(教材)数字电路与逻辑设计 陈利永,陈家祯,蔡银河著 9787113127930 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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陈利永，陈家祯，蔡银河著 著

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• 9787113127930

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出版社： 中国铁道出版社

ISBN：9787113127930

商品编码：29499385456

包装：平装

出版时间：2011-06-01

基本信息

书名：(教材)数字电路与逻辑设计

定价：26.00元

作者：陈利永,陈家祯,蔡银河著

出版社：中国铁道出版社

出版日期：2011-06-01

ISBN：9787113127930

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.422kg

编辑推荐

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陈利永、陈家祯、蔡银河编写的《数字电路与逻辑设计》是21世纪高等院校规划教材。本教材共分6章，内容包括：数字逻辑基础，组合逻辑基础，时序逻辑电路，脉冲产生电路，数/模和模/数转换器，用VerilogHDL语言设计频率计的实例，门电路简介。本书适合作为电气信息类各专业本科生学习数字电路与逻辑设计课程的教材。

内容提要

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陈利永、陈家祯、蔡银河编写的《数字电路与逻辑设计》主要介绍数字电子与逻辑设计的基础知识。主要内容有数字逻辑基础、组合逻辑电路、时序逻辑电路、脉冲产生电路、数/模和模/数转换器，用VerilogHDL语言设计频率计的实例、门电路简介。《数字电路与逻辑设计》除了介绍上述内容，在附录部分还介绍了如何利用Multisim软件和MATLAB软件的仿真功能实现数字电路的仿真，并详细介绍了如何利用QuartusII软件进行简单数字系统的编辑和时序仿真的方法，以帮助学生掌握EDA的基本概念和技术。《数字电路与逻辑设计》适合作为电气信息类各专业本科生学习数字电路与逻辑设计课程的教材。

目录

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章 数字逻辑基础 1.1 概述 1.1.1 数字电路与逻辑设计课程所研究的问题 1.1.2 数制 1.1.3 数制的转换 1.1.4 码制 1.1.5 数值信息在数字系统中的表示 1.1.6 实数在数字系统中的表示 1.1.7 算术运算 1.2 逻辑代数基础 1.2.1 逻辑“与”关系 1.2.2 逻辑“或”关系 1.2.3 逻辑“非”关系 1.2.4 逻辑运算的复合关系 1.2.5 正逻辑和负逻辑 1.3 逻辑代数的基本关系式和常用公式 1.3.1 逻辑代数的基本关系式 1.3.2 基本定律 1.3.3 常用的公式 1.3.4 基本定理 1.4 逻辑函数的表示方法 1.4.1 逻辑函数的表示方法 1.4.2 逻辑函数的真值表表示法 1.4.3 逻辑函数式 1.4.4 逻辑图 1.4.5 工作波形图 1.5 逻辑函数式的化简 1.5.1 公式化简法 1.5.2 逻辑函数的卡诺图化简法 1.5.3 具有无关项的逻辑函数的化简 1.6 研究逻辑函数的两类问题 1.6.1 给定系统分析功能 1.6.2 给定逻辑问题设计系统 1.7 用Verlog HDL语言实现三态门的方法 小结 习题和思考题第2章 组合逻辑基础 2.1 概述 2.1.1 组合逻辑电路的特点 2.1.2 组合逻辑电路的分析和综合方法 2.2 常用的组合逻辑电路 2.2.1 编码器 2.2.2 优先编码器 2.2.3 译码器 2.2.4 显示译码器 2.2.5 数据选择器 2.2.6 加法器 2.2.7 数值比较器 2.2.8 只读存储器(ROM) 2.2.9 可编程逻辑器件(PLD) 2.3 综合例题 2.4 组合逻辑电路中的竞争-冒险现象 2.4.1 竞争-冒险现象 2.4.2 竞争-冒险现象的判断方法 小结 习题和思考题第3章 时序逻辑电路 3.1 概述 3.2 触发器的电路结构和动作特点 3.2.1 基本RS触发器的电路结构和动作特点 3.2.2 同步RS触发器的电路结构和动作特点 3.2.3 主从RS触发器的电路结构和动作特点 3.2.4 由S传输门组成的边沿触发器 3.3 触发器逻辑功能的描述方法 3.3.1 RS触发器 3.3.2 D触发器 3.3.3 JK触发器 3.3.4 T触发器 3.3.5 触发器逻辑功能的转换 3.4 时序逻辑电路的分析方法 3.5 常用的时序逻辑电路 3.5.1 寄存器和移位寄存器 3.5.2 存取存储器 3.5.3 同步计数器 3.5.4 移位寄存器型计数器和顺序脉冲发生器 3.5.5 序列信号发生器 3.6 时序逻辑电路分析设计综合例题 小结 习题和思考题第4章 脉冲产生电路，数/模和模/数转换器 4.1 方波信号发生器 4.1.1 石英晶体振荡器 4.1.2 555定时器的应用 4.1.3 用555定时器组成施密特电路 4.1.4 用555定时器组成单稳态电路 4.1.5 用555定时器组成多谐振荡器 4.2 模/数、数/模转换器概述 4.2.1 权电阻网络D/A转换器 4.2.2 A/D转换器的基本组成 4.2.3 直接A/D转换器 4.3 A/D和D/A转换器的使用参数 4.3.1 A/D和D/A转换器的转换精度 4.3.2 A/D和D/A转换器的转换速度 小结 习题和思考题第5章 用Verilog HDL语言设计频率计的实例 5.1 数字系统的层次化结构设计 5.2 两位十进制数字频率计的层次结构框图 5.2.1 在QuartusⅡ中实现计数器的电路 5.2.2 在QuartusⅡ中实现测频时序控制电路的设计 5.2.3 频率计显示译码器电路的设计 5.2.4 频率计顶层电路的设计 5.2.5 将设计文件下载到芯片上的方法第6章 门电路简介 6.1 概述 6.2 TTL集成门电路 6.2.1 TTL门电路的组成及工作原理 6.2.2 TTL门电路的输入特性曲线和输出特性曲线 6.2.3 集电极开路的门电路(OC门) 6.2.4 三态门电路(TS门) 6.3 S门电路 6.3.1 CMOS反相器电路的组成和工作原理 6.3.2 CMOS与非门电路的组成和工作原理 6.3.3 CMOS或非门电路的组成和工作原理 6.3.4 CMOS传输门电路的组成和工作原理 6.4 集成电路使用知识简介 6.4.1 集成门电路的主要技术指标 6.4.2 多余输入脚的处理 6.4.3 TTL与CMOS的接口电路 小结 习题和思考题附录A 期末练习题附录B Multisim软件在数字电路中的应用附录C 用MATLAB的Simulink环境实现数字逻辑电路的仿真附录D EDA技术在数字电路设计中的应用

作者介绍

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文摘

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序言

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模拟世界的基石：探索信息之源的编码与转换 在信息爆炸的时代，我们无时无刻不被数据洪流所裹挟，从智能手机的触屏交互，到复杂的计算机系统运行，再到我们日常接触的各种电子设备，其背后都隐藏着一套精密而高效的信息处理机制。而这套机制的根基，正是数字电路与逻辑设计。它们如同信息世界的建筑师，用最基本的“开”与“关”（代表0和1）构建起一座座摩天大楼，实现着信息的高速传输、存储与运算。 本文旨在深入浅出地剖析数字电路与逻辑设计这一领域，带领读者穿越层层迷雾，领略其核心概念、关键原理以及在现代科技中不可或缺的地位。我们将从最基础的二进制编码谈起，一步步揭示逻辑门电路的奥秘，再到组合逻辑与时序逻辑的设计思想，最终触及集成电路的实现以及在实际应用中的广泛体现。 第一章：信息的编码与基本单元 万事万物，皆可量化。在数字世界中，最基础的量化单位便是“比特”（Bit），它代表着二进制的两个状态：0和1，如同电灯的“关”和“开”，是信息的最基本载体。我们日常接触的十进制数字，如0-9，也能够通过二进制的不同组合来精确表示。例如，十进制的5可以表示为二进制的101，即 12^2 + 02^1 + 12^0 = 4 + 0 + 1 = 5。这种将模拟信息转化为离散数字信号的过程，是数字电路工作的起点。 为了更有效地表示和处理信息，我们引入了“字节”（Byte），通常由8个比特组成。一个字节可以表示2^8 = 256种不同的状态，足以容纳一个字符、一个字节的图像数据，或者一个数值。更进一步，我们还有字（Word）、双字（Double Word）等更大的单位，它们是计算机进行数据处理的基本单元。 掌握了信息的编码方式，我们便开始接触构建数字电路的“积木”。这些积木，便是逻辑门电路。逻辑门电路是最基本的电子器件，它们根据输入的逻辑信号，按照预设的逻辑关系输出一个逻辑信号。最常见的逻辑门包括： 非门（NOT Gate）：只有一个输入端和一个输出端。当输入为1时，输出为0；当输入为0时，输出为1。它实现了“否定”的功能。 与门（AND Gate）：有两个或多个输入端和一个输出端。只有当所有输入端都为1时，输出才为1；否则，输出为0。它实现了“逻辑与”的功能，相当于多个条件的“同时成立”。 或门（OR Gate）：有两个或多个输入端和一个输出端。只要有一个输入端为1，输出就为1；只有当所有输入端都为0时，输出才为0。它实现了“逻辑或”的功能，相当于多个条件中“至少有一个成立”。 异或门（XOR Gate）：有两个输入端和一个输出端。当两个输入端不同时，输出为1；当两个输入端相同时，输出为0。它常用于判断两个输入是否相等，或者用于奇偶校验。 同或门（XNOR Gate）：与异或门相反，当两个输入端相同时，输出为1；当两个输入端不同时，输出为0。 与非门（NAND Gate）：与门和非门的组合。只有当所有输入端都为1时，输出才为0；否则，输出为1。 或非门（NOR Gate）：或门和非门的组合。只有当所有输入端都为0时，输出才为1；否则，输出为0。 这些逻辑门电路看似简单，但通过它们的组合与嵌套，能够实现极其复杂的功能。它们是构建所有数字系统的基本逻辑单元。 第二章：组合逻辑电路的设计与分析 当我们将多个逻辑门电路按照特定的连接方式组合起来，便构成了组合逻辑电路。组合逻辑电路的特点是，其输出仅取决于当前的输入信号，不受之前状态的影响。它的设计与分析是数字电路设计的基础。 组合逻辑电路的设计通常遵循以下步骤： 1. 需求分析与功能定义：清晰地理解电路需要实现的功能，明确输入输出信号的含义。 2. 真值表（Truth Table）的构建：列出所有可能的输入组合，并根据功能定义写出对应的输出。真值表是描述组合逻辑功能最直观的方式。 3. 逻辑表达式的提取：从真值表中提取出描述输入输出关系的逻辑表达式。常用的方法包括“最小项之和”（Sum of Minterms）和“最大项之积”（Product of Maxterms）。 4. 逻辑表达式的简化：使用布尔代数定律、卡诺图（Karnaugh Map）或奎因-麦克拉斯基（Quine-McCluskey）算法等方法，对逻辑表达式进行简化，以减少电路的复杂度和元件数量，从而降低成本和功耗。 5. 电路图的绘制：根据简化后的逻辑表达式，使用逻辑门符号绘制出最终的电路图。 常见的组合逻辑电路实例包括： 编码器（Encoder）：将多个输入信号编码成一个较少的输出信号。例如，一个8选1编码器，有8个输入，但只需要3个输出就能表示出哪一个输入有效。 译码器（Decoder）：与编码器相反，将一个较少的输入信号译成多个输出信号。例如，一个3线-8线译码器，有3个输入，可以控制8个不同的输出中的一个。译码器在地址译码、指令译码等领域有着广泛应用。 多路选择器（Multiplexer, MUX）：也称为数据选择器。它有多个数据输入端、一个选择控制端和一个数据输出端。根据选择控制端的输入，可以将多个数据输入中的一个选通到输出端。多路选择器在数据路由、信号选择等方面非常有用。 全加器（Full Adder）：用于实现二进制加法运算。它接收三个输入：两个加数和一个来自低位的进位，并产生两个输出：和数和向高位的进位。多个全加器级联便可实现多位二进制加法器。 组合逻辑电路的设计与分析是理解数字系统如何根据输入做出响应的关键。掌握这些原理，就如同掌握了构建逻辑世界的“蓝图”。 第三章：时序逻辑电路的设计与分析 与组合逻辑电路不同，时序逻辑电路的输出不仅取决于当前的输入，还取决于电路之前的状态。这意味着时序逻辑电路具有“记忆”功能，能够存储信息。这一特性使得时序逻辑电路能够实现更复杂的任务，如计数、存储数据、状态机的控制等。 实现“记忆”功能的核心元件是触发器（Flip-Flop）。触发器是最基本的时序逻辑单元，它可以在特定时钟信号的作用下，根据输入信号的状态，改变自身的输出状态，并保持该状态直到下一次有效时钟触发。常见的触发器有： SR触发器（Set-Reset Flip-Flop）：有两个输入S（置位）和R（复位），有两个输出Q（当前状态）和Q'（非当前状态）。S=1时，Q=1；R=1时，Q=0。 JK触发器（JK Flip-Flop）：SR触发器的改进，具有更灵活的功能。J=1, K=0时，Q=1；J=0, K=1时，Q=0；J=1, K=1时，Q的状态翻转（Q'=Q）。 D触发器（Delay Flip-Flop）：只有一个数据输入D和一个时钟输入。在时钟上升沿（或下降沿）触发时，Q的状态会等于D的状态。D触发器是构成寄存器和移位寄存器的基本单元。 T触发器（Toggle Flip-Flop）：当输入T=1时，触发器在每次时钟触发时翻转状态；当T=0时，状态保持不变。 在时序逻辑电路中，时钟（Clock）信号扮演着至关重要的角色。时钟是一个周期性的脉冲信号，它为电路提供同步的触发信号，确保电路在合适的时间点进行状态的更新。 基于触发器，我们可以构建各种时序逻辑电路： 寄存器（Register）：由一组触发器组成，用于存储多位二进制数据。例如，一个8位的寄存器可以同时存储8个比特的数据。 移位寄存器（Shift Register）：一种特殊的寄存器，其存储的数据可以在时钟信号的驱动下，向左或向右移动。移位寄存器常用于串并转换、数据延迟等。 计数器（Counter）：用于对时钟脉冲进行计数。计数器可以实现递增、递减或按预设序列计数的功能。根据计数方式，分为同步计数器和异步计数器。 状态机（Finite State Machine, FSM）：一种数学模型，用于描述一个系统在不同状态之间的转换。状态机由一系列状态、状态之间的转换以及触发转换的条件组成。它们是控制复杂数字系统的核心。 时序逻辑电路的设计与分析，需要关注状态的转移、时钟的同步以及时序的约束。理解了这些，我们就能设计出能够执行复杂序列操作的数字系统。 第四章：集成电路（IC）与现代数字系统 我们今天所使用的绝大多数数字电路，并非由分立的逻辑门和触发器搭建而成，而是高度集成的集成电路（Integrated Circuit, IC）。集成电路是将大量的晶体管、电阻、电容等电子元件，通过微电子技术，集成在一块小小的半导体芯片上。 根据集成度的高低，集成电路可以分为： 小规模集成电路（Small Scale Integration, SSI）：集成度较低，通常包含几十个甚至更少的逻辑门。 中规模集成电路（Medium Scale Integration, MSI）：集成度适中，包含几十到几百个逻辑门，如常用的编码器、译码器、计数器等。 大规模集成电路（Large Scale Integration, LSI）：集成度较高，包含数千到数万个逻辑门。 超大规模集成电路（Very Large Scale Integration, VLSI）：集成度极高，包含数十万到数百万甚至数十亿个逻辑门。微处理器、存储器等都属于VLSI。 集成电路的出现，极大地提高了数字系统的性能、可靠性，并降低了成本和功耗。现代计算机的中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）、存储芯片（RAM、ROM）等，都是高度复杂的VLSI芯片。 数字电路与逻辑设计在现代科技中无处不在： 计算机系统：CPU的核心就是由亿万个逻辑门组成的复杂组合逻辑和时序逻辑电路，负责执行指令、进行运算。内存、硬盘控制器等也高度依赖数字电路。 通信系统：手机、路由器、基站等通信设备，其信号处理、数据编码、调制解调等都离不开数字电路。 消费电子：电视、空调、洗衣机、数码相机等，其控制面板、信号处理、用户界面等都运用了数字电路技术。 工业控制：自动化生产线、机器人、PLC（可编程逻辑控制器）等，都需要精确的数字逻辑控制。 人工智能与机器学习：训练和运行复杂的AI模型，需要强大的计算能力，而这正是基于高性能的数字集成电路所实现的。 结语 数字电路与逻辑设计，作为信息时代的基石，其重要性不言而喻。从最基础的二进制编码到复杂的集成电路设计，我们看到了人类如何通过对“开”与“关”的巧妙运用，构建出能够处理海量信息、实现复杂功能的数字世界。掌握这一领域的知识，不仅能帮助我们更深刻地理解现代科技的运作原理，更能为投身于信息技术创新与发展奠定坚实的基础。这趟探索数字逻辑世界的旅程，既充满了挑战，也蕴含着无限的可能。

评分☆☆☆☆☆

这本《数字电路与逻辑设计》真是让人眼前一亮，尤其是在我接触到更深层次的微处理器架构之后，回过头来看这本书的基础讲解，真是佩服作者们对概念的梳理能力。它不像有些教材那样，上来就抛出一堆复杂的公式和真值表，而是非常注重从最基本的逻辑门原理出发，循序渐进地构建起整个数字系统的知识体系。我记得第一次尝试理解卡诺图化简时，感到异常吃力，但书中的图文并茂的解释，特别是那些精心设计的实例，让我豁然开朗。它没有停留在理论的层面，而是通过大量的实际应用案例，比如简单的计数器设计、译码器的实现等，将抽象的逻辑转化为具体的电路功能。这种教学方法极大地激发了我对硬件底层逻辑的兴趣，让我明白了每一个“0”和“1”背后所蕴含的工程智慧。特别是对时序逻辑的讲解，清晰地阐述了触发器的状态转移和同步异步控制，这对于后续学习状态机设计至关重要。整体而言，这本书的知识深度和广度把握得恰到好处，是打牢数字电路基础的绝佳读物。

评分☆☆☆☆☆

如果让我用一个词来形容这本书给我的感受，那就是“系统性”。很多关于组合逻辑和时序逻辑的讲解，往往是相互割裂的，但这本书巧妙地将两者融合，通过一个完整的例子串联起来，展示了从基本的与非门到实现一个完整数据通路控制单元的演进过程。特别是书中对有限状态机（FSM）的阐述，无论是米利（Mealy）还是穆尔（Moore）模型，讲解得非常透彻，并且非常直观地展示了状态图到电路图的转换过程。这种由浅入深、层层递进的结构，让我得以建立起一个清晰的知识框架。我不再是零散地记住几个电路模块，而是开始理解它们如何作为积木，共同搭建起复杂的数字大脑。这种结构化的学习体验，极大地提高了我的学习效率，它教会我的不仅仅是电路知识，更是一种解决复杂工程问题的结构化思路。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙述风格非常严谨，带着一种老派工科教材特有的扎实感，但这并非意味着它枯燥乏味。相反，它的严谨性保证了知识的准确性和前瞻性。比如在介绍CMOS逻辑电路时，对不同逻辑族（如TTL和CMOS）的噪声容限和功耗特性的对比分析非常到位，这在现代低功耗设计中依然是重要的考量因素。我注意到书中对异步电路的风险和竞争冒险（Race Condition）问题的讨论，这一点很多初级教材会一带而过，但本书却给予了足够的篇幅进行深入剖析并提供了实际的规避方案，这体现了作者们对数字系统鲁棒性（Robustness）的高度重视。阅读这些部分时，我常常会停下来思考，这些看似微小的设计决策，是如何影响到整个系统在不同环境下的稳定运行的。这种对细节的精雕细琢，使得这本书在理论深度上足以支撑后续深入学习，例如FPGA设计或ASIC验证等方面的内容。

评分☆☆☆☆☆

初次翻阅此书时，我略微担心其年代感可能会让内容显得陈旧，毕竟数字电路技术发展日新月异。然而，事实证明，对于基础理论而言，经典就是永恒的。这本书对布尔代数、逻辑门、以及存储单元这些基石内容的讲解，扎实到几乎可以作为参考手册来使用。虽然芯片制造工艺的参数在不断更新，但本书所教授的逻辑设计原理、优化方法和系统思维模式，却是跨越时代的。例如，书中关于时序约束和时钟域交叉的初步讨论，虽然可能没有覆盖最新的超高速SerDes技术，但其背后的原理和设计哲学，对于理解现代高速同步设计中面临的挑战是至关重要的。这本书成功地做到了，既传授了坚实的传统数字电路知识，又为读者理解现代数字系统设计中的前沿问题打下了不可动摇的理论基础。

评分☆☆☆☆☆

说实话，这本书的排版和习题设计是我个人非常欣赏的一点。很多教材内容堆砌得密密麻麻，阅读体验极差，但陈老师他们的这本教材在视觉引导上做得相当到位。每一章节的结构划分都非常清晰，关键定义用粗体突出，公式推导过程条理分明，即便是需要反复查阅的复杂组合电路分析，也能很快定位到关键步骤。更让我感到惊喜的是配套的实验指导部分（虽然我没有实际操作，但光看文字描述就受益匪浅）。它似乎在努力弥合理论学习与实际动手之间的鸿沟，很多习题并非简单的公式代入，而是要求读者进行系统级的思考，比如如何用已知的逻辑模块去实现一个更复杂的计算单元。这对于培养工程师的系统思维能力至关重要。我感觉作者们不仅仅是想教会我们“怎么做”，更是在引导我们思考“为什么这样设计会更优”。这种注重方法论的讲解方式，让这本书超越了普通教材的范畴，更像是一位经验丰富的老工程师在传授心法。