数字电路与系统设计

本书基于编者多年教学经验编写而成。

虽然现代集成电路技术的发展迅速，数字集成电路的功能越来越强大，但其应用基础还是传统的数字电路的内容。本着加强基础的原则，本书在重点讲述数字电路的分析与设计方法之外，还简要介绍了电子信息类专业学生应该具备的数制与编码、逻辑门电路基础、波形的产生与整形、数模/模数转换及现代广泛应用的可编程器件方面的知识。只有打牢基础，才能在实践中学习、掌握新器件的使用方法，从而在求职、开发新产品等领域的竞争中立于不败之地。

绝大多数半导体生产厂商发布的数据手册、可编程器件的开发工具、数字系统的软件仿真工具等都采用了传统的符号系统。本着教学与实际相结合的原则，本书采用了传统的符号系统，以方便读者与半导体生产厂商的数据手册对接。

为方便双语教学，书中给出了部分所涉及专业术语的英文名称。对于摘自英文资料的部分插图，未进行翻译和规范化处理。

本书给出了丰富的例题，每一章后的习题都比较丰富，以便于读者自学。

本书第1章、第5章、第6章、第9章、第10章和第11章由丁志杰编写，第2章、第4章、第7章由赵宏图编写，第3章、第8章由张延军编写。丁志杰负责全书的组织、策划、统稿和定稿工作。

由于编者水平有限，加上时间仓促，书中难免会有欠妥之处，敬请读者批评指正。

编者2020年10月于北京

本书在内容和结构上进行了精心的选择和编排，进一步减少了小规模数字集成电路的内容，突出了中、大、超大规模数字集成电路的应用和数字系统设计，电子设计自动化等内容，既兼顾了数字电路的基本理论和经典内容。

丁志杰,北京理工大学副教授，从事《数字电路》教学多年，有丰富的教学经验和教材编写经验。

第1章  数制与编码

1.1  数制

1.2  数制转换

1.2.1  二进制、八进制、十六进制到十进制的转换

1.2.2  二进制、八进制、十六进制之间的转换

1.2.3  十进制到二进制、八进制、十六进制的转换

1.3  二进制符号数的表示方法

1.3.1  原码表示法

1.3.2  反码表示法

1.3.3  补码表示法

1.3.4  符号数小结

1.4  二十进制编码(BCD码)

1.5  格雷码

1.6  ASCII符

1.7  奇偶检错码和奇偶纠错码

1.7.1  奇偶检错码

1.7.2  奇偶纠错码

本章小结

本章习题

第2章  逻辑代数基础

2.1  概述

2.1.1  事物的二值性

2.1.2  布尔代数

2.2  逻辑变量和逻辑函数

2.2.1  基本的逻辑运算和逻辑变量

2.2.2  逻辑函数

2.2.3  逻辑函数与逻辑电路的关系

2.3  逻辑代数的基本运算规律

2.3.1  逻辑代数的基本定律

2.3.2  3个重要规则

2.3.3  逻辑代数的基本定理

2.3.4  复合逻辑运算和复合逻辑门

2.4  逻辑函数的两种标准形式

2.4.1  小项和项

2.4.2  标准表达式和真值表

2.5  逻辑函数的代数化简法

2.5.1  化简逻辑函数的意义及化简方法

2.5.2  代数化简法

2.6  逻辑函数的卡诺图化简法

2.6.1  卡诺图(K图)

2.6.2  小项的合并规律

2.6.3  用卡诺图化简逻辑函数

2.6.4  多输出逻辑函数的卡诺图化简法

2.7  非完全描述逻辑函数

2.7.1  非完全描述逻辑函数概述

2.7.2  利用无关项化简非完全描述逻辑函数

2.8  逻辑函数的描述

2.8.1  逻辑函数的描述方法

2.8.2  逻辑函数描述方法之间的转换

2.9  逻辑函数的QM表格化简法

2.9.1  蕴含项，主蕴含项，本质蕴含项

2.9.2  QM化简法推演过程

2.9.3  覆盖过程

2.9.4  非完全描述逻辑函数的QM化简法

本章小结

本章习题

第3章  逻辑门电路

3.1  门电路的主要参数

3.1.1  静态参数

3.1.2  动态参数

3.2  二极管门电路

3.2.1  二极管的开关作用

3.2.2  二极管与门

3.2.3  二极管或门

3.3  TTL门电路

3.3.1  三极管的开关特性

3.3.2  TTL反相器的电路结构和工作原理

3.3.3  TTL反相器的静态特性

3.3.4  TTL反相器的动态特性

3.3.5  其他逻辑的TTL门电路

3.3.6  其他类型的TTL门电路

3.3.7  TTL集成门电路系列

3.4  CMOS门电路

3.4.1  MOS管的开关特性

3.4.2  CMOS反相器的电路结构和工作原理

3.4.3  CMOS反相器的静态特性

3.4.4  CMOS反相器的动态特性

3.4.5  其他逻辑的CMOS门电路

3.4.6  其他类型的CMOS门电路

3.4.7  CMOS集成门电路系列

3.5  TTL与CMOS电路的级联

3.5.1  TTL电路驱动CMOS电路

3.5.2  CMOS电路驱动TTL电路

本章小结

本章习题

第4章  组合逻辑电路

4.1  概述

4.1.1  组合逻辑电路的结构特点

4.1.2  组合逻辑电路的功能特点

4.2  常用数字集成组合逻辑电路

4.2.1  编码器

4.2.2  译码器

4.2.3  加法器

4.2.4  数值比较器

4.2.5  多路选择器和多路分配器

4.3  组合电路逻辑分析

4.3.1  组合电路逻辑分析步骤

4.3.2  组合电路逻辑分析实例

4.4  组合电路逻辑设计

4.4.1  用小规模集成电路(SSI)实现逻辑函数

4.4.2  用中规模集成电路(MSI)实现逻辑函数

4.4.3  一般设计步骤和设计举例

4.5  组合逻辑电路中的竞争与冒险现象

4.5.1  竞争与冒险现象的起因和分类

4.5.2  竞争与冒险现象的识别

4.5.3  消除冒险现象的方法

4.5.4  动态冒险现象

本章小结

本章习题

第5章  锁存器与触发器

5.1  基本RS锁存器

5.1.1  电路结构

5.1.2  功能分析

5.1.3  功能描述

5.1.4  集成基本RS锁存器

5.1.5  防抖动开关

5.1.6  基本RS锁存器存在的问题

5.2  门控RS锁存器

5.2.1  电路结构

5.2.2  功能分析

5.2.3  功能描述

5.2.4  门控RS锁存器的特点

5.3  D锁存器

5.3.1  电路结构

5.3.2  功能分析

5.3.3  D锁存器功能描述

5.3.4  集成D锁存器

5.4  主从式RS触发器

5.4.1  电路结构

5.4.2  功能分析

5.4.3  功能描述

5.5  TTL主从式JK触发器

5.5.1  电路结构

5.5.2  功能分析

5.5.3  功能描述

5.6  TTL维持阻塞式D触发器

5.6.1  电路结构

5.6.2  功能分析

5.6.3  功能描述

5.6.4  集成维持阻塞式D触发器

5.7  CMOS锁存器与触发器

5.7.1  CMOS锁存器

5.7.2  CMOS触发器

5.8  T触发器和T′触发器

5.8.1  T触发器

5.8.2  T′触发器

5.9  触发器的功能转换

5.9.1  状态方程法

5.9.2  驱动表法

5.1  0触发器的动态参数

本章小结

本章习题

第6章  常用时序电路组件

6.1  寄存器

6.1.1  锁存器组成的寄存器

6.1.2  触发器组成的寄存器

6.2  异步计数器

6.2.1  异步二进制加法计数器

6.2.2  脉冲反馈复位(置位)式任意模M异步加法计数器

6.2.3  异步二进制减法计数器

6.2.4  可逆异步二进制计数器

6.2.5  n位异步二进制计数器小结

6.3  同步二进制计数器

6.4  集成计数器

6.4.1  异步2510计数器74LS290

6.4.2  同步二进制计数器74LS161/74LS163

6.4.3  其他集成计数器

6.5  移位寄存器

6.5.1  移位寄存器简介

6.5.2  移位寄存器的应用

6.5.3  多功能移位寄存器74LS194

6.5.4  其他集成移存器

本章小结

本章习题

第7章  时序逻辑电路

7.1  概述

7.1.1  同步时序电路的特点与结构

7.1.2  同步时序电路的别名——同步状态机

7.1.3  同步时序电路的描述方法

7.2  同步时序逻辑电路——状态机的分析

7.2.1  同步时序电路的分析步骤

7.2.2  同步时序电路分析实例

7.3  同步时序逻辑电路——状态机的设计

7.3.1  原始状态图(表)的建立——逻辑抽象

7.3.2  状态化简

7.3.3  状态分配

7.3.4  触发器类型的选择

7.3.5  逻辑方程组的获取

7.4  实用时序逻辑电路的分析与设计

7.4.1  同步计数器和同步分频器

7.4.2  移存型计数器

7.4.3  同步序列信号发生器

7.4.4  阻塞反馈式异步计数/分频器

本章小结

本章习题

第8章  脉冲信号的产生和整形

8.1  概述

8.2  连续矩形脉冲产生电路

8.2.1  环形振荡器

8.2.2  对称式多谐振荡器

8.2.3  石英晶体多谐振荡器

8.3  单稳态触发器

8.3.1  由门电路组成的单稳态触发器

8.3.2  集成单稳态触发器

8.3.3  单稳态触发器的应用

8.4  施密特触发器

8.4.1  由门电路组成的施密特触发器

8.4.2  集成施密特触发器

8.4.3  施密特触发器的应用

8.5  555定时器

8.5.1  555定时器的电路结构与功能

8.5.2  555定时器的应用

本章小结

本章习题

第9章  数模转换与模数转换

9.1  数模转换器

9.1.1  权电阻型DAC

9.1.2  R2R  T形电阻网络DAC

9.1.3  倒T形电阻网络DAC

9.1.4  DAC中的电子开关

9.1.5  单片集成DAC  AD7520及其用法

9.1.6  DAC的主要参数

9.1.7  DAC的应用

9.2  模数转换器

9.2.1  采样保持

9.2.2  量化与编码

9.2.3  并行比较式ADC

9.2.4  计数式ADC

9.2.5  逐次比较式ADC

9.2.6  双积分式ADC

9.2.7  集成ADC举例

9.2.8  ADC的参数

本章小结

本章习题

第10章  存储器及可编程器件概述

10.1  只读存储器ROM

10.1.1  ROM的结构与原理

10.1.2  用ROM实现逻辑函数

10.1.3  现代ROM的行列译码结构

10.1.4  PROM、EPROM、EEPROM

10.1.5  现代ROM的内部结构及ROM的扩展

10.2  随机存取存储器RAM

10.2.1  概述

10.2.2  静态随机存取存储器SRAM

10.2.3  动态随机存取存储器DRAM

10.2.4  用RAM实现逻辑函数

10.3  可编程逻辑器件PLD

10.3.1  可编程逻辑阵列PLA

10.3.2  可编程逻辑器件PAL、GAL

10.3.3  复杂可编程逻辑器件CPLD

10.3.4  现场可编程门阵列FPGA简介 

本章小结

本章习题

第11章  ASM图与系统设计

11.1  寄存器传输级

11.2  算法状态机

11.2.1  ASM图

11.2.2  ASM图举例

11.3  交通灯控制器的设计

11.3.1  系统分析

11.3.2  系统构成

11.3.3  交通灯控制系统的ASM图

11.3.4  控制器的设计

11.3.5  定时器及组合模块的设计

11.3.6  交通灯控制器系统的实现

11.4  数字乘法器的设计

11.4.1  系统分析

11.4.2  总体方案

11.4.3  ASM图

11.4.4  控制器的设计

11.4.5  寄存器及组合模块的设计

11.4.6  数字乘法器的实现

本章小结

本章习题

参考文献

附录  基本逻辑单元符号对照表

本书在内容和结构上进行了精心的选择和编排，进一步减少了小规模数字集成电路的内容，突出了中、大、超大规模数字集成电路的应用和数字系统设计，电子设计自动化等内容，既兼顾了数字电路的基本理论和经典内容。

丁志杰,北京理工大学副教授，从事《数字电路》教学多年，有丰富的教学经验和教材编写经验。