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内容简介

本书由一批具有丰富教学经验和实践经验的高校教师编写，全书概念清晰、结构合理、重点突出、难度适中、实例丰富，便于教学和学习。
本书内容包括：数制和代码、数字逻辑基础、集成逻辑门电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路、脉冲波形的产生与整形电路、数/模与模/数转换电路、数字电路系统设计举例等。各章附有习题和答案。
为了方便教学，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）免费下载，或者发邮件至hustpeiit@163.com免费索取。
本书可作为高等院校电子信息类、电气类、自动化类、光电类及计算机类等相关专业的教材和教学参考书，也可作为工程技术人员的业务参考资料和感兴趣的读者的自学读物。

作者简介

邓奕老师，毕业于武汉理工大学，长期从事于PLC、单片机和FPGA等相关项目的开发，具有7年嵌入式开发经验。主持完成的项目有：风光互补发电实训平台、鹤壁污水处理自动控制系统、基于LabVIEW的虚拟示波器设计等。发表学术论文5篇，其中ISTP收录2篇，EI收录2篇。出版学术专著、编著和教材共计4部。主要承担电路、电子线路CAD、单片机、EDA、专业英语等课程的讲授，教学效果良好。

目录

第1章数制和代码()

1.1概述()

1.2数制()

1.3数制间的转换()

1.4二进制代码()

习题1()

习题1答案()

第2章数字逻辑基础()

2.1基本逻辑运算与逻辑门()

2.2复合逻辑运算与逻辑门()

2.3逻辑函数及逻辑代数公式()

2.4逻辑函数标准表达式()

2.5逻辑函数化简()

2.6逻辑函数的门电路实现()

习题2()

习题2答案()

第3章集成逻辑门电路()

3.1CMOS逻辑门电路()

3.2TTL逻辑门电路()

3.3逻辑门电路的实际应用()

习题3()

习题3答案()


第4章组合逻辑电路()

4.1组合逻辑电路的分析和设计()

4.2加法器()

4.3数据选择器()

4.4数值比较器()

4.5编码器()

4.6译码器()

习题4()

习题4答案()


第5章时序逻辑电路()

5.1概述()

5.2触发器()

5.3时序逻辑电路的分析与设计方法()

5.4计数器()

5.5寄存器()

5.6脉冲发生器()

习题5()

习题5答案()


第6章脉冲波形的产生与整形电路()

6.1多谐振荡器()

6.2单稳态触发器()

6.3施密特触发器()

习题6()

习题6答案()


第7章数/模与模/数转换电路()

7.1概述()

7.2D/A转换器()

7.3A/D转换器()

习题7()

习题7答案()


第8章数字电路系统设计举例()

8.1制作第一件电子产品()

8.2电子密码锁的设计()

8.3四路竞赛抢答器的设计()

8.4数字显示频率计的设计()


附录A555震荡电路原理图与PCB的绘制()

附录B常用数字集成电路型号()

参考文献()

精彩书摘

第1章数制和代码


第1章
数制和代码


数字电路在当今世界的发展过程中，起着举足轻重的作用，在日常生活中有着广泛的应用。目前较为常见的CD、DVD、MP3、手机、IC卡、PC等都用到了数字电路的相关技术。尤其是在信息技术高速发展的今天，学习好数字电路的基础知识，可以为今后的学习和发展打下良好的基础。

本章简单介绍了数字技术的发展和应用，以及数字电路两个最基本的概念：数制和代码。通过本章的学习，读者对数字电路将产生一个基本的认识，并且在脑海中建立起数字电路的知识框架，同时培养学习兴趣，为后续章节的学习打下良好的基础。



1.1概述

通常情况下将产生、变换、传送、处理模拟信号的电子电路称为模拟电路，与之相对应的，将产生、变换、传送、处理数字信号的电子电路称为数字电路。数字电路用数字信号完成对数字量的算术运算和逻辑运算。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称为数字逻辑电路。现代的数字电路由采用半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。其中，逻辑门是数字逻辑电路的基本单元，存储器是用来存储二值数据的数字电路。从整体上来看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。
数字技术的发展是以电子技术的发展为基础的。20世纪初至20世纪中叶，主要使用的电子器件是真空管，也称为电子管。随着固体微电子学的进步，第一支晶体三极管于1947年问世，开创了电子技术的新领域。60年代初期，模拟和数字集成电路相继问世。20世纪70年代末，由于微处理器的问世，电子器件及其应用出现了崭新的局面。从20世纪80年代中期开始，专用集成电路（ASIC）制作技术已趋向成熟，标志着数字集成电路发展到了新的阶段。1988年，集成工艺可以实现在1 cm2的硅片上集成3 500万个元件。到了20世纪90年代后期，一片集成电路上可以集成40亿个晶体管。进入21世纪后，其发展速度相当迅猛，目前芯片内部布线的线宽可以到亚微米（0.13~0.09 μm）数量级。随着芯片上元件和布线的缩小，芯片的功耗降低而速度大为提高，如最新生产的微处理器的时钟频率高达30 GHz。
由于数字电路主要研究对象的输出和输入间的逻辑关系，故数字电路中三极管一般作为开关元件来使用，其工作在开关状态，因而在数字电路中不能采用模拟电路的分析方法。数字电路所采用的分析工具是逻辑代数，主要使用真值表、逻辑表达式及波形图等来描述电路的功能。随着计算机技术的发展，数字电路或数字系统的分析、仿真与设计，可以采用硬件描述语言和EDA软件，借助计算机来自动实现。
数字电路和模拟电路相比有以下几个优点。
（1） 较低的成本数字电路结构简单，易集成和系列化生产，成本低，使用方便。
（2） 较高的可靠性数字信号在传输时采用高、低电平二值信号，因此数字电路抗干扰能力强，可靠性高，精确性和稳定性都比较高。
（3） 较强的逻辑性数字电路不仅能完成算术运算，还可以完成逻辑运算，具有逻辑推理和逻辑判断的能力，因此数字电路又称为数字逻辑电路。
（4） 较低的损耗数字电路中的元件大多工作在开关状态，功耗比较小。
（5） 较强的时序性为了实现数字系统逻辑函数的动态特性，数字电路各部分之间的信号必须有着严格的时序关系。因此，时序设计也是数字电路设计的基本技术之一。
（6） 较好的抗干扰能力由于数字电路所处理的是逻辑电平信号，因而从信号处理的角度来看，数字电路系统比模拟电路具有更好的信号抗干扰能力。
正是由于数字电路具有的以上优点，因而在电子计算机、数字通信、数字仪表、数控装置、航天技术等方面得到了广泛的应用。


1.2数制

在数字系统中，经常要使用四种数制：十进制、二进制、八进制和十六进制。因为数字逻辑电路只能识别和处理二进制数码，所以数字系统中的信息都要用二进制数码表示。不同进制之间还可以相互转换。
1.2.1十进制数的表示
十进制是人们非常熟悉并经常使用的一种数制，它是以10为基数的计数进制。十进制数中，每一位可取0~9共计10个数码。基数是数制的最基本特征，是指数制中所用数码的个数，故十进制的基数为10。十进制数的进位法则是逢十进一，就是低位计满十，向高位进一，或者从高位借一，到低位就得十。一个十进制数，可以记为（A）D，下标D表示括号中的A为十进制数。例如，十进制数8349可以表示为
(8349)D=8×103+3×102+4×101+9×100

式中：103，102，101，100为各位的权值，权值从右到左逐位扩大10倍；8、3、4、9为各位的系数。因此，十进制数的数值就是这个数的各位系数与各位权值的乘积之和。

1.2.2二进制数的表示
二进制是以2为基数的计数进制。在二进制中，每一位二进制数有0、1两个不同的数码，计数规则为“逢二进一”，各位的权为2的幂。即为低位计满二，向高位进一，或者从高位借一，到低位就得二。一个二进制数，可以记为（A）B，下标B表示括号中的A为二进制数，同时下标也可以用2来表示。例如，二进制数1101可以表示为
(1101)B=1×23+1×22+0×21+1×20

式中：23，22，21，20为各位的二进制权值，权值从右到左逐位扩大2倍；1、1、0、1为二进制各位的系数。因此二进制与十进制相同，一个二进制数的数值就是这个数的各位系数与各位权值的乘积之和。
下面举例说明一下十进制数和二进制数之间的转换。
【例1��1】
求（1101）B的十进制数值。
【解】(1101)B=1×2+1×22+0×21+1×20=13
【例1��2】求9的二进制数值。
【解】9=1×23+0×22+0×21+1×20=(1001)B
通过以上的两个例子，可以了解一些十进制数和二进制数之间相互转化基本方法。对于一个n位的二进制数，如果要将其转换成十进制数，首先要将其分解为各位系数和权值相乘再求和的形式。最高位的权值为2n-1，后面的权值依次除以2，直到分解到20为止，然后将各位的系数提取出来，则组合成了与十进制数所对应的二进制数。而对于一个十进制数，首先要判断当它转换成二进制数时的最高位的权值，当2n+1大于该十进制数而2n小于该十进制数时，该十进制数转换成二进制数的最高位的权值即为2n，然后后面的系数也按照此方法来确定，从而最终确定一共有多少个“1”和多少个“0”，并确定其排列顺序，从而完成十进制数与二进制数之间的转换。这里的方法只是一个初步的方法，在后面还将会介绍比较简单的方法，并将对这两种方法进行进一步的讨论。在数字系统中，通常使用二进制数码表示信息。1位二进制数可以表示数字系统中的1位信息，因此，位是数字系统中最小的信息量。
1.2.3八进制数和十六进制数的表示
1. 八进制数
在八进制数中，每个数位上规定使用的数码为0~7，共8个，其进位基数只为8，其计数规则为“逢八进一”，各位的权值为8的幂。即低位计满8向高位进一，或者从高位借一到低位即得8。一个八进制数可以记为（A）O，下标O表示括号中的A为八进制数。例如，八进制数451可表示为
(451)O=4×82+5×81+1×80

式中：82，81，80为各位的权值，权值从右到左逐位扩大8倍；4、5、1为各位的系数。因此，八进制数也是各位的系数与各位权值乘积之和。
2. 十六进制数
十六进制数和八进制数大同小异。在十六进制数中，每个数位上规定使用的数码为0~9、A、B、C、D、E和F共16个，故其进位基数为16，其计数规则为“逢十六进一”，各位的权值为16的幂。即低位计满16向高位进一，或者从高位借一到低位即得16。一个十六进制数可以记为（A）H，下标H表示括号中的A为十六进制数。
例如，十六进制数16可表示为
(16)H=1×161+6×160

式中：161，160称为各位的权值，权值从右到左逐位扩大16倍；1、6为各位的系数。因此十六进制数和其他数制数一样也是各位的系数与各位权值的乘积之和。
【例1��3】
将（35）H 表示成十进制数。
(35)H=3×161+5×160=53

前言/序言

数字电路在当今世界的发展过程中，起着举足轻重的作用，其在日常生活中有着广泛的应用。
数字电子技术是电类各专业的主要专业基础课程之一，是电类各专业的主干课程。该课程要求学生掌握数字逻辑电路的基本知识、基本分析方法和基本应用技能，能够对各种基本逻辑单元进行分析和设计，学会使用标准的集成电路和可编程逻辑器件，并初步具备根据实际要求应用这些单元和器件构成简单数字电子系统的能力，为后续专业课程的学习奠定坚实的基础。
本书作者具有丰富的教学经验和实践经验。在本书内容安排上，一方面全面、系统地介绍了数字电路的基本理论和知识，让读者建立直观的概念和分析方法；另一方面，以具体的工程实际数字电路为例，详细地讲解如何设计和制作一件电子作品。相信读者在此基础上通过自己动手实践，必将受益匪浅。
本书内容包括：数制和代码、数字逻辑基础、集成逻辑门电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路、脉冲波形的产生与整形电路、数/模与模/数转换电路、数字电路系统设计举例等，各章附有习题和答案。其主要内容介绍如下。
● 第1章，数制和代码。本章主要对数字技术的发展和应用作了全面的介绍，重点讲解了数字电路两个最基本的概念——数制和代码。
● 第2章，数字逻辑基础。本章主要讲解数字逻辑电路的基础，包括基本逻辑运算与逻辑门、复合逻辑运算与逻辑门、逻辑函数及逻辑代数公式、逻辑函数标准表达式、逻辑函数化简和逻辑函数的门电路实现等内容。
● 第3章，集成逻辑门电路。本章主要学习CMOS逻辑门电路和TTL逻辑门电路的基本结构、工作原理和外部特性参数等。
● 第4章，组合逻辑电路。本章主要介绍加法器、数据选择器、数值比较强、编码器和译码器的基本原理和应用。
● 第5章，时序逻辑电路。本章主要讲解触发器、计数器、寄存器、脉冲发生器的基本原理和应用。
● 第6章，脉冲波形的产生与整形电路。本章主要介绍脉冲波形的产生与整形电路的工作原理、555定时电路及其集成定时电路的工作原理和应用。
● 第7章，数/模与模/数转换电路。本章主要介绍常用的数/模和模/数转换电路的基本原理、结构和相应集成芯片及其典型应用。
● 第8章，数字电路系统设计举例。本章讲解综合数字电路系统设计实例的内容、要求及方法，并且通过几个工程实例来讲解如何设计和制作一件电子产品。
● 附录。其内容主要包括原理图与PCB的绘制和常用数字集成电路型号。
本书由汉口学院邓奕、王礼平担任主编，由哈尔滨剑桥学院周跃佳和崔莉、绥化学院杨倩、大连工业大学艺术与信息工程学院葛敏娜、合肥师范学院鲁世斌、石家庄铁道大学四方学院高迎霞、北京航空航天大学北海学院王晓莹、大连工业大学王海文担任副主编。其中，周跃佳编写了第5章，崔莉编写了1、4章，杨倩编写了第3章和附录，邓奕与王晓莹编写了第2章，鲁世斌与高迎霞编写了第6章，王礼平编写了第7章，葛敏娜与王海文编写了第8章。全书由邓奕副教授拟定编写大纲和最后统一定稿，最后由王礼平教授审读了全书。
为了方便教学，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）免费下载，或者发邮件至hustpeiit@163.com免费索取。
因编者水平有限，书中难免存在错误和不妥之处，还请读者批评指正。
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