《数字电子技术》教案

PAGE1内容备注《数字电子技术》课程教案讲课题目：第1章概述目的要求：1、理解数字电子技术的一些最基本的概念；2、了解数字技术的主要优点；3、了解本课程的一些基本情况和学习要求。重点难点：重点：数字电子技术基本概念。方法步骤：理论讲授、举例说明、课堂提问、课堂练习、总结归纳。器材保障：多媒体电脑、投影仪、扩音设备。教学内容与时间安排本课程的名称为“数字电子技术”，内容与“数字设计”、“数字电路与逻辑设计”、“数字电路”等课程相近（板书）。“数字设计”可以是数字电路设计，也可以是数字系统设计。在这门课中我们所面对的大多是简单的电路而不是复杂的系统；“数字电路”与“逻辑关系”之间有着密不可分的联系。自我介绍——姓名和联系方式。本次课主要讲授两个内容：首先，讨论与“数字设计”相关的三个基本问题；然后，简单介绍一下这门课的一些基本情况，并明确本课程的学习要求。（通过对本次课的讲授，要努力使学生明白3个问题：学什么？为什么学？怎样学？）一、“数字设计”的三个基本问题◆什么是“数字（电路、系统）设计”？——“数字设计”的基本概念◆为什么要进行“数字（电路、系统）设计”？——“数字技术”的优点◆怎样进行“数字（电路、系统）设计”？——“数字（电路、系统）”设计技术既然本课程叫作“数字设计”，那么我们要讨论的第一个问题就是：什么是“数字设计”？（这很自然，我们要研究一个东西，总要先搞清楚它是什么、它的一些基本的情况），在讨论这个问题的过程中，将会涉及到“数字设计”的一些基本概念，这些基本概念也是本次课的学习重点。在了解了“什么是数字设计？”之后，接下来的问题是：为什么要进行“数字（电路、系统）设计”？（或者换一个角度来说，已经在学习模拟电路，为什么还要学习数字电路？）任何技术的存在总要有其存在的价值，只有这样，人们才会研究它、使用它，这个问题的答案就在于“数字技术”有着“模拟技术”所不具备的优势。当我们已经回答了以上这两个问题，那么再接下来，大家想一想，我们的问题是什么？（设问，请学生先思考）。。。。。。。。。怎样进行数字设计？也就是数字设计的技术。不过，这个问题实在是太大了，现有的数字设计技术的内容已经十分丰富，而且也在不断地发展当中，50个学时都是微不足道的。在这50个学时里，我们所要做的就是，坚实地迈出进入数字世界的第一步，掌握一些基本的概念和设计技术，为将来进一步的学习打下一个坚实的基础。象“。。。是什么？”、“为什么。。。？”和“怎样。。。？”这样的问题不仅仅存在于这门课中，在很多场合都会遇到这样的问题，只不过有时没有意识到而已。(一)“数字设计”的基本概念1、物理量为了回答第一个问题，首先来了解一下自然界中的物理量。自然界中有各种各样的物理量，所有的这些物理量可以被分成两大类，一类是“模拟量”，另一类是“数字量”。所谓“模拟量”，是指那些在一定的范围内可以连续取值的物理量。比如：大气的温度、车辆的速度等等（以温度为例，一天当中，某一点的温度有一个最大值和最小值，在这个范围内任何一个值对这一天来讲都是有意义的，也就是说，在这个范围内，温度可以连续取值，可以取任何一个值）。所谓“数字量”，是指那些取值离散（不连续）的物理量。比如：书的页码、人数等等。（可以请学生举出“模拟量”和“数字量”的其它例子）除了上面所介绍的“模拟量”和“数字量”的基本概念以外，还应知道以下3点：☆我们的世界是模拟的！（大多数的物理量是“模拟量”）☆物理量的取值随时间、空间变化。（例：大气温度）☆当我们用电路对物理量进行处理的时候，需要先用相应的传感器或变换器将其变换成合适的电信号。（比如：扩音器）因此，接下来就需要了解一下“电信号（ElectricSignal）”。2、电信号电信号主要是指电压和电流，另外还有线圈的磁通、电容的电荷等。在电信号中，有两类很重要的信号，它们分别是：“模拟信号”和“数字信号”。所谓“模拟信号”，是指那些在取值和时间上都连续的电信号（举例解释“取值连续”——在一定的范围任意一个值都是有意义的，“时间连续”——取值随时间连续变化，没有跳变）。所谓“数字信号”，是指那些在取值和时间上都离散（不连续）的信号（举例解释“取值离散”——只有有限个值有意义，“时间离散”——在某些时间点上的取值是没有意义的）。除了“数字信号”的基本概念之外，还应该了解以下3点：☆最常见的数字信号一般是只有两个有效状态的电压信号，这两个状态分别是：高电平、低电平，可以用“逻辑1”、“逻辑0”表示。解释1：“高电平”和“低电平”是是相对的概念，“高电平”和“低电平”指的是两个事先定义好的电压范围（例如：0～0.8，3.6～5）高低电平上下限。如果某个数字电压信号的电压落在高电平的范围之内，则该信号就是“高电平”；如果某个数字电压信号的电压落在低电平的范围之内，则该信号就是“低电平”；如果落在中间呢？对二值数字信号而言，这不是一种有效的状态。解释2：“逻辑1”和“逻辑0”。这里的1和0是逻辑代数中变量的取值，与普通代数中的1和0不一样，它们无大小之分，仅仅是两个不同的符号，可以用来代表两个不同的事物（如：数字电压信号的“高电平”和“低电平”）。解释3：“正逻辑表示法”和“负逻辑表示法”。如果用“逻辑1”表示“高电平”，用“逻辑0”表示“低电平”，则将这种表示法称为“正逻辑表示法”；如果用“逻辑1”表示“低电平”，用“逻辑0”表示“高电平”，则将这种表示法称为“负逻辑表示法”。在本课程中，如果不加说明，默认为“正逻辑表示法”。☆数字信号的波形是由一系列矩形脉冲信号组成的。解释1：“理想的”矩形脉冲信号。矩形脉冲分为“正脉冲”和“负脉冲”，解释什么是“正脉冲”和“负脉冲”、“上升沿”和“下降沿”、“脉冲宽度”和“脉冲幅度”、周期性矩形脉冲信号的“占空比”。解释2：“实际的”矩形脉冲信号。解释在“实际的”矩形脉冲信号中，“上升时间”和“下降时间”、“脉冲宽度”的如何定义的。☆模拟信号与数字信号之间可以相互转换。用ADC，也就是模－数转换器，可以把模拟信号转换成数字信号；反过来，用DAC，也就是数－模转换器，可以把数字信号转换成模拟信号。3、电路电路可以被分成“模拟电路”和“数字电路”两大类。所谓“模拟电路”，就是指那些传输或处理模拟信号的电路，如：放大电路。所谓“数字电路”，就是指那些传输或处理数字信号的电路，如：电子表中的计时器。☆数字电路又可以被分成“组合电路”和“时序电路”两大类，至于什么是“组合电路”和“时序电路”，以及它们之间有何区别，我们以后再作介绍。☆电路可以用电阻、电容、晶体管等分离元件构成的“分立电路”，也可以是“集成电路”。我们所见到的数字电路大多都是集成电路，所谓集成电路，也就是通常所讲的“芯片”（电脑里面有很多，CPU最复杂），就是通过一定的技术和工艺，把原来用电阻、电容、晶体管等分离元件构成的电路集成到一片面积很小的半导体硅片上，然后用外壳封装起来，电路的输入、输出端是通过芯片的引脚与外部相连，从而可以作为一个整体供人使用。☆“数字电路（DigitalCircuit）”与“数字系统（DigitalSystem）”前面提到“数字设计”可以是数字电路设计，也可以是数字系统设计，（在数字设计中，我们有时会提到“数字电路”，有时又会提到“数字系统”）它们之间的本质区别以后再讲，一般来说，可以认为“数字电路”简单（复杂），功能单一（强大）如：电子表中的计时器，“数字系统”复杂，功能强大，如：电子计算机。4、“数字分析”与“数字设计”“数字分析（DigitalAnalysis）”，是指针对一个已经存在的数字电路（系统），通过一定的方法和手段，确定其输入信号与输出信号之间的关系，从而明确整个电路（系统）的功能。“数字设计（DigitalDesign）”，又称为“数字综合（DigitalSynthesis）”，与数字分析的过程相反，是指针对一定的设计要求，通过一定的方法和手段，用合适的器件来构造出一个数字电路（系统），使其能够符合设计要求。☆本课程的重点是如何进行数字设计，但分析是设计的基础。一个好的设计往往是建立在很多前人的工作成果之上的，我们可以通过对现有电路分析，不断地汲取和积累对自己有用的东西，从而作出好的设计。☆现代数字设计是一种“自顶向下（Top-to-Down）、分层次”的设计。如图（PPT）所示，当我们要设计一个复杂系统的时候，可以先把它分解成若干个不是太复杂的子系统；每个子系统又可以被分解成一些更简单的功能模块；功能模块又可以由逻辑门和触发器这两类基本的数字单元来构成（其中逻辑门是最小的数字单元，触发器也是由逻辑门构成的）；如果再下分解，构成逻辑门的就是晶体管和电阻了；晶体管和电阻又是由半导体硅片上的几何图形和线条构成的。这样一个“自顶向下”的分解过程实际上就是一个设计过程，至于分解到那一层，主要取决于所用的器件。(二)“数字技术”的主要优点——“数字”Vs“模拟”数字技术已经在日常生活、自动控制、测量和仪器仪表、通信等领域得到非常广泛的应用。大家看一看下面所列的这些东西（举例）。现在这些东西对于我们而言，已经非常地普通，也正是由于有了这些东西，我们生活才如此地丰富多彩。但是，如果没有数字技术，这些东西都是不可能存在的。以手机为例，第一代移动通信采用的是模拟技术，当时所用的手机俗称“大哥大”，很笨重、不便携带、功能单一，第二代和第三代移动通信采用的是数字技术，现在的手机小巧且功能强大。这些情况就足以说明，相对与模拟技术而言，数字技术必然有其独特的优点，主要有以下4点：1、数字信号更便于存储和处理。以电压信号为例，数字信号的状态是有限的（一般只有两个：“高电平”和“低电平”），每一个状态对应于一个电压范围，我们只需要区分某个信号的电压是在哪个范围就可以了，而在某个范围之内，电压的具体值就没有什么意义了。模拟信号是连续取值的，在某个范围内任何一个值都有意义，理论上存在无穷个状态。2、数字信号本身具有更强的抗干扰能力，而且还可以采用检错、纠错机制进一步提高其抗干扰能力。依图（PPT）解释数字信号本身的抗干扰能力。如图所示，有一组数字信号从一点传送到另一点。A是发送信号的波形，很理想，假设低电平0V、高电平5V（板书），B是接受到的信号波形，由于在传输过程中不可避免地要受到干扰和衰减，波形发生了变化。但是，可以设置一个2.5V的门限电平（板书），将收到的信号与门限电平比较。如果接收信号电压大于2.5V，则将其判为高电平；如果接收信号电压小于2.5V，则将其判为低电平。这样，只要干扰的幅度不超过2.5V，就可以恢复将收到的信号恢复成其在发送时的理性情况，也就是100％消除了干扰。而对于模拟信号，无法做到在接收端不可能100％去掉干扰，只能想办法将干扰降至最低。至于检错、纠错机制，是一个很大的题目，不在本课程的范围之内。只是在下一次课，会讲到一种最简单的检错机制。3、数字电路更容易实现大规模集成，成本低、体积小、重量轻、功耗小、可靠性高。解释“为什么数字电路更容易实现大规模集成？”前面提到，最小的数字电路单元是“逻辑门”，而构成“逻辑门”的基本元器件就是晶体管和电阻，主要是晶体管；而构成模拟电路的基本元器件除了晶体管和电阻以外，还经常需要电容和电感，在这些基本元器件中。电容和电感在硅片上所占的面积要远大于晶体管和电阻，而且在硅片上集成的电容和电感远不如分立的电容和电感性能好。4、数字电路中有两大类器件（μP、PLD）具有可编程性，应用起来非常灵活。对于这两类器件，可以通过软件编程的方式来改变其功能。在模拟电路中也有可编程器件，但可编程模拟电路的发展远不如可编程数字电路。这四个优点就足以回答第二个问题——为什么要进行“数字（电路、系统）设计”？如果要联系到军队的实际，“建设信息化军队，打赢信息化战争”是我军肩负的重要历史任务。要实现这两句话，就必须有先进的数字技术作为支撑。尽管数字技术有诸多优点，大家也要注意：☆客观世界是模拟的，许多功能的实现——特别是在需要处理微弱信号、高频信号和大功率信号的场合，还离不开模拟技术。所以，不能不加任何限制地讲哪种技术更好，我们只能说，在特定的场合下，哪种技术更合适。☆模拟电路的许多知识是进一步深入学习数字电路必不可少的基础。二、课程概况1、课程定位本课程是继《电路分析基础》、《模拟电子技术》等课程之后，又一门核心的学科基础课；是学习《计算机硬件基础》、《通信系统原理》、《数字通信》等后续专业课程的基础。2、课程目标（1）对数字电路中的一些基本概念有比较深刻的理解。（2）熟悉一些基本器件的功能和使用方法。（3）掌握数字电路的基本分析方法和设计方法，能够独立设计一些简单的数字电路。3、课程的主要内容（共4部分）（1）数字电子技术的基础知识（2）组合逻辑电路（3）时序逻辑电路（4）半导体存储器、可编程逻辑器件、模/数与数/模转换电路等关于实验：推荐使用MultiSim软件仿真，硬件实验由传统74系列器件的基础性试验和FPGA提高性实验两部分组成。4、参考资料（1）“DIGITALDESIGNPrinciples&Practices”，JohnF．Wakerly，高等教育出版社（2）《数字电子技术基础》（第六版），阎石主编，高等教育出版社（3）辅助教学资源：电子版参考资料、EDA软件。5、学习要求（1）课上，认真听讲、积极思考、踊跃回答问题；（2）课下，认真阅读教材，完成作业要独立、按时、整洁；（3）遇到问题时，及时沟通。6、考核方式以期末考试（闭卷）成绩为主，课堂回答问题情况、作业情况、平时测验成绩都将成为本课程最终成绩的重要参考。本次课小结：本次课从“数字设计的三个基本问题”出发，介绍了数字设计的基本概念和数字技术的优点，然后介绍了本课程的一些基本情况。作业与思考题：必做题：选做题：思考题：1、什么是“数字信号”？2、什么是“高电平”、“低电平”？3、什么是“正逻辑”、“负逻辑”？参考资料：《数字设计引论》，沈嗣昌，高教出版社《数字电子技术基础》，阎石，高等教育出版社“DIGITALDESIGNPrinciples&Practices”，JohnF．Wakerly，高等教育出版社本次课教学体会：特殊情况处理通过数字设计的三个基本问题，归纳数字设计的基本概念。介绍模拟量与数字量，及传感器和换能器等概念。解释：高低电平和逻辑符号的对应关系。解释：理想的矩形脉冲和实际的矩形脉冲的异同点。由信号形式思考处理信号的电路形式。数字系统又是什么？与数字电路有什么异同点？怎样进行数字电路（或系统）的设计？数字分析的重要性。数字技术的基本知识介绍部分：对比模拟技术讲解数字技术的优点，注意讲清楚数字技术不是在所有领域中都能够取代模拟技术。由大到小讲解清楚数字电路、逻辑门、晶体管和电阻的关系。强调数字电路与逻辑设计的重要性和必要性。内容备注《数字电子技术》课程教案讲课题目：第02讲信息数字化之方式（1）—二进制数目的要求：1、理解数制的基本概念和按位计数制的特点；2、掌握常用的按位计数制以及不同数制之间相互转换的方法；3、掌握带符号二进制数的表示方法。重点难点：重点：（1）数制转换方法；（2）有符号二进制数表示方法。难点：有符号二进制数的表示方法。方法步骤：理论讲授、举例说明、课堂提问、课堂练习、总结归纳。器材保障：多媒体电脑、投影仪、扩音设备。教学内容与时间安排对数据的处理是数字设备一项很基本的功能，那么在数字设备中，一个数通常是怎样被表示时的？这就是本次课要解决的问题。一、数制的基本概念“数制”与“法制”、“制度”的概念是相通的，“法制”、“制度”就是人为制定的规则，这些规则用来约束人们的行为，告诉人们什么可以做、什么不能做、。。。。。等等。所谓“数制（NumberSystem）”，就是一套人为制定的规则，这套规则告诉人们如何去计数，或者说，如何去表示一个数值。目前常用的数制（十进制、二进制、十六进制）都是“按位计数制”。二、按位计数制(一)按位计数制的5个特点以最熟悉的十进制为例，来讲解按位计数制的特点。1、有一组基本的数字符号（数码，Digits），{0，1，…，r-1}，其中r是大于等于2的整数，称r为该数制的“基数（RadixorBase）”，并将该数制命名为“r进制”。举例说明（PPT）。2、r进制数的计数规则是：逢r进1，借1当r。3、任何一个r进制数N都有两种写法：——位置法（PositionalNotation）——多项式法（PolynomialNotation）举例说明（PPT）。4、在按位计数制中，每一位都有一个权（Weight）——该位的“1”5、在按位计数制中，第i位的权等于基数的i次方。写出一个r进制数N的两种表示法（PPT），并对按位计数制的特点总结。(二)常用的按位计数制列表（PPT）说明常用的三种数制（十进制、二进制、十六进制）的特点，以及它们的应用场合。例题（PPT）。通过例题使学生进一步熟悉数值的两种写法、按位计数制的基本概念，以及MSB和LSB的概念。(三)数制转换不同的数制应用场合不同，因此必然存在数制转换的问题。1、非十进制数转换成十进制数方法：按权展开求和（写出一个r进制数N的按权展开式）。例题：（见PPT）。2、十进制数转换成非十进制数方法：整数部分——除以基数，取余数，先低后高；小数部分——乘以基数，取整数，先高后低例题：（见PPT）。思考题：十进制转换成非十进制数的转换方法的原理是什么？3、2进制数与2n进制数相互转换（n为整数，n≥2）方法：1位2n进制数ß--àn位2进制数。例题：（见PPT）。三、有符号二进制数在上节课通过对“按位计数制”这部分内容的学习，我们知道在数字设备中的数值采用二进制表示，但这部分内容并没有说明在数字设备中如何区分数的符号。(一)有符号二进制数的表示法提问：有符号的十进制数是如何表示的？回答：符号＋绝对值。（举例，板书）引导学生思考：前面提到，数字设备的信号通常只有两种——高电平和低电平，分别用1和0表示，还句话说，数字设备只能识别1和0，所有的信息都必须表示成1和0的形式，数字设备才能处理。通过对“按位计数制”这部分内容的学习，已经知道如何用二进制数表示十进制数的绝对值部分，又如何在数字设备中表示正负号？有符号二进制数的表示法：符号（1bit，最高位）＋绝对值。（1）讲解如何表示正负号。最高位为0代表正，最高位为1代表负。（2）有符号数的绝对值部分有多种表示方法，常见的有原码表示法、反码表示法和补码表示法。（3）原码、反码和补码本身的概念中是不考虑符号的。但是，有符号数绝对值部分的原码、反码和补码与该数的符号有关。（4）负数的数值部分的原码就是其绝对值的二进制数，反码就是将原码逐位取反，补码就是将反码的末位加1；正数的数值部分的原码、反码和补码相同，就是其绝对值的二进制数。例1、例2（见PPT）。注意正数和负数的区别。(二)n位有符号二进制数所能表示的数值范围以4位有符号数为例，列表说明n位有符号二进制数原码、反码和补码所能表示的数值范围。原码：-(2n-1-1)～+(2n-1-1)反码：-(2n-1-1)～+(2n-1-1)补码：-2n-1～+(2n-1-1)3、带符号二进制数补码的加减运算在数字设备中，有符号二进制数进行加减运算时，通常采用补码的形式进行运算。运算时，符号位和数值一样参与运算，运算的结果仍然是有符号二进制数补码的形式。例1（见PPT）。说明：（1）n位补码在加/减运算中，向n+1位的进/借位一般均被舍弃，保留n位结果。（2）对无符号数而言，减去一个数就相当于加上这个数的补码。例2（见PPT）。说明：（1）什么是“溢出”？（2）判断“溢出”的两种方法。（3）引导学生思考为什么会产生“溢出”，从而引出解决溢出的方法——扩展补码的位数（按符号位扩展）。四、“定点数”和“浮点数”说明：为保证“数值”这部分内容的完整性，补充“定点数”和“浮点数”，不做要求。举例说明，要在数字设备中表示一个数值，还有小数点的问题没有解决。在数字设备中如何处理小数点？两种方法——“定点数”和“浮点数”。（当然，如果设备处理的数据全部是整数或全部是纯小数，则不存在这个问题。）简单讲解，在讲解“浮点数”时，可与十进制数中的科学记数法（见PPT）做类比，说明“阶码”和“尾数”的概念，并举例（见PPT）。本次课小结：在数字设备中，如何表示一个数？（1）采用二进制。（2）若需要处理小数点，选择使用定点数或浮点数表示法。（3）若需要处理符号，选择使用补码、反码或原码表示法。（4）根据数值范围，选择适当的位数并合理分配。（5）明确数据的数学运算规则。提示学生做好复习工作，同时结合实施计划预习下一次教学内容。作业与思考题：必做题：选做题：思考题：十进制转换成非十进制数的转换方法的原理是什么？参考资料：《数字设计引论》，沈嗣昌，高教出版社《数字电子技术基础》（第六版），阎石，高等教育出版社“DIGITALDESIGNPrinciples&Practices”，JohnF．Wakerly，高等教育出版社本次课教学体会：特殊情况处理内容备注《数字电子技术》课程教案讲课题目：第03讲信息数字化之方式（2）—二进制编码目的要求：1、理解二进制编码的基本概念；2、掌握一些简单的二进制编码。重点难点：重点：典型循环码、BCD编码、奇偶校验码。难点：典型循环码。方法步骤：理论讲授、例题讲解、课堂练习、课堂提问。器材保障：多媒体电脑、投影仪、扩音设备。教学内容与时间安排一、编码的基本概念在数字设备中，可以用二进制数表示一个数值。但是，数字设备所要处理的信息不仅仅是数值，还有字母、符号、指令等等，自然界中各种各样、丰富多彩的信息在数字设备中又是如何表示的？答案就是“编码”，准确地讲，是“二进制编码”（板书），也就是说，用“二进制编码”的方式来表示各种各样的信息，当然也可以表示数值。编码的广义概念。“编码（Code）”，就是先选定一个集合，然后用该集合中的元素的某种排列组合来代表某个对象。例如：学号、人名等（可以引导学生举出其它例子）。“二进制编码”的概念。“二进制编码（BinaryCode）”，就是用0和1的排列组合来代表某个对象。例如：给教室中的三个人进行二进制编码。二进制编码的编码长度n与被编码对象的个数m之间的关系：n≥log2m二、一些简单的二进制编码(一)数值编码（NumericCode）1、自然二进制编码（NaturalBinaryCode）某个数值的n位自然二进制编码与它的n位二进制数在形式上完全一样。举例说明n位自然二进制编码与它的n位二进制数在概念上的区别。2、典型循环码（GrayCode）典型循环码有三个特点：相邻性、循环性、反射性。举例说明这三个特点，特别是“逻辑相邻”的概念。以3位Gray码为例（板书），说明利用“反射性”构造n位Gray码的方法。3、二—十进制编码（BinaryCodedDecimal，BCD）BCD编码的方法分为两步：首先，确定编码方案。对十进制数的基本数字符号（0～9）进行n-bit编码，一般n=4；然后，将十进制数的每一位用各自的n-bit编码代替后，结果就是该十进制数的BCD码。BCD编码方案可分为两大类：“有权码”和“无权码”。解释“有权码”和“无权码”的概念；列表简单说明一些常见的BCD编码方案，如：8421BCD、5421BCD、2421BCD、2421BCD、余3码、余3循环码。BCD码的意义在于十进制数和0、1形式之间的简单对应关系，克服了二进制数和十进制数转换的麻烦（通常需要一段程序），也带来需要更多位的问题。例题（见PPT）。再次强调“编码”与“二进制数”在概念上的区别。(二)符号/数值编码（AlphanumericNumericCode）ASCII码是典型的用0、1编码的形式表示字符和指令的编码形式，采用7位编码，可以表示128种信息，编码常用2位十六进制数表示。教学生看编码表1－5。说明控制字符（32D以下都是）在打字机上的含义，如CR（回车：打印位置回到左边）、BS（退格：打印位置回到前一个字符）、LF（换行）、FF（打印位置移到下页）。说明控制字符的含义随应用环境的变化而变化。(三)差错控制编码差错控制编码可分为两大类：检错码（ErrorDetectingCode）、纠错码（ErrorCorrectingCode）。检错码可以在某种程度上检查出数据在传输过程中所发生的错误；纠错码不但可以检出错误，还能定位错误的位置，即：能改正错误。奇偶校验码是信息传输中差错控制编码中最简单的一种，是一种检错码。说明奇偶校验的规则——1bit校验位＋信息位；奇校验码（odd-paritycode）中有奇数个1，称校验位为奇校验位（odd-paritybit）；偶校验码（even-paritycode）中有偶数个1，称校验位为偶校验位（even-paritybit）。奇/偶校验码的优点：简单；缺点：只能发现奇数个bit出错的情况，无纠错能力。本次课小结：本次课首先介绍了二进制编码的基本概念，然后介绍了一些简单的二进制编码，重点是典型循环码、BCD编码和奇偶校验码。提示学生做好复习工作，同时结合实施计划预习下一次教学内容。作业与思考题：必做题：选做题：自测题：思考题：F=A1⊕A2⊕A3⊕…⊕An=1的充要条件是什么？F=A1⊙A2⊙A3⊙…⊙An=1的充要条件是什么？参考资料：《数字设计引论》，沈嗣昌，高教出版社《数字电子技术基础》（第六版），阎石，高等教育出版社“DIGITALDESIGNPrinciples&Practices”，JohnF．Wakerly，高等教育出版社本次课教学体会：特殊情况处理编码的方式实现信息的二进制方式描述。几种常用编码介绍。重点介绍二－十进制编码。介绍通信过程使用差错控制码中的最简单一种：奇偶校验码。内容备注《数字电子技术》课程教案讲课题目：第04讲逻辑代数（1）—逻辑代数基础目的要求：1、理解“二值逻辑”的基本概念；2、掌握常见的逻辑运算及相应逻辑门的符号和逻辑功能；3、掌握逻辑代数的基本定律和运算规则。重点难点：重点：逻辑门、9条定律和3条规则。难点：方法步骤：理论讲授、例题讲解、课堂练习、课堂提问。器材保障：多媒体电脑、投影仪、扩音设备。教学内容与时间安排一、“二值逻辑”的基本概念(一)逻辑变量（LogicVariable）1、形式上与普通代数中的变量相同，一般用字母或以字母开头的字符串表示。如：变量A，B1等。2、只有两种取值：0和1，无大小之分，只是代表两种不同的状态，因此又称为“逻辑0”和“逻辑1”。(二)逻辑函数（LogicFunction）逻辑变量通过逻辑运算形成逻辑函数。举例说明。自变量和因变量。(三)逻辑关系、逻辑函数与数字电路通过幻灯片上的表格说明三者之间的一一对应关系。二、常见的逻辑运算注意强调逻辑关系、逻辑运算和逻辑门之间的联系；注意指出三种逻辑关系、逻辑运算和逻辑门的特点；再次强调逻辑运算与普通代数运算的区别；三种逻辑运算的优先级不同；要求学生认识逻辑门的三套符号，使用国标符号。(一)3种基本的逻辑关系、逻辑运算和逻辑门1、逻辑非、非运算（NOT）、非门2、逻辑与、与运算（AND）、与门3、逻辑或、或运算（OR）、或门注意强调逻辑关系、逻辑运算和逻辑门之间的联系；注意指出三种逻辑关系、逻辑运算和逻辑门的特点；再次强调逻辑运算与普通代数运算的区别；三种逻辑运算的优先级不同；要求学生认识逻辑门的三套符号，使用国标符号。(二)5种复合逻辑运算及相应的逻辑门1、与非（NAND）、与非门2、或非（NOR）、或非门3、与或非（AND-OR-NOT）4、异或（XOR）、异或门5、同或（异或非，XNOR）(三)基本定律结合表讲解9个基本定律，并举例说明证明逻辑等式的两种方法——真值表法、表达式变换法。例1（见PPT）。用真值表法证明分配律，同时说明真值表的概念（板书）。例2（见PPT）。用表达式变换法证明吸收律的4个公式（板书）。(四)运算规则1、带入规则1）代入规则：对于任何逻辑等式，以任意一个逻辑变量或逻辑函数同时取代等式两边的某个变量后，等式仍然成立。2）利用代入规则可以方便地将前面定义的各种逻辑运算和基本定律推广到多变量。例题（见PPT），证明反演律的推广。2、对偶规则1）对偶式：将逻辑表达式F中出现的所有“·”和“＋”互换，“0”和“1”互换，并保持原运算次序不变，就得到了一个新的函数表达式F2）对偶规则：如果两个逻辑函数相等，则它们的对偶表达式也相等。例题（见PPT），同时指出表1-10左右两部分呈对偶关系。3、反演规则1）反函数：将一个函数表达式F中出现的所有“·”和“＋”互换，“0”和“12）反演规则：如果两个逻辑函数相等，则它们的反函数也相等。3）由原函数求反函数的常用方法有两种：用反演律求反函数，用反演规则求反函数。例题（见PPT）。本次课小结：逻辑代数是数字电路分析与设计的重要工具，是学习数字电路的基础之一。本次课主要介绍了二值逻辑的基本概念、常见的逻辑运算及相应的逻辑关系和逻辑门、逻辑代数中的9个基本定律和3个运算规则。提示学生做好复习工作，同时结合实施计划预习下一次教学内容。作业与思考题：必做题：选做题：自测题：思考题：参考资料：《数字设计引论》，沈嗣昌，高教出版社《数字电子技术基础》（第六版），阎石，高等教育出版社“DIGITALDESIGNPrinciples&Practices”，JohnF．Wakerly，高等教育出版社本次课教学体会：特殊情况处理对逻辑、逻辑关系作举例说明。数字电路分析与设计跟逻辑代数之间存在映射关系。1和0的概念是真与假、高与低、导通与截止等对应。注意三个域之间的对应：逻辑关系、逻辑运算、逻辑门。注意总结每种逻辑门的特点。基本定理是等式证明、公式变换的依据。三条规则熟练掌握应用。总结知识点，提示知识预习。内容备注《数字电子技术》课程教案讲课题目：第05讲逻辑代数（2）—逻辑函数的描述方式目的要求：1、掌握逻辑函数的两种描述方式——真值表、表达式；2、理解最小项、最大项和任意项的概念。重点难点：重点：逻辑函数的表达式描述方法。难点：任意项和非完全描述函数。方法步骤：理论讲授、例题讲解、课堂练习、课堂提问。器材保障：多媒体电脑、投影仪、扩音设备。教学内容与时间安排：首先，在黑板上简单举例说明逻辑函数常见的两种描述方式——真值表、表达式，或者叫做“表现形式”。一、描述方式之一——真值表首先，回顾上节课提到的真值表的基本概念，然后进行例题讲解。通过这个例题的讲解，不仅是让学生掌握逻辑函数的真值表描述方式，更重要的是，要使其体会用逻辑函数描述逻辑关系的过程，进一步领会“逻辑函数”与“逻辑关系”之间的一一对应关系，并强调“变量定义”在“逻辑函数”与“逻辑关系”之间的“桥梁”作用。二、描述方式之二——逻辑表达式学生对逻辑函数的表达式这种形式已经比较熟悉，直接讲解例题。通过这个例题的讲解，不仅是让学生了解逻辑函数的表达式这种描述方式，更重要的是，要使其体会用逻辑函数表达式描述逻辑关系、再根据逻辑函数表达式画出逻辑电路的过程，进一步领会“逻辑函数”、“逻辑关系”和“数字电路”之间的一一对应关系，并强调“逻辑函数”作为一种数学工具在“数字电路”与“逻辑关系”之间所起的作用。(一)逻辑表达式的类型举例说明，“与－或”式和“或－与”式是逻辑函数的两种最基本的类型；利用反演率，可从“与－或”式推出“与非－与非”式和“或－与－非”式；利用反演率，可从“或－与”式推出“或非－或非”式和“与－或－非”式。除了“或－与－非”式以外，其它五种表达式类型都比较常见。联系到数字电路：根据不同类型的表达式，可用不同的逻辑门来构造电路，举例说明。(二)逻辑表达式的标准形式1、变量域（VariableDomain）一个逻辑函数所有自变量的集合，称为该逻辑函数的变量域。例如：逻辑函数F=AB+AC的域为(A,B,C)，该函数也可写为：F(A,B,C)=AB+AC2、最大项（Max-term）、最小项（Min-term）（1）乘积项与和项对于一个变量域，如（A，B，C），域中的变量及其反变量可以构成多种乘积项（ProductTerm），举例说明；以及多种和项（SumTerm）。举例说明。（2）最大项与最小项变量域中的所有变量都以原变量或反变量的形式出现过一次且仅出现过一次的和项（乘积项），称为该变量域的最大项（最小项）。举例说明。强调：最大项（最小项）从属于某个具体的变量域。（3）n个变量可以构成2n个最大项，记作：Mi，i=0，1，…，2n-1；同样，n个变量可以构成2n个最小项，记作：mi，i=0，1，…，2n-1。举例说明最大项（最小项）的编号方法；举例强调变量的排列顺序与编号息息相关。（4）最大项和最小项的特点。（5）对于同一个变量域，相通编号的最大项Mi与最小项mi的关系。举例说明。3、最大项表达式（Max-termExpression）、最小项表达式（Min-termExpression）（1）和项都是最大项的或与式，又称为“标准的和之积式（CanonicalPOS）”；乘积项都是最小项的与或式，又称为“标准的积之和式（CanonicalSOP）”。（2）任何一个逻辑函数都有唯一的最大项表达式和唯一的最小项表达式。（3）对于相同的变量域，逻辑函数的最大项表达式与最小项表达式之间的关系。举例说明。三、逻辑函数不同描述方式之间的转换(一)真值表>标准的逻辑函数表达式举例说明由逻辑函数的真值表直接读出逻辑函数的最大项（最小项）表达式的3个步骤。注意：读出两种表达式之间区别。更重要的是让学生理解：在逻辑函数的真值表中，自变量的每一组取值组合都代表着一个最大项和最小项。如果自变量的某个取值组合令函数值为1，则这个取值组合所代表的最小项就会出现在函数的最小项表达式中；如果自变量的某个取值组合令函数值为0，则这个取值组合所代表的最大项就会出现在函数的最大项表达式中。(二)逻辑函数表达式>真值表最好先利用逻辑代数的基本定律，将表达式变形为“与或式”或“或与式”，再利用它们的运算特点来填真值表。举例说明。(三)非标准表达式>标准表达式（1）真值表法（2）代数法建议采用“真值表法”。(四)最大项表达式>最小项表达式在讲两者之间的关系时，已经说明。(五)最大各种非标准表达式类型之间的转换在讲逻辑函数表达式类型时，已经说明。四、“非完全描述函数”与“任意项（Don’t-careTerm）”举例说明。(一)“任意项（Don’t-careTerm）”的基本概念在某些情况下，自变量的一些取值组合不可能出现或没有意义，对于这些不可能出现或没有意义的自变量取值组合，相应的函数值也就没意义了，或者说，没有必要去关心。前面提到，在逻辑函数的真值表中，自变量的每一组取值组合都代表着一个最大项和最小项。如果自变量的某个取值组合令函数值为1，则这个取值组合所代表的最小项就会出现在函数的最小项表达式中；如果自变量的某个取值组合令函数值为0，则这个取值组合所代表的最大项就会出现在函数的最大项表达式中。既然我们不关心没有意义的自变量取值组合所对应的函数值是0还是1，那么，我们也不会去关心这些没有意义的自变量取值组合所对应最大项或最小项是否存在于函数的最大项表达式或最小项表达式中。因此，这些没有意义的自变量取值组合所代表的最大项或最小项被称为“任意项”或“无关项”；带任意项的逻辑函数被称为“非完全描述逻辑函数”。(二)“非完全描述函数”的表达式和“约束条件”举例说明“非完全描述函数”的表达式和“约束条件”概念。“约束条件”就是用来明确自变量的哪些取值组合是有效的。不满足约束条件的取值组合是无效的，这些无效的取值组合所对应的最大项和最小项就是任意项。本次课小结：本次课，首先学习了逻辑函数的两种描述方式——真值表和表达式，在“表达式描述方式”这一部分内容中，又包括表达式的类型、标准的表达式；然后了解了不同描述方式之间的相互转换的方法；最后学习了非完全描述的逻辑函数和任意项。至此，本课程的第一部分内容已经结束。对这一部分的知识结构、主要内容及学习要求做一个简单的梳理和总结。提示学生做好复习工作，同时结合实施计划预习下一次教学内容。作业与思考题：必做题：选做题：思考题：如何证明对于相同的变量域，逻辑函数的最大项表达式与最小项表达式之间的关系？参考资料：《数字设计引论》，沈嗣昌，高教出版社《数字电子技术基础》（第六版），阎石，高等教育出版社“DIGITALDESIGNPrinciples&Practices”，JohnF．Wakerly，高等教育出版社本次课教学体会：特殊情况处理逻辑函数的几种描述方式对比介绍。重点和难点内容。重点介绍不同描述方式之间转换的意义、方法。介绍非完全描述函数的意义。重点解释“约束条件”的意义，及无关项的处理。总结知识点，提示知识预习。内容备注《数字电子技术》课程教案讲课题目：第06讲逻辑代数（3）—逻辑函数的化简目的要求：1、了解逻辑函数的代数化简法；2、掌握逻辑函数的卡诺图化简法。重点难点：重点：逻辑函数的卡诺图化简法。难点：带任意项的逻辑函数的化简。方法步骤：理论讲授、例题讲解、课堂练习、课堂提问。器材保障：多媒体电脑、投影仪、扩音设备。教学内容与时间安排：一、逻辑函数化简及其原因、目标和方法(一)什么是“逻辑函数化简”？所谓“逻辑函数化简”，就是指通过一定的方法将逻辑函数中多余的项或多余的变量的去掉，而不改变自变量与因变量之间原有的逻辑关系。(二)为什么要对逻辑函数进行化简？前面我们讲过逻辑代数是分析和设计数字电路的数学工具。比如说，在设计数字电路时，我们通常是把电路要实现的逻辑功能先用逻辑函数表达式描述出来，然后再根据逻辑函数表达式画出相应的电路。这也就意味着，逻辑函数表达式的繁简程度会直接影响电路的繁简程度。举例说明。在能够完成相同功能的前提下，当然希望电路越简单越好，这也是做电路设计的基本原则之一。因为电路越简单，用的器件就越少，成本和功耗就越低，可靠性就越高。（因为可能出错的地方减少了。军用设备对可靠性的要求通常是比较苛刻的。）(三)逻辑函数化简的标准是什么？由于“与－或”式和“或－与”式是逻辑函数两种最基本的表达式，所以这里讲一下“与－或”式和“或－与”式的最简标准。与或式：乘积项尽可能少（与门个数、或门输入端个数），每个乘积项含有尽可能少的变量（与门输入端个数）。或与式：和项尽可能少（或门个数、与门输入端个数），每个和项含有尽可能少的变量（或门输入端个数）。(四)怎样进行逻辑函数化简？——代数化简法——卡诺图化简法——计算机辅助化简法（《数字设计引论》P63，沈嗣昌，高教出版社）前两种方法适用于5变量以下逻辑函数的化简，而第3种方法则适用于更复杂逻辑函数的化简。二、逻辑函数化简方法之一——代数法逻辑函数的代数化简法就是利用逻辑代数的基本定律和公式，对表达式进行一系列的变换，直至达到最简。例题讲解。课堂练习。代数化简法要求熟练掌握并灵活运用逻辑代数的基本定律和公式，而且有时难以确定是否最简。如果从这些方面来讲，卡诺图化简法则更行之有效。三、逻辑函数化简方法之二——卡诺图法(一)什么是卡诺图？简单的讲，卡诺图就是真值表的一种简单变形。举例1：自变量以及它们所有的取值被分到了垂直和水平两个方向上，每一组自变量的取值组合都可以定位一个小方格，小方格中所填的就是该自变量取值组合所对应的函数值。自变量在水平和垂直方向上可以任意分配，但需要注意的是，变量的取值必须按照Gray码的顺序排列。至于为什么，等一会就会作出解释。举例2：上节课提到，在逻辑函数的真值表中，自变量的每一组取值组合都代表着一个最大项和最小项。如果自变量的某个取值组合令函数值为1，则这个取值组合所代表的最小项就会出现在函数的最小项表达式中；如果自变量的某个取值组合令函数值为0，则这个取值组合所代表的最大项就会出现在函数的最大项表达式中；如果自变量的某个取值组合令函数值为X，则这个取值组合所代表的就是一个无关（最大、小）项。而刚刚讲过，每一组自变量的取值组合都可以定位一个小方格，小方格中所填的就是该自变量取值组合所对应的函数值。因此，每个小方格代表一个最大项（最小项），自变量取值组合所对应的十进制数就是最大项（最小项）的下标（编号）。方格中的函数值为0（1）表示最大项（最小项）表达式中含有该方格所对应的最大项（最小项）；方格中的函数值为X表示最大项（最小项）表达式中含有该方格所对应的任意项。举例3：讲解根据标准表达式画卡诺图。举例4：简单讲过。至此，已经知道了什么是卡诺图以及怎样画出一个逻辑函数的卡诺图。(二)卡诺图法化简的基本原理卡诺图法化简的基本原理就是吸收律的第3个公式（板书F1，F2）。对于这两个逻辑函数而言，它们的变量域都是（A，B）。在F1中，两个最小项被合并成了一项，消掉了一个变量，共同的变量被保留下来（注意：两个最小项是相邻的最小项，解释最小项相邻）；在F2中，两个最大项被合并成了一项，消掉了一个变量，共同的变量被保留下来（注意：两个最大项是相邻的最大项，解释最大项相邻）。推广到一般情况。2n个循环相邻的最小项可以合并成一个乘积项，同时消掉n个变量（仅保留它们共有的变量），从而可以得到最简的“与或式”。（解释：循环相邻）2n个循环相邻的最大项可以合并成一个和项，同时消掉n个变量（仅保留它们共有的变量），从而可以得到最简的“或与式”。卡诺图的优势则在于：从垂直或水平方向上看去，在位置上相邻或对称的小方格所代表的最大（小）项是相邻的。举例说明。(三)卡诺图法化简的步骤卡诺图法化简的过程可分为三个步骤：1、画出逻辑函数的卡诺图。建议采用“真值表法”。2、在卡诺图上圈1（0），即找出循环相邻的最小项（最大项）。（1）用尽可能少的圈覆盖所有的1（0），每个圈中的1（0）尽可能多，但必须是2n个。（2）必须优先处理相对独立的1（0）。（3）任何一个圈中，至少要有一个1（0）仅被圈过一次。3、读出每个圈所对应的乘积项（和项），将这些乘积项（和项）相加（乘），即得到最简的“与或式”（“或与式”）。例题讲解。(四)带任意项的逻辑函数的化简化简步骤与完全描述逻辑函数的卡诺图化简相同。本着最简原则（一次合并的最大、小项越多越好），卡诺图中的X（任意项）既可以当作1（最小项）也可以当作0（最大项）。例题讲解。本次课小结：本次课，首先了解了逻辑函数化简的原因和标准，然后简单介绍了逻辑函数的代数化简法，重点介绍了逻辑函数的卡诺图化简法。在卡诺图化简法中，首先了解了什么是卡诺图，学习了卡诺图法的原理和步骤，以及非完全描述逻辑函数的卡诺图化简。提示学生做好复习工作，同时结合实施计划预习下一次教学内容。作业与思考题：必做题：选做题：思考题：非完全描述的逻辑函数被化简后，除了变简单以外，还发生了什么变化？参考资料：《数字设计引论》，沈嗣昌，高教出版社《数字电子技术基础》，阎石，高等教育出版社“DIGITALDESIGNPrinciples&Practices”，JohnF．Wakerly，高等教育出版社《计算机辅助逻辑化简》（电子版）本次课教学体会：特殊情况处理通过图示介绍函数化简的意义。几种常见函数化简方法。重点介绍卡诺图化简法。提炼总结卡诺图化简的步骤。无关项在卡诺图化简的处理。总结知识点，提示知识预习。内容备注《数字电子技术》课程教案讲课题目：第07讲组合逻辑电路与集成逻辑门目的要求：1、了解组合逻辑电路的特点和常用的描述方式。2、了解TTL、CMOS和ECL集成逻辑门特点和产品系列。3、理解集成逻辑门的主要性能参数。4、了解特殊输入、输出结构逻辑门的用法。重点难点：重点：集成逻辑门的主要电气参数；难点：特殊输入、输出结构逻辑门。方法步骤：理论讲授、例题讲解、课堂练习、课堂提问。器材保障：多媒体电脑、投影仪、扩音设备。教学内容与时间安排：在前面6次课中所学习的内容（包括：数字设计引论、数制、编码、逻辑代数）是整个课程的基础部分，并没有太多地涉及到数字电路。从这次课开始，我们将在前6次课的基础之上，真正开始学习数字设计，将接触到更多的数字电路。前面提到，数字电路可以被划分成两大类：组合电路、时序电路。时序电路是建立在组合电路基础之上的，所以先来学习组合电路。本次课的主要内容：组合逻辑电路的基本概念和集成逻辑门。一、组合逻辑电路的基本概念(一)组合逻辑电路的模型和特点组合电路的模型就是对各种各样具体的组合逻辑电路的一种抽象，对组合电路的模型进行简单讲解。从以下两个方面说明组合逻辑电路的特点：1、从输入－输出信号关系上，组合逻辑电路（不考电路的时延）在任意时刻的输出信号仅由该时刻的输入信号决定，而与输入信号以往的取值无关，即：组合逻辑电路无记忆性。（以学生在《电路分析基础》中学习的电阻电路和动态电路为类比，说明电路的记忆性和无记忆性）2、从电路结构上，组合逻辑电路中不包含具有记忆性的器件，没有从输出到输入的反馈通道。（在模拟电路中，具有记忆性的器件是电容和电感；在数字电路中具有记忆性的器件的触发器、半导体存储器）。(二)组合电路逻辑功能的描述方式对组合电路的逻辑功能（即：电路输入信号与输出信号之间的逻辑关系）主要有以下4种描述方式：1、逻辑函数一般采用正逻辑表示法（再次重申“逻辑函数”与“数字电路”的对应关系）。逻辑函数有两种形式：（1）表达式（逻辑方程或方程组）（2）真值表2、电路图要画出电路图，需要掌握电路中所用器件的逻辑符号。3、波形图4、硬件描述语言（HardwareDescriptionLanguages）硬件描述语言是一类专门用来描述硬件的语言，在形式上与软件编程语言相似。二、集成逻辑门在数字电路中，集成逻辑门是最简单的集成电路。在讲集成逻辑门之前，先简单介绍一下集成电路。(一)集成电路1、什么是“集成电路（IC，IntegratedCircuit）”（在第1次课中已经讲过，再回顾一下）通过一系列特定的加工工艺，将多个晶体管、二极管、电阻、电容等器件，按照一定的电路连接集成在一块面积很小的半导体（如：Si、GaAs）单晶片或陶瓷等基片上，然后用外壳将其封装起来，电路的输入输出端通过引脚与外界相连，从而作为一个能执行某种功能的不可分割的电路组件以供使用。2、集成电路的优点集成电路技术使得原先由很多元器件构成的复杂电路可以被集成到一片面积很小的晶片上，作为一个器件被使用，大大减少设备所用的器件数量，从而降低了设备的成本、功耗、重量和体积，提高了性能。（电子计算机的发展就是一个最典型的例子，在很大程度上应归功于集成电路技术的发展）目前，集成电路技术已经发展到SOAC，电路（系统）的集成化是大势所趋。3、集成电路的分类从不同的角度，对集成电路有着不同的分类方式。比较常见的分类方式有以下几种：（1）按电路功能（2）按集成电路中有源器件的类型和工艺技术解释“有源器件”、“工艺技术”。（3）按集成电路的规模解释什么是“集成电路的规模”。以逻辑门的数量来衡量的时候，逻辑门指的是2输入的与非门（或非门）。（4）按集成电路的应用领域(二)TTL、CMOS和ECL集成逻辑门逻辑门是最基本的数字电路，按照集成电路中所采用的有源器件类型和电路形式，集成逻辑门主要有以下三种类型：CMOS、TTL和ECL。作为器件的使用者而言，最关心的除了器件的功能以外，还有器件的性能（所谓“功能”，即：能做什么；所谓“性能”，即：做得怎么样。以学生在《模电》中学的放大器为类比），一般没有必要去精通器件内部电路的设计以及器件的制造技术，但是对此一无所知，也是不应该的。对器件内部电路的工作原理和器件的制造工艺做必要的了解，将有助于更深入地理解器件的功能和性能，从而更好地使用器件。前面已经学习了各种逻辑门的功能，现在再来了解一下逻辑门的一些性能参数和输入、输出结构。基于以上原因，尽管教材中对逻辑门内部电路及其工作原理讲得很简单，并不做要求，但是为了使学生更好地理解下面将要学习的内容，有必要先简单讲解一下逻辑门内部电路及其工作原理。1、CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）（1）CMOS数字集成电路系列说明低电压芯片的好处（低功耗、速度快）和缺点（抗干扰能力差）。（2）CMOS数字集成电路的特点对于大部分特点，在学习了逻辑门的性能参数后，就会有比较好的理解。（3）CMOS集成电路使用注意事项重点讲解对逻辑门多余输入端的处理。（4）开关器件——增强型PMOSFET、增强型NMOSFET在CMOS数字电路中所用的开关元件是成对出现的增强型PMOSFET、增强型NMOSFET。简单讲解增强型PMOSFET、增强型NMOSFET的符号和工作状态。（5）基本的CMOS逻辑门电路（选学）CMOS非门可以所是最简单的数字电路，只有一对MOSFET。讲解其工作原理。在通过对与非门和或非门电路构成和工作原理的讲解，总结出COMS数字电路的构成规律：成对出现，栅极为入，漏极为出；N串P并实现与非逻辑，P串N并实现或非逻辑。2、TTL（Transistor-TransistorLogic）（1）TTL集成电路系列军品系列与民品系列的区别不在于逻辑功能，而在于性能。例如：对电源的要求，对环境温度的要求等等。（3）开关器件——BJT（BipolarJunctionTransistor）构成逻辑门的基本器件就是“开关”，在晶体管之前，曾用继电器开关来构成数字电路，目前数字电路使用的开关元件是晶体管，在TTL电路中用的开关元件是BJT。讲解两种BJT，以及在数字电路中的两种工作状态——饱和、截止。（在放大电路中，工作在放大状态）（3）典型的TTL门电路（选学）非门又叫“反相器”，前面已经学过它的逻辑功能，但是否有人想过这种功能究竟是怎样实现的？简单讲解TTL非门内部电路的结构（3级电路结构）和工作原理。2输入与非门的工作原理作为课后思考题。3、ECL（EmitterCoupledLogic）简要介绍ECL的特点和工作原理。(三)集成逻辑门的性能参数尽量结合器件手册（7408的数据手册作为课外阅读）讲解以下性能参数，让学生从现在开始，就有意识地去培养阅读器件数据手册的能力。说明集成逻辑门的这些性能参数同样适用于其它的数字集成电路。1、直流电源电压（DCSupplyVoltage）器件必须在加电以后才能工作，数字电路用的是直流电压源，需要的工作电源电压有＋5V、＋3.3V、＋2.5V、＋1.8V等等。指出CMOS对电源的适应能力比TTL更强。2、逻辑电平（LogicLevel）回顾逻辑电平的概念。电路有输入信号和输出信号，讲解输入高、低电平和输出高、低电平的含义。逻辑电平的范围与电路工艺、电路形式和电源电压都有关系，目前有多种逻辑电平标准（课外阅读材料：常见的逻辑电平），其中最常用的就是TTL电平和CMOS电平。指出CMOS与TTL的区别和电平标准兼容问题，举例说明。（课外阅读材料：电平转换方法）开门电平、关门电平的概念。3、抗干扰容限（NoiseMargin）“抗干扰容限”用于衡量集成电路的抗干扰能力。首先，给出高电平抗干扰容限和低电平抗干扰容限的定义式；然后，结合简单的电路图，解释高电平抗干扰容限和低电平抗干扰容限的概念；最后，举实例说明CMOS比TTL有更强的抗干扰能力。4、扇入（Fan-in）系数Ni逻辑门输入端的个数。5、输出驱动能力（负载能力）/扇出（Fan-out）系数No逻辑电路在正常工作条件下，一个输出端可以同时驱动同系列逻辑电路输入端数目的最大值。TTL逻辑门与CMOS逻辑门驱动能力的定义有所不同。（1）TTL电路的驱动能力结合电路讲解输入（出）高（低）电平电流的基本概念，解释驱动能力有限的原因，然后推导扇出（Fan-out）系数的公式。输出高电平时的扇出系数与输出低电平时的扇出系数不同，取其中的小值。（2）CMOS电路的驱动能力结合电路指出CMOS驱动能力有限的原因与TTL不同。6、速度（Speed）/时延（PropagationDelayTime）结合电路和波形，解释两种时延的概念。7、功耗（PowerDissipation）注意说明CMOS与TTL在该参数上的不同之处。（1）静态功耗（2）动态功耗8、速度-功耗积（Speed-PowerProduct，SPP）(四)集成逻辑门的输入和输出结构1、推挽（Push-Pull）输出结构结合电路，讲解推挽（Push-Pull）输出结构的特点，说明并解释在使用推挽输出结构电路时应注意的问题。2、集电极开路（OC）/漏极开路（OD）输出结构结合内部电路说明什么是“集电极开路”和“漏极开路”。说明集电极开路（OC）/漏极开路（OD）逻辑门的逻辑符号。说明电路的使用方法，OC/OD结构的输出端与电源之间必须有一个上拉电阻。（课外阅读：上拉电阻的计算方法——参考阎石的教材）说明集电极开路（OC）/漏极开路（OD）逻辑门的用途。（电平转换、“线与”连接、驱动较大电流或较大电压负载）3、三态（TS，ThreeState）输出结构三态门的逻辑符号和真值表。解释什么是“高阻抗”状态。思考题：TTL三态非门的工作原理。三态输出结构的应用：总线结构、双向传输。说明总线结构中三态门的使用禁忌：任何时刻最多只允许一路输出。（请学生思考：多路同时有效到底会有什么结果？）4、施密特触发输入结构（Schmitt-triggerInput）以普通非门和施密特输入结构的非门为例，对比它们的逻辑符号和电压传输特性；指出施密特触发器结构在性能上的两个特点：有两个不同的阈值电压——正向阈值电压VT+和负向阈值电压VT-，两者之间差值称为回差电压（△VT＝VT+－VT-）；在输出信号的状态发生变换时，内部电路的正反馈机制可以使输出电压波形的边沿变得很陡峭。举例说明：该输入结构用于提高输入端抗阈值干扰的能力。对于普通输入端，当输入信号在阈值附件发生波动时，输出信号会发生跳变，（对于阈值附近传递函数陡峭的CMOS电路，情况基本如此；而对于TTL电路，阈值附近的曲线斜率不够大，输入信号在阈值附近变化不大时，只是出现输出电平下跌或升高的现象，并不会跳变。具体问题还要具体分析。但是，总之是不好的。话说回来，逻辑电路的输入信号为什么要在阈值附近变化呢？——干扰）。教材从精简内容的角度出发，没有提供该输入结构的电路。教员可以从模拟电路中选取运放构成的“滞回比较器”，作为学生进一步学习的资料。5、CMOS传输门结构简单讲解其电路结构和工作原理。本次课小结：本次课重点介绍了集成逻辑门的性能参数和输入输出结构，主题与逻辑电路的分析与设计不同（不是逻辑问题），但对于正确使用硬件电路十分重要。其中，关于内部构造和输入、输出结构的讨论要求学生有较好的电路分析和模拟电路的基础，也是对电子电路知识和应用的拓展；对逻辑器件性能参数的学习也为实际应用奠定了基础，使数字电路的研究不至于纸上谈兵。提示学生做好复习工作，同时结合实施计划预习下一次教学内容。作业与思考题：必做题：选做题：思考题：三态门的三种输出状态及其使能端的作用。使用OC门时应注意什么？参考资料：《数字设计引论》，沈嗣昌，高教出版社《数字电子技术基础》，阎石，高等教育出版社“DIGITALDESIGNPrinciples&Practices”，JohnF．Wakerly，高等教育出版社电子版资料：《几种常见逻辑电平标准》、《常用的电平转换方法及注意事项》、《CMOS与TTL的电平特点及转换方法》本次课教学体会：特殊情况处理回顾归纳已学内容，引出数字电路之组合逻辑电路。板书讲解结合逻辑函数讲解组合电路的描述方式。注意：逻辑门内部电路不是学习重点，但是学习好内部电路有助于电路的分析和设计。补充集成电路概念。逻辑门分类介绍。结合实际市场芯片使用情况介绍CMOS、TTL数字集成电路系列。提问学生举例说明重点讲解集成逻辑门的特殊输出结构。本次课知识点总结，提示预习内容。内容备注《数字电子技术》课程教案讲课题目：第08讲基于SSI的组合逻辑电路分析与设计目的要求：1、掌握由SSI构成的组合电路的基本分析方法。2、掌握基于SSI的组合电路设计方法。3、了解冒险现象的基本概念和消除方法。重点难点：重点：基于SSI的组合电路设计。难点：基于SSI的组合电路设计。方法步骤：理论讲授、例题讲解、课堂练习、课堂提问。器材保障：多媒体电脑、投影仪、扩音设备。教学内容与时间安排：同时回顾什么是“数字电路分析”和“数字电路设计”。“数字电路分析”，是指针对一个已经存在的数字电路，通过一定的方法和手段，确定其输入信号与输出信号之间的逻辑关系，从而明确整个电路的逻辑功能。“数字电路设计”，与数字电路分析的过程相反，是指针对一定的设计要求，通过一定的方法和手段，用合适的器件来构造出一个数字电路，使其能够符合设计要求。一、基于集成逻辑门的组合逻辑电路分析(一)分析方法基于集成逻辑门的组合逻辑电路分析可分成三个步骤：Step1：根据电路写出输出函数的逻辑表达式；Step2：根据逻辑表达式列出真值表；Step3：根据真值表或表达式判断电路的逻辑功能。指出分析过程实际上是不同域、不同描述方式之间的转换过程，在这个过程中，起点是已经存在的电路，目标是要搞清楚该电路的输出与输入之间有什么样的逻辑关系（即：电路的逻辑功能），逻辑函数的表达式和真值表仅仅是达到目的的手段，不必拘泥于此。(二)分析举例例1：三人表决电路。例2：1位全加器电路。例3：1位半比较器电路。（课堂练习）说明组合电路分析的基础有二：一是要熟悉电路中各种器件的符号和功能（对于一个待分析的电路，首先要做的就是了解它分构成，包括哪些器件以及器件之间的连接关系）；二是要掌握一定的分析方法。针对逻辑门构成的组合逻辑电路的分析，写出表达式是基本要求，表达式通常整理成与或式，但不是必须的（甚至写表达式也不是必须的）；真值表通常要列出，但也不是必须的。说明电路的逻辑功能应该是必须的，但对于学生解题来说，通常是难以做到的（一是因为所了解的电路太少；二是因为很多局部电路单独来看，就是专业人员也难说明其功能，但是放在整个系统中，各部分的功能还是很容易判断的）。二、基于集成逻辑门的组合逻辑电路设计组合逻辑电路的设计是数字电路的重要教学内容，要重视。基于两级门电路的最简设计是主要教学要求，由于可以要求最简与或结构、与非结构、或与结构、或非结构、与或非结构，以及OC（OD）结构，使设计具有相当的灵活性，学生应在卡诺图化简的基础上，针对不同结构要求来实现。基于MSI的电路设计由于缺乏统一方法有一定难度，应该具体问题具体分析，针对不同的MSI，也有一些规律，对于初学者，还需要逐渐积累。组合电路设计的基本原则：实现所要求的功能；尽可能简单；可靠。(一)设计方法基于集成逻辑门的组合逻辑电路设计包括三个步骤：Step1：据功能要求，定义输入、输出信号，列出真值表；Step2：据设计要求，采用适当的化简方法求出与所要求的逻辑门相适应的输出函数的最简表达式Step3：画出与最简表达式相对应的逻辑电路图。指出设计过程实际上也是不同域、不同描述方式之间的转换过程，只不过与分析过程中的转换方向相反。在这个过程中，起点是要实现的逻辑功能（通常是用自然语言描述的逻辑关系），目标是构造一个能实现这种逻辑功能的电路，逻辑函数（表达式和真值表）在这里仍然仅仅是一种手段。(二)设计举例例：设计一个组合电路，该电路能够判断一位十进制数的BCD码是否为8421码。若是8421码，则当该码所代表的十进制数能被4或5整除时，输出有所指示。要求分别用与非门、或非门、与或非门实现该电路（允许反变量输入）。该例是一个试图包括尽量多设计要求的综合举例，还可以在课堂上进一步画出OC电路图。教员应该说明两级门电路最简是局部最简、不是全局最简；而且通常也不比较与非电路最简还是或非电路最简，因为实际应用中选择实现方法是要从全局考虑的。对于允许反变量输入的问题，通常为了简化讨论，是允许的，对于实际应用来说，确实有些没有反变量输入的情形。我们将组合电路的最简限制在两级门电路的范围内，目的主要是教学意义上的，因为基于卡诺图的两级门电路实现是一个比较完整、有条理的教学内容。电路设计是设计者自主的，由于变量定义不同，会有完全不同的电路结构，其中自然有优劣，组合电路设计中，变量定义在有些时候，还是有些难度的。三、组合电路中的冒险现象首先，用电路仿真软件Multisim对两个分别有0型冒险和1型冒险的组合电路进行仿真，使学生真实地感受到冒险现象，认识到理论与实践的距离。然后，指出可能产生冒险现象的原因和危害。由于逻辑门的传输时延或者多个输入信号变化时刻的不同步，可能会引起短暂的输出差错，这种现象称为逻辑电路的冒险现象，简称险象。信号波