数字电路与逻辑设计

《数字电路与系统设计》课程教学大纲

课程代码：IB1006                 

课程中英文名称：数字电路与系统设计       Digital Circuits and SystemDesign

开课学期：第4学期

学分：3                              学时： 40+8                        

课程类別： 必修课，学科基础（必/限/任；通识/学科基础/专业基础/专业方向）

适用专业：电子信息工程、电磁场与无线技术、信息对抗技术、遥感科学与技术

开课对象：二年级本科生

先修课程：普通物理、高等数学、电路分析基础、模拟电子技术基础等

后修课程：数字电路EDA、微机原理、计算机原理等

开课单位：电子工程学院

一、课程性质、目的和任务

依据中国工程教育专业认证之专业补充标准（2015版），《数字电路与系统设计》课程是电子信息与电气工程类专业（电子信息工程、通信工程、信息工程、计算机科学、电子科学与技术、电气工程及其自动化、自动化、微电子科学与工程、光电信息科学与工程、生物医学工程等专业）的工程基础类课程，属于学科基础课。

通过本课程的学习，使学生准确、系统的掌握数字电路的基本概念、基本原理和基本方法，熟悉电子设计自动化（EDA：Electronic Design Automation）技术和现代工具；掌握数制与编码、逻辑代数及逻辑函数的知识；掌握组合逻辑电路的分析与设计方法，熟悉常用的中规模组合逻辑器件的功能及其应用；掌握同步时序逻辑电路的分析与设计方法，以及典型的中大规模时序逻辑器件的应用；培养学生分析与设计较大规模的数字电路系统的能力和解决工程问题的能力。为学生学习后续课程、进行创新性研究和解决复杂工程问题，奠定坚实的理论基础和思维方法。

本课程对学生达到如下毕业要求有贡献

毕业要求

毕业要求指标点

要求1：掌握扎实的高等数学、工程数学、物理学和电子信息工程专业知识，能够将上述知识用于解决复杂工程问题；

指标点1-2：掌握电子信息工程专业基础知识；  

指标点1-4：理解复杂工程问题中的数学、物理学原理和专业知识；

要求3：了解本学科及专业的前沿领域和发展趋势，具备运用科学方法分析复杂工程问题的能力；

指标点3-1：了解学科前沿领域的界定原则，掌握获取前沿领域信息、学科以及行业发展、变化的渠道；

指标点3-2：了解工程科学的基本原理，能够将数学、物理学原理和专业知识应用于复杂工程问题的识别、表达、分析，具有综合有效信息得出结论的能力；

要求4：掌握复杂电子信息系统中，系统设计、相关软件、硬件设计与开发知识，并对复杂系统的设计需求、设计原理、设计方法、加工工艺具有全面的理解和实践能力；

指标点4-2：掌握本专业中电路系统的原理、分析方法及一般设计方法；

指标点4-3：能够设计基本电路单元，掌握绘制电路原理图及加工用图（如PCB图）的技能，掌握一般电路的加工、测试、调试技能；

要求7：掌握现代专业仪器、设备的基本原理、操作方法；能够在复杂、综合型工程中合理选择和使用仪器、设备；

指标点7-1：掌握实验仪器、设备的基本原理、操作方法；

指标点7-2：掌握实验系统中仪器、设备的选型和使用；

要求8：掌握与本专业相关的现代工程设计、仿真、开发系统的使用技术，及其在复杂工程中的使用要求、运用范围和局限性；

指标点8-2：能够应用现代工程仿真工具进行工程设计；

要求15：具有不断自我完善的意识；具备持续学习、适应发展和不断创新的能力；

指标点15-1：具备自主学习的意识和能力；

指标点15-2：具有终身学习的意识和能力；

二、教学内容、基本要求及学时分配

《数字电路与系统设计》课程的教学内容、基本要求、学时分配和毕业要求指标点在教学中的具体体现如下

(一) 数制与编码（3学时）

1.   教学内容

常用数制的表示方法与相互转换；常用编码的表示方法

2.   基本要求

1)       掌握常用数制（2、8、10、16进制数）的表示与相互转换的方法。

2)       掌握常用编码（842BCD码、5421BCD码、余3码、格雷码等）的表示方法。

3.   重点、难点

重点：二进制，十六进制。

难点：格雷码的掌握。

4.  作业及课外学习要求

作业：熟悉各种数的进制表示及进制之间的相互转换方法，理解编码思想与方法。

课外学习：学习有符号数的表示方法，掌握常用BCD码及奇偶校验码。

5.  对毕业要求指标点的具体贡献

指标点1-2：掌握数字系统中常用进制的表示方法；

指标点1-4：理解复杂工程问题中的数字系统；

（二）逻辑代数基础（10学时）

1.   教学内容

基本逻辑运算与逻辑门；逻辑代数的基本定理、规则和主要公式；标准表达式和常用的五种表达式及相互转换方法；逻辑函数代数化简法和卡诺图化简法；包含无关项逻辑函数的表示方法及化简，多输出逻辑函数的化简方法

2.   基本要求

1)       熟练掌握基本逻辑运算与逻辑门。

2)       熟练掌握逻辑代数的基本定理、法则和主要公式。

3)       熟悉逻辑函数的标准表达式和常用的五种表达式及相互转换。

4)       熟练掌握逻辑函数代数化简法和卡诺图化简法。

5)  掌握包含无关项逻辑函数的表示方法及化简，多输出逻辑函数的化简方法。

3.   重点、难点

重点：逻辑门与逻辑代数的基本定理和法则。

难点：多元逻辑函数的化简。

4.   作业及课外学习要求

作业：掌握基本逻辑运算及符号表示，了解逻辑代数中的相关定理、规则，掌握逻辑代数的两种标准表达式及五种表达式之间的相互转换；掌握逻辑函数的卡诺图化简方法。

课外学习：认真阅读教材，熟练掌握数字逻辑电路的基本表达方式与逻辑函数的不同表示方式。

5.   对毕业要求指标点的具体贡献

指标点1-2：掌握数字逻辑中的逻辑代数基础知识；

指标点3-2：了解工程科学到数学抽象的基本原理，能够将工程问题抽象为逻辑数学问题进行表达与分析；

（三）组合逻辑电路（8学时）

1.   教学内容

组合电路的分析方法和设计方法；常用MSI（中规模）组合逻辑器件（变量译码器、数据选择器等）的逻辑功能，扩展方法及应用；MSI器件构成组合电路的设计方法和分析方法；组合电路的竞争冒险现象及消除方法。

2.   基本要求

1)       掌握组合电路的分析方法和设计方法。

2)       熟悉常用MSI组合逻辑部件（变量译码器、数据选择器等）的逻辑功能，扩展方法及应用。

3)       掌握由MSI器件构成组合电路的设计方法和分析方法。

4)       了解组合电路的竞争冒险现象及消除方法。

3.   重点、难点

重点：由门电路进行组合电路的设计。

难点：中规模集成电路芯片使能端的利用。

4.   作业及课外学习要求

作业：掌握组合逻辑电路的分析与设计方法，熟悉常用MSI组合逻辑芯片的应用；了解组合逻辑电路竞争冒险的产生与消除方法。

课外学习：认真阅读教材，掌握组合逻辑电路设计的逻辑抽象方法，并通过数字电路实验及EDA软件的学习，掌握数字逻辑的仿真与测试方法。

5.   对毕业要求指标点的具体贡献

指标点4-2：掌握组合逻辑电路的基本表达方式，及分析和设计的一般方法；

指标点4-3：能够使用逻辑符号画出逻辑表达式的逻辑电路；

指标点7-1：了解基本数字仪器的操作方法；

指标点8-2：了解数字逻辑的仿真方法；

（四）触发器（4学时）

1.   教学内容

基本RS触发器及钟控（RS、D、T、JK）触发器的逻辑电路、功能及其描述方法；常用集成触发器的逻辑符号及时序波形图。

2.   基本要求

1)  掌握基本RS触发器及钟控（RS、D、T、JK）触发器的功能及其描述方法。

2)  熟悉常用集成触发器的逻辑符号及时序波形图的画法。

3.   重点、难点

重点：触发器的多种描述方法。

难点：触发器的空翻。

4.   作业及课外学习要求

作业：熟悉RS触发器、D触发器、T触发器和JK触发器的基本结构，掌握D、T、JK触发器的特征方程及逻辑符号表示。

课外学习：认真阅读教材，掌握现态和次态关系及D、T、JK触发器的基本功能。

5.   对毕业要求指标点的具体贡献

指标点1-2：掌握数字电路中的时序逻辑基本描述单元及表示方法；

（五）时序逻辑电路（12学时）

1.   教学内容

同步时序电路分析方法，激励函数和输出函数、状态方程、状态表、时序波形；同步时序电路设计方法，原始状态图的建立，状态化简，状态分配；典型MSI时序逻辑部件（计数器、寄存器等）的逻辑功能，扩展方法及应用；以MSI为主的典型同步时序电路的分析方法与设计方法，任意模值计数器；移位型计数器；序列码发生器；异步时序电路的主要特点。

2.   基本要求

1)  掌握同步时序电路的分析方法，要求根据电路能正确写出激励函数和输出函数、状态方程、列出状态表、画出状态图、时序图，分析其功能。

2)  掌握同步时序电路的一般设计方法和步骤，原始状态图的建立，状态化简，状态分配，画出电路图。

3)  掌握典型MSI时序逻辑器件（74160、74161、74194等）的逻辑功能，扩展方法及应用。

4)  掌握以MSI为主的任意模值计数器；移位型计数器；序列码发生器。

5)  了解数字电路仿真软件的使用。

6)  了解异步时序电路的主要特点。

3.   重点、难点

重点：状态表，MSI时序逻辑部件的逻辑功能及应用。

难点：电路自启动自校正的设计。

4.   作业及课外学习要求

作业：掌握时序逻辑电路的分析与设计方法，熟悉时序逻辑系统的基本组成结构；掌握时序逻辑电路的设计过程，通过课后练习掌握时序逻辑电路的原始状态转移图建立方法，典型时序逻辑MSI芯片的应用与扩展方法。

课外学习：结合EDA软件，完成典型时序逻辑电路的仿真，并通过EDA软件仿真掌握时序逻辑MSI芯片的功能及应用方法。

5.   对毕业要求指标点的具体贡献

指标点3-2：了解工程科学的基本原理，能够将工程问题抽象为逻辑数学问题进行表达与分析；

指标点4-2：掌握时序逻辑电路的基本表达方式，及分析和设计的一般方法；

指标点7-1：通过课外实验，熟悉时序逻辑电路的测量方法；

指标点8-2：了解数字逻辑的仿真方法；

指标点15-2：通过典型时序逻辑MSI芯片的应用方法，自主学习相关时序逻辑MSI芯片的功能及应用；

（六）脉冲波形的产生与整形（3学时）

1.   教学内容

555定时器的基本工作原理，典型应用（单稳、多谐、施密特触发器）的基本特点及电路的分析方法；集成单稳电路；晶体振荡器，集成晶体振荡器产品。

2.   基本要求

1)       掌握555定时器的基本工作原理及典型应用（单稳、多谐、施密特触发器）的基本特点及电路的分析方法

2)       了解集成单稳电路的基本原理及使用方法

3)   掌握晶体振荡器，了解集成晶体振荡器产品的性能指标。

3.   重点、难点

重点：555定时器。

难点：提高振荡电路性能需要考虑的因素。

4.   作业及课外学习要求

作业：熟悉555芯片三种典型电路结构，掌握脉冲信号的产生方法。

课外学习：学习晶体振荡器的性能指标，掌握晶体振荡器的实际应用方法。

5.   对毕业要求指标点的具体贡献

指标点4-2：掌握常用脉冲波形的产生方法，掌握555构成三种基本电路结构；

指标点4-3：能够熟练使用555构成三种基本电路；

（七）集成逻辑门（3学时）

1.   教学内容

TTL与非门的基本工作原理，主要外特性和参数；集电极开路门和三态门的主要特点；CMOS逻辑门的特点和使用方法。

2.   基本要求

1)       了解典型TTL与非门的基本工作原理，掌握其主要外特性和参数。

2)       掌握集电极开路门和三态门的主要特点。

3)   掌握CMOS逻辑门的主要特点和使用方法。

3.   重点、难点

重点：TTL与非门的主要外特性和参数。

难点：集电极开路门。

4.   作业及课外学习要求

作业：了解TTL逻辑门及MOS逻辑门内部结构，通过作业掌握三态门和OC门的“线或”、“线与”关系。

课外学习：通过EDA软件掌握三态门的应用方法。

5.   对毕业要求指标点的具体贡献

指标点1-4：理解工程中常用的三态门和OC门原理及其在工程中的应用；

（八）存贮器与可编程逻辑器件（3学时）

1.   教学内容

ROM和RAM的原理与扩展； ROM阵列图及其应用；可编程逻辑器件（PLD、CPLD、FPGA）的基本特点和应用。

2.   基本要求

1)       掌握ROM和RAM的基本工作原理与扩展。

2)       掌握ROM阵列图的应用与实现组成逻辑函数的基本工作原理。

3)       掌握可编程逻辑器件（PLD、CPLD、FPGA）的基本特点和应用。

3.   重点、难点

重点：ROM的基本工作原理，PLD特点与应用。

难点：ROM实现组成逻辑函数。

4.   作业及课外学习要求

作业：通过课后练习，掌握逻辑电路的PLD表示方法。

课外学习：结合EDA工具，掌握PLD的设计方法。

5.   毕业要求指标点：

指标点3-1：了解PLD的基本结构，学习现代EDA及PLD在数字系统设计中的发展趋势；

指标点3-2：了解PLD在现代数字系统设计中的重要地位，培养学生应用PLD进行数字系统设计的能力；

指标点8-2：通过课外学习，培养运用EDA工具及PLD进行复杂数字系统设计能力；

（九）D/A和A/D转换（2学时）

1.   教学内容

D/A和A/D转换器的基本原理；典型集成D/A和A/D芯片的特点。

2.   基本要求

1)       了解D/A和A/D转换器的基本原理和主要技术指标。

2)   了解典型集成D/A和A/D芯片的特点。

3.   重点、难点

重点：D/A和A/D转换器的主要技术指标。

难点：D/A和A/D转换器的基本原理。

4.   作业及课外学习要求

作业：熟悉教材内容，熟悉D/A及A/D的主要指标。

课外学习：通过A/D和D/A芯片手册，进一步学习A/D和D/A芯片的相关参数，包括转换速率、转换精度等。

5.   对毕业要求指标点的具体贡献

指标点1-2：掌握A/D和D/A基本参数及专业基础知识；

指标点15-1：具备自主学习的意识和能力；

三、教学方法

针对具体教学内容，采用归纳式教学或演绎式教学，体现“学生主体、教师主导”的教学思想。以课堂讲授、学生自学、基于工程问题的大作业、课内仿真实验、专题讨论等教学方法。

四、课内外教学环节及基本要求

(一) 本课程与其它课程的联系和分工

《数字电路与系统设计》课程的先修课程主要是普通物理、高等数学、电路分析基础、模拟电子技术基础等，后续课程主要有数字电路EDA、微机原理、计算机原理等。该课程与《普通物理》中电学的联系和分工主要表现在：前者侧重于逻辑门电路的电特性的分析与描述。该课程与《电路分析基础》课程的联系和分工主要表现在：前者着眼于电路的逻辑实现与描述，后者注重一般电路的普遍规律；该课程与《模拟电子技术基础》课程的联系和分工主要表现在：前者着眼于数字信号的逻辑运算和处理，内部电路器件工作在开关状态，后者则着眼于如何实现模拟信号的线性放大与滤波，内部电路器件工作在线性区间。该课程与《数字电路EDA》课程的联系和分工主要表现在：前者的基本概念、逻辑电路的分析设计方法等是后者的理论基础和技术支持，后者以可编程器件为基础，用硬件描述语言实现复杂逻辑系统的综合设计。该课程与《微机/计算机原理》的联系和分工主要表现在：前者是硬件系统平台的基础，后者体现的是硬件软件化的精髓。

（二）本课程课内外教学环节

总学时 48 学时，讲课 48 学时，其中课内仿真实验 2 学时，习题课 4 学时，专题讨论 1 学时。大作业在课外完成，大作业必须使用现代工具，通过文献研究分析解决。

序号

课程内容

学时

教学方式

1

数制与编码

3

讲授

2

逻辑代数基础

8

讲授

3

组合逻辑电路

8

讲授

4

习题课一

2

习题课

5

触发器

4

讲授

6

时序逻辑电路

10

讲授

7

脉冲波形的产生与整形

3

讲授

8

集成逻辑门

3

讲授

9

存贮器与可编程逻辑器件

3

讲授

10

D /A和A/D转换

1

讲授

11

专题讨论

1

讨论课

12

习题课二

2

习题课

（三）课内实验要求

课内实验1：组合逻辑电路的仿真与功能实现

通过简单的组合逻辑电路的设计和仿真，熟悉组合逻辑电路的设计和分析方法，并通过实验查看组合逻辑电路中的竞争冒险。

课内实验2：MSI电路的应用仿真

熟悉典型组合逻辑MSI器件的应用与测试方法，并能够将分离MSI器件与EDA软件中的MSI器件功能进行对比，掌握组合逻辑电路的设计与测试方法。

课内实验3：计数器电路的应用与时序波形

以计数器为例，熟悉典型时序逻辑MSI器件的应用与测试方法，并能够将分离MSI器件与EDA软件中的MSI器件功能进行对比，掌握时序逻辑电路的设计与测试方法。

课内实验4：移位寄存器的应用

以分离元件74194为例，熟悉移位寄存器在数字系统设计中的应用，并通过EDA软件的仿真，掌握移位型计数器、序列信号发生器的设计与仿真方法。

(四) 作业

结合基本概念、分析和设计逻辑电路的基本方法，每次课布置3～4道书面作业题和若干非书面的思考题。每周收、批改作业一次。对于典型的、普遍存在的问题和难点不定期的进行课堂讨论。针对授课内容，选择一些吸引学生兴趣的相关技术问题，以基于较复杂系统的教学方法设计大作业，要求学生课外使用仿真软件完成，并写设计报告。

(五)专题讨论

在第九章安排一次专题讨论课，应用所学知识、讲解所学内容的典型电子系统的工程应用，共计1学时。

五、考核内容及成绩评价方式

最终成绩由平时作业成绩、期末考试成绩和大作业成绩等组合而成。各部分所占比例如下：

平时作业成绩：10%。主要考核对每堂课知识的复习、理解和掌握程度。

MOOC学习与测试：10%。主要考核学生自学能力及知识点掌握程度。

期末考试成绩：70%。主要考核基本概念、分析方法和设计方法的掌握程度。书面考试形式的题型为1、填空题；2、分析题；3、设计题等。

课程大作业成绩：10%。主要考核发现、分析和解决问题的能力；能够基于科学原理并采用科学方法，使用现代工具，以及能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题的综合能力。

六、教材与参考资料

(一) 教材

孙万蓉，任爱锋，周端，初秀琴，董瑞军，数字电路与系统设计，北京：高教出版社，2015.

(二) 参考资料

[1]     杨颂华，冯毛官，孙万蓉等，数字电子技术基础（第二版），西安：西安电子科技大学出版社，2009

[2]     阎石，数字电子技术基本教程，北京：清华大学出版社，2007

[3]     潘明，潘松，数字电子技术基础，北京：科学出版社，2008

[4]     夏宇闻等译，Stephen Brown, Zvonko Vranesic著，数字逻辑基础与Verilog设计（原书第2版），北京：机械工业出版社，2008

[5]     张克农，宁改娣，数字电子技术基础（第2版），北京：高等教育出版社，2010

[6]     Alan B. Marcovitz. Introductionto Logic Design. McGraw-Hill. 2002

[7]     孙肖子，楼顺天，任爱锋等，模拟及数模混合器件的原理与应用，北京：科学出版社，2009

[8]     孙肖子,徐少莹等现代电子线路与技术实验简明教程，北京：高等教育出版社，2004.