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1、数字逻辑设计及应用课程教学大纲课程编号：53000540适用专业：电子信息类专业（包括通信工程、网络工程、信息工程、电子信息工程、信息对抗技术、电磁场与天线技术、电波传播与天线、电子科学技术、集成电路设计与集成系统、微电子学、应用物理学、电子信息科学与技术、真空电子技术、光信息科学与技术、信息显示与光电技术、测控技术与仪器、自动化、自动化（电力系统自动化）、环境工程、机械设计制造及其自动化、电气工程及其自动化、工业工程、生物医学工程、管理-电子工程复合培养实验班。）学 时 数：64学 分 数：4开课学期：第4学期先修课程：高等数学、电路分析基础、模拟电路基础执 笔 者：姜书艳 编写日期：201
2、1.1审核人（教学副院长）：一、课程性质和目标授课对象：全日制大学本科二年级课程类别：学科基础课教学目标（本课程对实现培养目标的作用；学生通过学习该课程后，在思想、知识、能力和素质等方面应达到的目标）： “数字逻辑设计及应用”课程是电子信息类专业所共有的一门重要学科基础课程，同时也是一门重要工程技术课程，是研究数字系统设计的入门课程。通过本课程的学习，使学生掌握数字逻辑电路的基本理论和基本分析方法，为学习后续课程准备必要的电路知识。本课程在培养学生严肃认真的科学作风和抽象思维能力、分析计算能力、总结归纳能力等方面起重要作用。在本课程中，将介绍数字逻辑电路的分析设计方法和基本的系统设计技巧；培养
3、同学综合运用知识分析解决问题的能力和在工程性设计方面的基本素养。通过实验和课外上机实验的方式，使同学深入了解和掌握数字逻辑电路的设计分析方法和电路的运用过程。二、课程内容安排和要求（一）教学内容、要求及教学方法1. 课堂理论教学 （64学时）第一章 引言 （2学时）了解：数字逻辑电路的特点、数字逻辑电路在电子系统设计中的地位、数字逻辑电路与模拟电子电路之间的关系、简单介绍EDA设计工具、VHDL语言对数字逻辑设计作用和影响。第二章 数制与编码 （6学时）掌握：十进制、二进制、八进制和十六进制数的表示方法以及它们之间的相互转换、非十进制数的加减运算；掌握：符号数的表达：符号-数值码（Signed
4、-Magnitude System、原码），二进制补码(twos complement，补码)、二进制反码（ones complement, 反码）表示以及它们之间的相互转换；掌握：带符号数的补码的加减运算；BCD码（Binary Codes for Decimal numbers）、格雷码（Gray code、葛莱码）的特点，它们与二进制数之间的转换关系；理解：二进制数的浮点数表达（补充）；了解：字符的代码表示，二进制代码在状态、条件等的表示方面的应用；第三章 数字电路 （6学时）掌握：正负逻辑的概念；CMOS逻辑电平和噪声容限，扇出特性；理解：CMOS逻辑反相器、与非门、或非门、非反相门、
5、与或非门电路的结构；理解：CMOS逻辑电路的其他稳态电气特性：带电阻性负载的电路特性、非理想输入时的电路特性、负载效应、不用的输入端及等效的输入、输出电路模型；理解：动态电气特性：转换时间、传播延迟、电流尖峰；理解：特殊的输入输出电路结构：CMOS传输门、施密特触发器输入结构、三态输出结构、漏极开路输出结构；了解：利用PSPICE仿真CMOS基本逻辑门的静态特性和动态特性、电路结构和负载特性对逻辑门静态特性和动态特性的影响。了解：作为电子开关运用的二极管、双极型晶体管、MOS场效应管的工作方式；了解：其他类型的逻辑电路：TTL,ECL等；了解：不同类型、不同工作电压的逻辑电路的输入输出逻辑电平
6、规范值以及它们之间的连接配合的问题。第四章 组合逻辑设计原理 （8学时）掌握:逻辑代数的公理、定理，对偶关系、反演关系、香浓展开定理，以及在逻辑代数化简时的作用；掌握:逻辑函数的表达形式：积之和与和之积标准型、真值表、逻辑表达式，以及各种表达形式之间的关系；掌握:逻辑函数的基本运算：相加（或）、相乘（与）、对偶、反演；异或、同或运算的公式、性质及其相互关系（补充）；掌握:组合电路的分析：穷举法和代数法；代数法逻辑函数表达式的产生过程及逻辑函数表达式的基本化简方法函数化简方法和卡诺图化简方法；掌握:组合电路的综合过程：将功能叙述表达为组合逻辑函数的表达形式、使用与非门、或非门表达的逻辑函数表达式
7、、逻辑函数的最简表达形式及综合设计的其他问题：无关项(dont-care terms)的处理、多输出(multiple-output)逻辑化简的方法和定时冒险（timing hazards）问题。理解：学习使用QuatusII(MAX+plusII)、Multisim 等仿真工具软件，利用图形法和波形法进行数字逻辑电路仿真；对定时冒险电路进行仿真分析，加强对定时冒险现象的分析理解能力。理解：组合逻辑电路和时序逻辑电路的基本概念；逻辑代数化简时的几个概念：蕴含项（implicant）、主蕴含项（prime implicant）、奇异“ 1 ”单元（distinguished 1-cell )、质
8、主蕴含项(essential prime implicant);五变量及以上逻辑函数卡诺图化简方法；了解：开集（on-set）、闭集(off-set)的概念；第五章 硬件描述语言 （4学时）了解：HDL工具组、设计流程理解：Verilog语言的语法结构和特点，会使用Verilog语言编写数字逻辑电路相关的程序第六章 组合逻辑设计实践 （12学时）掌握：利用基本的逻辑门完成规定的组合逻辑电路的设计任务：如译码器、编码器、多路选择器、多路分配器、异或门、比较器、全加器；掌握：利用基本的逻辑门和已有的中规模集成电路（MSI）逻辑器件如译码器、编码器、多路选择器、多路分配器、异或门、比较器、全加器、三
9、态器件等作为设计的基本元素完成更为复杂的组合逻辑电路设计的方法；理解：利用QuatusII(MAX+plusII)文本法（Verilog语言）、Multisim 等仿真工具软件进行组合电路基本功能单元仿真，加深对基本功能单元功能作用的理解；对教材中大型例题进行仿真分析，加强对大型综合性设计的分析理解能力。理解：等效门符号（摩根定理）（Equivalent Gate Symbols under the Generalized Demorgans Theorem）；信号名和有效电平（Signal Name and Active Levels)；“圈到圈”的逻辑设计（Bubble-to-Bubble
10、 Logic Design）；电路定时(Circuit Timing)；Parity Circuit (奇偶校验电路)的原理、应用；了解：文档标准。第七章 时序逻辑设计原理 （10学时）掌握:基本时序元件R-S型、D型锁存器以及D型、J-K型、T型触发器的电路结构、工作原理、时序特性、 功能表、特征方程表达式，不同触发器之间的相互转换；掌握:钟控同步状态机的模型图，状态机类型及基本分析方法和步骤，使用状态图表示状态机状态转换关系；掌握:时序状态机的设计：状态转换过程的建立，状态的化简与编码赋值、未用状态的处理-最小风险方案和最小代价方案、使用状态转换表的设计方法、使用状态图的设计方法。理解：利
11、用QuatusII(MAX+plusII)文本法（Verilog语言）、Multisim 等仿真工具软件对各种类型触发器进行仿真，加深对各种类型触发器功能作用的理解；学会用Verilog语言设计时序电路。理解：扫描触发器(Scan Flip-Flop)特性及基本应用；理解：组合逻辑电路和时序逻辑电路的基本概念；有限状态机（Finite-State Machine）、时钟触发沿（Clock Tick）、占空比（Duty Cycle）的含义；基本双稳态元件(Bistable Elements)的结构和亚稳态特性（Metastable Behavior）；锁存器（Latches）与触发器（Flip-
12、Flops）的区别；主从触发器与边沿结构触发器的区别；触发器的定时参数（Timing Parameters）：建立时间和保持时间的概念；时序逻辑电路的分类；了解：时序电路设计中的其他的设计方法。第八章 时序逻辑设计实践 （12学时）掌握：利用基本的逻辑门、时序元件作为设计的基本元素完成规定的钟控同步状态机电路的设计任务：计数器、位移寄存器、序列检测电路和序列发生器的设计；掌握：利用基本的逻辑门和已有的中规模集成电路（MSI）时序功能器件作为设计的基本元素完成更为复杂的时序逻辑电路设计的方法。理解：利用QuatusII(MAX+plusII)文本法（Verilog语言）、Multisim 等仿真
13、工具软件进行时序电路基本功能单元仿真，加深对基本功能单元功能作用的理解；对教材中大型例题进行仿真分析，加强对大型综合性设计的分析理解能力。理解：开关消抖(Switch Debouncing)电路、总线保持电路（Bus Holder Circuit）原理；寄存器（register）和锁存器（latch）的区别；计数器的分类；移位寄存器型计数器（Shift-Register Counters）：环形计数器（Ring Counter）和扭环计数器（Twisted-Ring Counters）的电路结构工作原理及应用；修改成自启动的方法；线性反馈移位寄存器(LFSR)计数器的特点、设计方法及应用；串/
14、并转换（Serial-to-Parallel Conversion）原理；迭代与时序电路（Iterative versus Sequential Circuits)；了解：时序电路文档标准(Sequential-Circuit Documentation Standards)；时序电路设计中的其他问题：大型时序电路的结构划分，时钟偏移（Clock Skew)，异步输入处理等。了解：数字逻辑电路(组合电路和时序逻辑电路)设计的描述说明方法；了解：数字逻辑系统设计的其他问题：数字逻辑设计中设计工具的作用、设计的可测试性问题、数字逻辑系统可靠性的问题、高速数字逻辑系统中信号传输的相关问题。第九章 存
15、储器、CPLD和FPGA及其在数字逻辑系统实现中的运用 （2学时）了解：存储器（ROM,SRAM）、CPLD和FPGA的基本工作原理和结构；理解：存储器、CPLD和FPGA在数字逻辑系统设计的硬件实现中的运用。补充内容 模数转换器、数模转换器(ADC/DAC)原理及应用简介 （2学时）理解：数字-模拟转换器(Digit to Analog Convertor,DAC)的基本电路结构（R-2R结构的DAC），工作原理；理解：模拟-数字转换器(Analog to Digit Convertor,ADC) 的基本电路结构（逐次逼近式的ADC），工作原理；理解：模拟-数字转换器、数字-模拟转换器(AD
16、C/DAC)在电子系统中的作用和应用，特别是在波形发生方面的运用。（关于应达到要求的说明：“了解”：是指学生应能辨认的科学事实、概念、原则、术语，知道事物的分类、过程及变化倾向，包括必要的记忆；“理解”：是指学生能用自己的语言把学过的知识加以叙述、解释、归纳，并能把某一事实或概念分解为若干部分，指出它们之间的内在联系或与其他事物的相互关系；“掌握”：是指学生能根据不同情况对某些概念、定律、原理、方法等在正确理解的基础上结合事例加以运用，包括分析和综合。）（二）自学内容和要求1、学习使用PSPICE电路CAD工具，利用PSPICE仿真CMOS基本逻辑门的静态特性和动态特性、了解电路结构和负载特性对逻辑门静态特性和动态特
