數字邏輯電路設計實踐

前言

　　本書是“教育部電子信息科學與電氣信息類基礎課程教學指導分委員會”組織的電工電子實驗系列教材之一?！皵底诌壿嬰娐吩O計實踐”是所有電類和部分非電類專業(yè)的基礎主干實驗課程，是后續(xù)“計算機組成原理”、“單片機系統(tǒng)設計”、“數字信號系統(tǒng)設計”等課程的基石，是培養(yǎng)學生系統(tǒng)概念和工程實踐能力的重要環(huán)節(jié)，在電氣信息類教學中占有舉足輕重的地位。目前，數字邏輯電路設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字系統(tǒng)實驗，本書歸屬前一部分?！　”緯耆凑臻_放實驗的特點和要求組織編寫，對實驗每個環(huán)節(jié)都進行了精心設計，以提高實驗完成的質量。主要包括：在實驗相關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。　　在內容安排上更側重工程實踐能力和方法的培養(yǎng)，減少實驗的數量，豐富每個實驗的內容，增加每個實驗的研究深度，以工程研究的標準來要求學生實驗的每個環(huán)節(jié)，注重項目分析、資料查找和分析、設計方案比較論證、測試方案設計、系統(tǒng)調試、測試結果分析和總結等能力的培養(yǎng)?！　≈匾晹底诌壿嬒到y(tǒng)測量、調試和數據分析，將數字邏輯分析儀作為主要的測試儀器，將現代數字系統(tǒng)測量調試方法和計算機輔助數據分析方法貫穿在整個實驗教學內容中?！　”緯?章，第1章數字邏輯電路實驗基礎為認知實驗，主要介紹數字邏輯電路中的主要器件、測量儀器和測量方法，電路搭接和調試的基本方法；第2～4章為基礎數字邏輯設計實驗，主要介紹數字邏輯器件的硬件特性、中小規(guī)模數字邏輯電路的設計方法和測量調試方法；第5章模擬和數字接口介紹A／D轉換和D／A轉換的基本特性、選型、設計方法和調試方法；第6章數字系統(tǒng)設計介紹數字邏輯電路系統(tǒng)設計方法，并綜合前面各章的實驗模塊完成一個較完整的中小規(guī)模數字系統(tǒng)；第7章可編程數字系統(tǒng)設計基礎介紹可編程數字系統(tǒng)設計的基本流程和圖形化設計輸入方法，為后續(xù)的可編程數字系統(tǒng)設計課程打基礎。在安排教學內容時，可以視具體要求和學時的多少，做必要的增刪?！　”緯蓶|南大學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，徐瑩雋擔任主編。全部編寫工作都是在東南大學電工電子實驗中心主任胡仁杰教授親自組織和具體指導下完成的?！　∧暇┖娇蘸教齑髮W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，并對教學過程發(fā)現的問題提出了很多有建設性的建議。

內容概要

　　《數字邏輯電路設計實踐》是“教育部電子信息科學與電氣信息類基礎課程教學指導分委員會”組織的電工電子實驗系列教材之一，是一本數字邏輯電路實驗教材，由淺入深地介紹了數字邏輯電路的工程設計技術和測量調試方法。在內容安排上緊緊圍繞開放實驗的教學模式，以提高學生自主學習能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力為目標，將重點放在學生工程研究基本素質的培養(yǎng)，分析、設計、調試方法的訓練以及系統(tǒng)分析設計能力的提高上?！　∪珪?章，包括數字邏輯電路實驗基礎、門電路和組合邏輯、組合邏輯函數設計、時序邏輯電路、模擬和數字接口、數字系統(tǒng)設計和可編程數字系統(tǒng)設計基礎，從認知性實驗、基礎性實驗到系統(tǒng)設計型實驗。每章以實驗理論知識講解、預習思考、實驗和實驗分析為主線，引導學生做好、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字邏輯電路分析、設計和調試技術的最新發(fā)展。　　《數字邏輯電路設計實踐》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計的技術人員參考。

書籍目錄

第1章 數字邏輯電路實驗基礎1.1 認識數字集成電路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：邏輯分析儀測量數字邏輯信號1.6 電路連接基礎1.6.1 面包板介紹1.6.2 電路連接基本技術1.7 數字電路的故障檢查和排除方法1.8 電路安裝調試與故障排除舉例1.9 實驗：電路安裝調試與故障排除第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 數字門電路的門傳輸延時和線延時2.6.2 數字門電路的交流噪聲2.6.3 數字門電路的動態(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組合邏輯設計2.8.1 設計方法概述2.8.2 變量選擇2.8.3 變量編碼的選擇2.8.4 根據器件特點調整設計2.9 競爭-冒險現象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-冒險現象的方法2.1 0實驗：SSI組合邏輯設計及競爭-冒險現象第3章 組合邏輯函數電路3.1 基本組合邏輯函數電路3.1.1 值固定、傳遞和取反3.1.2 使能的概念和應用3.2 用MSI設計組合邏輯函數電路3.2.1 編碼器設計組合邏輯函數電路3.2.2 譯碼器設計組合邏輯函數電路3.2.3 數據選擇器設計組合邏輯函數電路3.2.4 半加器和全加器設計組合邏輯函數電路3.2.5 用MSI設計組合邏輯函數電路小結3.3 實驗：用MSI進行組合邏輯函數電路設計3.4 只讀存儲器3.5 實驗：用ROM設計組合邏輯函數電路第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)器設計同步計數器4.1.5 用觸發(fā)器實現狀態(tài)機4.1.6 觸發(fā)器的時間參數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 時鐘產生電路4.3 時序電路調試技巧4.3.1 靜態(tài)調試4.3.2 動態(tài)調試4.3.3 邏輯分析儀作狀態(tài)分析4.4 實驗：觸發(fā)器設計時序邏輯電路4.5 常用時序功能塊4.5.1 計數器4.5.2 計數器的應用4.5.3 移位寄存器4.5.4 移位寄存器的應用4.6 實驗：用時序功能塊設計時序電路第5章 模擬和數字接口5.1 概述5.2 模數(A／D)轉換5.2.1 A／D轉換中的取樣、保持和量化5.2.2 集成A／D轉換器基本參數5.2.3 集成A／D轉換器選擇5.2.4 線路設計5.2.5 設計舉例5.3 實驗：模數轉換5.4 數模(D／A)轉換5.4.1 概述5.4.2 集成D／A轉換器基本參數5.4.3 集成D／A轉換器選擇5.5 實驗：數模轉換第6章 數字系統(tǒng)設計6.1 概述6.2 設計舉例：數字密碼鎖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 數據處理單元電路設計6.2.4 控制單元電路設計6.2.5 單元電路調試6.3 實驗：小型數字系統(tǒng)設計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 可編程數字系統(tǒng)設計基礎7.1 設計輸入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 圖形設計文件的項目處理7.3 設計校驗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 層次化項目設計7.5.1 底層模塊符號的建立和修改7.5.2 建立頂層設計文件7.6 幾種提高設計效率的方法7.6.1 總線(BUS)功能7.6.2 MegaFunction宏功能庫7.7 實驗：可編程數字邏輯設計7.7.1 簡易數字鐘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，產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生時鐘信號。　　多諧振蕩器是一種矩形脈沖產生電路，它產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，使輸出產生矩形波。常見的多諧振蕩器有用門電路構成的多諧振蕩器、晶體振蕩器和由施密特觸發(fā)器構成的多諧振蕩器等，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特性決定。因此，CMOS集成電路構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，可達數百兆赫。　　1．用門電路構成的多諧振蕩器　　圖4．2．5所示是由門電路構成的多諧振蕩器，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值將直接與電路輸出脈沖波形的參數有關。

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