最新《数字电子技术基础》阎石编著数字电路教案1资料.docx
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最新《数字电子技术基础》阎石编著数字电路教案1资料
数字电路教案
课程编号
0450506
课程名称
数字电路
授课专业
通信工程
授课对象（年级）
2007级
授课教师
刘明亮
课程类型
必修课
授课时间
2008~2009学年第二学期
教材名称
《数字电子技术基础》阎石编著高等教育出版社
课程教学
总学时数
70学时
学时分配
课堂教学70学时
辅导答疑30学时
考核方式
考试：
笔试80%+平时20%
教
学
目
标
1、本课程要求学生通过系统学习，了解和掌握逻辑代数、门电路的基本原理。
2、掌握组合逻辑电路和时序逻辑电路的分析、设计方法，学会一些基本部件的设计。
3、掌握常用脉冲电路的功能和原理。
4、掌握A/D、D/A转换电路的基本知识、原理和方法。
5、培养学生较强的逻辑思维能力及实践技能，从而对数字系统有一个较全面的了解。
6、加强学生的创新能力，能够学为所用，提高学生的学习兴趣，为后续课程奠定良好的基础。
本课程理论课学时数为70，实验24学时。
各章学时分配见下表：
章次
章名
课内教学
理论教学时数
实验时数
总学时
绪论
2
2
一
数字逻辑基础
8
3
11
二
门电路
10
10
三
组合逻辑电路
10
6
16
四
触发器
10
3
13
五
时序逻辑电路
15
6
21
六
脉冲信号产生与整形
10
3
13
七
A/D与D/A转换器
5
3
8
合计
70
24
94
第一章逻辑代数基础
【本周学时分配】
本周5学时。
周二1~2节，周四3~5节。
【教学目的与基本要求】
1、掌握二进制数、二—十进制数（主要是8421BCD码）
2、熟练掌握逻辑代数的若干基本公式和常用公式。
3、熟练掌握逻辑函数的几种表达形式。
【教学重点与教学难点】
本周教学重点：
1、绪论：
重点讲述数字电路的基本特点、应用状况和课程主要内容。
2、逻辑代数的基本运算：
重点讲述各种运算的运算规则、符号和表达式。
3、逻辑代数的基本公式和常用公式：
重点讲述逻辑代数的基本公式与普通代数公式的区别，常用公式的应用背景。
4、逻辑函数的表示方法：
重点讲述各种表示方法的特点和相互转换方法。
本周教学难点：
反演定理和对偶定理：
注意两者之间的区别、应用背景和变换时应注意的问题。
【教学内容与时间安排】
一、绪论（约0.5学时）
1、电子电路的分类。
2、数字电路的基本特点。
3、数字电路的基本应用。
4、本课程的主要内容；
5、本课程的学习方法和对学生的基本要求。
二、数制与码制（约1.5学时）（若前置课程已学，可作简单复习0.5学时）
1、几种不同进制（二、八、十、十六进制）。
2、几种不同进制相互转换。
3、码制（BCD码）。
三、逻辑代数
1、基本逻辑运算和复合逻辑运算：
与、或、非运算是逻辑代数的基本运算；还可以形成其他复合运算，常用的是与非、或非、与或非、异或、同或运算。
（约0.5学时）
2、常用公式（18个）（约0.5学时）
3、基本定理（代入定理、反演定理、对偶定理）（约0.5学时）
4、逻辑函数的概念及表示方法（约0.5学时）
5、逻辑函数各种表示方法间的转换：
常用的转换包括：
函数式←→真值表；
函数式←→逻辑图（约1学时）
【教学方法与教学手段】
采用课堂讲授的方法，可组织学生讨论逻辑代数公式和普通代数公式的相同和不同之处，讨论逻辑函数各种表示方法的特点和相互转换方法。
【作业】
P381.11.21.81.10
【本周学时分配】
本周5学时。
周二1~2节，周四3~5节。
【教学目的与基本要求】
1、熟练掌握四变量以下的卡诺图化简的方法和步骤，并学会在化简中正确利用约束项。
2、正确理解公式化简法及化简的原则。
【教学重点与教学难点】
本周教学重点：
1、逻辑函数的标准形式：
重点讲述逻辑函数标准与或式的展开方法。
2、逻辑函数的公式化简法：
重点讲述最简与或式的概念和常用化简技巧。
3、逻辑函数的卡诺图表示方法：
重点讲述函数的卡诺图画法。
4、逻辑函数的卡诺图化简法：
重点讲述图形法的化简步骤以及与公式化简法的对比（特点与适用范围）。
本周教学难点：
1、公式化简法的技巧：
注意结合实例说明各种技巧的综合运用。
2、逻辑函数的卡诺图表示方法：
注意讲述卡诺图的结构、相邻的含义和函数的卡诺图画法。
3、具有无关项的逻辑函数化简：
注意讲述卡诺图化简法的化简技巧。
【教学内容与时间安排】
一、逻辑函数的两种标准形式（约1学时）
1、最小项的定义和性质；
2、最大项的定义和性质；
3、逻辑函数的最小项之和形式；
结论：
任何一个逻辑函数均可展为最小项之和形式即标准与或式，且该形式唯一。
展开方法：
利用基本公式去掉括号和非号，再利用公式
展开。
4、逻辑函数的最大项之积形式；
结论：
任何一个逻辑函数均可展为最大项之积形式即标准或与式，且该形式唯一。
展开方法：
先求出反函数的标准与或式，再利用反演定理求反即可。
二、最简与或式的定义
最简与或式满足如下两个条件：
a）乘积项的个数最少；b）在满足条件a的前提下，每个乘积项中因子的个数最少。
三、公式化简法（约1学时）
原理：
利用逻辑代数的基本公式和常用公式化简。
常用方法：
1、合并项法；2、吸收法；3、消去法；4、消项法；5、 配项法。
*注意在实际化简时，往往要综合运用上述方法。
四、逻辑函数的卡诺图表示法：
（约1学时）
1、卡诺图的概念；
2、卡诺图的结构；
3、函数的卡诺图表示法
五、卡诺图化简法（约1学时）
原理：
利用函数的卡诺图合并相邻的最小项。
化简步骤：
1、将函数展开为标准与或式；2、画出函数的卡诺图；3、合并相邻的最小项；4、选择乘积项，写出最简与或式。
选择乘积项的原则：
a. 须包含函数的全部最小项；b. 选用乘积项的总数应最少；c.每个乘积项包含的因子最少。
六、具有无关项的逻辑函数化简（约0.5学时）
1、无关项的概念
2、函数化简方法
七、逻辑函数的变换与实现（约0.5学时）
1、逻辑函数的其他表达形式
a. 与—或式
b. 与非—与非式
c. 或—与式
d. 或非—或非式
e. 与或非式
2、逻辑函数的变换与实现
利用逻辑函数公式和定理将最简与—或式变换为其他表达形式
【教学方法与教学手段】
本讲主要采用课堂讲授的方法，可组织学生讨论卡诺图化简法中的“画圈”技巧。
【作业】
P401.111.131.161.20
第二章门电路
【本周学时分配】
本周5学时。
周二1~2节，周四3~5节。
【教学目的与基本要求】
1、正确理解TTL的门电路结构、工作原理、逻辑功能和主要参数。
2、熟练掌握其外部特性及特点，并从输入特性、输出特性、电压传输特性、速度、功耗、抗干扰能力、带负载能力对电路进行比较，以便为实际使用这些器件打下必要的基础。
【教学重点与教学难点】
本周教学重点：
1、半导体器件的开关特性：
重点讲述各种器件的导通和截止条件与特点。
2、TTL反相器的结构和原理：
重点讲述典型结构和定性分析方法。
3、TTL反相器的电压传输特性：
重点讲述各种特性的含义、相关参数和应用背景。
本周教学难点：
1、半导体器件的结构和特性曲线：
主要讲述各种器件的外部特性和主要参数。
2、TTL反相器的原理：
主要讲述根据三极管的开关条件与特点进行定性分析的方法。
3、TTL反相器的电压传输特性：
结合TTL反相器的结构理解各种特性，在此基础上讲述相关参数。
【教学内容与时间安排】
一、门电路的基本概念（约0.5学时）
1、门电路的定义和分类：
门电路按照逻辑功能可分为与门、或门、非门、与非门等；按照制造工艺可分为TTL门、CMOS门等。
2、逻辑状态的表示方法：
在逻辑电路中，利用电路输入或输出的高、低电平来表示逻辑状态，可分为正逻辑和负逻辑两种。
注意高电平和低电平是指两个电平范围，而不是固定的电压值。
二、二极管的开关特性（约0.5学时）
1、二极管导通的条件和特点；
2、二极管截止的条件和特点；
3、动态开关特性：
存在反向恢复时间tre，其原因在于PN结的电容效应。
三、三极管的开关特性（约0.5学时）
1、三极管饱和导通的条件和特点
2、三极管截止的条件和特点
3、动态开关特性：
存在开启时间TON和关断时间TOFF，影响了三极管的开关速度。
四、MOS管的开关特性（约0.5学时）
1、MOS管导通的条件和特点
2、MOS管截止的条件和特点
3、动态开关特性：
主要影响因素是开关电路中输入、输出回路中等效电容的充、放电时间。
五、分立元件门电路（约1学时）
包括二极管与门、二极管或门和三极管非门，它们的结构简单，但是输出电平存在偏移而且带负载能力较差，通常只是作为LSI的内部单元来使用。
六、TTL反相器的结构和原理（约1学时）
1、结构：
TTL反相器由三部分构成：
输入级、中间级和输出级。
2、原理：
A为低电平时，T1饱和，VB1≈0.9V，VB2≈0.2V，T2和T5截止，T4和D2导通，Y为高电平；A为高电平时，VB1≈2.1V，T1倒置，VB2≈1.4V，T2和T5饱和，T4和D2截止，Y为低电平。
七、TTL反相器的电压传输特性（约1学时）
1、电压传输特性的定义；
2、电压传输特性的分析：
分为四个区段：
AB段：
UI＜0.6伏，截止区；BC段：
0.6伏＜UI＜1.3伏，线性区；
CD段：
UI≈1.4伏，转折区；DE段：
UI＞1.4伏，饱和区。
3、相关参数：
阀值电平VTH，开门电平VON，关门电平VOFF，高电平噪声容限VNH，低电平噪声容限VNL。
【教学方法与教学手段】
本讲主要采用课堂讲授的方法，可组织学生讨论半导体器件作为开关器件使用和作为放大器件使用时在特性上的区别，在讲述TTL门电路的电气特性时可采用多媒体教学。
【作业】
P1252.12.2
【本周学时分配】
本周5学时。
周二1~2节，周四3~5节。
【教学目的与基本要求】
1、了解OC门和三态门的使用。
2、课堂自学正确理解COMS的门电路结构、工作原理、逻辑功能和主要参数。
3、培养学生的自学能力、独立思考与解决问题的能力，帮助学生克服学习中的畏难心理。
【教学重点与教学难点】
本周教学重点：
1、TTL反相器的静态输入和输出特性：
重点讲述各种特性的含义、相关参数和应用背景。
2、其他逻辑功能的TTL门：
重点讲述各种门电路的功能及其电气特性方面与TTL反相器的相同和不同之处。
3、集电极开路的门电路（OC门）和三态输出门电路（TS门）：
重点讲述OC门和TS门的功能、使用方法和应用。
本周教学难点：
1、TTL反相器的静态输入和输出特性：
结合TTL反相器的结构理解各种特性，在此基础上讲述相关参数。
2、TTL反相器的动态特性：
主要讲述相关概念以及对于应用的影响，不必讲述过细。
3、集电极开路的门电路（OC门）和三态输出门电路（TS门）：
注意讲述OC门可实现“线与”的原因和TS门输出高阻的概念。
【教学内容与时间安排】
一、TTL反相器的静态输入和输出特性（约1学时）
1、输入特性
定义：
II=f（UI）。
相关参数：
输入短路电流IIL，高电平输入电流IIH。
2、输出特性
定义：
VO=f（IL），分为高电平输出特性和低电平输出特性。
相关参数：
最大负载电流ILMAX，扇出系数N。
3、输入端负载特性
定义：
VI=f（RI）。
相关参数：
开门电阻RON，关门电阻ROFF。
二、TTL反相器的动态特性（约0.5学时）
背景：
TTL反相器在状态变化过程中出现的现象。
1、传输延迟时间Tpd：
门电路的输出波形相对于输入波形的滞后时间。
2、交流噪声容限VNA=f（Tw）：
反映动态抗干扰能力。
3、电源的动态尖峰电流ICCM：
产生动态附加功耗。
三、其他逻辑功能的TTL门
包括与门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门等几种常见的类型。
尽管它们逻辑功能各异，但输入端、端出端的电路结构形式与反相器基本相同，因此前面所讲的反相器的输入特性和输出特性对这些门电路同样适用。
四、集电极开路的门电路（OC门）（约1学时）
1、OC门的结构：
将TTL门的输出级的D3、R4和T4去除，而变为开路的结构。
2、OC门的使用方法和用途：
使用方法：
使用时需外接电阻和电源，电源取值一般为+5V，电阻取值应恰当。
用途：
可将多个OC门的输出端直接并联以实现“线与”。
五、三态输出门电路（TS门）（约0.5学时）
1、TS门的结构：
三态输出门是在普通门电路的基础上附加控制电路而构成的。
2、TS门的原理：
以控制端高电平有效的TS门为例。
EN=1时，三态门工作，Y=
EN=0时，三态门的输出级的T4和T5同时截止，输出为高阻态。
3、TS门的应用：
基本应用是将多个TS门的输出端直接并联以实现“总线结构”，可以实现多路数据的分时传送，但要求任何时间只能使一个TS门工作。
此外还可用TS门实现数据的双向传输。
六、MOS门电路（约1学时）
1、MOS反相器
2、CMOS反相器
3、CMOS或非门和与非门
七、集成门电路使用中的一些问题（约1学时）
1、TTL和CMOS之间的接口
2、TTL和MOS电路在使用中应注意的问题
*六、七可采用课堂自学与讨论方式教学，在学生自主阅读相关内容基础上，适当提出一下思考内容：
1、 CMOS门电路的电源电压是否固定为＋5V？
为什么？
2、 为什么CMOS门电路具有低功耗的特点？
3、 CMOS门电路是否具有输入负载特性？
为什么？
4、 为什么CMOS门电路的工作速度较TTL门电路低？
5、 为什么CMOS门电路需要在输入和输出端加缓冲器？
6、 CMOS传输门的功能是什么？
有何应用？
7、 CMOS电路使用时应注意什么？
【教学方法与教学手段】
先启发式地提出自学思考题，再让学生自学，然后组织学生回答问题和进行讨论，最后总结教学内容。
【作业】
P1262.42.52.62.72.16（a）2.17（a）
第三章组合逻辑电路
【本周学时分配】
本周5学时。
周二1~2节，周四3~5节。
【教学目的与基本要求】
1、熟练掌握组合逻辑电路的分析方法
2、熟练掌握组合逻辑电路的设计方法
【教学重点与教学难点】
本周教学重点：
1、组合逻辑电路的分析方法
2、组合逻辑电路的设计方法
3、编码器的概念和电路框图，注意讲解普通编码器和优先编码器的区别，讲解典型电路74LS148。
本周教学难点：
1、组合逻辑电路的设计方法：
注意结合实例讲述一般设计步骤。
2、编码器具体电路，注意讲述电路框图及其应用方法，避开内部结构。
【教学内容与时间安排】
一、组合逻辑电路概述（约1学时）
1、组合逻辑电路的特点：
功能特点：
在组合逻辑电路中，任意时刻的输出仅仅取决于该时该的输入，与电路原来的状态无关。
结构特点：
在组合逻辑电路中，只包含门电路，不包含触发器，而且不含反馈。
2、逻辑功能的描述：
逻辑功能一般通过逻辑函数式或逻辑真值表的形式来描述，也可以用逻辑图来表达。
二、组合逻辑电路的分析方法（约1学时）
所谓分析一个给定的逻辑电路，就是要通过分析找出电路的逻辑功能来。
分析步骤如下：
1、从电路的输入到输出逐级写出逻辑函数式；
2、对函数式进行化简或变换；
3、列出输入输出的逻辑真值表；
4、用文字概括说明电路逻辑功能的特点。
三、组合逻辑电路的设计方法（约1.5学时）
所谓设计一个逻辑电路，就是根据给出的实际逻辑问题、求出实现这—逻辑功能的最简单逻辑电路。
设计步骤如下：
1、进行逻辑抽象，目的是得到一个逻辑真值表。
过程：
确定输入变量和输出变量→逻辑赋值→列真值表。
2、由真值表求出输出逻辑函数式。
3、选择实现的器件：
可用SSI、MSI或PLD来实现。
4、将逻辑函数化简或变换成适当的形式。
若用SSI实现，需要化简逻辑函数；若用MSI实现，需要变换逻辑函数。
5、据化简或变换后的逻辑函数式，画出逻辑电路图。
6、工艺设计。
四、编码器（约1.5学时）
1、编码器的概念
所谓编码就是用文字、符号或数码表示特定对象的过程。
编码器就是实现编码操作的电路。
编码器可分为普通编码器和优先编码器两种。
每一种编码器中又可分为二进制编码器和BCD编码器等。
2、普通编码器
特点：
在任何时刻只有一个编码信号有效，编码器对之进行编码。
二进制普通编码器：
以8线-3线编码器为例说明。
3、优先编码器
特点：
允许多个编码信号同时有效，而且电路只对优先级最高的信号编码，不理会低优先级信号。
二进制优先编码器：
以8线-3线优先编码器74LS148为例。
在原理分析中，应注意强调电路框图的讲解，说明输入输出信号的含义。
在74LS148中注意选通信号和状态输出信号的作用。
二—十进制（BCD码）优先编码器：
典型电路是74LS147，原理分析类似于74LS148。
【教学方法与教学手段】
本讲采用课堂讲授的方法，注意结合实例说明组合逻辑电路的分析步骤和设计步骤。
可组织学生讨论普通编码器和优先编码器的区别，讨论编码器的应用。
【作业】
P1793.13.3
【本周学时分配】
本周5学时。
周二1~2节，周四3~5节。
【教学目的与基本要求】
1、通过对中规模集成电路的设计实例，如译码器、编码器、加法器、数据选择器及数据分配器的应用，来加深对一些常用的中规模集成电路的理解。
2、正确理解常用中规模组合逻辑电路的逻辑功能，工作原理及使用中的有关问题，学会使用手册，借助组手册解决使用电路组件的问题。
【教学重点与教学难点】
本周教学重点：
1、译码器的概念和电路框图，讲解典型电路74LS138，讲述译码器实现组合逻辑函数的方法。
2、加法器的功能框图及其应用，注意串行和并行加法器的特点。
3、数值比较器：
重点讲述功能框图与使用方法，注意讲述功能扩展方法。
本周教学难点：
1、译码器的各种具体电路，注意讲述电路框图及其应用方法，避开内部结构。
2、超前进位加法器的进位构成原理和四位数值比较器扩展输入端的用法。
【教学内容与时间安排】
一、译码器（约1学时）
1、译码器的概念：
译码就是将代码“翻译”为输出信号的过程，译码器就是实现译码操作的电路。
2、译码器的分类：
译码器可分为二进制译码器、BCD码译码器和显示译码器。
二进制译码器：
二进制译码器的输入代码是二进制码，它可用二极管矩阵和集成门实现。
典型电路是74LS138，原理分析中注意说明电路框图、输入信号的含义，特别注意选通信号的作用及其选通条件，注意译码器的每个输出是输入变量的一个最小项（或其反）。
二—十进制（BCD码）译码器：
其输入是BCD码，原理与二进制译码器类似。
显示译码器：
显示译码器是专门为数码显示器件而设计的电路，其输入是BCD码，输出是七段显示驱动信号。
典型电路是7448，逻辑图见P118的图3.23。
原理分析注意说明电路框图和相关控制信号的作用，并用8位数码显示系统的实例加以说明。
3、用译码器设计组合逻辑电路
设计原理：
利用译码器产生输入变量的所有最小项，再利用输出端附加门实现最小项之和。
器件选择方法：
实现n变量逻辑函数采用n位二进制译码器。
输出附加门可选用或门（译码器输出原函数时）或者与非门（译码器输出反函数时）。
二、加法器（约1学时）
1、一位加法器：
包括半加器和全加器两种。
两者区别在于，半加器不考虑低位进位，全加器要考虑低位进位。
一般采用全加器。
2、多位加法器：
多位加法器分为串行加法器和并行加法器两种。
串行加法器的原理是将多个一位全加器串联起来，将低位加法器的进位依次接到高位加法器的进位输入。
其特点是结构简单但是运算速度慢。
并行加法器的原理是利用低位的加输入和进位输入直接得到高位的和及进位输出，其典型电路是74LS283，注意讲述电路框图及相关信号的含义。
并行加法器的特点是运算速度快但结构复杂。
3、用加法器设计组合逻辑电路
如果输出逻辑函数可表示为输入变量和输入变量或常数相加时，则可用加法器实现逻辑函数。
但是这种方法只适用于特殊情形，不象译码器和数据选择器那样具有普遍性。
三、数据选择器（约1学时）
1、在选择输入信号的作用下，从多个数据输入通道总选择某一个通道的数据传入到输出端。
2、数据选择器的应用。
四、数值比较器（约1学时）
1、一位数值比较器：
用于比较两个一位二进制数，输入为A和B，输出是Y（A＜B）、Y（A=B）和Y（A＞B）。
2、多位数值比较器：
它是以一位数值比较器为基础，根据多位数的比较方法而构成。
典型电路是四位数值比较器CC14585，应注意功能框图和有关信号的作用。
同时注意数值比较器的扩展方法。
五、竞争冒险的产生和判断（约1学时）
1、竞争：
门电路两个输入信号同时向相反的逻辑电平跳变的现象叫竞争
2、竞争——冒险：
由于竞争在电路输出端可能产生尖峰脉冲的现象叫竞争——冒险。
【教学方法与教学手段】
本讲主要采用课堂讲授的方法，可组织学生讨论编码器和译码器的区别，讨论译码器和显示译码器、加法器和数值比较器的应用。
启发学生以互相讨论的方式完成中规模集成组合逻辑电路（MSI）的应用习题课，培养学生自学学习的能力。
【作业】
P1793.83.103.143.163.233.27
第四章 触发器
【本周学时分配】
本周5学时。
周二1~2节，周四3~5节。
【教学目的与基本要求】
1、正确理解各种触发器的组成、工作原理。
2、熟练掌握触发器的逻辑功能。
【教学重点与教学难点】
本周教学重点：
1、基本触发器、同步触发器及主从触发器的电路结构、逻辑关系及动作特点。
2、基本RS触发器与同步RS触发器的区别。
本周教学难点：
1、触发器输入端的有效电平。
2、R、S触发器的不定态与约束条件。
【教学内容与时间安排】
一、触发器的定义与基本特点（约1学时）
能够储存一位二值信号的基本单元电路统称为触发器。
触发器的基本特点一是具有两个能自行保持的稳定状态,二是能根据不同的输入信号置成1或0状态。
二、触发器的分类
触发器根据电路结构形式的不同,可分为基本触发器、同步触发器、维持阻塞触发器、主从触发器、CMOS边沿触发器等;根据逻辑功能的不同,可分为RS触发器、JK触发器、T触发器、D触发器等。
三、基本RS触发器（约1学时）
1、电路结构；
2、逻辑功能；
3、动作特点；
4、优缺点。
四、同步RS触发器（约1学时）
1、电路结构；
2、逻辑功能；
3、动作特点；
4、优缺点。
五、主从RS触发器（约1学时）
1、电路结构；
2、逻辑功能；
3、动作特点；
4、优缺点。
六、主从JK触发器（约1学时）
1、电路结构；
2、逻辑功能；
3、动作特点；
4、优缺点。
【教学方法与教学手段】
以讲授为主，首先分析基本RS触发器的电路结构与动作特点，然后根据电路要求引入同步RS触发器。
另外组织学生讨论触发器的电压波形，以加深对动作特点的理解。
【作业】
P2164.14.54.74.84.9
【本周学时分配】
本周5学时。
周二1~2节，周四3~5节。
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