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本书是根据作者多年教学经验编写而成，在*版的基础上对内容进行了修正和更新。适应对象为高等院校本科电子信息、通信工程、电气工程及自动化、机电工程及计算机科学与技术等专业。数字逻辑电路分析与设计是这些专业的一门必修的、重要的技术基础课，让学生建立对数字系统的基本概念、熟悉常用的基本器件、掌握基本的分析方法，从而掌握实际数字系统的分析和设计能力。
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| 內容簡介： |
本书以数字逻辑为基础，全面介绍了数字电路的基本理论、分析方法、综合方法和实际应用。本书共分8章，第1章介绍数制之间的转换及常用的编码； 第2章介绍逻辑代数及逻辑化简的基本方法； 第3章介绍几个常用的组合逻辑模块的应用； 第4章和第5章介绍时序电路的分析、设计方法和中规模逻辑模块的应用； 第6章介绍数模和模数转换电路； 第7章介绍可编程逻辑器件的原理及应用； 第8章以大量例题为背景介绍硬件描述语言VHDL。每章后面附有相应的习题。
本书可作为高等学校通信、电气、电子信息、计算机、自动化等专业的大学本科教材，也可供其他从事电子技术工作的工程技术人员参考。
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| 目錄：
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目录
第1章数字电路基础
1.1数字信号与数字电路
1.1.1数字信号
1.1.2数字电路
1.2数值
1.2.1各种进制的表示
1.2.2各种进制之间的转换
1.3二值编码
1.3.1带符号数的表示
1.3.2常用的二十进制码
1.3.3n位十进制数的BCD码表示及8421 BCD码的加减法
1.4逻辑关系
1.4.1基本逻辑关系
1.4.2复合逻辑关系
1.5逻辑关系与数字电路
习题1
第2章逻辑函数与组合电路基础
2.1逻辑代数
2.1.1逻辑代数的基本公式
2.1.2逻辑代数的基本规则
2.1.3逻辑函数的公式法化简
2.2逻辑函数的标准形式
2.2.1最小项与最小项表达式
2.2.2最大项与最大项表达式
2.2.3最小项与最大项的关系
2.3卡诺图及其化简
2.3.1卡诺图
2.3.2逻辑函数与卡诺图
2.3.3用卡诺图化简逻辑函数
2.3.4对具有无关项的逻辑函数的化简
2.4组合电路的设计基础
2.4.1编码器的设计
2.4.2译码器的设计
2.4.3数据选择器的设计
2.4.4数值比较器的设计
2.4.52位加法器的设计
习题2
第3章组合逻辑电路设计
3.1集成逻辑电路的电气特性
3.1.1集成电路的主要电气指标
3.1.2逻辑电路的输出结构
3.1.3芯片使用中注意的问题
3.1.4正、负逻辑极性
3.1.5常用门电路
3.2常用组合逻辑模块
3.2.14位并行加法器
3.2.2数值比较器
3.2.3译码器
3.2.4数据选择器
3.2.5总线收发器
3.3应用实例
3.4险象与竞争
3.4.1险象的分类
3.4.2不考虑延迟时的电路输出
3.4.3逻辑险象及其消除
3.4.4功能险象
3.4.5动态险象
习题3
第4章时序电路基础
4.1集成触发器
4.1.1基本RS触发器
4.1.2钟控RS触发器
4.1.3D触发器
4.1.4JK触发器
4.2触发器的应用
4.2.1D触发器的应用
4.2.2JK触发器的应用
4.2.3异步计数器
4.3同步时序逻辑电路
4.3.1时序逻辑电路的基本概念
4.3.2米里型电路的分析举例
4.3.3莫尔型电路分析举例
4.3.4自启动
4.4集成计数器及其应用
4.4.1集成计数器
4.4.2任意模计数器
4.4.3计数器的扩展
4.4.4集成计数器应用举例
4.5集成移位寄存器及其应用
4.5.1集成移位寄存器
4.5.2移位型计数器
4.5.3移位寄存器在数据转换中的应用
习题4
第5章同步时序电路和数字系统设计
5.1同步时序电路的基本设计方法
5.1.1原始状态图和状态表的建立
5.1.2用触发器实现状态分配
5.1.3导出触发器的激励方程和输出方程
5.2用触发器组合状态法设计同步时序逻辑电路
5.2.1写出编码状态表
5.2.2化简触发器激励函数的卡诺图
5.2.3画出逻辑图
5.3用触发器直接状态法设计同步时序逻辑电路
5.3.1触发器状态的直接分配
5.3.2做出逻辑次态表
5.3.3导出各触发器的激励方程和电路的输出方程
5.3.4画出逻辑图
5.4同步时序电路中的时钟偏移
5.4.1时钟偏移现象
5.4.2时钟偏移的后果
5.4.3防止时钟偏移的方法
习题5
第6章集成ADC和DAC的基本原理与结构
6.1集成数模转换器
6.1.1二进制权电阻网络DAC
6.1.2二进制T形电阻网络DAC
6.2DAC的主要技术参数
6.2.1最小输出电压和满量程输出电压
6.2.2分辨率
6.2.3转换误差和产生原因
6.2.4DAC的建立时间
6.3集成模数转换器
6.3.1ADC的处理过程
6.3.2并行型 ADC
6.3.3逐次比较逼近型ADC
6.3.4双积分型ADC
6.4ADC的主要技术参数
习题6
第7章可编程逻辑器件及其应用基础
7.1PLD的基本原理
7.1.1PLD的基本组成
7.1.2PLD的编程和阵列结构
7.1.3PLD的逻辑符号
7.2只读存储器
7.2.1ROM的组成原理
7.2.2ROM在组合逻辑设计中的应用
7.3可编程逻辑阵列
7.3.1组合逻辑PLA电路
7.3.2时序逻辑PLA电路
习题7
第8章硬件描述语言基础
8.1硬件描述语言概述
8.2VHDL语言描述数字系统的基本方法
8.2.1VHDL库和包
8.2.2实体描述语句
8.2.3结构体描述
8.3VHDL中的赋值、判断和循环语句
8.3.1信号和变量的赋值语句
8.3.2IFELSE语句
8.3.3CASE语句
8.3.4LOOP语句
8.3.5NEXT、EXIT语句
8.4进程语句
8.5VHDL设计组合逻辑电路举例
8.6VHDL设计时序逻辑电路举例
8.6.1时钟信号的描述
8.6.2触发器的同步和非同步复位的描述
习题8
主要参考文献
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前言
本书在第1版的基础上对内容进行了修订和更新。适合的读者对象为高等院校本科电子信息、通信工程、电气工程及自动化、机电工程及计算机科学与技术等专业。数字逻辑电路分析与设计是这些专业的一门必修的、重要的技术基础课，让学生建立对数字系统的基本概念、熟悉常用的基本器件、掌握基本的分析方法，从而掌握实际数字系统的分析和设计能力。随着计算机技术、电子技术的迅速发展以及集成电路生产工艺的不断提高，电子产品的更新换代日新月异。为了适应现代电子技术迅速发展的需要，能够较好地面向数字化和专用集成电路的新时代，本书在保证基本概念、基本原理和基本分析方法的前提下，重逻辑，轻电气，压缩了集成电路电气特性的讨论和内部工作原理的分析，突出了综合能力的培养及集成电路逻辑特性和工作特点的介绍。另外，电子设计自动化（EDA）技术是20世纪90年代以后发展起来的，它打破了传统的由固定集成芯片组成数字系统的模式，给数字系统设计带来了革命性的变化。尤其是在集成电路与可编程技术高速发展、数字系统日新月异的今天，电子信息类专业的学生掌握这门新技术十分必要。所以本书除了保留了数字逻辑电路的基本概念和传统设计方法外，还介绍了可编程逻辑技术及硬件描述语言（VHDL）的基本要素，并通过大量实例讲述了采用VHDL语言描述基本的数字电路的方法和过程，为学生掌握EDA技术打下良好的基础。也使读者能更深入地理解数字电路在后续课程中的应用，为面向业界的工程应用人才培养奠定基础。本书是作者从实用角度出发，结合数字逻辑电路的知识体系，根据多年的教学经验，参考众多国内外优秀教材编写而成的。全书共分8章。第1章介绍数字电路基础（数制、码制、基本逻辑关系等），第2章主要介绍逻辑函数的化简及组合逻辑电路的设计方法，第3章主要介绍常用组合逻辑模块的工作原理及其设计逻辑电路的方法，第4章主要介绍同步时序电路的分析方法，以及集成计数器和集成移位计数器在数字系统中的应用，第5章主要介绍使用触发器设计同步时序电路的方法，第6章主要介绍ADCDAC的基本原理及应用，第7章主要介绍可编程逻辑器件及其应用，第8章介绍VHDL的语言基础，并以大量举例来介绍使用VHDL设计数字系统。本书第1章和第2章由马然编写； 第3章由王旭智编写； 第4章由熊小君编写； 第5章和第8章由朱雯君编写； 第6章和第7章由薛雷编写，由熊小君担任主编，负责全书的整理和定稿。由于水平有限，书中难免有一些不足，殷切希望广大读者批评指正。
编者2016年9月
第3章组合逻辑电路设计一般说来，根据输出信号对输入信号响应的不同,逻辑电路可以分为两类： 一类是组合逻辑电路，称为组合电路； 另一类是时序逻辑电路，称为时序电路。在组合逻辑电路中，电路在任一时刻的输出信号仅决定于该时刻的输入信号，而与电路原有的输出状态无关。从电路结构上来看，组合逻辑电路的输出端和
图31组合逻辑电路的结构框图
输入端之间没有反馈回路，其一般结构如图31所示。
对于组合逻辑电路的工程实现，可分为两种情况。第一种情况是，根据已导出的逻辑图，从市场上选用由集成电路制造商提供的集成电路芯片，从而构成具有预定功能的电气装置或部件，例如印刷电路板。第二种情况是，从集成电路设计软件的元件库中，选择相应的门及功能块，进而构成集成电路芯片。无论何种情况，逻辑设计师必然十分熟悉各种实用芯片和功能块的电气特性，以及它们的逻辑功能，从而正确地、灵活地使用它们。本章将依托第一种实现情况，先介绍集成电路的主要电气特性，再介绍常用的组合逻辑模块，进而讨论组合逻辑电路的设计。3.1集成逻辑电路的电气特性市售的集成电路芯片，按制作工艺的不同和工作机理的不同，可分为TTL（晶体管晶体管逻辑）、MOS（金属 氧化物半导体逻辑）和ECL（发射极耦合逻辑）等。在MOS工艺的基础上，发展而来的CMOS（互补MOS逻辑）和TTL这两种集成电路得到了最为广泛的应用。本节主要介绍这两种电路。TTL是出现较早的一种集成电路，在20世纪70到 80年代占有统治地位。按照允许的工作环境，可分为74系列和54系列，一般的工作电压为5V左右。常用的为74系列，工作的温度范围是0～70℃； 54系列可在较大的环境温度范围（-55～125℃）内工作，价格昂贵，主要用于环境条件十分恶劣的一些军用产品中。4000系列是美国半导体公司早期开发的CMOS集成电路，因其功耗小而在过去的一段时间里也得到了较广泛的应用，它的工作电压范围比较宽（5～18V）。后来，又发展了多种类型CMOS电路，例如HC（高速CMOS）、AHC（高级高速CMOS）、AC（高级CMOS）、HCT（与TTL兼容的高速CMOS）、ACT（与TTL兼容的高级CMOS）以及AHCT（与TTL兼容的高级高速CMOS）等类型，它们的工作电压都是5V。由于当时 TTL所表现的优点及市场占有率，在分类和命名规则方面也向TTL靠拢，分为74和54两个系列，采用与TTL相同的功能号，例如74 ACT00等。进入20世纪90年代以后，又发展了低压CMOS电路，例如LV（低压）、LVC（低压CMOS）、ALVC（高级低压CMOS）和ALVT（高级低压工艺）等。LV和LVC的工作电压为3.3V，ALVC和ALVT的工作电压为2.5V。相对而言，TTL的工作速度较快，CMOS的功耗较小，为此把两者集成在同一芯片上，取长补短，便产生了双极型与CMOS的混合工艺BiCMOS工艺。ABT（高级BiCMOS工艺）就是表示采用这一工艺的一类集成电路。近年来，CMOS工艺取得了长足进步，工作速度也越来越高，在LSI和VLSI中，得到了普遍采用。不同工艺的集成电路的电气指标均不尽相同，集成电路手册对各种集成电路芯片的逻辑功能和它们的电气指标都作了详细的说明。现以TTL与非门为例来说明主要电气指标的含义，以便正确选择和使用这些芯片。3.1.1集成电路的主要电气指标1. 输出电压与输入电压
对于如图32（a）所示的2输入与非门，在逻辑上，当ab＝0时，c=1。这时门电路的输出电压vc应为高电平。这一电平的实际值，将因集成电路的工艺不同而不同。对于TTL集成电路而言，空载时理论上约为3.6V。由于电路工作状态的不同，实际值将低于这一数值。人们规定，如果TTL电路的实际电平vc2.4V，则仍认为该集成电路是合格的，否则，将是不合格的。所以2.4V是TTL电路输出高电平时允许的最低电平，用VOH来表示。不同工艺的集成电路的VOH的值在图32中可以查得。
图32集成电路应用
对于图32（a）所示的2输入与非门，在逻辑上，当ab = 1时，c=0。这时门电路的输出电压vc应为低电平。这一电平的实际值，对TTL电路而言，约为0.1V。同样，因为电路工作状态的不同，实际值略高于这一数值。人们规定，如果TTL电路实际电平vc0.4V，则仍认为该集成电路是合格的，否则，将是不合格的。所以0.4V是TTL电路输出低电平时允许的最高电平，记作VOL。不同工艺的集成电路的VOL可从图32中查到。
考察集成电路的输入电压vI。如欲在集成电路的输入端加入逻辑0，即低电平，那么，实际的电平应为多大呢？对于TTL电路而言，vI应小于等于0.8V，记作VIL。VIL是可被集成电路确认为输入低电平的最高电平。与此对应，VIH则是可被集成电路确认为输入高电平的最低电平。TTL电路的VIH=2.0V。图32给出了不同工艺集成电路的VIL和VIH。有时候，把VIL记作VILmax或VILOFF，称为关门电平； 把VIH记作VIHmin或VON，称为开门电平。上述4个指标表明： 当两块集成电路级联时，必然考虑彼此间的电平匹配，仅当前一级芯片的VOH大于后一级的VIH以及前一级芯片的VOL小于后一级的VIL时，才能保证电路在正常条件下正常工作。在图33中给出了一个参数Vth称为阈值电平。Vth是进行粗略估算用的，如果vI＞Vth，则输入为高电平； 反之，输入为低电平。
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