数字电路与系统

韩振振 主编

本书是由具有多年丰富教学和实践经验的高校教师编写，密切结合实际，概念清晰，结构合理，重点突出，便于教学和学习。

本书内容包括数字电路基础、集成逻辑门、组合逻辑电路、触发器、时序电路、存储器和可编程逻辑器件、脉冲波形产生和定时电路、数模和模数转换电路、数字系统设计举例等，各章附有习题和答案。

本书可作为高校电子信息、计算机及自动化类等专业的教材和教学参考书，也可作为具有中等文化程度的工程技术人员和感兴趣的读者的自学读物。

第1章 引言

用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路，或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。逻辑门是数字逻辑电路的基本单元。存储器是用来存储二值数据的数字电路。从整体上看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。

1.1 数字电路和数字系统

1.2 数字逻辑和逻辑代数

1.3 数字集成电路和器件

第2章 数字逻辑基础

逻辑运算又称布尔运算 布尔用数学方法研究逻辑问题，成功地建立了逻辑演算。他用等式表示判断，把推理看作等式的变换。这种变换的有效性不依赖人们对符号的解释，只依赖于符号的组合规律 。这一逻辑理论人们常称它为布尔代数。20世纪30年代，逻辑代数在电路系统上获得应用，随后，由于电子技术与计算机的发展，出现各种复杂的大系统，它们的变换规律也遵守布尔所揭示的规律。逻辑运算 (logical operators) 通常用来测试真假值。最常见到的逻辑运算就是循环的处理，用来判断是否该离开循环或继续执行循环内的指令。

2.1 数制与代码

2.2 基本逻辑运算和逻辑门

2.3 逻辑函数及逻辑代数公式

2.4 逻辑函数标准表达式

2.5 逻辑函数化简

2.6 逻辑函数的门电路实现

习题

第3章 集成逻辑门

3.1 概述

3.2 CMOS逻辑门

3.3 TTL逻辑门

3.4 ECL逻辑门

习题

第4章 组合逻辑电路

4.1 组合逻辑电路分析和设计

4.2 加法器

加法器是产生数的和的装置。加数和被加数为输入，和数与进位为输出的装置为半加器。若加数、被加数与低位的进位数为输入，而和数与进位为输出则为全加器。常用作计算机算术逻辑部件，执行逻辑操作、移位与指令调用。在电子学中，加法器是一种数位电路，其可进行数字的加法计算。在现代的电脑中，加法器存在于算术逻辑单元（ALU）之中。 加法器可以用来表示各种数值，如：BCD、加三码，主要的加法器是以二进制作运算。由于负数可用二的补数来表示，所以加减器也就不那么必要。

加法器是为了实现加法的。

即是产生数的和的装置。加数和被加数为输入，和数与进位为输出的装置为半加器。若加数、被加数与低位的进位数为输入，而和数与进位为输出则为全加器。常用作计算机算术逻辑部件，执行逻辑操作、移位与指令调用。

对于1位的二进制加法，相关的有五个的量：1，被加数A，2，被加数B，3，前一位的进位CIN，4，此位二数相加的和S，5，此位二数相加产生的进位COUT。前三个量为输入量，后两个量为输出量，五个量均为1位。

对于32位的二进制加法，相关的也有五个量：1，被加数A（32位），2，被加数B（32位），3，前一位的进位CIN（1位），4，此位二数相加的和S（32位），5，此位二数相加产生的进位COUT（1位）。

要实现32位的二进制加法，一种自然的想法就是将1位的二进制加法重复32次（即逐位进位加法器）。这样做无疑是可行且易行的，但由于每一位的CIN都是由前一位的COUT提供的，所以第2位必须在第1位计算出结果后，才能开始计算；第3位必须在第2位计算出结果后，才能开始计算，等等。而最后的第32位必须在前31位全部计算出结果后，才能开始计算。这样的方法，使得实现32位的二进制加法所需的时间是实现1位的二进制加法的时间的32倍。

4.3 算术逻辑单元

算术逻辑单元（arithmetic logic unit，缩写ALU）是进行整数运算的结构。现阶段是用电路来实现，应用在电脑芯片中。
　　在计算机中，算术逻辑单元（ALU）是专门执行算术和逻辑运算的数字电路。ALU是计算机中央处理器的最重要组成部分，甚至连最小的微处理器也包含ALU作计数功能。在现代CPU和GPU处理器中已含有功能强大和复杂的ALU；一个单一元件也可能含有ALU。
　　1945年数学家冯诺伊曼在一篇介绍被称为EDVAC的一种新型电脑的基础构成的报告中提出ALU的概念。
　　早期发展
　　1946年，冯诺伊曼与同事合作为普林斯顿高等学习学院(IAS)设计计算机。随后IAS计算机成为后来计算机的原形。在论文中，冯诺伊曼提出他相信计算机中所需的部件，其中包括ALU。 冯诺伊曼写到，ALU是计算机的必备组成部分，因为已确定计算机一定要完成基本的数学运算，包括加减乘除。于是他相信「（计算机）应该含有专门完成此类运算的部件。」
　　数字系统
　　ALU必须使用与数字电路其他部分使用同样的格式进行数字处理.对现代处理器而言,几乎全都使用二进制补码表示方式。早期的计算机曾使用过很多种数字系统，包括反码、符号数值码，甚至是十进制码，每一位用十个管子。 以上这每一种数字系统所对应的ALU都有不同的设计，而这也影响了当前对二进制补码的优先选择，因为二进制补码能简化ALU加法和减法的运算。 一个简单的能进行与或非和加运算的2位ALU。
　　可行性分析
　　绝大部分计算机指令都是由ALU执行的。ALU从寄存器中取出数据，数据经过处理将运算结果存入ALU输出寄存器中。其他部件负责在寄存器与内存间传送数据。 控制单元控制着ALU，通过控制电路来告诉ALU该执行什么操作。
　　简单运算
　　大部分ALU都可以完成以下运算∶
　　整数算术运算（加、减，有时还包括乘和除，不过成本较高）
　　位逻辑运算（与、或、非、异或）
　　移位运算（将一个字向左或向右移位或浮动特定位，而无符号延伸），移位可被认为是乘以2或除以2。
　　复杂运算
　　工程师可设计能完成任何运算的ALU，不论运算有多复杂；问题在于运算越复杂，ALU成本越高，在处理器中占用的空间越大，消耗的电能越多。 于是，工程师们经常计算一个折中的方案，提供给处理器（或其他电路）一个能使其运算高速的ALU，但同时又避免ALU设计的太复杂而价格昂贵。设想你需要计算一个数的平方根，数字工程师将评估以下的选项来完成此操作∶
　　设计一个极度复杂的ALU，它能够一步完成对任意数字的平方根运算。这被称为单时钟脉冲计算。
　　设计一个非常复杂的ALU，它能够分几步完成一个数字的平方根运算。不过，这里有个诀窍，中间结果经过一连串电路，就像是工厂里的生产线。这甚至使得ALU能够在完成前一次运算前就接受新的数字。这使得ALU能够以与单时钟脉冲同样的速度产生数字，虽然从ALU输出的结果有一个初始延迟。这被称为计算流水线。
　　设计一个复杂的ALU，它能够计算分几步计算一个数字的平方根。这被称为互动计算，经常依赖于带有嵌入式微码的复杂控制单元。
　　在处理器中设计一个简单的ALU，去掉一个昂贵的专门用于此运算的处理器，再选择以上三个选项之一。这被称为协处理器。
　　告诉编成人员没有协处理器和仿真设备，于是他们必须自己写出算法来用软件计算平方根。这是由软件图书馆完成的。
　　对协处理器进行仿真，也就是说，只要一个程序想要进行平方根的计算，就让处理器检查当前有没有协处理器。如果有的话就使用其进行计算，如果没有的话，中断程序进程并调用操作系统通过软件算法来完成平方根的计算。这被称为软件仿真。
　　以上给出的选项按最快和最贵到最慢和最经济排列。于是，虽然甚至是最简单的计算机也能计算最复杂的公式，但是最简单的计算机经常需要耗费大量时间，通过若干步才能完成。 强大的处理器，比如英特尔酷睿和AMD64系列对一些简单的运算采用1号选项，对最常见的复杂运算采用2号选项，对极为复杂的运算采用3号选项。这是具有在处理器中构造非常复杂的ALU的能力为前提的。
　　输入和输出
　　ALU的输入是要进行操作的数据（称为操作数）以及来自控制单元的指令代码，用来指示进行哪种运算。它的输出即为运算结果。 在许多设计中ALU也接收或发出输入或输出条件代码到（或来自）状态寄存器。这些代码用来指示一些情况，比如进位或借位、溢出、除数为零等。
　　ALU与FPU
　　浮点单元也对两个数值进行算术运算，但是这种运算已浮点数表示，比在ALU中一般使用的补码表示方式复杂的多。为了完成此类运算，FPU里嵌入了多个复杂电路，包括一些内部ALU。 工程师一般认为ALU是处理整数型（比如补码和BCD码）算术运算的的电路，而对更为复杂的格式（比如浮点型、复数型）进行计算的电路则拥有一个更加匹配的称谓。

4.4 编码器

编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

4.5 译码器

4.6 数据选择器和数据分配器

4.7 数值比较器

4.8 组合逻辑电路的竞争冒险

4.9 VHDL语言

4.10 组合逻辑电路VHDL设计举例

习题

第5章 触发器

5.1 基本RS触发器

5.2 时钟触发器

5.3 边沿触发器

5.4 主从触发器

5.5 触发器的动态特性

5.6 触发器的激励表及相互转换

5.7 集成触发器

习题

第6章 时序逻辑电路

6.1 概述

6.2 同步时序逻辑电路分析

6.3 计数器

6.4 寄存器

6.5 同步时序逻辑电路设计

6.6 时序逻辑电路VHDL设计举例

习题

第7章 存储器和可编程逻辑器件

第8章 脉冲波形产生和定时电路

第9章 数模和模数转换电路

第10章 数字系统设计举例

习题参考答案

附录 典型中规模集成电路的国标逻辑符号及说明

参考文献

作　者：王兢，王洪玉 主编

出 版 社：电子工业出版社

出版时间：2007-2-1

页　数：314

字　数：525000

印刷时间：2007-2-1

I S B N：9787121034930

数字电子技术是信息、通信、计算机、自动控制等领域工程技术人员必须掌握的基本理论和技能。本书从实际需求出发，由浅入深讲解了数制、逻辑门电路、逻辑代数、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、脉冲波形、数字系统设计、数模/模数转换电路、半导体存储器及可编程逻辑软件、硬件描述语言VHDL等内容，并有大量习题，供学生巩固所学知识。

本书不仅是一面向电子、自动化、计算机、信息、通信、自动控制等电类专业及机电一体化、化工等非电类专业学业的基础课优秀教材，而且也适合电类工程技术人员及实验员作为参考用书。

第1章 数字逻辑基础

1.1 数字电路

1.2 数制

1.3 数制间的转换

1.4 代码

1.5 带符号的二进制数

习题

第2章 逻辑门电路

2.1 概述

2.2 逻辑门电路介绍

2.3 半导体二极管和三极管的开关特性

2.4 分立器件门电路

2.5 TTL集成门电路

2.6 MOS门电路

2.7 TTL与CMOS电路的连接

习题

第3章 逻辑代数基础

3.1 逻辑代数运算法则

3.2 逻辑函数的标准形式

3.3 罗辑函数的公式化简法

3.4 逻辑函数的卡诺图化简法

习题

第4章 组合逻辑电路

4.1 组合逻辑电路分析

4.2 组合逻辑电路设计

4.3 编码器

4.4 译码器

4.5 数据选择器

4.6 数值比较器

4.7 加法电路

4.8 组合逻辑电路的竞争冒险

习题

第5章 触发器

第6章 时序逻辑电路

第7章 脉冲波形的生产与变换

第8章 数字系统设计基础

第9章 数模与模数转换

第10章 半导体存储器及可编程逻辑器件

第11章 硬件描述语言VHDL

参考文献

作　者：王兢，戚金清　主编

出 版 社：电子工业出版社

出版时间：2011-2-1

页　数：293

字　数：487000

印刷时间：2011-2-1

开　本：16开

I S B N：9787121122194

数字电子技术是信息、通信、计算机、自动控制等领域工程技术人员必须掌握的基本理论和技能。本书从实际需求出发，由浅入深讲解了数制、逻辑门电路、逻辑代数、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、脉冲波形、数字系统设计、数模/模数转换电路、半导体存储器及可编程逻辑软件、硬件描述语言VHDL等内容，并有大量习题，供学生巩固所学知识。

本书在继承第一版本的基础上根据技术的最新发展进行完善。不仅是一面向电子、自动化、计算机、信息、通信、自动控制等电类专业及机电一体化、化工等非电类专业学业的基础课优秀教材，而且也适合电类工程技术人员及实验员作为参考用书。

第1章　数字逻辑基础

1.1模拟电路与数字电路

1.2模拟信号与数字信号

1.3数制

1.4数制间的转换

1.5代码

1.6二进制代码的表示法

1.7带符号二进制数的表示法

1.8偏移码

习题

第2章　逻辑门电路

2.1概述

2.2逻辑门电路介绍

2.3 TTL集成门电路

2.4 MOS门电路-

2.5 TTL与CMOS电路的连接

2.6 TTL、CMOS常用芯片介绍

习题

第3章　逻辑代数基础

3.1逻辑代数运算法则

3.2逻辑函数的标准形式

3.3逻辑函数的公式化简法

3.4逻辑函数的卡诺图化简法

习题

第4章　组合逻辑电路

4.1组合逻辑电路分析

4.2组合逻辑电路设计

4.3编码器

4.4译码器

4.5数据选择器

4.6数值比较器

4.7加法电路

4.8组合逻辑电路的竞争冒险

习题

第5章　触发器

5.1基本RS触发器

5.2时钟(同步)触发器

5.3主从触发器

5.4边沿触发器

5.5常用触发器的管脚图和逻辑符号

5.6触发器之间的转换

5.7触发器的典型应用

习题

第6章　时序逻辑电路

6.1时序逻辑电路的基本概念

6.2同步时序逻辑电路的一般分析方法

6.3 同步时序逻辑电路的设计

6.4计数器

6.5寄存器

半6.6序列信号发生器

习题

第7章　脉冲波形的产生与变换

7.1 555定时器

7.2施密特触发器

7.3单稳?触发器

7.4多谐振荡器

习题

第8章　数字系统设计基础

8.1数字系统概述

8.2算法状态机——ASM图表

8.3数字系统设计

习题

第9章　数模与模数转换

9.1数模转换电路

9.2数模转换的主要技术指标

9.3模数转换电路

9.4模数转换的主要技术指标

习题

第10章　半导体存储器及可编程逻辑器件

第11章　硬件描述语言VHDL

参考文献

书　名：电子测量基础

作　者：刘宝琴，罗嵘，王德生 编着

出 版 社：清华大学出版社

出版时间：2007-3-1

页　数：442

字　数：685000

印刷时间：2007-3-1

I S B N：9787302136613

本书围绕数字系统这一主线展开，注重基础知识，加强了逻辑设计和数字系统基础知识的介绍。全书共13章，主要内容有数制与编码、逻辑代数、数字集成逻辑电路、组合逻辑电路的分析与设计、锁存器和触发器、常见的时序逻辑电路、同步和异步时序逻辑电路的分析与设计、存储器和可编程逻辑器件、运算电路、数字系统设计基础、面向综合的VHDL语法、常见的脉冲电路以及数模转换器和模数转换器。

本书符合计算机专业的“数字逻辑”和“数字电子技术”课程，以及电子信息与电气信息专业的“数字电路与逻辑设计”课程的教学要求，体系结构安排合理，物理概念准确，理论联系实际，阐述清楚，语言流畅，可作为计算机、电子工程、自动控制、微电子等专业本科生的教材，也可作为报考相关专业硕士研究生的复习材料和工程技术人员的参考书。

第1章 绪论

1.1 脉冲信号

1.2 数字信号和数字电路

第2章 数制与编码

2.1 数制

2.2 不同数制之间的相互转换

2.3 有符号的二进制数

2.4用二进制表示的其他进制

2.5 格雷码

2.6 字符代码

2.7检错码和纠错码

小结

习题

第3章 逻辑代数

3.1 逻辑变量和基本的逻辑运算

3.2 常见的逻辑门电路

3.3 逻辑代数的基本定律和规则

3.4常用公式

3.5 逻辑函数的标准形式

3.6 逻辑函数的代数化简方法

3.7逻辑函数的卡诺图化简法

3.8逻辑函数的表格化简法

小结

习题

第4章 集成逻辑电路

4.1 数字集成电路的特点与分类

4.2 晶体管开关特性

4.3 MOS场效应管

4.4 晶体管?晶体管逻辑电路

4.5 发射极耦合逻辑电路

4.6 CMOS逻辑电路

4.7NMOS逻辑电路

4.8不同逻辑系列的配合问题

小结

习题

第5章 组合逻辑电路的分析与设计

5.1 组合逻辑电路的特点

5.2 组合逻辑电路的分析

5.3 组合逻辑电路的设计

5.4 组合逻辑电路中的竞争和险象

5.5 常见的组合逻辑电路

5.6 迭代阵列

小结

习题

第6章 锁存器和触发器

6.1 时序逻辑电路的基本特性

6.2 基本R?S锁存器

6.3 门控R?S锁存器

6.4 D锁存器

6.5 主从型触发器

6.6 边沿触发型触发器

6.7 触发器的参数和使用

6.8 触发器的逻辑功能描述

小结

习题

第7章 常见的时序逻辑电路

7.1 寄存器

7.1 .1 异步送数寄存器

7.1 .2 同步送数寄存器

7.2 二进制计数器

7.3 任意进制计数器

7.4 移位寄存器

7.5 移存型计数器

7.6 序列信号发生器

小结

习题

第8章 时序逻辑电路的分析与设计

8.1 时序逻辑电路的模型与分类

8.2 同步时序电路模型和功能描述

8.3 同步时序逻辑电路的分析

8.4 同步时序逻辑电路的设计

8.5 脉冲型异步时序逻辑电路的分析与设计

8.7 设计时序电路应注意的问题

小结

习题

第9章 存储器和可编程逻辑器件

9.1 随机存取存储器（RAM）

9.2 只读存储器（ROM）

9.2 .4ROM应用举例

9.3 特殊存储器

9.4 可编程逻辑器件（PLD）

小结

习题

第10章 数字系统设计基础

10.1 数字系统的特点和描述方法

10.2 系统级

10.3 算法级

10.4 寄存器传输级

10.5 ASM机设计举例（一）

10.6 ASM机设计举例（二）

10.7 存储程序计算机

10.8 接口电路

小结

习题

第11章 VHDL基础知识

11.1 概述

11.2 面向综合的VHDL设计描述

11.3 面向仿真的VHDL设计描述

小结

习题

第12章 矩形脉冲的产生和整形

12.1 RC电路

12.2 正反馈回路

12.3 555定时集成电路

12.4 施密特触发器

12.5 单稳态电路

12.6 多谐振荡器

小结

习题

第13章 数模转换器和模数转换器

13.1 数模转换器的工作原理

13.2 数模转换器的主要参数

13.3 数模转换器应用举例

13.4 模数转换器的主要参数

13.5 抽样?保持电路和模拟多路选择器

13.6 常见的模数转换器

小结

习题

附录A 我国集成电路型号命名规则

附录B 国家标准图形符号简介

附录C 常用逻辑符号

参考文献