数字逻辑电路(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：张文超

出版社：电子工业出版社

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数字逻辑电路试读：

前言

数字逻辑电路基础知识和技术也是很多高校研究生入学考试以及很多公司招聘技术人员时的必考科目，以此来甄别和筛选应聘人员。所以学好数字逻辑电路基础知识和技术是十分重要的。

本书是根据教育部最新制定的电子技术基础课程教学基本要求，并结合作者多年的理论与实验教学经验以及科研应用体会编写的专业技术基础课教材。

全书共分10章，主要内容包括：第1章数字和逻辑基础，第2章门电路，第3章组合逻辑电路，第4章触发器，第5章时序逻辑电路，第6章脉冲波形的产生与整形，第7章数模和模数转换电路，第8章半导体存储器，第9章可编程逻辑器件简介，第10章数字逻辑电路简单应用与知识扩展。

本书特色：

☆ 提供配套电子课件和习题解答

☆ 结合作者多年理论与实验教学经验以及科研应用体会编写而成

☆ 弥补传统教学方法中与实际应用实践脱节的不足，为顺利走向实际应用、进入设计者角色搭桥铺路

☆ 精选足够适当的应用分析实例

☆ 注重基本知识的实际应用方法和知识的扩展

☆ 侧重概念、理论和方法的讲述、训练和培养

本书可作为高等学校电子信息、通信、计算机科学与技术、电气工程及其自动化、机电工程及相关电类专业的数字电子技术、数字逻辑电路课程的本科生教材，还可供相关领域工程技术人员参考。

教学中，可以根据教学对象和学时等具体情况对书中的内容进行删减和组合，也可以进行适当扩展。为适应教学模式、教学方法和手段的改革，本书配套电子课件和习题解答等网络教学资源，请登录华信教育资源网（http：//www.hxedu.com.cn）注册下载。

在本书的编写过程中，高惠芳负责编写了第1、3和6章；任兵负责编写了第4、5章；胡炜薇负责编写了第7、8章；樊凌雁负责编写了第9章；张文超负责编写了第2、10章和附录。张文超负责全书的整理和统稿（注：崔佳冬参与了第7、8和9章的前期编写工作）。

在本书的编写过程中，华东理工大学的吴勤勤教授和凌志浩教授提出了许多宝贵意见，电子工业出版社的王羽佳编辑等同志为本书的出版做了大量工作。在此一并表示感谢！

本书的编写参考了大量近年来出版的相关技术资料，吸取了许多专家和同仁的宝贵经验，在此向他们深表谢意。

虽然该教材已经作为校内自编教材使用了两轮，但仍然感到还有不少方面需要改进，很多内容有待进一步充实，且受编写时间所限，错误难免，敬请各位读者不吝指正。

作 者第1章 数字和逻辑基础1.1 数字逻辑电路概述1.1.1 模拟信号与数字信号

1.模拟信号

自然界中，人们可以感知的许多物理量，如速度、压力、温度、声音、质量及位置等，都有一个共同的特点：即它们在时间上和数值上是连续变化的信号。这种连续变化的物理量称为模拟量，表示模拟量的信号称为模拟信号。在工程实践中，通常用传感器将模拟量转换为与之成比例的电压或电流信号，再送到后续的信号处理系统（可能是模拟系统，也可能是数字系统，还可能是模拟与数字的混合系统）中做进一步处理。图1-1所示为两种电压的模拟信号的波形，模拟信号也可以是电流或其他物理量的波形。

2.数字信号

另一类物理量，它们在时间上和数值上都是离散的信号，或者说是不连续的，且其数值的大小和每次的变化都是某个值的整数倍，这种物理量称为数字量。表示数字量的信号称为数字信号。例如，普通指针式万用表在指示电压值时，通过表针的摆动和表面的刻度来指示电压值，其值是连续变化的；而数字式万用表则通过数字来指示电压值。例如，某一只数字式万用表只能够显示3位数字，它显示某电压值为7.55V，比这个电压值再大一点的显示是7.56V，但是该表无法显示7.555V，它只能以每隔0.01V来分挡显示，说明它的指示值是不连续的，这种不能连续变化的显示信号就是数字信号。测出的电压值会存在一定误差，该误差取决于数字万用表的位数。

图1-2所示的波形是一种幅度取值只有两个值（0和1）的数字信号的波形，它是目前最常见的数字信号的波形，称为“二进制信号”。图1-1 模拟信号波形图1-2 一种数字信号波形1.1.2 模拟电路与数字电路

处理模拟信号的电子电路称为模拟电路，而工作于数字信号下的电子电路称为数字电路。所谓数字电路就是用于处理数字信号的电路。数字电路与模拟电路相比有很大的不同，数字电路主要是对数字信号进行逻辑运算和数字处理，这些运算和处理有时是相当复杂的，这一点决定了对数字电路的识图不同于模拟电路的识图。

关于数字电路这里先介绍下列一些特点，以便对这种电路有初步印象。（1）数字电路中只处理二进制中的“0”和“1”两种信号，“0”表示信号无，“1”表示信号有。从电路硬件这一角度上讲，电子电路中的元器件特别是三极管只工作在有信号和无信号两种状态，也就是数字电路中的三极管多半工作在开关状态，不像模拟电路中的三极管工作在放大状态。（2）数字电路中，三极管的饱和状态与截止状态分别对应于数字信号中的“0”和“1”，可用三极管截止时输出的高电平表示数字信号的“1”状态，而用三极管饱和导通时输出的低电平表示数字信号中的“0”状态。三极管的这一工作状态与模拟电路是完全不同的，在进行数字电路识图时电路分析方法就不能与模拟电路中三极管放大状态的分析方法相同。（3）由于数字信号只有“0”和“1”两种，那么对数字电路的工作要求就是能够可靠地区别信号为“0”和信号为“1”两种状态，因此对数字电路的精度要求不高，这适合于对数字电路进行集成化，加上对数字信号的处理和运算都是相当复杂的过程，所以数字电路中都是采用集成电路，且许多是大规模集成电路，这一点又使数字电路工作的分析增加了一份神秘的色彩。（4）数字电路是实现逻辑功能和进行各种数字运算的电路。数字信号在时间上和数值上是不连续的，所以它在电路中只能表现为信号的有、无（或信号的高电平、低电平）两种状态。数字电路中用二进制数“0”和“1”来代表低电平和高电平两种状态，数字信号便可用“0”和“1”组成的代码序列来表示。因此，学习数字电路首先要了解有关二进制数知识，否则对数字电路的分析将寸步难行。

因此，概括起来，对于模拟电路和数字电路，其主要区别如下。（1）工作任务不同

模拟电路研究的是输出信号与输入信号之间的大小、相位、失真等方面的关系；数字电路主要研究的是输出与输入间的逻辑关系（因果关系）。（2）三极管的工作状态不同

模拟电路中的三极管工作在线性放大区，是一个放大元件；数字电路中的三极管工作在饱和或截止状态，起开关作用。所以，模拟电路和数字电路的基本单元电路、分析、设计的方法及研究的范围均不同。1.1.3 数字信号参数

模拟信号的表示方式可以是数学表达式，也可以是波形图等。数字信号的表示方式可以是二值数字逻辑，以及由逻辑电平描述的数字波形。

1.理想数字信号的主要参数

数字信号是一种二值信号，用两个电平（高电平和低电平）分别来表示两个逻辑值（逻辑1和逻辑0），如图1-3所示。

一个理想的周期性数字信号如图1-4所示，可以用下列参数来描述。

V：信号幅度，即高电平的值。m

T：信号的重复周期，表示两个相邻脉冲之间的时间间隔；有时也使用频率f=1/T表示单位时间内脉冲重复的次数。

t：脉冲宽度，即波形高电平维持的时间。W

q（或β）：占空比，其定义为脉冲宽度t与信号周期T的比值，W即图1-3 理想数字信号的波形图1-4 理想的周期性数字信号

2.实际数字信号波形及参数

在实际的数字系统中，数字信号并没有那么理想。当它从低电平跳变到高电平，或从高电平跳变到低电平时，边沿没有那么陡峭，而要经历一个过渡过程，分别用上升时间t和下降时间t描述，如图1-5rf所示。图1-5 实际数字信号波形

该信号除了具有上述几个参数外，还定义了如下参数。

t：在脉冲的上升沿，从脉冲幅值的10%上升到90%所经历的时r间（典型值ns）；

t：在脉冲的下降沿，从脉冲幅值的90%下降到10%所经历的时f间（典型值ns）。

t：脉冲幅值从脉冲波形的上升沿上升到0.5V开始，到下降沿Wm下降至0.5V为止的时间间隔。m1.1.4 数字电路的基本功能及其应用

数字电路的基本功能是对输入的数字信号进行算术运算和逻辑运算，即它具有一定的“逻辑思维”能力。数字电路是计算机、自动控制系统、各种智能仪表、现代通信系统等的基本电路，是学习这些专业知识的基础。

图1-6所示为一个典型的早期的电子系统的组成框图。框图中各部分电路功能如下。（1）传感器

传感器是一种检测装置，能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。该内容有专门的课程讲述。（2）信号处理电路

信号处理电路完成根据实际需要对传感器送来的信号进行隔离、放大、滤波、运算、转换等处理。这部分电路一般为模拟电路，在模拟电子技术中论述。图1-6 典型的电子系统的组成框图（3）接口电路——A/D转换器和D/A转换器

由于一般信号处理电路输出的是模拟信号，而数字运算电路只能处理数字信号，所以需通过A/D转换器把模拟信号转换成数字信号，运算电路对信号进行处理之后，再通过D/A转换器把数字信号转换成模拟信号。接口电路（即A/D转换器和D/A转换器）将在第7章进行介绍。（4）运算电路

运算电路可完成信息的算术运算和逻辑运算，这部分内容在第1章后续部分和第3章中介绍。（5）存储器

数字系统需要处理的数据量越来越大，速度也越来越快。有关存储器的知识及技术指标等在第8章中介绍。

访问存储器中指定地址的内容，需要对地址进行译码，即通过地址译码器寻址到相应的存储单元。译码器的内容将在第3章中介绍，对存储器中的内容如果需要显示，在该章也介绍了七段译码器及数码显示等内容。（6）信号的驱动与执行

系统输出的控制信号一般功率有限，需通过功率放大后，驱动执行机构完成控制功能。功率放大电路的内容一般在模拟电路中介绍。（7）波形的产生与整形电路——多谐振荡器

很多数字电路器件工作时都需要时钟信号，该信号可通过多谐振荡器获得，这部分的内容将在第6章中详细介绍。（8）计数器（分频器）

不同数字电路器件需要的时钟频率可能有所不同，此时可通过分频电路——计数器获得不同频率的时钟信号。分频器的设计与分析将在第5章中介绍。（9）顺序脉冲发生器

系统各部分的电路需要按照事先规定的时间顺序依次工作，顺序脉冲发生器便可完成此项工作，这部分的内容将在第5章中介绍。图1-7 温度检测和控制电路实例

随着数字电子技术及计算机的迅猛发展，图1-6中虚线框内的运算电路、波形产生与整形电路、分频电路及顺序脉冲发生器等可采用计算机来完成，这种计算机可选用通用计算机，也可选用单片机、数字信号处理器（Digital Signal Processor，简称DSP）及基于某总线的专用CPU等。图1-7所示为单片机的温度检测和控制电路实例。1.2 数制、数制转换和算术运算简介

数制是数的表示方法，用数字表示数量大小时，经常要采用多位数码。我们把多位数码中每一位的构成方法以及从低位到高位的进位规则称为数制。

人们在日常生活和工作中习惯于使用十进制数，而在数字系统中，如计算机中，通常使用二进制数，有时也使用八进制数或十六进制数。1.2.1 十进制数

在十进制数中，每一位有0～9共10个数码，所以计数的基数是10。超过9的数必须用多位数表示，其中，低位和相邻高位之间的关系是“逢十进一”，故称为十进制。所以，十进制就是以10为基数的计数体制。

数码处于不同位置时，它所代表的数值是不同的，例如，十进制数1234.56可以表示为3210

其中，10、10、10、10分别为千位、百位、十位、个位数码-1-2的权，也就是相应位的1所代表的实际数值；10、10是小数点以右各位数码的权值，是基数10的负幂。

根据以上分析，任意十进制数可表示为

式中，d是第i位的系数，它可以是0～9这10个数码中的任何一个i数字；n、m分别表示整数及小数部分的位数。

如果将式（1-2）中的10用基数R来代替，就可以得到任意进制数的表达式

式中，d是第i位的系数，根据基数R的不同，它的取值为R（0～iR-1）个不同的数码。

构成数字电路的基本思路是把电路的状态与数码对应起来，十进制数的10个数码要求电路有10个完全不同的状态，这使得电路很复杂，因此用数字电路来存储或处理十进制数是不方便的。在数字电路中不直接处理十进制数，而常常采用二进制数、八进制数和十六进制数。1.2.2 二进制数、八进制数和十六进制数

1.二进制数

在二进制数中，每一位仅有0和1两个数码，所以计数基数为2。二进制数的进位规则是“逢二进一”，即1+1=10（读为“壹零”）。注意：这里的“10”与十进制数的“10”是完全不同的，它并不代10表数“拾”。左边的1表示2位数，右边的0表示2位数，即10=1×102+0×2。因此，二进制数就是以2为基数的计数体制。

根据式（1-3），任何一个二进制数均可表示为

式中，d是第i位的系数，它可以是0、1两个数码中的任何一个数i字，n、m分别表示整数及小数部分的位数。式（1-4）也可以作为二进制数转换为十进制数的转换公式，例如

式中，分别用下标B（Binary）和D（Decimal）表示括号中的数是二进制数和十进制数，有的书上也用2和10表示。

采用二进制数的主要优点是容易用器件实现。由于二进制的每一位只有0、1两种取值，因此可以用具有两个稳定状态的元件来表示一位二进制数。例如，用三极管的饱和与截止、继电器接点的闭合与断开、灯泡的亮与不亮等分别表示二进制数的0和1。

采用二进制数的主要缺点是当数值较大时位数较多，使用起来不方便，也不习惯，因此在数字计算机的资料中常采用八进制数和十六进制数。

2.八进制数

在八进制数中，每一位有0～7共8个数码，计数的基数为8。八进制数的进位规则是“逢八进一”。任意一个八进制数可以表示为

式中，d是第i位的系数，它可以是0～7这8个数码中的任何一个i数字。下标O（Octal）用来表示八进制数，也可用8做下标。

式（1-5）也可以作为八进制数转换为十进制数的转换公式，例如

3.十六进制数

在十六进制数中，每一位有16个不同的数码，分别为0～9、A、B、C、D、E、F，计数的基数为16。十六进制数的进位规则为“逢十六进一”。任意一个十六进制数可以表示为

式中，d是第i位的系数，它可以是0～9、A、B、C、D、E、F这i16个数码中的任何一个。下标H（Hexadecimal）用来表示十六进制数，也可用16做下标。

式（1-6）也可以作为十六进制数转换为十进制数的转换公式，例如

为便于对照，将十进制、二进制、八进制及十六进制数之间的关系列于表1-1中。表1-1 几种数制之间的关系对照表续表1.2.3 不同进制数间相互转换

1.二、八和十六进制数转换成十进制数

任意进制数（包括二进制数、八进制数和十六进制数）转换为十进制数的方法是，根据式（1-3）按权展开，然后将各项按十进制数相加，即得对应的十进制数，如前面1.2.2节所述。

2.十进制数转换成二、八和十六进制数

十进制数转换为二进制数时，要分成整数与小数两部分分别转换，然后将转换结果合成一个二进制数。（1）整数转换

对于整数部分，假定十进制数为（N），等值的二进制数为D（d…ddd），则有n-1210Bn-210

若将式（1-7）中（N）除以2，则商为d2+…+d2+d2，Dn-121余数为d，因此把十进制数（N）除以2后，余数即为对应二进制数0D的最低位d，若将商记为，则0

若再将式（1-8）中除以2，则余数为d，它对应二进制数1的次低位d。以此类推，每次以前次的商除以2，即可求得二进制数1的一位数字，连续除以2直到商为0为止，这时的余数为二进制数的最高位d。从而由所有的余数求出二进制数。n-1【例1-1】 将十进制数（185）转换为二进制数。D

根据上述原理，可将（185）按如下的步骤转换为二进制数。D

故（185）=（10111001）。DB

当十进制数较大时，不必逐次除以2，而是将十进制数和与其相当的2的乘幂项对比，使转换过程得到简化。【例1-2】 将（135）转换为二进制数。D7210

解：由于2=128，而135-128=7=2+2+2，所以对应二进制数d=1，d=1，d=1，d=1，其余各系数为0，故得7210

值得指出，由于多数计算机或数字系统中只处理4、8、16、32或64位等的二进制数据，因此，转换得到的数据的位数需是规格化的位数，如转换结果为10101，在纸上写为10101即可，但在计算机中就要高位补“0”，如果是8位计算机就要将它配成8位，则相应的高幂项应填以0，其值不变，即（2）小数转换

设十进制小数为（N） ，等值的二进制小数为（0.ddd…dD-1-2-3-） ，则有m2

将式（1-9）两边分别乘以2，得

由此可见，将十进制小数乘以 2，所得乘积的整数部分为 d ，-1-1-2-（m-1）小数部分为d2+d2+…+d2。-2-3-m

同理，将乘积的小数部分再乘以2，又可得到

也即乘积的整数部分就是d。-2

以此类推，将每次乘以2后所得乘积的小数部分再乘以2，得到的整数即为对应位的二进制数，直到小数部分是0为止（或满足要求的精度为止），从而完成十进制小数转换成二进制小数。-10【例1-3】 将（0.206）转换为二进制数，要求其误差不大于2。D

解：按上面介绍的方法计算，可得d、d、…、d如下-1-2-9

整数

0.206×2=0.412 0……d-1

0.412×2=0.824 0……d-2

0.824×2=1.648 1……d-3

0.648×2=1.296 1……d-4

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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