
本书是山东大学山东省精品课程“电子技术基础”配套系列教材中的一本。主要内容参照了教育部高等学校电子电气基础课程教学指导分委员会最新修订的数字电子技术基础课程教学基本要求,并融合了作者多年的教学经验及教学改革的体会。全书包括初识数字电路、分析与设计数字电路的工具、逻辑门电路、组合逻辑电路、记忆单元电路、时序逻辑电路、脉冲单元电路、半导体存储器、数模与模数转换器、可编程逻辑器件共10章。在内容安排上注意了由浅入深、循序渐进。在文字叙述上力求通俗易懂、生动有趣、层层展开,具有较强的可读性与可教性。为了便于多媒体教学,本书配有详实的电子课件。
本书主要作为高等院校电气、电子信息及自动化类专业的教材,也可供从事电子技术工作的有关人员和自学者参考。
转眼之间,我们在《电子技术基础》课程的讲台上站了30年了,亲身经历了电子技术日新月异的发展,也亲身体会了《电子技术基础》作为高等学校电类专业一门重要的技术基础课,对学生们所起到的承上启下的重要作用以及对培养学生的创新能力的至关重要性。多年来,我们结合工作实践对该课程进行了卓有成效的教学改革并取得了多项教学成果: 2001年获得山东省教学成果二等奖,2005年获山东省优秀教学成果一等奖,2004年被评为山东省精品课程。
一直以来就想把自己的一些教学体会写到教材中去。2001—2002年我们课程组在山东科技出版社出版了一套6本《电子技术基础》系列教材,已经有多届学生使用,并且反响不错。在此基础上,我们总结了经验与不足,吸收了最新的科技与教学成果及本校教学改革的经验,重新对该套教材进行了修订与编辑,推出了现在这一套系列教材。该教材具有以下的特点:
1. 系列化。该套教材共6本。其中《模拟电子技术基础》和《数字电子技术基础》为主教材; 《电子技术学习指南与习题解答》对主教材中的全部习题进行解答及提示; 《电子技术实验与课程设计》为实验、课程设计的指导书; 《VHDL与可编程逻辑器件设计》和《大学生电子设计竞赛指导》(暂定名)是为进一步加强学生动手与创新能力而编写的。这样,电子技术课程的理论基础、实验与设计、创新提高三个环节都有了配套的教材。
2. 立体化。为《模拟电子技术基础》、《数字电子技术基础》配套了电子课件,该课件内容翔实,文字简捷,电路图采用OrCAD/PSpice软件绘制,规范标准,文字与重要的电路图尽量分解演示。为《电子技术实验与课程设计》配套了光盘,光盘中附有电子元器件知识、仪器使用方法、实验题目与课程设计项目的PPT讲解、EWB、Multisim等应用软件的使用方法等。
3. 经过了多年的教学锤炼。该教材是在总结我校电子技术课程多年教学经验的基础上完成的,并力图反映我们的教学改革成果。在内容安排上注意了由浅入深、循序渐进、层层展开。在实验与课程内容设计上采用了实际实验与计算机仿真相结合的方式。教材中选编的内容及配套的电子课件都经过了多年教学实践的检验。
4. 参考了最新的教学基本要求。《数字电子技术基础》是该系列教材中的一本。编写时参考了教育部高等学校电子电气基础课程教学指导分委员会最新修订的《数字电子技术基础课程教学基本要求》。在内容上着重基本概念、基本方法的论述,适当引入新技术。同时兼顾了与其他几本书在内容上的相互照应。如按照基本要求,本书中新增加了数字电路的VHDL语言的描述,但由于VHDL的系统知识在该系列教材的《VHDL与可编程逻辑器件设计》一书中有较详细的讲解,所以本书只是在第2章对VHDL语言作了最基本的介绍,又在后面几章中举了几个简单的例子。
5. 具有较强的可读性与可教性。教材主要是写给学生与教师看的,为了引发读者阅读的积极性,本书在文字叙述上力求通俗易懂、生动有趣。在每章的开始都有一段略带文学色彩的介绍本章内容的导语; 提出新概念时尽量用生活中相近的事例类比; 理论与方法多用例题诠释。作者很欣赏有些国外教材的编写风格,用轻松的语气、人性化的语言将抽象的概念讲述得津津有味,把枯燥的电路描绘得有声有色。本书试图采用这种风格,但由于编者水平及教材篇幅所限,无法全部实现,只在某些地方稍做尝试,也算作本书的一个特色。
本书的第1、2、3、4、5、6、10章由范爱平编写,第7、8、9章由周常森、范爱平两人共同编写。编写过程中课程组全体教师对编写大纲进行了多次讨论,提出了许多宝贵建议,高宁老师对书中全部的VHDL程序进行了仿真,王济浩老师也对该书进行了审阅并提出了许多修改意见; 另外,本书编写过程中还参考了许多兄弟院校出版的相关教材与资料,在此一并表示感谢。
第1章初识数字电路
1.1数字电路的基本概念
1.1.1模拟信号与数字信号
1.1.2数字信号的表示法
1.1.3数字电路
1.2数制与BCD码
1.2.1几种常用的计数制
1.2.2不同数制之间的相互转换
1.2.3二十进制码
1.3逻辑运算
1.3.1基本逻辑运算
1.3.2常用逻辑运算
1.3.3逻辑门对信号的控制作用
1.4逻辑函数及其表示方法
1.4.1逻辑函数的建立
1.4.2逻辑函数的表示方法
小结
习题
第2章分析与设计数字电路的工具
2.1逻辑代数
2.1.1逻辑代数的基本公式
2.1.2逻辑代数的基本规则
2.1.3逻辑函数的代数化简法
2.2卡诺图化简法
2.2.1最小项与最小项表达式
2.2.2卡诺图及其逻辑函数的卡诺图表示法
2.2.3卡诺图化简法
2.2.4具有无关项的逻辑函数的化简
2.3VHDL硬件描述语言简介
2.3.1VHDL的基本结构
2.3.2VHDL的语言元素
2.3.3VHDL的基本语句
小结
习题
第3章逻辑门电路
3.1二极管的开关特性及二极管门电路
3.1.1二极管的开关特性
3.1.2二极管门电路
3.2三极管的开关特性及三极管门电路
3.2.1三极管的开关特性
3.2.2三极管非门电路
3.2.3二极管和三极管组成的与非门电路
3.3TTL逻辑门电路
3.3.1TTL与非门的基本结构及工作原理
3.3.2TTL与非门的开关速度
3.3.3TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力
3.3.4TTL与非门的带负载能力
3.3.5TTL门电路的其他类型
3.3.6TTL集成门电路系列简介
3.4MOS逻辑门电路
3.4.1NMOS门电路
3.4.2CMOS非门
3.4.3CMOS门电路
3.4.4CMOS集成门电路系列简介
3.5集成门电路的应用
3.5.1TTL与CMOS集成逻辑门性能比较
3.5.2TTL与CMOS器件之间的接口问题
3.5.3门电路带负载时的接口问题
3.5.4多余输入端的处理
3.6两种有效电平及两种逻辑符号
3.6.1两种有效电平
3.6.2两种逻辑符号
3.6.3逻辑符号的变换
3.7门电路的VHDL描述
小结
习题
第4章组合逻辑电路
4.1组合逻辑电路的分析方法与设计方法
4.1.1组合逻辑电路概述
4.1.2组合逻辑电路的分析方法
4.1.3组合逻辑电路的设计方法
4.2编码器
4.2.1编码器的基本概念及工作原理
4.2.2二进制编码器
4.2.3优先编码器
4.2.4编码器的应用
4.3译码器
4.3.1译码器的基本概念及工作原理
4.3.2集成译码器举例
4.3.3译码器的应用
4.3.4数字显示译码器
4.4数据选择器
4.4.1数据选择器的基本概念及工作原理
4.4.2集成数据选择器举例
4.4.3数据选择器的应用
4.5数值比较器
4.5.1数值比较器的基本概念及工作原理
4.5.2集成数值比较器及其应用
4.6加法器
4.6.1加法器的基本概念及工作原理
4.6.2快速进位集成加法器74283
4.7组合逻辑电路中的竞争冒险
4.7.1竞争冒险产生的原因
4.7.2冒险现象的识别
4.7.3冒险现象的消除方法
4.8组合逻辑电路的VHDL描述
4.8.1VHDL中中间变量的描述
4.8.2组合逻辑电路的VHDL描述举例
小结
习题
第5章记忆单元电路
5.1锁存器
5.1.1具有记忆功能的双稳态元件
5.1.2用与非门组成的RS锁存器
5.1.3用或非门组成的RS锁存器
5.1.4门控RS锁存器
5.1.5门控D锁存器
5.2触发器
5.2.1时钟信号与触发器
5.2.2主从RS触发器
5.2.3主从JK触发器及T与T′触发器
5.2.4维持阻塞边沿D触发器
5.2.5利用传输延迟的边沿JK触发器
5.2.6CMOS主从结构的边沿触发器
5.3集成锁存器与触发器
5.3.1集成触发器举例
5.3.2触发器功能的转换
5.3.3触发器的动态特性
5.3.4锁存器与触发器应用举例
5.4锁存器与触发器的VHDL描述
5.4.1锁存器的描述
5.4.2触发器的描述
小结
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时序逻辑电路的一般分析方法
6.2.1时序逻辑电路分析的一般步骤
6.2.2同步时序逻辑电路分析举例
6.2.3异步时序逻辑电路分析举例
6.3计数器
6.3.1二进制计数器
6.3.2十进制计数器
6.3.3集成计数器举例
6.3.4集成计数器的应用
6.4寄存器
6.4.1并行数据寄存器
6.4.2移位寄存器
6.4.3移位寄存器构成的移位型计数器
6.5时序逻辑电路的一般设计方法
6.5.1同步时序逻辑电路的设计
6.5.2异步时序逻辑电路的设计
6.6时序逻辑电路的VHDL描述
6.6.1VHDL中状态的描述
6.6.2一般时序电路的VHDL描述举例
6.6.3状态机及其VHDL描述
小结
习题
第7章脉冲单元电路
7.1脉冲信号与脉冲电路
7.2集成555定时器
7.2.1电压比较器
7.2.2555定时器
7.3施密特触发器
7.3.1用555定时器构成的施密特触发器
7.3.2用门电路构成的施密特触发器
7.3.3集成施密特触发器
7.3.4施密特触发器的应用
7.4多谐振荡器
7.4.1用555定时器构成的多谐振荡器
7.4.2用门电路组成的多谐振荡器
7.4.3石英晶体振荡器
7.4.4多谐振荡器的应用
7.5单稳态触发器
7.5.1用555定时器构成的单稳态触发器
7.5.2用门电路组成的单稳态触发器
7.5.3集成单稳态触发器
7.5.4单稳态触发器的应用
小结
习题
第8章半导体存储器
8.1什么是半导体存储器
8.2只读存储器
8.2.1固定ROM
8.2.2可编程ROM
8.2.3光擦除可编程ROM
8.2.4电擦除可编程ROM
8.2.5快闪存储器
8.2.6用ROM产生逻辑函数
8.3随机存取存储器
8.3.1RAM的基本结构
8.3.2静态RAM
8.3.3动态RAM
8.3.4存储器的容量扩展
小结
习题
第9章数模与模数转换器
9.1概述
9.2D/A转换器
9.2.1D/A转换器的基本原理
9.2.2R/2R倒T形电阻网络D/A转换器
9.2.3权电流型D/A转换器
9.2.4D/A转换器的主要技术指标
9.2.5集成D/A转换器及其应用
9.3A/D转换器
9.3.1A/D转换的一般步骤
9.3.2并行比较型A/D转换器
9.3.3逐次逼近型A/D转换器
9.3.4双积分型A/D转换器
9.3.5A/D转换器的主要技术指标
9.3.6集成A/D转换器及其应用
小结
习题
第10章可编程逻辑器件
10.1PLD的基本概念
10.1.1PLD的由来
10.1.2PLD的结构与分类
10.1.3PLD的电路表示法
10.2低密度PLD
10.2.1ROM也是一种可编程逻辑器件
10.2.2可编程逻辑阵列PLA
10.2.3可编程阵列逻辑PAL
10.2.4通用阵列逻辑GAL
10.3高密度PLD
10.3.1复杂可编程逻辑器件CPLD
10.3.2现场可编程门阵列FPGA
10.4基于可编程逻辑器件的数字系统设计流程
小结
习题
参考文献