数字电子技术基础（第2版）.pdf

第基础 I 高等学校“十二五”电气自动化类规划教材 数字电子技术基础（第 2 版）张宝荣 主 编 黄 震 李江昊 刘燕燕 副主编 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 数字电子技术基础 II内 容 简 介 本书为高等学校“十二五”电气自动化类规划教材之一，也是燕山大学的“数字电子技术基础”河北省精品课程配套教材，是根据近年来数字电子技术的新发展和课程组多年的教学实践积累，针对数字电子技术课程教学基本要求和学习特点而编写的。全书内容包括数字逻辑基础、逻辑门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、半导体存储器与可编程逻辑器件、脉冲波形的产生与整形、数模和模数转换，共 8 章。考虑到 EDA 技术已成为数字电路设计的首要手段，本书加入了目前比较流行的 EDA 设计软件 MAX+plus的内容，并结合具体章节给出了软件的应用方法。本教材可满足学时较少情况下的教学，适宜 4860 学时的教学。为了方便教学和自学，配有实用的电子课件和习题简解。本书可作为高等院校电气信息类各专业和部分非电类专业的教材，也可作为从事数字电子技术研究相关人员的参考用书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 数字电子技术基础/张宝荣主编.2 版.北京：电子工业出版社，2015.2 ISBN 978-7-121-25468-0 .数 .张 .数字电路电子技术高等学校教材 .TN79 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2015）第 022757 号 策划编辑：陈韦凯 责任编辑：陈韦凯 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：23.25 字数：595 千字 版 次：2011 年 10 月第 1 版 2015 年 2 月第 2 版 印 次：2015 年 2 月第 1 次印刷 印 数：4 000 册 定价：45.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。第基础 III 第 1 版前言 为适应新形势下电子技术的高速发展和社会需求，高等教育对电气信息类人才的培养提出了更高要求，教材内容更新和定位面临新的挑战。“数字电子技术基础”是电气信息类学生的专业基础课程，也是实践性很强的技术基础课程。随着数字化和信息化技术的飞速发展，数字课程对学生知识和能力的提升凸显出更重要的作用。遵照教育部对“电子技术基础课程教学的基本要求”，要把学生培养成为有一定理论基础，有较强的实战能力，有足够的创新意识的应用型人才。我们从事数字电子技术基础教学工作多年，并坚持教学改革实践，积累了丰富的经验，燕山大学“数字电子技术基础”课程于 2002 年获得河北省首批精品课程称号，并于 2003 年全面展开 EDA 实践教学，2004 年“数字电子技术基础课程设计”项目获河北省教学成果二等奖。教学的实践和体会使我们感到，器件的更新、技术的发展使教学内容不断增加，而课内教学时数又在减少的形势下，编写一本适宜理论学时数较少，但密切联系实践，突出工程应用的教材是非常必要的。本书具有以下几个特点：1适宜较少学时教学 本着“保基础，重实践，少而精”的原则，整合了教学内容。加强了绝缘栅场效应管的原理知识，可方便 CMOS 门教学并为先“数字”后“模拟”的教学模式创造条件；适当精简了 CMOS 门特性曲线讲解，以加大器件产品的比对和参数列表为补充；将 555 定时器及其脉冲电路作为“脉冲波形的产生与整形”一章的开篇主体部分，具有知识的完整性和独立性，不受章内后续内容的影响，便于教学内容的裁剪。本教材建议学时数为 4860 学时。2增加教材的可读性 本书和传统教材相比，适度增大了图、表比例，强化知识对比和总结，并注重对“难点”内容进行细致的推理解析和附图说明。每章设有“内容提要”和“本章小结”，并给出“教学基本要求”和“重点内容”。教材附带习题和思考题简解、逻辑符号对照表及常用数字集成芯片列表，利于学生阅读和自学。3突出了集成电路内容 除门电路和触发器较多涉及内部电路外，全书加大了集成芯片及系列产品的介绍和应用举例，把侧重点放在对集成电路的认知和使用方面，以利于学生实战能力的培养和工程意识的加强。4融合 EDA 课程设计内容 可编程逻辑器件 PLD 近年来发展迅速，大容量、高速率的器件不断出现，在科技领域广泛应用。本书除在第 6 章介绍 PLD 的工作原理和电路结构外，还在其他章节介绍了可编程逻辑器件编程软件的使用方法，在相关章节结合教学内容配备相应的 EDA 实用例题。这 数字电子技术基础 IV些例题来自我们多年的 EDA 课程设计教学实践，学生能够学以致用，为创新能力的培养打下必要的基础。5采用国际上常用的图形逻辑符号 为便于学生较快地适应实际工作，中、大规模集成电路的图形符号采用国外教材、技术资料和 EDA 软件中普遍使用的习惯画法，即示意性框图画法。本书基本运算和复合运算的逻辑符号均采用国际上常用的图形逻辑符号。6适宜多样化教学 教材配套提供电子课件、电子习题简解及 EDA 课程设计教学软件。另外，教材中把 EDA 的相关知识和 MAX+plus的设计举例、集成逻辑门电路的实际应用问题及组合和时序电路的综合设计等内容暂定为选学部分。因为这些内容应用性较强且占用学时较多，这样会方便教材使用院校根据学校 EDA 硬件环境是否具备，或 EDA 是否再单独设课，进行灵活的教学安排，同时也方便学时较少的学校做必要的内容取舍而不影响本课程知识的整体性。本书由燕山大学数字电子技术教研组全体老师共同完成。其中刘雪强编写第 1 章，李江昊编写第 4、5 章，黄震编写第 6 章及教材中 EDA 相关内容，郭璇编写第 8 章，常丹华编写第 2 章并负责全书的组织和统稿工作，张宝荣编写第 3、7 章并负责全书的核查和修改工作。对本书选用的参考文献的著作者，我们致以真诚的感谢。限于编者水平，书中难免有错误和不妥之处，敬请业界同仁和读者批评指正。编 者 2011 年 1 月 第基础 V 第 2 版前言 本书是在数字电子技术基础（第 1 版）的基础上修订而成的，其知识体系结构与第1 版一致。修订的目的是为进一步方便教学，提高教学效率。修订工作除了修正第 1 版的不足之外，主要针对以下几个方面进行：第 1 章数字逻辑基础，主要是新增了关于任意项的内容和例题，补充了真值表到表达式转换更为通用的方法。第 2 章逻辑门电路，主要是充实了 TTL 反相器电路工作原理的分析方法，新增了驱动与负载关系部分，以加强数电和模电在内容上的联系。第 3 章组合逻辑电路，主要增加了对组合逻辑电路和时序逻辑电路区别的深入讨论。第 4 章触发器，主要是补充了触发器的存储核心电路，对触发器的动作特点与电路结构的对应关系进行了深入说明。第 5 章时序逻辑电路，主要是在时序逻辑电路设计部分新增了求驱动方程更为通用的方法；增加了计数器进位信号的构成原理，细化了构成任意进制计数器的过程，增加了在定时场合经常用到的“单次/触发计数器”内容。第 6 章半导体存储器与可编程逻辑器件，在 VHDL 部分增加了加法器程序，替换了计数器程序，新增了 Signal 和 Variable 内容的说明和习题。第 7 章脉冲波形的产生与整形和第 8 章数模和模数转换也进行了相应内容的调整。附录部分新增了附录 C，主要内容为 EDA 软件元件库说明和部分常用逻辑符号及对应名称列表，以方便 EDA 实践教学。本书由燕山大学数字电子技术教研组全体老师共同完成。其中刘雪强修订第 1 章，李江昊和付广伟修订第 4、5 章，郭璇修订第 8 章，张宝荣和高美静修订第 3、7 章。由于常丹华老师已经退休，第 2 章修订工作由刘燕燕负责。黄震和张保军修订第 6 章和教材中 EDA相关内容，以及全书的组织和统稿工作。感谢常丹华老师在本书第 1 版编写和第 2 版修订过程中做的大量工作。借此机会，祝常丹华老师退休生活快乐！对本书选用的参考文献的著作者，我们致以真诚的感谢。限于编者水平，书中若有错误和不妥之处，敬请业界同仁和读者批评指正。编 者 2015 年 1 月 数字电子技术基础 VI 第基础 VII 目 录 第第 1 章章 数字逻辑基础数字逻辑基础.1 1.1 数字信号与数字电路.2 1.1.1 数字信号.2 1.1.2 数字电路.3 1.2 数制和码制.4 1.2.1 几种常用的数制.4 1.2.2 不同数制间的转换.7 1.2.3 几种常用的码制.8 1.3 逻辑代数.10 1.3.1 逻辑代数中 3 种基本运算.10 1.3.2 复合逻辑运算.12 1.3.3 逻辑代数的基本公式.14 1.3.4 逻辑代数的常用公式.16 1.3.5 逻辑代数的基本定理.17 1.4 逻辑函数及其表示方法.18 1.4.1 逻辑函数的定义.18 1.4.2 逻辑函数的表示方法.18 1.4.3 各种表示方法间的相互转换.19 1.5 逻辑函数的化简.21 1.5.1 逻辑函数的最简形式.21 1.5.2 公式化简法.21 1.5.3 卡诺图化简法.23 1.6*EDA 技术概述.32 1.6.1 EDA 发展回顾.33 1.6.2 EDA 系统构成.34 1.6.3 EDA 工具发展趋势.34 1.6.4 EDA 工具软件 MAX+plus简介.36 本章小结.37 习题与思考题.38 第第 2 章章 逻辑门电路逻辑门电路.42 2.1 半导体二极管门电路.43 2.1.1 二极管的开关特性.43 2.1.2 二极管门电路.45 2.2 半导体三极管门电路.46 数字电子技术基础 VIII2.2.1 三极管的开关特性.46 2.2.2 三极管反相器.49 2.3 TTL 集成门电路.50 2.3.1 TTL 反相器电路结构及原理.50 2.3.2 TTL 反相器的电压传输特性和抗干扰能力.53 2.3.3 TTL 反相器的静态输入特性、输出特性和负载能力.55 2.3.4 TTL 反相器的动态特性.60 2.3.5 TTL 门电路的其他类型.62 2.3.6 TTL 集成门系列简介.71 2.4 CMOS 集成门电路.73 2.4.1 MOS 管的开关特性.74 2.4.2 CMOS 反相器的电路结构和工作原理.79 2.4.3 CMOS 反相器的特性及参数.80 2.4.4 CMOS 门电路的其他类型.82 2.4.5 CMOS 集成门系列简介.86 2.5*集成门电路的实际应用问题.88 2.5.1 集成门电路使用应注意的问题.88 2.5.2 TTL 电路与 CMOS 电路之间的接口问题.90 本章小结.92 习题与思考题.92 第第 3 章章 组合逻辑电路组合逻辑电路.98 3.1 概述.99 3.2 组合逻辑电路的分析与设计.100 3.2.1 组合逻辑电路的分析.100 3.2.2 组合逻辑电路的设计.102 3.3 常用组合逻辑电路.105 3.3.1 编码器.106 3.3.2 译码器.113 3.3.3 数据选择器.123 3.3.4 加法器.126 3.3.5 数值比较器.130 3.4 用中规模集成电路设计组合逻辑电路.135 3.4.1 用译码器设计组合逻辑电路.135 3.4.2 用数据选择器设计组合逻辑电路.138 3.4.3 用加法器设计组合逻辑电路.140 3.4.4*综合设计.143 3.5 组合逻辑电路的竞争冒险现象.146 第基础 IX 3.5.1 竞争冒险的概念及其产生原因.146 3.5.2 消除竞争冒险的方法.147 3.6*用 MAX+plus设计组合逻辑电路.150 本章小结.153 习题与思考题.153 第第 4 章章 触发器触发器.156 4.1 概述.1