典型试验三

《数字电路逻辑设计》课程教学标准

  • 第一部分:课程性质、课程目标与教学要求

《数字电路逻辑设计》是电子信息工程、通信工程和网络工程专业的主要技术基础理论课,是这些专业的主干课程,在电子信息工程和通信工程专业课程体系中具有重要的地位。

本课程的目标是使学生掌握数字逻辑电路的基本工作原理、基本分析方法和基本应用技能,使学生能够分析、设计由各种逻辑门电路、数字集成电路构成的基本电路,并初步具备根据实际要求应用这些单元电路构成简单数字电子系统的能力,为专业课程如《单片机原理与应用》和《EDA技术》等的学习奠定扎实的基础。对于电子信息工程专业,要结合已学习过的《电路分析基础》和《模拟电子线路》等进行课程之间的联系构建综合的电子系统设计概念。作为本课程的重要补充,同时开展《课程设计(电子技术)》课程,使学生动手实践,培养电子系统设计与实际制作能力。本课程的另外一个重要目标是使电子信息工程和通信专业树立工程概念,课程讲授过程中强调知识的应用性,提供详实的应用实例。通过电子系统的设计、制作、调试等,培养学生的初步工程能力。

  • 第二部分:课程教学内容纲要

本课程拟采用高等教育出版社2006年1月出版的、由康华光教授主编的(面向21世纪课程教材)《电子技术基础 数字部分 (第五版)》一书,作为本课程的主教材,也可使用其后续版本作为主教材。

  • 第一章 数字逻辑概论 

第一章是本课程的预备知识,目标是用来帮助学生建立数字电路的基本概念。内容为介绍模拟信号与数字信号、数字逻辑的基本概念、数字电路的特点、分析方法及其测试技术、数制与码制、数字逻辑基本运算。学生在学完本章后,应当能够掌握数字信号的特点、数字波形(脉冲波形)的画法,理解反映脉冲波形特性的技术参数如脉冲重复率PRR、脉冲宽度、占空比的含义,掌握反映实际数字系统的数字波形特性的技术参数-上升时间、下降时间的定义和物理意义,进而理解比特率的定义以及其所反映的传输速度受硬件输出高低电平切换速度限制的物理意义。建立时序图概念,了解时序图是反映数字电路功能的基本工具之一。建立模数转换的基本概念和物理意义。掌握数制间的转换,理解二进制是数字电路能直接表示的进制,是一切数字信号处理的数学基础,掌握二进制码的概念及二进制码建立的物理意义,了解常用的二进制编码如8421BCD码、2421BCD码、余3BCD码、格雷码和ASCII码。建立基本逻辑运算的概念,掌握逻辑运算的逻辑符号,了解逻辑问题的一般描述方法。

重点:上升时间和下降时间概念及物理意义、数码概念、基本逻辑运算、逻辑符号。

  • 第二章 逻辑代数

介绍组合逻辑电路的分析工具—逻辑代数、卡诺图,要求介绍逻辑代数划简,逻辑表达式的几种标准格式及其相互转换,卡诺图的构成和用卡诺图划简逻辑函数的方法,学生在学完本章后,应当能够灵活应用逻辑代数和卡诺图进行逻辑函数划简

  • 第三章 逻辑门电路

逻辑门电路为组成数字电路的基本电路。目标是帮助学生建立对器件电气特性的理解,使学生懂得各种元器件连接所要考虑的电气指标。要求通过介绍开关器件的开关特性,了解各种门电路的内部构造和工作原理,通过对内部电路的一般性介绍推导出门电路外部特性指标建立方法或依据,重点介绍基本门电路的外部特性及应用方法,注意介绍常用器件系列的识别及其外部特性参数比较,用产品实例讲解工程设计过程中如何查找器件参数和如何应用器件参数。 学生在学完本章后,应当了解二极管的开关特性、BJT的开关特性,知道如何用二极管和三极管构造基本逻辑门电路,并明白这种基本门电路的缺点是带负载能力弱和输出电平切换速度低(对应第一章的知识点—上升时间、下降时间长),了解TTL电路能够解决基本逻辑门电路的缺点,TTL电路的内部构造、工作原理和传输特性,并掌握理论:TTL门电路的外特性指标如输入高电平、输出高电平、输入低电平、输出低电平的定义是建立在TTL门电路的传输特性基础上并考虑到同类器件的直接互联性且具有一定的抗电气干扰能力(即噪声容限)而得出的。掌握灌电流和拉电流的含义,知道TTL器件在输入高电平和输入低电平时输入电流的方向分别为流入器件和流出器件,在外部条件允许时,输出高电平和输出低电平时的输出电流的方向分别为流出器件和流入器件。掌握扇出数的计算方法,同类或异类器件连接时电平匹配和电流匹配方法。了解器件常用技术参数如传输延迟时间、功耗、延时-功耗积的意义及对电路设计的影响。了解OC门诞生的客观要求,掌握OC门的应用方法,上拉电阻的计算方法及在上下限范围内的取值考虑。掌握三态门的概念和应用方法,对三态门高阻态的正确理解及片选端的作用。了解TTL电路、STTL电路、LSTTL电路和ALSTTL电路的功耗和速度关系。了解CMOS门电路的内部结构和工作原理,掌握CMOS门电路的传输特性和外部特性,能对TTL门电路和CMOS门电路的技术参数进行比较。了解传输门、NMOS门和BiCMOS门电路。对元器件外部封装种类有基本了解。

重点:逻辑门电路的外部特性和应用方法、不同种类器件的连接方法。

  • 第四章 组合逻辑电路
  • 介绍逻辑电路的分析和设计方法,以及介绍编码器、译码器、数据分配器、数据选择器、数值比较器、算术/逻辑运算单元等常用集成组合逻辑电路的功能及基本的应用方法。目标是使学生建立将实际问题转化为逻辑问题进行求解的方法和能力,掌握对于给定的逻辑关系如何查找器件、连接器件予于实现。使学生进一步建立工程设计概念,即尽可能用已有的某些专用功能集成块以最少的器件连接来实现产品或工程任务要求,掌握编码、译码、数据分配、数据选择、数据比较和算术运算等数字信号处理概念,练习用专用功能集成块设计较复杂的组合逻辑电路。学生在学完本章后,应当完全理解编码、译码、数据分配、数据选择、数据比较和算术运算等数字信号处理概念,并了解这些概念的应用场合及作用,如上述器件具有专有功能模块化作用,编码器放置于前端可使主处理器减少输入引脚,译码器或数据分配器放置于后端可使主处理器减少输出引脚,数据选择器放置于前端可使主处理器减少输入引脚、减少内部信号处理单元(如多通道模数转换器)数。掌握查找集成块元器件,理解器件功能和技术参数及应用器件完成工程设计的方法。要求介绍组合逻辑电路的分析方法和步骤,组合逻辑电路的设计方法和步骤,竞争冒险的概念、产生的原因及设计时如何消除竞争冒险问题。以实际工程例子说明电路设计要考虑用本章知识建立针对问题的逻辑连接正确性,消除输出干扰(冒险),还要考虑用第三章的知识建立器件的电气连接正确性。学生在学完本章后,应当能够对于组合逻辑电路图能够按步骤进行分析说明电路的功能、并判断是否存在竞争冒险。能够将生活化语言描述的工程问题转化为逻辑问题进行设计。建立设计是基于集成块而不是门电路为基本单元的概念,并以此建立器件种类和个数最少及器件易得的优化设计概念。能够结合第三章知识内容从逻辑上和电气上两个方面对组合逻辑问题进行综合分析和综合设计。了解立体形状卡诺图、懂得卡诺图最多适应用于6变量逻辑函数划简概念,了解采用共用项的逻辑函数划简及其对优化设计的应用。
    重点:逻辑函数的化简、同一逻辑函数的表示形式转换以适配器件,基于集成块为基本元件的组合逻辑电路设计。理解集成块器件功能和技术参数及应用器件完成工程设计的方法。
  • 第五章 锁存器和触发器

第五章介绍构成时序逻辑电路的基本单元即触发器,目标是使学生了解触发器的电路结构、触发方式、逻辑功能以及描述触发器功能的几种工具如逻辑符号、功能表、特性方程和状态转换图,理解各种触发方式的触发器的脉冲工作特性,掌握应用触发器时信号的加入方式。要求学生掌握基本RS触发器的构造及功能,特别要注意对输出不定状态的准确理解,了解同步RS触发器的组成和其与基本RS触发器的关系,理解同步触发器可以使电路中不同触发器输入变化时刻虽不同但输出翻转时刻却相同,进而了解主从RS触发器的电路构造,理解主从触发器解决了同步触发器具有的当时钟信号到来后输入信号的多次变化可能引起输出多次翻转的问题。掌握主从式触发器的脉冲工作特性。掌握边沿触发器的工作原理,脉冲工作特性,与主从触发器的特性比较。熟记RS触发器、JK触发器、D触发器和T触发器各自的功能、特性方程和逻辑符号辨识,了解主从RS触发器出现不定状态的条件,了解主从JK触发器发生一次翻转现象,理解边沿触发器比主从触发器抗干扰能力强的道理。学生在学完本章后,应当对各种触发的功能作用及表示方法了如指掌。

  • 重点:触发器的逻辑符号辨识及功能理解。
  • 第六章 时序逻辑电路
  • 第六章介绍时序逻辑电路的基本概念、分析和设计方法,目标是是使学生建立将实际工程问题转化为时序逻辑问题进行求解的方法和能力,掌握对于给定的时序逻辑关系如何查找、选用器件予于实现。要求介绍时序逻辑电路的基本结构和特点,时序逻辑电路的分类和功能描述方法,介绍时序逻辑电路的分析方法和一般步骤,状态设定和状态划简方法,同步时序逻辑电路的设计方法和一般步骤,以实际工程例子说明时序电路设计要考虑用本章知识建立针对问题的逻辑连接正确性,还要考虑用第二章的知识建立器件的电气连接正确性。学生在学完本章后,应当能够将生活化语言描述的工程问题转化为时序逻辑问题进行设计。建立设计是基于集成块而不是门电路为基本单元的概念,并以此建立器件种类和个数最少及器件易得的优化设计概念。能够结合第二章、第三章和第四章所有知识内容从逻辑上和电气上多方面对综合逻辑问题进行优化设计。了解编码方案的不同和触发器选择方案的不同对电路简化设计具有很大的影响。本章还介绍数字系统中广泛应用的两种时序逻辑功能器件。目标是是使学生掌握计数器和移位寄存器的分类、工作原理、逻辑功能及应用方法。要求明确二进制、非二进制计数器的概念区分,同步计数器和异步计数器的区分,加计数器和减计数器的区分。了解异步计数器和同步计数器的内部电路设计方法,掌握集成计数器的应用方法。要求明确寄存器的分类、集成寄存器的应用方法。学生在学完本章后,应当能够用集成计数器设计任意进制的计数器和产生任意的具有规律的节拍数字波形,能够应用集成寄存器设计数据串行输入到并行输出、并行输入到串行输出、并行输入到并行输出、串行输入到串行输出等应用电路。
  • 重点:分析和设计方法、基于集成块为基本元件的综合逻辑电路设计。集成时序逻辑器件的应用
  • 第八章 脉冲波形的产生与变换
  • 本章介绍几种脉冲信号产生器以及脉冲变换电路。目标是使学生了解基本单元电路如多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器及定时器等的功能、特点及其主要应用方法。要求掌握多谐振荡器的电路结构、频率计算方法、RC或晶振的配置;掌握单稳态触发器的工作原理、输出暂稳态脉宽计算方法、RC的配置,理解可重触发单稳态触发器和不可重触发单稳态触发器的含义并了解其应用场合,掌握集成单稳态触发器的应用设计方法如如何构成定时电路、如何构成多谐振荡器、如何用来消除数字信号中的尖峰脉冲干扰等;理解施密特触发器的传输特性及实现这种特性的内部电路工作原理,掌握集成施密特触发器的应用方法如用于波形的整形变换、信号幅度鉴别和如何构成多谐振荡器等;理解555定时器的内部电路工作原理,掌握其所有引脚在不同应用方法(如构成单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器等)下的连接方法,掌握如何配置RC外围电路器件参数。学生在学完本章后,应当能对多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器及定时器等单元电路加于灵活应用如用施密特触发器消除电气噪声作复位电路、用555定时器构成多谐振荡器测量电容值等。
  • 第九章 模数与数模转换器
  • 第十章介绍模数与数模转换器的类型、工作原理等。目标是使学生了解D/A转换器的类型及其优缺点,D/A转换器的输出方式,D/A转换器的主要技术指标,掌握集成D/A转换器的应用设计方法;了解A/D转换器的一般工作过程,A/D转换器的类型及各自的特点,A/D转换器的主要技术指标,掌握集成A/D转换器的应用设计方法;要求了解倒T形电阻网络D/A转换器和权电流型D/A转换器的内部结构、工作原理,准确掌握D/A转换器的转换精度、转换速度和温度系数的物理意义,理解决定转换精度的要素;了解采样与保持、量化与编码等概念,了解并行A/D转换器、逐次比较型A/D转换器和双积分式A/D转换器的内部结构和工作过程,正确区分出分辨率和转换精度,了解不同任务对转换时间的要求。学生在学完本章后,应当能查阅D/A和A/D的详细说明书,对工程问题写出设计方案。
  • 重点:集成D/A转换器和集成A/D转换器的应用设计方法,A/D转换器的时序图的阅读理解和应用。
  • 第三分:教学方案简要说明

课时计划是:对电子信息工程和通信工程专业每周4个学时,对网络工程专业每周3个学时,教师根据课时和专用要求适当调整部分教学内容。课程教学将采用课堂讲授与学生讨论相结合的方式。鉴于课程内容多电路图复杂而课时有限,本课程要求采用多媒体技术手段辅助教学。

  • 第四部分:课程作业与考核评价的说明

本课程重视平时的复习与作业,每一章每次课都有作业,部分作业是教科书上没有的,也可以是无统一标准答案的开放性和研究性作业,主要是教师提出的与实际工程问题接近的练习,要求学生自行完成。班级人数较多时,批改一半作业,人数较少时,全部批改。

本课程的期末考试方式采用闭卷考试。考试设计主要在于考查学习者理解、掌握和应用电路知识的程度;考查学习者分析研究问题的能力;考查学习者查阅资料的能力和综合设计能力。考试设计基于教学内容,但又不局限于教学内容。

本课程总评成绩由卷面考试成绩和平时作业及讨论成绩加权计算,采用百分制。卷面考试成绩占总评成绩的60~70%,平时成绩占总评成绩的30~40%,期中考试根据需要进行设置,考虑到期中考试的座次排列和监考的把关较难,期中考试成绩只作为参考列入平时作业成绩。

  • 第五部分:关于教材与学习参考书的建议

为了更好地理解和学习课程内容,做到学而至用,要求学习者查找和阅读5~8个元器件资料(至少有2篇英文的)并作应用方案设计。并建议学习者可以进一步阅读以下几本重要的参考书:

  • 1、[美]Alan B.Marcovitz 著,殷洪玺、杨匡汉、李正斌 等译:《逻辑电路设计基础Introduction to Logic Design》,电子工业出版社,2002年5月第1版。
  • 2、童永承主编:《数字逻辑分析与设计》,科学出版社,2002年8月第1版。