本书是根据教育部高等学校电子类本科指导性专业规范的要求，结合电类专业人才培养新模式的需求而编写的。本书共分9章，系统地介绍了数字电路的基础知识，包括逻辑代数基础、逻辑门电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路、存储器与可编程逻辑器件、脉冲产生和整形电路、数/模和模/数转换电路、EDA技术基础、数字系统设计基础等。另外，本书还介绍了集成电路的产生、发展过程，当前技术水平，未来发展方向等相关知识的背景，以激发学生的求知欲望。
　　本书概念清楚，内容先进，体系合理，在系统介绍基础知识的基础上，突出逻辑器件的功能及应用，用VHDL语言描述基本逻辑电路并采用Multisim软件仿真。每章均安排有小结、思考题、习题、读物，力求做到通俗易懂，便于使用。
　　本书可作为高等院校电气信息类、电子信息类、仪器仪表类及其他相近专业的本科生教材或教学参考书，也可供有关工程技术人员参考。

　　本书具有以下几个特点。
　　(1)突出方法，适应发展。本书体现了近期教改成果，重点介绍通用集成电路的基本原理及特性，略去其内部复杂电路及分析，侧重器件的逻辑功能及输入、输出电气特性，增强了CPLD、FPGA等新型可编程逻辑器件的内容，使学生以此进行实际工程设计与应用的初步训练。
　　(2)书中引入了EDA技术的基础知识，在介绍VHDL语言和Multisim10.0软件的基础上，对主要章节的电路采用VHDL语言描述并用Multisim10.0软件仿真，使学生能够在微机上对典型电路进行功能验证，加深对数字电路的认识，也为后续数字系统设计课程的学习打下必要的基础。考虑到不同学校的需要，这部分作为选学内容，以"*"号标出。
　　(3)本书以"神奇的集成电路"为主线，用读物的形式在各章最后分别介绍电子管、晶体管溯源，集成电路的发明，硅谷的故事，半导体的奥秘，巧夺天工的集成电路制造工艺，用计算机设计集成电路，腾飞的中国芯，微电子技术新领域，未来畅想曲等内容供学生选读，让学生了解相关知识的背景。
　　(4)为便于读者加深理解，书中针对重点、难点内容都设有相应的例题，每章均安排有小结、思考题、习题、读物，力求做到通俗易懂，便于教学。
　　(5)书中各部分内容均从基本概念入手，提供学习数字电路的分析方法和设计方法，通过具体电路系统加以归纳和总结，从而培养学生分析问题、解决问题的能力。

　　随着我国教育改革的不断深入，教育的重点是培养人的创新意识和应用能力已成为共识。本书是根据教育部高等学校电子类本科指导性专业规范的要求，结合电类专业人才培养新模式的需求而编写的。
　　数字电路与逻辑设计作为一门技术基础课，是计算机信息类、电子类、仪器仪表类、机电类等专业的必修课。随着电子科学技术的飞速发展，电子计算机和集成电路获得了广泛的应用，电子技术的发展对科学技术、国民经济和国防各个领域的影响日益深入，数字电路理论和方法在相关专业的地位越来越重要。
　　EDA技术、大规模集成电路，特别是可编程逻辑器件的高速发展，对数字电路课程的教学内容提出了更高的要求。为适应科学技术的发展和社会对人才培养的要求，本书对教学内容进行了整合和充实，精简了分立元件部分，增强了集成逻辑器件的内容，教学重点也从逻辑电路分析转向逻辑电路设计和集成芯片的应用。本书具有以下几个特点。
　　(1)突出方法，适应发展。本书体现了近期教改成果，重点介绍通用集成电路的基本原理及特性，略去其内部复杂电路及分析，侧重器件的逻辑功能及输入、输出电气特性，增强了CPLD、FPGA等新型可编程逻辑器件的内容，使学生以此进行实际工程设计与应用的初步训练。
　　(2)书中引入了EDA技术的基础知识，在介绍VHDL语言和Multisim10.0软件的基础上，对主要章节的电路采用VHDL语言描述并用Multisim10.0软件仿真，使学生能够在微机上对典型电路进行功能验证，加深对数字电路的认识，也为后续数字系统设计课程的学习打下必要的基础。考虑到不同学校的需要，这部分作为选学内容，以"*"号标出。
　　(3)本书以"神奇的集成电路"为主线，用读物的形式在各章最后分别介绍电子管、晶体管溯源，集成电路的发明，硅谷的故事，半导体的奥秘，巧夺天工的集成电路制造工艺，用计算机设计集成电路，腾飞的中国芯，微电子技术新领域，未来畅想曲等内容供学生选读，让学生了解相关知识的背景。
　　(4)为便于读者加深理解，书中针对重点、难点内容都设有相应的例题，每章均安排有小结、思考题、习题、读物，力求做到通俗易懂，便于教学。
　　(5)书中各部分内容均从基本概念入手，提供学习数字电路的分析方法和设计方法，通过具体电路系统加以归纳和总结，从而培养学生分析问题、解决问题的能力。
　　本书由张雪平任第一主编，负责制订编写提纲并全书统稿。赵娟编写第1、2、3章，张雪平编写第4、6章，曾菊容编写第5、9章，杨欣编写第7章，邹云峰编写第8章。
　　在本书的前期编写过程中，杨兴全、李双喜、张玉芝、许振伟、牛慧娟、周妮娜等做了大量的工作，在此一并表示感谢！
　　限于作者水平，书中缺点和错误在所难免，衷心希望选用本书的师生提出批评意见。
　　编者

绪论 1
第1章　逻辑代数基础 5
1.1　概述 5
1.2　数制和码制 6
1.2.1　数制 6
1.2.2　几种常用数制之间的转换 8
1.2.3　码制 11
1.2.4　算术运算和逻辑运算 17
1.3　逻辑代数基础 19
1.3.1　基本逻辑运算 19
1.3.2　逻辑代数的基本公式 25
1.3.3　逻辑代数的基本规则 28
1.3.4　逻辑函数的表示方法 30
1.3.5　逻辑函数的公式化简法 35
1.3.6　逻辑函数的卡诺图化简法 38
1.3.7　具有无关项的逻辑函数
及其化简 47
小结 49
思考题 49
习题 50
读物：神奇的集成电路1--电子管、
晶体管溯源 52
第2章　逻辑门电路 60
2.1　概述 60
2.2　逻辑门电路中的开关器件 62
2.2.1　二极管及其开关特性 62
2.2.2　三极管及其开关特性 62
2.2.3　MOS管及其开关特性 63
2.3　分立元件门电路 64
2.3.1　二极管与门和或门 64
2.3.2　三极管非门 66
2.3.3　MOS管非门 66
2.4　TTL门电路 66
2.4.1　TTL反相器的电路结构
和工作原理 66
2.4.2　TTL反相器的动态特性 72
2.4.3　其他类型的TTL门电路 73
2.4.4　TTL数字集成电路系列 78
2.5　CMOS门电路 82
2.5.1　CMOS反相器的电路结构
和工作原理 82
2.5.2　CMOS与非门和或非门 84
2.5.3　CMOS传输门 85
2.5.4　CMOS三态门和漏极开路门 85
2.5.5　CMOS数字集成电路系列 87
小结 88
思考题 88
习题 89
读物：神奇的集成电路2--集成电路的
发明 94
第3章　组合逻辑电路 97
3.1　概述 97
3.2　组合逻辑电路的分析和设计方法 98
3.2.1　组合逻辑电路的分析方法 98
3.2.2　组合逻辑电路的设计方法 101
3.3　常用组合逻辑器件及应用 103
3.3.1　编码器和译码器 104
3.3.2　数据选择器和数据分配器 116
3.3.3　加法器和数值比较器 119
3.3.4　中规模集成电路实现组合
逻辑函数 123
3.4　组合逻辑电路中的竞争与冒险 126
3.4.1　代数法 127
3.4.2　卡诺图法 128
3.4.3 冒险现象的清除 129
小结 130
思考题 131
习题 132
读物：神奇的集成电路3--硅谷的
故事 135
第4章　时序逻辑电路 141
4.1　概述 141
4.1.1　时序逻辑电路的一般模型
和结构特点 141
4.1.2　时序逻辑电路的类型 142
4.2　触发器 142
4.2.1　基本触发器 143
4.2.2　同步触发器 145
4.2.3　边沿触发器 147
4.2.4　触发器的逻辑功能及其描述
方法 149
4.3　时序逻辑电路的分析方法 155
4.3.1 时序逻辑电路状态的描述 155
4.3.2 时序逻辑电路的分析步骤 158
4.3.3 时序逻辑电路的分析举例 159
4.4　时序逻辑电路的设计方法 162
4.4.1　时序逻辑电路的设计步骤 163
4.4.2　时序逻辑电路的设计举例 165
4.5　时序逻辑电路的竞争与冒险 170
4.5.1 触发器的竞争-冒险 171
4.5.2　时序逻辑电路竞争与冒险的
处理方法 173
4.6　常用时序逻辑器件及应用 173
4.6.1　寄存器和移位寄存器 174
4.6.2　计数器 180
4.6.3　顺序脉冲发生器 196
4.6.4 常用时序逻辑器件的应用 199
小结 203
思考题 204
习题 205
读物：神奇的集成电路4--半导体的
奥秘 211
第5章　存储器与可编程逻辑器件 215
5.1　概述 215
5.2　可编程逻辑器件的结构和表示
方法 216
5.2.1　可编程逻辑器件的结构 216
5.2.2　可编程逻辑器件的表示
方法 217
5.3　存储器 218
5.3.1　只读存储器 218
5.3.2　随机存储器 222
5.3.3　存储器的扩展 223
5.4　可编程逻辑器件 224
5.5　可编程逻辑器件的开发流程 225
小结 227
思考题 228
习题 228
读物：神奇的集成电路5--巧夺天工的
集成电路制造工艺 230
第6章　脉冲产生和整形电路 232
6.1　概述 232
6.2　555定时器 233
6.2.1　555定时器的电路结构 233
6.2.2　555定时器的基本功能 234
6.3　施密特触发器 235
6.3.1　555定时器构成的施密特
触发器 235
6.3.2　集成施密特触发器 237
6.3.3　施密特触发器的应用 239
6.4　单稳态触发器 241
6.4.1　555定时器构成的单稳态
触发器 241
6.4.2　集成单稳态触发器 243
6.4.3　单稳态触发器的应用 246
6.5　多谐振荡器 247
6.5.1　555定时器构成的多谐
振荡器 247
6.5.2　石英晶体多谐振荡器 250
6.5.3　多谐振荡器的应用 251
小结 252
思考题 253
习题 253
读物：神奇的集成电路6--用计算机设计
集成电路 257
第7章　数/模和模/数转换电路 261
7.1　概述 261
7.2　D/A转换电路 262
7.2.1　倒T形电阻网络D/A
转换器 262
7.2.2　权电流型D/A转换器 263
7.2.3　双极性输出D/A转换器 266
7.2.4　D/A转换器的转换精度
和转换速度 268
7.3　A/D转换电路 271
7.3.1　A/D转换器的基本原理 271
7.3.2　并联比较型A/D转换器 272
7.3.3　反馈比较型A/D转换器 274
7.3.4　双积分型A/D转换器 276
7.3.5　A/D转换器的转换精度
和转换速度 279
小结 280
思考题 280
习题 281
读物：神奇的集成电路7--腾飞的
中国芯 284
*第8章　EDA技术基础 287
8.1　EDA技术简介 287
8.2　Multisim 10.0软件简介 287
8.2.1　Multisim 10.0 287
8.2.2　Multisim 10.0的操作界面 287
8.2.3　Multisim 10.0操作界面的
设置 289
8.2.4　Multisim 10.0绘制电路的
常用操作 294
8.2.5 Multisim 10.0虚拟仪器 301
8.2.6　Multisim 10.0数字电路应用
举例 307
8.3 VHDL语言基础 312
8.3.1 可编程逻辑器件与硬件描述
语言 312


8.3.2 VHDL语言简介 312
8.3.3 VHDL程序基础 313
8.3.4　VHDL数字电路程序设计
实例 322
小结 324
思考题 325
习题 325
读物：神奇的集成电路8--微电子技术
新领域 326
第9章　数字系统设计基础 333
9.1　概述 333
9.2　数字系统设计方法 333
9.2.1　传统设计方法 333
9.2.2　现代设计方法 336
9.3　多路智力竞赛抢答器设计 338
9.3.1　抢答器的功能要求 338
9.3.2　抢答器的组成框图 339
9.3.3　抢答器的电路设计 340
9.4 多功能数字钟设计 344
9.4.1　数字钟的功能要求 344
9.4.2　数字钟电路系统的组成
框图 344
9.4.3　主体电路的设计与装调 345
9.4.4　功能扩展电路设计 348
小结 351
思考题 352
习题 352
读物：神奇的集成电路9--未来
畅想曲 353
附录1　基本逻辑单元图形符号
对照表 359
附录2　常用数字系统名词中英文
对照表 361
参考文献 363

 第2章　逻辑门电路
　　通过本章的学习，要求学生了解常用开关元器件--半导体(二极管、三极管)与场效应管的开关特性，在此基础上学习分立元件构成的基本逻辑门电路的结构和功能特点，掌握TTL和CMOS两大系列集成门电路的基本组成和基本原理；重点掌握门电路的外部特性和逻辑功能，以及门电路的使用方法和应用领域，为逻辑电路的分析和设计打下基础。
　　本章先介绍三种常用开关元件，即二极管、三极管和MOS管的开关特性，然后给出利用三种开关元件组成的基本逻辑门电路及其结构特性和逻辑功能，最后介绍广泛使用的TTL门电路和CMOS门电路，重点讨论两种逻辑电路的工作原理和特性，系统讲述数字电路的基本逻辑单元--门电路，包括与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门、三态门、OC门、OD门等的基本特性。
2.1　概　　述
　　在数字电路中包含逻辑关系的电路即为逻辑电路。逻辑电路是以二进制为原理、实现数字离散信号的传递、逻辑运算和操作的电路。在数字电路中，所谓"门"就是只能实现基本逻辑关系的最基本的逻辑电路。最基本的逻辑关系有与逻辑、或逻辑和非逻辑，最基本的逻辑门有与门、或门和非门。其中，实现"与"运算的叫与门；实现"或"运算的叫或门；实现"非"运算的叫非门，也称为反相器。除此之外还有与非门、或非门、与或非门、异或门和同或门。这些门都是构成数字集成电路的基本组件。
　　目前数字系统中广泛使用数字集成电路。数字集成电路是采用外延生长、光刻、氧化物生成及离子注入等技术，将晶体管、电阻、电容等元件和内部电路连线一起做在一块半导体芯片上而制成的具有特定功能的数字逻辑电路或系统。
　　根据数字集成电路中包含的门电路或元器件数量，可将数字集成电路分为小规模集成(SSI)电路、中规模集成(MSI)电路、大规模集成(LSI)电路、超大规模集成(VLSI)电路和特大规模集成(ULSI)电路。小规模集成电路包含的门电路在10个以内，或元器件数不超过100个；中规模集成电路包含的门电路为10～100个，或元器件数为100～1000个；大规模集成电路包含的门电路在100个以上，或元器件数为1000～10000个；超大规模集成电路包含的门电路在1万个以上，或元器件数100000～1000000个；特大规模集成电路的门电路在10万个以上，或元器件数为1000000～10000000个。随着微电子工艺的进步，集成电路的规模越来越大，简单地以集成元件数目来划分类型已经没有多大的意义了，目前暂时以"巨大规模集成电路"来统称集成规模超过1亿个元器件的集成电路。
　　根据内部有源器件的不同，可以将数字集成电路分为双极型晶体管集成电路(又称晶体管-晶体管(TTL)集成电路)和绝缘栅场效应管集成电路(又称金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路)。如TTL与非门和CMOS与非门的逻辑功能一样，但特性参数有差异。这两个系列的门电路目前市场上都有大量供应，因此分析这两类门电路特性参数的目的是为了在实际使用门电路时，能根据实际要求正确合适地选择和使用它们。其中，TTL集成电路的优点是工作速度快、驱动能力强，缺点是功耗大、集成度较低；MOS集成电路的优点是集成度高、功耗低。
　　数字集成电路的型号一般由前缀、编号、后缀三大部分组成，前缀代表制造厂商，编号包括产品系列号、器件系列号，后缀一般表示温度等级、封装形式等。
　　基本逻辑门电路可由晶体管组成，可以使代表两种信号的高、低电平在通过它们之后产生高电平或者低电平输出。如果用高、低电平分别表示二值逻辑的1和0两种逻辑状态，这种表示方法称为"正逻辑"；如果用高、低电平分别表示二值逻辑的0和1两种逻辑状态，这种表示方法称为"负逻辑"。在本书中，如果没有特别说明，一律采用正逻辑。不管采用哪种逻辑表示方法，逻辑门的作用都是实现逻辑运算。当然，逻辑门可以组合使用，以实现更为复杂的逻辑运算。
　　如何将连续的电压量变成分立的两个值呢？可取定一个分界电平，即门槛电平，大于称为高电平，低于则称为低电平。由于在分界处附近电路容易受干扰信号作用而不稳定，因此应该是一个范围而不是一个值。在电路实际工作中，只要能区分出高、低电平，就可以知道它所表示的逻辑状态，故高、低电平都有一个允许的范围。同时，高、低电平也不是无限高或者无限低的，通常高电平不能高于正的电源电压，低电平不能低于地电平，如图2.1所示。正因为如此，数字电路无论是对元器件参数精度的要求还是对供电电源稳定度的要求，都比模拟电路要低一些。或者说这是数字电路比模拟电路相对稳定的原因之一。也可以用互补开关电路来获得高、低输出电平，如图2.2所示。图中开关S1和S2由半导体三极管组成，只要能通过输入信号控制三极管工作在饱和导通和截止两个状态，即可以起到开关的作用。在图2.2所示电路中，两个开关S1和S2的通断虽然受同一个输入信号的控制，但是它们的开关状态相反。若输入信号使S1导通，则S2为截止状态，输出信号为高电平；若输入信号使S1截止，则S2为导通状态，输出信号为低电平。可见，电路中总有一个开关是断开的，所以电路中始终没有同时通过S1和S2的电流，电路功耗非常小。因此，这种互补式开关电路在数字集成电路中得到了广泛应用。




图2.1　高、低电平及正逻辑与负逻辑
图2.2　获得高、低电平的开关电路
　　
　　


2.2　逻辑门电路中的开关器件
　　从图 2.2 可知，输入电压与输出电压的逻辑关系是非线性的，所以可选择二极管、三极管及场效应管等非线性元件实现基本逻辑功能。对于理想开关，当开关闭合时，开关电阻，开关电压；当开关断开时，，经过开关的电流；电路转换时所用时间。本节讨论二极管、三极管以及场效应管等电子器件的开关特性。
2.2.1　二极管及其开关特性
　　半导体二极管相当于一个受外加电压控制的开关，当外加一定的正向电压时导通，外加反向电压时截止，其伏安特性如图2.3所示。二极管处于正向导通区时相当于开关的导通状态，二极管处于反向截止区时相当于开关的截止状态。图2.4所示为二极管开关电路。




图2.3　二极管的伏安特性
图2.4　二极管开关电路
　　假定输入信号的高电平，低电平，二极管VD导通时的正向电阻为，反向内阻为无穷大。当时，VD截止，输出电平；当时，VD导通，，这里假设使用了硅二极管，取其导通电压为0.7V，则。
　　可见，用输入电平信号的高、低电平可以控制二极管的开关状态，从而在输出端得到相应的高、低电平信号。在上面的分析中，假定VD的反向内阻无穷大，但是从二极管伏安特性曲线中可以看出，加反向电压时会有微弱的漏电流流过二极管，因此开关截止时的电阻不是无限大。另外，正向导通时的电阻也往往不能忽略。