注重數字系統設計和現代最新技術與器件的應用。

將數字電路與邏輯設計和EDA 有機融合。

配備定量定向習題，使理論與實踐結合。

本書的目的是為電子信息類、計算機類、電氣工程類和自動化類本科學生學習提供一門數字系統及其設計方面的入門課程。本書具有很強的實踐性，通過對常用電子器件、數字邏輯電路及其系統分析和設計的學習，使學生獲得數字邏輯電路方面的基本知識、基本理論和基本技能，具有數字邏輯系統的分析與設計的基本能力，為深入學習復雜數字邏輯系統的分析與設計打下基礎。

數字技術是所有現代技術里面發展最快、應用最廣泛的技術之一。現代電子信息系統、電氣工程、計算機工程的實現都離不開數字技術。它的發展歷經電子管、晶體管分立元件、中小規模集成電路、大規模集成電路等多個階段。2017年，傳統數字電路課程中的中小規模集成電路已經停產，因此，本書試圖將基本數字電路內容、數字系統設計和基于EDA（電子設計自動化）的復雜系統仿真與設計有機融合，也就是將數字電路與邏輯設計和EDA合并成一門課。學生需要了解EDA技術的發展過程及數字電子技術的新發展、新技術，熟悉EDA技術和Quartus II等常用EDA開發工具，熟悉常用的邏輯器件及其中大規模邏輯器件的應用和VHDL硬件描述語言。通過本課程的教學，學生能夠分析由多個數字電路單元組成的較復雜的數字系統，掌握邏輯電路的分析與設計方法，熟練應用VHDL硬件描述語言實現組合邏輯電路、時序電路及電子系統設計與仿真，具備分析與設計較大規模的數字電路系統和解決復雜工程問題的初步能力。本書的內容可以作為一學期的教學教材，也可以分解成數字電路與邏輯設計和EDA兩個模塊分兩學期講解。

2017年，新工科建設橫空出世，代表我國高等工程教育的中國夢，其終極目標是中國工程教育要達到世界先進水平，引領世界潮流。行動目標中明確了要“大力發展大數據、云計算、物聯網應用、人工智能、虛擬現實、基因工程、核技術等新技術和智能制造、集成電路、空天海洋、生物醫藥、新材料等新產業相關的新興工科專業和特色專業集群”。目前大數據和人工智能等在硬件上都需要FPGA的支撐，因此，將EDA和FPGA引入到本課程中，弱化中小規模專用芯片的內容，增加硬件描述語言和FPGA的內容，這與當下新工科建設的目標是相吻合的。

自從國家級精品資源共享課和國家級精品在線開放課程建設以來，數字設計基礎課程的在線資源日益豐富，開放課程也越來越多，這些都為課程學習帶來很大方便。本書編寫時，為學習者利用這些資源提供了便利和指引。

為了便于學生自學及雙語教學，本書在每章之前，給出了本章提要、教學建議、學習要求和中英文關鍵詞。帶*章節為選講內容。

本書共11章，第1章數字信號與數字系統，主要講述數字信號在電子信息系統中的表現形式，數字信號的獲得、傳輸與處理，數字信號在分析設計時的描述方法，數字信號的特點；數字電路與數字系統的組成、特點與應用；數制與編碼；數字系統設計流程和EDA。

第2章邏輯代數與邏輯門，主要講述的就是邏輯代數的基本規律、邏輯運算與邏輯門的對應關系及硬件描述語言描述方法。本章對于電子信息類專業外的其它專業學生來說可以不講或少講。

第3章組合邏輯電路，主要講述常用組合邏輯電路的功能、分析和設計方法及應用。

第4章觸發器，主要講述常用觸發器的功能、描述方法、電路結構、工作原理、特性及應用。

第5章時序邏輯電路，主要講述同步、異步時序電路的構造、分析設計方法。

第6章脈沖的產生和整形電路，主要講述的就是脈沖產生和整形電路，涉及555定時器及其應用。

第7章存儲器電路，主要講述MOS存儲單元的基本工作原理，ROM、RAM的電路結構、工作原理和擴展存儲容量的方法，以及ROM 實現組合邏輯函數的方法和利用 ROM、RAM 實現時序邏輯函數的方法。

第8章模/數和數/模轉換電路，主要講述D/A、A/D轉換器的原理與技術指標；D/A轉換器的基本工作原理、倒Ｔ形電阻網絡D/A轉換器、權電流網絡D/A轉換器、集成D/A轉換器及應用、A/D轉換器的基本工作原理、并行比較型A/D轉換器、逐次漸近型A/D轉換器、雙積分型A/D轉換器、集成A/D轉換器及應用、采樣/保持電路。

第9章大規模可編程邏輯器件及邊界掃描電路，主要講述的就是可編程邏輯器件及其發展、CPLD和FPGA的基本結構、數字電路中的邊界掃描技術及CPLD/FPGA的測試技術和CPLD和FPGA的應用。

第10章VHDL編程，講述的是最早標準化且目前還在廣泛使用的一種硬件描述語言——VHDL語言編程的方法及一種集成開發工具——Quartus II的使用。

第11章數字系統的設計與應用，以設計示例的形式，使學生掌握EDA設計方法與設計流程，具備數字系統設計與應用的初步能力。

本書的特點如下：

（1）契合現代電子設計的實際需求，將傳統數字電路與邏輯設計的精髓和EDA技術有機結合起來，使讀者能夠體驗從概念到實際設計開發的完整過程，不再像以前的教材一樣，只講概念、理論、方法，而和實際設計脫節。

（2）注重教學選材的新穎性、針對性、完整性，教學內容組織的模塊化。教學內容選材依據教育部電工電子基礎課程教學指導委員會頒布的《“數字電路與邏輯設計”課程教學基本要求》《“數字電子技術基礎”課程教學基本要求》，吸收教育部電工電子基礎課程教學指導委員會新工科研究與實踐項目——“面向新工科建設的電工電子信息類基礎課程構建”的最新成果，完全滿足電子信息類專業的“數字電路與邏輯設計”和電子電氣信息類專業的“數字電子技術基礎”課程教學的需要，也可供非電類專業學生參考。教學內容按模塊組織，基本上和兩門課程教學基本要求的條款一一對應。

（3）適應專業基礎和專業課程提前的發展趨勢。以前數字技術課程一般安排在大二（第四學期），EDA一般安排在大三；但現在的教學安排，大四基本沒有理論課程，全部是實踐環節，有的要到企業培養一年。因此，原來的教學安排已經難以適應新形勢下的教學要求。本書可以在大一第二學期開設電路的前提下，把專業課程教學提前到大二第一學期。這樣的課程安排，我校曾在2012級人才培養時進行過實踐，效果良好，證明是可行的。

本書由邵陽學院余建坤副教授任主編。各章編寫分工如下：前言、第1章到第5章、第7章到第9章由余建坤編寫，第6章、第10章、第11章由李劍講師編寫。林鐵軍講師參與了本書大綱討論，并提供了第2章到第5章的部分初稿，謹在此表示感謝。

本書的順利出版，得益于邵陽學院相關教學改革項目（2017JG32）、研究成果和邵陽學院信息工程學院相關項目的支持，以及中國水利水電出版社的大力合作，在此表示衷心的感謝。

編 者

2018年7月

前言

第1章 數字信號與數字系統 1
1.1 數字信號與模擬信號 1
1.2 數字電路與數字系統 3
1.2.1　數字電路 3
1.2.2 數字系統及其結構 4
1.2.3 數字系統應用與分類 5
1.3 數字系統設計流程與方法* 6
1.3.1 數字系統設計流程 6
1.3.2 數字系統設計方法 7
1.4 EDA技術概述* 8
1.4.1 EDA技術及其發展 8
1.4.2 EDA技術的涵義 9
1.4.3 EDA技術的主要內容 9
1.4.4 EDA的工程設計流程及工具 12
1.4.5 EDA技術的應用形式 17
1.4.6 EDA技術的發展趨勢 18
1.5 數制與編碼 18
1.5.1 數制 19
1.5.2 帶符號數的表示法 21
1.5.3 二進制數的算術運算 23
1.5.4 信息的二進制編碼表示 23
習題1 27
第2章 邏輯代數和邏輯門 28
2.1 邏輯代數 28
2.1.1 邏輯代數的基本概念 28
2.1.2 邏輯代數的基本運算與邏輯門 29
2.1.3 復合邏輯運算常用邏輯門 30
2.1.4 邏輯代數的基本定律與運算規則 31
2.2 邏輯函數的描述方式 33
2.2.1 邏輯函數及其特點 33
2.2.2 邏輯函數相等 33
2.2.3 邏輯函數的表示方法 34
2.2.4 各種表現形式的相互轉換 35
2.2.5 邏輯函數的兩種標準形式 36
2.3 邏輯函數的化簡 40
2.3.1 邏輯函數化簡的基本思想 40
2.3.2 代數化簡法（公式化簡法） 41
2.3.3 卡諾圖化簡法 41
2.3.4 非完全描述邏輯函數及其化簡 47
2.4 集成邏輯門 49
2.4.1 概述 49
2.4.2 二極管（Diode）構成的邏輯門電路 51
2.4.3　TTL集成門電路 53
2.4.4 CMOS門電路 57
2.4.5 集成CMOS邏輯門系列和參數簡介 63
習題2 66
第3章 組合邏輯電路 68
3.1 組合邏輯電路的特點和定義 68
3.2 組合邏輯電路的分析 69
3.3 組合邏輯電路的設計 71
3.4 加法器 73
3.4.1　1位加法器 73
3.4.2 多位加法器 75
3.5 編碼器 76
3.5.1 普通編碼器 76
3.5.2 優先編碼器 77
3.6 譯碼器 80
3.6.1　二進制譯碼器 80
3.6.2　二－十進制譯碼器 82
3.6.3　顯示譯碼器 83
3.7　數據選擇器和數據分配器 86
3.7.1　4選1數據選擇器 86
3.7.2 8選1數據選擇器 87
3.7.3　數據選擇器的應用 88
3.8 組合邏輯電路中的競爭―冒險現象 90
3.8.1 競爭―冒險現象及成因 90
3.8.2 消除競爭―冒險現象的方法 90
習題3 91
第4章 觸發器 93
4.1 基本觸發器 93
基本RS觸發器 93
4.2 同步RS觸發器 96
4.3 主從觸發器 98
4.3.1 主從RS觸發器 98
4.3.2 主從JK觸發器 99
4.4 邊沿觸發器 102
4.4.1 維持—阻塞邊沿D觸發器 102
4.4.2 CMOS主從結構的邊沿觸發器 105
4.5 集成觸發器 106
4.5.1 常用集成觸發器 106
4.5.2 觸發器功能的轉換 107
4.5.3 集成觸發器的脈沖工作特性 109
4.5.4 集成觸發器的應用舉例 110
習題4 112
第5章 時序邏輯電路 114
5.1 時序邏輯電路的基本概念 114
5.1.1 時序邏輯電路的結構和特點 114
5.1.2 時序邏輯電路的描述方法 115
5.1.3 時序邏輯電路的分類 115
5.2 時序邏輯電路的分析方法 116
5.3 計數器 120
5.3.1 概述 120
5.3.2 二進制計數器 120
5.3.3 其他進制計數器 126
5.3.4 集成計數器的應用 131
5.4 數碼寄存器與移位寄存器 136
5.4.1 數碼寄存器 136
5.4.2 移位寄存器 137
5.4.3 集成移位寄存器74LS194 139
5.4.4 移位寄存器構成的移位型計數器 140
5.5 時序邏輯電路的設計方法 141
5.5.1 基于觸發器的同步時序邏輯電路的
設計方法 141
5.5.2 異步時序邏輯電路的設計方法 147
5.5.3 基于MSI模塊的同步時序電路設計 149
習題5 152
第6章 脈沖的產生和整形電路 156
6.1 單穩態觸發器 156
6.1.1 微分型單穩態觸發器 156
6.1.2 集成單穩態觸發器——74LS121 158
6.2 施密特觸發器 160
6.3 多諧振蕩器 161
6.4 集成555定時器 162
習題6 165
第７章 存儲器電路 168
7.1 概述 168
7.1.1 一般結構 168
7.1.2 分類 170
7.1.3 半導體存儲器的主要性能指標 170
7.2 ROM 171
7.2.1 掩模ROM 171
7.2.2 PROM 172
7.2.3 可擦可編程ROM 173
7.2.4 快閃存儲器（Flash Memory） 175
7.3 RAM 175
7.3.1 SRAM 175
7.3.2 DRAM 178
7.4 存儲器容量的擴展 180
7.4.1 位擴展方式 180
7.4.2 字擴展方式 180
7.5 存儲器應用 181
7.5.1 ROM應用 181
7.5.2 RAM應用 182
習題7 183
第８章 模/數和數/模轉換電路 184
8.1 概述 184
8.2 模/數轉換電路 185
8.2.1 A/D轉換過程及基本概念 185
8.2.2 常用A/D轉換技術 186
8.2.3 集成ADC的主要性能指標 189
8.2.4 8位集成A/D轉換器ADC0809 189
8.3 數/模轉換電路 192
8.3.1 DAC的基本結構和工作原理 192
8.3.2 常用數/模轉換電路 193
8.3.3 集成DAC的主要性能指標 195
8.3.4 8位D/A轉換器DAC0832及應用 196
習題8 198
第9章 大規模可編程邏輯器件及
邊界掃描電路 199
9.1 可編程邏輯器件概述 199
9.1.1 PLD的發展進程 199
9.1.2 PLD的種類及分類方法 201
9.1.3 常用CPLD /FPGA 簡介 202
9.1.4 常用CPLD/FPGA 標識的含義 208
9.2 CPLD和FPGA的基本結構 211
9.2.1 CPLD的基本結構 211
9.2.2 FPGA的基本結構 215
9.3 FPGA/CPLD 的測試技術 220
9.3.1 內部邏輯測試 220
9.3.2 JTAG邊界測試技術 221
9.4 CPLD和FPGA 的編程與配置 222
9.4.1 CPLD和FPGA的下載接口 223
9.4.2 CPLD器件的下載接口及其連接 223
9.4.3 FPGA器件的配置模式 224
9.4.4 使用配置器件配置（重配置）
FPGA器件 226
9.5 FPGA和CPLD的開發應用選擇 228
9.5.1 開發應用選擇方法 228
9.5.2 三大廠家的選擇 229
9.6 應用電路舉例 230
習題9 231
第10章 VHDL編程 232
10.1 VHDL語言的程序結構 232
10.1.1 庫與程序包 233
10.1.2 實體語句結構 234
10.1.3 結構體 236
10.2 VHDL語言要素 237
10.2.1 VHDL文字規則 237
10.2.2 數據類型 239
10.2.3 VHDL的數據對象 241
10.3 VHDL順序語句 244
10.3.1 賦值語句 244
10.3.2 流程控制語句 244
10.4 VHDL并行語句 259
10.4.1 概述 259
10.4.2 并行信號賦值語句 259
10.4.3 進程語句 261
10.4.4 塊語句 262
10.4.5 元件例化語句 263
10.4.6 生成語句 265
10.4.7 并行過程調用語句 266
10.5 Quartus II時序仿真與硬件實現 267
10.5.1 VHDL程序輸入與仿真測試 267
10.5.2 引腳鎖定與鎖定與硬件測試 272
10.5.3 SignalTap II的使用方法 275
10.6 VHDL有限狀態機設計 278
10.6.1 VHDL有限狀態機設計具有的
優勢 278
10.6.2 狀態機的一般結構 278
10.6.3 ADC0809的采樣電路的VHDL
描述 279
習題10 282
第11章 數字系統的設計及應用 283
11.1 移位相加8×8位硬件乘法器 283
11.2 電子琴電路設計 289
11.2.1 電子琴設計原理 289
11.2.2 硬件設計 290
11.3 直流電機綜合測控系統設計 294
11.3.1 直流電機PWM調速原理 294
11.3.2 基于FPGA的直流電機調速方案 295
11.3.3 直流電機PWM調速控制電路設計 296
11.3.4 FPGA內部邏輯電路組成及
各個模塊的詳解 297
11.4 交通燈控制系統設計 299
11.4.1 設計任務與要求 299
11.4.2 交通燈控制系統的基本組成模塊 300
11.4.3 交通燈控制系統的
VHDL語言實現 301
習題11 303
參考文獻 307

1. 大學生創新創業基礎 [主編 姜國權 姜福佳]
2. 信息技術（微課版） [王云　徐江鴻　李清霞　羅學鋒　]
3. 管理基礎與實務 [主編 王鳳基 顏漢軍]
4. 高等數學導學篇（下冊） [主編 李文婧 胡雷 尹金生]
5. 高等數學導學篇（上冊） [主編 李文婧 胡雷 尹金生]
6. 高等數學（下冊） [主編 李愛芹 胡雷 尹金生]
7. 高等數學（上冊） [主編 李愛芹 胡雷 尹金生]
8. 人工智能應用基礎 [主編 楊纓 李佳]
9. 中華水文化（慕課版）（第二版） [畢雪燕 楊華軻 羅玲誼 等編著]
10. 電路與電子技術Ⅱ——電路分析基礎 [主編 陳曉 金哲]
11. 人工智能概論（第二版） [主編　任云暉　丁紅　徐迎春 ]
12. 信息時代美育之道 [主編　劉宏宇　黎婭]
13. 數字媒體交互設計項目式教程（微課版） [主編　蘇陸]
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16. 人工智能算法與實踐 [主編　梁琨　張翼英]
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19. 電路設計與PCB制作實操教程 [主編 周永宏]
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30. 文學基礎與影視欣賞 [楊華軻 朱偉利 畢雪燕 羅玲誼]