本书根据教育部高等学校电工电子基础课程教学指导委员会制定的“数字电子技术”课程教学的基本要求编写修订而成。全书内容分为两部分,共9章。第一部分主要内容为数字电路基础实验、数字电路基础实验的Proteus仿真、数字电路综合设计实验;第二部分主要内容为VHDL语言基础、Verilog HDL语言基础、数字电路的CPLD/FPGA实现。在教学过程中,可根据不同专业、不同学时的实验教学要求,选择相关内容组织教学。本书编排结构新颖,内容全面、丰富,以数字电路设计、仿真、测试为主线,覆盖了基础性实验、设计性实验、综合设计性实验以及计算机软件仿真实验的全部内容。保证了从基础到设计和综合的全过程训练。本书可作为高等学校本、专科学生的数字电路实验教材,也可作为硬件描述语言与可编程器件相关课程的教材或相关课程设计的参考书
本书编排结构新颖,内容全面、丰富,以数字电路设计、仿真、测试为主线,覆盖了基础性实验、设计性实验、综合设计性实验以及计算机软件仿真实验的全部内容。保证了从基础到设计和综合的全过程训练。本书可作为高等学校本、专科学生的数字电路实验教材,也可作为硬件描述语言与可编程器件相关课程的教材或相关课程设计的参考书
本书自2010年出版以来,得到了广大读者的关注和厚爱,连续5次印刷,发行量达到了17000册。本书满足了不同学校、不同专业、不同学时的数字电路实验教学的需要。目前,现代电子技术的新发展、教育部“新工科”概念的提出及建设行动路线图,对高等学校在培养学生工程能力和创新能力方面有了更高的目标和要求。近5年来,电工电子guo家级实验教学示范中心(长江大学)围绕“强化培养学生工程实践能力和创新能力”这一主题,实施了“必做实验与选做实验结合、课内实验与课外实验结合、实做实验与仿真实验结合、平时实验与课外科技活动结合”的“四结合”实验综合改革与探索,人才培养质量显著提高,先后在2013年和2017年连续两届获得湖北省高等学校教学成果一等奖。根据我校数字电路实验教学改革的情况,并结合作者广泛收集的关于本书各方面的建议和意见,本次主要修改和增补内容说明如下。(1)修改了原第3章“数字电路基础实验”中的第3.5节、第3.8节内容。(2)对原第6章“数字电路的CPLD/FPGA实现”中的各个实验项目,在原VHDL程序基础上,增加了对应的Verilog HDL程序代码,供读者选用。(3)考虑到有些学校单独开设了硬件描述语言与可编程器件的相关课程,此次修订增加了“可编程技术”和“Verilog HDL语言基础”两章内容,加上本书的其他章节内容,本书也可作为硬件描述语言与可编程器件相关课程的理论和实验教材。(4)为了加强计算机虚拟仿真技术在数字电路中的应用,本书第一版第4章“数字电路综合设计实验”中包含了相应的Proteus软件仿真实验。在此基础上,本次修订增加了“数字电路基础实验的Proteus仿真”一章,进一步充实了计算机虚拟仿真的内容。(5)增加了附录C“FPGA实验箱使用说明书”。通过上述修订,对全书章节进行了重新编排,共9章。第1章“实验基础知识”、第2章“Proteus仿真软件快速入门”、第3章“数字电路基础实验”、第4章“数字电路基础实验的Proteus仿真”、第5章“数字电路综合设计实验”、第6章“可编程技术”、第7章“VHDL语言基础”、第8章“Verilog HDL语言基础”、第9章“数字电路的CPLD/FPGA实现”。本次修订由佘新平负责策划、内容编排和定稿,并编写第4章;覃洪英编写第6章,并承担第9章中的Verilog HDL程序编写及调试;郑恭明编写第8章及附录C;王晓爽修订第3章,并承担第4章的部分仿真实验和此次修订的全部文字校对工作。在此次修订过程中,得到了电工电子guo家级实验教学示范中心(长江大学)各位领导和老师的大力支持,在此一并表示衷心的感谢!由于编者水平有限,书中难免会有疏漏与错误,恳请使用本书的读者进一步提出宝贵意见,帮助编者不断提高本书的质量。
编者
2017年12月
佘新平,男,1964出生,副教授,硕士生导师。1985年武汉大学空间物理系无线电电子学专业本科毕业,1999年华中科技大学信号与信息处理专业研究生毕业。
主要科研经历(项目来源、项目名称、起止时间、获奖情况等)
(1)学校科研发展基金项目(第1)
抗噪声干扰的图像边缘检测算法研究(140A08000)2005-2008
(2)横向委托项目(第2)
HIL感应测井仪专用面板开发(140H0200)2005-2006
(3)省十五重大科技攻关项目(第8)
黄鳝高效养殖技术及示范(环境监控部分)(2001AA201A01)2001-2005
(4)横向委托项目(第1)
BZ25-1油田沙河街井酸化研究(软件设计部分)(140H0700)2006-2007
(5)立项编号20060251(第3)
电工电子基础课程教学和实验体系改革的研究与实践2006-2008
(6)立项编号JY06026(第2)2006-2007
电信类信息与通信系列课程建设的研究与实践2006-2008
(7)学校科研发展基金2006Z2055(第2)
无线传感器网络自适应节点密度与拓扑控制关键技术的研究2007-2010
(8)湖北省教育厅(D20091204)(第3)
无线传感器网络自适应节点密度控制技术研究2009-2010
(9)湖北移动:横向委托项目(第2)
2009店员积分系统(09H0702-2)2009-2011
1实验基础知识(1)
1.1数字集成电路简介(1)
1.1.1概述(1)
1.1.2TTL集成电路(1)
1.1.3CMOS集成电路(2)
1.2数字集成电路型号命名规则(3)
1.2.1国内TTL、CMOS集成电路型号命名规则(3)
1.2.2国际TTL、CMOS集成电路型号命名规则(3)
1.3数字集成电路的主要性能参数(4)
1.3.1直流电源电压(4)
1.3.2输入/输出逻辑电平(4)
1.3.3传输延时(5)
1.3.4输入/输出电流(5)
1.3.5功耗(6)
1.4数字集成电路使用注意事项(6)
1.5实验报告的基本要求(6)
2Proteus仿真软件快速入门(8)
2.1Proteus概述(8)
2.2电路原理图编辑(8)
2.2.1Proteus ISIS编辑环境(8)
2.2.2Proteus ISIS原理图输入(9)
2.2.3电路原理图编辑实例(12)
2.3Proteus ISIS的库元件(14)
2.3.1库元件的分类(14)
2.3.2各子类介绍(15)
2.4Proteus中常用仪器简介(20)
2.4.1激励源(20)
2.4.2虚拟仪器(21)
2.4.3图表仿真工具(24)
2.5Proteus电路仿真方法(25)
2.5.1Proteus ISIS实时仿真(25)
2.5.2实时仿真中的电路测量(26)
2.5.3基于数字图表的电路分析(27)
3数字电路基础实验(30)
3.1常用集成门电路实验(30)
3.1.1实验目的(30)
3.1.2实验仪器及元器件(30)
3.1.3预习要求(30)
3.1.4实验原理(30)
3.1.5基础性实验任务及要求(31)
3.1.6设计性实验任务及要求(33)
3.1.7思考题(33)
3.2组合逻辑电路实验(一)(33)
3.2.1实验目的(33)
3.2.2实验仪器及元器件(33)
3.2.3预习要求(34)
3.2.4实验原理(34)
3.2.5基础性实验任务及要求(36)
3.2.6设计性实验任务及要求(38)
3.2.7思考题(38)
3.3组合逻辑电路实验(二)(38)
3.3.1实验目的(38)
3.3.2实验仪器及元器件(38)
3.3.3预习要求(39)
3.3.4实验原理(39)
3.3.5基础性实验任务及要求(40)
3.3.6设计性实验任务及要求(40)
3.3.7思考题(41)
数字电路设计·仿真·测试(第二版)目录3.4时序逻辑电路实验(一)(41)
3.4.1实验目的(41)
3.4.2实验仪器及元器件(41)
3.4.3预习要求(41)
3.4.4实验原理(41)
3.4.5基础性实验任务及要求(44)
3.4.6设计性实验任务及要求(45)
3.4.7思考题(45)
3.5时序逻辑电路实验(二)(45)
3.5.1实验目的(45)
3.5.2实验仪器及元器件(45)
3.5.3预习要求(46)
3.5.4实验原理(46)
3.5.5基础性实验任务及要求(48)
3.5.6设计性实验任务及要求(48)
3.5.7思考题(48)
3.6555定时器实验(48)
3.6.1实验目的(48)
3.6.2实验仪器及元器件(49)
3.6.3预习要求(49)
3.6.4实验原理(49)
3.6.5基础性实验任务及要求(52)
3.6.6设计性实验任务及要求(52)
3.6.7思考题(53)
3.7D/A转换器实验(53)
3.7.1实验目的(53)
3.7.2实验仪器及元器件(53)
3.7.3预习要求(53)
3.7.4实验原理(53)
3.7.5基础性实验任务及要求(54)
3.7.6设计性实验任务及要求(55)
3.7.7思考题(56)
3.8A/D转换器实验(56)
3.8.1实验目的(56)
3.8.2实验仪器及元器件(56)
3.8.3预习要求(56)
3.8.4实验原理(56)
3.8.5基础性实验任务及要求(57)
3.8.6设计性实验任务及要求(58)
3.8.7思考题(58)
4数字电路基础实验的Proteus仿真(59)
4.1逻辑门电路的仿真(59)
4.1.1与非门的功能仿真验证(59)
4.1.2三态门的功能仿真验证(59)
4.1.3三态门的应用仿真验证(60)
4.1.4OC门的功能仿真验证(60)
4.2组合逻辑电路的仿真(61)
4.2.1二进制译码器74LS138的功能仿真验证(61)
4.2.2编码与译码显示电路的功能仿真验证(61)
4.3时序逻辑电路的仿真(63)
4.3.1JK触发器74LS76构成二分频、四分频电路的功能仿真验证(63)
4.3.2集成计数器74LS161构成六进制加法计数器的功能仿真验证(63)
4.3.3集成计数器74LS161构成十进制加法计数器的功能仿真验证(63)
4.3.4集成计数器74LS161构成六十进制加法计数器的功能仿真验证(64)
4.4555定时器的仿真(65)
4.4.1555定时器构成多谐振荡器的功能仿真验证(65)
4.4.2555定时器构成单稳态触发器的功能仿真验证(65)
4.4.3555定时器构成施密特触发器的功能仿真验证(66)
4.5A/D与D/A转换器的仿真(66)
4.5.1A/D转换器的功能仿真验证(66)
4.5.2D /A转换器的功能仿真验证(66)
4.6.3A/D与D/A联合实验的仿真验证(67)
5数字电路综合设计实验(69)
5.1数字密码锁设计(69)
5.1.1设计任务与要求(69)
5.1.2课题分析及设计思路(69)
5.1.3集成电路及元器件选择(71)
5.1.4原理图绘制与电路仿真(71)
5.1.5电路安装与调试(71)
5.1.6设计、仿真及实验问题研究(71)
5.2十进制数的动态显示电路设计(72)
5.2.1设计任务与要求(72)
5.2.2课题分析及设计思路(72)
5.2.3集成电路及元器件选择(73)
5.2.4原理图绘制与电路仿真(73)
5.2.5电路安装与调试(73)
5.2.6设计、仿真及实验问题研究(74)
5.3模M的十进制加/减可逆计数器设计(74)
5.3.1设计任务与要求(74)
5.3.2课题分析及设计思路(74)
5.3.3集成电路及元器件选择(76)
5.3.4原理图绘制与电路仿真(76)
5.3.5电路安装与调试(76)
5.3.6设计、仿真及实验问题研究(77)
5.4多功能数字钟设计(77)
5.4.1设计任务与要求(77)
5.4.2课题分析及设计思路(78)
5.4.3集成电路及元器件选择(82)
5.4.4原理图绘制与电路仿真(82)
5.4.5电路安装与调试(82)
5.4.6设计、仿真及实验问题研究(82)
5.5多路抢答器设计(83)
5.5.1设计任务与要求(83)
5.5.2课题分析及设计思路(83)
5.5.3集成电路及元件选择(85)
5.5.4原理图绘制与电路仿真(86)
5.5.5电路安装与调试(86)
5.5.6设计、仿真及实验问题研究(87)
5.6简易频率计设计(87)
5.6.1任务与要求(87)
5.6.2课题分析及设计思路(87)
5.6.3集成电路及元器件选择(90)
5.6.4原理图绘制与电路仿真(90)
5.6.5电路安装与调试(90)
5.6.6设计、仿真及实验问题研究(91)
5.7多路序列信号发生器设计(91)
5.7.1设计任务与要求(92)
5.7.2课题分析及设计思路(92)
5.7.3集成电路及元器件选择(95)
5.7.4原理图绘制与电路仿真(95)
5.7.5电路安装与调试(96)
5.7.6设计、仿真及实验问题研究(97)
5.8出租车计价器控制电路设计(97)
5.8.1设计任务与要求(97)
5.8.2课题分析及设计思路(98)
5.8.3集成电路及元器件选择(101)
5.8.4原理图绘制与电路仿真(101)
5.8.5电路安装与调试(101)
5.8.6设计、仿真及实验问题研究(101)
5.9交通信号灯控制电路设计(102)
5.9.1方案设计(102)
5.9.2组合逻辑电路设计(104)
5.9.3时序逻辑电路设计(106)
6可编程技术(109)
6.1EDA技术概述(109)
6.2硬件描述语言概述(110)
6.2.1VHDL(110)
6.2.2Verilog HDL(111)
6.2.3Verilog HDL与VHDL的区别(111)
6.3可编程逻辑器件概述(112)
6.3.1可编程逻辑器件简介(112)
6.3.2CPLD简介(113)
6.3.3FPGA简介(114)
6.3.4可编程逻辑器件的一般设计流程(116)
6.4SOPC技术概述(118)
6.4.1SOPC技术实现方式(118)
6.4.2SOPC的特点(120)
6.4.3SOPC系统开发流程(120)
7VHDL语言基础(122)
7.1VHDL概述(122)
7.1.1VHDL简介(122)
7.1.2VHDL与Verilog HDL的比较(122)
7.2VHDL的基本结构(123)
7.2.1实体(123)
7.2.2结构体(125)
7.2.3库(127)
7.2.4包(128)
7.2.5配置(129)
7.3VHDL的数据对象、数据类型和运算操作符(130)
7.3.1VHDL数据对象(130)
7.3.2VHDL数据类型(134)
7.3.3VHDL运算操作符(139)
7.4VHDL的顺序语句(140)
7.4.1赋值语句(140)
7.4.2流程控制语句(140)
7.4.3等待语句(144)
7.4.4返回语句和空操作语句(145)
7.5VHDL的并行语句(146)
7.5.1并行信号赋值语句(146)
7.5.2进程语句(148)
7.5.3元件例化语句(151)
7.5.4生成语句(152)
7.5.5并行过程调用语句(153)
8Verilog HDL语言基础(156)
8.1Verilog HDL基本结构(156)
8.1.1简单的Verilog HDL例子(156)
8.1.2Verilog HDL模板(157)
8.1.3逻辑功能定义(158)
8.2Verilog HDL词法约束(159)
8.2.1关键字(159)
8.2.2标识符(160)
8.2.3注释(160)
8.2.4代码编写标准(161)
8.3数据类型(161)
8.3.1线网类型(161)
8.3.2寄存器类型(162)
8.3.3常数类型(163)
8.4运算符及其表达式(165)
8.4.1算术运算符(166)
8.4.2逻辑运算符(166)
8.4.3位运算符(167)
8.4.4关系运算符(167)
8.4.5归约运算符(168)
8.4.6移位运算符(168)
8.4.7条件运算符(168)
8.4.8位拼接运算符(168)
8.4.9运算符的优先级(169)
8.5语句及结构(169)
8.5.1赋值语句(170)
8.5.2块语句(172)
8.5.3条件语句(174)
8.5.4循环语句(177)
8.5.5结构说明语句(181)
8.6预编译处理命令(187)
8.6.1宏定义预编译处理命令(187)
8.6.2文件包含预编译处理命令(188)
8.6.3时间尺度预编译处理命令(189)
8.6.4条件预编译处理指令(190)
8.7Testbench(191)
9数字电路的CPLD/FPGA实现(198)
9.1Quartus Ⅱ使用指南(198)
9.2组合逻辑电路实验(一)(209)
9.2.1实验目的(209)
9.2.2实验仪器及元器件(209)
9.2.3预习要求(209)
9.2.4实验内容(209)
9.2.5思考题(214)
9.3组合逻辑电路实验(二)(214)
9.3.1实验目的(214)
9.3.2实验仪器及元器件(214)
9.3.3预习要求(214)
9.3.4实验内容(214)
9.3.5思考题(218)
9.4时序逻辑电路实验(一)(218)
9.4.1实验目的(218)
9.4.2实验仪器及元器件(218)
9.4.3预习要求(218)
9.4.4实验内容(218)
9.4.5思考题(223)
9.5时序逻辑电路实验(二)(223)
9.5.1实验目的(223)
9.5.2实验仪器及元器件(224)
9.5.3预习要求(224)
9.5.4实验内容(224)
9.5.5思考题(229)
9.6多功能数字钟设计(230)
9.6.1实验目的(230)
9.6.2实验仪器及元器件(230)
9.6.3预习要求(230)
9.6.4设计性实验任务及要求(230)
9.6.5设计思路(230)
9.6.6仿真与测试(234)
9.6.7思考题(235)
9.7简易频率计设计(235)
9.7.1实验目的(235)
9.7.2实验仪器及元器件(235)
9.7.3预习要求(235)
9.7.4设计性实验任务及要求(235)
9.7.5设计思路(236)
9.7.6仿真与测试(238)
9.7.7思考题(240)
9.8出租车计价器控制电路设计(240)
9.8.1实验目的(240)
9.8.2实验仪器及元器件(240)
9.8.3预习要求(240)
9.8.4设计性实验任务及要求(240)
9.8.5设计思路(240)
9.8.6仿真与测试(244)
9.8.7思考题(244)
9.9交通信号灯控制电路设计(244)
9.9.1实验目的(244)
9.9.2实验仪器及元器件(245)
9.9.3预习要求(245)
9.9.4设计性实验任务及要求(245)
9.9.5设计思路(245)
9.9.6仿真与测试(247)
9.9.7思考题(248)
附录(249)
附录A常用数字集成电路引脚排列图(249)
附录BCPLD/FPGA实验装置介绍(256)
附录CFPGA实验箱使用说明书(264)
参考文献(273)