具體描述
基本信息
書名:數字邏輯電路實驗
定價：29.00元
售價：19.7元,便宜9.3元,摺扣67
作者:侯傳教
齣版社：電子工業齣版社
齣版日期：2009-07-01
ISBN：9787121089824
字數：
頁碼：
版次：1
裝幀：平裝
開本：16開
商品重量：0.459kg
編輯推薦
內容提要
本書根據教育部教學指導委員會的教學基礎要求編寫，詳細介紹瞭數字邏輯電路的類型及使用常識，典型芯片的功能，常見數字電路的邏輯仿真，給齣瞭基於可編程器件實現常見電路的VHDL程序及仿真，以及電路故障診斷方法。為便於雙語學習，部分實驗內容用英語編寫。在實驗安排上考慮與理論教學的同步，注重學生實際工程設計能力的培養，減少驗證性實驗，增加設計和綜閤性實驗。
本書可作為高等院校電子信息類、計算機科學與技術、自動控製等專業本科生、專科生的實驗教材，也可供從事電路設計和研發的工程技術人員閱讀或參考。
本書配有教學課件（電子版），任課教師可從華信教育資源網（教育網：．huaxin．edu．或公共網：．hxedu．．）E免費注冊後下載。
目錄
章 數字電路實驗基礎
1.1 概述
1.2 實驗的基本過程
1.2.1 實驗預習
1.2.2 實驗中的EDA仿真
1.2.3 實驗中的操作規範
1.2.4 布綫原則
1.2.5 數字電路測試
1.2.6 數字電路的故障查找和排除
1.2.7 實驗記錄和實驗報告
1.3 數字集成電路簡介
1.3.1 概述
1.3.2 TTL器件的特點和工作條件
1.3.3 TTL器件使用須知
1.3.4 CMOS數字集成電路的特點
1.3.5 CMOS器件使用須知
1.3.6 數字IC器件的封裝
1.3.7 數字電路邏輯狀態
1.4 數字實驗箱簡介
第2章 集成邏輯門電路
2.1 集成邏輯門電路實驗目的與要求
2.2 集成邏輯門電路基礎知識
2.2.1 集成邏輯門電路的類型及特點
2.2.2 典型門電路芯片
2.2.3 TTL門電路的主要參數
2.2.4 集成門電路的使用規則
2.3 門電路的EDA仿真
2.4 集成邏輯門功能測試
2.5 門電路故障的分析及診斷
2.6 實驗報告及思考題
第3章 組閤邏輯電路
3.1 全加器
3.1.1 全加器實驗目的與要求
3.1.2 全加器基礎知識
3.1.3 全加器的EDA仿真
3.1.4 全加器電路
3.1.5 基於VHDL實現l位全加器
3.1.6 組閤邏輯電路故障檢測
3.1.7 實驗報告及思考題
3.2 譯碼器
3.2.1 譯碼器實驗目的與要求
3.2.2 譯碼器基礎知識
3.2.3 譯碼器的EDA仿真
3.2.4 譯碼器電路
3.2.5 基於VHDL實現的3.8綫譯碼器
3.2.6 組閤邏輯電路故障判斷方法
3.2.7 實驗報告及思考題
3.3 數據選擇器
3.3.1 數據選擇器實驗目的與要求
3.3.2 數據選擇器基礎知識
3.3.3 數據選擇器的EDA仿真
3.3.4 數據選擇器電路
3.3.5 基於VHDL實現的8選1數據選擇器
3.3.6 實驗報告及思考題
第4章 時序邏輯電路
4.1 觸發器
4.1.1 觸發器實驗目的與要求
4.1.2 觸發器基礎知識
4.1.3 觸發器的EDA仿真
4.1.4 基本觸發器電路
4.1.5 基於VHDL實現的JK觸發器
4.1.6 觸發器常見故障分析及診斷
4.1.7 實驗報告及思考題
4.2 移位寄存器
4.2.1 移位寄存器實驗目的與要求
4.2.2 移位寄存器基礎知識
4.2.3 移位寄存器的EDA仿真
4.2.4 移位寄存器電路
4.2.5 基於VHDL實現的8位移位寄存器
4.2.6 移位寄存器常見故障分析及診斷
……
第5章 混閤電路
Chapter 6 Experiments of Digital Circuits
第7章 數字電路應用設計
第8章 數字電路實驗參考資料
參考文獻
作者介紹
文摘
序言
《數字邏輯電路實驗》 書籍簡介 本書是一部關於數字邏輯電路實驗的實踐性指導手冊，旨在幫助讀者深入理解數字邏輯電路的基本原理，掌握相關的實驗設計、搭建、調試和分析技能。全書內容循序漸進，從最基礎的邏輯門電路入手，逐步深入到組閤邏輯電路、時序邏輯電路，直至更復雜的集成電路應用。本書理論講解清晰，實驗步驟詳盡，注重培養讀者的動手能力和解決實際問題的能力，是高等院校電子信息類專業學生、電子技術愛好者以及相關領域從業人員進行數字邏輯電路學習和實踐的理想參考。 第一章：緒論 本章將為讀者構建一個學習數字邏輯電路實驗的宏觀框架。首先，我們會簡要介紹數字邏輯電路在現代電子技術中的地位和重要性，闡述其在計算機、通信、控製等領域的廣泛應用。接著，我們將深入探討學習數字邏輯電路實驗的必要性和價值，強調實踐操作對於理解抽象概念的重要性，以及掌握實驗技能對於未來職業發展的助益。 隨後，本章將詳細介紹數字邏輯電路實驗所需的基本知識和理論基礎。這包括二進製數製及其運算（如邏輯加、邏輯乘、邏輯非、異或等）、邏輯代數的基本定律和定理（如交換律、結閤律、分配律、德摩根定律等），以及這些理論如何體現在實際的邏輯門電路中。我們將強調邏輯函數的化簡和約束，為後續章節的電路設計打下堅實基礎。 此外，本章還將對數字邏輯電路實驗的硬件和軟件環境進行詳細的介紹。硬件方麵，我們會列舉實驗過程中常用的電子元器件，如基本邏輯門（AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR）、觸發器（JK, D, T, SR）、計數器、寄存器、多路選擇器、譯碼器、編碼器等，並介紹它們的符號、功能和基本特性。同時，會詳細說明實驗闆（如通用實驗箱、FPGA開發闆等）的使用方法、接口說明以及相關的測試儀器，如數字示波器、邏輯分析儀、信號發生器、萬用錶等。軟件方麵，我們將介紹與數字邏輯電路設計和仿真相關的常用EDA（Electronic Design Automation）工具，如Quartus Prime、Vivado、ModelSim等，並簡要闡述它們在電路設計、仿真驗證和硬件實現中的作用。 最後，本章將為讀者製定一個科學的學習計劃和實驗方法論。我們將強調實驗前準備的重要性，包括仔細閱讀實驗內容、理解實驗目的、預習相關理論知識、準備所需元器件和儀器，以及製定詳細的實驗步驟。在實驗過程中，我們將指導讀者如何規範操作、準確記錄實驗數據、分析實驗結果，並鼓勵大傢在實驗中不斷探索和創新。對於實驗結束後，本章將引導讀者進行總結和反思，通過撰寫實驗報告來鞏固所學知識，提升分析和錶達能力。 第二章：基本邏輯門電路實驗 本章是數字邏輯電路實驗的起點，聚焦於最基本的邏輯門電路。我們將帶領讀者深入探索AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR、XNOR這七種基本邏輯門的功能和特性。 首先，對於每一種邏輯門，我們都會提供詳細的理論講解。這包括它們的邏輯符號、邏輯功能錶（真值錶）、邏輯錶達式以及它們在實際電路中的工作原理。例如，對於AND門，我們將解釋其輸入端均為高電平（邏輯1）時，輸齣端纔為高電平，否則輸齣低電平（邏輯0）。對於OR門，我們將解釋隻要有一個輸入端為高電平，輸齣端就為高電平。對於NOT門（也稱為反相器），我們將解釋其輸入輸齣狀態相反。 接下來，我們將詳細介紹如何利用實驗設備搭建這些基本邏輯門電路。這可能涉及使用集成電路芯片（如74係列或CD4000係列邏輯門芯片），或在FPGA開發闆上通過硬件描述語言（HDL）實現。我們將提供清晰的接綫圖或代碼示例，指導讀者如何將邏輯門芯片連接到電源、地以及輸入輸齣端。對於FPGA實現，我們將提供詳細的HDL代碼示例，並解釋代碼中的每一條語句的功能。 實驗的重點將放在驗證邏輯門的功能上。我們將指導讀者如何使用信號發生器或手動切換輸入信號，然後使用LED燈、示波器或邏輯分析儀觀察輸齣結果，並對照邏輯功能錶進行驗證。例如，對於AND門，我們將設計一係列的輸入組閤，並觀察輸齣LED的亮滅情況，確保其與AND門的真值錶一緻。 除瞭基本邏輯門的功能驗證，本章還將介紹如何利用基本邏輯門構建更復雜的邏輯功能。例如，我們將演示如何使用AND、OR、NOT門構建一個實現邏輯加法的電路，以及如何使用XOR門實現異或邏輯。 最後，本章將通過一些小的綜閤性實驗，鞏固讀者對基本邏輯門的理解。例如，可能會有一個實驗要求讀者設計一個簡單的“交通燈控製器”，利用AND、OR、NOT門來實現不同狀態的切換。通過這些實踐，讀者將能夠深刻理解基本邏輯門是構建所有數字邏輯電路的基石。 第三章：組閤邏輯電路實驗 本章將深入探討組閤邏輯電路的設計與實現。組閤邏輯電路的特點是其輸齣僅取決於當前時刻的輸入信號，不存在狀態存儲。我們將從基礎的組閤邏輯功能齣發，逐步構建更復雜的電路。 首先，本章將詳細介紹組閤邏輯電路的設計流程。這通常包括：明確電路的功能需求，列齣所有可能的輸入輸齣組閤，繪製真值錶，利用邏輯代數進行函數化簡，選擇閤適的邏輯門電路來實現化簡後的邏輯錶達式，以及進行電路的仿真和硬件實現。我們將重點講解邏輯函數的化簡方法，如卡諾圖（Karnaugh Map）和奎因-麥剋拉斯基（Quine-McCluskey）方法，並指導讀者如何將化簡後的邏輯錶達式轉換為實際的電路圖。 隨後，我們將通過一係列典型的組閤邏輯電路實驗，讓讀者掌握具體的設計與實現技巧。這包括： 加法器與減法器： 我們將從半加器和全加器入手，講解如何構建多位二進製加法器（如行波進位加法器、超前進位加法器），以及如何利用補碼運算實現減法器。實驗將重點驗證這些加法器和減法器的運算精度和速度。 多路選擇器（Multiplexer, MUX）與譯碼器（Decoder）： 我們將講解它們的邏輯功能、應用場景以及如何利用基本邏輯門實現它們。實驗將包括設計一個4選1多路選擇器，以及一個3綫-8綫譯碼器，並驗證其正確工作。 編碼器（Encoder）與優先編碼器（Priority Encoder）： 我們將介紹它們的功能，以及如何利用邏輯門實現。例如，設計一個8-3綫編碼器，將8個輸入信號編碼為3個二進製輸齣。 比較器（Comparator）： 講解如何設計一個能比較兩個二進製數大小（大於、小於、等於）的比較器電路。 代碼轉換器（Code Converter）： 例如，BCD碼到7段數碼管顯示譯碼器，將二進製編碼的數字轉換為能在數碼管上顯示的七段碼。 在每個實驗中，我們將提供詳細的實驗步驟，指導讀者如何進行電路原理圖設計、元器件選型、電路搭建、輸入信號生成，並利用示波器或邏輯分析儀觀察輸齣波形，與設計預期進行比對。同時，我們將鼓勵讀者使用EDA工具進行電路仿真，在仿真環境中驗證設計的正確性，降低實際硬件搭建的風險。 本章的最後一個部分將聚焦於組閤邏輯電路的設計自動化。我們將引導讀者瞭解如何使用Verilog或VHDL等硬件描述語言（HDL）來描述組閤邏輯電路，並利用EDA工具進行綜閤、仿真和電路實現（如在FPGA上）。通過HDL編程，讀者將能更高效地設計和驗證復雜的組閤邏輯電路，為後續的時序邏輯電路和大型數字係統設計打下基礎。 第四章：時序邏輯電路實驗 本章將深入研究時序邏輯電路，它們是數字係統中能夠存儲信息和具有狀態反饋的關鍵。我們將從最基本的觸發器開始，逐步構建更復雜的時序邏輯單元。 首先，本章將詳細介紹時序邏輯電路的基本概念，包括時鍾信號、狀態、時序分析和同步/異步電路的區彆。我們將重點講解時鍾信號在同步時序電路中的作用，以及如何通過時鍾邊沿觸發來控製電路的狀態轉移。 接下來，我們將對各種類型的觸發器進行詳細的實驗講解： SR觸發器（Set-Reset Flip-Flop）： 講解其基本結構、工作原理、狀態錶以及可能齣現的“無效”狀態。我們將指導讀者如何搭建SR觸發器，並觀察其在不同輸入下的狀態變化。 D觸發器（Delay Flip-Flop）： 講解其特性，即輸齣跟隨輸入信號，但有延遲。我們將重點介紹D觸發器的應用，如數據存儲和寄存。 JK觸發器（Jack Kilby Flip-Flop）： 講解其功能，特彆是其具有的“保持”、“置位”、“清零”和“翻轉”四種工作模式。我們將通過實驗演示JK觸發器在各種模式下的行為。 T觸發器（Toggle Flip-Flop）： 講解其主要功能是當輸入為1時翻轉狀態，當輸入為0時保持狀態。我們將演示T觸發器如何實現簡單的狀態翻轉。 在觸發器實驗部分，我們將詳細指導讀者如何使用集成電路芯片或HDL語言來實現這些觸發器，並利用示波器或邏輯分析儀來觀察觸發器的狀態變化，驗證其在不同時鍾沿下的響應。 在此基礎上，本章將進一步深入到更復雜的時序邏輯電路單元： 寄存器（Register）： 講解如何利用觸發器構建並行輸入並行輸齣（PIPO）寄存器、並行輸入串行輸齣（PISO）寄存器、串行輸入並行輸齣（SIPO）寄存器以及串行輸入串行輸齣（SISO）寄存器。實驗將聚焦於寄存器的功能驗證，如數據存儲、移位和並行加載。 計數器（Counter）： 我們將講解異步計數器和同步計數器的設計原理。實驗將包括： 同步加法計數器： 設計和實現N位二進製同步加法計數器（如2位、3位）。 同步減法計數器： 設計和實現N位二進製同步減法計數器。 任意模計數器： 講解如何通過反饋和邏輯控製設計模數不為2的N次方的計數器（如10進製計數器）。 移位寄存器計數器（環形計數器、扭環形計數器）： 講解其工作原理和應用。 實驗將重點驗證計數器的計數值、進位/藉位輸齣以及復位功能。 狀態機（State Machine）： 這是一個更高級的時序邏輯電路主題。我們將介紹摩爾（Moore）型狀態機和米利（Mealy）型狀態機的區彆，並指導讀者如何根據狀態轉移圖和輸齣錶來設計狀態機。實驗將包括設計一個簡單的狀態機，如交通燈控製器、自動售票機控製邏輯等，並利用仿真和硬件實現來驗證其行為。 在所有時序邏輯電路實驗中，我們都將強調時序分析的重要性，包括建立時間（setup time）、保持時間（hold time）和時鍾頻率限製，以及如何通過閤理的電路設計和元件選擇來滿足這些時序要求。 第五章：數字係統常用模塊與接口實驗 本章將擴展到數字係統中更常見的集成模塊和接口技術，這些模塊在實際的電子係統中扮演著至關重要的角色。 首先，我們將介紹存儲器（Memory）的概念，並進行相關的實驗。這包括： 隨機存取存儲器（RAM）： 講解SRAM和DRAM的基本原理，以及它們在數字係統中的作用。實驗將可能涉及使用簡單的RAM芯片（如SRAM）進行讀寫操作，驗證數據的存儲和讀取功能。 隻讀存儲器（ROM）： 講解PROM、EPROM、EEPROM等不同類型的ROM。實驗將可能涉及加載預設數據到ROM中，並驗證其讀取功能。 接下來，我們將探討數模轉換（Digital-to-Analog Conversion, DAC）和模數轉換（Analog-to-Digital Conversion, ADC）。這些模塊是數字世界與模擬世界交互的關鍵。 DAC實驗： 講解不同類型的DAC（如R-2R電阻網絡DAC、權電阻DAC）的工作原理。實驗將指導讀者如何使用DAC芯片，輸入數字信號，觀察輸齣的模擬電壓，並驗證其轉換精度。 ADC實驗： 講解不同類型的ADC（如逐次逼近型ADC、雙積分型ADC、Σ-Δ調製器ADC）的工作原理。實驗將指導讀者如何使用ADC芯片，輸入模擬信號，觀察輸齣的數字編碼，並驗證其轉換精度和采樣率。 然後，本章將重點介紹微處理器/微控製器（Microprocessor/Microcontroller）及其接口。雖然本書不側重於微處理器編程，但我們會介紹如何與這些核心器件進行基本的接口交互。 簡單I/O接口實驗： 講解微處理器如何通過GPIO（General Purpose Input/Output）引腳與外部設備進行通信。實驗可能是在FPGA或微控製器開發闆上，利用GPIO口驅動LED、讀取按鍵輸入，或者控製簡單的外設。 串行通信接口（Serial Communication Interfaces）： 介紹常見的串行通信協議，如UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）、SPI（Serial Peripheral Interface）和I2C（Inter-Integrated Circuit）。實驗將可能包含： UART通信實驗： 實現兩颱設備之間的UART通信，如PC與開發闆之間的數據傳輸。 SPI/I2C通信實驗： 實現與SPI/I2C接口外設（如傳感器、EEPROM）的數據交互。 最後，本章還將涉及一些更高級的數字係統組件，例如： 時鍾和定時電路（Clock and Timing Circuits）： 講解振蕩器、分頻器等在産生和分配時鍾信號中的作用。 中斷控製器（Interrupt Controller）： 簡要介紹中斷的概念以及微處理器如何響應外部中斷。 在所有這些模塊和接口實驗中，我們將強調理解其內部工作原理、掌握其數據手冊（datasheet）的閱讀方法，以及如何有效地進行接口連接和數據交互。通過本章的學習，讀者將能更全麵地瞭解數字係統是如何由各種功能模塊組成的，以及它們之間是如何協同工作的。 第六章：FPGA與VHDL/Verilog入門 本章將為讀者開啓一個利用FPGA（Field-Programmable Gate Array）和硬件描述語言（HDL）進行數字邏輯電路設計的新篇章。FPGA作為一種高度靈活和可重構的硬件平颱，已成為現代數字係統設計和快速原型驗證的核心工具。 首先，本章將詳細介紹FPGA的內部結構和工作原理。我們將講解FPGA的基本構成單元，如查找錶（Look-Up Tables, LUTs）、觸發器（Flip-Flops）、可編程互連資源（Programmable Interconnects）和I/O塊（I/O Blocks）。我們會解釋這些單元如何被配置以實現任意的數字邏輯功能。 接著，我們將引入兩種主流的硬件描述語言：VHDL（VHSIC Hardware Description Language）和Verilog。我們將重點介紹其中一種語言（例如，Verilog，因為其語法相對更接近C語言，對初學者可能更友好），但也會提及另一種語言的特點。 Verilog語言基礎： 模塊（Module）和端口（Port）： 講解如何定義一個Verilog模塊，以及如何聲明輸入、輸齣和雙嚮端口。 數據類型（Data Types）： 介紹reg、wire等基本數據類型，以及嚮量（vectors）的概念。 賦值語句（Assignment Statements）： 講解阻塞賦值（blocking assignment, =）和非阻塞賦值（non-blocking assignment, <=）的區彆，以及它們在時序邏輯和組閤邏輯中的應用。 過程塊（Procedural Blocks）： 講解always塊（always @(), always @(posedge clk)）的作用，以及如何用它們來實現組閤邏輯和時序邏輯。 實例化（Instantiation）： 講解如何在一個模塊中實例化其他模塊，實現層次化設計。 基本邏輯門描述： 演示如何用Verilog描述AND、OR、NOT等基本邏輯門。 VHDL語言基礎（簡要介紹）： 簡要介紹VHDL的實體（Entity）、架構（Architecture）、端口（Port）等基本概念，以及其聲明和過程部分的區彆。 在掌握瞭HDL語言的基礎知識後，我們將通過一係列實驗，指導讀者如何在FPGA開發闆上實現數字邏輯電路。 LED閃爍實驗： 這是FPGA入門的經典實驗。我們將指導讀者使用Verilog描述一個簡單的時鍾分頻器，産生一個比係統時鍾慢的信號，然後用這個信號來控製LED的閃爍。 按鍵輸入實驗： 講解如何讀取FPGA開發闆上的按鍵輸入，並進行消抖處理（Debouncing），然後將其作為控製信號。 組閤邏輯電路的FPGA實現： 將之前章節中學習的組閤邏輯電路（如加法器、多路選擇器）用Verilog描述，並在FPGA上實現，驗證其功能。 時序邏輯電路的FPGA實現： 將觸發器、寄存器、計數器等時序邏輯電路用Verilog描述，並在FPGA上實現，觀察其時序行為。 簡單的狀態機FPGA實現： 設計一個簡單的狀態機，如交通燈控製器，並用Verilog實現，在FPGA上進行功能驗證。 在每個FPGA實驗中，我們將詳細介紹使用FPGA開發工具鏈（如Intel Quartus Prime或AMD Vivado）的流程： 項目創建與配置。 HDL代碼編寫與仿真。 綜閤（Synthesis）： 將HDL代碼轉化為門級網錶。 實現（Implementation）： 包括布局（Place）和布綫（Route），將邏輯映射到FPGA的物理資源上。 生成比特流（Bitstream）文件。 下載比特流到FPGA開發闆。 硬件調試與驗證。 本章的目的是讓讀者熟悉FPGA的設計流程，掌握使用HDL語言進行數字邏輯設計的基本技能，為進行更復雜的數字係統設計打下堅實的基礎。 第七章：數字係統設計與綜閤進階 本章將在前幾章的基礎上，深入探討更高級的數字係統設計理念和方法，並介紹如何利用EDA工具進行更有效的綜閤和優化。 首先，我們將深入探討模塊化設計（Modular Design）和層次化設計（Hierarchical Design）的思想。我們將強調如何將復雜的數字係統分解成一係列功能獨立、接口明確的子模塊，並通過實例化這些子模塊來構建頂層模塊。我們將討論模塊化設計帶來的優勢，如代碼復用、易於調試和維護，以及提高團隊協作效率。 接著，本章將重點介紹行為級建模（Behavioral Modeling）在HDL設計中的應用。在前麵章節中，我們主要介紹瞭門級和數據流描述，本章將更側重於使用高級的HDL結構，如有限狀態機（FSM）的兩種實現方式（摩爾型和米利型），以及如何使用過程塊和任務（Tasks）來描述復雜的係統行為。我們將通過實例演示如何利用行為級建模來描述存儲器控製器、通信協議接口等復雜模塊。 隨後，我們將深入研究EDA工具的綜閤（Synthesis）和優化（Optimization）。 綜閤過程詳解： 我們將解釋綜閤器如何將HDL代碼轉化為門級網錶，並討論不同綜閤選項（如速度優先、麵積優先、功耗優先）對最終電路的影響。 時序約束（Timing Constraints）： 講解如何為設計設定精確的時序目標，如時鍾周期、輸入/輸齣延遲等。我們將演示如何在EDA工具中設置這些約束，以及它們如何指導綜閤器進行優化。 邏輯優化技術： 介紹常見的邏輯優化技術，如冗餘邏輯消除、共享邏輯（Sharing Logic）、多路復用器優化（Multiplexer Optimization）等，以及EDA工具如何自動應用這些技術。 功耗優化： 討論降低數字電路功耗的策略，如時鍾門控（Clock Gating）、電源門控（Power Gating）等，以及EDA工具在功耗優化方麵的支持。 本章還將探討可綜閤（Synthesizable）HDL代碼的書寫原則。我們將強調哪些HDL結構是綜閤器可以理解和轉換的，而哪些結構（如延時語句``在綜閤時通常被忽略，除非用於特定時序仿真目的）隻能用於仿真。我們會提供一些“壞的”代碼示例，並解釋為什麼它們不可綜閤，以及如何進行修改。 另外，我們將簡要介紹靜態時序分析（Static Timing Analysis, STA）的基本概念，以及EDA工具如何通過STA來驗證設計的時序是否滿足要求。 最後，本章將通過一個綜閤性項目實驗來鞏固所學知識。這個項目可能是一個小型嵌入式係統的數字接口部分，例如一個簡單的SD卡控製器接口，或者一個基於SPI協議的傳感器數據采集係統。讀者將需要進行模塊化設計，使用HDL編寫代碼，設置時序約束，並利用EDA工具進行綜閤和實現，最終在FPGA上驗證其功能。這個項目將綜閤運用前麵章節中學到的所有知識，培養讀者獨立解決復雜數字設計問題的能力。 第八章：數字電路可靠性與測試 本章將關注數字電路的可靠性、可測試性設計（Design for Testability, DFT）以及測試方法。在實際的電子産品設計中，確保電路的穩定運行和準確性至關重要。 首先，我們將討論數字電路的常見故障模式。這包括： 瞬態故障（Transient Faults）： 如電磁乾擾（EMI）、電源波動等引起的暫時性錯誤。 永久性故障（Permanent Faults）： 如器件老化、製造缺陷、過載損壞等引起的永久性錯誤。 時序故障（Timing Faults）： 如建立時間和保持時間違例導緻的錯誤。 邏輯故障（Logic Faults）： 如短路（Stuck-at faults）、開路（Open circuits）等。 接著，我們將深入探討可測試性設計（DFT）的概念和技術。DFT的目標是在設計階段就考慮如何讓電路更容易被測試，從而降低測試成本和提高測試覆蓋率。 掃描鏈（Scan Chain）： 講解如何將電路中的觸發器連接成一個串行掃描鏈，從而能夠方便地將輸入嚮量加載到觸發器中，並將內部狀態讀齣進行分析。我們將介紹掃描鏈的構建方法和掃描測試的工作原理。 內建自測試（Built-In Self-Test, BIST）： 介紹BIST的概念，即在芯片內部集成測試電路，使其能夠獨立地進行自身測試。我們將講解僞隨機序列發生器（PRPG）和多項式綫性反饋移位寄存器（LFSR）在BIST中的應用。 邊界掃描（Boundary Scan, JTAG）： 介紹IEEE 1149.1標準（JTAG）在闆級測試中的應用，以及如何利用邊界掃描鏈來測試芯片之間的連接和芯片的功能。 然後，我們將討論數字電路的測試方法。 功能測試（Functional Testing）： 驗證電路是否按照設計規格正常工作，通常是通過輸入各種輸入嚮量並檢查輸齣是否正確。 結構測試（Structural Testing）： 針對電路的物理結構進行測試，旨在檢測是否存在硬件故障，如短路、開路等。 直流參數測試（DC Parameter Testing）： 測試電路在靜態工作條件下的直流特性，如輸入/輸齣電壓、電流等。 交流參數測試（AC Parameter Testing）： 測試電路在動態工作條件下的交流特性，如傳播延遲、建立/保持時間等。 我們將指導讀者如何利用仿真工具生成測試嚮量，以及如何利用邏輯分析儀、示波器等測試儀器來測量和分析電路的實際錶現。 最後，本章將探討電路可靠性設計的一些原則。這包括： 冗餘設計（Redundancy Design）： 如三模冗餘（TMR）等技術，通過備份和投票機製來提高係統的容錯能力。 電源和時鍾的魯棒性設計： 確保電路在電源不穩定或時鍾異常時仍能保持穩定工作。 抗乾擾設計： 采取措施減少外部電磁乾擾的影響。 通過本章的學習，讀者將對數字電路的可靠性問題有更深刻的認識，並掌握一些基本的DFT技術和測試方法，為設計和生産更穩定可靠的數字産品奠定基礎。 附錄 常用集成電路芯片型號與功能錶 VHDL/Verilog常用語法速查錶 EDA工具常用命令與操作指南 數字邏輯電路實驗常用元器件列錶 相關參考文獻與進階閱讀推薦
