本书是作者在总结多年从事“数字电路与逻辑设计”课程教学工作经验的基础上,结合电子技术的发展趋势及后续课程的需要编写的。考虑到“数字电路与逻辑设计”是计算机各相关专业的专业基础课,掌握数字系统的基本概念和基础知识,建立数字系统的分析与设计的思维方式,对后续课程的学习具有非常重要的影响;同时,考虑到教材面向的对象主要是没有学习过“电路分析”、“模拟电子电路”等先导课程的大学一年级学生,因此,本教材以逻辑代数理论、逻辑门外部性质为基础,以数字逻辑的基础理论及基本电路的分析、设计为重点,注重概念的清晰与内容的实际应用,强化各种规模逻辑器件的外部功能及其应用,淡化了其内部结构的理论分析,压缩了脉冲电路的内容。由于Verilog HDL语言简单易学,且在IC设计领域更为流行,因此本书以Verilog HDL语言为例介绍了硬件描述语言及其编程应用。
全书共分8章。第1章绪论,主要介绍常用的数制及其转换、数字系统中常用的编码。第2章逻辑代数基础,主要介绍逻辑代数中的基本规律、逻辑函数描述方法及逻辑函数的化简。第3章组合逻辑电路,主要介绍逻辑门、组合逻辑电路的分析与设计、常用组合逻辑芯片及其应用。第4章时序逻辑电路,主要介绍触发器、时序逻辑电路的分析与设计、常用时序逻辑芯片及其应用。第5章半导体存储器,主要介绍半导体存储器的工作原理及其应用。第6章可编程逻辑器件,主要介绍可编程逻辑器件的原理及其应用。第7章脉冲单元电路,主要介绍施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的基本原理以及555定时器的应用。第8章模数及数模转换,主要介绍A/D、D/A转换器的原理及应用。在本书附录部分介绍了Verilog HDL语言及其编程应用。
本教材由胡全连、郑燚、周新、李斌编著,具体分工如下:第1章、第4章由周新执笔,第2章、第3章由胡全连执笔,第5章、第6章由李斌执笔,第7章、第8章及附录部分由郑燚执笔。江西师范大学周琪云教授担任主审。本书在编写过程中,江西师范大学谢芳森教授提出了许多宝贵意见和建议,本书的出版还得到机械工业出版社编辑的大力支持和帮助,在此深表感谢。
作者在编写本教材的过程中,参阅了大量相关教材和专著,在此向各位原著作者致敬。
由于作者水平有限,加之时间仓促,书中难免存在一些缺点和错误,殷切希望广大读者批评指正。
作者
2012年3月
教 学 建 议
课程的地位、作用和任务
本课程是计算机各软、硬件专业的主要专业基础课程,目的是使学生掌握数字系统分析与设计的基本知识与理论,掌握规模的逻辑器件,掌握各类逻辑电路分析和设计的基本方法,为计算机及其他数字系统的分析与设计奠定坚实基础。
课程总体安排及三大教学环节的学时分配
先修课程与要求
本课程的先修课程有大学物理、电路分析基础、模拟电子电路等。对于未系统学习这些前导课程的低年级学生,教师授课时可适当安排少量课时对相关知识做简单介绍。
课程教学环节及组成
本课程需要理论教学和实验教学相结合。
课程学时及分配
课程总学时:96学时,其中,理论教学72学时,实验教学24学时。
课程教学内容与基本要求
章节课程教学内容与要求建议学时第1章
绪论教学内容:数字系统的基本概念,数制及其转换,带符号数的代码表示,数的定点表示与浮点表示,数码和字符的代码表示,信息编码的思想。
. 教学重点:数字系统的基本概念以及数字编码的意义,二进制记数系统以及它和其他记数系统之间转换的关系。
基本要求:要求学生掌握数字系统的基本概念以及数字编码的意义,二进制、八进制、十进制、十六进制系统的表示特点以及它们之间转换的方法,常见的几种数据编码形式。理论:
6学时第2章
逻辑代数基础教学内容:逻辑代数的基本概念,逻辑代数的公理、定理和规则,逻辑函数的描述方法,逻辑函数的化简。
教学重点:逻辑代数的基本概念,逻辑代数的公理、定理和规则,逻辑函数的描述方法,逻辑函数的代数化简法和卡诺图化简法。
基本要求:掌握逻辑代数中的公理、定理和3个重要规则,熟练掌握代数法和卡诺图化简法化简逻辑函数。理论:
12学时(续)章节课程教学内容与要求建议学时第3章
组合逻辑电路教学内容:组合逻辑电路的定义及特点,门电路逻辑符号、外部特性,逻辑函数的逻辑门实现,TTL逻辑门和CMOS逻辑门的工作原理,组合逻辑电路的分析和设计,常用集成组合逻辑芯片及其应用,组合逻辑电路的竞争和冒险。
教学重点:逻辑门的外部特性及其应用,组合逻辑电路的分析和设计,常用组合逻辑芯片原理及其应用。
基本要求:理解计算机中常用集成组合逻辑芯片的功能,逻辑集成TTL逻辑门和CMOS逻辑门的组成及工作原理,了解组合逻辑电路中的竞争和冒险,熟练掌握应用逻辑门和应用集成逻辑芯片实现组合逻辑功能。
实验内容:门电路逻辑功能测试;译码器及其应用;数码管显示实验;数据选择器及其应用;组合逻辑电路的设计与测试。理论:
14学时
实验:
12学时第4章
时序逻辑电路教学内容:时序逻辑电路的基本原理,触发器的基本工作原理,时序逻辑电路的分析和设计方法及常用时序逻辑功能器件等。
教学重点:时序逻辑电路的基本原理,触发器的基本工作原理,时序逻辑电路的描述分析。
基本要求:掌握触发器和常用集成电路的结构、工作原理、主要参数及其应用,掌握真值表、状态表、状态图的编制,掌握计数器和寄存器的分析方法,掌握Verilog HDL描述时序逻辑电路的基本方法,根据实际需要设计相应的时序逻辑电路。
实验内容:检验触发器的逻辑功能,触发器的功能转换;验证74LS75四位D锁存器的功能,并将实验数据记录下来,用74LS75组成数据锁存器;计数器和寄存器以及代码序列检测器验证设计。理论:
16学时
实验:
6学时第5章
半导体存储器教学内容:半导体存储器的基本概念,随机存储器(RAM)的组成及工作原理,存储器容量扩展,只读存储器(ROM)的工作原理,用ROM实现组合逻辑函数。
教学重点:存储器容量扩展,用ROM实现逻辑函数。
基本要求:了解存储器的基本概念及工作原理,掌握存储器容量扩展方法及应用ROM实现逻辑函数。理论:
6学时第6章
可编程逻辑器件教学内容:可编程逻辑阵列(PLA)器件与可编程阵列逻辑(PAL)器件,通用逻辑阵列(GAL)器件,复杂可编程逻辑器件(CPLD),现场可编程逻辑(FPGA)器件。
教学重点:可编程逻辑阵列器件与可编程阵列逻辑器件的原理及应用。
基本要求:了解PAL、GAL、CPLD及FPGA的原理及其应用,掌握应用PLA实现逻辑函数。理论:
6学时第7章
脉冲单元电路教学内容:脉冲信号与脉冲电路,施密特触发器,单稳态触发器,多谐振荡器,555定时器及其应用。
教学重点:脉冲信号与脉冲电路的基本概念,集成逻辑门构成的施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器,555定时器及其应用。
基本要求:掌握脉冲信号与脉冲电路的基本概念,了解逻辑门构成的脉冲单元电路,了解555定时器的工作原理及应用。
实验内容:波形产生及555时基电路。理论:
6学时
实验:
2学时第8章
模数及数模转换教学内容:D/A转换原理,D/A转换器类型及主要技术指标,A/D转换原理,A/D转换器类型及主要技术指标。
教学重点:D/A转换器及A/D转换器的原理。
基本要求:理解D/A转换及A/D转换的原理,了解D/A转换器和A/D转换器的类型及主要技术指标。
实验内容:D/A转换;A/D转换。理论:
6学时
实验:
4学时成绩考核方式与评分要求
本课程的总成绩由理论考试成绩与实验课成绩两部分组成。其中:理论考试成绩占70%;实验完成情况占30%。
理论考试成绩通过闭卷考试方式评定,实验课成绩由每次实验完成情况、实验报告的成绩及现场操作考试综合评定。