4.6.1　寄存器和移位寄存器 174

4.6.2　计数器 180

4.6.3　顺序脉冲发生器 196

4.6.4 常用时序逻辑器件的应用 199

小结 203

思考题 204

习题 205

读物：神奇的集成电路4--半导体的

奥秘 211

第5章　存储器与可编程逻辑器件 215

5.1　概述 215

5.2　可编程逻辑器件的结构和表示

方法 216

5.2.1　可编程逻辑器件的结构 216

5.2.2　可编程逻辑器件的表示

方法 217

5.3　存储器 218

5.3.1　只读存储器 218

5.3.2　随机存储器 222

5.3.3　存储器的扩展 223

5.4　可编程逻辑器件 224

5.5　可编程逻辑器件的开发流程 225

小结 227

思考题 228

习题 228

读物：神奇的集成电路5--巧夺天工的

集成电路制造工艺 230

第6章　脉冲产生和整形电路 232

6.1　概述 232

6.2　555定时器 233

6.2.1　555定时器的电路结构 233

6.2.2　555定时器的基本功能 234

6.3　施密特触发器 235

6.3.1　555定时器构成的施密特

触发器 235

6.3.2　集成施密特触发器 237

6.3.3　施密特触发器的应用 239

6.4　单稳态触发器 241

6.4.1　555定时器构成的单稳态

触发器 241

6.4.2　集成单稳态触发器 243

6.4.3　单稳态触发器的应用 246

6.5　多谐振荡器 247

6.5.1　555定时器构成的多谐

振荡器 247

6.5.2　石英晶体多谐振荡器 250

6.5.3　多谐振荡器的应用 251

小结 252

思考题 253

习题 253

读物：神奇的集成电路6--用计算机设计

集成电路 257

第7章　数/模和模/数转换电路 261

7.1　概述 261

7.2　D/A转换电路 262

7.2.1　倒T形电阻网络D/A

转换器 262

7.2.2　权电流型D/A转换器 263

7.2.3　双极性输出D/A转换器 266

7.2.4　D/A转换器的转换精度

和转换速度 268

7.3　A/D转换电路 271

7.3.1　A/D转换器的基本原理 271

7.3.2　并联比较型A/D转换器 272

7.3.3　反馈比较型A/D转换器 274

7.3.4　双积分型A/D转换器 276

7.3.5　A/D转换器的转换精度

和转换速度 279

小结 280

思考题 280

习题 281

读物：神奇的集成电路7--腾飞的

中国芯 284

*第8章　EDA技术基础 287

8.1　EDA技术简介 287

8.2　Multisim 10.0软件简介 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

设置 289

8.2.4　Multisim 10.0绘制电路的

常用操作 294

8.2.5 Multisim 10.0虚拟仪器 301

8.2.6　Multisim 10.0数字电路应用

举例 307

8.3 VHDL语言基础 312

8.3.1 可编程逻辑器件与硬件描述

语言 312

8.3.2 VHDL语言简介 312

8.3.3 VHDL程序基础 313

8.3.4　VHDL数字电路程序设计

实例 322

小结 324

思考题 325

习题 325

读物：神奇的集成电路8--微电子技术

新领域 326

第9章　数字系统设计基础 333

9.1　概述 333

9.2　数字系统设计方法 333

9.2.1　传统设计方法 333

9.2.2　现代设计方法 336

9.3　多路智力竞赛抢答器设计 338

9.3.1　抢答器的功能要求 338

9.3.2　抢答器的组成框图 339

9.3.3　抢答器的电路设计 340

9.4 多功能数字钟设计 344

9.4.1　数字钟的功能要求 344

9.4.2　数字钟电路系统的组成

框图 344

9.4.3　主体电路的设计与装调 345

9.4.4　功能扩展电路设计 348

小结 351

思考题 352

习题 352

读物：神奇的集成电路9--未来

畅想曲 353

附录1　基本逻辑单元图形符号

对照表 359

附录2　常用数字系统名词中英文

对照表 361

参考文献 363

本书是根据教育部高等学校电子类本科指导性专业规范的要求，结合电类专业人才培养新模式的需求而编写的。本书共分9章，系统地介绍了数字电路的基础知识，包括逻辑代数基础、逻辑门电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路、存储器与可编程逻辑器件、脉冲产生和整形电路、数/模和模/数转换电路、EDA技术基础、数字系统设计基础等。另外，本书还介绍了集成电路的产生、发展过程，当前技术水平，未来发展方向等相关知识的背景，以激发学生的求知欲望。本书概念清楚，内容先进，体系合理，在系统介绍基础知识的基础上，突出逻辑器件的功能及应用，用VHDL语言描述基本逻辑电路并采用Multisim软件仿真。每章均安排有小结、思考题、习题、读物，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，也可供有关工程技术人员参考。

本书具有以下几个特点。
（1）突出方法，适应发展。本书体现了近期教改成果，重点介绍通用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，增强了CPLD、FPGA等新型可编程逻辑器件的内容，使学生以此进行实际工程设计与应用的初步训练。
（2）书中引入了EDA技术的基础知识，在介绍VHDL语言和Multisim10.0软件的基础上，对主要章节的电路采用VHDL语言描述并用Multisim10.0软件仿真，使学生能够在微机上对典型电路进行功能验证，加深对数字电路的认识，也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。
（3）本书以"神奇的集成电路"为主线，用读物的形式在各章最后分别介绍电子管、晶体管溯源，集成电路的发明，硅谷的故事，半导体的奥秘，巧夺天工的集成电路制造工艺，用计算机设计集成电路，腾飞的中国芯，微电子技术新领域，未来畅想曲等内容供学生选读，让学生了解相关知识的背景。
（4）为便于读者加深理解，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、读物，力求做到通俗易懂，便于教学。
（5）书中各部分内容均从基本概念入手，提供学习数字电路的分析方法和设计方法，通过具体电路系统加以归纳和总结，从而培养学生分析问题、解决问题的能力。