具体描述
该书共分10章。内容包括半导体二极管、三极管、基本放大电路、场效应放大电路、功率放大电路、模拟集成电路等。书中附有模拟电子技术试题和答案。
数字系统设计与实现：从基础到前沿 本书旨在为读者提供一个全面而深入的数字电子技术学习路径，涵盖了从最基本的逻辑门电路到复杂系统级设计的核心概念、设计方法和实践应用。本书内容侧重于数字电路的理论分析、硬件描述语言（HDL）的应用以及现代可编程逻辑器件（FPGA/CPLD）的系统实现，是电子工程、计算机科学与技术、自动化等相关专业学生及工程技术人员的理想参考资料。 --- 第一部分：数字逻辑基础与分析 本部分构建了理解所有数字系统的理论基石，详细阐述了数字信号的表示、逻辑运算的原理以及基本逻辑单元的特性。 第一章：数字系统概述与信号表示 本章首先介绍了模拟电子技术与数字电子技术的根本区别，明确了数字系统在信息处理中的核心地位。重点讨论了数字信号的特性（如电平、时序、噪声容限），并系统性地讲解了数制转换，包括二进制、八进制、十六进制之间的相互转换，以及它们在计算机系统中的实际意义。此外，还详细介绍了编码方案，如格雷码（Gray Code）、BCD码（Binary Coded Decimal）以及带符号数的表示方法（如原码、反码、补码），强调了补码在现代运算电路设计中的重要性。 第二章：逻辑代数与布尔表达式化简 深入讲解了布尔代数的基本公理、定理和常用公式。本章的核心内容是介绍描述和分析逻辑功能的方法：代数化简法。读者将学习如何利用德摩根定律、分配律等工具，对复杂的布尔表达式进行简化，从而优化电路结构，减少元件数量。此外，还将引入真值表作为描述逻辑功能的基本工具，并为后续的图形化方法做铺垫。 第三章：逻辑门电路与标准器件 本章聚焦于构成数字系统的基本物理单元——逻辑门。详细分析了非门、与门、或门、与非门、或非门、异或门等基本逻辑门的电路结构（基于TTL和CMOS技术），讨论了它们的工作特性，如扇入、扇出、传播延迟和功耗。本章还涵盖了逻辑门电路的实现技术，包括使用分立元件实现基本逻辑功能，并介绍了标准逻辑系列（如74系列、CMOS系列）的基本选型原则和参数辨识方法。 第四章：组合逻辑电路分析与设计 组合逻辑电路的特点是输出仅依赖于当前输入。本章是数字电路设计中的核心环节之一。首先，介绍了卡诺图（Karnaugh Map），这是一种直观且高效的两位、三位、四位布尔函数化简工具，用于发现和消除冗余项。随后，引入了更通用的系统化方法——Quine-McCluskey（QM）方法，用于处理多变量函数的化简。基于这些工具，详细设计和分析了应用广泛的组合电路，包括： 编码器与译码器 (Encoders & Decoders)：如七段显示译码器。 数据选择器与数据分配器 (Multiplexers & Demultiplexers)：讨论如何利用它们实现复杂的逻辑功能，甚至是构建算术单元。 加法器与算术逻辑单元 (Adders & ALUs)：从半加器、全加器到串行加法器和快速并行加法器（如先行携带加法器）的设计原理。 --- 第二部分：时序逻辑与状态机设计 本部分转向分析依赖于时间序列和反馈的电路，即时序逻辑电路。这是实现存储、计数和控制功能的基础。 第五章：基本存储单元与锁存器 本章讲解了数字系统中“记忆”功能的实现方式。首先介绍了锁存器（Latches），如SR锁存器，分析其不稳定的透明状态。随后，重点讲解了触发器（Flip-Flops），特别是D触发器、JK触发器和T触发器，通过时钟沿触发机制，解决了锁存器的时间控制问题。详细分析了触发器的特性参数（如建立时间 $t_{su}$ 和保持时间 $t_h$），并讨论了如何利用触发器构建主从结构以避免毛刺现象。 第六章：同步时序电路分析与设计 同步时序电路的时序关系由统一的时钟信号控制。本章将触发器组合起来，形成了更复杂的存储单元。 寄存器 (Registers)：介绍并行加载、串入/串出寄存器的结构与应用，以及它们在数据传输中的作用。 计数器 (Counters)：详细分析了异步计数器（Ripple Counters）的结构和局限性，并重点讲解了同步计数器的设计流程，包括状态图的绘制、状态分配以及驱动逻辑的推导。还涵盖了特定功能的计数器，如伪随机序列发生器。 第七章：有限状态机（FSM）理论与实现 有限状态机是数字系统控制逻辑的核心模型。本章系统地介绍了Moore模型和Mealy模型，区分了它们在输出与状态、输入之间的依赖关系。设计流程被分解为以下关键步骤： 1. 状态图（State Diagram）绘制。 2. 状态编码（State Encoding）：讨论如何选择最优编码方式（如独热码、格雷码编码）以最小化所需的逻辑门数量，并介绍状态约简技术。 3. 驱动逻辑的推导，包括下一状态逻辑和输出逻辑。 本章通过多个实例，如序列检测器、交通灯控制器等，巩固FSM的设计与验证方法。 --- 第三部分：大规模集成电路与硬件描述语言（HDL） 本部分将理论设计与现代硬件实现技术相结合，重点介绍如何使用高级语言描述硬件结构。 第八章：半导体存储器与外围接口 本章回顾了存储器的层次结构，从高速的SRAM（静态随机存取存储器）到大容量的DRAM（动态随机存取存储器）。详细讨论了存储器的地址译码、数据存取机制、读写操作的时序要求。此外，还介绍了输入/输出（I/O）接口的基本概念，包括总线结构（地址总线、数据总线、控制总线）和基本的总线仲裁机制。 第九章：硬件描述语言（HDL）基础——VHDL/Verilog 导论 现代复杂数字系统的设计几乎完全依赖于HDL。本章作为入门，介绍HDL的结构化特性，区分数据流建模、行为建模和结构化建模。 VHDL/Verilog 核心概念：讲解了数据类型、运算符、结构化语句（`if-else`, `case`）以及并发和顺序信号赋值的区别。 并发与时序逻辑的描述：重点展示如何利用`always`块或`process`结构，精确描述组合逻辑（使用敏感列表）和时序逻辑（使用时钟和复位信号）。 第十章：基于HDL的系统级实现 本章将前两部分的理论知识通过HDL进行综合实现，是连接理论与实践的关键。 HDL中的组合逻辑实现：展示如何直接在代码中描述布尔方程，或使用`case`语句实现译码器功能。 HDL中的时序逻辑实现：演示如何使用同步过程精确描述寄存器和计数器的行为。 模块化设计与实例化：强调大型系统设计中，将功能分解为独立模块（如ALU模块、控制模块）并通过实例化连接起来的层次化设计思想。 --- 第四部分：现代数字系统实现技术 本部分聚焦于当前主流的硬件实现平台——可编程逻辑器件，以及系统级仿真和验证的方法。 第十一章：可编程逻辑器件（PLD）架构 详细介绍可编程逻辑器件的家族，包括PAL (Programmable Array Logic)、GAL (Generic Array Logic) 和 CPLD (Complex Programmable Logic Device) 的内部结构。重点分析了FPGA (Field-Programmable Gate Array) 的核心资源单元： 查找表（LUT, Look-Up Table）：解释LUT如何实现任意组合逻辑函数。 触发器、块RAM (Block RAM) 以及时钟管理单元（PLL/DLL）的功能。 第十二章：数字系统综合与布局布线 本章描述了从HDL代码到最终硬件配置文件的整个流程。 综合 (Synthesis)：解释综合工具如何将高级行为描述翻译成门级网表（Netlist），以及设计者如何通过约束（Constraints）影响综合结果（如时序驱动）。 布局与布线 (Place & Route)：描述了逻辑单元如何映射到FPGA内部的物理资源上，以及布线如何连接这些资源，并讨论了时序收敛和时序违例（Timing Violations）的分析与解决策略。 第十三章：系统级仿真与验证 强调了在实际硬件烧录前进行充分验证的重要性。介绍使用HDL仿真器进行功能仿真（验证逻辑正确性）和时序仿真（验证延迟满足要求）的方法。重点讲解了测试平台（Testbench）的设计，如何生成激励信号、监控输出波形，并实现自动化的通过/失败判断，确保设计的鲁棒性。 --- 本书的特点在于其强烈的实践导向性。在理论讲解的每一步，都紧密结合了现代设计工具链（如Xilinx Vivado/Intel Quartus）的使用经验，确保读者不仅理解“为什么”要这样做，更能掌握“如何”在实际硬件上高效实现设计。
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