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数字电路与逻辑设计实用13篇

数字电路与逻辑设计
数字电路与逻辑设计篇1

“数字电路与逻辑设计”是电气信息类专业一门重要的专业基础课。该课程是后续专业基础课和专业课的先修课程和基础,是学生开展课外科技创新活动的必备知识,是解决工程实际问题的重要理论和方法,结合目前的实际情况,对数字电路与逻辑设计教学进行改革。

1 数字电路与逻辑设计的本质

数字电路与逻辑设计是计算机科学与技术必修的一门重要课程。该课程中介绍了与数字系统相关的知识,体系等。设置这门课程的重要性在于让学生能够更好地了解数字计算机和其他系统的基本逻辑电路,能够熟练运用课程中所学到的知识并在实际操作中对案例进行分析,客观地提出要求。

通过这门课程的系统学习,可以加强同学的逻辑思维能力,落实到具体工作中,可以解决具体问题,可以对系统硬件进行检测,并有一定的创新能力。数字电路课程教学之所以进行改革是为了提高学生对计算机硬件设施的了解,为日后的学习做铺垫。我们从计算机科学的角度划分,可以把其课程分为:分析电路,数字电路与逻辑设计,微机原理等。从这些课程不难看出,数字电路与逻辑设计起的是承上启下的作用。

2 电子技术的广泛应用加快了数字电路的发展

现阶段,是科技的时代,电子技术已经应用广泛,电子元素是计算机和电路不可缺少的构成元素。国民经济和国防各领域的逐渐渗透,使得数字电子技术在相关专业的地位越来越重要。通过探讨,认为要对以前的教程进行革新,减少理论性过强的内容,着重掌握数字集成电路器的特性与实际运用,将重点放在学生的实际操作上面。

此外要加强创新能力的培养,引导学生们多进行课外实践活动,让学生们把课堂上所学的知识用于实践,这样让学生们在实践中总结理论知识,有利于学生们知识的全面掌握。多媒体技术可以形象并明了地展示复杂的图表,便于老师课堂上的教学,还方便了学生们观看和理解。更重要的一点是,它节约了课堂信息量,增加了课堂上的教学内容。以培养学生创新精神和实践能力为主线,坚持“三个结合”,实现“二个转变”,达到“一个提高”。坚持实践内容与理论知识相结合,创新实验与科学研究相结合,课堂教学与课外实验相结合;实现由基础验证性实验向综合设计性实验转变,由传统型实验向创新型实验转变;达到学生实践能力和创新精神的提高。提高教学的工作环境,利于开展实践教学,从而有利于人才的培养和教学质量的提高。围绕实践这个中心,增加新的教学内容,根据电子信息技术的专业特点,制定科学的实验课程,在内容中多以实验为主,增加教学模板,提高教学方法,总结出一套科学性、系统性的教学体系。

3 数字电路教学的改革方向

由于数字电路与逻辑设计的实践性很强,所以,在实际的教学改革中要做到周全考虑,针对各项内容都要做出调整。还需要注意的是,做到书本上所学的知识配套进行实践。理论结合实际,多结合实际情况进行训练。其内容包括:工具运用能力,绘制电路,电路分析能力,项目综合能力等。

3.1 课程体系的调整

为了更好地适应电子科学技术的发展,要优化课程结构的总体要求出发,进行模块化的设计,使数字电路与逻辑课程内容体系具有系统性,科学性,先进性等。

数字电路与逻辑设计基础从课程内容上被分为两大块。数字电路介绍了数字系统的组成,数字信号的特点等;在内容上先逻辑电路,逻辑部件,先单元电路后系统电路等等。数字电路多以理论为重点,在讲解中多涉及外部逻辑功能。数字电路部分多以运用为主。这样的课程组合可以让学生对数字电路更加了解。

3.2 教学内容的调整

数字电路与逻辑设计的课程很多,为了让学生在有限的实践内把课程学好,要求教师掌握基本理论的同时有效地组织课程教学。在介绍运用时,要根据其不同的侧重点进行分析。实验教学从随堂实验到改革教学后进行独立实验,这其中包括验证性实验等。

通过有效的组织,可以增加学生们的实践操作,调动学生们的积极性,从而有助于知识能力的提高。

3.3 加大实践的内容与次数

数字电路与逻辑设计在教学中需要增加实践内容,这有利于课程的安排,更提高了学生们的动手能力。在实践中发挥良好的教学效果,要合理地拆分实践内容:①基本实验;②设计实验。我们来了解一下这两种实验的概念:基本实验室使用电子仪器的能力;而设计实验则是为了实现逻辑功能,而采用的是数字系统。在设计实验中鼓励学生自拟实验的项目,并将课外活动结合进来,使学生的思维更加广阔。

目前的电子大赛就是为高校的改革服务,它是结合了电子信息的专业内容,这种比赛在教学改革中起到了引导的作用。这十多年来,在全国开展了很多电子计算机的竞赛,这些竞赛对高校体系改革帮助十分明显,它有助于有才能的年轻人展示自己的能力与专业水平。在电子竟赛出题中增大数字电路EDA的内容可以引导高校建设EDA的实验室,例如:SOPC(系统集成芯片)是我国“十一五”制定的重大专项,目前全国已在12个高校中成立了集成电路人才培养基地。

4 结语

现阶段是电子化的时代,科学的进步带动了电子技术的广泛应用。大量的可编程器件被采用,这使得传统的数字逻辑方法明显变化。计算机的应用范围越来越高,使得人们对计算机的认识逐渐深刻,计算机的设计理念开始突破原有的范围。数字电路与逻辑设计在各种现代技术的合力推动之下,得到了明显的提升,可以做到使学生紧跟在市场的前沿。所以,数字电路和逻辑设计的改革加快了这门科学的发展,提高了学生们解决实际问题的能力,给学生们的就业和发展打下了坚实的基础。

参考文献:

[1]李晓辉.数字电路与逻辑设计[J].

数字电路与逻辑设计篇2

Key words: the introduction of the new course;digital circuit and logic design;the teaching

中图分类号:G642.3 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2017)11-0181-02

0 引言

《数字电路与逻辑设计》课程是测控技术与仪器、电子信息工程、电气工程及自动化、计算机等专业的一门专业基础课程。该课程详细介绍了数字逻辑的基础内容、逻辑门电路、组合逻辑电路、锁存器和触发器、时序逻辑电路、脉冲波形的变换与产生、数模与模数转换、存储器和可编程逻辑器件[1]。该课程结合集成芯片,进行系统而广泛的描述,旨在培养学生了解和掌握典型数字集成电路的基本知识、使用方法和设计要点的基本技能。

该课程是许多专业的学生接触的第一门与实际电子、电器紧密相关的一门课程,更是学生学习今后专业课的基础。如何引导学生尽快入门,并且学好该课程,是教师需要认真考虑的一个重要问题。本文重点从新课导入方法来阐明如何学好该课程,因为良好的开端是成功的一半。新课导入引人入胜,可以产生凝聚效应,即凝聚学生的注意力、思想、情感,进而对该课程产生学习兴趣。本人根据教学经验的积累,将多种实用的导入方法总结归纳,根据知识点的特点,采用不同的新课导入方式,以期达到最有效的教学效果。

1 新课导入方法

1.1 史料法导入

《数字电路与逻辑设计》课程比较枯燥,教师如果适时、合理地将与该课程有关的历史人物或事件引入该课程,必将为枯燥的课程带来几分生动,同时激发学生的求知欲。如讲授数字电路与数字信号基础知识的时候,首先介绍电子技术的发展历程,从1906年福雷斯特等发明电子管,到1948年肖克利等发明晶体管。从60年代初出现的只有4个逻辑门的小规模集成电路,到目前使用的超大规模集成电路。每当电子器件有一次变革,电子技术就有一次突破性进展。每当电子器件发生变革的时候都伴随着与历史人物有关的有趣的小故事。通过历史人物的故事,加深学生对电子器件的认识。这样,很容易激发学生的学习兴趣,促使他们认真地去学习各种电子器件,并且深深体会每种器件所代表的时代特征,为后续知识的学习奠定基础。

1.2 温故导入

温故而知新是一种由已知向未知的导入方法,传统、简单、有效。通常以旧知识为铺垫,采用提问的方式复习已学知识,找出已学知识与新知识相联系的纽带,自然地过渡到对新知识的学习。这样既可以巩固所学知识,又可以帮助学生全面认识事物,提升学生的分析能力以及对知识的融汇贯通能力。比如讲授二进制数的算数运算时,先在黑板上给出一个十进制数,让学生转换成相应的二进制数、八进制数和十六进制数,这样不但复习了不同的数制,而且可以顺利引入二进制数的算数运算。因为加强了学生对十进制数到二进制数之间的转换之后,再来学进制数的运算就会事半功倍。

1.3 实例导入

实例导入即通过举例子或者练习题来回忆旧知识,并且很自然地过渡到新知识。比如,在最小项和卡诺图讲解结束,将要讲逻辑函数的卡诺图化简时。首先,给出一个逻辑函数表达式,接着提问学生“该表达式是不是最小项表达式?如果不是则写出其最小项表达式的形式和最小项编号的形式”;然后,根据学生已经写好的最小项表达式填写卡诺图,这样就通过一个例子将最小项和卡诺图的相关知识回忆和应用了一遍;最后,针对题目所给的逻辑函数表达式提问学生“该表达式是不是最简的形式呢?若不是该如何化简?”这时学生很自然地会用代数化简法进行化简,化简完成之后告诉学生代数化简法的缺点并引出卡诺图化简法。即代数化简法要求熟练掌握逻辑代数的基本定律,而且需要一些技巧,特别是经代数法化简后得到的逻辑表达式是否是最简式较难掌握,这就给使用代数化简法带来一定的困难,使用卡诺图化简法可以比较简单而直观地得到最简逻辑表达式。那么,这个时候学生自然会被卡诺图化简法所吸引,顺理成章进入新课程。

再比如,当讲解到编码器时,在讲解之前先举一个大家很熟悉的例子,即每个学生都有一个学号,名字可以重名,但是学号是唯一的,这就是用十进制数将学生进行了编码。紧接着提出“在数字电路里面,什么是编码呢?”带着该问题引入到新课的学习中。

以实例为桥梁导入新课的方法有很多种方式,都是通过举例吸引学生注意力,并且强化学生对理论知识的运用,使师生之间更容易产生互动。

1.4 对比导入

所谓对比导入就是根据新旧知识的关联点、异同点,采用正反对比的方式导入新课。《数字电路与逻辑设计》课程中功能相反、思路相反的例子很多。组合逻辑电路的分析与设计、时序逻辑电路的分析与设计、编码器与译码器等等。在讲授这些内容时,应用对比法导人可以使学生加深对所学知识的理解与掌握。

比如,组合逻辑电路的分析讲解结束,将要讲组合逻辑电路的设计时。首先,回顾组合逻辑电路的分析,即已知条件是逻辑电路,待求条件是逻辑功能;然后,紧跟着提问学生“如果反过来,即已知条件是逻辑功能,待求条件是逻辑电路,又该如何解决呢?”由此过渡到新课,即组合逻辑电路的设计。同样,同步时序逻辑电路的分析讲解结束之后,依然采用对比导入方式引出并讲解同步时序逻辑电路的设计。

又比如,在讲授译码器时,通过回顾编码器的工作过程对比引入译码器的工作过程。即先列出三位二进制编码器的编码表,然后说明译码器和编码器的工作过程相反,编码器是将某种信号或十进制数码(输入)编成二进制代码(输出),译码器则是将二进制码(输入)按其编码时的原意译成对应的信号或十进制数码(输出),从而很容易列出三位二进制译码器的状态表。这样,通过对比的方式回顾并学习了编码器的知识和译码器的状态表之后,再介绍译码器的其余知识就会很容易,学生也会很好地区别和理解编码器及译码器。同样,数据分配器和数据选择器、数~模转换器和模~数转换器、锁存器和触发器等很多内容的讲解都可以采用对比的方式。

1.5 实物导入

《数字电路与逻辑设计》课程是一门应用性、实用性都很强的课程,如果教师能恰当地选择一些与讲课内容密切相关又符合学生认知能力的电子小产品来导入新课,也不失为一种引发学生兴趣,培养解决实际问题的好方法。在讲组合逻辑电路设计时,笔者以“设计好的一个切实可行的表决器”为例导入新课,告诉学生们学完今天的内容,你就会做表决器,甚至更复杂的电子产品。这样理论和实际一下子联系起来了,学生们也一下子来了精神。此时,教师适时提问“实际中的表决器有什么特点?它属于什么电路?怎样实现呢?”这样因势利导地切入正题引入这节课要讲的内容。教师要善于引用学生熟悉的现象、事例来导入新课,使学生有一种亲切感和实用感,从而激发学生兴趣,让学生真正感受到学习了此课程我就可以做什么。

再比如,在讲授典型的时序逻辑电路的时候,将已经设计好的计数器带入教室,让学生们先了解一下其功能,以及现实生活中经常用到计数器的地方,加强理论与实际的联系;然后通过提问学生“计数器的电路是如何来设计的?怎样实现呢?”这样不仅可以有效地吸引学生注意力,而且很自然地过渡到新知识的讲解。需要实物导入的地方很多,再比如单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器等的讲解都可以采用实物导入的方式,通过实物加深学生对理论知识的理解与巩固,提升学生的感性认识,从而使枯燥的课堂变得活跃、充满学习热情。

2 结束语

新课导入是课堂教学中一个必不可少的环节,是教师引导学生参与学习的过程和手段,也是教师必备的一项基本的教学技能,有效的课堂导入可以充分体现学生的主体地位和教师的主导作用。通过上述方法的实践证明:一些成功的、高效的新课导入可以开启学生的思维,提高教W质量,为学生后续专业课的学习奠定良好的基础。

参考文献:

数字电路与逻辑设计篇3

三本学生中多才多艺的较多,平时开展各种社团活动比较频繁,学生自主创新思维活跃,但能够有条不紊自主学习的学生可能只有一少部分,许多学生对学习没有兴趣,课余时间几乎不学习。在教学过程中,刚开始学生还可以接受一些新知识,但随着教学的深入,学习难度的增大,学生感到了困难,随之学习的兴趣也越来越低,主动学习便是一句空话,学生也就是为了应付考试,甚至不少学生都是考前突击。这一特点在《数字电路与逻辑设计》课程的教学中也同样存在。要提高本课程的教学质量,我们在定位教学目标,设置教学内容,采用教学手段和方法的时候都必须以这一实际情况为前提。

二、教学理念,教育目标

三本教学有别于一本和二本,教学注重于学生应用能力和综合素质的培养,教学过程中突出培养学生应用知识,分析解决实际问题的能力,以学生为主体,以教师为主导,以教学为主线,树立能力培养目标为重中之重的思想,实现人才培养模式多元化,努力培养“宽口径、厚基础、强能力、高素质”,适应国际竞争和社会需求的应用型人才。三本教育要加强通识教育,注重文理渗透理工结合,体现本科教育的基础性和可发展性。努力探索人才培养新举措,深入推进人才培养模式改革,实现多元化人才培养新格局,大力实施“育人为本,全面发展”的人才培养战略,拓宽基础学科的范围和基础教学的内涵。

三、教材选取

考虑到三本学生理论基础较差,教材选取不应选择理论研究或理论推导比较复杂的教

材,否则会让学生还未涉及到重要的知识点就已经因为难度过大而丧失信心。教材选取要以应用为宗旨,强调理论与实践相结合。编写原则遵循由浅入深,通俗易懂,重点和难点采取阐述与比喻相结合,例题与习题相结合,实例与实验相结合,针对数字电路课程实践性强的特点,增加了与教材相应的实践环节教学内容。

四、教学内容

在三本的《数字电路与逻辑设计》教学中,应该注重基础教学,要求学生熟悉布尔代数的基本定律,掌握卡诺图与公式化简法;掌握数字电路中常用的基本单元电路和典型电路构成、原理与应用;掌握常用的中小规模组合逻辑电路和集成电路功能和设计方法。具有查阅集成电路器件手册,合理选用集成电路器件的能力。对集成芯片,重点分析电路的外特性和逻辑功,以一些典型集成电路为例介绍如何查阅集成电路手册、资料等,使学生学会在实际应用中正确选择和使用集成芯片[11]。

对于三本学生而言,在电路设计中要求学生掌握基本的设计方法,但可以适当降低对电路设计的要求,增强电路分析方法的教学。学生可以分析较复杂的电路,并且能够利用已有的电路进行修改,使电路满足自己设计的需要。

五、教学手段与教学方法

(一)采用现代化教学

《数字电路与逻辑设计》课程的特点就是电路图、逻辑图特别多,如果采用板书形式教学,既浪费课堂时间也达不到好的教学效果。教学过程中采用多媒体教学,可以使一些抽象的、难以解决的概念变得形象,易于学生接受。对于集成电路的分析和设计,为了增强演示效果,除了在PPT中添加更多的动画效果外,还可以采用Flash或Authorware软件制作动画效果,使电路的变化过程一目了然。

(二)结合实际教学

在授课过程中,针对三本学生可以结合生活中的应用举例,如目前LCD显示、数字温度计、十字路口交通灯控制、数字频率计、多媒体PC机里的显示卡、声卡是用数电中的数/模(D/A)转换实现图像显示和声音播放、制造业中的数控机床等都应用了数电技术。通过这些实例的介绍,可以使学生真正了解数字电路课程的重要性,从而提高对数字电路学习的兴趣和学习积极性。

(三)网络教学

网络教学可有两种方式,一是上传教师课堂教学过程的视频到校园网;二是教师制作图文并茂的课件,以及与该课程有紧密关系的资料一起上传到网上。目前大部分三本学生宿舍都可以登录校园网,学生可以在任何时间进行网络教学。网络教学的方式解决了学生传统的看书自学枯燥无味的问题。

六、实践教学

实践教学一般分为基础实验和课程设计两大部分。基础实验教学从属于理论教学,实验内容均为验证性实验。教师给出实验步骤、电路图,学生按部就班、验证结果,通过基础实验,使得学生对于课堂所学基本概念和方法的理解和掌握更加透彻,同时培养学生科学实验的精神和方法,训练严格严谨的工作作风。基础实验是理论和实际相互联系的一个重要教学环节,但是仅仅是这种以教师为主导的实验模式,不能激发起学生学习兴趣和积极性,学生仍然不善于综合运用所学知识分析和解决问题。课程设计的目标就是为了加强基础、拓宽知识面、增强学生的自主学习和工程实验能力、发展个性、启发创新、加强理论与实验。学生根据实验任务,自行设计电路和测试方案,增强学生自主学习能力,学生既动脑又动手,解决问题的能力大大提高[12]。

除此之外,还可以设置一些电子设计大赛,成立电子设计兴趣小组,在教师的指导下开展设计性和专题研究性实验,为希望进一步发展的学生提供良好的学习环境和创新研究场所,培养学生的团队协作精神,发挥学生学习的自主性和创造性,极大地提高学生的学习兴趣和动手能力。

七、结束语

随着高等教育的普及,三本学生的数量和质量也在日益增高,同时随着数字技术的广泛

普及,数字化社会已经到来,大规模、超大规模数字集成电路以其低功耗、高速度等特点, 应用越来越广泛。因此如何在有限的时间内使三本的学生扎实掌握数字电路基础知识理论和基本操作技能,培养分析问题、解决问题的能力,是教师在教学过程中需要认真思考的问题。使学生在传统的数字电路逻辑分析、逻辑设计思维训练的基础上进一步建立起现代数字电路的应用与设计思想,掌握现代电子技术的新技术和新器件,为走向实际工作岗位打下坚实的基础。

参考文献

[1] 谢丽.《数字电路与逻辑设计》教学改革实践.吉林省教育学院学报,2012年第02期

[2] 李琰,张翌呖. 数字电路的教学改革与创新.计算机光盘软件与应用,2011年第22期

[3] 李小珉,叶晓慧.深化《数字电路与逻辑设计》课程改革[J].长江大学学报(自科版),2OO4(4)

[4] 田东.数字电路课程设计的改革与探讨.实验技术与管理,2006年05期

[5] 马达灵,张云云.《数字电路》课程教学改革之我见.集宁师专学报,2008年12月第30卷第4期

[6] 邓朝霞.《数字电路》课程整合与优化的改革.广西教育学院学报,2006年第6期

数字电路与逻辑设计篇4

二、实现目标

有了目标,学生就可以参与其中,带着问题来听课,课堂也就有了活力,教师要不断的鼓励和引导学生,以学生为中心,进行答疑解惑,同时授课教师要在充分了解学生的基础上,依托自己所授课程,结合学生的目标,开阔学生的思维,从而培养学生的学习能力和创造力,增强学生的学习信心和兴趣。例如有些学生的目标是设计一个多功能流水灯,其主要部分时实现定时功能,即在预定的时间到来时,产生一个控制信号来控制彩灯的流向、间歇等,可用可逆计数器和译码器来实现正、逆流水功能,利用组合电路实现自控、手控、流向控制等功能。学习了理论知识后,教师可以通过让学生自己设计电路原理图,实验室提供器材搭接组装电路,在教师的指导下让学生按单元电路分块调试,并最终按照设计整体调试实现结果,观察彩灯工作情况并记录。让学生充分体验到动手、动脑、动口的过程,享受设计成功的快乐,从而激发学生的学习兴趣。同时鼓励学生大胆猜想和独立思考,创新设计理念,并通过实验否定错误或修正猜想,使学生拥有解决问题的勇气和决心。[3]

三、目标总结

经过学生的努力,一个个目标实现了,也就意味着一个个知识点被掌握了,这时候,教师再回归到理论课上,让学生进行总结。总的来说,每一章节的内容要点是什么,都有什么用,相信通过不同学生的思维加工,数字电路这门课程将会掌握的淋漓尽致。当然每门专业基础课程固然有自己的学科特点,但学习方法和研究思路有其共通之处。对于专业课教学,要非常注意在教学的时候,要做到授之以渔而非授之以鱼。社会在进步和发展,学生的眼界和思想远远超过了以往各个时期,教师要传递给学生新的理念和科学的方法。[4]

数字电路与逻辑设计篇5

众所周知,近年,科学技术的不断进步带动许多行业发生了翻天覆地的变化,电子信息行业走在了科学发展的前列,表现尤为突出的是数字电子技术,科学进步的浪潮中它迅速前进,已成为当前发展最快的学科之一,数字逻辑器件已从60年代的小规模集成电路(SSI)发展到目前的中、大规模集成电路(MSI、LSI)及超大规模集成电路(VLSI)。那么,逻辑器件的变化也会影响整个数字逻辑电路的发展。

一、数字电路的状态

数字电路顾名思义就是对数字信号进行算术运算和逻辑运算的电路,它只有两个状态就是0和1。在数字电路中,低电平用0表示,高电平用1表示,有时低电位也用字母L(Light)表示,而高电位用字母H(High)表示。另外在对0和1理解时,还会有时间限制,因为数字0、1表示电路状态,结合时间看电路时,要明白电路工作时序。

二、数字逻辑电路的基本定律

数字电路的设计在生活中使用非常广泛,但是怎样设计出符合要求的电路,这就是一门技术活了。因此理解数字电路设计,重点在基本概念和基本方法上。数字设计中逻辑代数基本定律、组合逻辑和时序逻辑的概念是分析和设计数字系统的基础,也是设计大规模集成芯片的基础,所以我们在说数字电路设计之前就要先了解逻辑代数的基本知识定律。逻辑代数是英国数学家乔治.布尔(Geroge . Boole)于1847年首先进行系统论述的,也称布尔代数。 所研究的是两值变量的运算规律,即0,1表示两种不同的逻辑状态,称这种只有两种对立逻辑状态的逻辑关系为二值逻辑。在逻辑代数中我们最先了解的就是进制的转换,计算机系统中一般二进制、八进制、十进制、十六进制是了解最多的,转换这些进制也是最容易的,掌握其中的计算方法就能得到。

三、数字电路设计―组合逻辑和时序逻辑

在做数字电路设计时主要就是组合逻辑电路设计和时序逻辑电路设计。从一方面说,这两种电路的设计是数字电路中的一个最基本的也是最重要的部分,只有会做这两种电路的设计才算是对数字电路入门了。所以我们先对这两种设计作下简单的介绍。

如果说逻辑电路设计是数字电路的最基础的组成部分,那么门电路就是带动这些部分运转的重要元素,就像是一部机器,门电路就是机器中的零件,大家都知道零件在机器的运转中起着不容小觑的作用,如果在某个部位因为一个小零件的出错,可能会导致整个机器出故障。逻辑电路中最基本的门电路通常是与门、或门、非门。与门是逻辑与运算的单元电路;或门是逻辑或运算的单元电路;非门,也叫反相器,是实现逻辑非运算的电路。在实际的应用中并不是把它们直接使用,而是将它们组合成复合逻辑运算与非、或非、与或非、异或、同或等常用的门来实现其功能。我们在日常生活中见得最多的就是交通灯的控制,就是用组合逻辑电路设计成的。在组合逻辑电路的设计中,利用门电路的组合完成的很多电路的设计,编码器、译码器就是组合逻辑电路中的器件,组成的液晶显示器LCD,数码显示器LED。

时序逻辑电路中,主要的零件就是集成触发器,在各种复杂的数字电路中不但需要对二值信号进行算术运算和逻辑运算,还经常需要将这些信号和运算结果保存起来,因此需要使用记忆功能的基本逻辑单元,而这种能储存信号的基本单元电路就是触发器。迄今为止,人们已经研制出了很多种触发器电路,根据电路结构形式的不同,可以分为基本RS触发器、同步RS触发器、主从触发器、边沿触发器等。这些触发器的研制都是在前一种触发器的基础上改进而来的,通俗的说是后人在前人的研究发明中不断提炼出的新器件。因此同步触发器是建立在基本RS触发器的基础上的,基本RS触发器输入信号可以直接控制触发器的状态翻转,而在实际应用中往往要求在约定脉冲信号到来时,触发器才能翻转,所以才有同步RS触发器的出现。但是同步RS触发器有空翻现象,不能正常计数,因此人们又研制了主从触发器,同样为了克服主从触发器的一次性变化,就有了边沿触发器的产生。

四、数字集成电路

在很多人看来,数字集成电路是非常空洞的东西,因为只是一块芯片,却能实现如此多的功能。那在数字集成电路中主要有哪些电路呢?常用的数字集成电路一般有CMOS电路和TTL电路两种。CMOS电路有消耗功率低,工作电压范围广和噪声容限大的特点,虽然在CMOS电路的输入端已经设置了保护电路,但由于保护二极管和限流电阻的几何尺寸有限,它们所能承受的静电电压和脉冲功率均有一定限度。CMOS集成电路在储存运输、组装和调试过程中难免会接触到某些带静电高压的物体,所以一般要对输入的静电进行保护,另外CMOS还会出现电路锁定效应,一般为了使用安全和方便,人们一直在研究从CMOS电路本身的设计和制造上克服锁定效应方法。当然,集成电路一般的要求都非常高,它需要预先对芯片进行设计,编制一定的程序,而我们往往使用现成的电路,对它只做了一定的分析。

通过对数字电路的基本知识的解读,当然这只是很浅的一方面。而数字电路涉及到的一些专用的集成电路。由于专用集成电路(ASIC)是近期迅速发展起来的新型逻辑器件,这些器件的灵活性和通用性使它们已成为研制和审计数字系统的最理想器件。因此数字电路的发展在今后还有很大的空间,但是在发展的同时,数字电路的基础的知识是不会改变的,只会在原来的基础上得到更大的改进,这需要新新的电子人来改进数字电路的不足地方,将它所存在的每一个缺点进行弥补,使各个部分它的作用发挥到最大。

数字电路与逻辑设计篇6

数字逻辑课程是电子信息类专业的基础必修课,是各个专业的入门硬件课程,在课程体系中起着支撑作用。数字逻辑课程的主要内容是数字逻辑电路的分析与设计,分为组合逻辑和时序逻辑两个主要部分[1]。由于课程的主要理论知识都是在硬件电路的基础上进行讲解的,因此数字逻辑课程实验是课程教学的一个重要环节,只有有了有效的实践环节才能保证理论知识的真正掌握,让学生能够灵活地进行数字电路的设计和分析。

1计算机专业数字逻辑课程的特点

对于计算机专业来说,数字逻辑课程是计算机组成原理、系统结构、嵌入式系统等课程的先导课,有着很重要的基础支撑作用[2]。相对于其他电子类专业来说,数字逻辑课程在计算机专业的课程体系、教学内容和实验环节上有着自身的特点。

1.1数字逻辑是整个课程体系的基础之一

传统的计算机专业课程体系的层次分为计算机专业基础类课程、计算机软硬件理论基础类课程和计算机应用技术类课程[3]。该层次是按照课程的内容和应用来划分的。从目前比较强调计算机系统能力培养这一角度出发,计算机课程可分为计算机系统基础课程、重组内容的核心课程和侧重不同计算系统的若干相关平台应用课程[4]3个层次。不管是传统的层次还是系统能力培养的角度,数字逻辑都是一门基础课程,被放到课程体系的重要位置。从课程内容和应用来说,数字逻辑以离散数学为理论基础,是计算机硬件系列课程的入门和起始,向后衔接了计算机组成原理等课程;从系统层次来说,数字逻辑是计算机底层系统具体实现的基础,为计算机软硬件系统理论提供底层硬件支持。

1.2数字逻辑以计算机硬件设计为目标

计算机专业教学不仅仅要求学生会使用计算机,还要求能够理解计算机系统硬件的工作原理,并能够设计计算机系统。这是计算机专业区别于其他专业的一个主要特点。因此,数字逻辑课程的教学是以计算机硬件设计为目标的,实验教学过程中也会比较偏向计算机相关部件的介绍,比如算术逻辑单元ALU、寄存器堆的设计、状态机等,为后续计算机组成原理课程提供基础[5]。

1.3以系统设计为主的教学以及实验内容层次跨度大

数字逻辑课程安排的内容从基本的门电路到复杂的系统设计都有所涉及,课程内容以及实验安排都有着比较大的跨度,要求学生能够理解基本的电路理论知识,更重要的是能够设计和分析数字电路。在具体的教学和实验过程中,门电路的内部构成,比如三极管如何工作等内容,并不作为主要的介绍对象,只需要学生了解即可;而高层次的电路系统设计则被作为一个重要内容,如何分析和设计这些电路是课程和实验主要关心的内容。1.4数字逻辑是理论和实践结合的课程数字逻辑课程的主要内容是介绍一些具体的数字电路,包括组合逻辑电路和时序逻辑电路,其理论知识都有着实际对应的硬件电路实现。因此,数字逻辑是一门实践性很强的课程,如果没有实际的动手操作过程,是很难更好地理解课程中的理论知识的。

2数字逻辑实验教学

由于实验是数字逻辑课程不可或缺的组成部分,各高校的数字逻辑课程基本上都安排了相应的实验教学内容,根据具体情况不同,所使用的实验模式、实验技术和实验内容有所不同。

2.1实验模式选择

传统的实验模式是使用具体的实验硬件设备,学生通过在具体硬件设备上操作来完成实验内容。目前,国内有很多高校和厂家都有相应的实验设备。另外一种实验模式是采用虚拟化的方案,利用计算机仿真、虚拟现实等技术对实验教学内容进行模拟,从而达到降低实验教学成本,提高教学质量的目的[6]。目前,国内有很多所高校都在进行这方面的尝试[7]。它可以通过网络完成远程教育、网络教学的实验教学任务[8]。通过虚拟化实验可以解决实验经费、实验设备不足等问题,并且实验更新也比较方便快捷,但是虚拟化实验有着比较严重的问题:学生对具体硬件电路没有切身体会,缺乏直观印象;虚拟实验很难准确地仿真实际硬件工作情况,比如毛刺的产生、按键的抖动等;通过模拟,学生难以对硬件进行调试,无法培养他们的实际操作能力。对于数字逻辑课程的学生而言,因为是初次接触硬件,对硬件还没有直观的了解,缺乏切身体会,所以实际的硬件操作是非常必要的。在课程实验中,我们选择了传统的实验模式,使用具体真实的硬件实验设备,强调实际动手操作的过程,帮助学生更好地建立起硬件的概念,同时作为辅助,实际硬件实验之前,使用仿真软件进行实验的模拟,提高实验的效率。

2.2实验技术与设备

目前,国内高校的数字逻辑实验教学中使用的硬件设备主要采用两种方式:1)传统的使用小规模通用逻辑器件,比如74系列的芯片进行电路搭建拼装实验,要求学生按照实验内容根据给定的芯片进行逻辑设计[9]。这种方式需要学生设计并实际动手连接电路,同时使用仪器进行调试,有着很好的亲身体验过程。通过这一过程可以很好地提高学生的操作和调试能力,但是由于是给定的芯片,学生的设计受到一定的限制,限制了自由发挥的空间。2)采用可编程芯片进行实验。在EDA软件平台上使用硬件描述语言进行数字电路的设计,由EDA工具自动完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑综合及优化、逻辑仿真,直至对特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作[10]。使用这一方式可以使学生摆脱传统方式中繁琐的物理连线与查错,同时逻辑设计及实现有了更自由地发挥空间,可以进行更高层次的设计。但是这一方式由于主要是在软件上进行设计,使学生缺乏对实际硬件电路的直观认识,并不利于学生动手能力的培养。这两种方式各有优缺点,第一种方式是第二种方式的基础,只有有了实际的硬件直观印象和动手能力,才能更好地进行第二种方式的设计。因此,在实际的实施中,所使用的实验设备上既保留了小规模的电路搭建实验,也引入了可编程实验。

2.3实验部署

在具体的实验安排部署上,主要遵循从易到难,从门电路到复杂电路的设计规律,实验内容也分为组合逻辑和时序逻辑两个方面,都会有加法器、计数器等经典实验内容。所安排的具体实验内容和具体实验操作有一定的差别,采用实际硬件设备的一般会安排仪器使用和门电路特性实验,采用可编程器件的都会安排一些设计性比较强的实验内容。

3数字逻辑实验实施

在数字逻辑课程实验教学中,针对学生的学习层次和兴趣,结合计算机专业特点和课程需要,我们对数字逻辑实验的课程体系、实验内容等进行了一系列的改革和探索,实验教学过程强调层次化教学,强调创新能力和系统能力培养。

3.1课程体系

在课程体系上,设置了不同的实验和理论课程,如图1所示。开设了数字逻辑实验课,将实验从理论课中分离出来,形成一门独立的实验课程。该课程依托于理论课程,专注于数字逻辑的基础实验内容,要求所有的本科生都必须选修,通过该课程可以帮助学生夯实数字逻辑基础,为今后的专业课程,如计算机组成原理等课程学习打下基础。在理论课程的设置中,为了满足学生对数字逻辑的不同需求,设置了两个不同层次的课程,一门是数字逻辑课程,为传统的教学内容,满足基本的专业教学需要;另一门课程是数字逻辑设计课程,针对那些对硬件设计感兴趣的学生,不仅包含了数字逻辑的内容,而且增加了很多课程设计,需要学生投入较多的精力,完成一些复杂的实验内容。这两门课程在教学计划上是并列的,学生只需要选修一门即可。

3.2实验设置

基于上述课程设置,在实验内容的设置上各门课程有着各自的需求和特点,下面主要介绍各课程的实验安排与实验设备。3.2.1数字逻辑实验数字逻辑实验课程是学生的必修环节,也是学生的第一门硬件实验课程。在实验教学中主要强调基础实验内容和实际动手操作能力,培养学生科学的实验方法和良好的实验习惯,因此,在实验安排上设置了很多插接线路的内容,要求学生使用仪器进行硬件调试,在实验过程中掌握一般的数字电路设计和调试方法;同时也设置了一部分可编程器件实验,让学生接触一些先进的硬件设计方法。实验内容安排如表1所示。实验设备采用我们自行设计的硬件设备,如图2所示。该硬件设备整合了小规模通用逻辑器件的连线实验与可编程逻辑器件实验,采用了方便简捷的连线方式,结构简单明了、操作方便、实用性强,非常适合于进行数字逻辑基础实验。该实验设备保留了74系列芯片的实验内容,让学生通过实际搭接电路对硬件操作有直观认识,同时要求学生在实验预习时使用仿真软件对设计的电路进行仿真。在连线方式上放弃了以往面包板连线的方式,采用成品连接端子和连接孔,不需要学生再进行剥线,线路连接起来也更加方便。我们在实验设备上加入了可编程逻辑器件,实验教学中也引入了相应的实验内容,要求学生使用可编程器件完成通用逻辑器件的实验,体会两种设计方式的区别。3.2.2数字逻辑数字逻辑课程是传统的理论课程,适用于所有的本科学生,由于已经有了数字逻辑实验课程,因此课程只安排了一个课程设计“彩灯创意无限”。该课程设计是一个创新创意实验,要求学生使用发光二极管或灯阵完成一个有可展示度的设计[11],强调设计的创意。在课程设计中,学生可以使用实验设备上提供的点阵,也可以自己制作电路板。学生通过彩灯实验,完成了很多精彩的实验,如贪吃蛇、数字魔方、3D立体图形等。3.2.3数字逻辑设计选修数字逻辑设计课程的学生大部分都对硬件设计有兴趣。课程除了更深入的理论课程教学以外,课程的后半时段专门安排为实验课,让学生进行一些复杂的数字电路实验设计。在实验过程中也是采用具有更大规模可编程逻辑器件的实验设备,如图3所示。该实验设备为远程硬件统一平台[12],有着丰富的资源和接口,可以让学生有很大的设计自由度。在具体的实验教学中,先期安排几个简单的、基本的实验内容,包括点亮数字人生、VGA显示、键盘输入,主要目的是让学生熟悉实验设备。然后,将学生分组进行课程设计实验,具体实验内容是学生自主设计的,要求他们充分发挥自己的创造性和想象力,完成一个较大规模的数字电路设计。在实验过程中,包括选题、方案设计、具体实验各个方面,都需要教师进行针对的指导,以便引导学生顺利地完成实验设计,因此实验教师的工作量较大。通过这几年的实验教学,学生完成了很多创新性的内容,比如图像识别、音频播放、游戏、智能车等,使学生的硬件设计能力得到了显著的提升,同时,课程也深受学生的欢迎。

3.3实验教学效果

在实验教学的改革和探索中,根据学生的特点对学生进行不同层次的培养,在数字逻辑实验课程中巩固了基础内容,在数字逻辑设计课程中对有兴趣的学生进行更高层次的培养,在数字逻辑课程中通过创意实验来提高学生对硬件的兴趣,实验教学的整体水平得到了提高。通过几年的教学,学生的计算机硬件设计能力和学习兴趣都有了普遍的提高,对于后续课程的帮助是很大的。在计算机组成原理课程中,学生反映数字逻辑课程的实验对他们完成组成原理课程实验起到了很大的作用,尤其是选修了数字逻辑设计课程的学生在以后的实验中更显得游刃有余。

4结束语

数字逻辑是一门实践性很强的课程,在计算机专业的课程体系中占据着重要的基础地位,课程的教学和实验有着计算机专业的特点,因此,我们在实验教学过程中需要不断地探索和改革,通过不同的课程实验适应学生的需求,从而更好地衔接后续的专业课程,形成一个系统的实验教学体系,培养学生的计算机系统综合能力。

参考文献

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[7]曾正军.基于Web的数字逻辑虚拟实验平台的设计与实现[J].计算机时代,2006(1):32-33.

[8]宋善德,何力,欧阳星明,等.数字逻辑虚拟实验系统的研究与设计[J].计算机工程与科学,2004,26(7):79-81.

[9]林小平,刘艺.开设“数字逻辑”综合设计性实验的探索[J].广东工业大学学报(社会科学版),2002,2(4):52-54.

[10]吴淮,吉家成,米源.高校《数字逻辑》实验教学探讨[J].实验科学与技术,2013,11(6):284-286.

数字电路与逻辑设计篇7

1 引言

组合逻辑电路是一种重要的数字逻辑电路。所谓组合逻辑电路是将门电路按照数字信号由输入至输出单方向传递的工作方式组合起来而构成的逻辑电路,这种电路反映的是输入与输出之间一一对应的因果关系。在组合逻辑电路中,任何时刻输出端状态,仅取决于该时刻各个输入端的状态,而与电路原来的输出状态无关,即电路没有记忆功能。从组合逻辑电路功能特点不难想到,电路的输出与历史状况无关,那么电路中就不能包含有存储单元。这就是组合逻辑电路结构上的共同特点。当组合逻辑电路的输出与输入之间,丧失规定的逻辑功能时,组合逻辑电路就发生了故障。

常用组合逻辑的种类很多,主要有加法器、译码器、编码器、多路选择器等。组合逻辑电路主要是基本逻辑门组成的。

2 组合逻辑电路的设计方法

组合逻辑电路设计是根据给出的逻辑问题,设计出一个电路去满足提出的逻辑功能要求。下面介绍3种组合逻辑电路的设计方法。

2.1 用基本的门电路设计

一般组合逻辑电路设计通常都是依据最简逻辑函数来进行的,这种方法简单明了,容易很快给出逻辑电路图。

组合逻辑电路的基本设计流程如下:

(1)根据电路的要求,列出对应的真值表;

(2)根据真值表,写出逻辑表达式,并化简;

(3)选用合适的门器件,将逻辑表达式转换为最简逻辑电路图;

(4)通过电路仿真或实物测试,检验电路的正确性。将EWB引入组合逻辑电路的设计和仿真,实现了从验证性实验到创新型实验模式的转变,可以引导学生自行设计出很多单元电路,为完成系统设计打下扎实的基础。

2.2 用最小项译码器设计

首先需要说明的是,不是所有的译码器都能设计成任意的组合逻辑函数,只有最小项译码器可以。具有n个地址输入端的最小项译码器,其输出端为 个,分别对应n变量的全部最小项,而任意n变量组合逻辑函数都可以写成唯一的最小项之和的标准形式。因此,只要将该逻辑函数所包含的最小项按一定规则连接起来即可。

2.3 用数据选择器设计

3 结束语

比较以上三种设计方法可以看出,用门电路设计简单明了,容易很快给出逻辑电路图,但电路中通常包含较多元件;用译码器设计需要附加简单门电路,但可以方便地实现相同输入变量下的多输出逻辑函数;用数据选择器设计,电路更为简单一些,且可实现两种输入变量数目,使用比较灵活,但只能做成单一输出,如果需要多路输出,则要用多片Ic分别实现,这一点不如译码器方便和经济。总之,三种方法各有特点,应根据所设计逻辑问题的需要选择。

数字电路与逻辑设计篇8

《数字电子技术》是高等学校通信工程、电子信息工程、自动化、电气工程及自动化等专业的重要专业基础课程[1]。随着数字电子技术、数字系统的高速发展,以FPGA (Field Programmable Gate Array)和CPLD(Complex Programmable Logic Device)为代表的大规模可编程逻辑器件(Programmable Logic Device,PLD)的广泛应用,使传统“板上数字系统”被“片上数字系统”替代[2]。为适应数字电子技术的发展趋势,对传统《数字电子技术》教材内容进行了改革,在教材内容的安排和例题选用上,立足于应用型人才培养,以现代信息技术为依托,注重理论联系实际,取得较好的应用效果。

2.教材改革的基本思路

随着数字电子技术的快速发展,如何处理数字电子技术的经典内容与现代内容、传统分析设计方法与现代分析设计方法之间的关系,是教材内容改革的重点。教材以“基础知识器件原理器件应用器件仿真系统构建系统仿真”为主线,构建数字系统的知识框架。在教材内容组织上,将数字电子技术和数字系统有关知识融为一体,系统介绍数字电子技术与数字系统的基本分析方法和设计方法;在教材内容编写上,以培养学生的应用能力和实践能力为目的,采用案例式或项目式编写思路,将理论知识和实际应用相结合,把突出知识的应用性和实践性作为主要方向,做到理论和实践并重,既强调理论基础,又突出应用性。对于集成电路注重逻辑功能和使用方法介绍,增加EDA (Electronic Design Automation)技术基础知识[3],利用Multisim 软件对部分电路进行功能仿真,并介绍VHDL语言、QuartusⅡ软件的基本使用方法,利用VHDL语言设计部分数字电路,利用QuartusⅡ软件进行仿真分析,适应现代电子技术飞速发展和应用的需要。

3.教材的主要特点

3.1 教材内容组织

按照教育部高等学校电子信息科学与电气信息类基础课程教学指导委员会对《数字电子技术基础》课程教学的基本要求,对《数字电子技术》教材内容进行重新组织,将教材内容分为十章[4]。第一章介绍逻辑代数的基础知识,主要包括各种数制、常用的编码规则、逻辑代数的基本定理、逻辑函数的表示方法和化简方法等。第二章介绍EDA技术的基础知识,包括Multisim、VHDL语言、QuartusⅡ的基础知识。第三章介绍分立门电路、集成门电路和可编程逻辑器件的特点,并介绍利用VHDL语言设计门电路的方法。第四章首先介绍组合逻辑电路的基础知识,然后讲解组合逻辑电路的应用,最后利用Multisim对组合逻辑电路进行功能仿真和设计分析,并介绍组合逻辑电路的VHDL语言设计方法。第五章介绍各种触发器的功能和应用,并利用Multisim对触发器进行功能仿真,介绍触发器的VHDL语言设计方法。第六章介绍时序逻辑电路的分析方法和设计方法,介绍常用时序逻辑电路的功能和应用,并分别利用VHDL语言和Multisim进行功能描述和仿真。第七章介绍脉冲波形的产生与整形电路,重点介绍集成电路的应用。第八章介绍半导体存储器的特点和应用。第九章介绍A/D转换和D/A转换的工作原理和主要技术指标,对集成DAC和ADC的基础知识及应用进行简单介绍,并利用Multisim对基本转换电路进行功能仿真。第十章介绍数字系统设计的基本流程,通过3个实例介绍数字系统的不同设计方法。

3.2强调基础理论

随着数字电子技术的发展,数字电子技术已逐渐渗透到各个行业,《数字电子技术》课程作为高校电类专业的基础课程,是学生走向数字化时代的第一门课程,也是某些高校相关专业的考研课程,其重要性不言而喻。教材编写强调《数字电子技术》基础知识的系统性、完整性,将逻辑代数基础、组合逻辑电路分析与设计、时序逻辑电路的分析与设计等基础知识作为教材核心内容,并结合部分高校相关专业《数字电子技术》研究生考试大纲的要求,增加部分教学内容。例如,在第六章“时序逻辑电路”中增加利用观察法和隐含表法进行状态化简的内容,使学生能够更容易掌握时序逻辑电路的传统设计方法。

在教材内容编排上,反复训练基础理论知识,使学生更好地学习并掌握基础理论知识,为进一步学习打下坚实的基础。例如,第四章“组合逻辑电路”首先介绍组合逻辑电路的分析方法和设计方法,然后介绍常用集成组合逻辑电路的原理和应用,其中译码器、数值比较器按照组合逻辑电路的分析方法进行阐述,编码器、数据选择器、加法器按照组合逻辑电路的设计方法阐述,使教材内容循序渐进、深入浅出,适用于学生自学,有利于培养学生自主学习能力。

3.3突出实践应用

在教材编写过程中,注重学生对知识应用能力培养的需要,强调具体操作过程中学习理论基础,将知识应用能力培养贯穿整本教材,突出教材知识的实践应用性。在介绍集成电路时,删除集成电路内部电路的分析,强调集成电路的逻辑功能和使用方法[5],例如,介绍555定时器时,在简单介绍555定时器的电路结构和工作原理的基础上,以“触摸式定时控制开关电路”、“双音门铃电路”等应用电路介绍555定时器的使用方法。

在第九章“数/模和模/数转换器”中,以DAC0808、DAC 0832、AD7543为例介绍常用集成数/模转换器的工作原理和使用方法,并分别给出DAC0832、AD7543与单片机AT89C51的接口电路,既加强与后续课程单片机、微机原理等的联系[6],又突出教材内容的应用性。

3.4增加EDA技术知识

EDA是电子设计自动化(Electronic Design Automation)的缩写,是从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)的概念发展而来的。教材第二章EDA技术基础知识介绍了Multisim和QuartusⅡ两种EDA工具的操作界面和使用方法,并介绍了VHDL语言的基本结构、数据对象、数据结构、操作符和基本语句结构,使学生借助EDA工具进行电路分析和设计。教材给出了74LS138、74LS153、74LS194、74LS160等常用集成电路的Multisim仿真电路和VHDL描述方法,并在第十章“数字系统设计”中,以“计数报警器”、“简易交通灯控制器”、“函数信号发生器”为例,结合Multisim和QuartusⅡ软件,详细介绍简单数字系统的设计过程,丰富教材内容。

4.结语

《数字电子技术》教材改革是一项长期工程,随着数字电子技术的发展,必将对教材内容产生深刻影响。本教材于2012年10月由北京大学出版社作为“21世纪全国本科院校电气信息类创新型应用人才培养规划教材”出版,2013年12月被评为河南省“十二五”普通高等教育规划教材。教材经过3年多的使用,得到了广大师生的关注,收集了各方面建议和意见。为了更好地适应现代数字电子技术的发展和应用,需要对教材内容进行进一步改革。

参考文献:

[1]陆冰,魏芸,闾燕,等.“数字电子技术”课程教学改革的实践[J].电气电子教学学,2013,35(4):46-47.

[2]宁改娣,杜亚利.教材:《数字电子技术》教材改革探索[J].教育教学论坛,2012(8):98-99.

[3]黎艺华,谢兰清.高职数字电子技术项目课程教材建设探索[J].教育与职业,2011(15):131-132.

数字电路与逻辑设计篇9

文章编号:1672-5913(2007)10-0090-03

引言

数字逻辑电路课是高等学校计算机科学技术专业的一门必修基础课。在计算机专业基础课程中,它是微机原理与应用、微机接口技术、计算机组成与系统结构等课程的前导课程,有着承上启下的重要地位。该课程从电子计算机的基本硬件组成及数字电子技术着手,对计算机的组成部件的基本电路工作原理展开讨论,使学生掌握有关计算机硬件方面的基础知识,尤其是各数字逻辑电路的基本功能,构成整机数字系统的技术,为培养学生对硬件系统的分析、设计、开发和使用能力打下最基本的基础知识。

数字逻辑电路这门课程学习结果的好坏将对计算机专业的后续课程的学习产生很大的影响。数字逻辑电路是学好计算机专业基础课的必要途径,因此应该重视这门课程教学方法的改进。为了改革目前的数字逻辑电路课教学方法,我们探索了新的数字逻辑电路教学方法,即基于计算机高级语言的数字逻辑电路教学方法。本数字逻辑电路教学方法的特点是用计算机高级语言C语言对数字逻辑电路的基本功能进行描述和实验,也就是用计算机高级语言对我们在数字逻辑电路课程中讲解的全部基本数字逻辑电路进行表示。本方法特别适合与计算机专业的学生,因为计算机专业的学生在学习数字逻辑电路课程之前都学习过了计算机高级语言C语言。这使得他们能够较好的理解数字逻辑电路的这种表示方式,同时也能够使他们在学习数字逻辑电路的这种表示方式中复习计算机的高级语言,并且可以扩展学生的知识面,培养和训练学生的创新能力。它不但能够进行数字逻辑电路的基本教学,还可以用于数字逻辑电路的实验教学和课程设计。

1数字逻辑电路的C语言描述

C语言功能丰富,表达能力强,使用灵活方便,目标程序效率高,可移植性好,适合编写各种软件,尤其是系统软件,所以C语言已在诸多领域得到广泛的应用。目前许多高等院校,都在计算机专业开设了C语言课程。利用C语言可以编写出简洁、紧凑、高效的程序。C51是在完全支持标准C全部指令的基础上添加了许多用来优化8051指令结构的C的扩展指令而形成的,其程序结构也类似于标准C程序的编写。随着嵌入式技术的不断发展以及C语言在嵌入式应用中的不断普及,C程序设计技术在嵌入式系统中将得到广泛的应用。

数字逻辑电路通常分为组合数字逻辑电路和时序数字逻辑电路两大类,组合数字逻辑电路常用的描述方法是逻辑图、逻辑代数式、真值表和卡诺图,它们均可对同一个组合逻辑问题进行描述,知道其中的任何一个,就可以推出其余的三个。随着EDA技术的发展,目前又出现了硬件描述语言的数字逻辑电路描述法。与用硬件描述语言类似的方法,本文探索了在微控制器中的C51程序描述法。例如对一个三变量的一致电路的描述:

三变量的一致电路就是当A、B、C三个变量一致时,电路输出高电平;当三个变量不一致时,电路输出低电平。

用逻辑代数式表示为:F=ABC+

用C51语言描述为:

Main()

{ sbit a=P1.0; // 定义布尔输入变量a是微控制器的P1.0口

sbit b=P1.1; // 定义布尔输入变量b是微控制器的P1.1口

sbit c=P1.2; // 定义布尔输入变量c是微控制器的P1.2口

sbit f=P2.0; // 定义布尔输出变量f是微控制器的P2.0口

while(1){ // 无限循环

P1=0xff;

if (a==b==c)

f==1;

elsl f==0;

}

} // P1为输入口,P2为输出口

从以上的C51程序可以看出,这样的数字逻辑电路描述方法,对于计算机专业的学生,只要学习过C语言是非常容易理解的,而且用该方法描述的数字逻辑电路也容易用下面介绍的实验方法中得到验证。

2在教学中的应用原则

2.1教学重点

笔者认为对于计算机专业的数字逻辑电路课,教学重点在于让学生能够很好地理解常用数字逻辑电路的逻辑功能,至于这些数字逻辑电路的实现方法有一些概念就可以了,没有必要掌握数字逻辑电路的中小规模集成电路实现方法。而这些中小规模集成电路实现的数字逻辑电路在我们目前所用的教材中往往是重点讲解的,这点对于计算机专业的学生就不是很合适。事实上,本文探索的用C51程序描述数字逻辑电路,就是基于微控制器的用软件实现的数字逻辑电路。这就是说数字逻辑电路课程的重点内容是理解数字逻辑电路的逻辑功能。而具体用什么方法实现这个逻辑功能就不是太重要了。用中小规模集成电路、可编程逻辑电路和软件来实现都是可以的。

2.2应用实例

根据笔者的多年教学实践经验,在计算机专业的数字逻辑电路课程教学中,灵活运用本文论述的C51程序描述法,结合传统的数字逻辑电路的描述方法,取得到了较好的教学效果。

如:对于在计算机专业中用到的较多的逻辑电路“译码器”。用逻辑代数描述为:

用C51程序可以描述为:

main()

{ sbit a=P1.0; // 定义布尔输入变量a,b,c为微控制器的P1口

sbit b=P1.1;

sbit c=P1.2;

sbit y0=P2.0; // 定义布尔输出变量y0~y7是微控制器的P2口

sbit y1=P2.1;

sbit y2=P2.2;

sbit y3=P2.3;

sbit y4=P2.4;

sbit y5=P2.5;

sbit y6=P2.6;

sbit y7=P2.7;

while(1){ // 无限循环

P1=0xff;

y0=y1=y2=y3=y4=y5=y6=y7=0;

if (a==0&&b==0&&c==0) y0=1;

if (a==0&&b==0&&c==1) y1=1;

if (a==0&&b==1&&c==0) y2=1;

if (a==0&&b==1&&c==1) y3=1;

if (a==1&&b==0&&c==0) y4=1;

if (a==1&&b==0&&c==1) y5=1;

if (a==1&&b==1&&c==0) y6=1;

if (a==1&&b==1&&c==1) y7=1;

}

}

因此,在数字逻辑电路课程中,让学生懂得作为计算机专业的学生,单单学会数字逻辑电路的硬件实现方法是不够的,还应当让学生从一开始就重视学习计算机软硬件的相互关系。如果教师在数字逻辑电路课程的教学中运用本文论述的方法,引导学生从计算机软件和硬件层次上去认识数字逻辑电路知识,对学生学好后续专业课程有着积极的促进意义。

3实验教学方法

3.1硬件结构

本实验方法的硬件部分主要由PC机以及微控制器电路和多个LED电路组成。微控制器选用Philips公司生产的P89C51RD2BN。该芯片内部集成了多种功能部件,如四个8位的数字I/O口,8路A/D转换接口、UART、定时器、看门狗定时器和FLASH存储器等。微控制器的主要功能是:用户输入输出端口状态扫描输入,用户输入输出端口信号输入和数字信号显示等。实验硬件组成框图如图1所示。

图1 实验硬件组成框图

3.2ISP实现原理

本实验方法的关键是ISP技术。P89C51RD2BN的系统编程是通过标准RS232串口来完成的,它是一种内嵌的在线可编程。内部有一系列的硬件资源,当微控制器对自身的Flash存储器进行编程时,所有底层操作都由这些内部资源来完成。ISP编程不需要将微控制器从系统中取出,只要用一个开关将PSEN强行拉低,ALE管脚悬空,系统便在上电复位后进入ISP状态。通过免费的编程软件Flashmagic下载二进制文件到微控制器,就可以运行程序了。

3.3实验方法

如图1所示,实验时先把ISP控制开关放置在ISP位置上,在PC机上输入需要实现的数字逻辑电路的C51程序,然后经过C51编译器编译,生成二进制文件形式的目标程序文件,然后使用Flashmagic软件把目标程序下载到微控制器中,再把ISP控制开关放置到微控制器的正常工作状态,按动复位按钮,微控制器中的程序就可以正常运行了。这时可以在输入拨位开关上输入数字信号,在LED上可以观察到这个实验数字逻辑电路的逻辑功能的实现结果。改变输入拨位开关上输入的数字信号,可以得到不同的数字信号输入,在LED中可以观察分析实验数字逻辑电路的全部逻辑功能。

运用本实验方法进行的数字逻辑电路实验,由于实验所用到的硬件设备,除PC机以外的成本是极低的,可以实现把实验带回家的实验理念。在家里进行各种有创造性的实验。让学生真正成为实验学习的主人。

4结束语

本文论述的数字逻辑电路C语言描述方法具有易懂、直观、有创新性的特点。用该教学方法的实验装置结构简单、成本较低、维护方便、性能可靠。可以进行简单的组合数字逻辑电路实验,也可以进行时序逻辑电路的实验,能够搭建多种趣味电路。能满足基本教学的需要,也可以进行综合性、设计性实验。

参考文献

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[3] ,王彬. 将专业课知识融入高级语言程序设计教学[J]. 吉林大学学报(信息科学版),2005.

数字电路与逻辑设计篇10

0 引言

组合逻辑电路的基本构成单元是门电路,与时序逻辑电路不同,组合逻辑电路无记忆功能,输出信号仅取决于当时的输入信号[1]。组合逻辑电路的设计是根据给定的实际问题,用逻辑函数进行表达,用数字电路来实现逻辑其功能。常用的中规模组合逻辑电路有编码器、译码器、数据选择器、加法器等。

在设计硬件电路之前,常用一些虚拟软件进行仿真设计,Multisim软件是一款应用较广,功能强大的电子电路设计开发与仿真软件[2-5]。

文中,以集成与非门74LS00、译码器74LS138和数据选择器74LS151为主要元件设计了产生火灾报警控制信号的三种电路,设计平台为基于windows系统的Multisim 12.0软件,并进行了仿真测试。

1 电路设计与仿真

组合逻辑电路的设计步骤一般为:①根据设计要求,定义输入、输出的逻辑状态;②填写真值表;③由真值表,写出逻辑函数的最小项表达式并进行化简;④采用相应的元器件进行电路布线。

文中,火灾报警系统的输入为烟感、温感和紫外光感三种火灾探测器,当其中两种或两种以上探测器检测到火灾信号时,则系统发出火灾报警信号。设烟感信号为A、温感信号为B、紫外光感信号为C,报警信号为Y,当有信号时为1,无信号时为0,列出真值表,如表1所示。

1.1 基于与非门的电路设计 集成与非门74LS00有14个管脚,可以实现4个二端输入与非逻辑功能,74LS10可以实现3个三端输入与非逻辑功能。由公式(2)可见,此报警控制电路需要4个与非门,即三个二端输入与非门,一个三端输入与非门,电路连接如图1所示,其中三个探测信号输入端接入74LS00的三个二端输入引脚,三个二端与非门的输出接入74LS10的一个三端与非门输入引脚。

图1中的XLC1为逻辑变换器,是一种虚拟仪器,可以接入报警系统的输入与输出端,测试与验证其逻辑功能,从图2可见,该电路真值表及逻辑函数表达式与设计要求一致。

1.2 基于译码器的设计 译码是编码的反过程,74LS138译码器是集成有三个输入端,八个输出端的中规模组合逻辑电路,译码器的各输出端引脚信号对应于输入端二进制信号的组合情况。

依公式(4)可知,只要将译码器对应的四个输出端引脚接入74LS20芯片中的一个四输入端与非门即可,电路如图4所示。图中,译码器74LS138的G1、~G2A与~G2B为控制端,当G1接高电平,~G2A与~G2B接低电平时,芯片才能实现译码功能。系统接入逻辑变换器,对整个电路的功能进行了测试,测试结果与图2所示一致。

1.3 基于数据选择器的设计 数据选择器可以根据地址输入端的二进制信号,对输入端信号进行选择。8选1数据选择器74LS151是集成有三个地址输入端A、B、C,8个数据输入端D0~D7的中规模组合逻辑电路。74LS151数据选择器的功能用逻辑函数表示为

这样只要将数据选择器的输入端进行适当的置位便可以实现此报警功能,电路如图4所示。

图中,数据选择器74LS151的~G为控制端,低电平有效,D3、D5、D6、D7接高电平,其余数据数据输入端接低电平,地址输入端A、B、C与数据选择器的输出Y端接入逻辑变换器,以验证逻辑电路功能,验证结果与图2所示一致。

2 结论

组合逻辑电路广泛应用于各种数字电路设计中,文中给出了用集成与非门74LS00、74LS10,中规模组合逻辑电路器件74LS138译码器、数据选择器74LS151设计火灾报警控制电路的三种方法,并用最新版本的Multisim软件进行了直观的仿真验证。三种电路设计中,运用数据选择器最为有效。Multisim软件为组合逻辑电路的设计与仿真提供了强有力的计算机虚拟平台。

参考文献:

[1]王毓银.数字电路逻辑设计[M].北京:高等教育出版社,2002.

[2]张晶,李心广.基于multisim的电路设计与仿真[J].计算机仿真,2005,22(5):109-110.

数字电路与逻辑设计篇11

1 CPLD/FPGA技术

CPLD/FPGA是复杂的可编程逻辑器件,属于规模化的集成电路的范畴。目前,该技术的集成度已经达到200万门/片,融合了ASIC高集成度的特点以及可编程逻辑器便于设计生产的特点,比较适用于开发小批量产品和样品的研究制造,缩短了产品上市的时间。

CPLD内利用长度固定的金属线把各逻辑块连接起来,设计出的各种逻辑电路都可以很好的预测时间,有效地弥补了分段式互连结构在时序不完全预测中的缺点。CPLD的特点有编程灵活、设计开发周期短、集成度高、适用范围宽、工具先进、成本较低、不用测试、价格大众化等。CPLD在众多的电路设计规模比较大,所以在产品的设计和生产上得到广泛应用,可以说CPLD适用于所有可以使用中小型数字系统的集成电路的场合。目前,CPLD技术的数字系统器件已经成为电子产品必要的组成部分,关于CPLD的设计和使用是电子工程师一种必备的技能。

FPGA也是由PAL和GAL等发展而来,它以半定制电路的形式在ASIC中出现,既弥补了定制电路的缺陷,又消除了可编程器件的缺点。

FPGA主要由输出输入模块、可配置逻辑模块和内部连线构成,在编程方面不限次数。FPGA作为复杂的可编程逻辑器件,在结构上和传统逻辑电路以及PAL和GAL器件有着很大的不同。FPGA采用小型查找表进行组合逻辑,每一个查找表都通过输入端连接一个触发器,再由触发器驱动另外的逻辑电路,构成的这种基本的逻辑单元模块有组合逻辑功能和时序逻辑功能,不同的逻辑模块之间是由金属线连接在一起的。FPGA的逻辑由静态的存储单元通过加载逻辑编程的数据来完成,储存在存储器单元的数据值对它的逻辑功能和不同模块间的连接方式有决定作用,同时对FPGA可实现的功能也有决定作用。

CPLD和FPGA都属于可编程ASIC器件,但又有着较大的不同。CPLD比较适合于在各种算法以及组合逻辑上使用,它布线结构的连续性对延时起着决定的作用,保密性比较好;FPGA比较适于在时序逻辑方面使用,它采用分段式的布线结构,比CPLD的布线结构更为复杂,逻辑实现也更困难,造成了延时不便于很准确的预测,保密性比较差。

2 CPLD/FPGA技术的数字电路系统设计方法

2.1 基于面积的优化设计

在CPLD/FPGA技术的数字系统设计时,对它的器件资源进行优化设计,即使是较小的CPLD/FPGA器件也可以达到相当的数字系统功能,优化后的系统器件资源越少,消耗的费用就越少,有效的节约了系统器件的成本。基于面积的优化设计主要有资源共享设计和串行化设计两种方式。

利用CPLD/FPGA技术设计数字系统时,常常会碰到同一个模块需要多次调用的状况。这种电路结构通常占用的器件资源很多,一般为算术模块,例如多位加法器、乘法器等,大部分的数字系统资源都由他们占据。利用资源共享为这种电路结构进行设计时,可以大大提高电路器件资源的使用率。

预进位加法器主要用来提升加法器中信号的传输,加法器的进位是xn,系统的速度主要由信号中每个分组的位数n所决定。

资源共享设计通常有先加后选的方式和先选后加的方式,综合考虑两种方式,加法器这种方式比选择器耗费的资源多,一般采用先选后加这种方式会更好。

串行化设计主要是通过分割耗费资源大以及单个时钟周期内完成的电路功能的方式,提取电路功能相同的模块,并用这些模块在多个时钟周期做同样的数字系统功能。数字系统设计串行化后,会使电路逻辑变得复杂了,不过资源消耗却少了,有着明显的使用效果。

2.2 基于速度的优化设计

在CPLD/FPGA技术的数字系统设计时,运行速度通常是最重要的。影响CPLD/FPGA技术的数字系统运行速度的因素很多,主要有CPLD/FPGA的组成结构特征、数字系统的电路构成、综合器的性能等。

流水线设计技术可以显著的提高数字系统的运行速度,目前,微处理器、高速数字和数字信号处理器等系统设计时一般都是用流水线技术进行设计。对于数字系统的设计,一般速度是设计中首先要考虑的问题,采用CPLD/FPGA技术,高速运行往往是首要的需求。如果设计好一个系统电路,速度方面没有达到期望的要求,往往需要更换运行更快的器件并重新设计,很显然会增加很多不必要的成本。

基于CPLD/FPGA技术的数字系统设计,除了流水线设计之外,还有其他一些方式。寄存器配平法,这种方式主要是利用配平寄存器之间的各种组合来延时数字系统逻辑块。寄存器配平是在流水线设计基础上深化而成的方式,流水线设计是把组合逻辑延时块分为数个较小的延时块,寄存器配平则是把延时不同的两个组合逻辑块的延时平均分配。关键路径法,这种方式是在数字系统的设计中延时最长的逻辑路径,可以有效的提高器件运行速度。一般来说延时的长短与信号是否经过最大路径有关,与延时所经过的较小路径没有关系。

3 结语

在CPLD/FPGA技术的数字系统设计时,是选择对面积进行优化设计还是选择对速度进行设计,往往要根据实际情况进行考虑。因为很多情况下两种选择是有矛盾的,一般不能同时满足要求。假如考虑面积设计的需要,会使运行时间加长,降低了该数字系统的运行速度;假如考虑速度设计的需要,往往要增加很多逻辑器件,速度相应的提高了,但是占用的空间也大了,所以在实际应用中应该根据具体的环境综合考虑各种参数。

参考文献

[1] 宋翠方,王连明,于安宁.基于FPGA数字系统设计的速度优化方法研究[J].东北师大学报(自然科学版),2011(4).

[2] 李桂林,苗长新.基于Verilog HDL的FPGA数字系统设计优化[J].计算机与数字工程,2010(8).

数字电路与逻辑设计篇12

数字电路是电子信息类专业的一门学科基础课程,通过本课程的学习,同学们能够了解数字电子技术的基本概念、数字逻辑电路分析和设计方法,掌握常用集成电路芯片的使用,实现简单数字应用电路设计,为后续有关专业课程学习和解决工程实践中遇到的数字逻辑问题打下良好的基础,培养具有一定创新能力的应用型人才。

数字电路是现代电子系统的必要组成部分,从一般的数字逻辑电路、微处理器控制电路、到复杂的信号处理系统,无不留下数字电路的身影,因此掌握数字电路分析、设计方法和测试方法是电子信息类专业的基本要求。

1、对数字概念的建立是该门课程的重要基础。

数字电路是真正接触数字逻辑、数字概念的第一门课,这部分概念的掌握与否,直接影响到后续课程的学习,比如:微机原理、单片机原理、数字信号处理和EDA等。

(1)逻辑量概念和逻辑运算是数字电路的基础,逻辑量是用来表示事件是否发生的物理量,在具体电路实现上用高低电平来表示逻辑量0和1。逻辑关系表示了事件之间的因果关系,在具体电路方面用各种门电路来实现。

(2)编码方法、二进制概念、算术运算是数字逻辑的具体应用。用多位有序逻辑量排列来表示不同的符号和不同的数就形成了编码,其中二进制是表示数的一种常用方法,这时的0和1也变成了数,但是其运算电路实现仍然是用逻辑电路来实现的。

比如一位全加器就是一个典型的二进制运算器,其运算规则是按照二进制运算进行的,每个变量的值,代表真实的二进制数0和1,但是其实现电路有时按照逻辑电路来实现的。

假设一位全加器的输入信号两个加数分别为Ai,Bi与低位进位Ci-1,输出信号分别为和Si与进位Ci,则得到真值表如下。

由上述逻辑表达式就可以得到一位二进制全加法器,如果有多个这样的二进制全加器就可以实现多位二进制加法器,实现加法运算。

2、组合逻辑电路和时序逻辑电路的分析和设计是数字电路教学的主要内容

组合逻辑电路的分析和设计主要包括各种门电路和一些常用组合逻辑电路,这部分内容是逻辑运算关系的具体实现,也是一些常用小规模集成电路原理理解和应用的具体实现,特别是译码器74LS138和数据选择器74LS151的理解和应用。

时序逻辑电路的分析和设计主要包括触发器原理介绍、由触发器构成的时序电路和中小规模集成电路的应用,这部分内容是数字电路教学的主要内容,特别是用时序电路来解决具体应用问题时,如何把具体问题转换成电路设计问题时一大难点。其中两个重要的集成电路模块是移位寄存器74LS194和异步复位十六进制计数器74LS161。

组合逻辑电路和时序逻辑电路是按照电路中有无触发器来区分的两种电路形式,实际时序逻辑电路中往往肯定包含组合电路,按照一定的分析和设计思路,就可以顺利完成电路的分析和设计。

图一是用译码器和数据选择器分别实现全加器的电路图,我们在输入端用拨动开关来表述不同的输入信号,在输出端用发光二级管来表示输出结果,这样非常直观,利于同学们的理解。

(b)用74LS151数据选择器实现

图1 全加器实现与演示

3、积极改进教学内容,注重应用技能的培养

数字电子技术的发展、电子设计手段的进步已经发生了巨大的变化,但是我们教材的主要内容和20多年前没有大的变化,强调数字技术的基础性,在门电路、集成电路方面花了很多的篇章,这也是现在同学们学习时比较难掌握的部分,但是这一部分也是绝大部分同学今后很少用到的部分。另外一方面,现代设计所需要的CPLD、FPGA知识和HDL语言没有介绍或介绍不够。因此,我们在教学中,弱化门电路和集成电路的教学,强调集成电路的功能和接口条件,在介绍集成电路芯片的同时,介绍其Verilog HDL描述。这样对照硬件和软件进行学习,相互印证,能够得到比较好的效果。这种学习方法,可以适应硬件设计的软件化设计趋势。

4、积极改进理论和实验教学方法,加强动手能力的培养

在数字电路教学中多讲解各种实用电路的设计和实验,可以提高课程教学的效果,帮助同学们理解数字电路理论教学内容,增强同学们感官认识和动手能力。现在数字电路实验特别是多个集成电路芯片的实验因为接线问题,常常影响同学们的实验效果,甚至得不到所需要的结论。另外硬件实验要花费较多的时间资源和硬件资源,并且以后的工作需要更多的是软件仿真工作,因此仿真工作是很多设计过程中不可或缺的一个重要环节。因此在教学过程中我们要求学生掌握Multisim仿真软件。通过老师演示,学生自己仿真,花时间少,可以充分发挥自己的想象。

Mutilsim软件具有非常强大的功能,不仅可以满足数字电路的仿真还可以满足模拟电路的仿真要求,系统提供了大量的信号源和测试设备,使系统的运行看起来非常逼真。系统还可以实现硬件描述语言编程的仿真,还可以进行CPU软件编程程序的仿真,因此建议同学们掌握Mutilsim软件的使用。(如图2)

图2是60进制计数器的电路,图中不仅包含由两个74LS161组成的60进制计数器,还包含了两个数码管驱动电路和两个7段数码管。这样通过仿真软件实现具有下列优点:

(1)可以方便地修改60进制计数器的各种设计方法,只需简单修改就可以实现同步计数电路、异步计数电路、同步置零、异步清零等计数器控制策略;

(2)可以方便地实现其他进制的计数器,如果采用74LS160电路可以更简单;

(3)进一步理解数码管驱动电路的原理和使用方法。

(4)进一步理解数码管的模块的连接方法。

本文针对数字电路课程教学中的数字电路概念、教学内容和教学方法等问题做了比较具体的分析,并用具体实例进行了说明。

参考文献

[1]谢剑斌,李沛秦等.在“数字电子技术”教学中培养学生创新能力.电气电子教学学报,Vol.32,No.6,2010.12.

[2]张振亚.数字电路教改探讨.西南民族大学学报·自然科学版第37卷5,2011.5.

数字电路与逻辑设计篇13

数字电子技术是自动化、电气、通信、电子等电类专业必须掌握的重要专业基础,是《数字电子技术》的核心内容、学习的重点和难点。而时序逻辑电路的设计是实践教学的重要内容。时序逻辑电路的分析和设计只有通过对它的研究与实践,才能真正具有设计数字电路的能力。目前同步时序逻辑电路的设计方法可按以下几个步骤进行:设计要求;原始状态图;最简状态图;状态分配;选定触发器类型,求出状态方程、驱动方程和输出方程;画逻辑电路图[1]-[3]。在数字电子技术的通用教材中,对时序逻辑电路设计方法的叙述不够具体,以至于时序逻辑电路设计实例的设计过程往往不够清晰,教学过程中学生难于理解和掌握。本文通过对具体设计实例的设计过程和步骤进行分析研究。提出强化原始状态确定在给定逻辑问题的逻辑抽象过程中的应用,使设计过程更加清晰易懂。本文通过对具体实例的设计分析,对时序逻辑电路设计的一般规律、原则、方法及步骤作了探讨和研究。

2.设计实例剖析

设计一个自动售饮料机的逻辑电路,它的投币口每次只能投入一枚五角或一元的硬币。投入一元五角钱硬币后机器自动给出一杯饮料;投以两元(两枚一元)硬币后,在给出饮料的同时找回一枚五角的硬币。

此设计实例是很多数字电子技术课程教材时序逻辑电路设计部分的设计实例,但其设计分析过程不甚清晰,学生在学习过程中理解困难,原因之一就是对原始状态的设定和分配没有阐述或阐述不清晰,如果通过逻辑分析和逻辑抽象首先确定电路的原始状态,那么后面的设计就会水到渠成。下面本文将从原始状态确定开始,从新对此设计实例进行设计剖析。

(1)确定原始状态

(2)原始状态化简

根据状态化简原则,首先寻找等价状态,在相同的输入下有相同的输出并转换到同一个次态的状态为等价状态。由表1-1可知,S0、S3和S4为等价状态,合并为S0状态。状态含义分别为:S0为初始状态,即等待新交易开始的状态;S1为投入一枚五角硬币后的状态;S2为投入满一元钱后的状态。从而得到化简后的状态装换表如表1-2所示。

(4)选定触发器并列状态及输出方程

3.总结

在时序逻辑电路的设计过程中,原始状态的分析和确定对于初学者来说非常重要,如果原始状态与系统的实际工作状态无法清晰地对应,后续所有的设计步骤都无从谈起,因此,无论对教或学的任何一个角度而言,在时序逻辑电路的设计的设计步骤中强化原始状态的确定都是十分重要的。本文通过对自动售货系统设计过程中原始状态的分析和确定,强化了对于给定逻辑问题的逻辑抽象过程中原始状态的重要性,使时序逻辑电路的设计思路更加清晰。另外,在设计过程中,考虑到了一元和五角同时投入的情况,即A、B同时为1时电路的工作情况,减少了系统在实际工作过程中进入混乱状态的几率,使整个逻辑系统更趋完善。

参考文献

[1]阎石.数字电子技术基础(5版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2]夏路易.数字电子技术基础教程[M].北京:电子工业出版社,2009.

[3]秦曾煌.电工学简明教程[M].北京:高等教育出版社,2001.

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