《数字逻辑设计及应用》课程教学大纲

课程英文名称：Digital Logic Design and Applications

课程代码： E0700140      学 时 数 ：64   学 分 数：4

课程类型： 学科基础课程               

适用学科专业：电子信息、电气工程、自动控制及其他应用数字电子技术的相关专业

先修课程：《大学物理》、《电路分析基础》、《模拟电路基础》

执 笔 者：姜书艳   编写日期：2013.11.01   审 核 人： 

 

一、课程性质和目标

（一）课程性质

“数字逻辑设计及应用”课程是信息技术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，是研究数字系统硬件设计的入门课程。

（二）课程目标

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思想；培养学生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分析设计方法和电路的运用过程。

通过本课程的学习，使学生掌握数字逻辑电路的基本理论、基本分析和设计方法，为学习后续课程准备必要的数字电路知识。本课程在培养学生严肃认真的科学作风和逻辑思维能力、分析设计能力、归纳总结能力等方面起重要作用。

二、课程内容安排和要求

（一）教学内容、要求及教学方法

课堂理论教学 （64学时）

第一章 引论 （2学时）
了解：数字电路的发展及其在信息技术领域中的地位；数字信号与模拟信号之间的关系及数字信号的特点；数字系统输入输出特性及其逻辑特点，数字逻辑电路的主要内容。

第二章 信息的数字表达 （4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、二进制数的运算；符号数的表达：符号-数值码（Signed-Magnitude System、原码），二进制补码(two's 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；符号数的运算；溢出的概念。

掌握：其他信息的编码表达：BCD码（Binary Codes for Decimal numbers）、n中取1码（独热码）、格雷码（Gray code）的特点及其与二进制数之间的转换关系；

了解：模拟信息的数字表达：A/D转换的基本概念；

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： CMOS逻辑电平和噪声容限；

掌握：CMOS逻辑反相器、与非门、或非门、非反相门、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、扇出特性；

理解：特殊的输入输出电路结构：CMOS传输门、三态输出结构、施密特触发器输入结构、漏极开路输出结构；

了解： 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。利用相关的仿真软件进行仿真。

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规范值以及它们之间的连接配合的问题。电路成本、速度与基本电路规模的关系。

第四章 组合逻辑设计原理 （10学时）
掌握:逻辑代数的公理、定理，正负逻辑的概念与对偶关系、反演关系、香农展开定理，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、卡诺图、最小逻辑表达式之间的关系；

掌握:组合电路的分析：穷举法和代数法；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、逻辑函数的最简表达形式及综合设计的其他问题：无关项(don’t-care terms)的处理。

理解：逻辑函数表达式的基本化简方法—函数化简方法；多输出(multiple-output)逻辑化简的方法和定时冒险（timing hazards）问题。

了解：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

了解：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

了解：学习使用ISE、QuatusII(MAX+plusII)等仿真工具，利用图形法和波形法进行数字逻辑电路仿真。

第六章 组合逻辑设计与实践 （10学时）
掌握：译码器、编码器、多路选择器、异或门、比较器、全加器等常用中规模集成电路（MSI）逻辑器件的功能及其工作原理；
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、异或门、比较器、全加器、三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；

了解：利用硬件描述语言（Verilog语言）进行组合逻辑电路基本功能单元及大中型组合逻辑电路的设计、仿真。 

了解：等效门符号（摩根定理）（Equivalent Gate Symbols under the Generalized Demorgan’s 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 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；
掌握:时钟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:时钟同步状态机的设计方法，包括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(Minimal-risk)方案和最小代价(Minimal-cost)方案，使用状态转换表及状态转换图的设计方法。

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-Flops）的区别；建立时间和保持时间的概念；时序逻辑电路的分类；
了解：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；

了解：利用硬件描述语言（Verilog语言）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；学习用Verilog语言设计时序电路。

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时钟同步状态机电路的设计任务：计数器、移位寄存器、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。

掌握：二进制计数器及其应用：模n计数器的设计；移位寄存器及其应用：串/并转换（Serial-to-Parallel Conversion）原理，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。

了解：线性反馈移位寄存器(LFSR)计数器的特点、设计方法及应用；迭代与时序电路（Iterative versus Sequential Circuits)；

了解：扫描触发器(Scan Flip-Flop)特性及基本应用；

了解：开关消抖(Switch Debouncing)电路、总线保持电路（Bus Holder Circuit）原理；

了解：利用QuatusII(MAX+plusII)文本法等（Verilog语言）进行时序电路基本功能单元及大中型综合性电路的仿真分析和设计。

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 存储器（2学时）

了解：存储器（ROM,SRAM）的基本工作原理和结构；存储容量的扩展。
了解：存储器在数字逻辑系统设计的硬件实现中的运用。

第十章 模数转换器(ADC)、数模转换器（DAC) （2学时）

了解：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），工作原理和主要技术指标；
了解：模拟-数字转换器(Analog to Digit Convertor,ADC) 的基本电路结构（逐次逼近式、双积分等ADC），工作原理和主要技术指标；
理解：模拟-数字转换器、数字-模拟转换器(ADC/DAC)在电子系统中的作用和应用。

（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性的影响。
    2、学习使用ISE、QuatusII(MAX+plusII) 等工具，利用ISE、QuatusII(MAX+plusII)等工具进行数字逻辑电路仿真的基本方法；进行基本组合电路基本功能单元，时序电路的基本功能单元进行仿真，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。

（三）实践性教学环节和要求

实验上机和课程设计(课外)（16学时）
实验目的：通过使用CAD设计工具 PSPICE、QuatusII(MAX+plusII)等对教材中相关例题的分析，加深对教材内容的理解，更好地掌握相关知识。实验上机内容见自学内容和要求。（4学时）

完成组合电路和时序电路课程设计各一项。课程设计的题目及内容由任课教师根据自己的研究背景拟定。（12学时）

三、考核方式

本课程的考核方式为：平时考核30%：包括平时作业及随堂考核成绩，课程设计；中期考核30%：考试；期末考核40%：考试。

平时作业习题：基本采用教材习题，每章结束上交，批改后进行针对性讲解，并给出参考解答；随堂考核：每课一题，每次内容讲解的课上布置，自备一页纸完成，要求当堂完成上交，只检查，不返回；课程设计：综合性考查，组合电路和时序电路各进行一次，要求完成后上交。 

四、建议教材及参考资料

（一）教材：

数字设计—原理与实践（第4版 影印版），John F. Wakerly，高等教育出版社  2007

（二）参考资料： 

1. 数字逻辑设计及应用，姜书艳主编，清华大学出版社，2007

2. Fundamentals of Digital Logic with Verilog Design，Brown, Z. Vranesic ，McGraw-Hill,2003 

3．Logic Design Principles ，Edward J. McCluskey， Prentice- Hall,1986

4. Digital Logic: Applications and Design（数字逻辑 应用与设计（英文版））， John M.Yarbrough S.， 机械工业出版社 2002

  5. 数字电子技术基础 （第5版），阎石主编，高等教育出版社，2007

6. 数字设计—原理与实践（第4版），John F. Wakerly，林生 等译，机械工业出版社，2007

7. 数字电路与系统 （第2版），刘宝琴等编著，清华大学出版社，2007

8. 数字集成电路教程（第2版），龙忠琪等编，科学出版社  2007

9. 数字逻辑（第2版），毛法尧，高等教育出版社 2008

10. 数字电路逻辑设计（脉冲与数字电路  第3版），王毓银编，高等教育出版社 1999

11. 脉冲与数字电路，何绪芃等编，电子科技大学出版社  1996

12. 脉冲与数字电路，万栋义编，高等教育出版社, 1986

 

（三）相关学习网站：

http://125.71.228.222/wlxt/listcourse.asp?courseid=0170：电子科技大学/互动教学空间/网络学堂/电子工程学院/数字逻辑设计及应用

www.prenhall.com/onekey/:包含教材中的所有图表、占教材中半数以上的部分习题解答

www.ddpp.com: 部分习题解答

www.xilinx.com/programs.univ：Xilinx的大学计划，提供了大量的产品资料、课程资料以及用于数字设计实验课程的芯片和插件

www.aldec.com/education/university：Aldec的教育计划，提供了Aldec自己的软件包和第三方的兼容工具以及原型系统。