数字电路(华中师范大学)

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  《数字电路与逻辑设计》是面向电类专业学生开设的入门性质的基础专业课，使学生掌握数字电路的基本概念、理论和分析方法，同时培养学生在数字电子技术方面的分析、设计、综合与创新的能力，为学习后续课程和在实际中的应用打好基础。《数字电路与逻辑设计》课程的学习要求是使学生掌握数字电子技术的基本概念、基本原理和基本分析方法，以及典型电路的设计方法和基本的实验技能, 为今后的学习打下基础。数字电路内容涵盖逻辑代数基础、逻辑门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、及脉冲产生整形电路等。

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《数字电路与逻辑设计》教学大纲
　　 学 时：54学时
　　 学 分： 3分
　　 任课教师：刘时进、徐洪波
　　 开课院系：物理学院
　　 课程性质：专业基础课
　　 教 材：《电子技术基础教程（数字部分）》 刘时进、丁么明、周传辚编著 湖北科学技术出版社
一、 本课程教学的目的
　　 数字电子技术是研究数字信号的运算、变换和存储的一门科学。通过本课程的教学，学生应该熟练掌握数字电子技术的有关基础知识，能够阐述各种数字电路基本单元的逻辑功能，掌握分析和设计数字电路或电子系统的方法，并能够运用基本理论、基本知识和基本技能解决数字电子技术方面的实际问题，提高自己分析问题和解决问题的能力，为以后深入学习相关领域中的内容，以及电子技术在专业中的应用打好基础。
二、学习方法指导
　　 1、本课程是电类及其相关专业在电子技术方面入门性质的技术基础课，它具有自身的体系，是实践性很强的课程。在学习过程中，应该要注重系统性、科学性和实践性。
　　 2、在学习过程中要理论联系实际。通过了解一些典型实例，使自己学得会，用得上；并通过自身的实践活动，加深对数字电子技术的理解并促进其在今后工作中的应用。
　　 3、近年来，电子技术的的发展特点主要表现在数字电子技术的迅猛发展，所以在学习中要注重新技术、新成果的学习和了解。

三、本课程的重、难点
　　本课程的学习重点是：
　　　 1、数制、编码与逻辑代数
　　　 2、组合逻辑电路分析和设计的基本方法及典型MSI组合逻辑电路的逻辑功能和应用
　　　 3、时序逻辑电路分析和设计的基本方法及典型MSI时序逻辑电路的逻辑功能和使用方法
　　　 4、RAM、ROM的电路结构、工作原理及半导体存储器的应用
　　　 5、555定时器的电路结构、工作原理及用555定时器实现单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器的方法
　　　 6、权电阻D/A转换器和倒T型D/A转换器的电路结构特点、工作原理及主要技术参数
　　　 7、逐次逼近型A/D转换器和双积分型A/D转换器的电路结构特点、工作原理及主要技术参数
　　本课程的学习难点是：
　　　 1、编码与逻辑代数
　　　 2、典型MSI组合逻辑电路的逻辑功能和应用
　　　 3、时序逻辑电路的设计方法
　　　 4、半导体存储器的应用
　　　 5、双积分型A/D转换器的电路结构特点、工作原理
四、本课程教学基本内容及课时分配和教学环节安排
　　第一章 数制、编码与逻辑代数（8课时 讲授、作业、课堂辅导）
　　【知识点提示】二、十、十六进制的表示和相互转换，编码的概念，逻辑代数基本定律与定理，逻辑函数的变换与化　　　　　　　　　简。
　　【重、难点提示】编码的概念、逻辑函数的变换与化简。
　　 第1节 概述
　　 第2节 数制与数制转换
　　　　 (1) 数制
　　　　 (2) 数制间的转换
　　 第3节 编码
　　　　 (1) 二进制编码
　　　　 (2) 检错纠错码
　　 第4节 布尔代数基本概念
　　　　 (1) 布尔代数定义
　　　　 (2) 布尔代数的基本定理
　　　　 (3) 布尔代数的三规则
　　 第5节 逻辑函数及其应用
　　　　 (1) 逻辑函数
　　　　 (2) 三种基本逻辑运算
　　 第6节 逻辑函数的化简
　　　　 (1) 代数法化简
　　　　 (2) 卡诺图
　　　　 (3) 卡诺图法化简
　　　　 (4) 具有约束条件的逻辑函数化简
　　 第7节 逻辑函数的建立及表示方法
　　第二章 逻辑门电路（4课时 讲授、作业）
　　【知识点提示】TTL 、CMOS集成门的电路结构及工作原理，TTL 、CMOS集成门的逻辑理，逻辑函数的变换与化简。
　　【重、难点提示】TTL 、CMOS集成门的电路结构、工作原理、逻辑功能和使用方法。
　　 第1节 半导体二极管和三极管的开关特性
　　　　 (1) 半导体二极管的开关特性
　　　　 (2) 三极管的开关特性
　　　　 (3) 提高晶体三极管开关速度的途径
　　 第2节 场效应管的开关特性
　　　　 (1) N沟道增强型MOS管的开关特性
　　　　 (2) NMOS反相器
　　 第3节 基本逻辑门电路
　　　　 (1) 二极管“与”门和“或”门电路
　　　　 (2) 三极管“非”门电路
　　　　 (3) 复合门电路
　　 第4节 TTL“与非”门电路
　　　　 (1) 典型TTL“与非”门电路
　　　　 (2) TTL“与非”门的电压传输特性
　　　　 (3) TTL“与非”门的主要参数
　　　　 (4) TTL门电路的改进
　　　　 (5) 集电极开路TTL门（OC门）
　　　　 (6) 三态TTL门（TS门）
　　 第5节 CMOS逻辑门电路
　　　　 (1) CMOS反相器
　　　　 (2) CMOS“与非”门
　　　　 (3) CMOS“或非”门
　　　　 (4) CMOS传输门
　　　　 (5) CMOS三态门
　　 第6节 双极型其它类型门电路
　　　　 (1) 高阀值逻辑门电路（HTL）
　　　　 (2) 射极耦合逻辑门电路（ECL）
　　　　 (3) 集成注入逻辑门电路（IIL）
　　 第7节 正逻辑与负逻辑
　　　　 (1) 正负逻辑的基本概念
　　　　 (2) 门电路的两种逻辑符号
　　第三章 组合逻辑电路（10课时 讲授、作业、课堂辅导）
　　【知识点提示】组合逻辑电路分析和设计的基本方法，典型MSI组合逻辑电路的逻辑功能及使用方法，组合逻辑电路　　　　　　　　　 的竞争与冒险概念。
　　【重、难点提示】组合逻辑电路分析和设计的基本方法，典型MSI组合逻辑电路的逻辑功能及应用。
　　 第1节 概述
　　 第2节 组合逻辑电路的分析与设计
　　　　 (1) 组合逻辑电路的一般分析方法
　　　　 (2) 组合逻辑电路设计的基本思想
　　　　 (3) 组合逻辑电路的一般设计方法
　　　　 (4) 组合逻辑电路设计举例
　　 第3节 常用MSI组合逻辑电路
　　　　 (1) 编码器
　　　　 (2) 译码器
　　　　 (3) 数据选择与分配器
　　　　 (4) 数字比较器
　　　　 (5) 加法器
　　 第4节 MSI组合逻辑器件的应用举例
　　　　 (1) 数据选择器的应用举例
　　　　 (2) 译码器的应用举例
　　　　 (3) 加法器的应用举例
　　 第4节 组合逻辑电路中的竞争——冒险现象
　　　　 (1) 组合逻辑电路中的竞争——冒险现象
　　　　 (2) 竞争——冒险现象的判断
　　　　 (3) 冒险现象的消除
　　第四章 触发器（4课时 讲授、作业）
　　【知识点提示】基本RS触发器的构成及其工作原理；时钟控制触发器的应用；主从触发器和边沿触发器的构成特　　　　　　　　　 点及其工作原理，JK触发器和D触发器的应用。
　　【重、难点提示】主从触发器和边沿触发器的构成特点及其工作原理，JK触发器和D触发器的应用。
　　 第1节 基本触发器
　　　　 (1) 基本触发器的逻辑结构和工作原理
　　　　 (2) 基本触发器功能的描述
　　 第2节 同步触发器
　　　　 (1) 同步RS触发器
　　　　 (2) 同步D触发器
　　　　 (3) 同步触发器的触发方式和空翻问题
　　 第3节 主从触发器
　　　　 (1) 主从触发器基本原理
　　　　 (2) 主从JK触发器及其一次翻转现象
　　　　 (3) 集成主从JK触发器
　　 第4节 边沿触发器
　　　　 (1) CMOS边沿触发器
　　　　 (2) TTL边沿触发器
　　　　 (3) 维持阻塞D触发器
　　 第5节 触发器类型转换
　　　　 (1) T触发器和T’触发器
　　　　 (2) 触发器类型转换
　　 第6节 集成触发器的脉冲工作特性和动态参数
　　　　 (1) 集成主从JK触发器的脉冲工作特性和动态参数
　　　　 (2) 维持阻塞D触发器的脉冲工作特性和动态参数
　　第五章 时序逻辑电路（10课时 讲授、作业、课堂辅导）
　　【知识点提示】时序逻辑电路分析和设计的基本方法，移位寄存器、计数器等典型时序逻辑电路的逻辑功能及使用　　 　　 　　 　　方法；MSI时序逻辑电路的逻辑功能及使用方法，用MSI实现时序逻辑电路设计的基本思想。
　　【重、难点提示】时序逻辑电路分析、时序逻辑电路设计方法，用MSI实现时序逻辑电路的设计。
　　 第1节 概述
　　　 (1) 时序逻辑电路的特点
　　　 (2) 时序逻辑电路的功能描述方法
　　　 (3) 时序逻辑电路的分类
　　 第2节 时序逻辑电路的分析
　　 第3节 计数器
　　　 (1) 同步计数器
　　　 (2) 异步计数器
　　 第4节 寄存器和移位寄存器
　　　 (1) 寄存器
　　　 (2) 移位寄存器
　　　 (3) 动态MOS移位寄存器
　　 第5节 时序逻辑电路的设计
　　　 (1) 用SSI器件设计同步时序逻辑电路
　　　 (2) 用SSI器件设计异步时序逻辑电路
　　　 (3) 用MSI器件设计时序逻辑电路举例
　　第六章 半导体存储器（4课时 讲授、作业）
　　【知识点提示】RAM、ROM的结构及其工作原理，半导体存储器的应用，静态存储单元、动态存储单元、EPROM、　　　　　　　　　 EEPROM等概念。
　　【重、难点提示】RAM、ROM的结构及其工作原理，半导体存储器的应用，EEPROM的概念。
　　 第1节 概述
　　　 (1) 半导体存储器的分类
　　　 (2) 半导体存储器的主要工作指标
　　 第2节 随机存取存储器（RAM）
　　　 (1) RAM的结构
　　　 (2) RAM的地址译码
　　　（3）RAM的存储单元
　　 第3节 只读存储器（ROM）
　　　 (1) 掩摸只读存储器
　　　 (2) 可编程只读存储器（PROM）
　　　（3）可擦可编程只读存储器（EPROM）
　　　（4）电可擦可编程只读存储器（EEPROM）
　　 第4节 半导体存储器应用
　　　 (1) 半导体存储器容量的扩展
　　　 (2) 用存储器实现组合逻辑函数
　　　（3）用存储器构成字符发生器
　　　（4）用存储器实现序列信号发生器
　　 第5节 其它类型的存储器
　　　 (1) 快闪存储器
　　　 (2) 先进先出存储器
　　　（3）后进先出存储器
　　　（4）按内容寻址存储器
　　第七章 可编程逻辑器件（PLD）（可选学，4课时 讲授、作业）
　　【知识点提示】可编程逻辑器件PLD的有关概念，通用阵列逻辑GAL的结构组成、编程方法及其开发应用，EPLD和　　　　　　　　　 CPLD器件、ISP—PLD器件和FPGA器件的结构原理及应用方法。
　　【重、难点提示】可编程逻辑器件PLD的有关概念，EPLD和CPLD器件和FPGA器件的结构原理及应用方法。
　　 第1节 概述
　　　 (1) PLD的基本机构
　　　 (2) PLD电路表示法
　　　（3）PLD的分类
　　 第2节 PAL和GAL器件
　　　 (1) 可编程阵列逻辑（PAL）器件
　　　 (2) 通用阵列逻辑（GAL）器件
　　　（3）PAL和GAL器件的编程
　　 第3节 EPLD和CPLD器件
　　　 (1) EPLD器件及其结构原理
　　　 (2) CPLD器件及其结构原理
　　　（3）EPLD和CPLD器件的编程
　　 第4节 ISP—PLD器件
　　　 (1) 低密度ISP—PLD原理
　　　 (2) 高密度ISP—PLD原理
　　　（3）ISP—GDS原理
　　 第5节 FPGA器件
　　　 (1) FPGA器件概述
　　　 (2) FPGA的基本原理
　　　（3）FPGA的互连资源
　　第八章 脉冲波形的产生和整形（4课时 讲授、作业）
　　【知识点提示】单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器的电路结构特点和工作原理，555定时器的电路结构及　　　　　　　　　 其工作原理及其应用，脉冲整形电路的实现方法及其应用。
　　【重、难点提示】单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器的工作原理，555定时器的电路结构及其工作原理，　　　　　　　　　 用555定时器实现单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器的方法。
　　 第1节 概述
　　　 (1) 脉冲电路分析方法
　　　 (2) RC电路的应用
　　　（3）PLD的分类
　　 第2节 单稳态触发器
　　　 (1) 用门电路组成的单稳态触发器
　　　 (2) 集成单稳态触发器
　　　（3）单稳态触发器的应用
　　 第3节 多谐振荡器
　　　 (1) 自激多谐振荡器
　　　 (2) 环型振荡器
　　　（3）石英晶体多谐振荡器
　　 第4节 施密特触发器
　　　 (1) 用门电路组成的施密特触发器
　　　 (2) 集成施密特触发器
　　　（3）施密特触发器的应用
　　 第5节 555定时器
　　　 (1) 555定时器的电路结构与功能
　　　 (2) 555定时器的典型应用
　　第九章 A/D转换与D/A转换（4课时 讲授、作业、课堂辅导）
　　 【知识点提示】权电阻D/A转换器、倒T型D/A转换器的电路结构特点、工作原理及其主要技术参数，集成D/A转换器　　 　　 　　 　　 的电路结构特点和应用方法，逐次逼近型A/D转换器、双积分型A/D转换器的电路结构特点、工作原　　 　　 　　 　　 理及其主要技术参数，集成A/D转换器的电路结构特点和应用方法。
　　 【重、难点提示】权电阻D/A转换器、倒T型D/A转换器的电路结构特点、工作原理及其主要技术参数，逐次逼近型　　 　　 　　 　　 A/D转换器、双积分型A/D转换器的电路结构特点、工作原理及其主要技术参数。
　　 第1节 概述
　　 第2节 D/A转换的实现
　　　 (1) 权电阻网络D/A转换器
　　　 (2) 梯形（T型）电阻网络D/A转换器
　　　（3）倒梯形电阻网络D/A转换器
　　　（4）权电容网络D/A转换器
　　　（5）树状开关网络D/A转换器
　　 第3节 D/A转换器的主要指标及应用举例
　　　 (1) D/A转换器的主要性能指标
　　　 (2) D/A转换器的应用举例
　　 第4节 A/D转换的实现
　　　 (1) 有关概念
　　　 (2) 直接A/D转换器
　　　（3）间接A/D转换器
　　 第5节 A/D转换器的主要指标及应用举例
五、课程教学的基本要求：
　　 本课的教学环节包括课堂讲授，学生自学，习题讨论课，答疑，期末考试和实验（包括上机实验）。通过上述基本教学步骤，要求学生掌握和了解数字电子技术的基本理论及分析方法，并能正确地应用这些知识解决问题，为后续的课程奠定良好的基础。本课程学时数为54，考核方式为闭卷考试，实验单独设课。
六、课程主要参考书
　　 [1]阎石，《数字电子技术基础（第四版）》。高等教育出版社，1998．11
　　 [2]康华光主编，《电子技术基础》数字部分（第三版）。高等教育出版社，1998
　　 [3]张建华主编，《数字电子技术》。北京，机械工业出版社，1994

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　　本课程的师资队伍共由7人组成，其中教授1人（黄光明），副教授4人（刘时进、李玲远、徐洪波博士、夏应清博士），讲师1人（胡君红），高级工程师1人（叶苏孙）。
　　课程建设负责人刘时进副教授，专业基础扎实，虚心好学，刻苦钻研，进取心强。从事本科教学工作十多年，承担各级各类《数字电路与逻辑设计》课程授课任务达十余次。2002年，荣获华中师范大学 “教师教学工作优秀奖二等奖”，2004年，荣获华中师范大学 “教学成果奖二等奖”。近年来，公开发表研究论文十多篇，并有论文被ISTP收录。先后应邀访问过新加坡国立大学、台湾中央大学、澳门大学和美国杨百翰大学夏威夷分校，多次参加国际学术会议，曾获得武汉市政府颁发的科技进步二等奖、湖北省教育科学研究优秀成果三等奖、第五届全国多媒体教育软件大奖赛（CIETE）三等奖等荣誉。
　　课程建设骨干成员黄光明教授是电子技术及计算机技术的研究与应用专家，主持一项国家自然科学基金项目和一项湖北省自然科学基金项目。成立物理科学与技术学院后，学院统筹教学工作，安排黄光明教授为电子与信息工程系实验中心主任，分管电信系实验室建设，并参与《数字电路与逻辑设计》主干课程中实验课的建设。自制的“数字电路与逻辑设计实验箱”就是在黄光明教授的直接领导下完成的。
　　课程建设骨干成员李玲远副教授现为华中师范大学电子与信息工程系副系主任、电信系教学中心主任、电工电子实验室主任（该实验室属于校平台实验室）、全国高等学校教学研究会电子信息、通信工程专业委员会单位委员。曾参与和主持多项国家级、省级教学研究课题，如作为第三项目完成人的建设项目《面向21世纪高师物理教育模式改革研究和实践》获国家级教学成果一等奖，主持的省级教改研究项目《电子信息科学与技术专业实验课程教学改革研究》通过验收，并获优秀。
　　课程建设骨干成员徐洪波博士、夏应清博士均年轻有为，不仅积极参与《数字电路与逻辑设计》课程改革及相关教学研究项目，他们目前还主持或参与有国家自然科学基金资助项目一项、省自然科学基金资助项目二项和武汉市晨光计划项目一项。
　　骨干梯队成员胡君红老师现正在华中科技大学图像所攻读博士学位，研究图像处理、并行处理系统。学习之余，她还主动承担本科生的“数字电路与逻辑设计”课程教学任务，并积极参与多项湖北省教学研究课题。
　　课程建设组成员叶苏孙高级工程师，几十年来勤勤恳恳地工作在实验室，为开发自制的“数字电路实验箱”做出了重大贡献。他还常年牺牲节假日休息时间，为学生开放综合实验室，及时维护实验设备。