本書是根據教育部高等學校電子類本科指導性專業規范的要求，結合電類專業人才培養新模式的需求而編寫的。本書共分9章，系統地介紹了數字電路的基礎知識，包括邏輯代數基礎、邏輯門電路、組合邏輯電路、時序邏輯電路、存儲器與可編程邏輯器件、脈沖產生和整形電路、數/模和模/數轉換電路、EDA技術基礎、數字系統設計基礎等。另外，本書還介紹了集成電路的產生、發展過程，當前技術水平，未來發展方向等相關知識的背景，以激發學生的求知欲望。
本書概念清楚，內容先進，體系合理，在系統介紹基礎知識的基礎上，突出邏輯器件的功能及應用，用VHDL語言描述基本邏輯電路并采用Multisim軟件仿真。每章均安排有小結、思考題、習題、讀物，力求做到通俗易懂，便于使用。
本書可作為高等院校電氣信息類、電子信息類、儀器儀表類及其他相近專業的本科生教材或教學參考書，也可供有關工程技術人員參考。
本書具有以下幾個特點。
(1)突出方法，適應發展。本書體現了近期教改成果，重點介紹通用集成電路的基本原理及特性，略去其內部復雜電路及分析，側重器件的邏輯功能及輸入、輸出電氣特性，增強了CPLD、FPGA等新型可編程邏輯器件的內容，使學生以此進行實際工程設計與應用的初步訓練。
(2)書中引入了EDA技術的基礎知識，在介紹VHDL語言和Multisim10.0軟件的基礎上，對主要章節的電路采用VHDL語言描述并用Multisim10.0軟件仿真，使學生能夠在微機上對典型電路進行功能驗證，加深對數字電路的認識，也為后續數字系統設計課程的學習打下必要的基礎。考慮到不同學校的需要，這部分作為選學內容，以"*"號標出。
(3)本書以"神奇的集成電路"為主線，用讀物的形式在各章最后分別介紹電子管、晶體管溯源，集成電路的發明，硅谷的故事，半導體的奧秘，巧奪天工的集成電路制造工藝，用計算機設計集成電路，騰飛的中國芯，微電子技術新領域，未來暢想曲等內容供學生選讀，讓學生了解相關知識的背景。
(4)為便于讀者加深理解，書中針對重點、難點內容都設有相應的例題，每章均安排有小結、思考題、習題、讀物，力求做到通俗易懂，便于教學。
(5)書中各部分內容均從基本概念入手，提供學習數字電路的分析方法和設計方法，通過具體電路系統加以歸納和總結，從而培養學生分析問題、解決問題的能力。
隨著我國教育改革的不斷深入，教育的重點是培養人的創新意識和應用能力已成為共識。本書是根據教育部高等學校電子類本科指導性專業規范的要求，結合電類專業人才培養新模式的需求而編寫的。
數字電路與邏輯設計作為一門技術基礎課，是計算機信息類、電子類、儀器儀表類、機電類等專業的必修課。隨著電子科學技術的飛速發展，電子計算機和集成電路獲得了廣泛的應用，電子技術的發展對科學技術、國民經濟和國防各個領域的影響日益深入，數字電路理論和方法在相關專業的地位越來越重要。
EDA技術、大規模集成電路，特別是可編程邏輯器件的高速發展，對數字電路課程的教學內容提出了更高的要求。為適應科學技術的發展和社會對人才培養的要求，本書對教學內容進行了整合和充實，精簡了分立元件部分，增強了集成邏輯器件的內容，教學重點也從邏輯電路分析轉向邏輯電路設計和集成芯片的應用。本書具有以下幾個特點。
(1)突出方法，適應發展。本書體現了近期教改成果，重點介紹通用集成電路的基本原理及特性，略去其內部復雜電路及分析，側重器件的邏輯功能及輸入、輸出電氣特性，增強了CPLD、FPGA等新型可編程邏輯器件的內容，使學生以此進行實際工程設計與應用的初步訓練。
(2)書中引入了EDA技術的基礎知識，在介紹VHDL語言和Multisim10.0軟件的基礎上，對主要章節的電路采用VHDL語言描述并用Multisim10.0軟件仿真，使學生能夠在微機上對典型電路進行功能驗證，加深對數字電路的認識，也為后續數字系統設計課程的學習打下必要的基礎。考慮到不同學校的需要，這部分作為選學內容，以"*"號標出。
(3)本書以"神奇的集成電路"為主線，用讀物的形式在各章最后分別介紹電子管、晶體管溯源，集成電路的發明，硅谷的故事，半導體的奧秘，巧奪天工的集成電路制造工藝，用計算機設計集成電路，騰飛的中國芯，微電子技術新領域，未來暢想曲等內容供學生選讀，讓學生了解相關知識的背景。
(4)為便于讀者加深理解，書中針對重點、難點內容都設有相應的例題，每章均安排有小結、思考題、習題、讀物，力求做到通俗易懂，便于教學。
(5)書中各部分內容均從基本概念入手，提供學習數字電路的分析方法和設計方法，通過具體電路系統加以歸納和總結，從而培養學生分析問題、解決問題的能力。
本書由張雪平任第一主編，負責制訂編寫提綱并全書統稿。趙娟編寫第1、2、3章，張雪平編寫第4、6章，曾菊容編寫第5、9章，楊欣編寫第7章，鄒云峰編寫第8章。
在本書的前期編寫過程中，楊興全、李雙喜、張玉芝、許振偉、牛慧娟、周妮娜等做了大量的工作，在此一并表示感謝！
限于作者水平，書中缺點和錯誤在所難免，衷心希望選用本書的師生提出批評意見。
編者
緒論 1
第1章 邏輯代數基礎 5
1.1 概述 5
1.2 數制和碼制 6
1.2.1 數制 6
1.2.2 幾種常用數制之間的轉換 8
1.2.3 碼制 11
1.2.4 算術運算和邏輯運算 17
1.3 邏輯代數基礎 19
1.3.1 基本邏輯運算 19
1.3.2 邏輯代數的基本公式 25
1.3.3 邏輯代數的基本規則 28
1.3.4 邏輯函數的表示方法 30
1.3.5 邏輯函數的公式化簡法 35
1.3.6 邏輯函數的卡諾圖化簡法 38
1.3.7 具有無關項的邏輯函數
及其化簡 47
小結 49
思考題 49
習題 50
讀物：神奇的集成電路1--電子管、
晶體管溯源 52
第2章 邏輯門電路 60
2.1 概述 60
2.2 邏輯門電路中的開關器件 62
2.2.1 二極管及其開關特性 62
2.2.2 三極管及其開關特性 62
2.2.3 MOS管及其開關特性 63
2.3 分立元件門電路 64
2.3.1 二極管與門和或門 64
2.3.2 三極管非門 66
2.3.3 MOS管非門 66
2.4 TTL門電路 66
2.4.1 TTL反相器的電路結構
和工作原理 66
2.4.2 TTL反相器的動態特性 72
2.4.3 其他類型的TTL門電路 73
2.4.4 TTL數字集成電路系列 78
2.5 CMOS門電路 82
2.5.1 CMOS反相器的電路結構
和工作原理 82
2.5.2 CMOS與非門和或非門 84
2.5.3 CMOS傳輸門 85
2.5.4 CMOS三態門和漏極開路門 85
2.5.5 CMOS數字集成電路系列 87
小結 88
思考題 88
習題 89
讀物：神奇的集成電路2--集成電路的
發明 94
第3章 組合邏輯電路 97
3.1 概述 97
3.2 組合邏輯電路的分析和設計方法 98
3.2.1 組合邏輯電路的分析方法 98
3.2.2 組合邏輯電路的設計方法 101
3.3 常用組合邏輯器件及應用 103
3.3.1 編碼器和譯碼器 104
3.3.2 數據選擇器和數據分配器 116
3.3.3 加法器和數值比較器 119
3.3.4 中規模集成電路實現組合
邏輯函數 123
3.4 組合邏輯電路中的競爭與冒險 126
3.4.1 代數法 127
3.4.2 卡諾圖法 128
3.4.3 冒險現象的清除 129
小結 130
思考題 131
習題 132
讀物：神奇的集成電路3--硅谷的
故事 135
第4章 時序邏輯電路 141
4.1 概述 141
4.1.1 時序邏輯電路的一般模型
和結構特點 141
4.1.2 時序邏輯電路的類型 142
4.2 觸發器 142
4.2.1 基本觸發器 143
4.2.2 同步觸發器 145
4.2.3 邊沿觸發器 147
4.2.4 觸發器的邏輯功能及其描述
方法 149
4.3 時序邏輯電路的分析方法 155
4.3.1 時序邏輯電路狀態的描述 155
4.3.2 時序邏輯電路的分析步驟 158
4.3.3 時序邏輯電路的分析舉例 159
4.4 時序邏輯電路的設計方法 162
4.4.1 時序邏輯電路的設計步驟 163
4.4.2 時序邏輯電路的設計舉例 165
4.5 時序邏輯電路的競爭與冒險 170
4.5.1 觸發器的競爭-冒險 171
4.5.2 時序邏輯電路競爭與冒險的
處理方法 173
4.6 常用時序邏輯器件及應用 173
4.6.1 寄存器和移位寄存器 174
4.6.2 計數器 180
4.6.3 順序脈沖發生器 196
4.6.4 常用時序邏輯器件的應用 199
小結 203
思考題 204
習題 205
讀物：神奇的集成電路4--半導體的
奧秘 211
第5章 存儲器與可編程邏輯器件 215
5.1 概述 215
5.2 可編程邏輯器件的結構和表示
方法 216
5.2.1 可編程邏輯器件的結構 216
5.2.2 可編程邏輯器件的表示
方法 217
5.3 存儲器 218
5.3.1 只讀存儲器 218
5.3.2 隨機存儲器 222
5.3.3 存儲器的擴展 223
5.4 可編程邏輯器件 224
5.5 可編程邏輯器件的開發流程 225
小結 227
思考題 228
習題 228
讀物：神奇的集成電路5--巧奪天工的
集成電路制造工藝 230
第6章 脈沖產生和整形電路 232
6.1 概述 232
6.2 555定時器 233
6.2.1 555定時器的電路結構 233
6.2.2 555定時器的基本功能 234
6.3 施密特觸發器 235
6.3.1 555定時器構成的施密特
觸發器 235
6.3.2 集成施密特觸發器 237
6.3.3 施密特觸發器的應用 239
6.4 單穩態觸發器 241
6.4.1 555定時器構成的單穩態
觸發器 241
6.4.2 集成單穩態觸發器 243
6.4.3 單穩態觸發器的應用 246
6.5 多諧振蕩器 247
6.5.1 555定時器構成的多諧
振蕩器 247
6.5.2 石英晶體多諧振蕩器 250
6.5.3 多諧振蕩器的應用 251
小結 252
思考題 253
習題 253
讀物：神奇的集成電路6--用計算機設計
集成電路 257
第7章 數/模和模/數轉換電路 261
7.1 概述 261
7.2 D/A轉換電路 262
7.2.1 倒T形電阻網絡D/A
轉換器 262
7.2.2 權電流型D/A轉換器 263
7.2.3 雙極性輸出D/A轉換器 266
7.2.4 D/A轉換器的轉換精度
和轉換速度 268
7.3 A/D轉換電路 271
7.3.1 A/D轉換器的基本原理 271
7.3.2 并聯比較型A/D轉換器 272
7.3.3 反饋比較型A/D轉換器 274
7.3.4 雙積分型A/D轉換器 276
7.3.5 A/D轉換器的轉換精度
和轉換速度 279
小結 280
思考題 280
習題 281
讀物：神奇的集成電路7--騰飛的
中國芯 284
*第8章 EDA技術基礎 287
8.1 EDA技術簡介 287
8.2 Multisim 10.0軟件簡介 287
8.2.1 Multisim 10.0 287
8.2.2 Multisim 10.0的操作界面 287
8.2.3 Multisim 10.0操作界面的
設置 289
8.2.4 Multisim 10.0繪制電路的
常用操作 294
8.2.5 Multisim 10.0虛擬儀器 301
8.2.6 Multisim 10.0數字電路應用
舉例 307
8.3 VHDL語言基礎 312
8.3.1 可編程邏輯器件與硬件描述
語言 312
8.3.2 VHDL語言簡介 312
8.3.3 VHDL程序基礎 313
8.3.4 VHDL數字電路程序設計
實例 322
小結 324
思考題 325
習題 325
讀物：神奇的集成電路8--微電子技術
新領域 326
第9章 數字系統設計基礎 333
9.1 概述 333
9.2 數字系統設計方法 333
9.2.1 傳統設計方法 333
9.2.2 現代設計方法 336
9.3 多路智力競賽搶答器設計 338
9.3.1 搶答器的功能要求 338
9.3.2 搶答器的組成框圖 339
9.3.3 搶答器的電路設計 340
9.4 多功能數字鐘設計 344
9.4.1 數字鐘的功能要求 344
9.4.2 數字鐘電路系統的組成
框圖 344
9.4.3 主體電路的設計與裝調 345
9.4.4 功能擴展電路設計 348
小結 351
思考題 352
習題 352
讀物：神奇的集成電路9--未來
暢想曲 353
附錄1 基本邏輯單元圖形符號
對照表 359
附錄2 常用數字系統名詞中英文
對照表 361
參考文獻 363
第2章 邏輯門電路
通過本章的學習，要求學生了解常用開關元器件--半導體(二極管、三極管)與場效應管的開關特性，在此基礎上學習分立元件構成的基本邏輯門電路的結構和功能特點，掌握TTL和CMOS兩大系列集成門電路的基本組成和基本原理；重點掌握門電路的外部特性和邏輯功能，以及門電路的使用方法和應用領域，為邏輯電路的分析和設計打下基礎。
本章先介紹三種常用開關元件，即二極管、三極管和MOS管的開關特性，然后給出利用三種開關元件組成的基本邏輯門電路及其結構特性和邏輯功能，最后介紹廣泛使用的TTL門電路和CMOS門電路，重點討論兩種邏輯電路的工作原理和特性，系統講述數字電路的基本邏輯單元--門電路，包括與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門、三態門、OC門、OD門等的基本特性。
2.1 概 述
在數字電路中包含邏輯關系的電路即為邏輯電路。邏輯電路是以二進制為原理、實現數字離散信號的傳遞、邏輯運算和操作的電路。在數字電路中，所謂"門"就是只能實現基本邏輯關系的最基本的邏輯電路。最基本的邏輯關系有與邏輯、或邏輯和非邏輯，最基本的邏輯門有與門、或門和非門。其中，實現"與"運算的叫與門；實現"或"運算的叫或門；實現"非"運算的叫非門，也稱為反相器。除此之外還有與非門、或非門、與或非門、異或門和同或門。這些門都是構成數字集成電路的基本組件。
目前數字系統中廣泛使用數字集成電路。數字集成電路是采用外延生長、光刻、氧化物生成及離子注入等技術，將晶體管、電阻、電容等元件和內部電路連線一起做在一塊半導體芯片上而制成的具有特定功能的數字邏輯電路或系統。
根據數字集成電路中包含的門電路或元器件數量，可將數字集成電路分為小規模集成(SSI)電路、中規模集成(MSI)電路、大規模集成(LSI)電路、超大規模集成(VLSI)電路和特大規模集成(ULSI)電路。小規模集成電路包含的門電路在10個以內，或元器件數不超過100個；中規模集成電路包含的門電路為10～100個，或元器件數為100～1000個；大規模集成電路包含的門電路在100個以上，或元器件數為1000～10000個；超大規模集成電路包含的門電路在1萬個以上，或元器件數100000～1000000個；特大規模集成電路的門電路在10萬個以上，或元器件數為1000000～10000000個。隨著微電子工藝的進步，集成電路的規模越來越大，簡單地以集成元件數目來劃分類型已經沒有多大的意義了，目前暫時以"巨大規模集成電路"來統稱集成規模超過1億個元器件的集成電路。
根據內部有源器件的不同，可以將數字集成電路分為雙極型晶體管集成電路(又稱晶體管-晶體管(TTL)集成電路)和絕緣柵場效應管集成電路(又稱金屬-氧化物-半導體(MOS)集成電路)。如TTL與非門和CMOS與非門的邏輯功能一樣，但特性參數有差異。這兩個系列的門電路目前市場上都有大量供應，因此分析這兩類門電路特性參數的目的是為了在實際使用門電路時，能根據實際要求正確合適地選擇和使用它們。其中，TTL集成電路的優點是工作速度快、驅動能力強，缺點是功耗大、集成度較低；MOS集成電路的優點是集成度高、功耗低。
數字集成電路的型號一般由前綴、編號、后綴三大部分組成，前綴代表制造廠商，編號包括產品系列號、器件系列號，后綴一般表示溫度等級、封裝形式等。
基本邏輯門電路可由晶體管組成，可以使代表兩種信號的高、低電平在通過它們之后產生高電平或者低電平輸出。如果用高、低電平分別表示二值邏輯的1和0兩種邏輯狀態，這種表示方法稱為"正邏輯"；如果用高、低電平分別表示二值邏輯的0和1兩種邏輯狀態，這種表示方法稱為"負邏輯"。在本書中，如果沒有特別說明，一律采用正邏輯。不管采用哪種邏輯表示方法，邏輯門的作用都是實現邏輯運算。當然，邏輯門可以組合使用，以實現更為復雜的邏輯運算。
如何將連續的電壓量變成分立的兩個值呢？可取定一個分界電平，即門檻電平，大于稱為高電平，低于則稱為低電平。由于在分界處附近電路容易受干擾信號作用而不穩定，因此應該是一個范圍而不是一個值。在電路實際工作中，只要能區分出高、低電平，就可以知道它所表示的邏輯狀態，故高、低電平都有一個允許的范圍。同時，高、低電平也不是無限高或者無限低的，通常高電平不能高于正的電源電壓，低電平不能低于地電平，如圖2.1所示。正因為如此，數字電路無論是對元器件參數精度的要求還是對供電電源穩定度的要求，都比模擬電路要低一些。或者說這是數字電路比模擬電路相對穩定的原因之一。也可以用互補開關電路來獲得高、低輸出電平，如圖2.2所示。圖中開關S1和S2由半導體三極管組成，只要能通過輸入信號控制三極管工作在飽和導通和截止兩個狀態，即可以起到開關的作用。在圖2.2所示電路中，兩個開關S1和S2的通斷雖然受同一個輸入信號的控制，但是它們的開關狀態相反。若輸入信號使S1導通，則S2為截止狀態，輸出信號為高電平；若輸入信號使S1截止，則S2為導通狀態，輸出信號為低電平。可見，電路中總有一個開關是斷開的，所以電路中始終沒有同時通過S1和S2的電流，電路功耗非常小。因此，這種互補式開關電路在數字集成電路中得到了廣泛應用。
圖2.1 高、低電平及正邏輯與負邏輯
圖2.2 獲得高、低電平的開關電路
2.2 邏輯門電路中的開關器件
從圖 2.2 可知，輸入電壓與輸出電壓的邏輯關系是非線性的，所以可選擇二極管、三極管及場效應管等非線性元件實現基本邏輯功能。對于理想開關，當開關閉合時，開關電阻，開關電壓；當開關斷開時，，經過開關的電流；電路轉換時所用時間。本節討論二極管、三極管以及場效應管等電子器件的開關特性。
2.2.1 二極管及其開關特性
半導體二極管相當于一個受外加電壓控制的開關，當外加一定的正向電壓時導通，外加反向電壓時截止，其伏安特性如圖2.3所示。二極管處于正向導通區時相當于開關的導通狀態，二極管處于反向截止區時相當于開關的截止狀態。圖2.4所示為二極管開關電路。
圖2.3 二極管的伏安特性
圖2.4 二極管開關電路
假定輸入信號的高電平，低電平，二極管VD導通時的正向電阻為，反向內阻為無窮大。當時，VD截止，輸出電平；當時，VD導通，，這里假設使用了硅二極管，取其導通電壓為0.7V，則。
可見，用輸入電平信號的高、低電平可以控制二極管的開關狀態，從而在輸出端得到相應的高、低電平信號。在上面的分析中，假定VD的反向內阻無窮大，但是從二極管伏安特性曲線中可以看出，加反向電壓時會有微弱的漏電流流過二極管，因此開關截止時的電阻不是無限大。另外，正向導通時的電阻也往往不能忽略。
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