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。

本套教材是针对清华大学信息科学技术学院所属电子工程系、计算机科学与技术系、自动化系、微电子研究所、软件学院的现行本科培养方案和研究生培养计划的课程设置而组织编写的。这些培养方案和培养计划是基于清华大学对研究型大学的定位和对研究型教学的强调，吸纳多年来在教学改革与实践中所取得的成果和形成的共识，历经多届试用和不断修订而形成的。贯穿于其中的“本科教育的通识性、培养模式的宽口径、教学方式的研究型、专业课程的前沿性”的相关思想是我们组编本套教材所力求体现的基本指导原则。

本套教材以本科教材为主并适量包括研究生教材。定位上，属于信息学科大类中各个基本方向的基本理论和前沿技术的一套高等院校教材。层次上，覆盖学院公共基础课程、专业技术基础课程、专业课程、研究生课程。领域上，涉及6个系列14个领域，即学院公共基础课程系列，信息与通信工程系列（含通信、信息处理等领域），微电子光电子系列（含微电子、光电子等领域），计算机科学与技术系列（含计算机科学、计算机网络与安全、计算机应用、软件工程、网格计算等领域），自动化系列（含控制理论与控制工程、模式识别与智能控制、检测与电子技术、系统工程、现代集成制造等领域），实验实践系列。类型上，以文字教材为主并适量包括多媒体教材，以主教材为主并适量包括习题集、教师手册等辅助教材，以基本理论和工程技术教材为主并适量包括实验和实践课程教材。列入这套教材中的著作，大多是清华大学信息科学技术学院所属系、所和院开设的课程中经过较长教学实践而形成的，既有多年教学经验和教学改革基础上新编著的教材，也有部分已出版教材的更新和修订版本。教材在总体上突出求新与求实的风格，力求反映所属领域的基本理论和新进展，力求做到学科先进性和教学适用性的统一。

本套教材的主要读者对象为电子科学与技术、信息与通信工程、计算机科学与技术、控制科学与工程、系统科学、电气工程、机械工程、化学与技术工程、核能工程等相关理工专业的大学生和研究生，以及相应领域和部门的科学工作者和工程技术人员。我们希望，这套教材既能为在校大学生和研究生的学习提供内容先进、论述系统和适于教学的教材或参考书，也能为广大科学工作者与工程技术人员的知识更新与继续学习提供适合的和有价值的进修或自学读物。我们同时要感谢使用本系列教材的广大教师、学生和科技工作者的热情支持，并热忱欢迎提出批评和意见。

《清华大学信息科学技术学院教材》编委会

2003年10月

自《数字电路与系统》出版至今已10余年，为适应10多年来数字电子技术飞速发展的态势与教学改革的需要，按照计算机专业的“数字逻辑”和“数字电子技术”课程，以及电子信息与电气信息类专业的“数字电路与逻辑设计”课程的教学要求，对原书进行了修订。本书主要面向本科生的教学，亦可作为相关专业技术人员的参考书。

第2版围绕数字系统这一主线，介绍逻辑设计的理论知识，数字电路的工作原理、分析和设计方法，数字系统的基本知识和VHDL语言。重点是组合逻辑电路的分析和设计、同步时序逻辑电路的分析和设计、数据处理器和控制器的设计。通过本书的学习，使学生学会正确运用各种规模的数字集成电路(特别是可编程逻辑器件)，设计通用或专用的小型数字系统。

遵照“本科教育的通识性、培养模式的宽口径、教学方式的研究型、专业课程的前沿性”的基本原则。在选材上，注重基础知识，介绍今后相当长一段时间内仍然行之有效的基本理论和方法； 反映近年来数字电子技术的新发展和新应用，介绍新器件和新技术。鉴于数字电子技术课程是一门实践性很强的课程，要做好一个数字系统设计，除了要具备基本的理论知识以外，还需有丰富的实践经验。因此，本书修订时，强调了器件传输延时等时间参数、系统中各信号在时间上的配合，以及解决电路中竞争险象等问题的重要性，列举了不同规模的数字系统设计的典型实例，加强了有关数字系统的设计知识，增加了VHDL语言的介绍，压缩了原书中的数字电路、脉冲电路、A/D和D/A电路等属于模拟电路的内容。

本书分为13章。第1～4章为基础知识。其中第1章为绪论。第2章为数制与编码。第3章介绍分析和设计逻辑电路的数学工具——逻辑代数。第4章从使用器件的角度出发，介绍了TTL和CMOS数字集成逻辑电路的基本工作原理和特性参数。第5～8章介绍各种逻辑电路的分析和设计方法。其中第5章介绍组合逻辑电路的分析与设计。第6章介绍锁存器和触发器。第7章为常见的时序逻辑电路。第8章综合了第5,6,7章的知识,介绍了同步和异步时序逻辑电路，这两种时序电路是数字系统中十分重要的电路。第9章介绍了存储器和可编程逻辑器件。第10章是本书的一个重点，通过几个数字系统设计的实例，介绍了数字系统设计方面的基本概念和设计方法，为读者进一步学习通用或专用的数字系统打下基础。第11章简介了VHDL设计描述中的一些语法和注意事项。第12章讨论几种常见的脉冲电路的工作原理和应用。第13章介绍数字信号和模拟信号相互转换的电路。

在修订过程中，力求做到体系结构安排合理，物理概念阐述准确，表述科学，说理透彻，注意培养学生分析问题和解决问题的能力，通过实例使读者深入理解理论知识，以达到学以致用、便于自学之目的。

本书是计算机系列教材，也是清华大学信息科学技术学院的信息与通信工程系列教材。本书的第1版曾获第三届全国普通高等学校电子部优秀教材二等奖。此次在第1版的基础上，笔者根据自己近10多年的讲课笔记、积累的素材以及教学经验和教训进行了归纳总结，并融合了罗嵘、王德生和彭良瑞等老师多年教学与科研工作的体会，共同完成了对原书的修订。

在修订过程中，王希勤教授给予了热情的支持并精心阅读全书，提出了很多有益的建议； 清华大学信息科学技术学院的多位老师也给予了很大的帮助，国防科技大学的王志英教授审阅了书稿，在此一并表示感谢。

限于作者水平，本书会存在不少缺点和不足之处，欢迎广大读者批评指正。

刘宝琴

2006年夏于清华园

Preface

本书根据高等理工院校电子类“脉冲数字电路”课程的教学大纲编写，与各院校的教学要求相一致。本书可作为高等院校的教材，亦可供有关专业的工程技术人员参考。

数字技术和微电子技术在飞速发展，各种通用的、专用的、用户可编程的器件不断涌现，目前已可以在一块芯片上集成几千万个元件构成的数字系统。设计集成电路器件和制作整机设备都必须具备逻辑设计和数字系统的知识，因此在本书中加强了这方面的内容，并命书名为《数字电路与系统》。

在选材上，本书注重基础知识，介绍今后相当长的一个时期内仍然行之有效的基本理论和方法； 同时，又力求反映近几年来数字技术的新发展和新应用，介绍新器件和新技术。

数字电路与系统是一门重要的专业基础课。本书侧重于阐明基本物理概念、电路的工作原理和设计方法，尽量减少繁琐冗长的数学运算，力求做到深入浅出、便于自学。为了加深对概念的理解，学以致用，书中附有大量实例，并介绍了一些在工程中常用的分析和设计方法，以及实际应用中需要解决的各种问题。每章之后附有习题，以巩固所学的知识。

全书共分十四章。第一章论述了数字电路的特点和一些基础知识。第二章介绍二进制数和编码。第三章到第九章是本书的重点，讨论了分析和设计数字电路的一系列有关问题。第三章从正确运用逻辑代数的角度，介绍逻辑代数和逻辑函数的化简。第四章和第五章分别讨论了组合逻辑电路分析、设计的方法和四种常见的组合逻辑电路。第六章给出最基本的时序电路，即触发器的逻辑特性及其使用中应注意的问题。第七章介绍六种常见的时序电路，同时针对具体电路给出其分析和设计的方法。第八章介绍运算电路。第九章详细地阐述时序逻辑电路分析与设计的一般步骤及方法。第十章和第十一章介绍了晶体管的开关特性和各种系列的数字电路。第十二章讨论各种脉冲电路的实现。第十三章介绍数字和模拟信号之间的相互转换电路。第十四章讨论数字系统设计的基本问题，重点在中央处理单元的设计。

使用本书时，读者可按不同的章节顺序学习（或选学）有关的内容，书中带“*”标记的部分供参阅。例如，学习了第一、二、三章，便可阅读第六、十、十二章，此后再按第四、五、七、八、九、十一、十三、十四章顺序学习。通过本书的学习，读者可以掌握基本脉冲电路与数字电路的工作原理和分析方法，能对常见的小、中、大规模集成电路进行分析、设计和应用，并初步掌握数字系统的设计方法，为研究通用或专用数字系统、超大规模集成系统打下必要的基础。

本书基本上采用国家标准GB4728.12—85《电气图用图形符号二进制逻辑单元》所规定的逻辑符号。这种逻辑符号意义明确，不用（或少用）附加文字说明就可确切地描述电路的逻辑功能，它与国际电工委员会IEC617—12（1983）的图形符号一致，正在国内外普及。为了便于读者熟悉和掌握各种常用的逻辑符号，本书在逻辑电路的分析和设计的有关章节中，结合电路实例，逐一给出其逻辑符号，并在附录二对逻辑符号的绘制原则做了简单的介绍。

在编写本书过程中，陆大教授自始至终给予了热情支持与具体指导，提出了极其宝贵的建议和详尽的修改意见。钱淑英副教授精心审阅了全书，提出了很多有益的建议。在此一并表示衷心的感谢。本书原稿曾在清华大学和一些兄弟院校作为教材使用，又经多次改写，但仍难免有不妥之处，恳请读者批评指正。

作者

1992年3月

Preface

本书附录B给出了国家标准GB4728.12—85《电气图用图形符号——二进制逻辑单元》的简要说明，并在附录C中列举了本书采用的一些门和触发器的逻辑符号。

在用中大规模集成器件组成更大的电路时，本书采用示意性的方框图来表示这些器件。通常，将输入信号画在方框图的左方(或上方)； 输出信号画在方框图的右方(或下方)。对于输入(或输出)信号是“0电位有效”的情况，在其信号名的文字上方加一横线来构成它的名称。这时，信号名的文字上方的横线是名称中不可分割的一部分，它不是“非”运算符，而只是提示该信号是以0电位作为有效电位的。例如，D，，LD和CS分别为0电位时实现直接(强制)复位(direct reset)、使能(enable)、置数(load)和片选(chip select)功能的信号。又例如，存储器的读写信号写成R/，它表示该信号为1电位时，存储器进行读(read)操作； 0电位时，进行写(write)操作。在实际工作中，方框图所用的是一种简便的图形符号，并不属于国家标准规定的逻辑图形符号。对于方框中每个输入(或输出)信号的物理意义，需要根据电路(或器件)的功能表、逻辑图，甚至波形图和必要的说明才能全面地理解。

顺便说明，在VHDL语句中，为了表示以逻辑0电位为有效电位的信号，本书特意在其信号名上附加一个“N”字。例如，LD记为LDN，CS记为CSN，CR记为CRN，EN记为ENN。

第1章绪论/1

11脉冲信号/1

12数字信号和数字电路/3

第2章数制与编码/5

21数制/5

22不同数制之间的相互转换/6

23有符号的二进制数/8

231反码和补码/8

232二进制正、负数的表示法/8

233带符号位的二进制数的补码运算/9

234溢出和符号位扩展/11

235算术移位/12

24用二进制表示的其他进制/13

25格雷码/15

26字符代码/16

261ASCII码/16

262汉字码/17

27检错码和纠错码/20

271检错码/21

272纠错码/24

小结/26

习题/26

第3章逻辑代数/27

31逻辑变量和基本的逻辑运算/27

311逻辑变量/27

312基本的逻辑运算/27

313逻辑电位/30

314逻辑函数/31

32常见的逻辑门电路/31

33逻辑代数的基本定律和规则/34

34常用公式/38

35逻辑函数的标准形式/39

351最小项/39

352最大项/41

353两种标准形式表达式的互换/42

36逻辑函数的代数化简方法/45

37逻辑函数的卡诺图化简法/47

38逻辑函数的表格化简法/52

小结/56

习题/56

第4章集成逻辑电路/59

41数字集成电路的特点与分类/59

42晶体管开关特性/59

421双极型二极管开关特性/59

422双极型晶体三极管开关特性/61

43MOS场效应管/63

44晶体管晶体管逻辑电路/66

441最简单的门电路/66

442TTL与非门/68

443TTL门的主要参数/69

444肖特基TTL电路/72

445可以线或的TTL门/72

45发射极耦合逻辑电路/76

46CMOS逻辑电路/78

461CMOS反相器/78

462CMOS传输门/79

463CMOS逻辑门/81

464CMOS三态门/81

47NMOS逻辑电路/82

48不同逻辑系列的配合问题/85

小结/86

习题/86

第5章组合逻辑电路的分析与设计/88

51组合逻辑电路的特点/88

52组合逻辑电路的分析/88

53组合逻辑电路的设计/90

54组合逻辑电路中的竞争和险象/93

541竞争和险象/93

542险象的类型/93

543险象的消除/95

55常见的组合逻辑电路/96

551编码器和优先编码器/96

552译码器/101

553多路选择器和分路器/106

554奇偶校验器/111

555数值比较器/113

556加法器/118

557算术逻辑单元/124

56迭代阵列/127

小结/134

习题/134

第6章锁存器和触发器/139

61时序逻辑电路的基本特性/139

62基本RS锁存器/140

63门控RS锁存器/143

64D锁存器/145

65主从型触发器/148

651主从型RS触发器/149

652主从型D触发器/150

653主从型JK触发器/151

66边沿触发型触发器/153

67触发器的参数和使用/157

68触发器的逻辑功能描述/158

681RS触发器/159

682JK触发器/160

683D触发器/161

684钟控T触发器/162

685其他类型的触发器/163

小结/165

习题/165

第7章常见的时序逻辑电路/169

71寄存器/169

711异步送数寄存器/169

712同步送数寄存器/170

72二进制计数器/171

721二进制异步计数器/172

722二进制同步计数器/174

723中规模集成二进制计数器/176

73任意进制计数器/182

731十进制同步计数器/183

732中规模集成十进制计数器/185

74移位寄存器/188

75移存型计数器/191

76序列信号发生器/193

小结/196

习题/196

第8章时序逻辑电路的分析与设计/199

81时序逻辑电路的模型与分类/199

82同步时序电路模型和功能描述/202

83同步时序逻辑电路的分析/204

84同步时序逻辑电路的设计/207

841同步时序电路设计步骤/208

842原始状态图和原始状态表的构成/208

843状态化简/212

844状态分配/221

845确定激励函数和输出函数/225

846自启动问题/226

847同步时序电路设计举例/227

85脉冲型异步时序逻辑电路的分析与设计/230

851脉冲型异步时序电路的分析/230

852脉冲型异步时序电路的设计/233

86电位型异步时序逻辑电路的分析与设计/239

861电位型异步时序电路的特点/239

862电位型异步时序电路的模型和

流程表/240

863电位型异步时序电路的分析/242

864电位型异步时序电路的设计/244

87设计时序电路应注意的问题/249

小结/253

习题/253

第9章存储器和可编程逻辑器件/258

91随机存取存储器（RAM）/258

911RAM的结构和参数/258

912RAM的使用/260

92只读存储器（ROM）/265

921或门和或非门电路/265

922内容固定的只读存储器/266

923用户可编程的只读存储器/267

924ROM应用举例/270

93特殊存储器/271

931双口RAM/271

932先进先出存储器/272

933堆栈/273

94可编程逻辑器件（PLD）/274

941简单的可编程逻辑器件/274

942复杂的可编程逻辑器件/283

943现场可编程门阵列/285

944PLD的编程方式/287

945PLD的开发过程/288

946PLD的测试/289

小结/291

习题/291

第10章数字系统设计基础/292

101数字系统的特点和描述方法/292

102系统级/293

103算法级/294

104寄存器传输级/295

1041寄存器传输级中的微操作/295

1042数据处理器与控制器/295

1043ASM图/296

105ASM机设计举例（一）/300

106ASM机设计举例（二）/304

107存储程序计算机/308

1071计算机的硬件与软件/308

1072简单计算机/309

108接口电路/321

1081键盘扫描电路/321

1082扫描式数码管显示电路/323

1083异步并行数据传送/324

1084异步串行数据传送/326

小结/332

习题/333

s第11章VHDL基础知识/335

111概述/335

1111VHDL设计描述的基本结构/335

1112数据类型/335

1113词法/339

1114运算符/341

1115对象/342

1116属性/344

1117VHDL语句/345

1118库和use子句/346

1119设计实体/347

11110设计实体举例/348

112面向综合的VHDL设计描述/352

1121组合逻辑电路的VHDL描述/352

1122锁存器和触发器的VHDL描述/357

1123常用时序逻辑电路的VHDL

描述/359

1124有限状态机的VHDL描述/361

1125三态门的VHDL描述/365

1126显示电路的VHDL描述/365

1127简单计算机的VHDL描述/367

113面向仿真的VHDL设计描述/371

1131仿真模型/371

1132δ延时/375

1133信号赋值和变量赋值/376

1134仿真的初始化/377

1135测试平台/378

小结/382

习题/382

第12章矩形脉冲的产生和整形/386

121RC电路/386

122正反馈回路/387

123555定时集成电路/387

124施密特触发器/389

1241用555定时电路构成的施密特

触发器/389

1242用运算放大器构成的施密特

触发器/390

1243集成的施密特触发器/391

125单稳态电路/393

1251用555定时电路构成的单稳态

电路/394

1252可重触发的单稳态电路/395

1253集成的单稳态电路/396

126多谐振荡器/399

1261用555定时电路构成的多谐

振荡器/400

1262TTL门构成的多谐振荡器/401

小结/402

习题/402

第13章数模转换器和模数转换器/404

131数模转换器的工作原理/404

1311数模转换关系/404

1312权电阻解码网络型数模转换器/406

1313梯形电阻解码网络型数模

转换器/408

1314倒梯形电阻解码网络型数模

转换器/409

1315权电流型数模转换器/410

1316双极性数模转换器/413

132数模转换器的主要参数/416

133数模转换器应用举例/418

134模数转换器的主要参数/418

135抽样保持电路和模拟多路选择器/420

136常见的模数转换器/424

1361并行模数转换器/424

1362逐次逼近型模数转换器/426

1363双斜积分式模数转换器/428

小结/430

习题/430

附录A我国集成电路型号命名规则/432

附录B国家标准图形符号简介/433

附录C常用逻辑符号/437

参考文献/443