数字电子技术基础 蓝波

《数字电子技术基础》是一本立足高水平应用型人才培养的权威教材，通过融合理论与实践，以及丰富的仿真实例，为读者提供了掌握数字电子技术的全面指南。 

本书是根据我国高等教育发展的新形势，立足于高水平应用型人才培养的定位编写的。本书主要内容包括信号与电子电路概述、数制和编码、基本逻辑关系与逻辑门、逻辑代数与逻辑函数、Verilog硬件描述语言和Quartus软件、组合逻辑电路、时序逻辑电路、模数和数模转换、脉冲信号电路、数字系统设计实践。本书从数字电路的基础知识出发，以典型数字系统设计为主线，将电路的基本分析方法、基本设计方法、常用组合和时序功能器件的应用有机融合在一起，配合大量的电路仿真实例，有效提高读者的工程实践能力。
本书可作为普通高等院校电气类、电子信息类、自动化类、计算机类等专业“数字电子技术”“数字电路”“数字逻辑”等课程的教材，也可作为相关专业技术人员及电子技术爱好者的自学参考书

职业院校教师

前言
第1章信号与电子电路概述1
11信号概述2
111模拟量和数字量2
112非电信号和电信号2
113模拟电信号和数字电信号3
114数字电信号的主要参数4
12电子电路概述4
121电子电路的分类4
122数字电路的特点5
123数字电路的分类5
本章小结6
复习思考题6
第2章数制和编码7
21数制8
211数制的基本概念8
212数制的构成要素8
213不同数制之间的相互转换9
22编码12
221编码概述12
222数字信号编码12
223常用的数字信号编码13
224原码、补码和反码14
225格雷码16
226奇偶校验码16
227ASCII码和汉字编码17
23编码问题的0、1描述18
本章小结19
复习思考题19
第3章基本逻辑关系与逻辑门21
31基本逻辑关系21
311二值逻辑21
312三种基本逻辑关系22
313基本逻辑关系的复合25
314基本逻辑关系的分立元件电路
实现28
32逻辑门概述29
321逻辑门的分类29
322逻辑门的工作电源及逻辑电平29
323逻辑门的噪声容限31
33TTL逻辑门31
331标准TTL逻辑门31
332集电极开路逻辑门34
333三态输出逻辑门36
34MOS管38
341增强型MOS管38
342NMOS反相器40
343NMOS门电路40
344PMOS门电路41
35CMOS逻辑门41
351CMOS反相器41
352CMOS与非门和或非门42
353CMOS逻辑门的特点43
354TTL逻辑门与CMOS逻辑门级联的
接口问题43
36数字集成器件基础知识43
361数字集成器件的命名44
362数字集成器件的封装44
本章小结46
复习思考题46
第4章逻辑代数与逻辑函数48
41逻辑代数49
411逻辑代数的基本公理49
412逻辑代数的基本定律49
413逻辑代数的三个基本运算规则51
42逻辑函数53
421逻辑函数的表示方法53
422逻辑函数的标准形式60
423多输出逻辑函数和非完全描述
逻辑函数62
424逻辑函数的化简65
本章小结70
复习思考题71
第5章Verilog硬件描述语言和Quartus
软件74
51Verilog的基本结构75
511模块声明75
512输入和输出端口声明75
513信号类型声明76
514功能描述76
515模块的实例化77
52Verilog语法知识78
521词法78
522常量80
523变量82
53运算符83
531算术运算符83
532逻辑运算符83
533位运算符83
534关系运算符84
535等式运算符84
536移位运算符85
537条件运算符86
538位拼接运算符86
54语句86
541块语句86
542赋值语句87
543结构声明语句87
544任务语句和函数语句88
545条件语句89
546循环语句91
547编译预处理93
548系统任务94
55Quartus软件的基本操作与使用95
551Quartus简介95
552Quartus Prime 171软件安装95
553Quartus Prime 171的基本操作99
56可编程逻辑器件107
561可编程逻辑器件的种类107
562基于可编程逻辑器件的设计
流程108
563可编程逻辑器件的优缺点109
564可编程逻辑器件在现代电子系统
设计中的应用110
565可编程逻辑器件的未来发展
趋势111
本章小结112
复习思考题112
第6章组合逻辑电路114
61组合逻辑电路的分析115
62组合逻辑电路的设计118
63组合逻辑电路中的竞争与冒险121
631竞争与冒险产生的原因122
632冒险现象的判断122
633冒险现象的消除方法123
64常用的组合逻辑功能器件124
641基于功能器件的数字系统124
642编码器125
643译码器131
644比较器145
645加法器148
646数据选择器151
本章小结159
复习思考题160
第7章时序逻辑电路163
71触发器165
711基本RS触发器165
712钟控触发器169
713边沿触发器171
714触发器之间的相互转换175
72时序逻辑电路的分析176
721同步时序逻辑电路的分析176
722异步时序逻辑电路的分析181
73时序逻辑电路的设计184
74常用的时序逻辑功能器件199
741基本寄存器199
742移位寄存器201
743集成计数器209
75有限状态机227
751概述227
752有限状态机的组成227
753有限状态机的类型228
754有限状态机的设计过程228
755有限状态机的应用229
本章小结232
复习思考题233
第8章模数和数模转换237
81模数转换238
811采样和保持238
812量化和编码239
813A/D转换器的主要性能指标240
814并联比较型A/D转换器241
815逐次比较型A/D转换器242
816双积分型A/D转换器243
817ADC0809及其应用245
82数模转换248
821D/A转换器的分类248
822D/A转换器的主要性能指标249
823权电阻型D/A转换器249
824R2R电阻型D/A转换器250
825权电流型D/A转换器251
826DAC0832及其应用252
本章小结255
复习思考题256
第9章脉冲信号电路257
91施密特触发器257
911门电路构成的施密特触发器

数字系统广泛应用于信息通信、计算机应用、自动控制、物联网、人工智能等领域，与模拟系统相比，数字系统具有更高的精确性和可靠性。数字电子技术主要研究数字信息的采集、存储、处理、控制和传输，是电气类、电子信息类、自动化类、计算机类等专业重要的必修课。
21世纪以来，世界范围内新一轮科技革命和产业变革加速进行，具备创新思维的高水平应用型工程技术人才是我国加快产业发展、提升国际竞争力的强大支撑。为适应这一变化对人才培养提出的更高要求，教学必须以学生发展为中心，坚持产出导向理念，课程内容要体现前沿性与时代性，教学方法要具备先进性与互动性。
教材是学生获取知识、提升能力、启迪思维的重要途径和载体，因此教材必须胜任上述要求。
国内高等教育近几十年来发生了深刻的变化，从以往的“精英教育”发展到如今的“大众教育”，不同类型、不同层次的高校，学生的知识储备、学习能力、发展定位也存在着较大的差异。本书立足于高水平应用型人才的培养需求，主要特点有：
1）从应用出发，从问题出发，通过项目或案例将零散的知识点有机地联系起来，优化教材结构，促进知识向能力的转化。
2）大幅减少门电路、触发器等内容，弱化器件的电路内部结构，强化器件外特性的理解及功能表的识读，便于读者熟练掌握器件的典型应用。
3）在介绍传统设计方法的同时，引入Verilog硬件描述语言（HDL）这一当前数字系统设计的主流工具，体现“两性一度”。
4）注重系统性思维的培养，深度、广度、难度适中。
5）针对学生存在的短板和薄弱环节，有意识地增加了相应内容。
6）通过大量的Multisim和Quartus仿真，增强了知识获取的直观性，便于学生理解。
7）增加新形态教材内容，包括知识扩展、仿真电路、Verilog程序、知识点短视频等。
本书共有10章，按照学生学习知识和获取能力的科学规律安排内容，第1～4章主要介绍数字电子技术的基础知识，侧重于学生逻辑思维的建立；第5章介绍Verilog硬件描述语言和Quartus软件；第6～10章以“片剂装瓶计数显示系统”为主线，将组合逻辑器件、时序逻辑器件和脉冲信号电路有机地结合起来，侧重于学生系统思维、创新思维、工程思维的训练，使其逐步积累解决复杂工程问题的能力。
为了便于读者更好地理解和学习，对以下几方面作简要说明：
（1）关于图形符号IEC 60617是国际电工委员会（IEC）制定的电气简图用图形符号标准，共分为13个部分，其中第4部分（基本无源元件）和第12部分（二进制逻辑元件）与本书密切相关；IEEE Std 315是美国电气电子工程师学会（IEEE）制定的电气电子图形符号标准；ANSI/IEEE Std 901984是美国国家标准协会（ANSI）和美国电气电子工程师学会制定的逻辑函数图形符号标准，ANSI/IEEE Std 91a1991是其修订版；GB/T 4728是中国国家市场监督管理总局和国家标准化管理委员会发布的电气简图用图形符号国家标准，等同采用了IEC 60617标准。
本书主要采用国家标准规定的图形符号。有一些外文参考文献或器件手册用的是IEEE Std 315标准，这个标准对某些电子元器件有两种以上推荐图形符号，例如基本型电阻器，既可以使用锯齿形符号，也可以使用矩形框符号。从扩大知识面和提高应用能力的角度出发，本书不刻意追求标准的完全统一，请读者知悉。
同理，对于基本逻辑器件，ANSI/IEEE Std 91a1991既允许使用原有的矩形轮廓符号，也允许使用一类新的特定形状符号。目前国际上主流的电子设计自动化（EDA）软件和经典的数字逻辑教材往往采用这种特定形状符号。为了便于读者查阅国外文献资料，快速上手EDA软件，本书采取矩形轮廓和特定形状两套符号体系并用的方式。
（2）关于器件名称逻辑器件因生产厂家、工艺、内部电路结构、封装等多种因素的不同，即使同一种器件，其型号名称在前缀、中间、后缀上也会略有差异，例如SN7400N、74LS00P、74ALS00都是指2输入与逻辑，为了保持一致性，书中统一按照74LS××型号对各种逻辑功能器件进行描述。由于部分逻辑功能器件在Multisim仿真软件中型号不齐全，因此存在仿真电路中使用的器件型号和正文中介绍的器件型号不完全一致的情况。
（3）关于电路和器件引脚标识在编写过程中，涉及一些具体的电路和器件引脚时，为了保持“原汁原味”，对其中的标识未作任何改动，例如对于工作电源，有些电路或器件上标识为VCC、VCC，有些标识为UCC、UCC，遇到此类情况，请读者在阅读的时候结合上下文加以理解。
（4）关于Multisim软件仿真Multisim软件的仿真原理基于电路分析和模型的建立，在仿真过程中，软件会根据电路的拓扑结构和元器件的数学模型“呈现”电路的行为。对于纯数字电路而言，由于只考虑“0”和“1”两种逻辑状态，因此在电路正确的情况下，仿真结果和理论分析基本上是一致的。但对于模拟电路或数模混合电路而言，由于仿真电路中的元器件参数是模型给定的，而真实电路中的元器件参数会因为厂家不同、出厂批次不同、使用环境不同、精度不同、电路结构和形式不同等多种原因导致和标称值不一样，再加上模拟量的状态是连续的，电路又容易受到各种外界因素的影响，因此仿真软件很难建立“完美”的电路模型，从而造成仿真电路值、理论计算值、实际电路值三者容易存在偏差。对此，大家要用辩证的思维来看待，多实践、多分析、多思考、多总结。
本书由北京石油化工学院蓝波任主编，北京石油化工学院朱亚东洋和山东大学纪少波参与编写。在本书编写过程中，清华大学段玉生教授、北京交通大学张晓冬教授、北京工业大学张印春高级工程师、中央民族大学王继业教授、北京石油化工学院曾建唐教授，以及北京石油化工学院电工电子教学与实验中心的老师们提出了很多宝贵意见和有益的建议，在此一并致以诚挚的谢意。
由于编者水平有限，书中难免存在错误和不妥之处，殷切希望师生和读者给予批评指正。