PAGE1內容備注《數字電子技術》課程教案講課題目：第1章概述目的要求：1、理解數字電子技術的一些最基本的概念；2、了解數字技術的主要優點；3、了解本課程的一些基本情況和學習要求。重點難點：重點：數字電子技術基本概念。方法步驟：理論講授、舉例說明、課堂提問、課堂練習、總結歸納。器材保障：多媒體電腦、投影儀、擴音設備。教學內容與時間安排本課程的名稱為“數字電子技術”，內容與“數字設計”、“數字電路與邏輯設計”、“數字電路”等課程相近（板書）。“數字設計”可以是數字電路設計，也可以是數字系統設計。在這門課中我們所面對的大多是簡單的電路而不是復雜的系統；“數字電路”與“邏輯關系”之間有著密不可分的聯系。自我介紹——姓名和聯系方式。本次課主要講授兩個內容：首先，討論與“數字設計”相關的三個基本問題；然后，簡單介紹一下這門課的一些基本情況，并明確本課程的學習要求。（通過對本次課的講授，要努力使學生明白3個問題：學什么？為什么學？怎樣學？）一、“數字設計”的三個基本問題◆什么是“數字（電路、系統）設計”？——“數字設計”的基本概念◆為什么要進行“數字（電路、系統）設計”？——“數字技術”的優點◆怎樣進行“數字（電路、系統）設計”？——“數字（電路、系統）”設計技術既然本課程叫作“數字設計”，那么我們要討論的第一個問題就是：什么是“數字設計”？（這很自然，我們要研究一個東西，總要先搞清楚它是什么、它的一些基本的情況），在討論這個問題的過程中，將會涉及到“數字設計”的一些基本概念，這些基本概念也是本次課的學習重點。在了解了“什么是數字設計？”之后，接下來的問題是：為什么要進行“數字（電路、系統）設計”？（或者換一個角度來說，已經在學習模擬電路，為什么還要學習數字電路？）任何技術的存在總要有其存在的價值，只有這樣，人們才會研究它、使用它，這個問題的答案就在于“數字技術”有著“模擬技術”所不具備的優勢。當我們已經回答了以上這兩個問題，那么再接下來，大家想一想，我們的問題是什么？（設問，請學生先思考）。。。。。。。。。怎樣進行數字設計？也就是數字設計的技術。不過，這個問題實在是太大了，現有的數字設計技術的內容已經十分豐富，而且也在不斷地發展當中，50個學時都是微不足道的。在這50個學時里，我們所要做的就是，堅實地邁出進入數字世界的第一步，掌握一些基本的概念和設計技術，為將來進一步的學習打下一個堅實的基礎。象“。。。是什么？”、“為什么。。。？”和“怎樣。。。？”這樣的問題不僅僅存在于這門課中，在很多場合都會遇到這樣的問題，只不過有時沒有意識到而已。(一)“數字設計”的基本概念1、物理量為了回答第一個問題，首先來了解一下自然界中的物理量。自然界中有各種各樣的物理量，所有的這些物理量可以被分成兩大類，一類是“模擬量”，另一類是“數字量”。所謂“模擬量”，是指那些在一定的范圍內可以連續取值的物理量。比如：大氣的溫度、車輛的速度等等（以溫度為例，一天當中，某一點的溫度有一個最大值和最小值，在這個范圍內任何一個值對這一天來講都是有意義的，也就是說，在這個范圍內，溫度可以連續取值，可以取任何一個值）。所謂“數字量”，是指那些取值離散（不連續）的物理量。比如：書的頁碼、人數等等。（可以請學生舉出“模擬量”和“數字量”的其它例子）除了上面所介紹的“模擬量”和“數字量”的基本概念以外，還應知道以下3點：☆我們的世界是模擬的?。ù蠖鄶档奈锢砹渴恰澳M量”）☆物理量的取值隨時間、空間變化。（例：大氣溫度）☆當我們用電路對物理量進行處理的時候，需要先用相應的傳感器或變換器將其變換成合適的電信號。（比如：擴音器）因此，接下來就需要了解一下“電信號（ElectricSignal）”。2、電信號電信號主要是指電壓和電流，另外還有線圈的磁通、電容的電荷等。在電信號中，有兩類很重要的信號，它們分別是：“模擬信號”和“數字信號”。所謂“模擬信號”，是指那些在取值和時間上都連續的電信號（舉例解釋“取值連續”——在一定的范圍任意一個值都是有意義的，“時間連續”——取值隨時間連續變化，沒有跳變）。所謂“數字信號”，是指那些在取值和時間上都離散（不連續）的信號（舉例解釋“取值離散”——只有有限個值有意義，“時間離散”——在某些時間點上的取值是沒有意義的）。除了“數字信號”的基本概念之外，還應該了解以下3點：☆最常見的數字信號一般是只有兩個有效狀態的電壓信號，這兩個狀態分別是：高電平、低電平，可以用“邏輯1”、“邏輯0”表示。解釋1：“高電平”和“低電平”是是相對的概念，“高電平”和“低電平”指的是兩個事先定義好的電壓范圍（例如：0～0.8，3.6～5）高低電平上下限。如果某個數字電壓信號的電壓落在高電平的范圍之內，則該信號就是“高電平”；如果某個數字電壓信號的電壓落在低電平的范圍之內，則該信號就是“低電平”；如果落在中間呢？對二值數字信號而言，這不是一種有效的狀態。解釋2：“邏輯1”和“邏輯0”。這里的1和0是邏輯代數中變量的取值，與普通代數中的1和0不一樣，它們無大小之分，僅僅是兩個不同的符號，可以用來代表兩個不同的事物（如：數字電壓信號的“高電平”和“低電平”）。解釋3：“正邏輯表示法”和“負邏輯表示法”。如果用“邏輯1”表示“高電平”，用“邏輯0”表示“低電平”，則將這種表示法稱為“正邏輯表示法”；如果用“邏輯1”表示“低電平”，用“邏輯0”表示“高電平”，則將這種表示法稱為“負邏輯表示法”。在本課程中，如果不加說明，默認為“正邏輯表示法”?！顢底中盘柕牟ㄐ问怯梢幌盗芯匦蚊}沖信號組成的。解釋1：“理想的”矩形脈沖信號。矩形脈沖分為“正脈沖”和“負脈沖”，解釋什么是“正脈沖”和“負脈沖”、“上升沿”和“下降沿”、“脈沖寬度”和“脈沖幅度”、周期性矩形脈沖信號的“占空比”。解釋2：“實際的”矩形脈沖信號。解釋在“實際的”矩形脈沖信號中，“上升時間”和“下降時間”、“脈沖寬度”的如何定義的?！钅M信號與數字信號之間可以相互轉換。用ADC，也就是模－數轉換器，可以把模擬信號轉換成數字信號；反過來，用DAC，也就是數－模轉換器，可以把數字信號轉換成模擬信號。3、電路電路可以被分成“模擬電路”和“數字電路”兩大類。所謂“模擬電路”，就是指那些傳輸或處理模擬信號的電路，如：放大電路。所謂“數字電路”，就是指那些傳輸或處理數字信號的電路，如：電子表中的計時器?！顢底蛛娐酚挚梢员环殖伞敖M合電路”和“時序電路”兩大類，至于什么是“組合電路”和“時序電路”，以及它們之間有何區別，我們以后再作介紹。☆電路可以用電阻、電容、晶體管等分離元件構成的“分立電路”，也可以是“集成電路”。我們所見到的數字電路大多都是集成電路，所謂集成電路，也就是通常所講的“芯片”（電腦里面有很多，CPU最復雜），就是通過一定的技術和工藝，把原來用電阻、電容、晶體管等分離元件構成的電路集成到一片面積很小的半導體硅片上，然后用外殼封裝起來，電路的輸入、輸出端是通過芯片的引腳與外部相連，從而可以作為一個整體供人使用?！睢皵底蛛娐罚―igitalCircuit）”與“數字系統（DigitalSystem）”前面提到“數字設計”可以是數字電路設計，也可以是數字系統設計，（在數字設計中，我們有時會提到“數字電路”，有時又會提到“數字系統”）它們之間的本質區別以后再講，一般來說，可以認為“數字電路”簡單（復雜），功能單一（強大）如：電子表中的計時器，“數字系統”復雜，功能強大，如：電子計算機。4、“數字分析”與“數字設計”“數字分析（DigitalAnalysis）”，是指針對一個已經存在的數字電路（系統），通過一定的方法和手段，確定其輸入信號與輸出信號之間的關系，從而明確整個電路（系統）的功能。“數字設計（DigitalDesign）”，又稱為“數字綜合（DigitalSynthesis）”，與數字分析的過程相反，是指針對一定的設計要求，通過一定的方法和手段，用合適的器件來構造出一個數字電路（系統），使其能夠符合設計要求?！畋菊n程的重點是如何進行數字設計，但分析是設計的基礎。一個好的設計往往是建立在很多前人的工作成果之上的，我們可以通過對現有電路分析，不斷地汲取和積累對自己有用的東西，從而作出好的設計。☆現代數字設計是一種“自頂向下（Top-to-Down）、分層次”的設計。如圖（PPT）所示，當我們要設計一個復雜系統的時候，可以先把它分解成若干個不是太復雜的子系統；每個子系統又可以被分解成一些更簡單的功能模塊；功能模塊又可以由邏輯門和觸發器這兩類基本的數字單元來構成（其中邏輯門是最小的數字單元，觸發器也是由邏輯門構成的）；如果再下分解，構成邏輯門的就是晶體管和電阻了；晶體管和電阻又是由半導體硅片上的幾何圖形和線條構成的。這樣一個“自頂向下”的分解過程實際上就是一個設計過程，至于分解到那一層，主要取決于所用的器件。(二)“數字技術”的主要優點——“數字”Vs“模擬”數字技術已經在日常生活、自動控制、測量和儀器儀表、通信等領域得到非常廣泛的應用。大家看一看下面所列的這些東西（舉例）。現在這些東西對于我們而言，已經非常地普通，也正是由于有了這些東西，我們生活才如此地豐富多彩。但是，如果沒有數字技術，這些東西都是不可能存在的。以手機為例，第一代移動通信采用的是模擬技術，當時所用的手機俗稱“大哥大”，很笨重、不便攜帶、功能單一，第二代和第三代移動通信采用的是數字技術，現在的手機小巧且功能強大。這些情況就足以說明，相對與模擬技術而言，數字技術必然有其獨特的優點，主要有以下4點：1、數字信號更便于存儲和處理。以電壓信號為例，數字信號的狀態是有限的（一般只有兩個：“高電平”和“低電平”），每一個狀態對應于一個電壓范圍，我們只需要區分某個信號的電壓是在哪個范圍就可以了，而在某個范圍之內，電壓的具體值就沒有什么意義了。模擬信號是連續取值的，在某個范圍內任何一個值都有意義，理論上存在無窮個狀態。2、數字信號本身具有更強的抗干擾能力，而且還可以采用檢錯、糾錯機制進一步提高其抗干擾能力。依圖（PPT）解釋數字信號本身的抗干擾能力。如圖所示，有一組數字信號從一點傳送到另一點。A是發送信號的波形，很理想，假設低電平0V、高電平5V（板書），B是接受到的信號波形，由于在傳輸過程中不可避免地要受到干擾和衰減，波形發生了變化。但是，可以設置一個2.5V的門限電平（板書），將收到的信號與門限電平比較。如果接收信號電壓大于2.5V，則將其判為高電平；如果接收信號電壓小于2.5V，則將其判為低電平。這樣，只要干擾的幅度不超過2.5V，就可以恢復將收到的信號恢復成其在發送時的理性情況，也就是100％消除了干擾。而對于模擬信號，無法做到在接收端不可能100％去掉干擾，只能想辦法將干擾降至最低。至于檢錯、糾錯機制，是一個很大的題目，不在本課程的范圍之內。只是在下一次課，會講到一種最簡單的檢錯機制。3、數字電路更容易實現大規模集成，成本低、體積小、重量輕、功耗小、可靠性高。解釋“為什么數字電路更容易實現大規模集成？”前面提到，最小的數字電路單元是“邏輯門”，而構成“邏輯門”的基本元器件就是晶體管和電阻，主要是晶體管；而構成模擬電路的基本元器件除了晶體管和電阻以外，還經常需要電容和電感，在這些基本元器件中。電容和電感在硅片上所占的面積要遠大于晶體管和電阻，而且在硅片上集成的電容和電感遠不如分立的電容和電感性能好。4、數字電路中有兩大類器件（μP、PLD）具有可編程性，應用起來非常靈活。對于這兩類器件，可以通過軟件編程的方式來改變其功能。在模擬電路中也有可編程器件，但可編程模擬電路的發展遠不如可編程數字電路。這四個優點就足以回答第二個問題——為什么要進行“數字（電路、系統）設計”？如果要聯系到軍隊的實際，“建設信息化軍隊，打贏信息化戰爭”是我軍肩負的重要歷史任務。要實現這兩句話，就必須有先進的數字技術作為支撐。盡管數字技術有諸多優點，大家也要注意：☆客觀世界是模擬的，許多功能的實現——特別是在需要處理微弱信號、高頻信號和大功率信號的場合，還離不開模擬技術。所以，不能不加任何限制地講哪種技術更好，我們只能說，在特定的場合下，哪種技術更合適?！钅M電路的許多知識是進一步深入學習數字電路必不可少的基礎。二、課程概況1、課程定位本課程是繼《電路分析基礎》、《模擬電子技術》等課程之后，又一門核心的學科基礎課；是學習《計算機硬件基礎》、《通信系統原理》、《數字通信》等后續專業課程的基礎。2、課程目標（1）對數字電路中的一些基本概念有比較深刻的理解。（2）熟悉一些基本器件的功能和使用方法。（3）掌握數字電路的基本分析方法和設計方法，能夠獨立設計一些簡單的數字電路。3、課程的主要內容（共4部分）（1）數字電子技術的基礎知識（2）組合邏輯電路（3）時序邏輯電路（4）半導體存儲器、可編程邏輯器件、模/數與數/模轉換電路等關于實驗：推薦使用MultiSim軟件仿真，硬件實驗由傳統74系列器件的基礎性試驗和FPGA提高性實驗兩部分組成。4、參考資料（1）“DIGITALDESIGNPrinciples&Practices”，JohnF．Wakerly，高等教育出版社（2）《數字電子技術基礎》（第六版），閻石主編，高等教育出版社（3）輔助教學資源：電子版參考資料、EDA軟件。5、學習要求（1）課上，認真聽講、積極思考、踴躍回答問題；（2）課下，認真閱讀教材，完成作業要獨立、按時、整潔；（3）遇到問題時，及時溝通。6、考核方式以期末考試（閉卷）成績為主，課堂回答問題情況、作業情況、平時測驗成績都將成為本課程最終成績的重要參考。本次課小結：本次課從“數字設計的三個基本問題”出發，介紹了數字設計的基本概念和數字技術的優點，然后介紹了本課程的一些基本情況。作業與思考題：必做題：選做題：思考題：1、什么是“數字信號”？2、什么是“高電平”、“低電平”？3、什么是“正邏輯”、“負邏輯”？參考資料：《數字設計引論》，沈嗣昌，高教出版社《數字電子技術基礎》，閻石，高等教育出版社“DIGITALDESIGNPrinciples&Practices”，JohnF．Wakerly，高等教育出版社本次課教學體會：特殊情況處理通過數字設計的三個基本問題，歸納數字設計的基本概念。介紹模擬量與數字量，及傳感器和換能器等概念。解釋：高低電平和邏輯符號的對應關系。解釋：理想的矩形脈沖和實際的矩形脈沖的異同點。由信號形式思考處理信號的電路形式。數字系統又是什么？與數字電路有什么異同點？怎樣進行數字電路（或系統）的設計？數字分析的重要性。數字技術的基本知識介紹部分：對比模擬技術講解數字技術的優點，注意講清楚數字技術不是在所有領域中都能夠取代模擬技術。由大到小講解清楚數字電路、邏輯門、晶體管和電阻的關系。強調數字電路與邏輯設計的重要性和必要性。內容備注《數字電子技術》課程教案講課題目：第02講信息數字化之方式（1）—二進制數目的要求：1、理解數制的基本概念和按位計數制的特點；2、掌握常用的按位計數制以及不同數制之間相互轉換的方法；3、掌握帶符號二進制數的表示方法。重點難點：重點：（1）數制轉換方法；（2）有符號二進制數表示方法。難點：有符號二進制數的表示方法。方法步驟：理論講授、舉例說明、課堂提問、課堂練習、總結歸納。器材保障：多媒體電腦、投影儀、擴音設備。教學內容與時間安排對數據的處理是數字設備一項很基本的功能，那么在數字設備中，一個數通常是怎樣被表示時的？這就是本次課要解決的問題。一、數制的基本概念“數制”與“法制”、“制度”的概念是相通的，“法制”、“制度”就是人為制定的規則，這些規則用來約束人們的行為，告訴人們什么可以做、什么不能做、。。。。。等等。所謂“數制（NumberSystem）”，就是一套人為制定的規則，這套規則告訴人們如何去計數，或者說，如何去表示一個數值。目前常用的數制（十進制、二進制、十六進制）都是“按位計數制”。二、按位計數制(一)按位計數制的5個特點以最熟悉的十進制為例，來講解按位計數制的特點。1、有一組基本的數字符號（數碼，Digits），{0，1，…，r-1}，其中r是大于等于2的整數，稱r為該數制的“基數（RadixorBase）”，并將該數制命名為“r進制”。舉例說明（PPT）。2、r進制數的計數規則是：逢r進1，借1當r。3、任何一個r進制數N都有兩種寫法：——位置法（PositionalNotation）——多項式法（PolynomialNotation）舉例說明（PPT）。4、在按位計數制中，每一位都有一個權（Weight）——該位的“1”5、在按位計數制中，第i位的權等于基數的i次方。寫出一個r進制數N的兩種表示法（PPT），并對按位計數制的特點總結。(二)常用的按位計數制列表（PPT）說明常用的三種數制（十進制、二進制、十六進制）的特點，以及它們的應用場合。例題（PPT）。通過例題使學生進一步熟悉數值的兩種寫法、按位計數制的基本概念，以及MSB和LSB的概念。(三)數制轉換不同的數制應用場合不同，因此必然存在數制轉換的問題。1、非十進制數轉換成十進制數方法：按權展開求和（寫出一個r進制數N的按權展開式）。例題：（見PPT）。2、十進制數轉換成非十進制數方法：整數部分——除以基數，取余數，先低后高；小數部分——乘以基數，取整數，先高后低例題：（見PPT）。思考題：十進制轉換成非十進制數的轉換方法的原理是什么？3、2進制數與2n進制數相互轉換（n為整數，n≥2）方法：1位2n進制數?--àn位2進制數。例題：（見PPT）。三、有符號二進制數在上節課通過對“按位計數制”這部分內容的學習，我們知道在數字設備中的數值采用二進制表示，但這部分內容并沒有說明在數字設備中如何區分數的符號。(一)有符號二進制數的表示法提問：有符號的十進制數是如何表示的？回答：符號＋絕對值。（舉例，板書）引導學生思考：前面提到，數字設備的信號通常只有兩種——高電平和低電平，分別用1和0表示，還句話說，數字設備只能識別1和0，所有的信息都必須表示成1和0的形式，數字設備才能處理。通過對“按位計數制”這部分內容的學習，已經知道如何用二進制數表示十進制數的絕對值部分，又如何在數字設備中表示正負號？有符號二進制數的表示法：符號（1bit，最高位）＋絕對值。（1）講解如何表示正負號。最高位為0代表正，最高位為1代表負。（2）有符號數的絕對值部分有多種表示方法，常見的有原碼表示法、反碼表示法和補碼表示法。（3）原碼、反碼和補碼本身的概念中是不考慮符號的。但是，有符號數絕對值部分的原碼、反碼和補碼與該數的符號有關。（4）負數的數值部分的原碼就是其絕對值的二進制數，反碼就是將原碼逐位取反，補碼就是將反碼的末位加1；正數的數值部分的原碼、反碼和補碼相同，就是其絕對值的二進制數。例1、例2（見PPT）。注意正數和負數的區別。(二)n位有符號二進制數所能表示的數值范圍以4位有符號數為例，列表說明n位有符號二進制數原碼、反碼和補碼所能表示的數值范圍。原碼：-(2n-1-1)～+(2n-1-1)反碼：-(2n-1-1)～+(2n-1-1)補碼：-2n-1～+(2n-1-1)3、帶符號二進制數補碼的加減運算在數字設備中，有符號二進制數進行加減運算時，通常采用補碼的形式進行運算。運算時，符號位和數值一樣參與運算，運算的結果仍然是有符號二進制數補碼的形式。例1（見PPT）。說明：（1）n位補碼在加/減運算中，向n+1位的進/借位一般均被舍棄，保留n位結果。（2）對無符號數而言，減去一個數就相當于加上這個數的補碼。例2（見PPT）。說明：（1）什么是“溢出”？（2）判斷“溢出”的兩種方法。（3）引導學生思考為什么會產生“溢出”，從而引出解決溢出的方法——擴展補碼的位數（按符號位擴展）。四、“定點數”和“浮點數”說明：為保證“數值”這部分內容的完整性，補充“定點數”和“浮點數”，不做要求。舉例說明，要在數字設備中表示一個數值，還有小數點的問題沒有解決。在數字設備中如何處理小數點？兩種方法——“定點數”和“浮點數”。（當然，如果設備處理的數據全部是整數或全部是純小數，則不存在這個問題。）簡單講解，在講解“浮點數”時，可與十進制數中的科學記數法（見PPT）做類比，說明“階碼”和“尾數”的概念，并舉例（見PPT）。本次課小結：在數字設備中，如何表示一個數？（1）采用二進制。（2）若需要處理小數點，選擇使用定點數或浮點數表示法。（3）若需要處理符號，選擇使用補碼、反碼或原碼表示法。（4）根據數值范圍，選擇適當的位數并合理分配。（5）明確數據的數學運算規則。提示學生做好復習工作，同時結合實施計劃預習下一次教學內容。作業與思考題：必做題：選做題：思考題：十進制轉換成非十進制數的轉換方法的原理是什么？參考資料：《數字設計引論》，沈嗣昌，高教出版社《數字電子技術基礎》（第六版），閻石，高等教育出版社“DIGITALDESIGNPrinciples&Practices”，JohnF．Wakerly，高等教育出版社本次課教學體會：特殊情況處理內容備注《數字電子技術》課程教案講課題目：第03講信息數字化之方式（2）—二進制編碼目的要求：1、理解二進制編碼的基本概念；2、掌握一些簡單的二進制編碼。重點難點：重點：典型循環碼、BCD編碼、奇偶校驗碼。難點：典型循環碼。方法步驟：理論講授、例題講解、課堂練習、課堂提問。器材保障：多媒體電腦、投影儀、擴音設備。教學內容與時間安排一、編碼的基本概念在數字設備中，可以用二進制數表示一個數值。但是，數字設備所要處理的信息不僅僅是數值，還有字母、符號、指令等等，自然界中各種各樣、豐富多彩的信息在數字設備中又是如何表示的？答案就是“編碼”，準確地講，是“二進制編碼”（板書），也就是說，用“二進制編碼”的方式來表示各種各樣的信息，當然也可以表示數值。編碼的廣義概念。“編碼（Code）”，就是先選定一個集合，然后用該集合中的元素的某種排列組合來代表某個對象。例如：學號、人名等（可以引導學生舉出其它例子）?！岸M制編碼”的概念?！岸M制編碼（BinaryCode）”，就是用0和1的排列組合來代表某個對象。例如：給教室中的三個人進行二進制編碼。二進制編碼的編碼長度n與被編碼對象的個數m之間的關系：n≥log2m二、一些簡單的二進制編碼(一)數值編碼（NumericCode）1、自然二進制編碼（NaturalBinaryCode）某個數值的n位自然二進制編碼與它的n位二進制數在形式上完全一樣。舉例說明n位自然二進制編碼與它的n位二進制數在概念上的區別。2、典型循環碼（GrayCode）典型循環碼有三個特點：相鄰性、循環性、反射性。舉例說明這三個特點，特別是“邏輯相鄰”的概念。以3位Gray碼為例（板書），說明利用“反射性”構造n位Gray碼的方法。3、二—十進制編碼（BinaryCodedDecimal，BCD）BCD編碼的方法分為兩步：首先，確定編碼方案。對十進制數的基本數字符號（0～9）進行n-bit編碼，一般n=4；然后，將十進制數的每一位用各自的n-bit編碼代替后，結果就是該十進制數的BCD碼。BCD編碼方案可分為兩大類：“有權碼”和“無權碼”。解釋“有權碼”和“無權碼”的概念；列表簡單說明一些常見的BCD編碼方案，如：8421BCD、5421BCD、2421BCD、2421BCD、余3碼、余3循環碼。BCD碼的意義在于十進制數和0、1形式之間的簡單對應關系，克服了二進制數和十進制數轉換的麻煩（通常需要一段程序），也帶來需要更多位的問題。例題（見PPT）。再次強調“編碼”與“二進制數”在概念上的區別。(二)符號/數值編碼（AlphanumericNumericCode）ASCII碼是典型的用0、1編碼的形式表示字符和指令的編碼形式，采用7位編碼，可以表示128種信息，編碼常用2位十六進制數表示。教學生看編碼表1－5。說明控制字符（32D以下都是）在打字機上的含義，如CR（回車：打印位置回到左邊）、BS（退格：打印位置回到前一個字符）、LF（換行）、FF（打印位置移到下頁）。說明控制字符的含義隨應用環境的變化而變化。(三)差錯控制編碼差錯控制編碼可分為兩大類：檢錯碼（ErrorDetectingCode）、糾錯碼（ErrorCorrectingCode）。檢錯碼可以在某種程度上檢查出數據在傳輸過程中所發生的錯誤；糾錯碼不但可以檢出錯誤，還能定位錯誤的位置，即：能改正錯誤。奇偶校驗碼是信息傳輸中差錯控制編碼中最簡單的一種，是一種檢錯碼。說明奇偶校驗的規則——1bit校驗位＋信息位；奇校驗碼（odd-paritycode）中有奇數個1，稱校驗位為奇校驗位（odd-paritybit）；偶校驗碼（even-paritycode）中有偶數個1，稱校驗位為偶校驗位（even-paritybit）。奇/偶校驗碼的優點：簡單；缺點：只能發現奇數個bit出錯的情況，無糾錯能力。本次課小結：本次課首先介紹了二進制編碼的基本概念，然后介紹了一些簡單的二進制編碼，重點是典型循環碼、BCD編碼和奇偶校驗碼。提示學生做好復習工作，同時結合實施計劃預習下一次教學內容。作業與思考題：必做題：選做題：自測題：思考題：F=A1⊕A2⊕A3⊕…⊕An=1的充要條件是什么？F=A1⊙A2⊙A3⊙…⊙An=1的充要條件是什么？參考資料：《數字設計引論》，沈嗣昌，高教出版社《數字電子技術基礎》（第六版），閻石，高等教育出版社“DIGITALDESIGNPrinciples&Practices”，JohnF．Wakerly，高等教育出版社本次課教學體會：特殊情況處理編碼的方式實現信息的二進制方式描述。幾種常用編碼介紹。重點介紹二－十進制編碼。介紹通信過程使用差錯控制碼中的最簡單一種：奇偶校驗碼。內容備注《數字電子技術》課程教案講課題目：第04講邏輯代數（1）—邏輯代數基礎目的要求：1、理解“二值邏輯”的基本概念；2、掌握常見的邏輯運算及相應邏輯門的符號和邏輯功能；3、掌握邏輯代數的基本定律和運算規則。重點難點：重點：邏輯門、9條定律和3條規則。難點：方法步驟：理論講授、例題講解、課堂練習、課堂提問。器材保障：多媒體電腦、投影儀、擴音設備。教學內容與時間安排一、“二值邏輯”的基本概念(一)邏輯變量（LogicVariable）1、形式上與普通代數中的變量相同，一般用字母或以字母開頭的字符串表示。如：變量A，B1等。2、只有兩種取值：0和1，無大小之分，只是代表兩種不同的狀態，因此又稱為“邏輯0”和“邏輯1”。(二)邏輯函數（LogicFunction）邏輯變量通過邏輯運算形成邏輯函數。舉例說明。自變量和因變量。(三)邏輯關系、邏輯函數與數字電路通過幻燈片上的表格說明三者之間的一一對應關系。二、常見的邏輯運算注意強調邏輯關系、邏輯運算和邏輯門之間的聯系；注意指出三種邏輯關系、邏輯運算和邏輯門的特點；再次強調邏輯運算與普通代數運算的區別；三種邏輯運算的優先級不同；要求學生認識邏輯門的三套符號，使用國標符號。(一)3種基本的邏輯關系、邏輯運算和邏輯門1、邏輯非、非運算（NOT）、非門2、邏輯與、與運算（AND）、與門3、邏輯或、或運算（OR）、或門注意強調邏輯關系、邏輯運算和邏輯門之間的聯系；注意指出三種邏輯關系、邏輯運算和邏輯門的特點；再次強調邏輯運算與普通代數運算的區別；三種邏輯運算的優先級不同；要求學生認識邏輯門的三套符號，使用國標符號。(二)5種復合邏輯運算及相應的邏輯門1、與非（NAND）、與非門2、或非（NOR）、或非門3、與或非（AND-OR-NOT）4、異或（XOR）、異或門5、同或（異或非，XNOR）(三)基本定律結合表講解9個基本定律，并舉例說明證明邏輯等式的兩種方法——真值表法、表達式變換法。例1（見PPT）。用真值表法證明分配律，同時說明真值表的概念（板書）。例2（見PPT）。用表達式變換法證明吸收律的4個公式（板書）。(四)運算規則1、帶入規則1）代入規則：對于任何邏輯等式，以任意一個邏輯變量或邏輯函數同時取代等式兩邊的某個變量后，等式仍然成立。2）利用代入規則可以方便地將前面定義的各種邏輯運算和基本定律推廣到多變量。例題（見PPT），證明反演律的推廣。2、對偶規則1）對偶式：將邏輯表達式F中出現的所有“·”和“＋”互換，“0”和“1”互換，并保持原運算次序不變，就得到了一個新的函數表達式F2）對偶規則：如果兩個邏輯函數相等，則它們的對偶表達式也相等。例題（見PPT），同時指出表1-10左右兩部分呈對偶關系。3、反演規則1）反函數：將一個函數表達式F中出現的所有“·”和“＋”互換，“0”和“12）反演規則：如果兩個邏輯函數相等，則它們的反函數也相等。3）由原函數求反函數的常用方法有兩種：用反演律求反函數，用反演規則求反函數。例題（見PPT）。本次課小結：邏輯代數是數字電路分析與設計的重要工具，是學習數字電路的基礎之一。本次課主要介紹了二值邏輯的基本概念、常見的邏輯運算及相應的邏輯關系和邏輯門、邏輯代數中的9個基本定律和3個運算規則。提示學生做好復習工作，同時結合實施計劃預習下一次教學內容。作業與思考題：必做題：選做題：自測題：思考題：參考資料：《數字設計引論》，沈嗣昌，高教出版社《數字電子技術基礎》（第六版），閻石，高等教育出版社“DIGITALDESIGNPrinciples&Practices”，JohnF．Wakerly，高等教育出版社本次課教學體會：特殊情況處理對邏輯、邏輯關系作舉例說明。數字電路分析與設計跟邏輯代數之間存在映射關系。1和0的概念是真與假、高與低、導通與截止等對應。注意三個域之間的對應：邏輯關系、邏輯運算、邏輯門。注意總結每種邏輯門的特點?；径ɡ硎堑仁阶C明、公式變換的依據。三條規則熟練掌握應用?？偨Y知識點，提示知識預習。內容備注《數字電子技術》課程教案講課題目：第05講邏輯代數（2）—邏輯函數的描述方式目的要求：1、掌握邏輯函數的兩種描述方式——真值表、表達式；2、理解最小項、最大項和任意項的概念。重點難點：重點：邏輯函數的表達式描述方法。難點：任意項和非完全描述函數。方法步驟：理論講授、例題講解、課堂練習、課堂提問。器材保障：多媒體電腦、投影儀、擴音設備。教學內容與時間安排：首先，在黑板上簡單舉例說明邏輯函數常見的兩種描述方式——真值表、表達式，或者叫做“表現形式”。一、描述方式之一——真值表首先，回顧上節課提到的真值表的基本概念，然后進行例題講解。通過這個例題的講解，不僅是讓學生掌握邏輯函數的真值表描述方式，更重要的是，要使其體會用邏輯函數描述邏輯關系的過程，進一步領會“邏輯函數”與“邏輯關系”之間的一一對應關系，并強調“變量定義”在“邏輯函數”與“邏輯關系”之間的“橋梁”作用。二、描述方式之二——邏輯表達式學生對邏輯函數的表達式這種形式已經比較熟悉，直接講解例題。通過這個例題的講解，不僅是讓學生了解邏輯函數的表達式這種描述方式，更重要的是，要使其體會用邏輯函數表達式描述邏輯關系、再根據邏輯函數表達式畫出邏輯電路的過程，進一步領會“邏輯函數”、“邏輯關系”和“數字電路”之間的一一對應關系，并強調“邏輯函數”作為一種數學工具在“數字電路”與“邏輯關系”之間所起的作用。(一)邏輯表達式的類型舉例說明，“與－或”式和“或－與”式是邏輯函數的兩種最基本的類型；利用反演率，可從“與－或”式推出“與非－與非”式和“或－與－非”式；利用反演率，可從“或－與”式推出“或非－或非”式和“與－或－非”式。除了“或－與－非”式以外，其它五種表達式類型都比較常見。聯系到數字電路：根據不同類型的表達式，可用不同的邏輯門來構造電路，舉例說明。(二)邏輯表達式的標準形式1、變量域（VariableDomain）一個邏輯函數所有自變量的集合，稱為該邏輯函數的變量域。例如：邏輯函數F=AB+AC的域為(A,B,C)，該函數也可寫為：F(A,B,C)=AB+AC2、最大項（Max-term）、最小項（Min-term）（1）乘積項與和項對于一個變量域，如（A，B，C），域中的變量及其反變量可以構成多種乘積項（ProductTerm），舉例說明；以及多種和項（SumTerm）。舉例說明。（2）最大項與最小項變量域中的所有變量都以原變量或反變量的形式出現過一次且僅出現過一次的和項（乘積項），稱為該變量域的最大項（最小項）。舉例說明。強調：最大項（最小項）從屬于某個具體的變量域。（3）n個變量可以構成2n個最大項，記作：Mi，i=0，1，…，2n-1；同樣，n個變量可以構成2n個最小項，記作：mi，i=0，1，…，2n-1。舉例說明最大項（最小項）的編號方法；舉例強調變量的排列順序與編號息息相關。（4）最大項和最小項的特點。（5）對于同一個變量域，相通編號的最大項Mi與最小項mi的關系。舉例說明。3、最大項表達式（Max-termExpression）、最小項表達式（Min-termExpression）（1）和項都是最大項的或與式，又稱為“標準的和之積式（CanonicalPOS）”；乘積項都是最小項的與或式，又稱為“標準的積之和式（CanonicalSOP）”。（2）任何一個邏輯函數都有唯一的最大項表達式和唯一的最小項表達式。（3）對于相同的變量域，邏輯函數的最大項表達式與最小項表達式之間的關系。舉例說明。三、邏輯函數不同描述方式之間的轉換(一)真值表>標準的邏輯函數表達式舉例說明由邏輯函數的真值表直接讀出邏輯函數的最大項（最小項）表達式的3個步驟。注意：讀出兩種表達式之間區別。更重要的是讓學生理解：在邏輯函數的真值表中，自變量的每一組取值組合都代表著一個最大項和最小項。如果自變量的某個取值組合令函數值為1，則這個取值組合所代表的最小項就會出現在函數的最小項表達式中；如果自變量的某個取值組合令函數值為0，則這個取值組合所代表的最大項就會出現在函數的最大項表達式中。(二)邏輯函數表達式>真值表最好先利用邏輯代數的基本定律，將表達式變形為“與或式”或“或與式”，再利用它們的運算特點來填真值表。舉例說明。(三)非標準表達式>標準表達式（1）真值表法（2）代數法建議采用“真值表法”。(四)最大項表達式>最小項表達式在講兩者之間的關系時，已經說明。(五)最大各種非標準表達式類型之間的轉換在講邏輯函數表達式類型時，已經說明。四、“非完全描述函數”與“任意項（Don’t-careTerm）”舉例說明。(一)“任意項（Don’t-careTerm）”的基本概念在某些情況下，自變量的一些取值組合不可能出現或沒有意義，對于這些不可能出現或沒有意義的自變量取值組合，相應的函數值也就沒意義了，或者說，沒有必要去關心。前面提到，在邏輯函數的真值表中，自變量的每一組取值組合都代表著一個最大項和最小項。如果自變量的某個取值組合令函數值為1，則這個取值組合所代表的最小項就會出現在函數的最小項表達式中；如果自變量的某個取值組合令函數值為0，則這個取值組合所代表的最大項就會出現在函數的最大項表達式中。既然我們不關心沒有意義的自變量取值組合所對應的函數值是0還是1，那么，我們也不會去關心這些沒有意義的自變量取值組合所對應最大項或最小項是否存在于函數的最大項表達式或最小項表達式中。因此，這些沒有意義的自變量取值組合所代表的最大項或最小項被稱為“任意項”或“無關項”；帶任意項的邏輯函數被稱為“非完全描述邏輯函數”。(二)“非完全描述函數”的表達式和“約束條件”舉例說明“非完全描述函數”的表達式和“約束條件”概念。“約束條件”就是用來明確自變量的哪些取值組合是有效的。不滿足約束條件的取值組合是無效的，這些無效的取值組合所對應的最大項和最小項就是任意項。本次課小結：本次課，首先學習了邏輯函數的兩種描述方式——真值表和表達式，在“表達式描述方式”這一部分內容中，又包括表達式的類型、標準的表達式；然后了解了不同描述方式之間的相互轉換的方法；最后學習了非完全描述的邏輯函數和任意項。至此，本課程的第一部分內容已經結束。對這一部分的知識結構、主要內容及學習要求做一個簡單的梳理和總結。提示學生做好復習工作，同時結合實施計劃預習下一次教學內容。作業與思考題：必做題：選做題：思考題：如何證明對于相同的變量域，邏輯函數的最大項表達式與最小項表達式之間的關系？參考資料：《數字設計引論》，沈嗣昌，高教出版社《數字電子技術基礎》（第六版），閻石，高等教育出版社“DIGITALDESIGNPrinciples&Practices”，JohnF．Wakerly，高等教育出版社本次課教學體會：特殊情況處理邏輯函數的幾種描述方式對比介紹。重點和難點內容。重點介紹不同描述方式之間轉換的意義、方法。介紹非完全描述函數的意義。重點解釋“約束條件”的意義，及無關項的處理。總結知識點，提示知識預習。內容備注《數字電子技術》課程教案講課題目：第06講邏輯代數（3）—邏輯函數的化簡目的要求：1、了解邏輯函數的代數化簡法；2、掌握邏輯函數的卡諾圖化簡法。重點難點：重點：邏輯函數的卡諾圖化簡法。難點：帶任意項的邏輯函數的化簡。方法步驟：理論講授、例題講解、課堂練習、課堂提問。器材保障：多媒體電腦、投影儀、擴音設備。教學內容與時間安排：一、邏輯函數化簡及其原因、目標和方法(一)什么是“邏輯函數化簡”？所謂“邏輯函數化簡”，就是指通過一定的方法將邏輯函數中多余的項或多余的變量的去掉，而不改變自變量與因變量之間原有的邏輯關系。(二)為什么要對邏輯函數進行化簡？前面我們講過邏輯代數是分析和設計數字電路的數學工具。比如說，在設計數字電路時，我們通常是把電路要實現的邏輯功能先用邏輯函數表達式描述出來，然后再根據邏輯函數表達式畫出相應的電路。這也就意味著，邏輯函數表達式的繁簡程度會直接影響電路的繁簡程度。舉例說明。在能夠完成相同功能的前提下，當然希望電路越簡單越好，這也是做電路設計的基本原則之一。因為電路越簡單，用的器件就越少，成本和功耗就越低，可靠性就越高。（因為可能出錯的地方減少了。軍用設備對可靠性的要求通常是比較苛刻的。）(三)邏輯函數化簡的標準是什么？由于“與－或”式和“或－與”式是邏輯函數兩種最基本的表達式，所以這里講一下“與－或”式和“或－與”式的最簡標準。與或式：乘積項盡可能少（與門個數、或門輸入端個數），每個乘積項含有盡可能少的變量（與門輸入端個數）?；蚺c式：和項盡可能少（或門個數、與門輸入端個數），每個和項含有盡可能少的變量（或門輸入端個數）。(四)怎樣進行邏輯函數化簡？——代數化簡法——卡諾圖化簡法——計算機輔助化簡法（《數字設計引論》P63，沈嗣昌，高教出版社）前兩種方法適用于5變量以下邏輯函數的化簡，而第3種方法則適用于更復雜邏輯函數的化簡。二、邏輯函數化簡方法之一——代數法邏輯函數的代數化簡法就是利用邏輯代數的基本定律和公式，對表達式進行一系列的變換，直至達到最簡。例題講解。課堂練習。代數化簡法要求熟練掌握并靈活運用邏輯代數的基本定律和公式，而且有時難以確定是否最簡。如果從這些方面來講，卡諾圖化簡法則更行之有效。三、邏輯函數化簡方法之二——卡諾圖法(一)什么是卡諾圖？簡單的講，卡諾圖就是真值表的一種簡單變形。舉例1：自變量以及它們所有的取值被分到了垂直和水平兩個方向上，每一組自變量的取值組合都可以定位一個小方格，小方格中所填的就是該自變量取值組合所對應的函數值。自變量在水平和垂直方向上可以任意分配，但需要注意的是，變量的取值必須按照Gray碼的順序排列。至于為什么，等一會就會作出解釋。舉例2：上節課提到，在邏輯函數的真值表中，自變量的每一組取值組合都代表著一個最大項和最小項。如果自變量的某個取值組合令函數值為1，則這個取值組合所代表的最小項就會出現在函數的最小項表達式中；如果自變量的某個取值組合令函數值為0，則這個取值組合所代表的最大項就會出現在函數的最大項表達式中；如果自變量的某個取值組合令函數值為X，則這個取值組合所代表的就是一個無關（最大、?。╉?。而剛剛講過，每一組自變量的取值組合都可以定位一個小方格，小方格中所填的就是該自變量取值組合所對應的函數值。因此，每個小方格代表一個最大項（最小項），自變量取值組合所對應的十進制數就是最大項（最小項）的下標（編號）。方格中的函數值為0（1）表示最大項（最小項）表達式中含有該方格所對應的最大項（最小項）；方格中的函數值為X表示最大項（最小項）表達式中含有該方格所對應的任意項。舉例3：講解根據標準表達式畫卡諾圖。舉例4：簡單講過。至此，已經知道了什么是卡諾圖以及怎樣畫出一個邏輯函數的卡諾圖。(二)卡諾圖法化簡的基本原理卡諾圖法化簡的基本原理就是吸收律的第3個公式（板書F1，F2）。對于這兩個邏輯函數而言，它們的變量域都是（A，B）。在F1中，兩個最小項被合并成了一項，消掉了一個變量，共同的變量被保留下來（注意：兩個最小項是相鄰的最小項，解釋最小項相鄰）；在F2中，兩個最大項被合并成了一項，消掉了一個變量，共同的變量被保留下來（注意：兩個最大項是相鄰的最大項，解釋最大項相鄰）。推廣到一般情況。2n個循環相鄰的最小項可以合并成一個乘積項，同時消掉n個變量（僅保留它們共有的變量），從而可以得到最簡的“與或式”。（解釋：循環相鄰）2n個循環相鄰的最大項可以合并成一個和項，同時消掉n個變量（僅保留它們共有的變量），從而可以得到最簡的“或與式”。卡諾圖的優勢則在于：從垂直或水平方向上看去，在位置上相鄰或對稱的小方格所代表的最大（?。╉検窍噜彽?。舉例說明。(三)卡諾圖法化簡的步驟卡諾圖法化簡的過程可分為三個步驟：1、畫出邏輯函數的卡諾圖。建議采用“真值表法”。2、在卡諾圖上圈1（0），即找出循環相鄰的最小項（最大項）。（1）用盡可能少的圈覆蓋所有的1（0），每個圈中的1（0）盡可能多，但必須是2n個。（2）必須優先處理相對獨立的1（0）。（3）任何一個圈中，至少要有一個1（0）僅被圈過一次。3、讀出每個圈所對應的乘積項（和項），將這些乘積項（和項）相加（乘），即得到最簡的“與或式”（“或與式”）。例題講解。(四)帶任意項的邏輯函數的化簡化簡步驟與完全描述邏輯函數的卡諾圖化簡相同。本著最簡原則（一次合并的最大、小項越多越好），卡諾圖中的X（任意項）既可以當作1（最小項）也可以當作0（最大項）。例題講解。本次課小結：本次課，首先了解了邏輯函數化簡的原因和標準，然后簡單介紹了邏輯函數的代數化簡法，重點介紹了邏輯函數的卡諾圖化簡法。在卡諾圖化簡法中，首先了解了什么是卡諾圖，學習了卡諾圖法的原理和步驟，以及非完全描述邏輯函數的卡諾圖化簡。提示學生做好復習工作，同時結合實施計劃預習下一次教學內容。作業與思考題：必做題：選做題：思考題：非完全描述的邏輯函數被化簡后，除了變簡單以外，還發生了什么變化？參考資料：《數字設計引論》，沈嗣昌，高教出版社《數字電子技術基礎》，閻石，高等教育出版社“DIGITALDESIGNPrinciples&Practices”，JohnF．Wakerly，高等教育出版社《計算機輔助邏輯化簡》（電子版）本次課教學體會：特殊情況處理通過圖示介紹函數化簡的意義。幾種常見函數化簡方法。重點介紹卡諾圖化簡法。提煉總結卡諾圖化簡的步驟。無關項在卡諾圖化簡的處理?？偨Y知識點，提示知識預習。內容備注《數字電子技術》課程教案講課題目：第07講組合邏輯電路與集成邏輯門目的要求：1、了解組合邏輯電路的特點和常用的描述方式。2、了解TTL、CMOS和ECL集成邏輯門特點和產品系列。3、理解集成邏輯門的主要性能參數。4、了解特殊輸入、輸出結構邏輯門的用法。重點難點：重點：集成邏輯門的主要電氣參數；難點：特殊輸入、輸出結構邏輯門。方法步驟：理論講授、例題講解、課堂練習、課堂提問。器材保障：多媒體電腦、投影儀、擴音設備。教學內容與時間安排：在前面6次課中所學習的內容（包括：數字設計引論、數制、編碼、邏輯代數）是整個課程的基礎部分，并沒有太多地涉及到數字電路。從這次課開始，我們將在前6次課的基礎之上，真正開始學習數字設計，將接觸到更多的數字電路。前面提到，數字電路可以被劃分成兩大類：組合電路、時序電路。時序電路是建立在組合電路基礎之上的，所以先來學習組合電路。本次課的主要內容：組合邏輯電路的基本概念和集成邏輯門。一、組合邏輯電路的基本概念(一)組合邏輯電路的模型和特點組合電路的模型就是對各種各樣具體的組合邏輯電路的一種抽象，對組合電路的模型進行簡單講解。從以下兩個方面說明組合邏輯電路的特點：1、從輸入－輸出信號關系上，組合邏輯電路（不考電路的時延）在任意時刻的輸出信號僅由該時刻的輸入信號決定，而與輸入信號以往的取值無關，即：組合邏輯電路無記憶性。（以學生在《電路分析基礎》中學習的電阻電路和動態電路為類比，說明電路的記憶性和無記憶性）2、從電路結構上，組合邏輯電路中不包含具有記憶性的器件，沒有從輸出到輸入的反饋通道。（在模擬電路中，具有記憶性的器件是電容和電感；在數字電路中具有記憶性的器件的觸發器、半導體存儲器）。(二)組合電路邏輯功能的描述方式對組合電路的邏輯功能（即：電路輸入信號與輸出信號之間的邏輯關系）主要有以下4種描述方式：1、邏輯函數一般采用正邏輯表示法（再次重申“邏輯函數”與“數字電路”的對應關系）。邏輯函數有兩種形式：（1）表達式（邏輯方程或方程組）（2）真值表2、電路圖要畫出電路圖，需要掌握電路中所用器件的邏輯符號。3、波形圖4、硬件描述語言（HardwareDescriptionLanguages）硬件描述語言是一類專門用來描述硬件的語言，在形式上與軟件編程語言相似。二、集成邏輯門在數字電路中，集成邏輯門是最簡單的集成電路。在講集成邏輯門之前，先簡單介紹一下集成電路。(一)集成電路1、什么是“集成電路（IC，IntegratedCircuit）”（在第1次課中已經講過，再回顧一下）通過一系列特定的加工工藝，將多個晶體管、二極管、電阻、電容等器件，按照一定的電路連接集成在一塊面積很小的半導體（如：Si、GaAs）單晶片或陶瓷等基片上，然后用外殼將其封裝起來，電路的輸入輸出端通過引腳與外界相連，從而作為一個能執行某種功能的不可分割的電路組件以供使用。2、集成電路的優點集成電路技術使得原先由很多元器件構成的復雜電路可以被集成到一片面積很小的晶片上，作為一個器件被使用，大大減少設備所用的器件數量，從而降低了設備的成本、功耗、重量和體積，提高了性能。（電子計算機的發展就是一個最典型的例子，在很大程度上應歸功于集成電路技術的發展）目前，集成電路技術已經發展到SOAC，電路（系統）的集成化是大勢所趨。3、集成電路的分類從不同的角度，對集成電路有著不同的分類方式。比較常見的分類方式有以下幾種：（1）按電路功能（2）按集成電路中有源器件的類型和工藝技術解釋“有源器件”、“工藝技術”。（3）按集成電路的規模解釋什么是“集成電路的規?！?。以邏輯門的數量來衡量的時候，邏輯門指的是2輸入的與非門（或非門）。（4）按集成電路的應用領域(二)TTL、CMOS和ECL集成邏輯門邏輯門是最基本的數字電路，按照集成電路中所采用的有源器件類型和電路形式，集成邏輯門主要有以下三種類型：CMOS、TTL和ECL。作為器件的使用者而言，最關心的除了器件的功能以外，還有器件的性能（所謂“功能”，即：能做什么；所謂“性能”，即：做得怎么樣。以學生在《模電》中學的放大器為類比），一般沒有必要去精通器件內部電路的設計以及器件的制造技術，但是對此一無所知，也是不應該的。對器件內部電路的工作原理和器件的制造工藝做必要的了解，將有助于更深入地理解器件的功能和性能，從而更好地使用器件。前面已經學習了各種邏輯門的功能，現在再來了解一下邏輯門的一些性能參數和輸入、輸出結構。基于以上原因，盡管教材中對邏輯門內部電路及其工作原理講得很簡單，并不做要求，但是為了使學生更好地理解下面將要學習的內容，有必要先簡單講解一下邏輯門內部電路及其工作原理。1、CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）（1）CMOS數字集成電路系列說明低電壓芯片的好處（低功耗、速度快）和缺點（抗干擾能力差）。（2）CMOS數字集成電路的特點對于大部分特點，在學習了邏輯門的性能參數后，就會有比較好的理解。（3）CMOS集成電路使用注意事項重點講解對邏輯門多余輸入端的處理。（4）開關器件——增強型PMOSFET、增強型NMOSFET在CMOS數字電路中所用的開關元件是成對出現的增強型PMOSFET、增強型NMOSFET。簡單講解增強型PMOSFET、增強型NMOSFET的符號和工作狀態。（5）基本的CMOS邏輯門電路（選學）CMOS非門可以所是最簡單的數字電路，只有一對MOSFET。講解其工作原理。在通過對與非門和或非門電路構成和工作原理的講解，總結出COMS數字電路的構成規律：成對出現，柵極為入，漏極為出；N串P并實現與非邏輯，P串N并實現或非邏輯。2、TTL（Transistor-TransistorLogic）（1）TTL集成電路系列軍品系列與民品系列的區別不在于邏輯功能，而在于性能。例如：對電源的要求，對環境溫度的要求等等。（3）開關器件——BJT（BipolarJunctionTransistor）構成邏輯門的基本器件就是“開關”，在晶體管之前，曾用繼電器開關來構成數字電路，目前數字電路使用的開關元件是晶體管，在TTL電路中用的開關元件是BJT。講解兩種BJT，以及在數字電路中的兩種工作狀態——飽和、截止。（在放大電路中，工作在放大狀態）（3）典型的TTL門電路（選學）非門又叫“反相器”，前面已經學過它的邏輯功能，但是否有人想過這種功能究竟是怎樣實現的？簡單講解TTL非門內部電路的結構（3級電路結構）和工作原理。2輸入與非門的工作原理作為課后思考題。3、ECL（EmitterCoupledLogic）簡要介紹ECL的特點和工作原理。(三)集成邏輯門的性能參數盡量結合器件手冊（7408的數據手冊作為課外閱讀）講解以下性能參數，讓學生從現在開始，就有意識地去培養閱讀器件數據手冊的能力。說明集成邏輯門的這些性能參數同樣適用于其它的數字集成電路。1、直流電源電壓（DCSupplyVoltage）器件必須在加電以后才能工作，數字電路用的是直流電壓源，需要的工作電源電壓有＋5V、＋3.3V、＋2.5V、＋1.8V等等。指出CMOS對電源的適應能力比TTL更強。2、邏輯電平（LogicLevel）回顧邏輯電平的概念。電路有輸入信號和輸出信號，講解輸入高、低電平和輸出高、低電平的含義。邏輯電平的范圍與電路工藝、電路形式和電源電壓都有關系，目前有多種邏輯電平標準（課外閱讀材料：常見的邏輯電平），其中最常用的就是TTL電平和CMOS電平。指出CMOS與TTL的區別和電平標準兼容問題，舉例說明。（課外閱讀材料：電平轉換方法）開門電平、關門電平的概念。3、抗干擾容限（NoiseMargin）“抗干擾容限”用于衡量集成電路的抗干擾能力。首先，給出高電平抗干擾容限和低電平抗干擾容限的定義式；然后，結合簡單的電路圖，解釋高電平抗干擾容限和低電平抗干擾容限的概念；最后，舉實例說明CMOS比TTL有更強的抗干擾能力。4、扇入（Fan-in）系數Ni邏輯門輸入端的個數。5、輸出驅動能力（負載能力）/扇出（Fan-out）系數No邏輯電路在正常工作條件下，一個輸出端可以同時驅動同系列邏輯電路輸入端數目的最大值。TTL邏輯門與CMOS邏輯門驅動能力的定義有所不同。（1）TTL電路的驅動能力結合電路講解輸入（出）高（低）電平電流的基本概念，解釋驅動能力有限的原因，然后推導扇出（Fan-out）系數的公式。輸出高電平時的扇出系數與輸出低電平時的扇出系數不同，取其中的小值。（2）CMOS電路的驅動能力結合電路指出CMOS驅動能力有限的原因與TTL不同。6、速度（Speed）/時延（PropagationDelayTime）結合電路和波形，解釋兩種時延的概念。7、功耗（PowerDissipation）注意說明CMOS與TTL在該參數上的不同之處。（1）靜態功耗（2）動態功耗8、速度-功耗積（Speed-PowerProduct，SPP）(四)集成邏輯門的輸入和輸出結構1、推挽（Push-Pull）輸出結構結合電路，講解推挽（Push-Pull）輸出結構的特點，說明并解釋在使用推挽輸出結構電路時應注意的問題。2、集電極開路（OC）/漏極開路（OD）輸出結構結合內部電路說明什么是“集電極開路”和“漏極開路”。說明集電極開路（OC）/漏極開路（OD）邏輯門的邏輯符號。說明電路的使用方法，OC/OD結構的輸出端與電源之間必須有一個上拉電阻。（課外閱讀：上拉電阻的計算方法——參考閻石的教材）說明集電極開路（OC）/漏極開路（OD）邏輯門的用途。（電平轉換、“線與”連接、驅動較大電流或較大電壓負載）3、三態（TS，ThreeState）輸出結構三態門的邏輯符號和真值表。解釋什么是“高阻抗”狀態。思考題：TTL三態非門的工作原理。三態輸出結構的應用：總線結構、雙向傳輸。說明總線結構中三態門的使用禁忌：任何時刻最多只允許一路輸出。（請學生思考：多路同時有效到底會有什么結果？）4、施密特觸發輸入結構（Schmitt-triggerInput）以普通非門和施密特輸入結構的非門為例，對比它們的邏輯符號和電壓傳輸特性；指出施密特觸發器結構在性能上的兩個特點：有兩個不同的閾值電壓——正向閾值電壓VT+和負向閾值電壓VT-，兩者之間差值稱為回差電壓（△VT＝VT+－VT-）；在輸出信號的狀態發生變換時，內部電路的正反饋機制可以使輸出電壓波形的邊沿變得很陡峭。舉例說明：該輸入結構用于提高輸入端抗閾值干擾的能力。對于普通輸入端，當輸入信號在閾值附件發生波動時，輸出信號會發生跳變，（對于閾值附近傳遞函數陡峭的CMOS電路，情況基本如此；而對于TTL電路，閾值附近的曲線斜率不夠大，輸入信號在閾值附近變化不大時，只是出現輸出電平下跌或升高的現象，并不會跳變。具體問題還要具體分析。但是，總之是不好的。話說回來，邏輯電路的輸入信號為什么要在閾值附近變化呢？——干擾）。教材從精簡內容的角度出發，沒有提供該輸入結構的電路。教員可以從模擬電路中選取運放構成的“滯回比較器”，作為學生進一步學習的資料。5、CMOS傳輸門結構簡單講解其電路結構和工作原理。本次課小結：本次課重點介紹了集成邏輯門的性能參數和輸入輸出結構，主題與邏輯電路的分析與設計不同（不是邏輯問題），但對于正確使用硬件電路十分重要。其中，關于內部構造和輸入、輸出結構的討論要求學生有較好的電路分析和模擬電路的基礎，也是對電子電路知識和應用的拓展；對邏輯器件性能參數的學習也為實際應用奠定了基礎，使數字電路的研究不至于紙上談兵。提示學生做好復習工作，同時結合實施計劃預習下一次教學內容。作業與思考題：必做題：選做題：思考題：三態門的三種輸出狀態及其使能端的作用。使用OC門時應注意什么？參考資料：《數字設計引論》，沈嗣昌，高教出版社《數字電子技術基礎》，閻石，高等教育出版社“DIGITALDESIGNPrinciples&Practices”，JohnF．Wakerly，高等教育出版社電子版資料：《幾種常見邏輯電平標準》、《常用的電平轉換方法及注意事項》、《CMOS與TTL的電平特點及轉換方法》本次課教學體會：特殊情況處理回顧歸納已學內容，引出數字電路之組合邏輯電路。板書講解結合邏輯函數講解組合電路的描述方式。注意：邏輯門內部電路不是學習重點，但是學習好內部電路有助于電路的分析和設計。補充集成電路概念。邏輯門分類介紹。結合實際市場芯片使用情況介紹CMOS、TTL數字集成電路系列。提問學生舉例說明重點講解集成邏輯門的特殊輸出結構。本次課知識點總結，提示預習內容。內容備注《數字電子技術》課程教案講課題目：第08講基于SSI的組合邏輯電路分析與設計目的要求：1、掌握由SSI構成的組合電路的基本分析方法。2、掌握基于SSI的組合電路設計方法。3、了解冒險現象的基本概念和消除方法。重點難點：重點：基于SSI的組合電路設計。難點：基于SSI的組合電路設計。方法步驟：理論講授、例題講解、課堂練習、課堂提問。器材保障：多媒體電腦、投影儀、擴音設備。教學內容與時間安排：同時回顧什么是“數字電路分析”和“數字電路設計”。“數字電路分析”，是指針對一個已經存在的數字電路，通過一定的方法和手段，確定其輸入信號與輸出信號之間的邏輯關系，從而明確整個電路的邏輯功能。“數字電路設計”，與數字電路分析的過程相反，是指針對一定的設計要求，通過一定的方法和手段，用合適的器件來構造出一個數字電路，使其能夠符合設計要求。一、基于集成邏輯門的組合邏輯電路分析(一)分析方法基于集成邏輯門的組合邏輯電路分析可分成三個步驟：Step1：根據電路寫出輸出函數的邏輯表達式；Step2：根據邏輯表達式列出真值表；Step3：根據真值表或表達式判斷電路的邏輯功能。指出分析過程實際上是不同域、不同描述方式之間的轉換過程，在這個過程中，起點是已經存在的電路，目標是要搞清楚該電路的輸出與輸入之間有什么樣的邏輯關系（即：電路的邏輯功能），邏輯函數的表達式和真值表僅僅是達到目的的手段，不必拘泥于此。(二)分析舉例例1：三人表決電路。例2：1位全加器電路。例3：1位半比較器電路。（課堂練習）說明組合電路分析的基礎有二：一是要熟悉電路中各種器件的符號和功能（對于一個待分析的電路，首先要做的就是了解它分構成，包括哪些器件以及器件之間的連接關系）；二是要掌握一定的分析方法。針對邏輯門構成的組合邏輯電路的分析，寫出表達式是基本要求，表達式通常整理成與或式，但不是必須的（甚至寫表達式也不是必須的）；真值表通常要列出，但也不是必須的。說明電路的邏輯功能應該是必須的，但對于學生解題來說，通常是難以做到的（一是因為所了解的電路太少；二是因為很多局部電路單獨來看，就是專業人員也難說明其功能，但是放在整個系統中，各部分的功能還是很容易判斷的）。二、基于集成邏輯門的組合邏輯電路設計組合邏輯電路的設計是數字電路的重要教學內容，要重視?；趦杉夐T電路的最簡設計是主要教學要求，由于可以要求最簡與或結構、與非結構、或與結構、或非結構、與或非結構，以及OC（OD）結構，使設計具有相當的靈活性，學生應在卡諾圖化簡的基礎上，針對不同結構要求來實現?；贛SI的電路設計由于缺乏統一方法有一定難度，應該具體問題具體分析，針對不同的MSI，也有一些規律，對于初學者，還需要逐漸積累。組合電路設計的基本原則：實現所要求的功能；盡可能簡單；可靠。(一)設計方法基于集成邏輯門的組合邏輯電路設計包括三個步驟：Step1：據功能要求，定義輸入、輸出信號，列出真值表；Step2：據設計要求，采用適當的化簡方法求出與所要求的邏輯門相適應的輸出函數的最簡表達式Step3：畫出與最簡表達式相對應的邏輯電路圖。指出設計過程實際上也是不同域、不同描述方式之間的轉換過程，只不過與分析過程中的轉換方向相反。在這個過程中，起點是要實現的邏輯功能（通常是用自然語言描述的邏輯關系），目標是構造一個能實現這種邏輯功能的電路，邏輯函數（表達式和真值表）在這里仍然僅僅是一種手段。(二)設計舉例例：設計一個組合電路，該電路能夠判斷一位十進制數的BCD碼是否為8421碼。若是8421碼，則當該碼所代表的十進制數能被4或5整除時，輸出有所指示。要求分別用與非門、或非門、與或非門實現該電路（允許反變量輸入）。該例是一個試圖包括盡量多設計要求的綜合舉例，還可以在課堂上進一步畫出OC電路圖。教員應該說明兩級門電路最簡是局部最簡、不是全局最簡；而且通常也不比較與非電路最簡還是或非電路最簡，因為實際應用中選擇實現方法是要從全局考慮的。對于允許反變量輸入的問題，通常為了簡化討論，是允許的，對于實際應用來說，確實有些沒有反變量輸入的情形。我們將組合電路的最簡限制在兩級門電路的范圍內，目的主要是教學意義上的，因為基于卡諾圖的兩級門電路實現是一個比較完整、有條理的教學內容。電路設計是設計者自主的，由于變量定義不同，會有完全不同的電路結構，其中自然有優劣，組合電路設計中，變量定義在有些時候，還是有些難度的。三、組合電路中的冒險現象首先，用電路仿真軟件Multisim對兩個分別有0型冒險和1型冒險的組合電路進行仿真，使學生真實地感受到冒險現象，認識到理論與實踐的距離。然后，指出可能產生冒險現象的原因和危害。由于邏輯門的傳輸時延或者多個輸入信號變化時刻的不同步，可能會引起短暫的輸出差錯，這種現象稱為邏輯電路的冒險現象，簡稱險象。信號波