數(shù)字邏輯電路設(shè)計實踐

前言

　　本書是“教育部電子信息科學(xué)與電氣信息類基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會”組織的電工電子實驗系列教材之一?！皵?shù)字邏輯電路設(shè)計實踐”是所有電類和部分非電類專業(yè)的基礎(chǔ)主干實驗課程，是后續(xù)“計算機組成原理”、“單片機系統(tǒng)設(shè)計”、“數(shù)字信號系統(tǒng)設(shè)計”等課程的基石，是培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)概念和工程實踐能力的重要環(huán)節(jié)，在電氣信息類教學(xué)中占有舉足輕重的地位。目前，數(shù)字邏輯電路設(shè)計實踐課程一般可分為兩部分，一部分是傳統(tǒng)的以中小規(guī)模器件為主的硬件實驗，另一部分是以硬件描述語言為主的可編程數(shù)字系統(tǒng)實驗，本書歸屬前一部分。　　本書完全按照開放實驗的特點和要求組織編寫，對實驗每個環(huán)節(jié)都進行了精心設(shè)計，以提高實驗完成的質(zhì)量。主要包括：在實驗相關(guān)知識的講解上更為詳細；教材中每個知識點安排思考指南；每一個具體實驗安排分析指南；有意增加一些故障性的、反面的實驗等。　　在內(nèi)容安排上更側(cè)重工程實踐能力和方法的培養(yǎng)，減少實驗的數(shù)量，豐富每個實驗的內(nèi)容，增加每個實驗的研究深度，以工程研究的標(biāo)準(zhǔn)來要求學(xué)生實驗的每個環(huán)節(jié)，注重項目分析、資料查找和分析、設(shè)計方案比較論證、測試方案設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試、測試結(jié)果分析和總結(jié)等能力的培養(yǎng)?！　≈匾晹?shù)字邏輯系統(tǒng)測量、調(diào)試和數(shù)據(jù)分析，將數(shù)字邏輯分析儀作為主要的測試儀器，將現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)測量調(diào)試方法和計算機輔助數(shù)據(jù)分析方法貫穿在整個實驗教學(xué)內(nèi)容中?！　”緯?章，第1章數(shù)字邏輯電路實驗基礎(chǔ)為認知實驗，主要介紹數(shù)字邏輯電路中的主要器件、測量儀器和測量方法，電路搭接和調(diào)試的基本方法；第2～4章為基礎(chǔ)數(shù)字邏輯設(shè)計實驗，主要介紹數(shù)字邏輯器件的硬件特性、中小規(guī)模數(shù)字邏輯電路的設(shè)計方法和測量調(diào)試方法；第5章模擬和數(shù)字接口介紹A／D轉(zhuǎn)換和D／A轉(zhuǎn)換的基本特性、選型、設(shè)計方法和調(diào)試方法；第6章數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計介紹數(shù)字邏輯電路系統(tǒng)設(shè)計方法，并綜合前面各章的實驗?zāi)K完成一個較完整的中小規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)；第7章可編程數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)介紹可編程數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的基本流程和圖形化設(shè)計輸入方法，為后續(xù)的可編程數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計課程打基礎(chǔ)。在安排教學(xué)內(nèi)容時，可以視具體要求和學(xué)時的多少，做必要的增刪?！　”緯蓶|南大學(xué)電工電子實驗中心集體編寫而成，其中第l、3章由常春執(zhí)筆，第2章由董梅執(zhí)筆，第4、6章由曹志香執(zhí)筆，第5、7章由徐瑩雋執(zhí)筆，徐瑩雋擔(dān)任主編。全部編寫工作都是在東南大學(xué)電工電子實驗中心主任胡仁杰教授親自組織和具體指導(dǎo)下完成的?！　∧暇┖娇蘸教齑髮W(xué)王成華教授、鄭步生副教授在百忙之中對全書進行了審閱，提出了大量寶貴的意見，在此對他們致以最誠摯的謝意。還要感謝東南大學(xué)電工電子中心的全體教師，是他們完成了3年的樣稿試點教學(xué)，并對教學(xué)過程發(fā)現(xiàn)的問題提出了很多有建設(shè)性的建議。

內(nèi)容概要

　　《數(shù)字邏輯電路設(shè)計實踐》是“教育部電子信息科學(xué)與電氣信息類基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會”組織的電工電子實驗系列教材之一，是一本數(shù)字邏輯電路實驗教材，由淺入深地介紹了數(shù)字邏輯電路的工程設(shè)計技術(shù)和測量調(diào)試方法。在內(nèi)容安排上緊緊圍繞開放實驗的教學(xué)模式，以提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，將重點放在學(xué)生工程研究基本素質(zhì)的培養(yǎng)，分析、設(shè)計、調(diào)試方法的訓(xùn)練以及系統(tǒng)分析設(shè)計能力的提高上。　　全書共7章，包括數(shù)字邏輯電路實驗基礎(chǔ)、門電路和組合邏輯、組合邏輯函數(shù)設(shè)計、時序邏輯電路、模擬和數(shù)字接口、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計和可編程數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)，從認知性實驗、基礎(chǔ)性實驗到系統(tǒng)設(shè)計型實驗。每章以實驗理論知識講解、預(yù)習(xí)思考、實驗和實驗分析為主線，引導(dǎo)學(xué)生做好、做懂、做深實驗。實驗的形式多樣、實用性強，在一定程度上反映了數(shù)字邏輯電路分析、設(shè)計和調(diào)試技術(shù)的最新發(fā)展?！　　稊?shù)字邏輯電路設(shè)計實踐》可作為高等院校工科電子類、通信類、電氣類各專業(yè)的實驗教材，也可供從事電子工程設(shè)計的技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章 數(shù)字邏輯電路實驗基礎(chǔ)1.1 認識數(shù)字集成電路1.1.1 概述1.1.2 TTL系列集成電路1.1.3 CMOS系列集成電路1.1.4 ECL系列集成電路1.2 脈沖信號研究1.2.1 脈沖信號的基本參數(shù)1.2.2 脈沖信號的模擬特性1.2.3 用示波器測量脈沖信號1.3 實驗：用示波器測量脈沖信號1.4 邏輯分析儀基礎(chǔ)1.4.1 邏輯分析儀概述1.4.2 邏輯分析儀基本組成1.5 實驗：邏輯分析儀測量數(shù)字邏輯信號1.6 電路連接基礎(chǔ)1.6.1 面包板介紹1.6.2 電路連接基本技術(shù)1.7 數(shù)字電路的故障檢查和排除方法1.8 電路安裝調(diào)試與故障排除舉例1.9 實驗：電路安裝調(diào)試與故障排除第2章 門電路和組合邏輯2.1 TTL門電路的靜態(tài)特性2.1.1 靜態(tài)電壓特性2.1.2 靜態(tài)電流特性2.1.3 靜態(tài)電源電流和靜態(tài)功耗2.2 CMOS門電路的靜態(tài)特性2.2.1 靜態(tài)電壓特性2.2.2 靜態(tài)電流特性2.3 OC門、OD門和三態(tài)門2.3.1 集電極開路門(OC門)2.3.2 三態(tài)門2.3.3 漏極開路門(OD門)2.4 TTL與CMOS器件的連接2.4.1 連接規(guī)則2.4.2 常用接口電路2.5 實驗：門電路靜態(tài)特性的測試.2.6 門電路的動態(tài)特性2.6.1 數(shù)字門電路的門傳輸延時和線延時2.6.2 數(shù)字門電路的交流噪聲2.6.3 數(shù)字門電路的動態(tài)電源電流和動態(tài)功耗2.7 實驗：門電路動態(tài)特性測試2.8 SSI組合邏輯設(shè)計2.8.1 設(shè)計方法概述2.8.2 變量選擇2.8.3 變量編碼的選擇2.8.4 根據(jù)器件特點調(diào)整設(shè)計2.9 競爭-冒險現(xiàn)象2.9.1 競爭和冒險的基本概念2.9.2 毛刺捕捉2.9.3 消除競爭-冒險現(xiàn)象的方法2.1 0實驗：SSI組合邏輯設(shè)計及競爭-冒險現(xiàn)象第3章 組合邏輯函數(shù)電路3.1 基本組合邏輯函數(shù)電路3.1.1 值固定、傳遞和取反3.1.2 使能的概念和應(yīng)用3.2 用MSI設(shè)計組合邏輯函數(shù)電路3.2.1 編碼器設(shè)計組合邏輯函數(shù)電路3.2.2 譯碼器設(shè)計組合邏輯函數(shù)電路3.2.3 數(shù)據(jù)選擇器設(shè)計組合邏輯函數(shù)電路3.2.4 半加器和全加器設(shè)計組合邏輯函數(shù)電路3.2.5 用MSI設(shè)計組合邏輯函數(shù)電路小結(jié)3.3 實驗：用MSI進行組合邏輯函數(shù)電路設(shè)計3.4 只讀存儲器3.5 實驗：用ROM設(shè)計組合邏輯函數(shù)電路第4章 時序邏輯電路4.1 基本時序邏輯電路4.1.1 時序邏輯電路的特點4.1.2 鎖存器4.1.3 觸發(fā)器4.1.4 用觸發(fā)器設(shè)計同步計數(shù)器4.1.5 用觸發(fā)器實現(xiàn)狀態(tài)機4.1.6 觸發(fā)器的時間參數(shù)4.1.7 時序邏輯電路的延時分析4.2 時序邏輯電路中的時鐘4.2.1 常見的時鐘類型4.2.2 時鐘產(chǎn)生電路4.3 時序電路調(diào)試技巧4.3.1 靜態(tài)調(diào)試4.3.2 動態(tài)調(diào)試4.3.3 邏輯分析儀作狀態(tài)分析4.4 實驗：觸發(fā)器設(shè)計時序邏輯電路4.5 常用時序功能塊4.5.1 計數(shù)器4.5.2 計數(shù)器的應(yīng)用4.5.3 移位寄存器4.5.4 移位寄存器的應(yīng)用4.6 實驗：用時序功能塊設(shè)計時序電路第5章 模擬和數(shù)字接口5.1 概述5.2 模數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換5.2.1 A／D轉(zhuǎn)換中的取樣、保持和量化5.2.2 集成A／D轉(zhuǎn)換器基本參數(shù)5.2.3 集成A／D轉(zhuǎn)換器選擇5.2.4 線路設(shè)計5.2.5 設(shè)計舉例5.3 實驗：模數(shù)轉(zhuǎn)換5.4 數(shù)模(D／A)轉(zhuǎn)換5.4.1 概述5.4.2 集成D／A轉(zhuǎn)換器基本參數(shù)5.4.3 集成D／A轉(zhuǎn)換器選擇5.5 實驗：數(shù)模轉(zhuǎn)換第6章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計6.1 概述6.2 設(shè)計舉例：數(shù)字密碼鎖6.2.1 分析原始系統(tǒng)功能要求6.2.2 確定硬件算法，劃分系統(tǒng)模塊6.2.3 數(shù)據(jù)處理單元電路設(shè)計6.2.4 控制單元電路設(shè)計6.2.5 單元電路調(diào)試6.3 實驗：小型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計6.3.1 十字路口交通信號燈控制電路6.3.2 電機測速系統(tǒng)6.3.3 健身自行車控制器6.3.4 擲骰子游戲第7章 可編程數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)7.1 設(shè)計輸入7.1.1 概述7.1.2 建立工程項目7.1.3 建立原理圖輸入文件7.2 項目處理7.2.1 概述7.2.2 圖形設(shè)計文件的項目處理7.3 設(shè)計校驗7.3.1 概述7.3.2 建立輸入激勵波形文件(.vwf)7.3.3 為輸入信號建立輸入激勵波形7.3.4 功能仿真7.3.5 時序仿真7.4 器件編程7.4.1 概述7.4.2 QuartusⅡ器件編程7.5 層次化項目設(shè)計7.5.1 底層模塊符號的建立和修改7.5.2 建立頂層設(shè)計文件7.6 幾種提高設(shè)計效率的方法7.6.1 總線(BUS)功能7.6.2 MegaFunction宏功能庫7.7 實驗：可編程數(shù)字邏輯設(shè)計7.7.1 簡易數(shù)字鐘7.7.2 簡易電子琴7.7.3 健身自行車控制器7.7.4 全自動洗衣機控制器7.7.5 模擬打乒乓球游戲附錄常用集成電路型號和引腳圖參考文獻

章節(jié)摘錄

　　穩(wěn)定精確的時鐘是時序邏輯電路高效正確工作的基礎(chǔ)，產(chǎn)生時鐘脈沖的典型電路有多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。多諧振蕩器不需要外加觸發(fā)信號，它是利用脈沖振蕩器來直接產(chǎn)生時鐘信號；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在外加觸發(fā)信號作用下，輸出具有一定寬度的脈沖波；施密特觸發(fā)器是對外加輸入的矩形波（包括正弦波）等波形進行整形，使其脈沖寬度、幅值、上升沿和下降沿時間符合系統(tǒng)的要求。由于多諧振蕩器不需要外加觸發(fā)信號，因此，在實際使用中，常用多諧振蕩器來產(chǎn)生時鐘信號?！　《嘀C振蕩器是一種矩形脈沖產(chǎn)生電路，它產(chǎn)生的矩形波具有很陡峭的上升沿和下降沿。多諧振蕩器電路沒有穩(wěn)態(tài)，但有兩個暫穩(wěn)態(tài)，給電路合上電源后，兩個暫穩(wěn)態(tài)之間能自動互相倒換，使輸出產(chǎn)生矩形波。常見的多諧振蕩器有用門電路構(gòu)成的多諧振蕩器、晶體振蕩器和由施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器等，其振蕩頻率主要取決于定時元件和集成電路的開關(guān)特性。一般來說多諧振蕩器的最低振蕩頻率由定時元件決定，最高振蕩頻率由集成電路的開關(guān)特性決定。因此，CMOS集成電路構(gòu)成的多諧振蕩器可達到最高頻率最低，只有10 MHz左右；TTL其次，小于100 MHz；ECL最高，可達數(shù)百兆赫。　　1．用門電路構(gòu)成的多諧振蕩器　　圖4．2．5所示是由門電路構(gòu)成的多諧振蕩器，其基本工作原理是利用電容器的充放電，當(dāng)輸入電壓達到與非門的閾值電壓Vt時，門的輸出狀態(tài)即發(fā)生變化，形成振蕩。因此電路中的阻容元件數(shù)值將直接與電路輸出脈沖波形的參數(shù)有關(guān)。

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