数字电路与逻辑设计（微课版）

本书内容结合微电子产业和计算机硬件产业的最新发展现状和技术前沿，注重基础性、高阶性、创新性和挑战性相结合，采用模块化的思想对教学内容进行有机划分，全书共9章，可以分为三个部分。第一部分是数字逻辑电路的基础，由第1~3章组成，包括基本知识、逻辑代数基础、半导体与集成门电路；第二部分是数字逻辑电路的经典设计和分析方法，由4~8章组成，包括组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、信号产生与变换电路、数模和模数转换电路；第三部分是可编程逻辑器件的设计方法，主要内容是第9章可编程逻辑器件。 本书可作为高等学校本科“数字电路逻辑设计”课程教材，亦可供信息学科相关专业技术人员参考。

于俊清 于俊清（1975-），男，博士，教授，博士生导师，国家一流（线下）本科课程负责人、国家精品课程和国家精品共享课负责人，华中科技大学本科和研究生课程责任教授、华中科技大学计算机科学与技术学院智能媒体计算与网络安全研究团队负责人。

目录 第　1章 基础知识　1 1.1　芯片与数字电路　1 1.2.1　数字信号与系统　1 1.2.2　数字电路　3 1.2　数制及其转换　5 1.2.1　数制　5 1.2.2　数制间的相互转换　7 1.3　二进制数的算术运算　10 1.3.1　无符号二进制数的算术运算　11 1.3.2　带符号二进制数的算术运算　11 1.4　几种常用的代码　14 1.4.1　十进制数的二进制代码　14 1.4.2　可靠性代码　16 1.4.3　ASCII码　18 习题1　19 第　2章 逻辑代数基础　21 2.1　逻辑代数概述　21 2.2　逻辑运算　22 2.2.1　基本逻辑运算　22 2.2.2　复合逻辑关系　24 2.2.3　逻辑运算的逻辑符号及优先级别　26 2.2.4　正逻辑和负逻辑　27 2.3　逻辑代数的基本定理、常用公式和规则　29 2.3.1.　基本定理　29 2.3.2.　常用公式　29 2.3.3.　重要规则　30 2.4　逻辑函数　32 2.4.1.　逻辑函数概述　32 2.4.2.　逻辑函数表达式的基本形式　41 2.4.3.　逻辑函数表达式的标准形式　44 2.4.4.　逻辑函数表达式转换为标准表达式　48 2.5　逻辑函数化简　51 2.5.1.　代数化简法　52 2.5.2.　卡诺图化简法　58 2.5.3.　列表化简法　71 习题2　77 第3章　半导体与集成门电路　82 3.1　电路基本理论　82 3.1.1　库仑定律　82 3.1.2　欧姆定律　83 3.1.3　基尔霍夫定律　83 3.2　半导体材料的物理学原理　83 3.2.1　半导体原子结构　84 3.2.2　半导体材料　88 3.3　半导体二极管　94 3.3.1　静态开关特性　94 3.3.2　动态开关特性　96 3.4　双极结型晶体管　97 3.4.1　BJT的组成结构　98 3.4.2　工作原理　99 3.4.3　静态特性　102 3.4.4　动态特性　104 3.5　场效应管　105 3.5.1　场效应　106 3.5.2　FET结构与分类　107 3.5.3　MOSFET的特性与工作原理　108 3.5.4　MOSFET的静态开关特性　110 3.6　逻辑门电路　112 3.6.1　简单逻辑门电路　112 3.6.2　TTL集成逻辑门电路　116 3.6.3　CMOS集成逻辑门电路　129 习题3　133 第4章　组合逻辑电路　136 4.1　组合逻辑电路概述　136 4.2　小规模组合逻辑电路分析　137 4.2.1　小规模组合逻辑电路的分析方法与步骤　137 4.2.2　分析举例　138 4.3　小规模组合逻辑电路的设计　141 4.3.1　小规模组合逻辑电路的设计步骤　142 4.3.2　小规模组合逻辑电路设计举例　144 4.4　常用的中规模组合逻辑电路　151 4.4.1　加法器　151 4.4.2　编码器　155 4.4.3　译码器　161 4.4.4　多路选择器　168 4.4.5　多路分配器　171 4.4.6　数值比较器　173 4.5　中规模组合逻辑电路的分析和设计　177 4.5.1　中规模组合逻辑电路的分析　178 4.5.2　中规模组合逻辑电路的设计　181 4.6　组合逻辑电路的险象　189 4.6.1　险象的产生　190 4.6.2　险象的判断　193 4.6.3　险象的消除　195 习题4　198 第5章　触发器　201 5.1　触发器概述　201 5.1.1　触发器的概念及特点　201 5.1.2　触发器的功能描述方法　202 5.2　基本RS触发器　204 5.2.1　与非门构成的基本RS触发器　205 5.2.2　或门构成的基本RS触发器　209 5.2.3　基本RS触发器的用途　211 5.3　同步触发器　212 5.3.1　钟控RS触发器　213 5.3.2　钟控D触发器　216 5.3.3　钟控JK触发　218 5.3.4　钟控T触发器　221 5.3.5　同步触发器的空翻现象　222 5.4　主从触发器　223 5.4.1　主从RS触发器　224 5.4.2　主从JK触发器　226 5.5　边沿触发器　229 5.5.1　维持-阻塞D触发器　229 5.5.2　边沿JK触发器　234 5.6　触发器的电气特性　236 习题5　239 第6章　时序逻辑电路　243 6.1　概述　243 6.1.1　时序逻辑电路的结构　243 6.1.2　时序逻辑电路的描述方法　245 6.2　小规模时序逻辑电路的分析　247 6.2.1　分析方法和步骤　248 6.2.2　同步时序逻辑电路的分析　249 6.2.3　脉冲异步时序逻辑电路的分析　258 6.3　小规模时序逻辑电路的设计方法　265 6.3.1　小规模时序逻辑电路的设计步骤　265 6.3.2　小规模同步时序逻辑电路设计举例　279 6.3.3　小规模异步时序逻辑电路设计举例　291 6.4　常用的中规模时序逻辑电路　301 6.4.1　集成计数器　301 6.4.2　寄存器　310 6.5　中规模时序逻辑电路的分析与设计　313 6.5.1　中规模时序逻辑电路的分析　313 6.5.2　中规模时序逻辑电路的设计　317 6.6　电平异步时序逻辑电路　324 6.6.1　电平异步时序逻辑电路概述　325 6.6.2　电平异步时序逻辑电路的分析　327 6.6.3　电平异步时序逻辑电路的竞争　329 习题6　331 第7章　脉冲信号产生与变换电路　336 7.1　概述　336 7.2　施密特触发器　337 7.2.1　逻辑门构成施密特触发器　338 7.2.2　集成施密特触发器　340 7.2.3　施密特触发器的应用　341 7.3　单稳态触发器　343 7.3.1　门电路与RC元件构成单稳态触发器　343 7.3.2　集成单稳态触发器　347 7.3.3　单稳态触发器的应用　350 7.4　多谐振荡器　351 7.4.1　门电路构成多谐振荡器　351 7.4.2　施密特触发器构成多谐振荡器　353 7.4.3　石英晶体振荡器　354 7.5　定时器555　356 7.5.1定时器555的电路结构和逻辑功能　356 7.5.2　定时器555构成单稳态触发器　359 7.5.3　定时器555构成施密特触发器　360 7.5.4　定时器555构成多谐振荡器　362 7.33　用5G555构成的多谐振荡器电路及其工作波形图　362 习题7　364 第8章　数/模与模/数转换电路　367 8.1　概述　367 8.2　数/模转换器　368 8.2.1　典型DAC　369 电路的输出电压vo为　372 8.2.2　DAC的主要技术参数　373 8.2.3　集成DAC　374 8.3　模/数转换器　377 8.3.1　模/数转换的基本原理　377 8.3.2　典型ADC　379 8.3.3　ADC的主要技术参数　384 8.3.4　集成ADC　385 习题8　387 第9章　可编程逻辑器件　389 9.1　PLD概述　389 9.1.1　PLD的发展　389 9.1.2　PLD的一般结构　390 9.1.3　PLD电路表示法　390 9.2　低密度可编程逻辑器件　392 1.　可编程只读存储器　392 2.　可编程逻辑阵列PLA　393 3.　可编程阵列逻辑 PAL　394 4.　通用阵列逻辑 GAL　394 9.3　复杂可编程逻辑器件CPLD　394 9.3.1　CPLD简介　394 9.3.2　CPLD典型器件　395 9.4　现场可编程门阵列FPGA　401 9.4.1　FPGA简介　401 9.4.2　Xilinx FPGA典型器件　403 9.4.3　FPGA设计流程　409 9.5　FPGA和CPLD对比　413 9.6　Vivado开发环境及设计流程　414 9.6.1　Vivado设计套件简介　414 9.6.2　Vivado设计套件中的FPGA设计流程　416 习题9　420