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《数字电路设计与应用》内容简介 书籍名称： 数字电路设计与应用 版次： 第四版 作者： [此处填写作者姓名，例如：张伟, 李明] 出版社： [此处填写出版社名称，例如：电子工业出版社] --- 第一部分：数字逻辑基础与基础元件 本书旨在为读者提供一套全面而深入的数字电路设计与应用知识体系，内容涵盖从最基本的逻辑门电路到复杂的系统级集成设计。它不仅是一本教科书，更是一本面向工程实践的工具书。 第一章：数字系统与信息表示 本章首先界定了数字电路与模拟电路的本质区别，强调了数字系统在信息处理中的核心地位。详细阐述了信息在数字系统中的表示方法，包括二进制、八进制、十六进制的相互转换及其在计算机科学中的实际意义。重点讲解了编码技术，如格雷码、BCD码、七段显示译码器等。同时，深入分析了数制系统之间的转换算法，并引入了带符号数的表示方法，如原码、反码和补码，这是理解现代计算机算术运算的基础。最后，本章对逻辑电平、噪声容限和传输延迟等基本电气特性进行了初步介绍，为后续深入学习器件特性打下基础。 第二章：逻辑门电路与布尔代数 逻辑门是所有数字电路的基石。本章系统地介绍了基本逻辑门（AND, OR, NOT）及其组合形式（NAND, NOR, XOR, XNOR）的逻辑功能、真值表和标准符号。深入探讨了布尔代数的基本公理和定理，这是逻辑化简的数学工具。核心内容在于掌握卡诺图（Karnaugh Map）的化简方法，涵盖两变量到五变量的化简技巧，并讲解了如何使用卡诺图求解最优逻辑表达式。此外，本章还介绍了多输入逻辑门的实现方式以及异或门的特性在奇偶校验电路中的应用。 第三章：组合逻辑电路设计 组合逻辑电路的特点是其输出仅取决于当前输入。本章将布尔代数的理论知识应用于实际电路设计。首先讲解了如何根据需求规格书（功能描述）推导出逻辑表达式，并介绍使用标准集成电路（如74系列芯片）实现这些逻辑功能的方法。重点分析了关键的组合电路模块： 1. 数据选择器（Multiplexer, MUX）： 详细阐述其选择功能、级联方法以及作为通用逻辑元件的潜力（如何用MUX实现任意逻辑函数）。 2. 数据分配器（Demultiplexer, DEMUX）： 分析其地址解码和信号分配功能。 3. 编码器与译码器（Encoder & Decoder）： 重点讨论优先编码器在中断系统中的应用，以及标准译码器在存储器选址中的作用。 4. 加法器与算术逻辑单元（ALU）： 从半加器开始，逐步推导全加器、串行加法器、并行加法器（快速加法器原理），并简要介绍对减法运算的实现。 第四章：可编程逻辑器件（PLD）导论 随着集成电路技术的发展，通用逻辑门阵列逐渐被可编程器件取代。本章引入了可编程逻辑器件的概念，概述了早期的PROM、PLA和PAL器件的结构和编程原理。重点分析了PAL（可编程阵列逻辑）和GAL（通用阵列逻辑）的结构特点和编程流程，使读者理解如何利用这些器件快速实现组合逻辑电路，提高设计灵活性和集成度。 --- 第二部分：时序逻辑电路与存储单元 时序电路引入了“时间”和“反馈”的概念，是构成寄存器、计数器和状态机的基础。 第五章：锁存器与触发器 本章详细剖析了存储信息的基本单元——锁存器和触发器。首先讲解了基本的SR锁存器及其带来的“约束条件”问题，随后引入了带控制信号的D锁存器。核心内容集中在同步时序电路的关键元件： 1. D触发器： 掌握主从结构和边沿触发原理（上升沿/下降沿）。 2. JK触发器： 分析其全功能特性，特别是“翻转”状态的实现。 3. T触发器： 讲解其在分频电路中的应用。 本章还介绍了触发器之间的转换方法，以及如何使用时钟信号和异步控制信号（如置位/清零）来同步系统操作。 第六章：时序逻辑电路应用：寄存器与移位寄存器 寄存器是用于暂时存储一个字信息的存储单元。本章讲解了如何利用D触发器构建并行输入/并行输出（PIPO）、串入并出（SI PO）等不同类型的寄存器。重点深入研究了移位寄存器的工作原理，分析了其在数据串并转换、数据延迟和算术运算（如二进制数乘法）中的应用。同时，探讨了环形计数器和Johnson计数器的结构及其特点。 第七章：时序逻辑电路应用：计数器 计数器是应用最广泛的时序电路之一。本章系统地介绍了异步计数器（串行进位）和同步计数器（并行进位）的设计原理、优缺点和模数设计。重点讲解了如何对标准计数器（如模10计数器）进行逻辑修改，以实现任意模数的计数器。此外，还讨论了反馈控制的复杂计数器，以及计数器在频率分频、脉冲计数和数字波形发生器中的实际应用。 第八章：有限状态机（FSM）的设计与分析 有限状态机是描述复杂控制逻辑的强大工具。本章详细介绍了状态机的建模方法： 1. 状态图（State Diagram）： 学会根据系统要求绘制状态转移图。 2. 状态表（State Table）： 将状态图转换为表格形式。 3. 状态化简： 运用等效状态的概念，减少电路的复杂度和触发器数量。 本章严格遵循Mealy模型和Moore模型的理论框架，讲解了如何使用D触发器或JK触发器实现状态寄存器，并通过组合逻辑产生输出和下一个状态的逻辑。最后，通过实际案例（如序列检测器）巩固FSM的设计流程。 --- 第三部分：存储器、半导体器件与系统接口 本部分将理论知识与现代存储技术和实际芯片集成联系起来。 第九章：存储器（RAM/ROM）与存储器组织 本章深入探讨了数字系统中大容量存储器的组织结构和工作原理。详细描述了静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）的基本单元结构和读写过程。重点分析了存储器的地址译码、数据缓冲以及读写控制信号的时序要求。同时，讲解了只读存储器（ROM, PROM, EPROM, EEPROM）的特性及其在固件程序存储中的作用。本章还教授如何通过地址扩展技术构建更大容量的存储阵列。 第十章：半导体存储器与接口技术 本章聚焦于存储器与CPU/微控制器之间的接口规范。讨论了TTL和CMOS逻辑系列器件的特点、参数对比（功耗、速度、驱动能力）。讲解了存储器芯片选型时必须考虑的关键参数，如访问时间、存储密度和芯片使能控制。通过实例演示如何将SRAM或Flash存储器连接到总线结构上，包括片选逻辑的设计与实现。 第十一章：数据转换电路与模拟接口 数字电路在实际世界中需要与模拟信号交互。本章介绍了数模转换器（DAC）和模数转换器（ADC）的基本原理。详细分析了不同类型的DAC（如R-2R梯形网络）和ADC（如逐次逼近式、双积分式）的结构和性能指标。这部分内容为理解传感器数据采集和信号输出控制打下了坚实的理论基础。 第十二章：可编程逻辑器件（FPGA/CPLD）概述 作为现代数字系统设计的核心工具，本章对更高级的可编程逻辑器件进行了概述。简要介绍了CPLD和FPGA的基本结构（查找表LUT、逻辑单元LC、布线资源）。重点在于介绍硬件描述语言（HDL，如VHDL或Verilog）在描述和综合数字电路中的作用，使读者了解如何从原理图设计过渡到基于HDL的行为级设计流程。 --- 本书特色： 1. 实践导向： 每一章后都附有详细的实验指导，鼓励读者使用面包板、逻辑芯片和仿真软件（如Logisim或Quartus）进行验证。 2. 系统深入： 不仅停留在逻辑门功能层面，更深入到触发器和FSM的内部工作机制。 3. 工程视野： 覆盖了从基础理论到存储器组织、数据转换等现代数字系统必备的工程知识。 目标读者： 电子工程、自动化、计算机科学与技术等专业的本科生、研究生，以及从事硬件设计、嵌入式系统开发和数字电路调试的工程师。
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