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數字邏輯電路范文1
中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）29-6570-02
數字邏輯電路實驗課程是電氣、電子信息類和部分非電類專業本科生在電子技術方面入門性質的技術課。它在電類專業中深受青睞，但在非電類專業中的教學沒引起足夠的重視。長期以來，在我校計算機專業類數字邏輯電路實驗的實驗教學中，出現實驗教師難教學生厭學的現象。我們從學生學習該課程的現狀著手，通過對該課程的先導課程及后續課程進行調查分析，了解相關理論課學習的狀態，并據此提出了相應的實驗教學改革措施，分三個階段對學生的學習能力及動手能力進行培養，我們稱之為數字邏輯電路實驗課程“過三關”[1]。
1 數字邏輯電路實驗的教學改革思路
數字邏輯電路實驗在計算機類專業都把它作為一門主干必修課程，但相比專業課來說，非電類專業對該課程地位認識和重視程度是不一樣的，普遍存在的一種現象是“重軟件輕硬件”[2]。我校計科專業、網工專業的“數字邏輯電路實驗”課，安排在第三學期，并具有第二學期的“模擬電子技術”課程的基礎。而軟工專業的“數電”課安排在第二學期，并沒有提前開設“模電”課程，缺乏電路知識的先導。在總課時數壓縮的情況下，由于理論課和實驗課安排在同一學期，并在第一周同時開課，實驗課嚴重滯后于理論課的進度，造成學生想要學好又覺得心有余而力不足[3]。
第一關：克服對數字電路實驗課的心理恐懼關
對計算機專業的學生來說，模擬電子技術和數字邏輯電路都很難學，更難于精。適合計算機專業的專用教材很少，更沒有比較適合的實驗教材。不得已沿用電類專業的教材，理論偏多偏深。單純的數字邏輯分析抽象、枯燥、乏味，遇到復雜的邏輯現象更容易讓人感到無從下手，產生畏難情緒。例如：教材[4][5]的第二章邏輯門電路，是學生們共同認為最難于理解、頭疼困難的內容。在講解TTL（Transistor-Transistor Logic）基本邏輯門涉及到很多的電路基礎知識、基本電路元件（電阻、二極管、三極管等元件）、電路及結構、半導體工藝、以及它們的電流、電壓、元件參數等內部電氣參數的計算等。對電路原理的理解和對電子元器件認識存在困難。然而，計算機專業學習的重點并不在這些電路的內部原理和前端設計，實驗所必需的電路基礎知識在課程中的應用暫時不用十分深入，可以不用刻意去理解邏輯器件的內部結構。重點應放在：一是掌握器件輸入和輸出之間的邏輯功能；二是外部的電氣特性其主要參數。相應的基本門電路實驗，目的包括掌握TTL基本邏輯門的邏輯功能驗證與參數測試；掌握TTL器件的使用規則；進一步熟悉數字邏輯電路實驗裝置的結構、基本功能和使用方法?！拜p里重外”，將集成電路視為“黑匣子”，這樣電路基礎知識不再構成計算機專業的學生學習的障礙。
在實驗教學中，改善實驗條件，增強實驗教學的趣味性。讓生活走進實驗、貼近生活。理論實驗化，實驗生活化。例如： 邏輯門實驗是認識數字電路的基本實驗，電子門鈴的原理就是利用與非門構成振蕩器，使輸出端的鈴聲信號輸出，從而驅動喇叭發出鬧鈴聲的。除此之外，實驗還能進行趣味游戲如乒乓球游戲機等的設計。通過增加實驗內容、改變實驗方法，多做實驗來改變學生怕做實驗的恐懼心理。
根據現在的理論課學時、教學計劃和實驗設備，改編有關內容。以“與非門”邏輯為例說明改革實驗教學方法。采用先理論講解，以邏輯代數為基本數學工具，從基本邏輯門電路入手。實驗使用傳統標準數字邏輯器件四2輸入與非門74LS00，，用它構成傳統的與非門驗證實驗。再用硬件描述語言VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）[6]和復雜可編程邏輯器件CPLD（Complex Programmable Logic Device） [7]實驗實現“與非門”邏輯。這樣就建立了同一實際邏輯問題用多種不同層次方法進行實驗的模式：數字邏輯單元理論設計，以門電路為基本單元電路構成各種組合邏輯電路和時序邏輯電路，使用標準數字邏輯器件中的中（MSI）、小規模（SSI）的TTL集成電路驗證；利用通用集成電路模塊產品，主要是用中（MSI）大規模（LSI）集成電路模塊，構成預定功能的邏輯電路；再用VHDL和CPLD構成復雜的電路系統，步步推進，穿行融合。
第二關：培養動手能力關
從數字邏輯電路實驗課程的知識結構和特點分析，數字邏輯電路實驗主要由基本邏輯門電路，由門電路組成的基本組合邏輯電路和時序邏輯電路及通用集成電路模塊構成。
在第一階段為數字邏輯電路基礎實驗（芯片級實驗）。由“一門而入”，選用傳統典型標準數字邏輯器件與非門，進行基本門電路邏輯功能測試與驗證，通過實驗使學生熟練掌握數字電路實驗箱的結構和使用方法，使用示波器記錄描述邏輯功能的波形圖，實驗基本儀器測試集成電路外部電氣特性參數。掌握用與非門組成其它邏輯門及邏輯門之間的互換、解決不同門電路之間相互連接匹配問題。對集成門電路外形建立感性認識，熟悉芯片的外形封裝、芯片的引腳數量和分布情況。通過基礎實驗，訓練了學生的數字邏輯設計的基本功，為綜合設計性實驗打下良好的基礎。
第二階段為綜合設計實驗（單元級實驗）。主要有基本技能測試性綜合實驗、組合電路設計性綜合實驗、時序電路設計性綜合實驗、存儲器和D/A或A/D轉換電路的綜合實驗。
綜合設計性實驗主要是小系統邏輯設計實驗[8]，每一個實驗系統可以由多片標準數字邏輯器件MSI、MSI的門電路組成。也可以用通用集成電路中的MSI、LSI的TTL集成電路芯片組成。實驗者可根據自己的設計做出不同種類的電路，培養對單元功能電路的理解和靈活運用能力。例在傳統數字邏輯電路實驗中，最為經典的例子是“三人表決器實驗電路的設計” [9]。其中SSI門電路設計最為靈活，可以選擇一種與非門構成“與非-與非式”、一種或非門構成“或非-或非式”、與非門+或非門構成“與或非式”。也可以采用通用集成電路模塊譯碼器、數據選擇器和加法器分別設計多種三人表決器實驗電路。
第三關：VHDL及CPLD實驗提高復雜電路設計能力關
從第一、第二階段實驗的效果來看，這些實驗是在掌握SSI、MSI電路分析和設計的基礎上進行，達到預定的邏輯功能。這種方法設計的邏輯系統規模不宜太大，否則，系統需要很多芯片，連接線和接點復雜，導致可靠性下降、功耗增加，系統占用空間擴大。為此，可以采用大規模集成和超大規模集成技術，把完成復雜功能的眾多芯片集成到一個芯片內。可以克服上述問題。這種能夠完成特定功能的集成電路芯片稱之為專用集成電路。用VHDL語言設計后，在CPLD中實現，這已經成為數字系統設計的主流。
將新技術和新型電路設計的方法充實到教學中去，以體現實驗與時俱進的先進性。第三階段的可編程器件的應用與可編程電路的EDA設計實驗（系統級實驗），要求學生用CPLD芯片重現第一階段的基礎實驗和第二階段綜合設計性實驗中的電路設計。訓練學生通過閱讀資料掌握可編程器件的功能及規范的使用方法。掌握EDA軟件的使用方法和設計語言。最終達到“了解一種器件，熟練使用一種設計工具，掌握一門設計語言，能夠設計較復雜的數字系統”的目的。
通過三個不同階段的實驗過程，將一種數字邏輯器件的基礎理論，用傳統器件實驗驗證或實現，再用VHDL及CPLD實驗復現，三者融合循環，螺旋式上升。實現數字邏輯電路實驗的教學改革，幫助學生突破在學習道路上的三道難關。
2 結論
侯建軍教授提出了“厚理博術，知行相成”的教育理念。通過數字邏輯電路實驗，既要加強知識的學習，又要踐行所學的知識，提高實踐動手能力和創新能力。根據學生的特點確定教學目標，組織教學內容，制定教學方法，以學生為主體，“教法”適應“學法”培養學生的學習興趣。倡導以啟發、探索和創新性實驗為核心的研究式學習方式，鼓勵學生參與國家級和校級的大學生創新創業項目，并參加各種國家電子技能大賽，取得很好的效果。
參考文獻：
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數字邏輯電路范文2
[關鍵詞] 項目教學法；邏輯思維；實踐；研究
doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2016. 23. 122
[中圖分類號] F301.2；F321.42 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2016）23- 0226- 02
1 課程改進研究
項目教學一般在數字電路實驗室進行，需具備一定的硬件設施，如黑板、投影儀等。項目教學過程可以將學生學習的主動性及積極性充分調動起來，還可以挖掘學生的潛能，培養起創新能力。將傳統教學與現代教學有機融合于一體。在教學活動中，教師將需要解決的問題或需要完成的任務以項目的形式交給學生，通過一定的指導，以個人或小組為單位，由學生自己按照實際工作的完整程序，共同制訂計劃、共同或分工完成整個項目。此種教學方法使得每一名學生都得以參加實踐過程，并在此過程種對所學的基本理論進一步掌握與理解，體驗出創新的艱辛及樂趣，培養分析問題和解決問題的能力及團隊合作精神等。
2 教學實例過程
2.1 項目的確定
以教學大綱要求為基礎，所選擇的項目具備一定的趣味性，所涉及的內容具有一定的熟知度，并在項目進行的過程中，能有效培養出學生的情感態度教育。下面以隨機數生成器作為教學案例。
2.2 分析與設計
以設計隨機數生成器作為一個項目，并對學生分派了四個教學任務作為項目參考。
任務一：掌握時序邏輯電路的設計方法；
任務二：領會555定時器芯片的功能及應用方法；
任務三：掌握常見集成計數器芯片的功能和應用方法；
任務四：掌握基準脈沖發生器的設計方法。
實驗要求：本隨機數生成器通過7個LED實現隨機數字1-6的顯示，當按下鍵后，7個LED循環點亮，之后循環速度越來越慢，并最終隨機停止在某個點上，這時LED點亮的個數就是當前的數值。
圖1為經由學生共同商討合作以后隨機數發生器的電路設計圖。
2.3 隨機發生器的主要相關設計
本電路由555組成的多諧振蕩器和CD4017十進制計數器/脈沖分配器組成。7顆發光二極管模擬骰子的點數，當按下啟動鍵1秒以上時，發光二極管骰子的不同點數高速循環點亮，幾秒鐘后循環速度越來越慢并最終隨機停止于某個點上、C1的數值決定延遲時間，C2的數值決定循環速度。電源供電電壓為直流5V，也可采用3節1.5 V電池供電。
（1）LED布局。按照電路設計圖中LED布局，依次將其擺放，當開關按下一定時間再復原時，往返每一次LED燈均會顯示不同的數字，比如，顯示數字1時，則LED4亮。顯示數字2時，則LED2與LED6亮。顯示數字3時，則LED2、LED4、LED6亮。顯示數字5時，則LED1、LED2、LED4、LED6、LED7量。顯示數字6時，則其它的燈均會亮。
（2）555芯片功能。555定時器是一種模擬和數字功能相結合的中規模集成器件。其成本較低，性能可靠。只需外界幾個電阻、電容，就可以實現多諧振蕩器、單穩態觸發器等脈沖產生與變換電路。
實驗中使用的NE555集成電路芯片組建一個多諧振蕩器，它的作用是用來產生脈沖信號。
（3）CD4017C芯片功能。實驗中使用CD4017C芯片主要用來實現計算功能，當有脈沖信號進入CD4017的CLK端時，CD4017進行計數，當脈沖計數單元停止輸出時，CD4017的輸出也得以穩定下來。
（4）三極管的功能。實驗中用到的三極管分別是9012/9013。其中9012為PNP型三極管，9013為NPN型三極管。它們在電路中主要起到放大電路的作用。
3 結 語
項目教學法是在建構主義學習理論的影響下，通過選取“工程項目”來創設“情景”，通過“協作學習”的方式開展學習，通過完成“工程項目”來達到“意義建構”，是一種比較有效的教學方法。項目時實踐是在對課本知識予以鞏固和加強的同時，增強了學生實踐操作和動手應用的能力，提高了獨立思考的能力，一定程度上培養了學生的創新精神。
主要參考文獻
數字邏輯電路范文3
關鍵詞：數字電路，Matlab/Simulink仿真，同步RS觸發器
中圖分類號：TN702 文獻標識碼：B
1. 引言
數字電路與邏輯設計課程[1]是工科電子信息類與電氣工程類專業的專業基礎課，對學習后續相關專業課起著不可替代的作用。該門課程的教學一般包含理論教學、實驗教學和課程設計等教學環節。通常情況下，完成一定內容的理論教學后，再安排相關實驗課程，在實驗板上搭建具體的硬件電路或專用的數字電路實驗儀器進行測試、修改和完善。但是，這些方法往往面臨連線多、易于出現錯誤或需要反復調試，難以排查錯誤等問題，這種教學方式會導致學生對所學內容的感性認知較差，從而較低對課堂理論教學的積極性。因此，引入虛擬仿真軟件勢在必行。
Matlab[2]集算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，主要包括Matlab和Simulink[3]兩大部分，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等諸多領域。
針對目前課堂教學的問題，采用Matlab/ Simulink仿真工具進行數字電路的調試、仿真與驗證，可以有效避免傳統方法的容易出現的各種缺點，同時還能在省時、省力的條件下使課堂的講解更加生動，更易被學生理解。因此，本文通過同步RS觸發器為例介紹Matlab軟件實現數字電路仿真的方法。
2. 電路設計與仿真
數字電路按照功能劃分，可以分為組合邏輯電路和時序邏輯電路。二者之間最重要的區別是時序電路中通常還需要對數據進行存儲，這一功能通常是由觸發器來實現的。觸發器是時序邏輯電路的基本邏輯部件，它有兩個穩定的邏輯狀態，即狀態0和狀態1。根據輸入端信號的不同，觸發器可具有置0、置1、狀態保持等功能。當輸入信號消失后，觸發器的狀態能夠保持不變。因此，觸發器具有實現1位二值信號的記憶的功能。
觸發器可以按照邏輯功能的不同，分為同步RS觸發器、JK觸發器、D觸發器和T觸發器等。其中同步RS觸發器是學習其它觸發器的基礎，因此，下面將介紹如何用Matlab/Simulink仿真工具實現同步RS觸發器的相關功能。
2.1 基本原理
由與非門組成的同步RS觸發器的電路圖如圖1所示，其真值表如表1所示。
其中， 是約束條件，表示 和 不能同時為0。
2.2 仿真實現
由于同步RS觸發器的功能和組合邏輯電路的學習相比差異較大，不易于學生的理解，因此，在課堂學習的過程中通過Simulink軟件模擬同步RS觸發器，從而強化學生對同步RS觸發器功能的理解。同步RS觸發器的仿真步驟如下：
首先，添加模塊。在Matlab軟件中運行Simulink模塊，再打開模塊瀏覽器，再采用Simulink模塊庫中的標準模塊來構建同步RS觸發器模型。鑒于激活模塊需要放到Subsystem中的設計區域中，因此先將Connections模塊庫中的Subsystem功能模塊復制到設計區域內，再進入Subsystem的設計區域進行設計。
具體而言，通過4個與非邏輯（NAND模塊）組成。同時，還需要在反饋的位置加上兩個加法器產生初始值。從而避免產生代數環的錯誤。另外，還在同步RS觸發器的前端添加一個功能激活（enable）模塊，使其成為具有時能端的同步RS觸發器。
選用Simulink中的logical operator模塊和pulse generator模塊，并設置各個模塊的參數，再將不同的模塊通過信號線連接起來，建立同步RS觸發器的Simulink仿真模型，其內部結構如圖2所示。
輸入端R和S接Constant模塊，enable接pulse generator，輸出數據被導入到Matlab的workspace空間，然后方便調用Matlab的函數顯示相應的結果，時序仿真結果如圖3所示。
在圖3中，其中‘R input’和‘S input’分別表示R和S端的信號輸入?！甧nable’表示時鐘脈沖，‘Q output’和‘Q-inverse output’分別表示輸出信號 和 。
3. 結束語
綜上所述，隨著電子技術的高速發展，數字電路的形式日趨復雜化，僅依靠傳統的課堂教學模式已經逐漸不能滿足新技術人才的發展要求。故應利用多種新技術和傳統的課堂教學方式相結合，本文采用Matlab/Simulink軟件進行仿真：一方面可以彌補課堂教學的不足，加深學生對課堂所講的概念與工作原理等理論知識的理解；另一方面，也可以克服通過電路元件搭建實驗電路帶來的不便，如實驗室元器件品種、規模、數量的不足，儀器的陳舊老化，實驗板電路的單調等問題，電路出現故障后難以調試等問題，不利于學生的創新設計。因此，利用Matlab/Simulink軟件進行仿真在日常數字電路與邏輯設計課堂教學中發揮著越來越重要的作用。
參考文獻
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[2] 張德豐，丁偉雄，雷曉平. MATLAB 程序設計與綜合應用[M]. 清華大學出版社， 2012.
數字邏輯電路范文4
關鍵字:數字電路;組合邏輯電路;時序邏輯電路
中圖分類號:TN79文獻標識碼:A 文章編號:1673-0992(2010)06A-0042-01
眾所周知,近年,科學技術的不斷進步帶動許多行業發生了翻天覆地的變化,電子信息行業走在了科學發展的前列,表現尤為突出的是數字電子技術,科學進步的浪潮中它迅速前進,已成為當前發展最快的學科之一,數字邏輯器件已從60年代的小規模集成電路(SSI)發展到目前的中、大規模集成電路(MSI、LSI)及超大規模集成電路(VLSI)。那么,邏輯器件的變化也會影響整個數字邏輯電路的發展。
一、數字電路的狀態
數字電路顧名思義就是對數字信號進行算術運算和邏輯運算的電路,它只有兩個狀態就是0和1。在數字電路中,低電平用0表示,高電平用1表示,有時低電位也用字母L(Light)表示,而高電位用字母H(High)表示。另外在對0和1理解時,還會有時間限制,因為數字0、1表示電路狀態,結合時間看電路時,要明白電路工作時序。
二、數字邏輯電路的基本定律
數字電路的設計在生活中使用非常廣泛,但是怎樣設計出符合要求的電路,這就是一門技術活了。因此理解數字電路設計,重點在基本概念和基本方法上。數字設計中邏輯代數基本定律、組合邏輯和時序邏輯的概念是分析和設計數字系統的基礎,也是設計大規模集成芯片的基礎,所以我們在說數字電路設計之前就要先了解邏輯代數的基本知識定律。邏輯代數是英國數學家喬治.布爾(Geroge . Boole)于1847年首先進行系統論述的,也稱布爾代數。 所研究的是兩值變量的運算規律,即0,1表示兩種不同的邏輯狀態,稱這種只有兩種對立邏輯狀態的邏輯關系為二值邏輯。在邏輯代數中我們最先了解的就是進制的轉換,計算機系統中一般二進制、八進制、十進制、十六進制是了解最多的,轉換這些進制也是最容易的,掌握其中的計算方法就能得到。
三、數字電路設計―組合邏輯和時序邏輯
在做數字電路設計時主要就是組合邏輯電路設計和時序邏輯電路設計。從一方面說,這兩種電路的設計是數字電路中的一個最基本的也是最重要的部分,只有會做這兩種電路的設計才算是對數字電路入門了。所以我們先對這兩種設計作下簡單的介紹。
如果說邏輯電路設計是數字電路的最基礎的組成部分,那么門電路就是帶動這些部分運轉的重要元素,就像是一部機器,門電路就是機器中的零件,大家都知道零件在機器的運轉中起著不容小覷的作用,如果在某個部位因為一個小零件的出錯,可能會導致整個機器出故障。邏輯電路中最基本的門電路通常是與門、或門、非門。與門是邏輯與運算的單元電路;或門是邏輯或運算的單元電路;非門,也叫反相器,是實現邏輯非運算的電路。在實際的應用中并不是把它們直接使用,而是將它們組合成復合邏輯運算與非、或非、與或非、異或、同或等常用的門來實現其功能。我們在日常生活中見得最多的就是交通燈的控制,就是用組合邏輯電路設計成的。在組合邏輯電路的設計中,利用門電路的組合完成的很多電路的設計,編碼器、譯碼器就是組合邏輯電路中的器件,組成的液晶顯示器LCD,數碼顯示器LED。
時序邏輯電路中,主要的零件就是集成觸發器,在各種復雜的數字電路中不但需要對二值信號進行算術運算和邏輯運算,還經常需要將這些信號和運算結果保存起來,因此需要使用記憶功能的基本邏輯單元,而這種能儲存信號的基本單元電路就是觸發器。迄今為止,人們已經研制出了很多種觸發器電路,根據電路結構形式的不同,可以分為基本RS觸發器、同步RS觸發器、主從觸發器、邊沿觸發器等。這些觸發器的研制都是在前一種觸發器的基礎上改進而來的,通俗的說是后人在前人的研究發明中不斷提煉出的新器件。因此同步觸發器是建立在基本RS觸發器的基礎上的,基本RS觸發器輸入信號可以直接控制觸發器的狀態翻轉,而在實際應用中往往要求在約定脈沖信號到來時,觸發器才能翻轉,所以才有同步RS觸發器的出現。但是同步RS觸發器有空翻現象,不能正常計數,因此人們又研制了主從觸發器,同樣為了克服主從觸發器的一次性變化,就有了邊沿觸發器的產生。
四、數字集成電路
在很多人看來,數字集成電路是非常空洞的東西,因為只是一塊芯片,卻能實現如此多的功能。那在數字集成電路中主要有哪些電路呢?常用的數字集成電路一般有CMOS電路和TTL電路兩種。CMOS電路有消耗功率低,工作電壓范圍廣和噪聲容限大的特點,雖然在CMOS電路的輸入端已經設置了保護電路,但由于保護二極管和限流電阻的幾何尺寸有限,它們所能承受的靜電電壓和脈沖功率均有一定限度。CMOS集成電路在儲存運輸、組裝和調試過程中難免會接觸到某些帶靜電高壓的物體,所以一般要對輸入的靜電進行保護,另外CMOS還會出現電路鎖定效應,一般為了使用安全和方便,人們一直在研究從CMOS電路本身的設計和制造上克服鎖定效應方法。當然,集成電路一般的要求都非常高,它需要預先對芯片進行設計,編制一定的程序,而我們往往使用現成的電路,對它只做了一定的分析。
通過對數字電路的基本知識的解讀,當然這只是很淺的一方面。而數字電路涉及到的一些專用的集成電路。由于專用集成電路(ASIC)是近期迅速發展起來的新型邏輯器件,這些器件的靈活性和通用性使它們已成為研制和審計數字系統的最理想器件。因此數字電路的發展在今后還有很大的空間,但是在發展的同時,數字電路的基礎的知識是不會改變的,只會在原來的基礎上得到更大的改進,這需要新新的電子人來改進數字電路的不足地方,將它所存在的每一個缺點進行彌補,使各個部分它的作用發揮到最大。
數字電路在實際運用中將越來越廣泛,現在在要求普及的數字電視已經進入了千家萬戶,數字化已經成了必然的趨勢。但是任何技術知識,基礎都是最根本,最主要的,數字電路的組成剛好是是基礎。數字化的時代已經到來,打好基礎知識是數字電路發展的前提條件。
數字邏輯電路范文5
【關鍵詞】數字邏輯；下標計算法；趨勢分析法；Proteus軟件
《數字邏輯》是計算機科學與技術專業以及電氣、電子信息類專業的一門專業基礎課，主要介紹數字邏輯電路的分析和設計的方法[1]，是微機原理與接口技術、單片機原理等專業課程的先導課程。該課程對學生要求起點較低，不需要過高的前序知識，但實踐性較強，內容分散，不容易記憶。學生一開始接觸的是基本概念、原理方法、數字邏輯運算等，內容抽象，與實際的邏輯電路聯系不多，導致學生一開始就對這門課不感興趣[2]。而在課程后半段講解“中規模通用集成電路”時，單純依靠板書或PPT，無法讓學生對各種數字邏輯電路的結構和功能進行深入了解和分析，更加無法培養學生設計數字邏輯電路的能力。在這種情況下，教師如何在有限的時間內，精心設計教學方案，改革教學方法和教學手段，激發學生的學習熱情，提高教學質量，是一個值得認真研究和深入討論的問題[3]。下面將分別從教學方法和教學手段方面探討如何改進數字邏輯課程的教學，從而降低課程講解難度，提升學生的學習效率和效果，最終提升教學質量[4]。
1 教學方法改進
在涉及數字邏輯課程前面一部分內容，包括邏輯代數、組合邏輯電路和時序邏輯電路等章節的教學時，采用好的技巧或方法往往能使運算或分析更易懂、更方便且更不容易出錯。下面針對數字邏輯課程中“邏輯函數表達式轉換”內容提出“下標計算法”，針對“同步時序邏輯電路設計”的原始狀態圖構建環節提出“趨勢分析法”，在避免教學過程中對教材內容原樣照搬的同時，更加簡化計算和降低分析難度，更大程度上避免錯誤的發生。
1.1 下標計算法
將一個任意邏輯函數表達式轉換成標準與-或表達式是數字邏輯課程中的基礎，包括卡諾圖化簡邏輯函數、二進制譯碼器或多路選擇器實現邏輯函數等內容中均會用到。教材中主要采用的是代數轉換法，分兩步進行：
這種轉換方法第一步不可或缺，但是第二步擴展最小項時會使邏輯函數變得更加復雜，運算過程中更加容易出錯。針對這種缺陷，為簡化計算和減少錯誤，在第二步運算過程中采用“下標計算法”。這種方法是把第一步得出的一般與-或表達式中的每個非最小項的與項通過表格的形式單列出來，然后計算出每個與項的全部最小項下標，并且找出所有出現且不重復的下標值，最后直接得出標準與-或表達式的簡寫形式。
第二步：采用“下標計算法”得出標準與-或表達式，運算過程如表1所示。
從表1中可找到出現的全部不重復下標分別是0、1、3、6、7，因而可直接得出標準與-或表達式的簡寫形式為
1.2 趨勢分析法
在完全確定同步時序邏輯電路的設計過程中，形成正確的原始狀態圖是設計的第一步也是最關鍵的一步，否則設計出來的電路必然是錯誤的。而在同步計數器、序列檢測器和代碼檢測器這三種同步時序邏輯電路的設計中，序列檢測器的原始狀態圖的建立又是其中的重點和難點。教材中所采用的方法可行但是難以理解，學生在設計類似電路時很容易出錯。針對這個問題，采用“趨勢分析法”能夠較好的解決。所謂“趨勢分析法”，就是根據每個狀態的存儲功能和輸入序列的變化趨勢，分析現態在下一個輸入信號出現時應該指向哪一個次態，這樣逐步分析下去，最后得出正確的原始狀態圖的方法。下面以“0101”序列檢測器為例來說明用“趨勢分析法”建立原始狀態圖的過程。
例如，作出“0101”序列檢測器的Mealy型狀態圖，典型輸入/輸出序列如下：
輸入x 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1
輸出Z 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0
首先分析需要使用的狀態數目。按照一位輸入的序列檢測器的一般狀態數規律，如果需要檢測的序列有n位，則狀態數需要n+1個。這是因為其中第一個狀態為初態，其他n個狀態用于存儲n位序列的變化過程。此處待檢測序列是“0101”共四位數，故而需要五個狀態。其中A狀態為初始狀態，B狀態用于存儲輸入信號“0”，C狀態用于存儲輸入信號“01”，D狀態用于存儲輸入信號“010”，E狀態用于存儲輸入信號“0101”（即待測序列）。
接下來采用“趨勢分析法”作出Mealy型原始狀態圖，分析過程如圖1所示。
“趨勢分析法”分析過程說明如下：
（1）從初態A開始，當x=0時，狀態從A到B，因為狀態B存信號“0”，輸出Z=0；當x=1時，狀態從A到A保持不變，輸出Z=0。
（2）此時處于狀態B。當x=0時，狀態從B到B，輸出Z=0；當x=1時，狀態從B到C，因為狀態C存信號“01”，輸出Z=0。
（3）此時處于狀態C。當x=0時，狀態從C到D，因為狀態D存信號“010”，輸出Z=0；當x=1時，狀態從C到A，因為信號“011”不能構成“0101”序列的任何一部分，所以只能回到初態A，輸出Z=0。
（4）此時處于狀態D。當x=0時，狀態從D到B，因為狀態B存信號“0”，輸出Z=0；當x=1時，狀態從D到E，因為已經構成“0101”序列，并且輸出Z=1（只有檢測到待測序列時輸出Z=1，否則Z=0）。
（5）此時處于狀態E。當x=0時，狀態從E到D，因為狀態D存信號“010”，輸出Z=0；當x=1時，狀態從E到A，因為信號“011”不能構成“0101”序列的任何一部分，輸出Z=0。注意“當x=0時，狀態從E到D”是學生分析時最容易出錯的地方，錯誤原因在于認為“狀態應該是從E到B”，這是沒有考慮到當輸入信號“0101……”重復出現時，前一個“0101”序列的后半段能夠作為下一個“0101”序列的前半段這種情況。
2 教學手段改進
為了增強學生對數字電路的感性認識，加深學生對數字邏輯分析方法的理解，掌握常用集成器件的基本使用方法，提高學生學習興趣[6]，避免枯燥的集成芯片和數字邏輯電路功能講解。將Proteus軟件引入數字邏輯課程教學，可增強教學的生動性和直觀性[7]。Proteus 軟件具有多種元件庫，其中的元器件大多均可直接用于實際電路的搭建，而且該軟件提供了多種與實際儀器儀表用法相似的虛擬儀器設備，還有各種信號源，幾乎可以完成各類數字邏輯電路的設計、測試和輔助分析工作[8]。
在講解通用中規模時序邏輯電路章節的集成計數器相關內容時，用同步計數器構建任意進制計數器有多種方法，電路比較靈活，既可以利用計數器的清除端，也可以用預置功能。此時可利用Proteus仿真演示動態過程，節約大量的教師口頭講述時間，這樣更具感染力和說服力，學生也更容易理解接受[9]。
例如，4位二進制同步可逆計數器74193構成模10加法計數器和模12減法計數器，要求用Proteus軟件實現。其仿真結果如圖2所示。
圖中電路分成上下兩個部分，上半部分電路是模10加法計數器，下半部分電路是模12減法計數器。兩個計數器電路相同之處是均由信號發生器（發出頻率為1Hz，電壓為0-+5V的方波信號）、同步可逆計數器74193、七段顯示譯碼器7448和七段共陰極數碼管構成。不同之處在于加法計數器采用累加計數，當計數器輸出由1001變成1010時，與門輸出為1，該信號接至清除端MR，使計數器狀態變成0000，因而其計數范圍是0000-1001，從而構成模10加法計數器。而減法計數器采用累減計數，初始設置端平時為1，電路開始工作時置入初態1111，然后開始減1計數，當計數器輸出由0100變為0011時，或門輸出由1變為0，該信號送至預置端PL，使計數器立即置入1111，因而其計數范圍是1111-0100，從而構成模12減法計數器。
3 結語
通過“下標計算法”能夠讓學生在進行邏輯函數表達式轉換時更加簡便快速、少犯錯誤。通過“趨勢分析法”能夠讓學生在同步時序邏輯電路的設計過程中，走好關鍵的第一步，形成正確的原始狀態圖。通過Proteus軟件仿真，能夠讓原本枯燥乏味的數字邏輯電路講解變得更加形象、生動和直觀。在教學過程中需要不斷地研究和嘗試新的教學方法和教學手段，以提高數字邏輯課程的教學效果，為學生學習后續專業課程以及為解決工程實踐中所遇到的數字系統問題打下堅實的基礎。
【參考文獻】
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數字邏輯電路范文6
1.引言
《數字電子技術》是高等學校通信工程、電子信息工程、自動化、電氣工程及自動化等專業的重要專業基礎課程[1]。隨著數字應用電子技術、數字系統的高速發展，以FPGA (Field Programmable Gate Array)和CPLD(Complex Programmable Logic Device)為代表的大規?？删幊踢壿嬈骷?Programmable Logic Device，PLD)的廣泛應用，使傳統“板上數字系統”被“片上數字系統”替代[2]。為適應數字電子技術的發展趨勢，對傳統《數字電子技術》教材內容進行了改革，在教材內容的安排和例題選用上，立足于應用型人才培養，以現代信息技術為依托，注重理論聯系實際，取得較好的應用效果。
2.教材改革的基本思路
隨著數字電子技術的快速發展，如何處理數字電子技術的經典內容與現代內容、傳統分析設計方法與現代分析設計方法之間的關系，是教材內容改革的重點。教材以“基礎知識器件原理器件應用器件仿真系統構建系統仿真”為主線，構建數字系統的知識框架。在教材內容組織上，將數字電子技術和數字系統有關知識融為一體，系統介紹數字電子技術與數字系統的基本分析方法和設計方法;在教材內容編寫上，以培養學生的應用能力和實踐能力為目的，采用案例式或項目式編寫思路，將理論知識和實際應用相結合，把突出知識的應用性和實踐性作為主要方向，做到理論和實踐并重，既強調理論基礎，又突出應用性。對于集成電路注重邏輯功能和使用方法介紹，增加EDA (Electronic Design Automation)技術基礎知識[3]，利用Multisim 軟件對部分電路進行功能仿真，并介紹VHDL語言、QuartusⅡ軟件的基本使用方法，利用VHDL語言設計部分數字電路，利用QuartusⅡ軟件進行仿真分析，適應現代電子技術飛速發展和應用的需要。
3.教材的主要特點
3.1 教材內容組織
按照教育部高等學校電子信息科學與電氣信息類基礎課程教學指導委員會對《數字電子技術基礎》課程教學的基本要求，對《數字電子技術》教材內容進行重新組織，將教材內容分為十章[4]。第一章介紹邏輯代數的基礎知識，主要包括各種數制、常用的編碼規則、邏輯代數的基本定理、邏輯函數的表示方法和化簡方法等。第二章介紹EDA技術的基礎知識，包括Multisim、VHDL語言、QuartusⅡ的基礎知識。第三章介紹分立門電路、集成門電路和可編程邏輯器件的特點，并介紹利用VHDL語言設計門電路的方法。第四章首先介紹組合邏輯電路的基礎知識，然后講解組合邏輯電路的應用，最后利用Multisim對組合邏輯電路進行功能仿真和設計分析，并介紹組合邏輯電路的VHDL語言設計方法。第五章介紹各種觸發器的功能和應用，并利用Multisim對觸發器進行功能仿真，介紹觸發器的VHDL語言設計方法。第六章介紹時序邏輯電路的分析方法和設計方法，介紹常用時序邏輯電路的功能和應用，并分別利用VHDL語言和Multisim進行功能描述和仿真。第七章介紹脈沖波形的產生與整形電路，重點介紹集成電路的應用。第八章介紹半導體存儲器的特點和應用。第九章介紹A/D轉換和D/A轉換的工作原理和主要技術指標，對集成DAC和ADC的基礎知識及應用進行簡單介紹，并利用Multisim對基本轉換電路進行功能仿真。第十章介紹數字系統設計的基本流程，通過3個實例介紹數字系統的不同設計方法。
3.2強調基礎理論
隨著數字電子技術的發展，數字電子技術已逐漸滲透到各個行業，《數字電子技術》課程作為高校電類專業的基礎課程，是學生走向數字化時代的第一門課程，也是某些高校相關專業的考研課程，其重要性不言而喻。教材編寫強調《數字電子技術》基礎知識的系統性、完整性，將邏輯代數基礎、組合邏輯電路分析與設計、時序邏輯電路的分析與設計等基礎知識作為教材核心內容，并結合部分高校相關專業《數字電子技術》研究生考試大綱的要求，增加部分教學內容。例如，在第六章“時序邏輯電路”中增加利用觀察法和隱含表法進行狀態化簡的內容，使學生能夠更容易掌握時序邏輯電路的傳統設計方法。
在教材內容編排上，反復訓練基礎理論知識，使學生更好地學習并掌握基礎理論知識，為進一步學習打下堅實的基礎。例如，第四章“組合邏輯電路”首先介紹組合邏輯電路的分析方法和設計方法，然后介紹常用集成組合邏輯電路的原理和應用，其中譯碼器、數值比較器按照組合邏輯電路的分析方法進行闡述，編碼器、數據選擇器、加法器按照組合邏輯電路的設計方法闡述，使教材內容循序漸進、深入淺出，適用于學生自學，有利于培養學生自主學習能力。
3.3突出實踐應用
在教材編寫過程中，注重學生對知識應用能力培養的需要，強調具體操作過程中學習理論基礎，將知識應用能力培養貫穿整本教材，突出教材知識的實踐應用性。在介紹集成電路時，刪除集成電路內部電路的分析，強調集成電路的邏輯功能和使用方法[5]，例如，介紹555定時器時，在簡單介紹555定時器的電路結構和工作原理的基礎上，以“觸摸式定時控制開關電路”、“雙音門鈴電路”等應用電路介紹555定時器的使用方法。
在第九章“數/模和模/數轉換器”中，以DAC0808、DAC 0832、AD7543為例介紹常用集成數/模轉換器的工作原理和使用方法，并分別給出DAC0832、AD7543與單片機AT89C51的接口電路，既加強與后續課程單片機、微機原理等的聯系[6]，又突出教材內容的應用性。3.4增加EDA技術知識
EDA是電子設計自動化(Electronic Design Automation)的縮寫，是從計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助測試(CAT)和計算機輔助工程(CAE)的概念發展而來的。教材第二章EDA技術基礎知識介紹了Multisim和QuartusⅡ兩種EDA工具的操作界面和使用方法，并介紹了VHDL語言的基本結構、數據對象、數據結構、操作符和基本語句結構，使學生借助EDA工具進行電路分析和設計。教材給出了74LS138、74LS153、74LS194、74LS160等常用集成電路的Multisim仿真電路和VHDL描述方法，并在第十章“數字系統設計”中，以“計數報警器”、“簡易交通燈控制器”、“函數信號發生器”為例，結合Multisim和QuartusⅡ軟件，詳細介紹簡單數字系統的設計過程，豐富教材內容。
4.結語
《數字電子技術》教材改革是一項長期工程，隨著數字電子技術的發展，必將對教材內容產生深刻影響。本教材于2012年10月由北京大學出版社作為“21世紀全國本科院校電氣信息類創新型應用人才培養規劃教材”出版，2013年12月被評為河南省“十二五”普通高等教育規劃教材。教材經過3年多的使用，得到了廣大師生的關注，收集了各方面建議和意見。為了更好地適應現代數字電子技術的發展和應用，需要對教材內容進行進一步改革。
