《数字电路与逻辑设计》课程实施大纲.docx

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1、数字电路与逻辑设计课程实施大纲.教学理念11 .课程介绍11.1 课程的性质11.2 课程在学科专业结构中的地位、作用11.3 课程的前沿及发展趋势21.4 学习本课程的必要性2.课程介绍32 .教师简介22.1 教师的职称、学历22.2 教育背景22.3 研究兴趣（方向）3.先修课程33 .课程目标33.1 知识与技能方面33.2 过程与方法方面43.3 情感、态度与价值观方面4.课程内容43.4 课程的内容概要43.5 学习要求43.6 学时安排5.课程实施58.0绪论78.1 教学单元一88.2 教学单元二108.3 教学单元三158.4 教学单元四168.5 教学单元五188.0教学单

2、元零单元教学日期第 1 次 2017.2. 27单元教学目标绪论1 .通过对通信技术或计算机技术发展历史、现状及未来的发展趋 势的介绍，引出数字电子技术发展的历史、现状及未来的发展趋势。 从而引出学习数字电路与逻辑设计课程的重要性、必要性和前后课 程的关联性。2 .课程内容简介。单元教学内容（含重 点、难点）.了解全课程的各章节的内容的基本要求。.单兀教学方法以技术的发展历程引出课程的发展趋势单元作业安排课后反思了解每一门课为什么要引入，怎么引入的，如何学习等问题。教学单兀的参考资料通信技术和计算机技术的发展历程。课前准备情况及其他相关特殊要求教学过程：.绪论1、各类电子设备的应用发展，以通信

3、技术和计算机技术为例进行说明。2、数字系统的基本概念：数字量、模拟量、数字信号；3、数字系统自顶向下的分层结构说明，从中引出本课程的重心所在。4、本课程的性质和任务；5、介绍主要参考书目；6、通报本课程的教学及考核方式，以及上课纪律要求等。单元教学日期第 2 次 2017. 3. 1单元教学目标数制和码制单元教学内容（含重 点、难点）.见第七部分课程内容中的学习要求单元教学方法课堂讲授+课堂讨论。单元作业安排根据课程实施情况及教学要求确定作业，主要参考数字电子技术 基础（第五版）阎石主编。课后反思教学单元的参考资料见绪论部分一主要参考书目课前准备情况及其他相关特殊要求教学过程：第一章 逻辑代数

4、基础1.1 概述电子电路中的信号模拟信号：幅度随时间连续变化的信号数字信号：幅度和时间都是离散的.数字信号的表示方式：1）采用二值数字来表示，即0、1数字。为 逻辑0, 1为逻辑1;2）采用逻辑电平来表示，即H和L；3）采用数字波形来表示。1.2 几种常用的数制数制：表示数时，仅用一位数码往往不够用，必须用进位计数的方法组成多位数码。多位数码每一位的构成以及从低位到高位的进位规则称为进位计数制，简称数制。基数： 进位制的基数，就是在该进位制中可能用到的数码个数。位 权（位的权数）： 在某一进位制的数中，每一位的大小都对应着该位上的数码乘 上一个固定的数，这个固定的数就是这一位的权数。权数是一个

5、幕。一、十进制数码为：。9；基数是10。用字母D表示运算规律：逢十进一，即：9 + 1 = 10。十进制数的权展开式：D = ZMX10z若在数字电路中采用十进制必须要有十个电路状态与十个计数码相对应。将在技术上带来许 多困难，很不经济。二、二进制数码为：0、1;基数是2。用字母B表示运算规律：逢二进一，即：l + l = 10o三、八进制数码为：。7；基数是8。用字母。表示运算规律：逢八进一，即：7 + 1 = 10。八进制数的权展开式：D=S/c/X8/四、十六进制数码为：09、AF；基数是16o用字母H来表示运算规律：逢十六进一，即：F + l = 10o十六进制数的权展开式：D=S/c

6、/X16,1.1 不同数制间的转换一、二一十转换方法：将二进制数按权展开再相加，即可以转换为十进制数。方法一基数连除、连乘法将整数部分和小数部分分别进行转换。整数部分一基数连除取余；小数部分一基数连乘取整。采用基数连除、连乘法可将十进制数转换为任意的N进制数。三、二一十六转换将二进制数由小数点开始，整数部分向左，小数部分向右，每4位分成一组，不够4位补 零，则每组二进制数便是一位十六进制数。四、十六一二转换方法：将每位十六进制数用4位二进制数表示。五、八进制数与二进制数的转换二进制数与八进制数的相互转换，按照每3位二进制数对应于一位八进制数进行转换。六、十六进制数与十进制数的转换将十六进制数转

7、换成十进制数时，按权展开再相加即可。将十进制数转换成十六进制数时，可先转换成二进制数，再将得到的二进制数转换成等值的 十六进制数1.4 二进制算术运算一、二进制算术运算的特点二进制算术运算和十进制算术运算规则基本相同，区别是“逢二进一二二、反码、补码和补码运算原码最高位作为符号位,正数为0,负数为1.补码最高位作为符号位,正数为0,负数为L正数的补码和它的原码相同;负数的补码需先将 其原码数值逐位求反，然后在最低位加1.1.4 几种常用的编码我们常用的数字1、2、39、0通常有两大用途：表示大小：10000 （一万），8848米。表示编码：000213班，8341部队。用四位自然二进制码中的前

8、十个码字来表示十进制数码，因各位的权值依次为8、4、2、1,故称8421 BCD码。2421码的权值依次为2、4、2、1；余3码由8421码加0011得到；格雷码是一种循环码，其特点是任何相邻的两个码字，仅有一位代码不同，其它位相同。常用BCD码十进制数8421 码余3码格雷码2421 码5211 码00000001100000000000010001010000010001000120010010100110010010030011011000100011010140100011101100100011150101100001111011100060110100101011100100170

9、1111010010011011100810001011110011101101910011100110111111111权842124215211美国标准信息交换码一ASCII码特点：是一种7位二进制代码，共有128种状态，分别代表128种字符。例：100 0001代表 A8.2教学单元二单元教学日期第 3 次 2017. 3.6单元教学目标第一章逻辑代数基础1 .介绍逻辑变量与逻辑函数。2 .讲解逻辑代数中的与或非三种基本运算及常见复合运算。3 .列举逻辑函数的描述方法。4 .分析推导逻辑代数的基本公式和常用公式。5 .讲解逻辑代数的三个基本定律。单元教学内容（含重 点、难点）.逻辑代数的

10、基本概念与运算。.单兀教学方法课堂讲授+课堂讨论。课堂讲授：从实际应用出发，让学生了解逻辑变量和逻辑函数，及相关的逻辑关系。互动：请学生提出是否会有其它的逻辑的关系。理解1+1=1的含义。 课堂讨论：逻辑函数的描述方法中哪些方法更好用和实用？单元作业安排P582. 2选两小题课后反思现代装修中客厅灯线路是如何设计的？两套开关和灯器件之间的逻辑关系是这样的？教学单兀的参考资料数字电子技术基础（第五版）：P19-28数字电路逻辑设计（第二版）：P13-27数字系统原理与应用（第九版）：P40-72课前准备情况及其他 相关特殊要求数字逻辑代数公式中哪些与以前学过的逻辑公式含义相同，哪些不同？教学过程

11、:第一章逻辑代数基础1.5 1.6 概述在数字电路中，主要研究的是电路的输入输出之间的逻辑关系，因此数字电路又称逻辑 电路，其研究工具是逻辑代数（布尔代数或开关代数）。逻辑变量：用字母表示，取值只有。和1。此时，0和1不再表示数量的大小，只代表两种 不同的状态。1.6 逻辑代数中的三种基本运算一、与逻辑（与运算）与逻辑：仅当决定事件（Y）发生的所有条件（A, B, C,）均满足时，事件（Y）才能发 生。表达式为：Y二ABC.与门的逻辑符号：YY = AB二、或逻辑（或运算）或逻辑：当决定事件（Y）发生的各种条件A, B, C,）中，只要有一个或多个条件具备, 事件（Y）就发生。表达式为：Y =

12、 A + B + C+真值表000011101111逻辑表达式为：Y=A+B 实现或逻辑的电路称为或门。 或门的逻辑符号：.三、非逻辑（非运算）非逻辑：指的是逻辑的否定。当决定事件（Y）发生的条件（A）满足时，事件不发生；条件 不满足，事件反而发生。表达式为：Y=A，真值表A ABY000110111B1A1 0真值表用E门E实现非逻辑的电路称为非门。 非门的逻辑符号：A 1 o- Y Y=AfA - Y常用的逻辑运算 1、与非运算：逻辑表达式为：Y = (A B)00=00 1=1165 0=111=04、同或运算:00=00 1=1165 0=111=04、同或运算:A0=AA 1二 AA

13、A =1AA=0逻辑表达式为：Y = AB +AB=AOBABY001010100111真值表同或门的逻辑符号同或逻辑的运算规则:0。0=10 O 1=01 O 0=01 O 1=15、与或非运算：A O 0二AA。1=AA O A7 =0A O A=1逻辑表达式为：y = （a8 + c逻辑代数的基本公式和常用公式一、基本公式.常量之间的关系与运算：00 = 00-1=01-0 = 0 11 = 1或运算：0 + 0 = 0 0 + 1=11+0 = 1 1 + 1 = 1非运算：=00 二11 .基本公式A + 0 = AA + = o-工律：4%5 砌）， 形成电场GB,把 衬底中的电子

14、吸引 到上表面，除复合 外，剩余的电子在 上表面形成了 N型 层（反型层）为D、 科间的导通提供了 通道。可以通过改变VGS的大小来控制的大小。二、MOS管的输入、输出特性对于共源极接法的电路，栅极和衬底之间被二氧化硅绝缘层隔离，所以栅极电流为零。输出特性曲线（漏极特性曲线）出/产A可变电阻区夹断区（截止区）条件：整个沟道都夹断UgsUgsw特点：iD用途：做无触点的、断开状态的电子开关。可变电阻区条件：源端与漏端沟道都不夹断特点：（1）当叫为定值时，力是叫的线性函数，管子的漏源间呈现为线性电阻，且其阻值 受VGS控制。（2）管压降Vds很小。用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态的电子开关

15、。恒流区：（又称饱和区或放大区） 条件：（1）源端沟道未夹断（2）漏端沟道予夹断特点：(1)受控性：输入电压侬控制输出电流VGS(th)(2)恒流性：输出电流in基本上不受输出电压取的影响。 用途:可做放大器和恒流源。三、MOS管的基本开关电路当匕二侬加(向时，MOS管工作在截止区。D-S间相当于断开的开关，产恸.当力 依且力继续升高时，MOS管工作在可变电阻区。MOS管导通内阻心很小，D-S间相 当于闭合的开关，%仁0。四、MOS管的四种基本类型N 沟道增强型N沟道耗尽型产沟道增强型产沟道耗尽型在数字电路中，多采用增强型。8.7教学单元七单元教学日期第8次 单元教学目标 2-3 CMOS门电

16、路1 .讲解CMOS反相器的电路结构和工作原理。2 .讲解CMOS反相器静态输入特性和输出特性。3 .介绍CMOS反相器的动态特性（*）。4 .介绍其他类型的CMOS门电路。5 .介绍CMOS电路的正确使用。7 .引进CMOS数字集成电路的各种系列介绍（*）。8 .介绍其他类型的MOS集成电路（*）,如PMOS、NMOS集成电 路等。单元教学内容（含重 点、难点）.CMOS典型逻辑门电路的工作原理及应用.单兀教学方法课堂讲授+课堂讨论。课堂讲授：让学生了解MOS门的输入输出的特性，特别是应用时要 注意的问题。互动：MOS逻辑门其它类型从结构上的特点是什么。课堂讨论：MOS门的选型应该如何进行。

17、单元作业安排P1503. 7 3.81.1 1课堂纪律911.2 2课堂礼仪91.课程资源9213.1 教材与参考书9213.2 专业学术著作9313.3 专业刊物9313.4 网络课程资源9313.5 课外阅读资源94.教学合约94课后反思教学单元的参考资料课前准备情况及其他 相关特殊要求在计算机技术中哪些硬件结构采用了三态门、0D门、可控开关等等。 数字电子技术基础（第五版）：P79-106数字电路逻辑设计（第二版）：P94-107数字系统原理与应用（第九版）：P412416CMOS的优缺点教学过程: 2.3.2 CMOS反相器工作原理当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作

18、中互补，称为CMOS管（意为互补）。 一、电路结构静态下，无论力是高电平还是低电平，、丁2总有一个截止，因此CMOS反相器的静态 功耗极小。二、电压传输特性和电流传输特性三、输入端噪声容限在保证输出高、低电平基本不变的条件下,输入电平的允许波动范围称为输入端噪声容 限。输入高电平时噪声容限：Vnh =V0H（min）-V/H（min）输入低电平时噪声容限：匕人-心）测试表明：CMOS电路噪声容限九二八=30%之，且随Vdd的增加而加大。噪声容限一一衡量门电路的抗干扰能力。噪声容限越大，表明电路抗干扰能力越强。 2. 3. 3 CMOS反相器的静态输入输出特性一、输入特性因为MOS管的栅极和衬底

19、之间存在着以SiO2为介质的输入电容，而绝缘介质非常薄， 极易被击穿，所以应采取保护措施。在正常的输入信号范围内，即-0.7V片（Vdd+0.7）V时输入电流力仁0。（因为CMOS 门电路的GS间有一层绝缘的Si02薄层。）在-0.7V（Vdd+0.7）V以外的区域，力从零开始增大，并随片增加急剧上升，原因 是保护电路中的二极管已进入导通状态。注意：由于门电路输入端的绝缘层使输入的阻抗极高，若有静电感应会在悬空的输入端 产生不定的电位，故CMOS门电路的输入端不允许悬空。二、输出特性 2. 3. 4 CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间平均传输时间tpd =tPLH +tPHL)二、交流噪

20、声容限噪声电压作用时间越短、电源电压越高，交流噪声容限越大。三、动态功耗反相器从一种稳定状态突然变到另一种稳定状态的过程中，将产生附加的功耗，即为动 态功耗。动态功耗包括：负载电容充放电所消耗的功率Pc和PMOS、NMOS同时导通所消耗的瞬时 导通功耗Pto在工作频率较高的情况下，CMOS反相器的动态功耗要比静态功耗大得多，静态功耗可 忽略不计。 2. 3. 5其他类型CMOS门电路一、其他逻辑功能的CMOS门电路L与非门Y = （A-BSY = （A-BS2 .或非门y =（z+B）y =（z+B）3 .带缓冲级的CMOS门电路Y = (Af + Byy = (A-B)f带缓冲级的门电路其输

21、出电阻、输出高、低电平以及电压传输特性将不受输入端状态的 影响。电压传输特性的转折区也变得更陡。二、漏极开路输出门电路（0D门）为什么需要0D门？普通与非门输出不能直接连在一起实现“线与”！ 需将一个MOS管的漏极开路构成0D门。三、CMOS传输门vDD;T2-r-6v/vo * * Vq/vV1/vo TG vo/5T1Ac仁0、C =1 ,即。端为低电平（OV）、C端为高电平（ + %D）时，T1和T2都不具备 开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样，呈高阻态。仁1、C =0,即。端为高电平（+历）、C端为低电平（0V）时，T1和T2至少有一 个导通，输入和输出之间相当于开关接通

22、一样，呈低阻态，%=匕。 四、三态门EN =1 , G”输出高电平，Gs输出低电平，、丁2同时截止，输出呈高阻态；EN =0 Y = A若A=l,则Gi、G5输出均为高电平,T1截止、丁2导通，Y=0；若A=0,则、G5输出均为低电平,导通、截止,Y二1； 三态门有三种状态:高电平、低电平、高阻态。 3. 3. 6 CMOS电路的特点CMOS电路的优点1 .静态功耗小。2 .允许电源电压范围宽（318V）。3 .扇出系数大，噪声容限大。CMOS电路的正确使用1 .输入电路的静电保护CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。但是，这种保护还是有 限的。由于CMOS电路的输入阻抗高

23、，极易产生感应较高的静电电压，从而击穿MOS管栅极 极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以下几点：（1）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。（2）存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。2 .多余的输入端不能悬空。输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成器件的永久损坏。对多余的输入端，可 以按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。3 .输入电路需过流保护4 .8教学单元八单元教学日期第9次 单元教学目标 2-5 TTL 电路1 .讲解TTL反相器的电路结构和工作原理。2 .讲解TTL反相器静态输入特性和输出特性。3 .介绍TTL反相器的动态特性（*）o4 .介绍其他类型的T