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数字电路与逻辑设计(高等学校电子信息类专业系列教材)

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张俊涛 著

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发表于2021-02-25

图书介绍


出版社: 清华大学出版社
ISBN:9787302467342
版次:1
商品编码:12145815
包装:平装
开本:16开
出版时间:2017-07-01
用纸:胶版纸
页数:302
字数:466000
正文语种:中文


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图书描述

内容简介

  

  本书分为三篇,共12章。第一篇为数字电路基础,分为2章,主要讲述数字电路的基本概念、数制与编码以及数字系统分析与设计的工具——逻辑代数。第二篇讲述数字系统设计中常用的集成电路,分为7章,以原理为主线,以器件为目标,讲述基本门电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路、存储器、脉冲电路和A/D、D/A转换器,并通过章内的思考与练习、章末典型的设计项目让读者及时地掌握知识点并加以应用。第三篇介绍数字设计新技术,分为3章,主要介绍EDA技术的概念、Verilog HDL硬件描述语言以及常用数字器件的描述和有限状态机的设计方法,并配合设计项目,使读者能够快速地熟悉数字系统设计新技术。

  本书可作为电子信息类、计算机类等专业本科教材或教学参考书,也可以作为数字电路自学或电子技术课程设计的参考书。


  

作者简介

  作者简介

  张俊涛 陕西科技大学电气与信息工程学院教授、硕士生导师,中国电子学会高级会员,陕西省电子线路教学指导委员会委员。长期从事电类专业基础课程教学和实践教学、电子信息类专业课程教学以及软件无线电、嵌入式系统应用等领域的科研工作,先后开设“模拟电子技术”、“数字电子技术”、“信号与系统”、“EDA技术及应用”、“数字信号处理”、“高频电路”和“单片机原理及应用”等多门本科生课程以及“电子系统设计技术”研究生课程,同时组织和指导全国大学生电子设计竞赛、EDA/SOPC电子设计专题竞赛和模数混合电路应用设计竞赛等共10多届,获*奖10多项,省级奖百余项。发表学术论文60余篇,其中EI检索6余篇。主持省部级及企业合作科研项目8项。授权国家发明专利2项,主编和参编教材5部。


目录

第一篇数字电路基础

第1章绪论

1.1数字信号与数字电路

1.2数制

1.2.1十进制

1.2.2二进制

1.2.3十六进制

1.2.4不同进制的转换

1.3补码

1.4编码

1.4.1十进制代码

1.4.2循环码

1.4.3ASCII码

习题

第2章逻辑代数基础

2.1逻辑运算

2.1.1与逻辑

2.1.2或逻辑

2.1.3非逻辑

2.1.4两种复合逻辑

2.1.5两种特殊逻辑

2.2逻辑代数中的公式

2.2.1基本公式

2.2.2常用公式

2.2.3关于异或逻辑

2.3三种规则

2.3.1代入规则

2.3.2反演规则

2.3.3对偶规则

2.4逻辑函数的表示方法

2.4.1真值表

2.4.2函数表达式

2.4.3逻辑图

2.4.4表示方法的相互转换

2.5逻辑函数的标准形式

2.5.1最小项表达式

2.5.2最大项表达式

2.6逻辑函数的化简

2.7无关项及其应用

习题

第二篇数字集成电路

第3章门电路

3.1分立元件门电路

3.1.1二极管与门

3.1.2二极管或门

3.1.3三极管反相器

3.2集成门电路

3.2.1CMOS反相器

3.2.2其他逻辑门电路

3.2.3两种特殊门电路

3.2.4CMOS传输门

3.3设计项目

习题

第4章组合逻辑器件

4.1组合逻辑电路概述

4.2组合电路的分析与设计

4.2.1组合电路设计

4.2.2组合电路分析

4.3常用组合逻辑器件

4.3.1编码器

4.3.2译码器

4.3.3数据选择器与分配器

4.3.4加法器

4.3.5数值比较器

4.3.6奇偶校验器

4.4设计项目

习题

第5章锁存器与触发器

5.1基本锁存器及其描述方法

5.2门控锁存器

5.3脉冲触发器

5.4边沿触发器

5.5逻辑功能和动作特点

5.6设计项目

习题

第6章时序逻辑器件

6.1时序逻辑电路概述

6.2时序电路的功能描述

6.2.1状态转换表

6.2.2状态转换图

6.2.3时序图

6.3时序电路的分析与设计

6.3.1时序电路分析

6.3.2时序电路设计

6.4寄存器与移位寄存器

6.4.1寄存器

6.4.2移位寄存器

6.5计数器

6.5.1同步计数器设计

6.5.2异步计数器分析

6.5.3其他进制计数器的改接

6.5.4两种特殊计数器

6.6典型时序逻辑单元电路

6.6.1顺序脉冲发生器

6.6.2序列信号产生器

6.7设计项目

6.7.1交通灯控制器设计

6.7.2简易频率计设计

6.7.3数码管控制器设计

习题

第7章半导体存储器

7.1ROM

7.2RAM

7.2.1静态RAM

7.2.2动态RAM

7.3存储容量的扩展

7.4ROM的应用

7.4.1实现组合逻辑函数

7.4.2实现代码转换

7.4.3构成函数发生器

7.5设计项目

7.5.1DDS信号源设计

7.5.2LED点阵驱动电路设计

习题

第8章脉冲电路

8.1描述脉冲的主要参数

8.2555定时器及应用

8.2.1施密特电路

8.2.2单稳态电路

8.2.3多谐振荡器

8.3设计项目

习题

第9章数模与模数转换器

9.1数模转换器

9.1.1权电阻网络DAC

9.1.2梯形电阻网络DAC

9.1.3D/A转换器的性能指标

9.2模数转换器

9.2.1采样�脖3值缏�

9.2.2量化与编码电路

9.2.3A/D转换器的性能指标

9.3设计项目

9.3.1可编程增益放大器设计

9.3.2数控直流稳压电源设计

9.3.3温度测量电路设计

习题

第三篇数字设计新技术

第10章EDA技术基础

10.1EDA技术综述

10.1.1PLD的发展历史

10.1.2硬件描述语言

10.1.3EDA工具软件

10.2VerilogHDL

10.2.1Verilog基本结构

10.2.2三种描述方法

10.2.3层次化设计方法

10.3VerilogHDL语法

10.3.1基本语法

10.3.2数据类型

10.3.3参数定义

10.3.4操作符

10.4测试激励文件

第11章常用数字器件的描述

11.1组合器件的描述

11.1.1基本门电路

11.1.2编码器

11.1.3译码器

11.1.4数据选择器

11.1.5数值比较器

11.1.6三态缓冲器

11.1.7奇偶校验器

11.2时序器件的描述

11.2.1锁存器与触发器

11.2.2计数器

11.2.3分频器

11.2.4双口RAM

11.3设计项目

11.3.1100MHz频率计设计

11.3.2正弦波信号源设计

11.3.3VGA彩格控制电路设计

习题

第12章有限状态机设计

12.1状态机一般设计方法

12.2状态编码

12.3状态机设计示例

12.4设计项目

12.4.1逐次渐近型A/D转换器的设计

12.4.2交通灯控制器的设计

12.4.3等精度频率计的设计

习题

附录A常用门电路逻辑符号对照表

附录B常用元器件引脚速查

参考文献


精彩书摘

  第3章门电路

  实现基本逻辑关系和复合逻辑关系的单元电子线路称为门电路(gates)。门电路是最基本的数字电路,其名称源于它们能够控制数字信息的流动。

  逻辑代数中定义了与、或、非、与非、或非、异或和同或共7种逻辑运算,相应地,实现上述逻辑关系的门电路分别称为与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门和同或门。由于非门的输出与输入状态相反,所以习惯上称为反相器。

  在门电路中,用高电平和低电平表示逻辑代数中的1和0。所谓电平,是指相对于电路中特定的参考点(一般为“地”),电路的输入、内部节点以及输出电位的高低。

  TTL门电路的电源电压规定为5V,定义2.0~5.0V为高电平,0~0.8V为低电平,如图3��1(a)所示,而0.8~2.0V则认为是高电平和低电平之间的不确定状态。CMOS门电路的电源电压取5V时,定义3.5~5.0V为高电平,0~1.5V为低电平,如图3��1(b)所示,而1.5~3.5V则认为是高电平和低电平之间的不确定状态。

  用高、低电平表示逻辑代数中的0和1有正逻辑和负逻辑两种赋值方法,如图3��2所示。用高电平表示逻辑1、低电平表示逻辑0,称为正逻辑赋值;相反地,用高电平表示逻辑0、低电平表示逻辑1,称为负逻辑赋值。两种赋值方法等价,为思维统一起见,本书默认采用正逻辑。

  图3��1逻辑电平的定义

  图3��2正/负逻辑表示法

  高、低电平可以通过如图3��3所示的开关电路产生。设VCC=5V,对于图3��3(a)所示的单开关电路,当输入信号控制开关S闭合时输出vO为低电平,S断开时通过上拉电阻使vO=VCC,输出为高电平。

  对于图3��3(b)所示的互补开关电路,输入信号控制开关S1闭合、S2断开时,vO输出为高电平;控制开关S1断开、S2闭合时,vO输出为低电平。

  图3��3获得高、低电平的开关电路模型

  图3��3中的开关可以用晶体二极管、三极管或场效应管实现。因为二极管在外加正向电压时导通,外加反向电压时截止,能够表示开关的闭合和断开。工作在饱和区和截止区的三极管同样能够表示开关的闭合和断开。场效应管作为开关的原理与三极管类似。

  3.1分立元件门电路

  门电路可以基于二极管、三极管或场效应管这些分立元件设计。二极管可以构成与门和或门,而非门则需要基于三极管或场效应管设计。

  二极管为非线性元件,常用硅二极管的伏安特性如图3��4所示。从伏安特性曲线可以看出,二极管在外加反向电压但还未达到击穿电压时只有非常小的漏电流流过(一般为pA级),此漏电流可以忽略不计,认为二极管截止;

  图3��4二极管的伏安特性

  二极管在外加正向电压并高于阈值电压时导通,有明显的电流流过。对于硅二极管来说,该阈值电压一般在0.5V左右。

  二极管在近似分析中通常用模型代替,以简化电路分析。图3��5是二极管常用的3种近似模型,图中的虚线表示二极管实际的伏安特性,实线则表示其模型的伏安特性。

  图3��5二极管的3种近似模型

  图3��5(a)称为理想模型。理想模型将二极管看作理想开关,外加正向电压时导通,并且导通电阻rON=0;外加反向电压时截止,并且截止电阻rOFF=∞。

  图3��5(b)称为恒压降模型。恒压降模型认为二极管外加正向电压达到导通电压VON时才能导通,并且导通电阻rON=0;外加电压小于VON时截止,截止电阻rOFF=∞。对于硅二极管来说,VON一般按0.7V进行估算。

  图3��5(c)称为折线模型。在折线模型中二极管导通时仍有一定的导通电阻,即rON≠0,其两端电压v随着电流i的随大而增大。导通电阻定义为rON=Δv/Δi。

  由于逻辑电平定义为一段范围,而不是一个确定的数值,因此对于数字电路来说,无论采用哪种模型分析都并不影响电路逻辑关系的正确性。为方便分析,同时考虑尽量接近二极管实际的伏安特性,下面将采用恒压降模型进行分析。

  3.1.1二极管与门

  两输入二极管与门电路如图3��6所示,图中A、B为两个输入变量,Y为输出变量。

  图3��6两输入与门

  设电源VCC=5V,输入端A和B的高电平VIH为3V,低电平VIL为0V。两个输入端电平的组合共有4种可能性:0V/0V、0V/3V、3V/0V和3V/3V。当A、B中至少有一个为低电平时,二极管D1和D2至少有一个导通,由于二极管的导通压降约为0.7V左右,所以输出电平被限制为0.7V左右;当A、B同时为高电平时,二极管D1和D2同时导通,输出电平才会升到3.7V。根据上述分析可以得到表示输出与输入之间电平关系的电平表,如表3��1所示。

  表3��1图3��6电路电平表

……

前言/序言

  前言

  “数字电路与逻辑设计”是电子信息类和计算机类相关专业一门重要的专业基础课程,理论性和实践性都很强。在多年的电子技术教学实践中,作者深切地体会到高等教育必须适应社会的需求,将学以致用作为培养目标,组织教材内容和编写模式,设计项目和习题,使学生能够从系统的角度学习数字电路,进而提高系统设计的能力。

  本书作者具有二十多年的电子技术教学经验,主讲EDA技术课程十多年,并具有组织和指导大学生电子设计竞赛、EDA/SOPC电子设计专题、模拟及模数混合应用电路竞赛十多届的丰富经验,为了达到学以致用的培养目标,作者在教材的架构、内容的侧重点、设计项目的构思、思考与练习和习题的精选等方面深入思考、精心安排。为了体现“数字电路与逻辑设计”课程的专业基础性,并兼顾没有时序电路难以有效构成数字系统的应用特点,本书采用理论与实践相结合的编排方式,在讲清数字电路理论的同时,注重器件的原理、功能及特性。为了突出教材的针对性和实用性,多数章节配有用于课堂启发教学的思考与练习,并在章末附有设计项目和习题,由浅入深,举一反三,注重系统观点的培养和应用能力的提高。

  全书共三篇。第一篇为数字电路基础,分为2章,主要讲述数字电路的基本概念、数制与编码以及数字电路分析与设计的工具——逻辑代数。第二篇讲述数字系统设计中常用的集成电路,分为7章,以原理为主线,以器件为目标,并通过章内的思考与练习、章末典型的设计项目以便读者及时地掌握知识点并加以应用。第三篇介绍数字设计新技术,分为3章,主要介绍EDA技术的概念、Verilog HDL硬件描述语言以及常用数字器件的描述和有限状态机的设计方法,并配合设计项目,使读者能够快速地熟悉数字系统设计新技术。

  本书的编写力求突出3个特点:

  (1) 精简——以应用为导向,注重原理设计,简化器件内部电路分析,突出器件的功能、特性和应用;

  (2) 完整——在精选内容的同时,注重知识点的完整性。基本门电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路、存储器、脉冲电路和A/D、D/A转换器在数字系统设计中不可或缺,因此本书均有介绍。

  (3) 实用——通过章内的思考与练习以及许多典型的设计项目和设计性习题,由浅入深,循序渐进,培养读者系统设计的能力。

  本书由张俊涛编写,陈晓莉帮助绘制了教材中的插图,并对书稿进行了多次审核。在本书编写过程中,作者参考了国内外许多经典的数字电路教材和著作,在此向相关作者表示深深的谢意。

  本书可作为电子信息类、计算机类等专业本科教材或教学参考书,也可以作为数字电路自学和电子技术课程设计的参考书。将本书作为教材时可采用少学时和多学时两种教学模式,少学时可只讲述第一篇和第二篇,因为前两篇已经涵盖了传统数字电子技术的经典内容; 多学时可选讲第三篇,以拓展视野,进一步提高数字系统设计的能力。

  鉴于作者的水平,书中难免存在疏漏、不妥甚至错误之处,恳请读者提出批评意见和改进建议。

  编者2017年5月













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