醉染图书数字电路与逻辑设计/万国春97871116245

前言

部分数字逻辑设计基础

章数字逻辑基础2

11几种常用的数制和数制转换2

111数字抽象2

112十进制、二进制、八进制和十六
进制3

113字节8

12二进制算术运算9

121二进制加法和有符号的二进制数9

122原码、反码、补码及其运算11

13几种常用编码14

131几种常见的二—十进制代码14

132格雷码15

133ASCII码15

134奇偶校验码17

135量子编码17

136赫夫曼编码17

习题17

第2章逻辑代数19

21逻辑代数中的基本运算19

211“与”“或”“非”及其复合
逻辑19

212“与或”“或与”表达式22

22逻辑代数的基本定理

221定律

222单变量定理24

2多变量定理25

224定理的明方法26

225等式化简27

逻辑函数及其描述方法29

1逻辑函数29

2逻辑函数的两种标准形式29

逻辑函数的描述方法31

24卡诺图与奎恩麦克拉斯基化简方法34

241卡诺图化简逻辑34

242奎恩麦克拉斯基化简方法40

25具有无关项的逻辑函数及其化简42

251约束项、任意项和逻辑函数式中的
无关项42

252无关项在化简逻辑函数中的
应用44

26多输出逻辑函数的化简与逻辑函数
形式的变换44

261多输出函数的化简44

262不同逻辑函数形式的变换46

习题50
第2部分数字电路基础

第3章逻辑门电路54

31数字逻辑抽象54

311电源电压55

312逻辑电平55

313噪声容限55

314电压传输特与静态约束56

32半导体开关器件及其门电路分析58

321半导体58

322半导体二极管61

3半导体晶体管63

324MOS场效应晶体管66

33CMOS门电路71

331CMOS反相器74

332CMOS逻辑门76

333传输门82

34NMOS和PMOS晶体管84

35TTL门电路89

351晶体管反相器89

352TTL反相器的电路结构和工作
原理89

353TTL反相器特分析90

36未来半导体技术可能的发展方向92

习题93

第4章组合逻辑电路96

41概述96

411组合逻辑电路的基本概念96

412组合逻辑电路的框图及特点96

413组合逻辑电路逻辑功能的表示
方法97

42组合逻辑电路的分析方法97

43组合逻辑电路的基本设计方法98

44组合逻辑电路模块103

441编码器和译码器103

442数据选择器、数据分配器117

443数值比较器119

444加法器1

45时序128

451传播延迟和延迟128

452组合逻辑电路中的“竞争
冒险”129

453毛刺及其处理方法131

46基于Multisim的组合逻辑电路设计
简介132

习题133

第5章时序逻辑与存储电路135

51引言135

52锁存器与触发器136

521SR锁存器136

522电平触发的触发器139

5脉冲触发的触发器142

524边沿触发的触发器146

525触发器的逻辑功其描述
方法148

526触发器的动态特151

527不同逻辑功能触发器之间的
相互转换152

528CD4027芯片介绍152

53时序逻辑电路分析154

531同步逻辑电路分析154

532异步逻辑电路分析158

54常用的时序逻辑电路模块分析161

541移位寄存器161

542器166

543顺序脉冲发生器178

544序列信号发生器180

55时序逻辑电路的设计方法181

551基于集成芯片的任意进制
电路的设计方法181

552同步时序逻辑电路的设计方法184

553异步时序逻辑电路的设计方法187

554时序逻辑电路的自启动设计189

56时序逻辑电路中的“竞争冒险”191

57ROM和RAM192

571半导体存储器的一般结构形式192

572RAM 的结构、类型和工作
原理195

573存储器容量的扩展197

574用PROM实现组合逻辑函数198

习题199

第6章脉冲波形产生与数模转换
电路203

61脉冲波形产生电路203

611描述矩形脉冲的主要参数203

612施密特触发电路204

613集成单稳态触发器206

614多谐振荡电路207

62DA转换器212

621DA转换器的结构和工作原理212

622DA转换器的转换精度与转换
速度219

63AD转换器220

631AD转换的基本原理220

632AD转换器的结构和工作原理222

633AD转换器的转换精度与转换
速度4

习题5
第3部分逻辑设计方法

第7章硬件描述语言VHDL241

71概述241

72VHDL的基础知识242

721VHDL程序的结构242

722VHDL常用资源库中的程序包249

7VHDL的词法单元254

724数据对象和类型257

725表达式与运算符263

73VHDL结构体的描述方式265

731结构体的行为描述265

732结构体的RTL描述267

733结构体的结构化描述269

74结构体的子结构形式272

741进程272

742复杂结构体的多进程组织方法275

743块276

744子程序278

75顺序语句和并发语句281

751顺序语句281

752并发语句290

76VHDL中的信号和信号处理297

761信号的驱动源297

762信号的延迟298

763周期和信号的δ延迟300

764信号的属函数302

765带属函数的信号304

77VHDL的语句309

771ATTRIBUTE描述与定义语句309

772ASSERT语句312

773TEXTIO312

78多 值 逻 辑313

781三态数值模型313

782多值逻辑313

79元 件 例 化316

791设计通用元件316

792构造程序包319

793元件的调用320

710配置321

7101默认配置321

7102元件配置3

7103块的配置326

7104结构体的配置328

习题329

第8章数字逻辑设计基础330

81组合逻辑电路的VHDL设计330

811加法器330

812多路选择器334

813编码器与译码器336

814设计实践340

82时序电路的VHDL设计344

821基础时序逻辑模块345

822器的VHDL设计349

8堆栈与FIFO352

824多边沿触发问题分析355

825设计实践357

83有限状态机的VHDL设计362

831VHDL状态机的一般形式363

832有限状态机的一般设计方法368

833有限状态机的VHDL描述370

834设计实践374

习题377

第9章数字系统设计与FPGA379

91数字系统设计自动化技术379

92数字系统的设计流程380

93基于FPGA的数字系统设计383

931可编程逻辑器件的发展历史383

932基于FPGA的数字系统设计
流程384

94数字系统综合试验386

941直接数字频率合成技术的设计与
实现386

942基于FPGA的FIR数字滤波器的
设计391

943数字下变频器的设计395

附录399

参考文献401

现代科学技术发展日新月异，数字技术已经成为新技术发展的一个重要标志。数字电路除了不能用于模拟信号采集、弱号放大和高频功率放大等局部领域外，它在科学、通信、计算机、自动控制领域的应用越来越广泛，随着数字技术的普及、大数据科学和人工智能的快展和应用，数字技术已成为微、计算机科学和自动控制领域中不可缺少的专业基础知识和技术。

随着微技术的不断进步，数字电路与逻辑系统分析与设计也在快速进步与发展，一般数字系统设计普遍在可编程逻辑器件上进行，设计方法从传统的单纯硬件设计，发展到用计算机软硬件辅设计，本书的内容注重适应数字电路与系统分析和设计技术的发展，适应新一代通信人才培养的需要，同时也注重与本书相关课程内容的前后连贯，突出数字逻辑电路的基础理论、分析方法和设计方法，加强设计例题分析和应用方面的介绍。

全书共分为3部分9章。部分为数字逻辑设计基础，第2部分为数字电路基础，第3部分为逻辑设计方法。具体而言，本书章介绍了几种常用的数制和数制转换、二进制算术运算、几种常用编码。第2章分析了逻辑代数中的基本运算和基本定理、逻辑函数及其描述方法、卡诺图与奎恩麦克拉斯基化简方法、具有无关项的逻辑函数及其化简、多输出逻辑函数的化筒与逻辑函数形式的变换。第3章介绍了数字逻辑抽象、半导体开关器件及其门电路分析、CMOS和TTL门电路、NMOS和PMOS晶体管以及未来半导体技术可能的发展方向。第4章介绍了组合逻辑电路的分析方法和基本设计方法、组合逻辑电路模块和时序问题等。第5章介绍了锁存器与触发器的组成和结构，分析了时序逻辑电路和常用的时序逻辑电路模块、时序逻辑电路的设计方法以及“竞争冒险”、ROM和RAM的结构和工作原理等。第6章介绍了脉冲波形产生电路、DA转换器、AD转换电路的结构和工作原理等。第7章介绍了VHDL结构体的描述方式、结构体的子结构形式、顺序语句和并发语句、VHDL中的信号和信号处理等。第8章讲述了组合逻辑电路和时序电路的VHDL设计方法、有限状态机的VHDL设计，分析了多边沿触发问题。第9章介绍了基于FPGA的数字系统设计过程和方法，以及典型的数字系统综合实验。

本书内容全面系统，除介绍数字电路和逻辑设计方法之外，还结合基础项目实践案例，让读者了解数字电路的相关基础理论以及数字逻辑设计方法，帮读者逐步掌握数字系统设计的基本方法，以满足未来课程基础要求。本书许多逻辑符号采用的靠前上流行的符号，因此在书末附上了逻辑符号国外与国标对照表。

本书可作为高等院校信息类、电气信息类和计算机类专业教材，也可作为相关专业教师、科研人员及数字集成电路设计的学习参考资料。

本书在写作过程中，得到了同济大学科学与技术系教师的许多宝贵的修改意见，对于他们的帮和支持，编者在此表示衷心的感谢!

特别感谢课题组的刘雯静、陈晨晨、李蒙蒙、唐令怡、邝、健及陈怡等，他们在专业技术资料收集、整理、案例分析和验等方面做了大量卓有成效的专业技术工作。

由于编者水平有限，书中具体内容可能有疏漏、欠妥和错误之处，恳请各界读者多加指正，以便今后不断改进。


编者