《数字电子技术》课程教学大纲
课程编号：ZJ0801005
一、课程说明
1.课程代码
RZ0801005
2.课程类别
专业基础类课程
3.适应专业及课程性质
电子信息科学与技术专业必修
光电子科学技术必修
微电子科学技术必修
电气工程及其自动化必修
4.课程目的
本课程的主要目的和任务是使学生掌握数字电子技术的基本概念、基本理论、基本知识和基本应用，掌握数字电路的分析方法和设计方法。
5.学时与学分
学时为64，学分为3.5.
6.建议先修课程
《电路分析》《模拟电子技术》
二、课程教学基本内容及要求
第一章数字逻辑概论
计划学时：6学时
基本要求：
（1）掌握数字电子技术的学科性质、基本内容和学习意义，了解本门课程的教学要求和学习方法。
（2）掌握常见的数制（如：十进制、二进制、八进制、十六进制等）及其之间的相互转换；掌握常见的代码（如：8421码、余三码、格雷码等）以及数制与代码之间的相互转换；掌握基本逻辑运算（包括与、或、非运算）的定义、符号真值表、基本电路、符号；理解逻辑函数与逻辑问题的描述。
教学重点及难点：
（1）本章重点是数字量与模拟量的特点；数字电路的特点、应用；典型的脉冲波形及脉冲的主要参数；常见的数制（如：十进制、二进制、八进制、十六进制等）及其之间的相互转换；常见的代码（如：8421码、余三码、格雷码等）以及数制与代码之间的相互转换。
（2）本章难点是数制与代码之间的相互转换以及二进制数（包括正、负二进制数）的表示法和补码的运算；基本逻辑运算的概念（与、或、非运算）。
基本内容：
（1）模拟信号与数字信号：模拟信号；数字信号；二值数字逻辑和逻辑电平；数字波形；模拟量的数字表示。
（2）数字电路：数字电路的发展和分类；数字电路的分析方法和测试技术。
（3）数制：十进制；二进制；十-二进制之间的转换；十六进制和八进制。
（4）二进制数的算术运算：无符号、带符号二进制数的运算。
（5）二进制代码：二—十进制码、格雷码、ASCII码。
（6）逻辑函数及其表示方法。
思考题：
（1）举出4种模拟信号。
（2）当前两种主要的逻辑门电路是什么？
（3）为什么在计算机或数字系统中通常采用二进制？八进制和十六进制各用在何种场合？
（4）8421BCD码为什么用得较普遍？
（5）什么叫与、或、非逻辑？试举出几种相关的实例，并写出3种逻辑运算的表达式。
第二章逻辑代数与硬件描述语言基础
计划学时：8学时
基本要求：掌握逻辑代数的基本定理、基本规则和常见公式；掌握逻辑函数的公式法化简和逻辑等式的公式法证明；掌握逻辑函数的表示方法（如：真值表、逻辑函数表达式、卡诺图、逻辑电路图）及其之间的相互转换；掌握逻辑函数的卡诺图化简（包括带有任意项的卡诺图的化简）；了解硬件描述语言Verilog HDL基础。
教学重点及难点：逻辑代数的基本定理、基本规则和常见公式；逻辑函数的公式法化简和逻辑等式的公式法证明；逻辑函数的表示方法及其之间的相互转换；逻辑函数的卡诺图化简（包括带有任意项的卡诺图的化简）。
基本内容：
（1）逻辑代数：逻辑代数的基本定律和恒等式；逻辑代数的基本规则；逻辑函数的代数变换与化简法。
（2）逻辑函数的卡诺图化简法：最小项的定义及其性质；逻辑函数的最小项表达式；用卡诺图表示逻辑函数；用卡诺图化简逻辑函数。
（3）硬件描述语言Verilog HDL基础：Verilog的基本语法规则；变量的数值类型；Verilog程序的基本结构；逻辑功能的仿真与测试。
思考题：
（1）什么是布尔代数？
（2）最简与或表达式的标准是什么？
（3）什么是最小项？什么是无关项？
第三章 逻辑门电路
计划学时：8学时
基本要求：
（1）掌握CMOS反相器的工作原理及静态特性;理解CMOS反相器的动态特性以及其他CMOS门（与非门、或非门等）的工作原理；掌握CMOS传输门的工作原理。理解CMOS漏极开路门和三态输出门电路工作原理；理解NMOS逻辑门电路。
（2）掌握晶体二极管的开关特性；掌握晶体三极管的开关特性；掌握基本逻辑门电路组成和工作原理；掌握TTL反相器的工作原理和电压传输特性；掌握TTL与非门的工作原理和技术参数；理解TTL或非门、集电极开路门和三态门的工作原理及改进型TTL门电路；理解OC门的负载电阻的计算。
（3）理解正负逻辑问题。
教学重点及难点：
（1）本章重点是MOS管和晶体管的开关特性；CMOS集成逻辑门电路；TTL集成逻辑门电路（包括TTL反相器的工作原理，静态输入、输出、电压传输特性）。
（2）本章难点是CMOS门电路（包括CMOS反相器的静态特性，电压传输特性，电流传输特性，输入特性，输出特性，输入端噪声容限）；TTL集成逻辑门电路（包括TTL反相器的工作原理、传输特性、输入特性、输出特性、输入负载特性、动态特性，TTL与非门、或非门、与或非门、异或门及以及TTL门的改进系列，OC门、三态门以及OC门的负载电阻的计算）。
基本内容：
（1）数字集成电路一般常识。
（2）MOS开关及其等效电路
（3）CMOS反相器；CMOS门电路； CMOS漏极开路门和三态门电路；CMOS传输门；CMOS逻辑门电路的技术参数。
（4）NMOS逻辑门电路。
（5）二极管的开关特性。
（6）BJT的开关特性。
（7）基本BJT反相器的动态特性
（8）TTL逻辑门电路。
（9）集电极开路门和三态门电路。
（10）改进型TTL门电路
（11）正负逻辑问题。
（12）逻辑门电路使用中的几个实际问题：各种门电路之间的接口问题；门电路带负载时的接口电路。
思考题：
（1）CMOS逻辑门电路与TTL电路相比有哪些优点？为什么说，从发展的观点来看，CMOS器件有取代TTL门电路的趋势？
（2）影响二极管、三极管开关速度的主要因素是什么？
（3）利用二极管和三极管可以构成数字逻辑运算中所需的与、或、非三种门电路，它们有什么缺点？应如何改进？
（4）一般的BJT反相器的动态性能存在什么问题？而TTL反相器的输入级和推拉输出级各有什么特点，它们是怎样提高电路的开关速度的？
（5）TTL门电路中为了实现线与的逻辑功能可以采用或非门、集电极开路门和三态门，试说明其原理，它们各用于何种场合？
（6）抗饱和TTL电路为什么可以提高开关速度？
第四章组合逻辑电路
计划学时：10学时
基本要求：
（1）掌握组合逻辑电路的定义；掌握组合逻辑电路的分析和设计。
（2）理解组合逻辑电路的竞争-冒险；运用逻辑代数和卡诺图分析和设计简单组合逻辑电路。
（3）掌握常用组合逻辑电路（编码器、译码器、数据选择器、数值比较器/数据分配器、算术/逻辑运算单元）的基本概念、工作原理、功能及应用；
（4）运用真值表、逻辑代数、卡诺图等作为工具进行逻辑电路的分析和设计。
教学重点及难点：
（1）逻辑函数的公式法化简和逻辑等式的公式法证明；逻辑函数的卡诺图化简（包括带有随意项的卡诺图的化简）；组合逻辑电路的分析和设计；组合逻辑电路的竞争-冒险。
（2）常用组合逻辑电路（编码器、译码器、数据选择器、数值比较器/数据分配器、算术/逻辑运算单元）的基本概念、工作原理及功能；
（3）用中规模集成电路（如：用数据选择器、加法器、译码器）实现组合逻辑电路的设计。
基本内容：
（1）组合逻辑电路的分析。
（2）组合逻辑电路的设计。
（3）组合逻辑电路中的竞争冒险：产生竞争冒险的原因；消除竞争冒险的方法。
（4）编码器：编码器的定义与功能；集成电路编码器。
（5）译码器/数据分配器：译码器的定义及功能；集成电路译码器；数据分配器。
（6）数据选择器：数据选择器的定义及功能；集成电路数据选择器。
（7）数值比较器：数值比较器的定义及功能；集成数值比较器。
（8）算术运算电路：半加器和全加器；多位数加法器；减法运算；集成算术/逻辑单元举例。
思考题：
（1）试列出在逻辑电路设计中使用卡诺图的理由。
（2）列出分析组合逻辑电路的步骤。
（3）列出设计组合逻辑电路的步骤。
（4）什么是编码？什么是优先编码？
（5）什么是译码？什么是唯一地址译码？
（6）试用十六进制数的方式写出16选1的数据选择器的各地址码。
（7）74LS85的三个输入端，IA》B、IA=B、IA《B有何作用？
（8）什么是半加器？什么是全加器？
（9）简要说明由加补码完成减法运算的原理。
第五章锁存器和触发器
计划学时：8学时
基本要求：
（1）掌握锁存器工作原理（包括SR锁存器、D锁存器）
（2）掌握触发器工作原理（包括主从触发器、维持阻塞触发器和利用传输延迟的触发器）。
（3）掌握触发器的逻辑功能（包括：D触发器、JK触发器、T触发器、SR触发器及其之间的相互转换）。
教学重点及难点：
（1）教学重点是几种常见锁存器和触发器的组成结构、工作原理和逻辑功能；触发器的功能表示（如：特性表、次态卡诺图、特性方程、激励表、状态转换图、波形图）及其之间的相互转换；触发器的公式法类型转换和图形法类型转换。
（2）教学难点是锁存器、主从触发器、边沿触发器的组成结构和逻辑功能；触发器的功能表示及其之间的相互转换。
基本内容：
（1）双稳态存储单元电路。
（2）锁存器：SR锁存器、D锁存器。
（3）触发器的电路结构和工作原理：主从式触发器；维持阻塞触发器；利用传输延迟触发器。
（4）触发器的功能：RS触发器；JK触发器；T触发器；D触发器。
（5）触发器的功能转换。
思考题：
（1）按电路结构和触发方式分类，触发器可分为哪几类？
（2）边沿触发器与主从触发器比较，具有什么主要优点？写出RS触发器、JK触发器、T触发器和D触发器的特性方程。
（3）怎样利用JK触发器组成RS、T、D触发器？
第六章时序逻辑电路
计划学时：10时
基本要求：
（1）掌握时序逻辑电路的基本概念；掌握时序逻辑电路的分析；理解时序电路各方程组（输出方程组、驱动方程组、状态方程组），状态转换表、状态转换图及时序图在分析和设计时序电路中的重要作用；掌握同步时序逻辑电路的设计。
（2）理解异步时序逻辑电路的设计。
（3）掌握计数器的分类；掌握二进制同步和异步计数器的构成原理；掌握集成计数器74161、74LS193、74LS290的功能；运用集成计数器构成任意进制计数器。
（4）掌握寄存器的分类；掌握集成寄存器74LS175和集成移位寄存器74194的结构和工作原理；运用移位寄存器构成环行计数器。
教学重点及难点：
（1）本章的重点是时序逻辑电路的基本概念（如：时序逻辑电路的定义、分类等）；时序逻辑电路的分析；时序逻辑电路的功能表示（如：方程组、状态表、状态图、时序图）；常见时序逻辑电路（如：计数器、寄存器）的组成和工作原理；同步时序逻辑电路的设计；二进制同步和异步计数器的构成原理；集成计数器74161、74LS193、74LS290的功能；用集成计数器构成任意进制计数器；集成寄存器74LS175和集成移位寄存器74194的结构和工作原理。
（2）教学难点是二进制同步和异步计数器的构成原理；用集成计数器构成任意进制计数器；时序逻辑电路的设计；时序逻辑电路的功能表示（如：方程组、状态表、状态图、时序图）；常用时序电路，尤其是计数器、移位寄存器组成及工作原理。
基本内容：
（1）时序逻辑电路的基本概念：时序逻辑电路的基本结构及特点；时序逻辑电路的分类；时序逻辑电路的描述方法。
（2）时序逻辑电路的分析方法：分析时序逻辑电路的一般步骤；同步时序逻辑电路的分析；
（3）异步时序逻辑电路的分析。
（4）同步时序逻辑电路的设计方法：同步时序逻辑电路设计的一般步骤；同步时序逻辑电路设计。
（5）计数器:二进制计数器；非二进制计数器；集成计数器。
（6）寄存器和移位寄存器。
（7）用Verilog HDL描述时序逻辑电路
思考题：
（1）时序逻辑电路由哪几部分组成？它和组合电路的区别是什么？时序逻辑电路可分成哪两大类？
（2）描述时序逻辑电路的方法有哪几种？它们有何关系？状态表和状态图怎样构成？
（3）时序逻辑电路的分析过程大致分哪几步？
（4）同步时序逻辑电路的设计大致分哪几步？
（5）什么是原始状态图？怎样化原始状态图？
（6）设计二进制同步计数器的主要步骤是什么？
（7）如何将74LS290连接成5421码十进制计数器？
（8）能否用具有同步清零功能的二进制计数器采用反馈清零法构成N进制计数器？
（9）用74LS290构成N>10进制计数器时，能否采取并行进位的连接方式吗？
（10）用74LS175能实现数据的串行-并行或并行-串行转换吗？
若用同步RS触发器组成移位寄存器，能否正常工作？会产生什么现象？
第七章存储器、复杂可编程逻辑器件和现场可编程门阵列
计划学时：2学时
基本要求：
（1）掌握RAM和ROM的电路结构和工作原理；掌握RAM存储容量的扩展；掌握PLD的电路表示法；了解可编程阵列逻辑器件（PAL）；了解可编程通用阵列逻辑器件（GAL）。
（2）了解现场可编程门阵列（FPGA）。
教学重点及难点：
（1）教学重点是RAM和ROM的电路结构和工作原理；RAM存储容量的扩展；PLD的电路表示法。
（2）教学难点是RAM和ROM的电路结构和工作原理；RAM存储容量的扩展；可编程阵列逻辑器件（PAL）；可编程通用阵列逻辑器件（GAL）；现场可编程门阵列（FPGA）。
基本内容：
（1）随机存取存储器（RAM）：RAM的电路结构和工作原理；RAM存储容量的扩展；RAM举例。
（2）只读存储器（ROM）
（3）可编程逻辑器件（PLD）：PLD的电路表示法；可编程阵列逻辑器件（PAL）简介；可编程通用阵列逻辑器件（GAL）。
（4）复杂的可编程逻辑器件（CPLD）：CPLD的额结构；CPLD编程。
（5）现场可编程门阵列（FPGA）：FPGA中编程实现逻辑功能的基本原理；现场可编程门阵列结构；编程实现原理简介。
思考题：
（1）在存储器的结构中，什么叫“字”？什么叫“字长”？如何标注存储器的容量？
（2）DRAM中存储的数据如何不进行周期的刷新，其数据将会丢失；而SRAM中存储的数据无须刷新，只要电源不端电就可以永久保存，为什么？
（3）一般情况下，DRAM的集成度比SRAM的集成度高，为什么？
（4）用容量为16K×8位寄存器芯片构成1个64K×8位的存储系统，需要多少根地址线？多少根数据线？多少个16K×8位的存储器芯片？
（5）哪几种ROM具有多次擦除重写功能？哪种ROM的擦除过程就是数据写入过程？
（6）EPROM、E2PROM和快闪存储器有什么共同之处？它们的主要区别是什么？
（7）PAL和GAL实现组合逻辑函数的基本原理是什么？
第八章脉冲波形的产生与变换
计划学时：8学时
基本要求：
（1）掌握门电路组成的多谐振荡器的工作原理；了解石英晶体振荡器的工作原理和应用；了解门电路组成的微分型单稳态触发器的工作原理；了解集成单稳态触发器的工作原理及其应用。
（2）掌握门电路组成的施密特触发器的工作原理；了解集成施密特触发器的工作原理及其应用。
（3）掌握555定时器的结构和工作原理；运用555定时器构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器。
教学重点及难点：
（1）教学重点是门电路组成的多谐振荡器的工作原理；微分型单稳态触发器的工作原理；门电路组成的施密特触发器的工作原理；555定时器的结构和工作原理；运用555定时器构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器。
（2）教学难点是微分型单稳态触发器的工作原理；门电路组成的施密特触发器的工作原理；555定时器的结构和工作原理；运用555定时器构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器。
基本内容：
（1）多谐振荡器：门电路组成的多谐振荡器；石英晶体振荡器。
（2）单稳态触发器：门电路组成的微分型单稳态触发器；集成单稳态触发器；单稳态触发器的应用。
（3）施密特触发器：门电路组成的施密特触发器；集成施密特触发器；施密特触发器的应用。
（4）555定时器及其应用：555定时器；定时器应用举例。
思考题：
（1）与触发器相比较，单稳态触发器在电路结构和工作原理方面有什么特点？
（2）用与非门构成的单稳与用或非门组成的单稳，它们的工作原理是否相同？它们的触发器和输出脉冲有何区别？
（3）集成单稳分为哪两类？它们的区别是什么？
（4）用集成单稳74121产生输出脉宽等于3ms的脉冲信号，如选R=2KΩ（内部电阻），试问外接电容Cext应取何值？
（5）你能否通过外加连线的方法将MC14528改变为不可重复触发器单稳？试画出电路并什么其工作原理。
（6）施密特触发器工作特点如何？它具有怎样的传输特性？
（7）试简述施密特电路具有抗干扰特性的原理。
（8）555定时器具有哪些应用特点？其典型应用电路哪几种？
第九章D/A与A/D转换
计划学时：4学时
基本要求：
（1）掌握D/A转换器基本指导思想和一般框图；掌握倒T形电阻网络D/A转换器和权电流D/A转换器的工作原理；了解D/A转换器的输出方式；了解D/A转换器的主要技术指标；了解集成D/A转换器及其应用。
（2）掌握A/D转换的一般工作过程；掌握并行比较型A/D转换器和逐次比较型A/D转换器的工作原理；了解双积分式A/D转换器；了解集成A/D转换器及其应用。
教学重点及难点：
（1）教学重点是D/A转换器基本指导思想和一般框图；倒T形电阻网络D/A转换器和权电流D/A转换器的工作原理；A/D转换的一般工作过程；并行比较型A/D转换器和逐次比较型A/D转换器的工作原理。
（2）教学难点是倒T形电阻网络D/A转换器和权电流D/A转换器的工作原理；并行比较型A/D转换器；逐次比较型A/D转换器；双积分式A/D转换器。
基本内容：
（1）D/A转换器: D/A转换器的基本原理；倒T形电阻网络D/A转换器；权电流D/A转换器；D/A转换器的输出方式；D/A转换器的主要技术指标；集成D/A转换器及其应用。
（2）A/D转换器：A/D转换的一般工作过程；并行比较型A/D转换器；逐次比较型A/D转换器；双积分式A/D转换器；集成A/D转换器及其应用。
思考题：
（1）D/A转换器有哪几种基本类型？倒T形电阻网络D/A转换器和权电流D/A转换器各有什么特点？
（2）如要求电路的功耗小，你应选择哪种D/A转换器？如要求转换速度快呢？
（3）为使倒T形电阻网络D/A转换器有足够的转换精度，在电路器件及参数选择上应有什么基本要求？
（4）实现模数转换一般要经过哪4个过程？按工作原理不同分类，A/D转换器可分为哪两种？
（5）在课本图10.2.4所示并行比较A/D转换器电路中，若输入电压vi为负电压，试问电路能否进行A/D转换？为什么？如不能正常工作，需要如何改进电路？
（6）比较并行比较型A/D转换器、逐次比较型A/D转换器、双积分式A/D转换器的优缺点，试问应如何根据实际系统要求合理选用？
三、课程学时分配
本课程计划64学时，其中理论教学56学时，课内实践8学时。课程主要内容和学时分配见课程学时分配表和课内实践学时分配表。
表1课程学时分配表
  教学环节
时数
课程内容
| 理论教学
| 实践教学
| 小计
| 讨论
|
第一章数字逻辑概论
| 4
| 2
| 6
|
|
第二章逻辑代数
| 8
|
| 8
|
|
第三章逻辑门电路
| 8
|
| 8
|
|
第四章组合逻辑电路
| 8
| 2
| 10
|
|
第五章锁存器和触发器
| 8
|
| 8
|
|
第六章时序逻辑电路
| 8
| 2
| 10
|
|
第七章存储器和可编程器件
| 2
|
| 2
|
|
第八章脉冲波形的变换与产生
| 6
| 2
| 8
|
|
第九章数模与模数转换器
| 4
|
| 4
|
|
总计
| 56
| 8
| 64
|
|
表2课内实践学时分配表
序
号
| 实践项目名称
| 学时
| 实践内容及目的
| 实践方式
| 备注
|
实验、课堂讨论、案例分析、课程小论
文、专业技法等
|
1
| 数字电子技术在实际生活中的应用
| 2
| 让学生了解数字电子技术在人们实际生活中的广泛应用
| 课堂讨论
|
|
2
| 组合逻辑电路的应用
| 2
| 让学生了解组合逻辑电路在实际中的应用
| 案例分析
|
|
3
| 时序逻辑电路的应用
| 2
| 让学生了解时序逻辑电路在实际中的应用
| 案例分析
|
|
4
| FPGA技术的应用
| 2
| 让学生了解大规模集成电路在实际中的应用
| 专业技法
| 用FPGA开发板展示和演示
|
四、考核及成绩评定
考核类型：考试
成绩评定：
（1）平时成绩占总评成绩的50 %，分别为：课堂表现占15%、课内实践占20%、课外作业占15%
（2）期末考核成绩占50 %。，考核形式有：期末闭卷考试
五、 推荐教材、参考书目与推荐网站
推荐教材：
《电子技术基础（数字部分）》（第5版）.康华光主编.高等教育出版社.2006年
参考书目：
（1）《数字电子技术基础》（第4版）.阎石主编.高等教育出版社.1998年
（2）《数字电子技术基础简明教程》（第2版）.余孟尝主编.高等教育出版社.1999年。
