數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)快速入門

前言

工科學(xué)生最好在課程學(xué)習(xí)的同時(shí)能有意識(shí)地培養(yǎng)自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。積極的學(xué)習(xí)方法是貫穿于本書(shū)的特色，將具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)工程與各個(gè)新主題結(jié)合在一起，從簡(jiǎn)單的邏輯電路到復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。如果在學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程中能較早引人工程應(yīng)用技能并得到實(shí)踐，那么他們將從中大受裨益，他們不僅學(xué)到了基本的工程知識(shí)，也獲得了挑戰(zhàn)和驗(yàn)證所學(xué)知識(shí)的信心與能力。本書(shū)前面幾章的工程設(shè)計(jì)中，有詳細(xì)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)和相關(guān)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）工具的介紹。隨著工程的難度加大，設(shè)計(jì)也越來(lái)越復(fù)雜，指導(dǎo)與約束條件也越來(lái)越少，這有助于鼓勵(lì)學(xué)生找到自己獨(dú)特的、創(chuàng)造性的解決問(wèn)題的方法。每一個(gè)階段，當(dāng)學(xué)生獲得電路設(shè)計(jì)、仿真、實(shí)現(xiàn)工具的信心和能力時(shí)，他們就會(huì)在好奇心的驅(qū)使下去檢驗(yàn)并擴(kuò)展所學(xué)的知識(shí)。為了從本書(shū)中充分獲益，學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)下一章之前完成本章所有的設(shè)計(jì)工程，課后作業(yè)中的工程對(duì)主動(dòng)設(shè)計(jì)工作有幫助，本書(shū)與課堂中還會(huì)不時(shí)地加強(qiáng)這些概念。完成那些工程每周需要8個(gè)小時(shí)或更多的時(shí)間，所以學(xué)生需要免費(fèi)的CAD工具和設(shè)計(jì)工具包。本書(shū)的設(shè)計(jì)基于Digilent Basys板或者Nexys2設(shè)計(jì)工具包。Digilent Basys板和Nexys2設(shè)計(jì)工具包是低成本的設(shè)計(jì)平臺(tái)，它們包含有強(qiáng)大的、先進(jìn)的可編程邏輯器件。使用Xilinx公司免費(fèi)的WebPack CAD軟件，學(xué)生可以在任何地方（實(shí)驗(yàn)室內(nèi)或?qū)嶒?yàn)室外）使用這些工具包擁有的強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能。本書(shū)共分10章，每章都圍繞一個(gè)主題，并有配套的練習(xí)和設(shè)計(jì)工程。練習(xí)是為了檢驗(yàn)對(duì)所學(xué)課程的理解，不需要設(shè)計(jì)工具就可以完成。設(shè)計(jì)工程是對(duì)所學(xué)課程更深層次的研究，允許學(xué)生用電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具完成，進(jìn)一步鞏固所學(xué)的知識(shí)。

內(nèi)容概要

本書(shū)是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)初學(xué)者的入門教材，書(shū)中內(nèi)容共分10章，內(nèi)容涉及電子電路、邏輯化簡(jiǎn)、VHDL語(yǔ)言、組合邏輯電路、組合算術(shù)電路、存儲(chǔ)器、時(shí)序電路、信號(hào)傳輸延時(shí)、開(kāi)發(fā)板和CAD工具的使用。每章都圍繞一個(gè)主題，為檢驗(yàn)對(duì)所學(xué)課程的理解和所學(xué)課程更深層次的研究，配備了練習(xí)和實(shí)驗(yàn)工程。    本書(shū)可作為高等院校電類和非電類專業(yè)低年級(jí)學(xué)生相關(guān)課程的教材和教學(xué)參考書(shū)，適合用作企業(yè)職工初級(jí)培訓(xùn)，也可作為從事電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的工程技術(shù)人員、電子愛(ài)好者的自學(xué)教材。

作者簡(jiǎn)介

科爾·克林特(Cole Clint)，任教于華盛頓州立大學(xué)，教授許多不同的工程學(xué)課程?？茽栂壬贖ewlett-Packard工作過(guò)?？茽栂壬?991年合作創(chuàng)立了Heartsteam公司并在該公司被Hewlett-Packard公司收購(gòu)之前擔(dān)任總工程師，于2000年合作創(chuàng)立了Digilent公司并擔(dān)任總裁和資深工程師。

書(shū)籍目錄

第1章  電子電路簡(jiǎn)介  1.1  概述  1.2  背景知識(shí)    1.2.1  電氣與電子電路    1.2.2  實(shí)際電路和模型電路  1.3  數(shù)字電路    0和1  1.4  電子元件    1.4.1  電阻    1.4.2  電容    1.4.3  輸入類元件(按鈕和開(kāi)關(guān))    1.4.4  輸出類器件(LED)    1.4.5  連接器件    1.4.6  印制電路板(PCB)    1.4.7  集成電路(芯片)  1.5  邏輯電路    1.5.1  三極管開(kāi)關(guān)    1.5.2  FET構(gòu)成的邏輯電路    1.5.3  邏輯電路圖  練習(xí)1  數(shù)字電路和Basys板第2章  Digilent FPGA開(kāi)發(fā)板介紹  2.1  概述  2.2  Digilent開(kāi)發(fā)板參考資料  練習(xí)2  Digilent FPGA開(kāi)發(fā)板介紹  實(shí)驗(yàn)工程2  開(kāi)發(fā)板檢驗(yàn)和基本邏輯電路  附錄  用Adept對(duì)Digilent開(kāi)發(fā)板進(jìn)行編程第3章  邏輯電路結(jié)構(gòu)與CAD工具簡(jiǎn)介  3.1  概述  3.2  邏輯電路基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介    3.2.1  原理圖及其原型    3.2.2  組合電路結(jié)構(gòu)    3.2.3  SOP與POS電路    3.2.4  異或運(yùn)算  3.3  CAD工具簡(jiǎn)介    3.3.1  產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程    3.3.2  電路仿真  練習(xí)3  邏輯電路結(jié)構(gòu)  實(shí)驗(yàn)工程3  電路原理圖繪制簡(jiǎn)介  附錄  webPack原理圖設(shè)計(jì)入門指南第4章  邏輯化簡(jiǎn)  4.1  概述  4.2  背景介紹  4.3  布爾代數(shù)  4.4  邏輯圖  4.5  邏輯函數(shù)的不完整表述(無(wú)關(guān)項(xiàng))  4.6  加入變量  4.7  基于計(jì)算機(jī)的邏輯化簡(jiǎn)算法  練習(xí)4邏  輯化簡(jiǎn)  實(shí)驗(yàn)工程4  邏輯化簡(jiǎn)第5章  VHDL語(yǔ)言介紹  5.1  概述  5.2  背景介紹    5.2.1  電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與行為設(shè)計(jì)比較    5.2.2  綜合與仿真  5.3  VHDL語(yǔ)言介紹    5.3.1  信號(hào)的賦值    5.3.2  使用Xilinx VHDL工具  實(shí)驗(yàn)工程5  VHDL介紹  附錄  使用Xilinx VHDL工具第8章  信號(hào)傳輸延遲  8.1  概述  8.2  邏輯電路中的傳輸延遲    8.2.1  電路延遲與CAD工具    8.2.2  在VHDL源文件中指定電路的延遲    8.2.3  毛刺    8.2.4  使用CAD工具生成延遲  實(shí)驗(yàn)工程8  信號(hào)傳輸延遲  附錄  ISE／webPack仿真器后布線模式運(yùn)行第9章  基本存儲(chǔ)電路  9.1  概述  9.2  背景介紹    9.2.1  存儲(chǔ)器電路介紹    9.2.2  基本單元    9.2.3  D鎖存器    9.2.4  D觸發(fā)器    9.2.5  存儲(chǔ)器復(fù)位信號(hào)    9.2.6  存儲(chǔ)器的其他輸入信號(hào)    9.2.7  其他類型觸發(fā)器    9.2.8  寄存器    9.2.9  其他類型存儲(chǔ)器電路    9.2.10  存儲(chǔ)電路的VHDL描述    9.2.11  VHDL中的進(jìn)程語(yǔ)句  實(shí)驗(yàn)工程9  基本存儲(chǔ)電路第10章  時(shí)序電路的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)  10.1  概述  10.2  背景介紹    10.2.1  時(shí)序電路的特征    10.2.2  時(shí)序電路設(shè)計(jì)    10.2.3  使用狀態(tài)圖來(lái)設(shè)計(jì)時(shí)序電路    10.2.4  時(shí)序電路的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)    10.2.5  二進(jìn)制計(jì)數(shù)器    10.2.6  用VHDL描述二進(jìn)制計(jì)數(shù)器練習(xí)10  時(shí)序電路的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)工程10  時(shí)序電路的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)

章節(jié)摘錄

插圖：相互連接以實(shí)現(xiàn)特定功能的電子元件的集合通常稱之為電路。電路一詞的來(lái)源是因?yàn)殡娔鼙仨殢碾娫吹恼龢O流出，通過(guò)一個(gè)或多個(gè)電子器件并最后返回到電源的負(fù)極，從而形成了電路。如果電子器件和電源正極或負(fù)極間的連接斷開(kāi)，電路將被破壞，器件將不能工作?，F(xiàn)代電路中有許多不同類型的電子元件和設(shè)備，包括電阻、電容、電感、半導(dǎo)體元件（如二極管、三極管、集成電路等）、傳感器（包括麥克風(fēng)、光敏元件和運(yùn)動(dòng)傳感器等）、執(zhí)行器（如電動(dòng)機(jī)、電磁線圈）以及各種其他電子器件如發(fā)熱、發(fā)光器件。電路中的元器件通過(guò)導(dǎo)體或電線相連。這些導(dǎo)線能輸送電流到電路中不同的地方。一條連線一旦連接兩個(gè)或更多的元件，它和所有這些附加的元件連接器形成一個(gè)單獨(dú)的電路節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于給定的網(wǎng)絡(luò)，其上面的任何電氣行為都能夠?qū)⑿畔鬏數(shù)脚c之相連網(wǎng)絡(luò)上的所有器件。有些網(wǎng)絡(luò)給器件提供電力，另外一些網(wǎng)絡(luò)在器件間傳遞信息。網(wǎng)絡(luò)所傳遞的信息稱為信號(hào)，且信號(hào)在電路中傳遞編碼為電平的信息。信號(hào)網(wǎng)絡(luò)用的導(dǎo)體越小，傳輸?shù)碾娏髟叫?。傳遞能量的網(wǎng)絡(luò)稱為電網(wǎng)（或簡(jiǎn)稱為電源），它在電路中傳遞電功率。電力網(wǎng)絡(luò)中的導(dǎo)體通常比信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中的大，因?yàn)樗鼈円獋鬏斴^大的電流。電氣電路用電功率實(shí)現(xiàn)某些功能，如使元件發(fā)熱或發(fā)光、使電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或產(chǎn)生電磁場(chǎng)。電子電路不同于電氣電路。因?yàn)樵陔娮与娐分?，使用的器件可以用其他電信?hào)來(lái)控制。也就是說(shuō)，電子電路由一些用電流去控制電流的器件組成。大多數(shù)電子電路使用5～10V的電壓；過(guò)去幾年，電路中的信號(hào)都在3～5V之間。某些電子電路可以用連續(xù)電平來(lái)表示編碼的信息，該電平在電源高、低電平之間是連續(xù)的——這樣的電路被稱為模擬電路。例如，語(yǔ)音電平變換器（也就是麥克風(fēng)）可以將聲音的壓力按一定比例轉(zhuǎn)換為0～3V的電信號(hào)。這樣的話，如果聲波本身是連續(xù)的，那么麥克風(fēng)輸出的電平信號(hào)也是連續(xù)的。其他電路只使用兩種離散的電平來(lái)表達(dá)信息。通常，這兩種電平由相同電壓的電源提供。這種電路被稱作數(shù)字電路，所有信息必須以二進(jìn)制數(shù)碼表示，OV（或地電平）表示一種信息，3.3 V表示另一種信息（哪怕電源提供的電壓更高）。本書(shū)只討論數(shù)字電路。

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