数字电子技术

宋静、男、45岁、2001年6月毕业于华中科技大学机械科学与工程学院机械电子工程专业、取得工学硕士学位。同年7月开始在安庆师范学院计算机系工作，主要担任《计算机组成原理》《计算机系统结构》《数字电子技术》《单片机原理与应用》《微机原理与接口技术》《计算机基础》等课程的教学与实验指导工作。2004年担任计算机系统结构教研室主任，2008年12月被评、聘为副教授。共发表论文数十篇，主持、参与省级、省厅级、局级、校级科研和教研项目若干。目前主要研究方向为嵌入式系统和网络安全。

钱萌，安徽省省级教学名师，主要通信工程等相关领域的教学、研究工作，主讲《数字电子技术》《微机原理与接口技术》等课程。在《重庆大学学报（自然科学版）》等刊物上公开发表论文20多篇；主持安徽省精品资源共享课程《数字电子技术》、教育部产学合作协同育人项目（201801037123）、安徽省高等学校省级重点教学研究项目（2007jyxm085）等；获安徽省教学成果奖省级三等奖4项。

董小明，安徽怀宁人，1977年11月出生，博士，教授，硕士生导师，主要从事机器视觉与智能控制方面的研究。公开发表学术论文多篇，出版专著1部，主持（参与）省级以上教科研项目多项。

第1章数字电路概论

1.1数字电路

1.2数字信号

1.3数制与编码

第2章逻辑代数基础

2.1逻辑值与逻辑运算

2.2逻辑函数及其表示方法

2.3逻辑代数基本公式和规则

2.4逻辑函数表达式的标准形式

2.5逻辑函数的卡诺图化简法

2.6逻辑电平的描述

第3章逻辑门电路

3.1逻辑门电路简介

3.2CMOS逻辑门电路

3.3CMOS门电路的电气特性

3.4门电路使用的若干工程问题

第4章 组合逻辑电路

4.1组合逻辑电路的分析

4.2组合逻辑电路的设计

4.3组合逻辑电路中的竞争冒险

4.4常用组合逻辑器件

第5章锁存器与触发器

5.1概述

5.2锁存器

5.3触发器

第6章时序逻辑电路

6.1时序逻辑电路概述

6.2同步时序逻辑电路的分析

6.3同步时序逻辑电路的设计

6.4异步时序逻辑电路的分析

6.5常用的时序逻辑器件

第7章硬件描述语言与数字系统设计基础

7.1硬件描述语言概述

7.2Verilog HDL

7.3数字系统设计基础

参考文献

1.1数字电路

1.1.1数字电路的分类及特点

1.数字电路的分类

（1）按电路逻辑功能分，可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。

①组合逻辑电路：输出只与当时的输入有关，与电路原来的状态没有关系。例如，编码器、译码器、加法器、比较器、数据选择器。

②时序逻辑电路：输出不仅与当时的输入有关，还与电路原来的状态有关。例如，触发器、计数器、寄存器。

（2）按电路所用的器件分，可分为双极型电路和单极型电路。

①双极型电路：TTL、ECL。

②单极型电路：NMOS、PMOS、CMOS。

（3）按电路有无集成元器件分，可分为分立元件数字电路和集成数字电路。

集成电路的分类如表1-1所示。

2.数字电路的特点

数字电路处理的信号包括反映数值大小的数字量信号和反映事物因果关系的逻辑量信号，它们是在时间上和数值上都不连续变化的离散信号，在数字电路中用高、低电平表示，在运算中则用“0”和“1”来表示，因此数字电路具有以下特点：

（1）数字电路所研究的问题是输入的高、低电平与输出的高、低电平之间的因果关系，称为逻辑关系。

（2）研究数字电路逻辑关系的主要工具是逻辑代数。在数字电路中，输入信号也称为输入变量，输出信号称为输出变量，也称逻辑函数，它们均为二值量，非“0”即“1”。逻辑函数为二值函数，逻辑代数概括了二值函数的表示方式、运算规律及变换规律。

（3）因为数字电路的输入和输出变量都只有两种状态，所以组成数字电路的半导体器件绝大多数工作在开关状态。当它们导通时相当于开关闭合，当它们截止时相当于开关断开。

（4）数字电路不仅可以对信号进行算术运算，还能够进行逻辑判断，即具有一定的逻辑运算能力，这就使它能在数字计算机、数字控制、数据采集和处理及数字通信等领域中获得广泛的应用。

（5）因为数字电路的主要研究对象是电路的输入和输出之间的逻辑关系，所以数字电路也称为逻辑电路。它的一套分析方法也与模拟电路不同，采用的是逻辑代数、真值表、卡诺图、特性方程、状态转换图和时序波形图等。

1.1.2数字电路的发展及应用

1.数字电路的发展

数字电路的发展与模拟电路一样，经历了电子管、半导体分立器件到集成电路的过程。

1854年，英国数学家乔治布尔在他的论文《思维规律的研究》中提出数字式电子系统中的信息用二元数“比特”表示，比特可以被认为是“0”或者“1”两个常量中的一个，这种只有两个数字元素的运算系统被称为二元系统，这个理论以用二元数“1”表示真，以“0”表示伪的概念为基础。直到香农根据布尔代数提出了开关理论，布尔的理论才找到实际的应用。

1906年，美国的Lee De Forest发明了电子管。在这之前造出数字电子计算机是不可能的。这为电子计算机的发展奠定了基础。

1935年，IBM推出IBM601机，这是一台能在一秒内算出乘法的穿孔卡片计算机。

1939年11月，美国的John V.Atanasoff和他的学生Clifford Berry完成了一台16位的加法器，这是第一台真空管计算机。1939年，Zuse和Schreyer开始在他们的Z1计算机的基础上发展Z2计算机，并用继电器改进它的存储和计算单元。1940年，Schreyer利用真空管完成了一个10位的加法器，并使用了氛灯做存储装置。

1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，有了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。实际上数字系统的历史可追溯到17世纪，1624年Blaise Pascal设计了一台机械的数值加法器，1671年德国数学家Gorge Boole发明了一台可进行乘法与除法的机器。但在这之前的计算机都是基于机械运行方式，即使有个别产品开始引进一些电学内容，也都是从属于机械的，还没有进入计……

数字电子技术”是高等院校计算机、电子、电气及控制等专业的一门重要专业基础课，是计算机组成原理、微机原理与接口技术、单片机原理与应用等计算机硬件相关主干课程的先导课程。课程的主要目的是通过数字逻辑理论和基本数字电路结构和原理的介绍，让学生熟悉数字电路的分析和设计方法，为计算机等大型数字电路系统的分析和设计打下坚实的基础。本书内容包括数字电路概述、逻辑代数基础、逻辑门电路、组合逻辑电路、锁存器和触发器、时序逻辑电路、半导体存储器和可编程逻辑器件、脉冲波形的变换与产生、硬件描述语言与数字系统设计概述等部分。数字电路应用广泛，尤其近些年随着智能设备的普及，数字电路的分析和设计中出现了一些新的问题和新的方法，需要将数字电路经典理论和现代设计方法更好的结合起来，以解决当前工程实践中的应用问题；同时国家也制定了《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》，国家急需大量高质量、高素质的芯片设计和制造专业人才。本教材面向计算机、电子、电气及控制等相关工科专业，为后续专业课程的学习打下坚实的基础。