数字电子技术应用基础

第1章 数字电路的基本知识 1

1.1 数字电路概述 1

1.1.1 电子技术的发展 1

1.1.2 数字信号 1

1.1.3 数字电路 2

1.1.4 数字电路的分类和学习方法 3

1.2 数制和码制 3

1.2.1 数制 3

1.2.2 二进制码 5

1.2.3 字符、数字代码 6

1.3 逻辑代数的基本运算 7

1.3.1 与运算 7

1.3.2 或运算 8

1.3.3 非运算 8

1.4 逻辑函数 9

1.4.1 逻辑函数的表示方法 10

1.4.2 逻辑代数的基本公式和规则 11

1.4.3 逻辑函数的化简 12

1.5 知识拓展 14

逻辑函数的卡诺图化简法 14

小结 16

习题 16

第2章 逻辑门电路 19

2.1 二极管和三极管的开关特性 19

2.1.1 二极管的开关特性 19

2.1.2 三极管的开关特性 20

2.2 基本逻辑门电路 21

2.2.1 二极管与门电路 21

2.2.2 二极管或门电路 21

2.2.3 三极管非门电路 22

2.2.4 DTL与非门电路 22

2.3 TTL集成门电路 22

2.3.1 TTL与非门的基本知识 22

2.3.2 TTL门电路集成芯片介绍 27

2.4 CMOS集成门电路 29

2.4.1 CMOS非门 30

2.4.2 其他的CMOS门电路 30

2.4.3 CMOS逻辑门电路的系列 31

2.5 知识拓展 32

2.5.1 其他类型的TTL门电路 32

2.5.2 集成门电路输入、输出的处理 34

2.6 实验 36

门电路逻辑功能及测试 36

2.7 实训 38

TTL与非门参数测试 38

小结 40

习题 40

第3章 组合逻辑电路 43

3.1 组合逻辑电路的分析 43

3.1.1 组合逻辑电路功能的描述 43

3.1.2 组合逻辑电路的分析方法 43

3.2 组合逻辑电路的设计方法 45

3.3 编码器 46

3.3.1 普通编码器 47

3.3.2 优先编码器 48

3.3.3 编码器的扩展 50

3.4 译码器 51

3.4.1 二进制译码器 51

3.4.2 译码器的扩展 52

3.4.3 由译码器构成数据分配器 53

3.4.4 显示译码器 53

3.5 数据选择器 56

3.5.1 4选1数据选择器 56

3.5.2 集成数据选择器 57

3.5.3 数据选择器的应用 57

3.6 加法器 58

3.6.1 半加器 58

3.6.2 全加器 59

3.6.3 加法器的应用 60

3.7 数值比较器 61

3.7.1 1位数值比较器 61

3.7.2 集成数值比较器 62

3.7.3 数值比较器的应用 62

3.8 知识拓展 63

3.8.1 组合逻辑电路的竞争冒险 63

3.8.2 中规模组合逻辑模块及其应用 65

3.9 实验 67

组合逻辑电路功能测试 67

3.10 实训 68

3.10.1 三变量组合逻辑电路设计 68

3.10.2 译码显示电路设计 69

小结 70

习题 70

第4章 集成触发器 74

4.1 基本RS触发器 74

4.1.1 电路结构和工作原理 74

4.1.2 触发器的功能描述方法 76

4.2 同步RS触发器 77

4.3 主从JK触发器 78

4.4 边沿D触发器 80

4.5 T触发器 82

4.6 触发器的应用 82

4.7 集成触发器 84

4.8 知识拓展 87

4.8.1 触发器逻辑功能的转换 87

4.8.2 CMOS边沿D触发器 89

4.9 实验 90

集成触发器逻辑功能测试 90

小结 93

习题 94

第5章 时序逻辑电路 97

5.1 概述 97

5.2 计数器 100

计数器就是实现这种运算的逻辑电路，计数器在数字系统中主要是对脉冲的个数进行计数，以实现测量、计数和控制的功能，同时兼有分频功能，计数器是由基本的计数单元和一些控制门所组成，计数单元则由一系列具有存储信息功能的各类触发器构成，这些触发器有RS触发器、T触发器、D触发器及JK触发器等。计数器在数字系统中应用广泛，如在电子计算机的控制器中对指令地址进行计数，以便顺序取出下一条指令，在运算器中作乘法、除法运算时记下加法、减法次数，又如在数字仪器中对脉冲的计数等等。计数器可以用来显示产品的工作状态，一般来说主要是用来表示产品已经完成了多少份的折页配页工作。它主要的指标在于计数器的位数，常见的有3位和4位的。很显然，3位数的计数器最大可以显示到999，4位数的最大可以显示到9999。

5.2.1 二进制计数器 100

5.2.2 集成二进制计数器 103

5.3 寄存器 106

5.3.1 移位寄存器 106

移位寄存器

移位寄存器中的数据可以在移位脉冲作用下一次逐位右移或左移，数据既可以并行输入、并行输出，也可以串行输入、串行输出，还可以并行输入、串行输出，串行输入、并行输出，十分灵活，用途也很广。

目前常用的集成移位寄存器种类很多，如74164、74165、74166、74595均为八位单向移位寄存器，74195为四位单向移存器，74194为四位双向移位存器，74198为八位双向移位存器。

5.3.2 集成寄存器 108

5.4 知识拓展 110

5.4.1 十进制计数器 110

5.4.2 数码寄存器 113

5.4.3 异步时序逻辑电路分析 114

5.4.4 中规模时序逻辑电路 115

5.5 实验 116

计数、译码和显示电路 116

5.6 实训 118

5.6.1 计数器的功能测试 118

5.6.2 寄存器的功能测试 120

小结 121

习题 121

第6章 脉冲波形的产生与变换 124

6.1 常用的脉冲波形 124

6.2 555定时器 125

6.2.1 555定时器的电路结构与工作原理 125

6.2.2 555定时器的功能 126

6.3 施密特触发器 127

施密特触发器也有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阀值电压。

门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。施密特触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。

它是一种阈值开关电路，具有突变输入——输出特性的门电路。这种电路被设计成阻止输入电压出现微小变化（低于某一阈值）而引起的输出电压的改变。

利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于vt ，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。

当输入电压由低向高增加，到达V 时，输出电压发生突变，而输入电压Vi由高变低，到达V-，输出电压发生突变，因而出现输出电压变化滞后的现象，可以看出对于要求一定延迟启动的电路，它是特别适用的.

从传感器得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。当传输线上的电容较大时，波形的上升沿将明显变缓；当传输线较长，而且接受端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象；当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时，信号上将出现附加的噪声。无论出现上述的那一种情况，都可以通过用施密特反相触发器整形而得到比较理想的矩形脉冲波形。只要施密特触发器的vt 和vt-设置得合适，均能收到满意的整形效果。

6.4 单稳态触发器 129

1.单稳态触发器只有一个稳定状态，一个暂稳态。

2.在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂稳态。

3.由于电路中RC延时环节的作用，该暂态维持一段时间又回到原来的稳态，暂稳态维持的时间取决于RC的参数值。

6.5 多谐振荡器 133

多谐振荡器：利用深度正反馈，通过阻容耦合使两个电子器件交替导通与截止，从

而自激产生方波输出的振荡器。常用作方波发生器。

多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器，也称矩形波发生器。“多谐”指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。

电路启动过程当电路刚接上电源时，两个晶体管都是截止状态。不过，当这两个晶体管的基极电压一起上升时，由于晶体管制造过程中不可能把每个晶体管的导通延时控制得一样，所以必然有其中一个晶体管抢先导通。于是此电路便进入其中一种状态，而且也保证可以持续振荡。

振荡周期粗略的来说，状态一（输出高电位）的持续时间与R1、C1相关，状态二的持续时间与R2、C2相关。因为R1、R2、C1、C2都可以自由配置，因此可以自由决定振压周期及duty cycle。

不过，在每个状态的持续时间是由电容在充电开始时的初始状态（电容两端的电压）决定的，而这又与前一个状态中的放电量有关；前一个阶段的放电量又由放电过程中电流通过的电阻R1、R4与放电过程的持续时间决定…。总而言之，在刚启动电路时，要花费颇长的时间把电容充电（一般而言电容两端在未启动时是完全放电的），不过之后的各个阶段的持续时间便会变短并趋于稳定。

因为多谐振荡器是利用电流的充电过程控制周期，所以振荡周期同时也与输出端流出多谐振荡器的电流量有关。

由于种种不隐定因素对多谐振荡器振荡周期的影响，因此在实作中通常使用更精确的计时集成电路取代单纯的多谐振荡器电路。

6.6 555定时器的应用 135

6.7 知识拓展 136

集成门电路构成的脉冲整形电路 136

6.8 实验 137

脉冲波形的产生与整形 137

6.9 实训 139

555定时器的设计应用 139

小结 140

习题 141

第7章 D/A和A/D转换器 143

7.1 D/A转换器 143

7.1.1 DAC的基本原理 143

7.1.2 变换网络 144

7.1.3 模拟开关 145

7.1.4 D/A转换器的主要技术指标 145

7.1.5 集成D/A转换器 146

7.2 A/D转换器 148

7.2.1 采样和保持 148

7.2.2 量化和编码 149

7.2.3 常用A/D转换器 149

7.2.4 A/D转换器的主要技术指标 151

7.2.5 集成A/D转换器 152

7.3 知识拓展 153

7.3.1 数据采集和控制系统：压力

温度控制仪 153

7.3.2 常用D/A转换器和A/D

转换器介绍 154

小结 157

习题 157

第8章 存储器和可编程逻辑器件 160

8.1 存储器 160

8.1.1 随机存取存储器 160

8.1.2 只读存储器 165

8.2 可编程逻辑器件 169

8.2.1 可编程逻辑器件的特点及表示方法 169

8.2.2 可编程阵列逻辑（PAL） 170

8.2.3 通用阵列逻辑（GAL） 171

8.3 CPLD、FPGA和系统编程技术简介 173

8.3.1 CPLD简介 173

8.3.2 FPGA简介 173

8.3.3 ISP技术简介 174

小结 174

习题 174

第9章 数字电路的综合训练 177

9.1 数字电路系统的功能分析 177

9.1.1 出租车计费器电路 177

9.1.2 数字抢答器电路 181

9.2 数字电路系统的调试 183

9.2.1 电路调试的一般步骤 183

9.2.2 电路调试的问题 184

9.3 数字电路故障的诊断与排除 185

9.4 综合实训 189

9.4.1 抢答器的分析与设计 189

9.4.2 数字万用表的总装 190

小结 196

习题 197

附录A 电子设计自动化简介 198

附录B 数字电路新、旧图形符号对照 206

附录C 常用集成电路型号及引脚图 208

附录D TTL74系列器件介绍 211

附录E CD45系列器件介绍 215

附录F CD40系列器件介绍 217

附录G A/D和D/A转换器件介绍 220

附录H 存储器器件介绍 225

参考文献 227

……

《数字电子技术应用基础》是赵景波编著的一本图书，该书主要内容包括数字电路的基本知识、逻辑门电路、组合逻辑电路、集成触发器、时序逻辑电路、脉冲波形的产生和变换、D/A和A/D转换器、存储器和可编程逻辑器件及数字电路的综合训练。《数字电子技术应用基础》以现代数字电子技术的基本知识、基本理论为主线，将数字电子技术的基本理论与各种新技术有机地结合在一起；以应用为目的，在保证科学性的前提下，从工程观点考虑，删繁就简，使理论分析重点突出、概念清楚、实用性强。在内容安排上，以培养读者的工作能力为目的，将理论知识的讲授与技能训练有机结合，将能力培养贯穿于整个教学过程中。

《数字电子技术应用基础》可作为高职高专院校电子、通信、机电一体化、电气自动化等专业的教材，也可作为其他工程技术或维修人员参考用书。

为了配合应用型人才培养的需要和不同电类专业对电子技术的掌握的需要，编写了电子技术应用基础(数字部分)。全书共9章，重点讨论了数字逻辑系统和数字电路的建模、分析、设计方法，理论部分的分析应用例题来讲解，书中的例题可以用仿真软件验证。全书主要包括逻辑代数的基本原理、逻辑门、时序逻辑电路、半导体存储器、DAC和ADC转换器及仿真实验等内容。书中附有大量的思考题、习题，习题内容全部可以用仿真分析。全书的编写仍然采用传统的编写结构，但是书中内容突出工程实际应用和分析方法。目标是为学习者建立起一定的逻辑思维能力，建立良好的工程实践应用能力。

前言

第1章数字电路概论及数制、编码

第2章逻辑代数基本原理

第3章逻辑门电路

第4章组合逻辑电路

第5章锁存器和触发器

第6章时序逻辑电路

第7章半导体存储器

第8章脉冲电路

第9章DAC和ADC转换器

参考文献

《电子技术应用基础(电气工人适用)》以《中华人民共和国职业技能鉴定规范》中对不同行业电气类工种的“知识要求”为依据编写。

《电子技术应用基础(电气工人适用)》可作为不同行业中各技术等级电气工人的电子知识培训教材及掌握电子知识的学习用书，可供职业技能鉴定、考核使用，可作为中等职业学校电气类专业的教材，还可供高等职业学校有关专业的学生作课外学习用书，也可供职业学校教师和工程技术人员参考使用。