数字设计基础及应用

注重数字系统设计和现代最新技术与器件的应用。

将数字电路与逻辑设计和EDA 有机融合。

配备定量定向习题，使理论与实践结合。

本书的目的是为电子信息类、计算机类、电气工程类和自动化类本科学生学习提供一门数字系统及其设计方面的入门课程。本书具有很强的实践性，通过对常用电子器件、数字逻辑电路及其系统分析和设计的学习，使学生获得数字逻辑电路方面的基本知识、基本理论和基本技能，具有数字逻辑系统的分析与设计的基本能力，为深入学习复杂数字逻辑系统的分析与设计打下基础。

数字技术是所有现代技术里面发展最快、应用最广泛的技术之一。现代电子信息系统、电气工程、计算机工程的实现都离不开数字技术。它的发展历经电子管、晶体管分立元件、中小规模集成电路、大规模集成电路等多个阶段。2017年，传统数字电路课程中的中小规模集成电路已经停产，因此，本书试图将基本数字电路内容、数字系统设计和基于EDA（电子设计自动化）的复杂系统仿真与设计有机融合，也就是将数字电路与逻辑设计和EDA合并成一门课。学生需要了解EDA技术的发展过程及数字电子技术的新发展、新技术，熟悉EDA技术和Quartus II等常用EDA开发工具，熟悉常用的逻辑器件及其中大规模逻辑器件的应用和VHDL硬件描述语言。通过本课程的教学，学生能够分析由多个数字电路单元组成的较复杂的数字系统，掌握逻辑电路的分析与设计方法，熟练应用VHDL硬件描述语言实现组合逻辑电路、时序电路及电子系统设计与仿真，具备分析与设计较大规模的数字电路系统和解决复杂工程问题的初步能力。本书的内容可以作为一学期的教学教材，也可以分解成数字电路与逻辑设计和EDA两个模块分两学期讲解。

2017年，新工科建设横空出世，代表我国高等工程教育的中国梦，其终极目标是中国工程教育要达到世界先进水平，引领世界潮流。行动目标中明确了要“大力发展大数据、云计算、物联网应用、人工智能、虚拟现实、基因工程、核技术等新技术和智能制造、集成电路、空天海洋、生物医药、新材料等新产业相关的新兴工科专业和特色专业集群”。目前大数据和人工智能等在硬件上都需要FPGA的支撑，因此，将EDA和FPGA引入到本课程中，弱化中小规模专用芯片的内容，增加硬件描述语言和FPGA的内容，这与当下新工科建设的目标是相吻合的。

自从国家级精品资源共享课和国家级精品在线开放课程建设以来，数字设计基础课程的在线资源日益丰富，开放课程也越来越多，这些都为课程学习带来很大方便。本书编写时，为学习者利用这些资源提供了便利和指引。

为了便于学生自学及双语教学，本书在每章之前，给出了本章提要、教学建议、学习要求和中英文关键词。带*章节为选讲内容。

本书共11章，第1章数字信号与数字系统，主要讲述数字信号在电子信息系统中的表现形式，数字信号的获得、传输与处理，数字信号在分析设计时的描述方法，数字信号的特点；数字电路与数字系统的组成、特点与应用；数制与编码；数字系统设计流程和EDA。

第2章逻辑代数与逻辑门，主要讲述的就是逻辑代数的基本规律、逻辑运算与逻辑门的对应关系及硬件描述语言描述方法。本章对于电子信息类专业外的其它专业学生来说可以不讲或少讲。

第3章组合逻辑电路，主要讲述常用组合逻辑电路的功能、分析和设计方法及应用。

第4章触发器，主要讲述常用触发器的功能、描述方法、电路结构、工作原理、特性及应用。

第5章时序逻辑电路，主要讲述同步、异步时序电路的构造、分析设计方法。

第6章脉冲的产生和整形电路，主要讲述的就是脉冲产生和整形电路，涉及555定时器及其应用。

第7章存储器电路，主要讲述MOS存储单元的基本工作原理，ROM、RAM的电路结构、工作原理和扩展存储容量的方法，以及ROM 实现组合逻辑函数的方法和利用 ROM、RAM 实现时序逻辑函数的方法。

第8章模/数和数/模转换电路，主要讲述D/A、A/D转换器的原理与技术指标；D/A转换器的基本工作原理、倒Ｔ形电阻网络D/A转换器、权电流网络D/A转换器、集成D/A转换器及应用、A/D转换器的基本工作原理、并行比较型A/D转换器、逐次渐近型A/D转换器、双积分型A/D转换器、集成A/D转换器及应用、采样/保持电路。

第9章大规模可编程逻辑器件及边界扫描电路，主要讲述的就是可编程逻辑器件及其发展、CPLD和FPGA的基本结构、数字电路中的边界扫描技术及CPLD/FPGA的测试技术和CPLD和FPGA的应用。

第10章VHDL编程，讲述的是最早标准化且目前还在广泛使用的一种硬件描述语言——VHDL语言编程的方法及一种集成开发工具——Quartus II的使用。

第11章数字系统的设计与应用，以设计示例的形式，使学生掌握EDA设计方法与设计流程，具备数字系统设计与应用的初步能力。

本书的特点如下：

（1）契合现代电子设计的实际需求，将传统数字电路与逻辑设计的精髓和EDA技术有机结合起来，使读者能够体验从概念到实际设计开发的完整过程，不再像以前的教材一样，只讲概念、理论、方法，而和实际设计脱节。

（2）注重教学选材的新颖性、针对性、完整性，教学内容组织的模块化。教学内容选材依据教育部电工电子基础课程教学指导委员会颁布的《“数字电路与逻辑设计”课程教学基本要求》《“数字电子技术基础”课程教学基本要求》，吸收教育部电工电子基础课程教学指导委员会新工科研究与实践项目——“面向新工科建设的电工电子信息类基础课程构建”的最新成果，完全满足电子信息类专业的“数字电路与逻辑设计”和电子电气信息类专业的“数字电子技术基础”课程教学的需要，也可供非电类专业学生参考。教学内容按模块组织，基本上和两门课程教学基本要求的条款一一对应。

（3）适应专业基础和专业课程提前的发展趋势。以前数字技术课程一般安排在大二（第四学期），EDA一般安排在大三；但现在的教学安排，大四基本没有理论课程，全部是实践环节，有的要到企业培养一年。因此，原来的教学安排已经难以适应新形势下的教学要求。本书可以在大一第二学期开设电路的前提下，把专业课程教学提前到大二第一学期。这样的课程安排，我校曾在2012级人才培养时进行过实践，效果良好，证明是可行的。

本书由邵阳学院余建坤副教授任主编。各章编写分工如下：前言、第1章到第5章、第7章到第9章由余建坤编写，第6章、第10章、第11章由李剑讲师编写。林铁军讲师参与了本书大纲讨论，并提供了第2章到第5章的部分初稿，谨在此表示感谢。

本书的顺利出版，得益于邵阳学院相关教学改革项目（2017JG32）、研究成果和邵阳学院信息工程学院相关项目的支持，以及中国水利水电出版社的大力合作，在此表示衷心的感谢。

编 者

2018年7月

前言

第1章 数字信号与数字系统 1
1.1 数字信号与模拟信号 1
1.2 数字电路与数字系统 3
1.2.1　数字电路 3
1.2.2 数字系统及其结构 4
1.2.3 数字系统应用与分类 5
1.3 数字系统设计流程与方法* 6
1.3.1 数字系统设计流程 6
1.3.2 数字系统设计方法 7
1.4 EDA技术概述* 8
1.4.1 EDA技术及其发展 8
1.4.2 EDA技术的涵义 9
1.4.3 EDA技术的主要内容 9
1.4.4 EDA的工程设计流程及工具 12
1.4.5 EDA技术的应用形式 17
1.4.6 EDA技术的发展趋势 18
1.5 数制与编码 18
1.5.1 数制 19
1.5.2 带符号数的表示法 21
1.5.3 二进制数的算术运算 23
1.5.4 信息的二进制编码表示 23
习题1 27
第2章 逻辑代数和逻辑门 28
2.1 逻辑代数 28
2.1.1 逻辑代数的基本概念 28
2.1.2 逻辑代数的基本运算与逻辑门 29
2.1.3 复合逻辑运算常用逻辑门 30
2.1.4 逻辑代数的基本定律与运算规则 31
2.2 逻辑函数的描述方式 33
2.2.1 逻辑函数及其特点 33
2.2.2 逻辑函数相等 33
2.2.3 逻辑函数的表示方法 34
2.2.4 各种表现形式的相互转换 35
2.2.5 逻辑函数的两种标准形式 36
2.3 逻辑函数的化简 40
2.3.1 逻辑函数化简的基本思想 40
2.3.2 代数化简法（公式化简法） 41
2.3.3 卡诺图化简法 41
2.3.4 非完全描述逻辑函数及其化简 47
2.4 集成逻辑门 49
2.4.1 概述 49
2.4.2 二极管（Diode）构成的逻辑门电路 51
2.4.3　TTL集成门电路 53
2.4.4 CMOS门电路 57
2.4.5 集成CMOS逻辑门系列和参数简介 63
习题2 66
第3章 组合逻辑电路 68
3.1 组合逻辑电路的特点和定义 68
3.2 组合逻辑电路的分析 69
3.3 组合逻辑电路的设计 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 编码器 76
3.5.1 普通编码器 76
3.5.2 优先编码器 77
3.6 译码器 80
3.6.1　二进制译码器 80
3.6.2　二－十进制译码器 82
3.6.3　显示译码器 83
3.7　数据选择器和数据分配器 86
3.7.1　4选1数据选择器 86
3.7.2 8选1数据选择器 87
3.7.3　数据选择器的应用 88
3.8 组合逻辑电路中的竞争―冒险现象 90
3.8.1 竞争―冒险现象及成因 90
3.8.2 消除竞争―冒险现象的方法 90
习题3 91
第4章 触发器 93
4.1 基本触发器 93
基本RS触发器 93
4.2 同步RS触发器 96
4.3 主从触发器 98
4.3.1 主从RS触发器 98
4.3.2 主从JK触发器 99
4.4 边沿触发器 102
4.4.1 维持—阻塞边沿D触发器 102
4.4.2 CMOS主从结构的边沿触发器 105
4.5 集成触发器 106
4.5.1 常用集成触发器 106
4.5.2 触发器功能的转换 107
4.5.3 集成触发器的脉冲工作特性 109
4.5.4 集成触发器的应用举例 110
习题4 112
第5章 时序逻辑电路 114
5.1 时序逻辑电路的基本概念 114
5.1.1 时序逻辑电路的结构和特点 114
5.1.2 时序逻辑电路的描述方法 115
5.1.3 时序逻辑电路的分类 115
5.2 时序逻辑电路的分析方法 116
5.3 计数器 120
5.3.1 概述 120
5.3.2 二进制计数器 120
5.3.3 其他进制计数器 126
5.3.4 集成计数器的应用 131
5.4 数码寄存器与移位寄存器 136
5.4.1 数码寄存器 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 移位寄存器构成的移位型计数器 140
5.5 时序逻辑电路的设计方法 141
5.5.1 基于触发器的同步时序逻辑电路的
设计方法 141
5.5.2 异步时序逻辑电路的设计方法 147
5.5.3 基于MSI模块的同步时序电路设计 149
习题5 152
第6章 脉冲的产生和整形电路 156
6.1 单稳态触发器 156
6.1.1 微分型单稳态触发器 156
6.1.2 集成单稳态触发器——74LS121 158
6.2 施密特触发器 160
6.3 多谐振荡器 161
6.4 集成555定时器 162
习题6 165
第７章 存储器电路 168
7.1 概述 168
7.1.1 一般结构 168
7.1.2 分类 170
7.1.3 半导体存储器的主要性能指标 170
7.2 ROM 171
7.2.1 掩模ROM 171
7.2.2 PROM 172
7.2.3 可擦可编程ROM 173
7.2.4 快闪存储器（Flash Memory） 175
7.3 RAM 175
7.3.1 SRAM 175
7.3.2 DRAM 178
7.4 存储器容量的扩展 180
7.4.1 位扩展方式 180
7.4.2 字扩展方式 180
7.5 存储器应用 181
7.5.1 ROM应用 181
7.5.2 RAM应用 182
习题7 183
第８章 模/数和数/模转换电路 184
8.1 概述 184
8.2 模/数转换电路 185
8.2.1 A/D转换过程及基本概念 185
8.2.2 常用A/D转换技术 186
8.2.3 集成ADC的主要性能指标 189
8.2.4 8位集成A/D转换器ADC0809 189
8.3 数/模转换电路 192
8.3.1 DAC的基本结构和工作原理 192
8.3.2 常用数/模转换电路 193
8.3.3 集成DAC的主要性能指标 195
8.3.4 8位D/A转换器DAC0832及应用 196
习题8 198
第9章 大规模可编程逻辑器件及
边界扫描电路 199
9.1 可编程逻辑器件概述 199
9.1.1 PLD的发展进程 199
9.1.2 PLD的种类及分类方法 201
9.1.3 常用CPLD /FPGA 简介 202
9.1.4 常用CPLD/FPGA 标识的含义 208
9.2 CPLD和FPGA的基本结构 211
9.2.1 CPLD的基本结构 211
9.2.2 FPGA的基本结构 215
9.3 FPGA/CPLD 的测试技术 220
9.3.1 内部逻辑测试 220
9.3.2 JTAG边界测试技术 221
9.4 CPLD和FPGA 的编程与配置 222
9.4.1 CPLD和FPGA的下载接口 223
9.4.2 CPLD器件的下载接口及其连接 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的开发应用选择 228
9.5.1 开发应用选择方法 228
9.5.2 三大厂家的选择 229
9.6 应用电路举例 230
习题9 231
第10章 VHDL编程 232
10.1 VHDL语言的程序结构 232
10.1.1 库与程序包 233
10.1.2 实体语句结构 234
10.1.3 结构体 236
10.2 VHDL语言要素 237
10.2.1 VHDL文字规则 237
10.2.2 数据类型 239
10.2.3 VHDL的数据对象 241
10.3 VHDL顺序语句 244
10.3.1 赋值语句 244
10.3.2 流程控制语句 244
10.4 VHDL并行语句 259
10.4.1 概述 259
10.4.2 并行信号赋值语句 259
10.4.3 进程语句 261
10.4.4 块语句 262
10.4.5 元件例化语句 263
10.4.6 生成语句 265
10.4.7 并行过程调用语句 266
10.5 Quartus II时序仿真与硬件实现 267
10.5.1 VHDL程序输入与仿真测试 267
10.5.2 引脚锁定与锁定与硬件测试 272
10.5.3 SignalTap II的使用方法 275
10.6 VHDL有限状态机设计 278
10.6.1 VHDL有限状态机设计具有的
优势 278
10.6.2 状态机的一般结构 278
10.6.3 ADC0809的采样电路的VHDL
描述 279
习题10 282
第11章 数字系统的设计及应用 283
11.1 移位相加8×8位硬件乘法器 283
11.2 电子琴电路设计 289
11.2.1 电子琴设计原理 289
11.2.2 硬件设计 290
11.3 直流电机综合测控系统设计 294
11.3.1 直流电机PWM调速原理 294
11.3.2 基于FPGA的直流电机调速方案 295
11.3.3 直流电机PWM调速控制电路设计 296
11.3.4 FPGA内部逻辑电路组成及
各个模块的详解 297
11.4 交通灯控制系统设计 299
11.4.1 设计任务与要求 299
11.4.2 交通灯控制系统的基本组成模块 300
11.4.3 交通灯控制系统的
VHDL语言实现 301
习题11 303
参考文献 307

1. 实用运筹学 [主编　邢育红　于晋臣]
2. 电子技术（第二版） [主编 覃爱娜 李飞]
3. 劳动争议处理实务 [主编 王秀卿 罗静]
4. 工程数学 [主编 郭立娟 王海]
5. 语音识别理论与实践 [主编　莫宏伟]
6. 武术基础教程 [主编 李代勇 谢志民]
7. 计算机网络实训教程 [主编 张浩军 赵玉娟]
8. 画法几何与机械制图习题集（多学时） [主编 赵军]
9. 电工电子技术基础 [主编 刘 军 杨国龙 刘天成]
10. MySQL数据库项目式教程 [陈亚峰]
11. 机械设计基础（第二版） [主编 田亚平 李爱姣]
12. 画法几何与机械制图 [主编 赵军]
13. C语言程序设计习题与实验指导（第二版） [主编 甄增荣 张宾]
14. C语言程序设计（第二版） [主编 甄增荣 田云霞]
15. Unity3D虚拟现实应用开发实践 [主 编 刘龙]
16. 智能化技术基础（第三版） [邓文达　李礼]
17. 面向对象程序设计 [主编 张勇 张平华 赵小龙]
18. 网络营销 [主编 夏薇薇 刘婷 尚洁]
19. 电视节目策划与制作（微课版） [主　编　黄滴滴]
20. 数据库技术与应用实践教程（SQL Server 2019） [主 编 严晖 周肆清]
21. 大学应用数学 [主编 郭立娟]
22. 工业机器人拆装与调试 [主编 胡月霞 向艳芳 朱奇]
23. 功能材料制备与表征实验指导书 [龚伟平 赵军峰 梅海娟 等编著]
24. 信号与系统（第二版） [主编 张宇]
25. 信息技术基础 [主编 唐倩 邵锐]
26. Python 语言程序设计实践指导 [主编　张双狮]
27. Photoshop 图形图像项目化教程 [主编 胡斌斌 黎娅 苏大椿]
28. 体育舞蹈教程 [主编 刘伟 陈志明 曾明]
29. 线性代数导学篇 [主编 史昱]
30. 信息技术基础实训与习题指导（Windows7+Office2016） [主编 周金容 唐天国]