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內容簡介

本書由一批具有豐富教學經驗和實踐經驗的高校教師編寫，全書概念清晰、結構閤理、重點突齣、難度適中、實例豐富，便於教學和學習。
本書內容包括：數製和代碼、數字邏輯基礎、集成邏輯門電路、組閤邏輯電路、時序邏輯電路、脈衝波形的産生與整形電路、數/模與模/數轉換電路、數字電路係統設計舉例等。各章附有習題和答案。
為瞭方便教學，本書還配有電子課件等教學資源包，任課教師和學生可以登錄“我們愛讀書”網（www.ibook4us.com）免費下載，或者發郵件至hustpeiit@163.com免費索取。
本書可作為高等院校電子信息類、電氣類、自動化類、光電類及計算機類等相關專業的教材和教學參考書，也可作為工程技術人員的業務參考資料和感興趣的讀者的自學讀物。

作者簡介

鄧奕老師，畢業於武漢理工大學，長期從事於PLC、單片機和FPGA等相關項目的開發，具有7年嵌入式開發經驗。主持完成的項目有：風光互補發電實訓平颱、鶴壁汙水處理自動控製係統、基於LabVIEW的虛擬示波器設計等。發錶學術論文5篇，其中ISTP收錄2篇，EI收錄2篇。齣版學術專著、編著和教材共計4部。主要承擔電路、電子綫路CAD、單片機、EDA、專業英語等課程的講授，教學效果良好。

目錄

第1章數製和代碼()

1.1概述()

1.2數製()

1.3數製間的轉換()

1.4二進製代碼()

習題1()

習題1答案()

第2章數字邏輯基礎()

2.1基本邏輯運算與邏輯門()

2.2復閤邏輯運算與邏輯門()

2.3邏輯函數及邏輯代數公式()

2.4邏輯函數標準錶達式()

2.5邏輯函數化簡()

2.6邏輯函數的門電路實現()

習題2()

習題2答案()

第3章集成邏輯門電路()

3.1CMOS邏輯門電路()

3.2TTL邏輯門電路()

3.3邏輯門電路的實際應用()

習題3()

習題3答案()


第4章組閤邏輯電路()

4.1組閤邏輯電路的分析和設計()

4.2加法器()

4.3數據選擇器()

4.4數值比較器()

4.5編碼器()

4.6譯碼器()

習題4()

習題4答案()


第5章時序邏輯電路()

5.1概述()

5.2觸發器()

5.3時序邏輯電路的分析與設計方法()

5.4計數器()

5.5寄存器()

5.6脈衝發生器()

習題5()

習題5答案()


第6章脈衝波形的産生與整形電路()

6.1多諧振蕩器()

6.2單穩態觸發器()

6.3施密特觸發器()

習題6()

習題6答案()


第7章數/模與模/數轉換電路()

7.1概述()

7.2D/A轉換器()

7.3A/D轉換器()

習題7()

習題7答案()


第8章數字電路係統設計舉例()

8.1製作第一件電子産品()

8.2電子密碼鎖的設計()

8.3四路競賽搶答器的設計()

8.4數字顯示頻率計的設計()


附錄A555震蕩電路原理圖與PCB的繪製()

附錄B常用數字集成電路型號()

參考文獻()

精彩書摘

第1章數製和代碼


第1章
數製和代碼


數字電路在當今世界的發展過程中，起著舉足輕重的作用，在日常生活中有著廣泛的應用。目前較為常見的CD、DVD、MP3、手機、IC卡、PC等都用到瞭數字電路的相關技術。尤其是在信息技術高速發展的今天，學習好數字電路的基礎知識，可以為今後的學習和發展打下良好的基礎。

本章簡單介紹瞭數字技術的發展和應用，以及數字電路兩個最基本的概念：數製和代碼。通過本章的學習，讀者對數字電路將産生一個基本的認識，並且在腦海中建立起數字電路的知識框架，同時培養學習興趣，為後續章節的學習打下良好的基礎。



1.1概述

通常情況下將産生、變換、傳送、處理模擬信號的電子電路稱為模擬電路，與之相對應的，將産生、變換、傳送、處理數字信號的電子電路稱為數字電路。數字電路用數字信號完成對數字量的算術運算和邏輯運算。由於它具有邏輯運算和邏輯處理功能，所以又稱為數字邏輯電路。現代的數字電路由采用半導體工藝製成的若乾數字集成器件構造而成。其中，邏輯門是數字邏輯電路的基本單元，存儲器是用來存儲二值數據的數字電路。從整體上來看，數字電路可以分為組閤邏輯電路和時序邏輯電路兩大類。
數字技術的發展是以電子技術的發展為基礎的。20世紀初至20世紀中葉，主要使用的電子器件是真空管，也稱為電子管。隨著固體微電子學的進步，第一支晶體三極管於1947年問世，開創瞭電子技術的新領域。60年代初期，模擬和數字集成電路相繼問世。20世紀70年代末，由於微處理器的問世，電子器件及其應用齣現瞭嶄新的局麵。從20世紀80年代中期開始，專用集成電路（ASIC）製作技術已趨嚮成熟，標誌著數字集成電路發展到瞭新的階段。1988年，集成工藝可以實現在1 cm2的矽片上集成3 500萬個元件。到瞭20世紀90年代後期，一片集成電路上可以集成40億個晶體管。進入21世紀後，其發展速度相當迅猛，目前芯片內部布綫的綫寬可以到亞微米（0.13~0.09 μm）數量級。隨著芯片上元件和布綫的縮小，芯片的功耗降低而速度大為提高，如最新生産的微處理器的時鍾頻率高達30 GHz。
由於數字電路主要研究對象的輸齣和輸入間的邏輯關係，故數字電路中三極管一般作為開關元件來使用，其工作在開關狀態，因而在數字電路中不能采用模擬電路的分析方法。數字電路所采用的分析工具是邏輯代數，主要使用真值錶、邏輯錶達式及波形圖等來描述電路的功能。隨著計算機技術的發展，數字電路或數字係統的分析、仿真與設計，可以采用硬件描述語言和EDA軟件，藉助計算機來自動實現。
數字電路和模擬電路相比有以下幾個優點。
（1） 較低的成本數字電路結構簡單，易集成和係列化生産，成本低，使用方便。
（2） 較高的可靠性數字信號在傳輸時采用高、低電平二值信號，因此數字電路抗乾擾能力強，可靠性高，精確性和穩定性都比較高。
（3） 較強的邏輯性數字電路不僅能完成算術運算，還可以完成邏輯運算，具有邏輯推理和邏輯判斷的能力，因此數字電路又稱為數字邏輯電路。
（4） 較低的損耗數字電路中的元件大多工作在開關狀態，功耗比較小。
（5） 較強的時序性為瞭實現數字係統邏輯函數的動態特性，數字電路各部分之間的信號必須有著嚴格的時序關係。因此，時序設計也是數字電路設計的基本技術之一。
（6） 較好的抗乾擾能力由於數字電路所處理的是邏輯電平信號，因而從信號處理的角度來看，數字電路係統比模擬電路具有更好的信號抗乾擾能力。
正是由於數字電路具有的以上優點，因而在電子計算機、數字通信、數字儀錶、數控裝置、航天技術等方麵得到瞭廣泛的應用。


1.2數製

在數字係統中，經常要使用四種數製：十進製、二進製、八進製和十六進製。因為數字邏輯電路隻能識彆和處理二進製數碼，所以數字係統中的信息都要用二進製數碼錶示。不同進製之間還可以相互轉換。
1.2.1十進製數的錶示
十進製是人們非常熟悉並經常使用的一種數製，它是以10為基數的計數進製。十進製數中，每一位可取0~9共計10個數碼。基數是數製的最基本特徵，是指數製中所用數碼的個數，故十進製的基數為10。十進製數的進位法則是逢十進一，就是低位計滿十，嚮高位進一，或者從高位藉一，到低位就得十。一個十進製數，可以記為（A）D，下標D錶示括號中的A為十進製數。例如，十進製數8349可以錶示為
(8349)D=8×103+3×102+4×101+9×100

式中：103，102，101，100為各位的權值，權值從右到左逐位擴大10倍；8、3、4、9為各位的係數。因此，十進製數的數值就是這個數的各位係數與各位權值的乘積之和。

1.2.2二進製數的錶示
二進製是以2為基數的計數進製。在二進製中，每一位二進製數有0、1兩個不同的數碼，計數規則為“逢二進一”，各位的權為2的冪。即為低位計滿二，嚮高位進一，或者從高位藉一，到低位就得二。一個二進製數，可以記為（A）B，下標B錶示括號中的A為二進製數，同時下標也可以用2來錶示。例如，二進製數1101可以錶示為
(1101)B=1×23+1×22+0×21+1×20

式中：23，22，21，20為各位的二進製權值，權值從右到左逐位擴大2倍；1、1、0、1為二進製各位的係數。因此二進製與十進製相同，一個二進製數的數值就是這個數的各位係數與各位權值的乘積之和。
下麵舉例說明一下十進製數和二進製數之間的轉換。
【例1��1】
求（1101）B的十進製數值。
【解】(1101)B=1×2+1×22+0×21+1×20=13
【例1��2】求9的二進製數值。
【解】9=1×23+0×22+0×21+1×20=(1001)B
通過以上的兩個例子，可以瞭解一些十進製數和二進製數之間相互轉化基本方法。對於一個n位的二進製數，如果要將其轉換成十進製數，首先要將其分解為各位係數和權值相乘再求和的形式。最高位的權值為2n-1，後麵的權值依次除以2，直到分解到20為止，然後將各位的係數提取齣來，則組閤成瞭與十進製數所對應的二進製數。而對於一個十進製數，首先要判斷當它轉換成二進製數時的最高位的權值，當2n+1大於該十進製數而2n小於該十進製數時，該十進製數轉換成二進製數的最高位的權值即為2n，然後後麵的係數也按照此方法來確定，從而最終確定一共有多少個“1”和多少個“0”，並確定其排列順序，從而完成十進製數與二進製數之間的轉換。這裏的方法隻是一個初步的方法，在後麵還將會介紹比較簡單的方法，並將對這兩種方法進行進一步的討論。在數字係統中，通常使用二進製數碼錶示信息。1位二進製數可以錶示數字係統中的1位信息，因此，位是數字係統中最小的信息量。
1.2.3八進製數和十六進製數的錶示
1. 八進製數
在八進製數中，每個數位上規定使用的數碼為0~7，共8個，其進位基數隻為8，其計數規則為“逢八進一”，各位的權值為8的冪。即低位計滿8嚮高位進一，或者從高位藉一到低位即得8。一個八進製數可以記為（A）O，下標O錶示括號中的A為八進製數。例如，八進製數451可錶示為
(451)O=4×82+5×81+1×80

式中：82，81，80為各位的權值，權值從右到左逐位擴大8倍；4、5、1為各位的係數。因此，八進製數也是各位的係數與各位權值乘積之和。
2. 十六進製數
十六進製數和八進製數大同小異。在十六進製數中，每個數位上規定使用的數碼為0~9、A、B、C、D、E和F共16個，故其進位基數為16，其計數規則為“逢十六進一”，各位的權值為16的冪。即低位計滿16嚮高位進一，或者從高位藉一到低位即得16。一個十六進製數可以記為（A）H，下標H錶示括號中的A為十六進製數。
例如，十六進製數16可錶示為
(16)H=1×161+6×160

式中：161，160稱為各位的權值，權值從右到左逐位擴大16倍；1、6為各位的係數。因此十六進製數和其他數製數一樣也是各位的係數與各位權值的乘積之和。
【例1��3】
將（35）H 錶示成十進製數。
(35)H=3×161+5×160=53

前言/序言

數字電路在當今世界的發展過程中，起著舉足輕重的作用，其在日常生活中有著廣泛的應用。
數字電子技術是電類各專業的主要專業基礎課程之一，是電類各專業的主乾課程。該課程要求學生掌握數字邏輯電路的基本知識、基本分析方法和基本應用技能，能夠對各種基本邏輯單元進行分析和設計，學會使用標準的集成電路和可編程邏輯器件，並初步具備根據實際要求應用這些單元和器件構成簡單數字電子係統的能力，為後續專業課程的學習奠定堅實的基礎。
本書作者具有豐富的教學經驗和實踐經驗。在本書內容安排上，一方麵全麵、係統地介紹瞭數字電路的基本理論和知識，讓讀者建立直觀的概念和分析方法；另一方麵，以具體的工程實際數字電路為例，詳細地講解如何設計和製作一件電子作品。相信讀者在此基礎上通過自己動手實踐，必將受益匪淺。
本書內容包括：數製和代碼、數字邏輯基礎、集成邏輯門電路、組閤邏輯電路、時序邏輯電路、脈衝波形的産生與整形電路、數/模與模/數轉換電路、數字電路係統設計舉例等，各章附有習題和答案。其主要內容介紹如下。
● 第1章，數製和代碼。本章主要對數字技術的發展和應用作瞭全麵的介紹，重點講解瞭數字電路兩個最基本的概念——數製和代碼。
● 第2章，數字邏輯基礎。本章主要講解數字邏輯電路的基礎，包括基本邏輯運算與邏輯門、復閤邏輯運算與邏輯門、邏輯函數及邏輯代數公式、邏輯函數標準錶達式、邏輯函數化簡和邏輯函數的門電路實現等內容。
● 第3章，集成邏輯門電路。本章主要學習CMOS邏輯門電路和TTL邏輯門電路的基本結構、工作原理和外部特性參數等。
● 第4章，組閤邏輯電路。本章主要介紹加法器、數據選擇器、數值比較強、編碼器和譯碼器的基本原理和應用。
● 第5章，時序邏輯電路。本章主要講解觸發器、計數器、寄存器、脈衝發生器的基本原理和應用。
● 第6章，脈衝波形的産生與整形電路。本章主要介紹脈衝波形的産生與整形電路的工作原理、555定時電路及其集成定時電路的工作原理和應用。
● 第7章，數/模與模/數轉換電路。本章主要介紹常用的數/模和模/數轉換電路的基本原理、結構和相應集成芯片及其典型應用。
● 第8章，數字電路係統設計舉例。本章講解綜閤數字電路係統設計實例的內容、要求及方法，並且通過幾個工程實例來講解如何設計和製作一件電子産品。
● 附錄。其內容主要包括原理圖與PCB的繪製和常用數字集成電路型號。
本書由漢口學院鄧奕、王禮平擔任主編，由哈爾濱劍橋學院周躍佳和崔莉、綏化學院楊倩、大連工業大學藝術與信息工程學院葛敏娜、閤肥師範學院魯世斌、石傢莊鐵道大學四方學院高迎霞、北京航空航天大學北海學院王曉瑩、大連工業大學王海文擔任副主編。其中，周躍佳編寫瞭第5章，崔莉編寫瞭1、4章，楊倩編寫瞭第3章和附錄，鄧奕與王曉瑩編寫瞭第2章，魯世斌與高迎霞編寫瞭第6章，王禮平編寫瞭第7章，葛敏娜與王海文編寫瞭第8章。全書由鄧奕副教授擬定編寫大綱和最後統一定稿，最後由王禮平教授審讀瞭全書。
為瞭方便教學，本書還配有電子課件等教學資源包，任課教師和學生可以登錄“我們愛讀書”網（www.ibook4us.com）免費下載，或者發郵件至hustpeiit@163.com免費索取。
因編者水平有限，書中難免存在錯誤和不妥之處，還請讀者批評指正。
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