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本书为北京市高等教育精品教材立项项目（重点支持项目），国家精品课程“电路分析”的配套教材,配有PPT课件和其他资源。内容讲解清晰易懂、层次分明。

内容简介

本书为北京市高等教育精品教材立项项目（重点支持项目），并且是国家精品课程“电路分析”的配套教材。作者全面、系统地讲述了数字逻辑课程所具有的基本内容，包括半导体基础知识、计算机中数与码的表示、逻辑代数、基本门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路等，并与教育部普通高中通用技术课标相结合，采用“自上而下”与“自下而上”相结合的教学方法，体现教材的“基础性”、“实用性”、“实践性”、“前瞻性”和“创新性”。

作者简介

　朱虹，首都师范大学信息学院副教授，主讲课程“电路分析”课程获2008年国家精品课程，2007年北京市精品课程；2007年获北京市高校中青年骨干教师称号。

目　　录

第1章微电子器件基础 1
1.1 半导体的基础知识 1
1.1.1 本征半导体 1
1.1.2 杂质半导体 2
1.1.3 PN结 3
1.1.4 半导体二极管 4
1.2 双极型晶体管及其开关特性 6
1.2.1 双极型晶体管的结构 6
1.2.2 电流放大 6
1.2.3 晶体管的开关特性 7
1.3 场效应管及其开关特性 8
1.3.1 绝缘栅型场效应管的结构及原理 8
1.3.2 场效应管的开关特性 10
习题一 11

第1章  微电子器件基础 1 
1.1  半导体的基础知识 1 
1.1.1  本征半导体 1 
1.1.2  杂质半导体 2 
1.1.3  PN结 3 
1.1.4  半导体二极管 4 
1.2   双极型晶体管及其开关特性 6 
1.2.1  双极型晶体管的结构 6 
1.2.2  电流放大 6 
1.2.3  晶体管的开关特性 7 
1.3  场效应管及其开关特性 8 
1.3.1  绝缘栅型场效应管的结构及原理 8 
1.3.2  场效应管的开关特性 10 
习题一 11 
第2章  数字逻辑的数学基础 12 
2.1  进位计数制 12 
2.1.1  二进制 12 
2.1.2  二进制数与十进制数的相互转换 13 
2.2  带符号数的表示 15 
2.2.1  数的原码表示法 15 
2.2.2  数的反码表示法 15 
2.2.3  数的补码表示法 16 
2.3  数的编码表示 16 
2.3.1  二-十进制编码 16 
2.3.2  格雷码（Gray Code） 17 
2.3.3  奇偶校验码 18 
2.3.4  ASCII字符编码 19 
2.4  逻辑代数 20 
2.4.1  逻辑代数的基本问题 20 
2.4.2  逻辑代数的基本定律与公式 22 
2.4.3  逻辑函数的代数法化简 23 
2.4.4  逻辑函数的卡诺图化简 23 
习题二 26 
第3章  基本逻辑门电路 28 
3.1  分立元件门电路 28 
3.1.1  与门电路 28 
3.1.2  或门电路 30 
3.1.3  非门电路 31 
3.2  TTL集成门电路 32 
3.2.1  TTL门电路概述 33 
3.2.2  TTL集成门电路 33 
3.2.3  TTL门电路的外特性 37 
3.2.4  特殊类型TTL门电路 39 
3.3  CMOS集成门电路 43 
3.3.1  CMOS与非门 44 
3.3.2  常用CMOS集成门电路 44 
3.3.3  CMOS门电路的外特性 45 
习题三 46 
第4章  组合逻辑电路的分析与设计 47 
4.1  组合逻辑电路概述 47 
4.2  组合逻辑电路的分析方法 47 
4.3  组合逻辑电路的设计方法 50 
4.4  简易计算器电路的设计 52 
4.4.1  编码电路的设计 53 
4.4.2  算术运算电路的设计 61 
4.4.3  译码电路的设计 73 
4.5  其他常用的组合逻辑电路的设计 86 
4.5.1  数值比较电路的设计 87 
4.5.2  数据选择电路的设计 91 
4.5.3  数据分配电路的设计 94 
习题四 95 
第5章  双稳态触发器及其应用 97 
5.1  基本RS触发器 97 
5.1.1  基本RS触发器的原理 98 
5.1.2  触发器的逻辑功能表示方法 99 
5.1.3  集成基本RS触发器 101 
5.1.4  或非门构成的基本RS触发器 102 
5.2  电平式触发器 102 
5.2.1  电平式RS触发器 103 
5.2.2  电平式D触发器 105 
5.3  边沿式触发器 106 
5.3.1  边沿式D触发器 107 
5.3.2  集成边沿式D触发器 110 
5.3.3  边沿式JK触发器 111 
5.3.4  集成边沿式JK触发器 115 
5.4  触发器的功能分类及其相互转换 116 
5.4.1  触发器的功能分类 116 
5.4.2  触发器的相互转换 118 
习题五 121 
第6章  时序逻辑电路的分析与设计 124 
6.1  时序逻辑电路概述 124 
6.1.1  时序逻辑电路的组成 124 
6.1.2  时序逻辑电路的描述 124 
6.1.3  时序逻辑电路的分类 125 
6.2  同步计数器的分析及应用 126 
6.2.1  二进制同步计数器 126 
6.2.2  集成二进制同步计数器及其应用 130 
6.2.3  十进制同步计数器 134 
6.2.4  集成十进制同步计数器及其应用 138 
6.2.5  N进制同步计数器 141 
6.3  异步计数器的分析及应用 144 
6.3.1  二进制异步计数器 144 
6.3.2  十进制异步计数器 147 
6.3.3  集成异步计数器及其应用 149 
6.4  寄存器的分析及应用 151 
6.4.1  数据寄存器 151 
6.4.2  集成数据寄存器 152 
6.4.3  移位寄存器 153 
6.4.4  集成移位寄存器 155 
6.5  环形计数器及其应用 158 
6.5.1  环形计数器及应用 158 
6.5.2  扭环形计数器及应用 163 
6.6  时序逻辑电路的设计 165 
6.6.1  序列信号检测器的设计 165 
6.6.2  计数器的设计 168 
6.6.3  环形计数器的设计 171 
习题六 174 
第7章  数字逻辑在普通高中通用技术课程中的应用 177 
7.1  带符号的一位加减计算器 177 
7.1.1  总体设计 177 
7.1.2  计算器键盘及按键信号的读取 178 
7.1.3  数字按键信号的编码 179 
7.1.4  数字键编码的锁存 180 
7.1.5  加减运算电路 181 
7.1.6  译码显示及消隐电路 183 
7.1.7  计算器仿真结果 184 
7.2  八路智力竞赛抢答器 185 
7.2.1  脉冲发生器 186 
7.2.2  秒脉冲发生器 187 
7.2.3  30秒倒计时器 187 
7.2.4  八路抢答器 188 
7.3  简易频率计 189 
7.3.1  频率测量原理及总体设计 189 
7.3.2  1秒钟倒计时器 190 
7.3.3  计数器 190 
7.3.4  仿真结果 190 
7.4  十字路口交通灯控制器 195 
7.4.1  交通灯控制器总体设计 195 
7.4.2  定时控制器 196 
7.4.3  5秒/35秒定时器 196 
7.4.4  交通灯显示控制 197 
7.4.5  仿真结果 199 
7.5  数字时钟 199 
7.5.1  数字时钟的总体设计 200 
7.5.2  秒计数器 200 
7.5.3  分计数器 200 
7.5.4  时计数器 201 
7.5.5  仿真结果 202 
参考文献 203 
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前言
1947年肖克利等人发明的晶体管，1958年基尔比发明的集成电路，成为20世纪最重要的发明之一。半个多世纪以来，以晶体管、集成电路为代表的半导体器件的飞速发展及广泛应用，使得计算机、网络、手机等数字产品已深入到人们生活的诸多领域，改变了并将继续改变人们的生活方式，数字化已深入人心。
“数字逻辑”是数字电子技术的理论、应用和实践的课程，是高等院校计算机科学与技术、电子信息工程等信息类专业的核心课程，同时又是后续专业课的先导课。虽然电脑、手机、网络等数字化设备广泛使用，然而许多信息类专业的学生，对数字化信息的获取、处理等一些基本概念的认识和思维模式依然十分浅显。作者在多年的教学实践中发现许多问题。例如，在信息类专业的一些专业基础课中，一般都会讲授诸如“二进制数、码”等知识，学生往往感到十分茫然。因为历史已经证明：“十进制”是最好的数制，所以学生们不禁会问：我们受了这么多年的教育，今天终于坐在了大学的课堂上，居然还要学习“二进制数”，这岂不成了历史的“大倒退”？殊不知在数字电路中，因为构成电路的最基本单元——晶体管，它只有“开”、“关”两种工作状态，只能表示“0”、“1”两个数，所以才不得已把好端端的“十进制数”转变为“二进制数”，实在是无奈之举。因此，为了适应新时期能力型、素质型人才培养的要求，对“数字逻辑”课程的教学改革势在必行。
本书是北京高等教育精品教材建设重点支持项目，编写的目的就是要改变传统的教学方法和教学方式，在强调基本概念、原理的基础上，重点突出方法的应用。一方面，本书采用“目标驱动型”教学方法，如在第4章组合逻辑电路的分析与设计中，先用一个实用的数字系统——计算器，建立一个具体的教学目标，然后根据“计算器”的具体设计要求对数字系统进行分解，再把涉及的相关知识点按教学要求排序，并顺序讲授。当把相关内容讲授完毕后，“计算器”这一实际数字系统也就设计完成了。从而建立了“电子器件—集成电路—数字系统”的思维模式，使学生对知识的理解不再是片面的、孤立的，而是完整的、系统的。更重要的是使学生不仅掌握了知识本身，而且学会了知识的实际应用。另一方面，充分利用计算机仿真这一现代技术手段，本书在讲解数字电路、数字系统的理论分析与设计之后，都做了仿真实验，并给出了仿真结果。将理论知识与实际系统有机地融为一体，从而培养学生的实验、实践能力，培养学生的创新意识和创新能力。经过几年的教学实践，证明这种教学方法、手段和模式是可行的、有效的。
从教材结构上看，按照知识点的性质及教学顺序，单独编写成章。第1、2章是基础知识，第3、4章是组合逻辑电路，第5、6章是时序逻辑电路，第7章是数字系统的综合设计。除了第1、2章的基础知识外，其余各章内容既具有相对的独立性，又可以组成一个完整的数字系统。使教学目标更加明确，教学过程更加具有可操作性，充分调动教师和学生的积极性。

前 言 
1947年肖克利等人发明的晶体管，1958年基尔比发明的集成电路，成为20世纪最重要的发明之一。半个多世纪以来，以晶体管、集成电路为代表的半导体器件的飞速发展及广泛应用，使得计算机、网络、手机等数字产品已深入到人们生活的诸多领域，改变了并将继续改变人们的生活方式，数字化已深入人心。 
“数字逻辑”是数字电子技术的理论、应用和实践的课程，是高等院校计算机科学与技术、电子信息工程等信息类专业的核心课程，同时又是后续专业课的先导课。虽然电脑、手机、网络等数字化设备广泛使用，然而许多信息类专业的学生，对数字化信息的获取、处理等一些基本概念的认识和思维模式依然十分浅显。作者在多年的教学实践中发现许多问题。例如，在信息类专业的一些专业基础课中，一般都会讲授诸如“二进制数、码”等知识，学生往往感到十分茫然。因为历史已经证明：“十进制”是最好的数制，所以学生们不禁会问：我们受了这么多年的教育，今天终于坐在了大学的课堂上，居然还要学习“二进制数”，这岂不成了历史的“大倒退”？殊不知在数字电路中，因为构成电路的最基本单元——晶体管，它只有“开”、“关”两种工作状态，只能表示“0”、“1”两个数，所以才不得已把好端端的“十进制数”转变为“二进制数”，实在是无奈之举。因此，为了适应新时期能力型、素质型人才培养的要求，对“数字逻辑”课程的教学改革势在必行。 
本书是北京高等教育精品教材建设重点支持项目，编写的目的就是要改变传统的教学方法和教学方式，在强调基本概念、原理的基础上，重点突出方法的应用。一方面，本书采用“目标驱动型”教学方法，如在第4章组合逻辑电路的分析与设计中，先用一个实用的数字系统——计算器，建立一个具体的教学目标，然后根据“计算器”的具体设计要求对数字系统进行分解，再把涉及的相关知识点按教学要求排序，并顺序讲授。当把相关内容讲授完毕后，“计算器”这一实际数字系统也就设计完成了。从而建立了“电子器件—集成电路—数字系统”的思维模式，使学生对知识的理解不再是片面的、孤立的，而是完整的、系统的。更重要的是使学生不仅掌握了知识本身，而且学会了知识的实际应用。另一方面，充分利用计算机仿真这一现代技术手段，本书在讲解数字电路、数字系统的理论分析与设计之后，都做了仿真实验，并给出了仿真结果。将理论知识与实际系统有机地融为一体，从而培养学生的实验、实践能力，培养学生的创新意识和创新能力。经过几年的教学实践，证明这种教学方法、手段和模式是可行的、有效的。 
从教材结构上看，按照知识点的性质及教学顺序，单独编写成章。第1、2章是基础知识，第3、4章是组合逻辑电路，第5、6章是时序逻辑电路，第7章是数字系统的综合设计。除了第1、2章的基础知识外，其余各章内容既具有相对的独立性，又可以组成一个完整的数字系统。使教学目标更加明确，教学过程更加具有可操作性，充分调动教师和学生的积极性。 
为了培养高等师范院校中信息类师范生的相关技术能力，结合教育部制定的《普通高中通用技术课程标准（实验）》，本书第7章试图利用数字逻辑的基本理论知识、数字逻辑电路的基本分析与设计的方法，综合设计了一些典型的实用数字系统，符合通用技术教育的“基础性、实用性、实践性、前瞻性、创新性”特点，可作为普通高中通用技术课程的教学及实践案例，同时也可作为本课程综合设计的题目。 
本书是作者在查阅了大量的参考文献，并结合多年教学实践的基础上编著而成的。虽然尽了最大的努力，然而毕竟水平有限，难免还有缺点与不足，恳请广大读者批评指正。 
 
 编 者 
 2014年6月

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