數字電路與數字邏輯

《數字電路與數字邏輯》是2007年北京航空航天大學出版社出版的圖書，作者是張虹。

基本介紹

• 書名：數字電路與數字邏輯
• 作者：張虹
• ISBN：9787811240146
• 定價：28.00 元
• 出版社：北京航空航天大學出版社
• 出版時間：2007年07月
• 開本：16開

內容簡介

本教材知識全面，深入淺出，通俗易懂；在保證理論知識夠用的同時，注重理論聯繫實際，培養學生各方面的能力。

為適應電子資訊時代的新形式和套用型本科院校培養套用型人才的迫切需要，通過教學改革與實踐，作者編寫了這本《數字電路與數字邏輯》。

全書共分10章：邏輯代數基礎，邏輯門電路，組合邏輯電路，觸發器，時序邏輯電路，脈衝波形的產生與整形，數/模、模/數轉換電路，存儲器和可程式邏輯器件，數字電路套用舉例，EDA技術與VHDL。各章均配有經典例題和習題，書後附有習題答案。

本教材適於作為高等院校計算機、電子、通信、機電一體化等專業本科和專科的教科書，也可作為自學考試和電子技術工程人員的自學用書。本教材總學時為54～72學時（不含實驗），專科可在此基礎上適當增加學時。

圖書目錄

第1章 邏輯代數基礎

1.1 概述1

1.1.1 信號與電路1

1.1.2 數字電路的特點1

用數位訊號完成對數字量進行算術運算和邏輯運算的電路稱為數字電路，或數字系統。由於它具有邏輯運算和邏輯處理功能，所以又稱數字邏輯電路。現代的數字電路由半導體工藝製成的若干數字集成器件構造而成。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。從整體上看，數字電路可以分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類。

1.1.3 數字電路的分類2

1.1.4 數字電路的套用2

1.2 數制3

1.2.1 各種數制3

1.2.2 數制轉換5

1.2.3 二進制正、負數的表示法 8

1.3 碼制和常用編碼9

1.3.1 二十進制編碼9

1.3.2 可靠性編碼11

1.3.3 字元碼12

計算機中的信息包括數據信息和控制信息，數據信息又可分為數值和非數值信息。非數值信息和控制信息包括了字母、各種控制符號、圖形符號等，它們都以二進制編碼方式存入計算機並得以處理，這種對字母和符號進行編碼的二進制代碼稱為字元代碼（Character Code）。計算機中常用的字元編碼有ASCII碼（美國標準信息交換碼）和EBCDIC碼（擴展的BCD交換碼）。

1.4 邏輯代數13

邏輯運算又稱布爾運算 布爾用數學方法研究邏輯問題，成功地建立了邏輯演算。他用等式表示判斷，把推理看作等式的變換。這種變換的有效性不依賴人們對符號的解釋，只依賴於符號的組合規律 。這一邏輯理論人們常稱它為布爾代數。20世紀30年代，邏輯代數在電路系統上獲得套用，隨後，由於電子技術與計算機的發展，出現各種複雜的大系統，它們的變換規律也遵守布爾所揭示的規律。邏輯運算 (logical operators) 通常用來測試真假值。最常見到的邏輯運算就是循環的處理，用來判斷是否該離開循環或繼續執行循環內的指令。

1.4.1 邏輯變數與邏輯函式13

邏輯變數(logical tracing)

又稱“布爾變數”或“二值變數”。

指只取真值或假值的變數。

邏輯變數的取值只有“0”和“1”兩個值，它們分別代表兩種成對出現的邏輯概念，如：“是”和“否”、“有”和“無”、“高”和“低”、“真”和“假”等。

邏輯變數及基本邏輯運算

邏輯函式(logical function)是數字電路(一種開關電路)的特點及描述工具，輸入、輸出量是高、低電平，可以用二元常量(0，1)來表示，輸入量和輸出量之間的關係是一種邏輯上的因果關係。仿效普通函式的概念，數字電路可以用邏輯函式的的數學工具來描述。

F=f(Al，A2，…，An)

其中：Al，A2，...，An為輸入邏輯變數，取值是0或l；

F為輸出邏輯變數，取值是0或l；

F稱為Al，A2，...，An的輸出邏輯函式。

1.4.2 基本邏輯運算14

1.4.3 複合邏輯運算16

1.4.4 幾個概念17

1.5 邏輯函式的表示方法及其相互轉換18

1.5.1 真值表18

1.5.2 邏輯表達式19

1.5.3 邏輯圖21

1.5.4 波形圖21

1.5.5 卡諾圖22

1.6 邏輯代數的基本公式、定律和規則23

1.6.1 基本公式23

1.6.2 基本定律23

1.6.3 基本規則25

1.7 邏輯函式的化簡26

1.7.1 最簡的概念及最簡表達式的幾種形式26

1.7.2 邏輯函式的公式化簡法27

1.7.3 邏輯函式的卡諾圖化簡法28

1.7.4 具有無關項的邏輯函式的化簡30

本章小結33

習題1 34

第2章 邏輯門電路

邏輯門（Logic Gates)是在積體電路(Integrated Circuit)上的基本組件。簡單的邏輯門可由電晶體組成。這些電晶體的組合可以使代表兩種信號的高低電平在通過它們之後產生高電平或者低電平的信號。高、低電平可以分別代表邏輯上的“真”與“假”或二進制當中的1和0，從而實現邏輯運算。常見的邏輯門包括“與”門，“或”門，“非”門，“異或”門(Exclusive OR gate)（也稱：互斥或）等等。邏輯門可以組合使用實現更為複雜的邏輯運算。

2.1 半導體器件的開關特性38

2.1.1 半導體二極體的開關特性38

2.1.2 半導體三極體的開關特性40

2.1.3 MOS管的開關特性42

2.2 分立元件門電路43

2.2.1 二極體與門43

二極體又稱晶體二極體,簡稱二極體(diode)，另外，還有早期的真空電子二極體；它是一種具有單向傳導電流的電子器件。在半導體二極體內部有一個PN結兩個引線端子，這種電子器件按照外加電壓的方向，具備單向電流的轉導性。一般來講，晶體二極體是一個由p型半導體和n型半導體燒結形成的p-n結界面。在其界面的兩側形成空間電荷層，構成自建電場。當外加電壓等於零時，由於p-n 結兩邊載流子的濃度差引起擴散電流和由自建電場引起的漂移電流相等而處於電平衡狀態，這也是常態下的二極體特性。

2.2.2 二極體或門44

2.2.3 三極體非門（反相器）44

2.3 集成TTL門電路45

2.3.1 集成TTL與非門45

2.3.2 集成TTL非門、或非門、集電極開路門和三態門50

2.3.3 改進型集成TTL門電路——抗飽和TTL門電路56

2.3.4 集成TTL門電路的使用規則58

2.4 集成MOS門電路59

2.4.1 集成CMOS門電路59

2.4.2 集成CMOS門電路及其使用規則61

2.4.3 集成TTL與集成MOS門電路之間的接口技術64

本章小結65

習題2 65

第3章 組合邏輯電路

3.1 組合邏輯電路概述70

組合邏輯電路是指在任何時刻，輸出狀態只決定於同一時刻各輸入狀態的組合，而與電路以前狀態無關，而與其他時間的狀態無關。其邏輯函式如下：

Li=f（A1，A2，A3……An） (i=1，2，3…m)

其中，A1~An為輸入變數，Li為輸出變數。

組合邏輯電路的特點歸納如下：

① 輸入、輸出之間沒有返饋延遲通道；

② 電路中無記憶單元。

對於第一個邏輯表達公式或邏輯電路，其真值表可以是惟一的，但其對應的邏輯電路或邏輯表達式可能有多種實現形式，所以，一個特定的邏輯問題，其對應的真值表是惟一的，但實現它的邏輯電路是多種多樣的。在實際設計工作中，如果由於某些原因無法獲得某些門電路，可以通過變換邏輯表達式變電路，從而能使用其他器件來代替該器件。同時，為了使邏輯電路的設計更簡潔，通過各方法對邏輯表達式進行化簡是必要的。組合電路可用一組邏輯表達式來描述。設計組合電路直就是實現邏輯表達式。要求在滿足邏輯功能和技術要求基礎上，力求使電路簡單、經濟、可靠、實現組合邏輯函式的途徑是多種多樣的，可採用基本門電路，也可採用中、大規模積體電路。其一般設計步驟為：

① 分析設計要求，列真值表；

② 進行邏輯和必要變換。得出所需要的最簡邏輯表達式；

③ 畫邏輯圖。

3.1.1 組合邏輯電路的特點70

3.1.2 組合邏輯電路的一般分析方法71

3.1.3 組合邏輯電路的一般設計方法72

3.2 常用中規模集成組合邏輯電路74

3.2.1 編碼器74

編碼器（encoder）是將信號（如比特流）或數據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。編碼器把角位移或直線位移轉換成電信號，前者稱為碼盤，後者稱為碼尺。按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種；按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈衝，用脈衝的個數表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關。

3.2.2 解碼器81

解碼器是組合邏輯電路的一個重要的器件，其可以分為：變數解碼和顯示解碼兩類。 變數解碼一般是一種較少輸入變為較多輸出的器件，一般分為2n解碼和8421BCD碼解碼兩類。 顯示解碼主要解決二進制數顯示成對應的十、或十六進制數的轉換功能，一般其可分為驅動LED和驅動LCD兩類。

3.2.3 加法器86

3.2.4 數值比較器90

3.2.5 數據選擇器93

3.2.6 數據分配器98

3.3 組合電路中的競爭冒險100

3.3.1 競爭冒險的概念及產生原因100

3.3.2 競爭冒險的消除方法101

本章小結102

習題3 103

第4章 觸發器

4.1 觸發器概述107

4.1.1 觸發器的功能特點107

4.1.2 觸發器的分類及邏輯功能描述方法107

4.2 基本觸發器108

4.2.1 電路組成及圖形符號108

4.2.2 邏輯功能分析及描述108

4.2.3 套用舉例110

4.2.4 集成基本觸發器111

4.2.5 基本特點112

4.3 同步觸發器112

4.3.1 同步RS觸發器113

4.3.2 同步D觸發器115

4.4 主從觸發器117

4.4.1 主從RS觸發器117

4.4.2 主從JK觸發器119

4.4.3 主從T觸發器和主從T′觸發器122

4.5 邊沿觸發器123

4.5.1 維持阻塞D觸發器123

4.5.2 邊沿JK觸發器125

4.6 不同類型時鐘觸發器間的轉換127

4.6.1 轉換原理127

4.6.2 JK→D，T，T′和RS128

4.6.3 D→JK,T,T′和RS129

4.7 集成觸發器簡介131

本章小節132

習題4 132

第5章 時序邏輯電路

5.1 時序邏輯電路概述137

5.1.1 時序電路的特點137

5.1.2 時序電路邏輯功能的描述方法138

5.1.3 時序電路的一般分析方法138

5.1.4 常用時序電路139

5.2 計數器139

5.2.1 計數器的分類139

5.2.2 同步計數器140

計數器的定義：通過傳動機構驅動計數元件，指示被測量累計值的器件。

按照計數器中的觸發器是否同時翻轉分類，與同步計時器相對應的是異步計數器。

特點：對於同步計數器，由於時鐘脈衝同時作用於各個觸發器，克服了異步觸發器所遇到的觸發器逐級延遲問題，於是大大提高了計數器工作頻率，各級觸發器輸出相差小，解碼時能避免出現尖峰；但是如果同步計數器級數增加，就會使得計數脈衝的負載加重。

5.2.3 異步計數器152

異步計數器（亦稱波紋計數器，行波計數器）：

分類：計數器按計數脈衝的輸入方式可分為：同步計數器和異步計數器。

實現方法：

（1）同步計數器：實現是將計數脈衝引至所有的觸發器的CP端，使應翻轉的觸發器能夠同時的翻轉；

（2）異步計數器：實現是不將計數脈衝引至所有的觸發器的CP端，而是將其它的觸發器的輸出引至其他的觸發器的CP端，是不同時發生的。

5.2.4 集成計數器構成N進制計數器的方法155

5.3 暫存器159

5.3.1 數碼暫存器160

5.3.2 移位暫存器161

移位暫存器中的數據可以在移位脈衝作用下一次逐位右移或左移，數據既可以並行輸入、並行輸出，也可以串列輸入、串列輸出，還可以並行輸入、串列輸出，串列輸入、並行輸出，十分靈活，用途也很廣。移位暫存器可以用來暫存代碼，還可以用來實現數據的串列—並行轉換、數值的運算以及數據的處理等。

5.3.3 暫存器的套用164

5.4 順序脈衝發生器168

5.5 時序邏輯電路的設計169

5.5.1 設計方法及步驟170

5.5.2 設計舉例170

本章小節174

習題5 175

第6章 脈衝波形的產生與整形

6.1 概述178

6.1.1 脈衝信號178

脈衝信號是一種離散信號，形狀多種多樣，與普通模擬信號（如正弦波）相比，波形之間在時間 軸不連續（波形與波形之間有明顯的間隔）但具有一定的周期性是它的特點。最常見的脈衝波是矩形波（也就是方波）。脈衝信號可以用來表示信息，也可以用來作為載波，比如脈衝調製中的脈衝編碼調製（PCM），脈衝寬度調製（PWM）等等，還可以作為各種數字電路、高性能晶片的時鐘信號。

所謂脈衝信號表現在平面坐標上就是一條有無數斷點的曲線,也就是說在周期性的一些地方點的極限不存在,比如鋸齒波,也有電腦里用到的數字電路的信號,0,1。脈衝信號,也就是像脈搏跳動這樣的信號，相對於直流，斷續的信號，如果用水流形容，直流就是把龍頭一直開著淌水，脈衝就是不停的開關龍頭形成水脈衝。

你把手電打開燈亮，這是直流，你不停的開關燈亮、熄，就形成了脈衝，開關速度的快慢就是脈衝頻率的高低。

6.1.2 脈衝信號的參數178

6.2 555定時器179

6.2.1 電路結構179

6.2.2 基本功能181

6.3 單穩態觸發器181

6.3.1 555定時器構成的單穩態觸發器181

6.3.2 集成單穩態觸發器182

6.3.3 套用舉例185

6.4 多諧振盪器185

6.4.1 555定時器構成的多諧振盪器186

6.4.2 套用舉例187

6.5 施密特觸發器188

6.5.1 555定時器構成的施密特觸發器189

6.5.2 集成施密特觸發器190

6.5.3 套用舉例191

本章小結193

習題6 193

第7章 數/模、模/數轉換電路

7.1 D/A轉換器196

7.1.1 D/A轉換原理196

7.1.2 倒T形電阻網路D/A轉換器197

7.1.3 D/A轉換器的主要技術指標199

7.1.4 集成DAC201

7.2 A/D轉換器204

7.2.1 A/D轉換的一般步驟204

7.2.2 取樣保持電路206

7.2.3 逐次漸近型A/D轉換器207

7.2.4 雙積分型A/D轉換器209

7.2.5 A/D轉換器的主要技術指標210

7.2.6 集成ADC211

本章小結213

習題7 214

第8章 存儲器和可程式邏輯器件

8.1 概述216

8.1.1 存儲器216

存儲器（Memory）是計算機系統中的記憶設備，用來存放程式和數據。計算機中全部信息，包括輸入的原始數據、電腦程式、中間運行結果和最終運行結果都保存在存儲器中。它根據控制器指定的位置存入和取出信息。有了存儲器，計算機才有記憶功能，才能保證正常工作。按用途存儲器可分為主存儲器（記憶體）和輔助存儲器（外存）,也有分為外部存儲器和內部存儲器的分類方法。外存通常是磁性介質或光碟等，能長期保存信息。記憶體指主機板上的存儲部件，用來存放當前正在執行的數據和程式，但僅用於暫時存放程式和數據，關閉電源或斷電，數據會丟失。

構成存儲器的存儲介質，目前主要採用半導體器件和磁性材料。存儲器中最小的存儲單位就是一個雙穩態半導體電路或一個CMOS電晶體或磁性材料的存儲元，它可存儲一個二進制代碼。由若干個存儲元組成一個存儲單元，然後再由許多存儲單元組成一個存儲器。一個存儲器包含許多存儲單元，每個存儲單元可存放一個位元組（按位元組編址）。每個存儲單元的位置都有一個編號，即地址，一般用十六進制表示。一個存儲器中所有存儲單元可存放數據的總和稱為它的存儲容量。假設一個存儲器的地址碼由20位二進制數（即5位十六進制數）組成，則可表示2的20次方，即1M個存儲單元地址。每個存儲單元存放一個位元組，則該存儲器的存儲容量為1MB。

8.1.2 可程式邏輯器件217

8.2 存儲器及其套用217

8.2.1 隨機存取存儲器RAM217

RAM（random access memory）隨機存儲器。存儲單元的內容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲單元的位置無關的存儲器。這種存儲器在斷電時將丟失其存儲內容，故主要用於存儲短時間使用的程式。 按照存儲信息的不同，隨機存儲器又分為靜態隨機存儲器（Static RAM,SRAM)和動態隨機存儲器（Dynamic RAM,DRAM)。

所謂“隨機存取”，指的是當存儲器中的數據被讀取或寫入時，所需要的時間與這段信息所在的位置或所寫入的位置無關。相對的，讀取或寫入順序訪問（Sequential Access）存儲設備中的信息時，其所需要的時間與位置就會有關係（如磁帶）。

現代的隨機存取存儲器幾乎是所有訪問設備中寫入和讀取速度最快的，取存延遲也和其他涉及機械運作的存儲設備相比，也顯得微不足道。

需要刷新（再生）

現代的隨機存取存儲器依賴電容器存儲數據。電容器充滿電後代表1(二進制)，未充電的代表0。由於電容器或多或少有漏電的情形，若不作特別處理，數據會漸漸隨時間流失。刷新是指定期讀取電容器的狀態，然後按照原來的狀態重新為電容器充電，彌補流失了的電荷。需要刷新正好解釋了隨機存取存儲器的易失性。

對靜電敏感

正如其他精細的積體電路，隨機存取存儲器對環境的靜電荷非常敏感。靜電會干擾存儲器內電容器的電荷，引致數據流失，甚至燒壞電路。故此觸碰隨機存取存儲器前，應先用手觸摸金屬接地。

8.2.2 唯讀存儲器ROM222

英文簡稱ROM。ROM所存數據，一般是裝入整機前事先寫好的，整機工作過程中只能讀出，而不像隨機存儲器那樣能快速地、方便地加以改寫。ROM所存數據穩定 ，斷電後所存數據也不會改變；其結構較簡單，讀出較方便，因而常用於存儲各種固定程式和數據。

除少數品種的唯讀存儲器（如字元發生器）可以通用之外，不同用戶所需唯讀存儲器的內容不同。為便於使 用和大批 量 生產 ，進一步發展了可程式唯讀存儲器（PROM）、可擦可程式序唯讀存儲器（EPROM）和電可擦可程式唯讀存儲器（EEPROM）。例如早期的個人電腦如Apple II或IBM PC XT/AT的開機程式（作業系統）或是其他各種微電腦系統中的軔體（Firmware）。

8.3 可程式邏輯器件PLD226

8.3.1 PLD的基本結構226

8.3.2 PLD的分類227

8.3.3 PLD的套用228

本章小結231

習題8 232

第9章 數字電路套用舉例

9.1 微控制器報警編碼電路235

9.2 串列數值比較器235

9.3 串列加法器237

9.4 波形發生和變換電路238

9.5 定時預警電路242

9.6 數字搶答器243

9.7 數字頻率計247

9.8 交通信號燈250

9.9 霓虹燈顯示控制電路253

本章小結257

習題9 257

第10章 EDA技術與VHDL

10.1 VHDL編程思想259

10.2 VHDL語言程式的基本結構260

10.2.1 實體說明260

10.2.2 結構體說明261

10.3 VHDL語言中的數據262

10.3.1 標識符262

10.3.2 數據對象263

10.3.3 數據類型265

10.3.4 VHDL的運算操作符266

10.4 VHDL語句267

10.4.1 順序描述語句268

10.4.2 並行描述語句271

10.5 VHDL編程舉例274

10.5.1 用VHDL描述基本門電路274

10.5.2 用VHDL描述組合邏輯電路276

10.5.3 用VHDL描述時序邏輯電路279

本章小結282

習題10 282

習題參考答案

參考文獻