《数字电子技术基础》张俊涛，陈晓莉编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《数字电子技术基础》

【作　者】张俊涛，陈晓莉编

【页 数】 383

【出版社】 西安交通大学出版社有限责任公司 , 2021.12

【ISBN号】978-7-5693-1977-4

【价 格】59.00

【分 类】数字电路-电子技术

【参考文献】 张俊涛，陈晓莉编. 数字电子技术基础. 西安交通大学出版社有限责任公司, 2021.12.

图书封面：

图书目录：

《数字电子技术基础》内容提要：

本书主要介绍数字电路的基本概念和数字系统分析与设计的工具-逻辑代数，以及数字系统设计中常用集成器件的原理、功能和应用。主要编写思路是以原理为主线，以器件为基础，以应用为目标，讲述基本门电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路、存储器、脉冲电路以及AD和DA转换器。通过书中穿插大量的“思考与练习”环节，以强化教学内容、提升思维能力，并通过“设计实践”项目使读者能学以致用。本书既可以作为电气类、电子信息类和计算机类相关专业的数字电子技术、数字电路与逻辑设计或者数字逻辑课程的教材，也可以作为相关课程教学和自学数字电路的参考书。

《数字电子技术基础》内容试读

第1章数字电路基础

数字技术的发展持续改变着世界。我们每天都要获取大量信息，而这些信息的传输、处理和存储越来越趋于数字化。过去被认为是模块电路的电子产品，如收音机、电视机和电话都已经数字化。数字音乐存储方法已经取代了用模拟信号记录声音的磁带和唱片，一些汽车也安装了复杂的自动驾驶系统等。

在我们的日常生活中，典型的数字产品如下。

1.计算机

计算机（见图1-1）是数字系统的典型代表。自20世纪40年代第一台数字计算机诞生以来，伴随着半导体工艺技术的不断发展，计算机的功能随之不断增强，性能大幅度提高，在数据处理、数字音视频技术、数字通信和人工智能等领域都得到了广泛的应用。近30年来，“数字革命”已经深人到了我们生活的方方面面。计算机不仅成为我们学习和工作的平

图1-1微型计算机

台，同时又是文化传播和娱乐的平台，可以听音乐、看电影、欣赏图片、浏览网页等。

2.智能手机

手机从初期的以语音通信为主要功能的普通手机发展到现在的集通信、数字音视频、电子商务、定位和导航，以及娱乐等多种功能为一体的智能手机（见图1-2），其内部电路是以微处理器为核心的数字系统。智能手机内置的摄像头使得人人都可以随时随地拍照，高分辨率的显示屏方便播放视频和显示

图片，语音接口方便录音和播放音乐，高清数字地图配合GPS

可以为我们提供定位和导航服务。

3.数码相机

图1-2智能手机

数码相机的发展和应用主要依赖于数字存储和数字图像处理技术。

40多年前，大多数照相机用银卤化物胶片记录图像。胶片需要经过曝光、冲洗、显影等过程才能再现摄入的图像信息。今天，半导体制造工艺的提高使得半导体存储器的容量大幅度提高，且成本大幅度降低。数码相机（见图1-3）摄入图像或视频，以数字信息记录，压

缩存储在SD卡或U盘等半导体存储器中，便于携带、复制、加工和处理。每幅图像记录为

2

数字电子技术基础

720P、1080P或者4K像素矩阵，其中每个像素用8位或者

更多比特位表示红、绿、蓝三基色的强度值。

除上述典型的数字产品外，数字技术还广泛应用于医学图像处理、仪器仪表、工业过程控制、音视频信息处理、遥测遥感和人工智能等领域。

数字技术之所以能够广泛应用，主要是因为数字电路与模拟电路相比，有许多优点：

图1-3数码相机

(1)抗干扰能力强。数字电路能够在相同的输入条件下

精确地产生相同的结果，而模拟电路受到温度、电源电压、噪声、辐射，以及元器件老化等因素的影响，在相同的输入条件下输出结果并不完全相同。

(2)便于信息的传输和处理。数字系统很容易对信息进行变换和编码，不但能够提高通信效率和可靠性，而且容易实现信息的加密，从而能够有效地保护信息安全。例如，目前许多住宅小区的有线电视网络将视音频信息编码成数字信号传输，再通过机顶盒解码出信息。除了提供上网和回看等附加功能之外，便于管理也是其主要功能之一。

(3)成本低。数字系统可以集成在单个芯片里，如CPU、单片机和FPGA(现场可编程

逻辑门阵列)等，并且能够以很低的成本进行量产。例如，经典MCS-51系列单片机目前的

售价只有几元，等效门电路达到百万门的FPGA,内部集成了功能强大的微处理器、DSP、乘

法器和锁相环等功能电路，其售价也只在几十元到几百元。

为了能够理解数字系统的工作原理，掌握数字电路的分析与设计方法，我们需要系统地学习数字电子技术。

本章首先介绍数字信号与数字电路的基本概念，然后讲述数字系统中常用的数制和编码。

1.1数字信号与数字电路

人类社会通过各种各样的方式传递信息。烽火连三月，家书抵万金。古人用烽火传递战争预警信息，用击鼓鸣金传送战场上的命令信息。边关的战事信息则需要通过快马加鞭的方式接力传递，费时费力，效率低下。

随着电磁波的发现和半导体器件的产生及应用，信息传递的方式也发生了巨大的变化。从起初的电报、电话发展到移动通信、网络通信和卫星通信（见图1~4），极大地提高了信息

图1-4卫星通信

第1章数字电路基础3

传递的效率，丰富了我们的生活，拉近了人与人之间的距离。相应地，人类也从农业社会、工业社会步入了信息化社会。

在电子信息领域，承载信息的载体称为信号(signal),如语音信号、温度和压力信号等。信号一般表现为随时间、空间等因素变化的某种物理量。例如，语音信号随时间变化，气压信号随高度和温度变化，而卫星通信信号随时间和空间变化。

通常，习惯于将信号简单地理解为随时间变化的一维信号，记为f(t)。

根据自变量是否连续取值，将信号分为连续时间信号和离散时间信号两大类，其中连续时间信号是指信号在时间上是连续的，即在信号的定义域范围内的每个时间点都有信号值。根据幅值是否连续，又将信号分为幅值连续的信号和幅值离散的信号，其中幅值连续是指信号可以取到信号值域范围内的任何一个值。根据自变量和幅值的不同分类，可以组合出以下四类信号：第一类为时间连续、幅值连续的信号；第二类为时间离散、幅值连续的信号：第三类为时间连续、幅值离散的信号：第四类为时间离散、幅值离散的信号，分别如图15(a)~(d)所示。

U/mV

U/mV

20

20

的

15

10

10

5

5◆

0111

Lo t1 t2 l3

to t te ts

(a)第一类信号（模拟信号）

(b)第二类信号

u/mV

20

15

00001110

00001100

10

00001001

00000101

to l tz t3

totl红la

(c)第三类信号

(d)第四类信号（数字信号）

图1-5信号的分类

通常将第一类信号一时间连续、幅值连续的信号称为模拟信号(analog signal),将第

四类信号一时间离散、幅值离散的信号称为数字信号(digital signal)。相应地，产生和处理模拟信号的电子电路称为模拟电路(analog circuits),应用数字信号处理事物之间的逻辑关系、进行数值运算和实现信号处理的电子电路称为数字电路(digital circuits)。第二类和第三类信号为模拟信号和数字信号相互转换时所产生的过渡信号。例如，对模拟信号进行采样产生第二类信号（因此也称为采样信号），再对幅值进行量化后才转换为数字信号，如图

数字电子技术基础

1-6所示。相应地，数字信号经过D/A转换器产生第三类信号，再经过低通滤波后还原为

模拟信号。

v/mV

20

15

,i,

10

0

titzta

v/mV

采样

第二类信号

量化

20

模拟

00001110

数字00001100

10

信号

信号

00001001

0000010

0

滤波

第三类信号

D/A转换

titata

lol:lal3

u/mV

20

15

10

1111111111111111

0.→

totit2ta

图1-6模拟信号与数字信号的转换

虽然数字电路在信息处理、存储、加密和传输等方面有着独特的优势，但我们仍然生活在模拟世界中，因为自然界多数物理量本质上还是模拟的。如果需要用数字系统处理模拟信号，那么首先需要将模拟信号转换为数字信号，经过数字系统处理后，需要时再将数字信号还原为模拟信号。例如，音频信号数字化处理流程如图1-7所示，前端先将模拟音源信号经过调理后转换为数字信号，再经过信源编码、调制记录到存储介质上，或者通过信道编码经过传输介质进行传输，后端则通过介质传递或者网络传输后，再经过解调或者信道解码、信源解码后还原出音源信息。

存储

介质

调制

记录

重放

解调

模拟

信号

A/D

信源

信道

D/A

模拟

输人

调理

转换

编码

信道

信道

解码

转换

滤波

输出

编码

发送

接收

解码

介质

图1-7音频信号数字化处理流程

数字电子技术是研究数字电路原理与应用的工程基础课。与模拟电子技术相比，数字电子技术课程的特点是入门容易，但内容繁多，既包含逻辑分析与设计，又包含电路分析与设计。同时，由于实际器件的性能并不理想，因此在设计数字系统时，通常还需要在电路的功能与性能之间进行综合考虑。

第1章数字电路基础5

1.2数制

数制(number systems)即记数所采用的体制，具体是指多位数码中每位数码的构成方式以及从低位到高位的进位规则和从高位到低位的借位规则。从古至今，人们习惯于使用

十进制进行记数（这与人自身的特点有关），而数字电路采用开关电路来实现，开关的通、断只能代表两种数码，自然与二进制数相对应。因此，二进制是数字电路的基础。

本节介绍常用的数制及其转换方法。

1.2.1十进制数

十进制数(decimal numbers)使用“0、1、2、3、4、5、6、7、8、9”十个数码和小数点符号“.”，采用多位记数体制进行记数，其进位规则为逢十进一，借位规则为借一当十。处于不同数位的数码具有不同的权值(weight),以小数点为界，十进制记数法向左每位的权值依次为10°、101、102、…,向右每位的权值依次为10-1、10-2、…。对于十进制数“555.55”，虽然每个数码均为5，但处于不同位置的5代表的价值不同。因此，十进制数“555.55”实际表示的数值大小为

5×102+5×101+5×10°+5×10-1+5×10-2

一般地，任意一个十进制数都可以展开为以下的位权展开式：

∑d,×10

其中，d:表示第i位数码；10则为第i位的权值；n和m分别表示整数部分和小数部分的位数。

1.2.2二进制数

数字电路基于开关电路实现，而开关具有闭合和断开两个稳定状态。假设用其中一个状态代表0，另一个代表1时，当开关交替闭合断开时，自然形成了0和1表示的二值序列。当多个开关同时工作时则形成了多位0和1的组合，因此，数字电路自然与二进制相对应。

二进制数(binary numbers)只使用0和1两个数码，采用多位记数体制进行记数，其进位规则是逢二进一，借位规则是借一当二。例如，(1011.101)2表示数的大小为：

1×23+0×22+1×21+1×2°+1×2-1+0×2-2+1×2-3

任意一个二进制数都可以用其位权展开式表示：

2×2

其中，b:表示第i位二进制数码；2则为其相应的权值；n和m分别表示整数部分和小数部分的位数。

一般地，N进制数共有N个数码，其权位展开式可以表示为

∑k:XN

其中，k:表示第i位数码的大小；N为第i位数码的权值；n和m分别表示整数部分和小数部

6

数字电子技术基础

分的位数。

1.2.3十六进制数

二进制的优点是简单，而且便于运算，缺点是当位数很多时不但书写麻烦而且不易识别。一方面是书写时需要占用较大的篇幅，另一方面是按权展开式计算其数值大小很麻烦。例如，32位二进制数“1111100011110_1010_1010.01110110111”的大小就不方便识别和计算了。

为了解决这个问题，人们想到一种方法：将二进制数以小数点为界，向左和向右每四位合并为一个十六进制数码（常用），或者向左和向右每三位合并为一个八进制数码（周易是建立在八进制基础上的，但八进制目前已不常用了)，以方便表示和识别。

十六进制数(hexadecimal numbers)使用“0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F”十六个数码进行记数，其进位规则是逢十六进一，借位规则是借一当十六。以小数点为界，十六进制整数向左每位的权值依次为16°、16、162、…，向右小数部分每位的权值依次为16、16-2、…。例如：

(9AB.1C)16=(9×162+10×161+11×16°+1×16-1+12×16-2)10=(2475.109375)10

即十六进制9AB.1C和十进制数2475.109375等值。

十六进制数既方便书写又方便识别，是数字系统中常用的数制之一。四位二进制数和

十进制数，以及十六进制数之间关系的对照表如表1-1所示。

表1-1不同进制数的对照表

十进制

二进制

十六进制

十进制

二进制

十六进制

0

0000

0

P

1000

1

0001

1

9

1001

9

%

0010

2

10

1010

A

3

0011

11

1011

0100

12

1100

C

5

0101

5

13

1101

D

6

0110

6

14

1110

E

7

0111

2

15

1111

F

1.2.4不同数制之间的转换

日常生活中我们习惯使用十进制，而数字系统是由产生和处理二进制数码0和1的开关电路构建的，所以应用数字系统进行数值计算时，就需要将我们熟悉的十进制数转换成二进制送入数字系统，计算完成后还需要将二进制数还原成十进制数以方便我们识别。

1.二进制转换成十进制

二进制数转换成十进制的基本方法是按照其位权展开式进行展开，然后将各部分相加即可得到等值的十进制数。

对于n位二进制数bm-1b.-2…b1b,其位权展开式为

···试读结束···