《数字系统设计》课程教学大纲.pdf

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1、数字系统设计教学大纲 一、课程基本信息 课程名称 数字系统设计 Digital System Design 课程编码 OSI222011030 开课院部 海洋与空间信息学院 课程团队 通信系统组 学分 3.0 课内学时 52 讲授 40 实验 12 上机 0 实践 0 课外学时 52 适用专业 通信工程 授课语言 中文 先修课程 模拟电子技术、电路分析 课程简介（必修）数字系统设计是通信工程专业的一门专业基础课。主要教学内容包括数字逻辑基础、组合逻辑电路的分析与设计、时序逻辑电路的分析与设计、常用中规模集成数字电路芯片的工作原理和应用、数字逻辑电路的应用等。通过本课程的学习，使学生获得本专业范

2、围内数字逻辑电路方面的基本知识、基本理论和基本技能；能够利用逻辑代数的逻辑运算和基本定理，对数字逻辑电路的相关工程问题进行适当的逻辑描述；能够针对通信工程领域中具体的组合逻辑电路和时序电路，明确电路设计的关键问题，选择合适的设计方法、开发工具、芯片或 HDL 语言模型完成方案设计、实验系统搭建，实施实验进行电路功能测试；并能够分析相关实验数据，得到合理有效的结论。Digital System Design is a professional basic course for communication engineering majors.The main teaching contents

3、include the basis of digital logic,the analysis and design of combinational logic circuits,the analysis and design of sequential logic circuits,the working principle and application of commonly used medium-scale integrated digital circuit chips,and the application of digital logic circuits.Through t

4、he study of this course,students can acquire the basic knowledge,basic theories and basic skills of digital logic circuits within the scope of this major;they can use the logic operations and basic theorems of logic algebra to make appropriate engineering problems of digital logic circuits The logic

5、 description of the system;can clarify the key issues of circuit design for specific combinational logic circuits and sequential circuits in the field of communication engineering,select the appropriate design method,development tools and chips to complete the scheme design,experimental system const

6、ruction,carry out experiments to test the circuit function,and be able to analyze the relevant experimental data to obtain reasonable and effective conclusions.负责人 大纲执笔人 审核人 二、课程目标 序号 代号 课程目标 OBE 毕业要求指标点 任务 自选 1 M1 目标 1：能够利用逻辑代数的逻辑运算和基本定理，对数字逻辑电路的相关工程问题进行适当的逻辑描述。是 1.1 2 M2 目标 2：能够针对通信工程领域中具体的组合逻辑电路和

7、时序电路，明确其逻辑关系的基本特征和电路设计的关键问题，选择合适的设计方法、开发工具、硬件和 HDL 语言模型，明确关键步骤，设计合理的实验方案。是 4.1 3 M3 目标 3：能运用数字逻辑电路的相关知识、HDL 建模和分析设计方法，按照预定的实验方案，分析组合逻辑电路和时序逻辑电路的相关因素和性能指标，搭建实验系统并实施实验。是 4.2 4 M4 目标 4：能正确采集、整理实验数据，并能应用数字逻辑电路的相关原理和方法，分析集成门电路及HDL 模块的逻辑功能、组合逻辑电路、时序逻辑电路的功能，A/D 转换电路的性能，解释实验结果并得到合理有效的结论。是 4.3 三、课程内容 序号 章节号

8、标题 课程内容/重难点 支撑课程目标 课内学时 教学方式 课外学时 课外环节 1 第 1 章 第一章 数制和码制 本章重点难点：二进制与其他常用进制的转换，补码及二进制补码运算，常用编码的编码规则。/2 1.1 1.1 概述 模拟信号，数字信号；模拟电路，数字电路；数字电路的特点。M1 0.5 讲授/3 1.2 1.2 几种常用的数制 数制的定义，二进制、八进制、十进制、十六进制。M1 0.5 讲授 1 自学 4 1.3 1.3 不同数制间的转换 几种常用数制之间的相互转换。M1 1 讲授 1 作业 5 1.4 1.4 二进制算术运算 二进制算术运算的特点；原码、反码和补码的概念，二进制补码运

9、算。M1 1 讲授 1 复习 6 1.5 1.5 几种常用的编码 BCD 码、格雷码和 ASCII 码的编码规则、特点和应用。M1 0.5 讲授 1 作业 7 第 2 章 第 2 章 逻辑代数本章重点难点：基本逻辑运算和复合逻辑运算，逻辑代数的公/基础 式和定理，逻辑函数的各种表示方法，公式法和卡诺图法化简逻辑函数。8 2.1 2.1 概述 逻辑代数的定义和发展历史。M1 0.5 讲授/9 2.2 2.2 逻辑代数中的三种基本运算 与、或、非逻辑运算；其他常用复合逻辑运算。M1 0.5 讲授 1 自学 10 2.3 2.3 逻辑代数的基本公式和常用公式 逻辑代数的 18 个基本公式，6 个常用

10、公式，公式的证明。M1 1 讲授 1 作业 11 2.4 2.4 逻辑代数的基本定理 代入定理，反演定理，对偶定理。M1 0.5 讲授 1 复习 12 2.5 2.5 逻辑函数及其描述方法 真值表、逻辑式、逻辑图、波形图、卡诺图描述方式；各种描述方式之间的相互转换；最小项，逻辑函数的最小项标准形式。M1 1 讲授 1 作业 13 2.6 2.6 逻辑函数的化简方法 逻辑函数化简原则；代数法化简逻辑函数；卡诺图及应用，卡诺图法化简逻辑函数。M1 1.5 讲授 2 作业 复习 14 2.7 2.7 具有无关项的逻辑函数及其化简 约束项、任意项和逻辑函数式中的无关项；无关项在逻辑函数化简中的应用。M

11、1 1 讲授 2 作业 复习 15 第 3 章 第 3 章 门电路 本章重点难点：二极管门电路的结构，CMOS 反相器和 TTL 反相器的电路结构、工作原理和工作特性，OC 门、OD 门和三态门的电路结构和特点。/16 3.1 3.1 概述 门电路的定义；获得高低电平的方法。M1 0.5 讲授/17 3.2 3.2 半导体二极管门电路 二极管的开关特性；二极管与门；二极管或门。M1 0.5 讲授 1 自学 18 3.3 3.3 CMOS 门电路（思政结合点）MOS 管的开关特性；CMOS 反相器的电路结构、工作原理和工作特性；其他类型的 CMOS 门电路。介绍我国半导体芯片制造技术和设备的发展

12、和现状，与国外相关技术和设备的差距（培养学生的爱国主义情怀，激发学生在民族复兴大任中应具备的使命感和责任感）。M1 2 讲授 2 复习 19 3.4 3.4 TTL 门电路 半导体三极管的开关特性；TTL 反相器的电路结构、工作原理和工作特性；其他类型的 TTL 门电路。M1 1 讲授 1 作业 20 实验 1 实验 1 集成门电路逻辑功能测试与应用 74LS00 和 74LS20 的逻辑功能测试；用基本逻辑门电路设计一个三人表决器。M2,M3,M4 2 实验 2 撰写实验报告 21 第 4 章 第 4 章 组合逻辑电路 本章重点难点：组合逻辑电路的分析方法和设计方法，常用组合逻辑电路的工作原

13、理和应用，组合逻辑电路竞争-冒险现象的分析和消除方法。/22 4.1 4.1 概述 组合逻辑电路的特点；组合逻辑电路的功能描述。M1 0.5 讲授/23 4.2 4.2 组合逻辑电路的分析方法 组合逻辑电路的分析步骤；组合逻辑电路的分析方法。组合逻辑 HDL 原理图、HDL 设计模式。M1 1.5 讲授 1 自学 24 4.3 4.3 组合逻辑电路的基本设计方法（思政结合点）组合逻辑电路的设计原则，组合逻辑电路的设计步骤。在组合电路中每个门电路都可以实现一个功能，只有所有功能加在一起，才能构成一套完整的逻辑，引导学生正确看待个体与整体的辩证关系，充分发挥个人在创新团队中的作用，在提高团队凝聚力

14、和综合性创新能力的同时实现个人的创造力和核心力 M1 2 讲授 1 作业 复习 25 4.4 4.4 若干常用组合逻辑电路 编码器、译码器、数据选择器、加法器、数值比较器等常用组合逻辑电路的工作原理和基本应用。M1 2 讲授 2 作业 复习 26 4.5 4.5 组合逻辑电路中的竞争-冒险 竞争-冒险现象及成因；检查竞争-冒险现象的方法；消除竞争-冒险现象的方法。M1 0.5 讲授 2 作业 27 实验 2 实验 2 组合逻辑电路的设计 利用 74LS138 设计一个多输出的组合逻辑电路，用 4 选 1 数据选择器 74LS153 设计三输入多数表决电路。M2,M3,M4 2 实验 2 撰写实

15、验报告 28 第 5 章 第 5 章 半导体存储电路 本章重点难点：各类型触发器的电路结构、工作原理和动作特点，触发器的逻辑功能描述和动态特性，半导体存储器的一般形式，ROM 和 RAM 的特点和存储单元电路，存储器扩容方法，用存储器实现组合逻辑函数。/29 实验 3 实验 3 基于 HDL基于 Quartus 或 Iverilog 使用原理图或编码的方式实现 8-3 线优M2,M3,2 实验 2 撰写实验的优先编三码器设计 先编码器的设计。M4 报告 30 5.1 5.1 概述 触发器的功能特点；触发器的分类。M1 0.5 讲授 31 5.2 5.2 SR 锁存器 SR 锁存器的电路结构和工

16、作原理。M1 0.5 讲授 1 自学 32 5.3 5.3 触发器 电平触发的触发器；边沿触发的触发器；脉冲触发的触发器；触发器按逻辑功能的分类；触发器的动态特性。M1 1 讲授 3 自学 作业 33 5.4 5.4 寄存器 数值寄存器的电路结构和工作原理。M1 1.5 讲授 2 作业 34 5.5 5.5 存储器 静态随机存储器(RAM)的电路结构和存储单元；只读存储器(ROM)的类型和电路结构；存储器容量的扩展方法；用存储器实现组合逻辑函数。M1 1.5 讲授 2 复习 作业 35 第 6 章 第 6 章 时序逻辑电路 本章重点难点：时序逻辑电路的分析方法，时序逻辑电路的设计原则和设计步骤

17、，计数器的工作原理及其应用。/36 6.1 6.1 概述 时序逻辑电路的特点；时序电路的一般结构与功能描述方法；时序电路的分类。M1 0.5 讲授/37 6.2 6.2 时序逻辑电路的分析方法 同步时序逻辑电路的分析方法、状态转换表、状态转换图、时序图。M1 1.5 讲授 1 自学 38 6.3 6.3 若干常用时序逻辑电路（思政结合点）移位寄存器；四位二进制计数器 161，十进制计数器 160，可逆计数器，任意进制计数器的设计。介绍“星光中国芯工程”总指挥邓中翰院士和集成电路专家吴德馨院士等科学家的事迹，让学生了解科学家为社会进步所做的贡献，学习科学家的奉献精神和工匠精神。M1 2.5 讲授

18、 2 作业 复习 39 6.4 6.4 时序逻辑电路的设计方法 同步时序逻辑电路的设计方法、设计步骤、自启动设计。时序逻辑 HDL 原理图、HDL 设计模式。M1 2.5 讲授 2 作业 复习 40 实验 4 实验 4 时序逻辑电路的设计 用触发器和门电路设计一个串行数据监测电路；用 74LS160、74LS161 等计数器和门电路，设计一个其他任意进制计数器。M2,M3,M4 2 实验 2 撰写实验报告 41 第 7 章 第 7 章 脉冲波形的产生和整形电路 本章重点难点：脉冲波形的产生和整形电路，施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的的电路结构、工作特点和应用，/555 定时器的工作原理

19、和应用。42 实验 5 实验五 基于 HDL的模 20 计数器设计 基于 Quartus 或 Iverilog 使用原理图或编码的方式实现模 20 的计数器的设计。M2,M3,M4 2 实验 2 撰写实验报告 43 7.2 7.2 555 定时器 555 定时器的电路结构；555 定时器的工作原理。M1 1 讲授 2 自学 44 7.1 7.1 概述 获取矩形脉冲波形的方法；矩形脉冲波形的主要参数。M1 1 讲授 45 7.3 7.3 脉冲波形的产生和整形 由门电路构成的脉冲波形的产生和整形电路；用 555 定时器构成施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器。M1 2 讲授 2 作业 复习 46

20、 第 8 章 第 8 章 数-模和模-数转换 本章重点难点：D/A 和 A/D 的基本原理，D/A 和 A/D 的转换性能，权电阻网络 DAC，倒 T 形电阻网络 DAC，并联比较型ADC，反馈比较型 ADC。/47 8.1 8.1 概述 数/模和模/数转换电路的用途和要求；数/模和模/数转换电路的分类。M1 1 讲授/48 8.2 8.2 D/A 转换器 D/A 转换的基本原理；权电阻网络 DAC；倒 T 形电阻网络DAC，DAC 的转换精度与速度。M1 1.5 讲授 2 自学 49 8.3 8.3 A/D 转换器 A/D 转换的基本原理；抽样保持电路；并联比较型 ADC；反馈比较型 ADC

21、；ADC 的转换速度与转换精度。M1 1.5 讲授 2 复习 作业 50 实验 6 实验 6 A/D 转换实验 连接 ADC0809 电路，输入 8 路模拟信号，记录转换结果，并将其与万用表测试的结果进行对比分析。M2,M3,M4 2 实验 2 撰写实验报告 51 5.1 5.1 xxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxx/2 讲授、讨论 2 作业 四、考核方式 序号 考核环节 操作细节 总评占比 1 平时测试1 1.闭卷测试，采用百分制，卷面成绩总分 100 分。2 考核对几种常用数制和码制及其相互转换，逻辑代数的基本公式和定理，逻辑函数的表达和化简，基本门电路的工作原理和特性，

22、组合逻辑电路的分析和设计，常用组合逻辑电路的工作原理和应用的掌握情况，对与组合数字逻辑电路相关的问题进行适当的逻辑描述的能力。题型是客观题、计算题、综合题等。15%2 平时测试2 1.闭卷测试，采用百分制，卷面成绩总分 100 分。2.考核对常用触发器的工作原理和应用、时序逻辑电路的分析和设计，常用时序逻辑电路的工作原理和应用，555 定时器、施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的原理和应用，常用 D/A 器和 A/D 器的原理、转换性能和应用的掌握情况。对与时序数字逻辑电路相关的问题进行适当的逻辑描述的能力。题型是客观题、计算题、综合题等。15%3 实验 1.本课程 12 个学时实验，共六

23、次实验。2.成绩采用百分制，根据实验完成情况评分。3.考核学生数字逻辑电路知识的应用能力，针对具体要求，能够选择合适的设计方法、开发工具和硬件，设计组合逻辑电路和时序逻辑电路，并搭建实验系统测试电路性能，解释实验结果并得到有效结论。20%4 期末考试 1.闭卷考试，成绩采用百分制，卷面成绩总分 100 分。2.主要考核学生对数字逻辑电路的基本知识和定理的掌握情况，对数字逻辑电路的相关问题进行适当的逻辑描述的能力，对常见的组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计和分析能力。题型主要有客观题、计算题、综合题等。50%五、评分细则 序号 课程目标 考核环节 大致占比 评分等级 1 M1 平时测试1 20%见

24、平时测试 1 评分标准 2 M1 平时测试2 20%见平时测试 2 评分标准 3 M1 期末考试 60%见期末考试评分标准 4 M2 实验 100%实验评分标准：1.60 分 实验过程中不能完成实验要求，不能得到正确的实验结果。2.60-74 分 实验过程中认真完成实验要求，不能得到正确的实验结果，实验报告格式正确，步骤叙述基本清楚，没有正确分析实验数据获得有效的结论。3.75-89 分 实验过程中认真完成实验要求，得到正确的实验结果，实验报告格式正确，步骤叙述比较清楚，正确分析实验数据，获得比较有效的结论。4.90-100 分实验过程中认真完成实验要求，得到正确的实验结果，实验报告格式正确，

25、步骤叙述清楚，正确分析实验数据，获得有效结论。5 M3 实验 100%实验评分标准：1.60 分 实验过程中不能完成实验要求，不能得到正确的实验结果。2.60-74 分 实验过程中认真完成实验要求，不能得到正确的实验结果，实验报告格式正确，步骤叙述基本清楚，没有正确分析实验数据获得有效的结论。3.75-89 分 实验过程中认真完成实验要求，得到正确的实验结果，实验报告格式正确，步骤叙述比较清楚，正确分析实验数据，获得比较有效的结论。4.90-100 分实验过程中认真完成实验要求，得到正确的实验结果，实验报告格式正确，步骤叙述清楚，正确分析实验数据，获得有效结论。6 M4 实验 100%实验评分

26、标准：1.60 分 实验过程中不能完成实验要求，不能得到正确的实验结果。2.60-74 分 实验过程中认真完成实验要求，不能得到正确的实验结果，实验报告格式正确，步骤叙述基本清楚，没有正确分析实验数据获得有效的结论。3.75-89 分 实验过程中认真完成实验要求，得到正确的实验结果，实验报告格式正确，步骤叙述比较清楚，正确分析实验数据，获得比较有效的结论。4.90-100 分实验过程中认真完成实验要求，得到正确的实验结果，实验报告格式正确，步骤叙述清楚，正确分析实验数据，获得有效结论。评分等级说明：六、教材与参考资料 序号 教学参考资料明细 1 图书|数字电子技术基础（第 6 版）,阎石,高等

27、教育出版社,2016.04,ISBN:9787040444933.（*主教材）2 图书|数字逻辑电路与系统设计（第 3 版）,蒋立平,电子工业出版社,2019.01,ISBN:9787121352218.3 图书|数字电路与逻辑设计,林红,清华大学出版社,2014.12,ISBN:9787302373681.七、实验项目信息 序号 项目名称 实验室名称 门牌号 组人数 学时 实验类别 要求 实验类型 上机 1 实验一 集成门电路逻辑功能测试与应用 DSP 技术实验室 基础实验楼 C609 1 2 专业基础 必做 验证性 False 2 实验二 组合逻辑电路的设计 DSP 技术实验室 基础实验楼 C609 1 2 专业基础 必做 设计性 False 3 实验三 时序逻辑电路的设计 DSP 技术实验室 基础实验楼 C609 1 2 专业基础 必做 设计性 False 4 实验四 基于 HDL 的优先编码器设计 DSP 技术实验室 基础实验楼 C609 1 2 专业基础 必做 设计性 False 5 实验五 基于 HDL 的模 20 计数器设计 DSP 技术实验室 基础实验楼 C609 1 2 专业基础 必做 设计性 False 6 实验六 A/D 转换实验 DSP 技术实验室 基础实验楼 C609 1 2 专业基础 必做 设计性 False