数字电子技术及应用项目教程(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：李鹏

出版社：电子工业出版社

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数字电子技术及应用项目教程试读：

前言

本书包含7个教学项目，教师可根据情况选择学习。每个项目包含若干学习任务，在每个学习任务中都明确了学习的技能目标、知识目标和学生的实践活动与指导、知识链接与扩展、巩固与提高等内容。每个任务的知识链接与扩展都是完成本任务必需的知识，保证学以致用，理论适度够用，重点培养学生的分析设计能力和电路制作能力，坚持培养学生的实践操作能力。同时，书中大量使用EWB和Multisim仿真软件，进行电路的仿真设计和测试，使学生逐步掌握1～2种电子仿真软件的使用，同时通过这种方式拓展学生的学习时空。本书有完善的配套课程设计材料和教学资源、远程学习网站，有助于培养学员的自学能力和可持续发展能力。

本书主编为李鹏，负责全书的设计与规划、教学资源的组织和建设，并主笔编写了项目1～3的内容，同时也参与其他项目的编写。本书参编人员有：姜永华、白春涛、郭迎娣、张静（分别完成4～7项目的编写任务并协助完成全书校稿、组织教学辅助材料，建立课程网站资源等工作）。本书的规划以及项目的筛选、电路设计等得到栾春光教授和多位企业专家的帮助，在此向为本书提供帮助的朋友表示衷心的感谢。

由于编者水平和实践经验有限，书中难免有错漏与不妥之处，欢迎广大读者提出宝贵意见，批评指正，联系邮箱ytlip＠126.com。项目一简易会议表决器电路设计与制作项目要求请使用逻辑电路设计一个简易会议表决器，要求每位参会人员的桌上有一个表决按钮，会议表决结果用一个红色LED指示灯表示。参会人员在对会议研讨问题进行不记名表决时，按下表决器按钮表示同意，否则表示不同意。当多数人同意时，红色LED指示灯亮，否则，LED指示灯不亮。请按3人参加会议来设计本表决器。项目目标项目分五个任务进行实施，通过本项目的实施，达到如下目标。1.能清楚识别数字、模拟信号并能理解其意义。2.能熟练应用逻辑代数的基本运算、公式、规则进行逻辑问题的分析、化简。3.能用5种方法表示逻辑问题并能实现5种表示方法的转换。4.能理解各类门电路的逻辑意义和电气特性，会合理选用集成门电路并正确连接使用。5.会综合运用逻辑代数、门电路、组合电路分析设计方法进行小规模组合逻辑电路分析和设计。6.初步学会使用Multisim进行原理图绘制和仿真及基本仪表的使用。7.会使用实训室设备进行数字电路搭建并会使用仪表进行参数和逻辑功能测试。任务一 数字逻辑认识与交流■ 技能目标

1.能正确区分数字信号和模拟信号，数字电路与模拟电路。

2.能借助教材、电子材料、网络等手段查询并整理筛选有价值的信息。

3.能有条理地整理信息并撰写小论文。■ 知识目标

1.了解数字信号/电路和模拟信号/电路的特点。

2.掌握脉冲波形的主要参数。■ 实践活动与指导

教师搜集与电子生产、数字化设备相关的视频资料在课堂上与学生分享并进行讲解和讨论。教师展示有关脉冲及参数的课件或动画资料，让学生对此有直观的认识和理解。教师组织学生阅读教材并指导学生通过查阅图书资料和上网搜索获取资料，撰写关于数字电子技术发展和应用的技术文章。■ 知识链接与扩展

1.数字电路与模拟电路

在近代电子工程中，按照所处理的信号形式，通常将电子线路分成两大类：模拟电路和数字电路。

模拟信号（Analog Signal）通常是指模拟物理量的信号形式，它在时间上及数值上都是连续的，可以在一定范围内任意取值，如图1.1.1（a）所示。模拟电路是以模拟信号作为研究对象的电路，主要分析输入、输出信号在频率、幅度、相位等方面的不同，如交、直流放大器（AC、DC Amplifier）、信号发生器（Signal Generator）、滤波器（Filter）等。在模拟电路中，三极管（Transistor）工作在放大状态。

数字信号（Digital Signal）是指时间上和数值上都是离散的信号。它们的变化在时间上是不连续的，它们的数值大小和增减变化，都是采取数字的形式，如图1.1.1（b）所示。图1.1.1 模拟信号与数字信号

数字电路是处理数字信号并能完成数字运算的电路。在电子计算机、电动机、通信设备、自动控制系统、雷达、家用电器、日常电子小产品、汽车电子等许多领域得到了广泛的应用。在数字电路中，电压或电流通常只有两个状态，用逻辑1和逻辑0表示。数字信号通常是以0、1符号组成的序列来表示的。数字电路输入与输出的0、1符号序列间的逻辑关系，便是数字电路的逻辑功能。因此，数字电路也可认为是实现各种逻辑关系的电路，也称为逻辑电路。

数字电路通常由逻辑门、触发器、计数器及寄存器等逻辑部件构成，数字电路分析的重点已不是输入、输出波形间的数值关系，而是输入、输出序列间的逻辑关系。数字电路的一般框图如图1.1.2所示，其输入与输出的信息以及控制与操作的变量都是数字信号。电路中含有对数字信号进行传送、逻辑运算、控制、计数、寄存、显示以及信号的产生、整形、变换等不同功能的数字部件。

数字电路的分析和设计中采用的主要方法是逻辑分析和逻辑设计，数学工具是逻辑代数。基本分析方法与手段有功能表、真值表、逻辑表达式、波形图、卡诺图。常用的设计仿真软件有EWB（Electronics WorkBench）、Multisim、Proteus等。数字电路的制作与测试中常用的仪器仪表有数字电压表、电子示波器、逻辑分析仪、万用表等。图1.1.2 数字电路一般结构框图

2.数字电路特点（1）工作信号是二进制的数字信号，在时间上和数值上是离散的（不连续），反映在电路上就是低电平和高电平两种状态（即0和1两个逻辑值）。（2）电路中晶体管工作于开关状态，对组成数字电路的元器件的精度要求不高，只要在工作时能够可靠地区分0和1两种状态即可。（3）抗干扰能力强，可靠性和准确性高。（4）集成度高，通用性强，保密性好，电路设计、维修灵活方便。（5）在数字电路中，研究的主要问题是电路的逻辑功能，即输入信号的状态和输出信号的状态之间的关系，遇到的问题是逻辑电路的分析与设计，工具有逻辑代数等。

3.脉冲信号及其参数

脉冲信号是指一种持续时间极短的电压或电流波形。从广义上讲，凡不具有连续正弦形状的波形，几乎都可以称为脉冲信号。

相对于零电平或某一基准电平，幅值为正的脉冲叫正脉冲，反之则为负脉冲。

理想的矩形脉冲突变部分是瞬时的，但实际上，脉冲电压从零值跃升到最大值，或从最大值降到零值，都要经历一定的时间，如图1.1.3所示。其主要参数如下。图1.1.3 矩形脉冲实际波形及其参数

1）脉冲幅度V：脉冲幅度表示一个脉冲电压波从底部到顶部之m间的数值大小。

2）脉冲上升时间t：上升时间表示脉冲从0.1V上升至0.9V所rmm经历的时间。

3）脉冲下降时间t：下降时间表示脉冲从0.9V下降至0.1V所fmm经历的时间。

4）脉冲宽度t：脉冲宽度是脉冲的持续时间。通常取脉冲前、w后沿0.5V的时间间隔作为脉冲宽度。m

5）脉冲周期T：一个周期性的脉冲序列，两相邻脉冲重复出现的时间间隔称为脉冲周期T。其倒数为脉冲重复频率f。即：

6）占空比q：脉冲宽度与脉冲周期之比称为占空比。占空比的矩形波即为方波。

脉冲电路是用来处理脉冲信号的电路。对于脉冲电路，分析的重点不在于电路的放大倍数、频率响应以及非线性失真等，而是着重分析输入、输出波形的形状、幅度及周期等。

数字电路分析的重点是电路的逻辑功能，分析的方法是逻辑分析，使用的数学工具是逻辑代数；脉冲电路分析的重点是电路输入、输出波形的形状、幅度和周期等，分析方法采用模拟电路的分析方法。■ 巩固与提高

1.知识巩固

1.1模拟信号的最显著特点是_____________________________________________，模拟电路主要分析输入、输出信号的_______、_________、_________等参数。

1.2 数字信号的最显著特点是__________________________________________，它用逻辑____和逻辑____表示。数字电路是实现各种逻辑关系的电路，也称为__________电路。

1.3某矩形波信号的频率是10Hz，1秒的时间内高电平的累计时间是0.3秒，该矩形波的占空比是__________。

2.任务作业

课下各学习小组利用图书资料和网络资料整理一篇小论文，主题是数字电路的发展、应用、特点及展望，在同学中进行交流与展示。任务二 表示与使用逻辑■ 技能目标

1.能正确进行各种进制数值的转换。

2.能进行十进制与BCD码的转换。

3.能应用基本逻辑表示简单逻辑问题。

4.能运用逻辑数学知识对逻辑问题进行化简。■ 知识目标

1.掌握各种进制的相互转化。

2.认识常用二进制代码。

3.掌握基本逻辑门的逻辑功能。

4.掌握复合逻辑运算。

5.掌握逻辑数学的基本公式和规则。■ 实践活动与指导

教师组织学生自学和互助学习逻辑代数的知识并给予指导。当学生基本掌握逻辑代数以后，组织一次公式法化简的小组竞赛和一次卡诺图化简的小组竞赛。每次竞赛设置题目分和速度分，竞赛完成与学生一起批改并讲解，最后评出成绩给予点评。■ 知识链接与扩展（一）一、数制及其相互转化

1.常用数制

数制就是计数的制度，进位计数制是按照进位的方式进行计数的制度。常用的计数制度有日常生活中常用的十进制、数字电路及设备中使用的二进制、为方便表示二进制而在技术文档和书籍材料中使用的八进制和十六进制。除此之外，还有计时用的十二进制、二十四进制、六十进制、还有每周的七进制等很多进制形式。

进位计数制的三要素是数据元素、基数、权重。

数据元素就是构成一种进制所使用的计数符号，如十进制中使用 0、1、2、、9 共十个元素来计数，十六进制中使用0～9、A、B、C、D、E、F这些元素。如表1.2.1所示。

基数就是一种进位计数制逢几进位。如十进制的基数是10，二进制的基数是2，如表1.2.1所示。

权重是指每种进位计数制中不同位置的数值所代表的数值，在N012进制中，其整数部分从最低位向高位看，权重分别是N，N，N，nN ，如表1.2.1所示。例如，十进制的111，三个不同位置的“1”所代表的实际值是不同的，最后一个“1”代表的就是1，也即1个0210，最高位的“1”所代表的是100，也即1个10。表1.2.1 常用数制的三要素比较表

任何一个数值，都可以写成数据元素乘以权重然后求和的形式，这种表达式称为按权展开式。如下例：

任意一个N进制数，其按权展开式为：

因此，二进制的按权展开式如下所示：

八进制数的按权展开式如下所示：

十六进制数的按权展开式如下所示：

由此可见，按权展开式可以将任意进制的任何数转换成十进制。这是非十进制转换成十进制的通用方法。

2.不同进制数的相互转换（1）非十进制转换成十进制

非十进制转换成十进制的统一做法就是按权展开式进行运算。

如二进制（1001.111）转换成十进制如下：（2）十进制转换成非十进制

十进制转换成非十进制（任意N进制），整数部分和小数部分要分别进行转换。整数部分采用短除法，小数部分采用短乘法。

短除法：用十进制整数除以目标进制的基数，取出余数，一直进行到商为0为止，所得余数倒序排。简记为：除基取余，直至商0，余数倒排。

例1.2.1将（43）转换成二进制，八进制，十六进制10

解：十进制整数转换成二进制，八进制，十六进制采用短除法，如下所示。

因此（43）（101011） （43）=（53）（43）=（2B）10=21081016

短乘法：用十进制小数乘以目标进制的基数，取出整数，一直进行到满足精度要求为止，所得整数正序排列。简记为：乘基取整，直至足精，整数正序排。

例1.2.2请将0.875D转换成二进制、八进制、十六进制数。

解：十进制小数转换成二进制、八进制、十六进制数采用短乘法，如下所示。

因此，0.875D=0.111B0.875D=（0.7）0.875D=（0.E）816

需要说明的是，并不是每一次使用短乘法进行数制转换都能出现小数部分为0的情况，很多时候达不到小数为0，但是越往后运算，所得的整数的权重越低，因此，只要是转化后的数据满足精度要求，即可停止运算而获得结果。

十进制的实数转换成非十进制时，只要将整数部分和小数部分分别转换，然后将整数部分和小数部分的结果拼接在一起即可。

例如：（43.875）=（101011.111）=（53.7）=（2B.E）102816（3）二进制与八进制和十六进制间的互相转换

① 二进制数转换为八进制数：将二进制数由小数点开始，整数部分向左，小数部分向右，每3位分成一组，不够3位补零，则每组二进制数便是一位八进制数。简记为：整数从右向左，三位一段，分别转化；小数从左向右，三位一段，分别转化。

例如：将（1010101.11011）转换成八进制数。2

因此（1010101.11011）=（125.66）28

思考：（10101011110.100000111）=（？）28

八进制数转换成二进制数，过程是相反的，即：将八进制的每一个位变成三位二进制数，最前面的0可以去掉，小数部分最后边的0可以去掉。

例如：将八进制数（543.21）转换成二进制数。8

因此，（543.21）=（101100011.010001）82

② 二进制数转换为十六进制数：将二进制数由小数点开始，整数部分向左，小数部分向右，每4位分成一组，不够4位补零，则每组二进制数便是一位十六进制数。简记为：整数从右向左，四位一段，分别转化；小数从左向右，四位一段，分别转化。

例如：将（1010101.11011）转换成十六进制数。2

因此（1010101.11011）=（55.D8）216

思考：（11101.011000111）=（？）216

十六进制数转换成二进制数，过程是相反的，即：将十六进制的每一个位变成四位二进制数，最前面的0可以去掉，小数部分最后边的0可以去掉。

例如：将十六进制数（5A3.21）转换成二进制数。16

因此，（5A3.21）=（10110100011.00100001）162（4）八进制和十六进制之间的转换，可以通过二进制作为中间过渡进行转换。

例如：（5A3.21）=（10，110，100，011.001，000，01）16=（2643.102）28

对于0～15范围内常用的二进制、八进制、十六进制、十进制的转换关系需要熟悉，如表1.2.2所示。表1.2.2 0～15范围内二进制、八进制、十六进制、十进制对照表二、常见二进制编码

码制即编码方式，编码即按一定规则组合成二进制码去表示数或字符等信息。主要分数值码和非数值码，数值码是对数值的二进制编码，有大小的区分，也有多种编码形式，如原码、反码、补码等，BCD码也是一种数值码；非数值码是信息编码，不代表数量的多少，常用的非数值码有奇偶校验码、海明码、格雷码等很多种。有些代码有时可表示数值意义，也可以表示非数值意义。

1.BCD码

BCD码是用二进制表示的十进制代码（BinaryCodedDecimal），即用10个四位二进制代码分别代表0～9这十个阿拉伯数字符号。它也有多种形式，如8421BCD码、余3BCD码、2421BCD码等。本课程中最常用的是8421BCD码和余3BCD码，如表1.2.3所示。表1.2.3 BCD编码表

表1.2.3中8421BCD、2421BCD、5211BCD都是有权码，其中8421BCD的四位代码从高位到低位的权重分别是8、4、2、1，这种代码的有效码是0000～1001，1010～1111六个代码是伪码。余3码是无权码，其对应十进制数的代码是相应的8421BCD码+0011所得，因此称为余3码。

2.格雷码

格雷码（Gray Code），又叫循环二进制码或反射二进制码。格雷码是一种无权码，采用绝对编码方式，典型格雷码是一种具有反射特性和循环特性的单步自补码，它的循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的可能，它的反射、自补特性使得求反非常方便。格雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式。

表1.2.4为自然二进制码与格雷码的对照表，图1.2.1是自然二进制码与格雷码的示意图。从表和图中不难获得以下认识。（1）具有逻辑相邻性。两个代码如果只有一位不同而其他位都是相同的，称为逻辑相邻。格雷码中任意两个相邻代码都具有逻辑相邻性，即所有相邻的格雷码中只有一个数位不同。它在任意两个相邻的数之间转换时，只有一个数位发生变化。这样大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。（2）具有循环性。格雷码的最大数和最小数之间也只有一位不同，具有循环性。可以看成这些代码是写在一个循环纸带上的，因此也称为循环码。（3）具有反射性。4位格雷码中以7和8为中间对称轴进行对折，会发现7和8，6和9，，0和15是逻辑相邻的。（4）无权码。格雷码是一种数字排序系统，属于无权码。表1.2.4 自然二进制码与格雷码的对照表图1.2.1 自然码与格雷码示意图

格雷码的编码规则。格雷码可以有三位、四位、五位等。格雷码可以使用卡诺图来进行编码。卡诺图是按照位置相邻逻辑也相邻的原则绘出的包含一个逻辑问题全部变量的方格图。如图1.2.2所示，用ABCD代表四位格雷码的四位，这样在每个方格中可以获得一个由左侧和上侧代码拼接组合而成的四位代码（需要注意的是左侧和上侧的代码编码顺序是00-01-11-10），格雷码就是沿着（b）图路径获得的代码。图1.2.2 在卡诺图中的格雷码编码

卡诺图是数字电子技术中一种很方便有效的逻辑表达和化简方法，将会给后续的学习带来重要的影响。数字电子技术中所要学习的内容是很有规律的，学习过程中希望读者能积极思考，把握规律，避免死记硬背。三、基本逻辑运算及简单复合逻辑运算

逻辑是指人们思维的一种规律性。逻辑代数和普通代数一样，也是用字母代表变量，逻辑变量只有0和1两个取值。0和1不表示数量的大小，只表示对立的两种逻辑状态，如电位的低高（0表示低电位，1表示高电位）、开关的开合、电路元件的通断等。数字电路从其工作过程上看，总是体现一定条件下的因果关系，即输出与输入之间一定的逻辑关系，这就是逻辑函数，其表达形式有逻辑表达式、真值表、逻辑符号（逻辑电路）、波形图，卡诺图。因此，逻辑代数是分析和设计数字电路的数学工具。

1.逻辑代数中基本的逻辑运算

逻辑代数中基本的逻辑运算是非（NOT）、与（AND）、或（OR）运算。（1）或运算

教室锁L有两把钥匙，分别由A、B两位同学保管，请分析锁L是否打开和A、B两位同学是否到来的逻辑关系，并填写到表1.2.5中。表1.2.5 简单或逻辑问题分析表

首先我们定义带钥匙的人在用1表示，不在用0表示，锁打开用1表示，打不开用0表示，这个过程是逻辑定义，对于逻辑问题的分析，都要进行逻辑定义，这样才能够有明确的逻辑关系。读者也可以反过来定义，比如带钥匙的人在用0表示，不在用1表示，那样获得的表格和结果是不同的。

通过表1.2.5的分析不难发现，这个逻辑问题的结果是锁是否打开，条件是两个人A、B是否到来，显然，当条件A、B中具备一个条件或两个条件时，问题的结果为“真”（锁打开），也即A条件具备“或者”B条件具备，结果为真，这种逻辑关系我们称为逻辑或。可以用表达式1.2.1来表示。

注意，此处“+”不同与普通代数的加法运算，此处是逻辑“或”运算符，从表1.2.5的右边表可以看出，当A、B中有1时，L=1；当A、B全0时，L=0，该表是这个逻辑问题的真值表。

问题扩展：如果钥匙有3把、4把 会怎样？请读者总结或逻辑规律，写出逻辑式。（2）与运算

某保险柜Y必须由M、N两把钥匙同时解锁才可打开，请读者分析保险柜锁是否打开和两把钥匙的逻辑关系并填写表1.2.6。

我们还是先进行逻辑定义：带钥匙的人在用1表示，不在用0表示，锁打开用1表示，打不开用0表示，显然可以得到表1.2.6中的结果，并从中发现，只有当条件M具备“并且”条件N具备时，保险柜锁Y打开的结果才为真。这种条件必须同时具备结果才为真的逻辑就是与逻辑。与逻辑的表达式见式1.2.2。

上式可以简写为Y=MN。

问题扩展：如果钥匙有3把、4把 会怎样？请读者自己总结与逻辑的规律，并写出逻辑式。表1.2.6 简单与逻辑问题分析表（3）非运算

非运算就是求反，如锁打开用1表示，打不开用0表示，1的非就是0，0的非就是1。非运算的表达式见式1.2.3。（4）逻辑运算的电路表示

请读者在EWB软件中绘制如图1.2.3所示电路并分析，填写表1.2.7。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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