个人介绍
数字电子技术 谢芳森等
提供学校: 江西师范大学
院系: 物理与通信电子学院
专业大类: 电子信息类
专业: 电子信息工程、通信工程
课程英文名称: Digital Electronic Technique
课程编号: 260069
学分: 4
课时: 64
数字化是人类进入信息时代的必要条件,数字电子技术广泛应用于各个专业技术领域。从事各个行业的工程、科技人员都或多或少地要掌握一些数字电子技术的基本理论和技能,以推动本专业的数字化进程。
本课程主要面向物理与通信电子学院的电子信息工程专业、通信工程专业和光电信息科学与工程专业,数字电子技术是电子信息类等工科专业的专业基础课程。课程系统讨论脉冲与数字电路的分析与设计方法。课程的主要内容有:逻辑代数基础;门电路;组合逻辑电路;触发器;时序逻辑电路;脉冲波形的产生与整形;半导体存储器;可编程逻辑器件;模-数和数-模转换等。
教师团队

谢芳森 教授

单位:江西师范大学

部门:物理与通信电子学院

职位:电子系主任

袁文 教授

单位:江西师范大学

部门:物理与通信电子学院

职位:副院长

王一凡 副教授

单位:江西师范大学

部门:物理与通信电子学院

刘祝华 副教授

单位:江西师范大学

部门:物理与通信电子学院

教学大纲

 

一、课程概述 

(一)课程性质地位

    面向电子信息类各专业,目前主要面向物理与通信电子学院电子信息工程、通信工程和光电信息科学与工程等多个专业本科生开设的一门入门性质的技术基础必修课。课程具有自身的体系和特点,既有很强的基础性、系统性和科学性,又有很强的实践性、先进性。通过本课程的学习,使学生掌握数字电子技术方面的基础知识、基本理论,培养学生分析、解决数字逻辑问题的基本能力,为后续电子信息专业课程的学习打下良好的基础。 

(二)课程基本理念 

根据工科专业人才培养的特点,本课程在教学过程中将贯彻“注重基础,强调集成,突出应用”的理念,着力培养学生分析、解决数字电子技术问题的能力,将学生需要掌握的知识以多媒体和板书相结合、EDA仿真、设计范例式讲授、网络辅助等易于接受的多种方式进行讲授,最终激发学生的学习热情,培养一定的综合实践能力。

(三)课程设计思路

在课程内容安排上,本课程几乎涵盖了目前数字电子技术方面的所有知识点,如逻辑代数基础、逻辑门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、脉冲波形的产生与整形、半导体存储器和PLD、数-模和模-数转换等,通过这些内容的讲授,要求学生能够熟练掌握逻辑代数基础知识,以及组合和时序两大典型电路的基础理论与分析设计能力,并建立一定的利用最新器件、最新EDA技术和仿真平台设计数字逻辑电路的总体思路,同时注重激发学生的学习兴趣,培养一定的综合实践能力与创新意识。在教学实施过程中,根据不同教学内容的特点采取与之相适应的教学手段(如讲授、仿真演示、实验体验等)进行教学,提高教学效率。

在课程考核上,采取平时作业+研讨参与+期末考试相结合的方法,力图综合反映学生的知识掌握情况与学习能力及相关素质培养综合情况。

课程教学将紧密结合电子技术领域的最新发展趋势,将数字通信、数字计算机等领域的科研成果作为案例直接引入课堂,增强学生在实践中应用课程知识的能力。 

二、课程目标 

(一)知识与技能

本课程旨在使学生获得数字电子技术方面的基础理论、基本知识,掌握数字电路分析和设计的基本技能,从而具备应用数字电子技术的基本能力,同时掌握从电子技术专业角度分析、解决本专业领域的实际工程问题的思维方式和实际技能,为后续课程的学习和工程应用打下良好的基础。

 (二)过程与方法

在教学过程中,按照兼顾知识结构构建与设计分析能力培养的教学理念,精心组织教学内容。综合利用多媒体课件、板书、仿真演示、分组研讨等手段进行课堂教学,提高教学效率。同时积极开展启发式、案例式、研讨式教学,在课程考核中将理论与平时表现相结合,调动学生的学习积极性,提高学生的自主学习能力、分析问题能力和书面及口头表达能力。

(三)教书与育人

通过本课程的教学,除使学生获得必要的学科方面的基础知识、专业技能和分析解决实际问题的能力外,还将使他们加深对数字电子技术在当今信息化进程中地位的认识,增强他们应用所学知识与技能自信心。同时,力求通过课程各教学环节的严格要求和教育训练,培养学生一丝不苟、严谨求实的工作作风和独立思考、自主创新的科学精神。

 

三、内容要求与课时分配

第1章数制、码制与数字信号(2课时)

  [目的]:熟悉二进制数与其他数制的关系;掌握常用的二进制BCD码;掌握二进制数字信号的基本特点和传输的一般概念

    [要求]:熟悉二进制数与其他数制的关系;掌握常用的二进制BCD码;掌握二进制数字信号的基本特点和传输的一般概念

    [重点]:二进制BCD码,二进制数字信号的基本特点和传输的一般概念

    [难点]:二进制数字信号的基本特点和传输的一般概念

    [内容]:本章主介绍进位计数制、 数制转换、带符号数的代码表示、 数码和字符的代码表示、数字信号的形式与传输的概念

 

    1 进位计数制

       [要求]:掌握几种进位计数制

       [内容]:二进制数、八进制数、十六进制数和十进制数

 

    2 数制转换

       [要求]:掌握不同进制数之间相互转换的方法

       [内容]:二进制数与十进制数、八进制数、十六进制数、任意进制数之间的相互转换。

 

    3 带符号数的代码表示

       [要求]:掌握符号数的概念和应用

       [内容]:真数与机器数、原码、反码、补码、机器数的运算

 

    4 数码和字符的代码表示

       [要求]:掌握几种常用的BCD码、字符代杩、可靠性代码

       [内容]:十进制数的二进制编码、可靠性编码、字符代码

 

    5 数字信号的形式与传输的概念

       [要求]:掌握数字信号的形式、特点、主要参数、及传输的基本方式等概念

       [难点]:时钟脉冲与数字信号的并行传输与串行传输方式等概念

       [内容]:数字信号的波形、特点、主要参数、时钟脉冲与数字信号的并行传输与串行传输方式等概念

 

2逻辑函数基础(6课时)

    [目的]:逻辑函数基础知识是数字逻辑电路分析与设计的数学工具,掌握逻辑函数基本规律,并能正确应用这些规律

    [要求]:掌握逻辑代数的公式和定理、逻辑函数的表示方法、逻辑函数的化简

    [重点]:逻辑函数标准型及其物理意义,逻辑函数的化简方法与化简的目的

    [难点]:公式化简法、卡诺图化简法,Q-M表格法

    [内容]:本节主要讲述逻辑代数的基本知识、逻辑代数的基本规则、定律、定理、标准型,逻辑函数的化简的方法及其意义

 

    1 逻辑代数

       [目的]:学习逻辑代数的基本知识

       [要求]:掌握逻辑代数基本规律、逻辑函数与真值表的概念等

       [重点]:本节全是重点

       [内容]:逻辑变量与逻辑函数、基本逻辑运算、复合逻辑运算、逻辑函数与真值表、逻辑函数的相等

 

    2 逻辑代数的定律及规则

       [目的]:学习逻辑代数的基本定律和定理

       [要求]:掌握逻辑代数的基本定律、三个规则和常用公式

       [重点]:全是重点

       [内容]:逻辑代数的定律及规则、逻辑代数基本定律、逻辑代数的三个规则、逻辑代数的常用公式

 

    3 逻辑函数的化简

       [目的]:学习逻辑函数化简的基本知识

       [要求]:掌握逻辑函数化简的意义和主要化简的方法

       [重点]:逻辑函数的标准形式、卡诺图化简法等

       [内容]:逻辑函数的化简、逻辑函数的标准形式、逻辑函数的代数化简法、卡诺图化简法、逻辑函数的列表化简法

 

3逻辑门电路(8课时)

    [目的]:为逻辑电路分析与设计打下电路基础,门电路逻辑电路的单元电路,是构成各种逻辑电路基础,掌握种类型门电路主要技术参数和主要外部特性是正确应用的前提。

    [要求]:熟练掌握各种类型门的外部特性和主要技术参数、各种门电路的正确使用方法。

    [重点]:各种门电路的电压传输特性、带负载能力。OCLODL上拉电阻的计算等。

    [难点]OC门、OD门上拉电阻的计算、不同类型门电路之间电压匹配问题。

    [内容]:本章主要介绍数字电子技术课程的电路基础知识和基本单元电路。主要有门电路逻辑符号及其外部特性,简单逻辑门电路、复合逻辑门电路,正负逻辑问题,典型逻辑门电路及其主要参数,二极管门电路、 三极管逻辑非门;TTL集成逻辑门, 三态输出门,MOS逻辑门。

 

    1 概述

       [要求]:熟悉门电路的基本概念

       [内容]:门电路的概念、门的输入、输出逻辑值与电路高、低电平的对应关系等

 

    2 门电路逻辑符号及其外部特性

       [目的]:学习门电路逻辑符号及其外部特性

       [要求]:掌握常用逻辑门电路逻辑符号及其外部特征

       [重点]:全是重点

       [内容]:简单逻辑门电路、复合逻辑门电路、正负逻辑问题

 

    3 典型逻辑门电路及其主要参数

       [目的]:学习TTLCMOS逻辑门电路的基本知识

       [要求]:掌握TTLCMOS逻辑门电路工作原理和主要参数

       [重点]CMOS逻辑门、TTL逻辑门

       [内容]:二极管门电路、三极管逻辑非门、TTL集成逻辑门、三态输出门、MOS逻辑门

 

4组合逻辑电路(8课时)

    [目的]:学习组合逻辑电路的分析方法、设计方法;并能应用组合逻辑电路解决一些实际问题。

    [要求]:掌握组合逻辑电路的特点;掌握组合逻辑电路的分析方法与设计方法;

    [重点]:组合逻辑电路的分析方法与设计方法、常用MSI的应用

    [难点]:常用MSI组件的应用。

    [内容]:本章介绍组合逻辑电路的特点、组合逻辑电路的分析方法和设计方法、若干常用中规模组合逻辑电路(MSI)的工作原理和使用方法、组合逻辑电路中的竞争与冒险等。

 

    1 概述

       [目的]:了解组合电路的基本知识

       [要求]:掌握组合电路的基本概念

       [内容]:什么是组合逻辑电路、组合逻辑电路逻辑功能的描述

 

    2 组合逻辑电路的分析方法 编辑节

       [目的]:学习组合逻辑电路的分析方法

       [要求]:熟练掌握组合逻辑电路的分析方法

       [重点]:本节全是重点

       [内容]:组合逻辑电路的一般分析方法和应用举例

 

    3 若干常用组合逻辑电路

       [目的]:学习若干常用组合逻辑电路(MSI)

       [要求]:掌握常用组合电路模块,编码器、译码器、全加器、数据选择器和数值比较器等

       [重点]:译码器、数据选择器

       [难点]:编码器、数值比较器

       [内容]:编码器、译码器、全加器、数据选择器和数值比较器等的工作原理和具体应用。

 

    4 组合逻辑电路的设计

       [目的]:学习组合逻辑电路的设计方法

       [要求]:掌握组合逻辑电路的设计方法

       [重点]:应用中规模集成模块的的组合电路设计

       [内容]:采用小规模集成器件设计组合逻辑电路、采用中规模集成器件实现组合逻辑电路

 

    5 组合逻辑电路的竞争-冒险

       [目的]:学习组合逻辑电路的信号竞争导致冒险原因和消除方法

       [要求]:掌握组合逻辑电路的信号竞争和冒险消除方法

       [重点]:分析组合电路产生冒险原的因

       [难点]:冒险的消除

       [内容]:竞争-冒险的成因、判断是否存在险象的方法、消除竞争冒险方法

 

5触发器(6课时)

    [目的]:学习复杂数字系统中具有存贮记忆功能的逻辑单元

    [要求]:掌握各类触发器功能及动作特点、使用方法等

    [重点]:触发器功能、动作特点、波形的画法等

    [难点]:触发器动作特点、波形的画法等

    [内容]:触发器的基本概念、RS触发器的几种典型电路结构及工作原理和分析方法、简单应用,JK触发器的工作原理及波形分析等、主从JK触发器、主从JK触发器一次翻转现象、边沿JK触发器动作特点,D触发器电路结构与工作原理、边沿D触发器,T触发器的工作原理,各类触发器的转换。

 

    1 概述

       [目的]:学习触发器的基本概念

       [要求]:掌握触发器的工作特点和主要作用

       [内容]:触发器的基本知识、触发器是如何存贮二进制数的等

 

    2 RS触发器

       [目的]:学习RS触发器的工作原理和动作特点

       [要求]:掌握RS触发器的工作原理、特性方程、逻辑符号和动作特点

       [重点]:特性方程、逻辑符号和动作特点

       [难点]:动作特点的理解

       [内容]:基本RS触发器、时钟控制RS触发器、主从RS触发器、集成RS触发器、基本RS触发器的简单应用等

 

    3 JK触发器

       [目的]:学习JK触发器的基本知识

       [要求]:掌握JK触发器的工作原理、特性方程、逻辑符号、动作特点

       [重点]:特性方程、逻辑符号、动作特点

       [难点]:动作特点的理解

       [内容]:钟控JK触发器电路结构与工作原理、主从JK触发器、主从JK触发器一次翻转现象、边沿JK触发器动作特点

 

    4 D触发器

       [目的]:学习D触发器的基本知识

       [要求]:掌握D触发器的工作原理、特性方程、逻辑符号和动作特点

       [重点]:特性方程、逻辑符号和动作特点

       [难点]:动作特点的理解

       [内容]D触发器电路结构与工作原理、边沿D触发器

 

    5 T触发器

       [目的]:学习T触发器的基本知识

       [要求]:掌握T触发器的工作原理、特性方程、逻辑符号和动作特点

       [重点]:特性方程、逻辑符号和动作特点

       [难点]:动作特点的理解

       [内容]T触发器的工作原理、特性方程、逻辑符号和动作特点

 

    6 各类触发器的转换

       [目的]:学习触发器可以互为转换的基本原理和基本方法

       [要求]:掌握触发器可以互为转换的基本原理和基本方法

       [内容]JK触发器转换为其他触发器、D触发器转换为其他触发器

 

6时序逻辑电路(10课时)

    [目的]:学会时序逻辑电路分析与设计方法.

    [要求]:掌握时序逻辑电路的分析方法、设计方法;掌握常用MSI模块的应用,并能运用所掌握的知识解决实际问题。

    [重点]:时序电路分析、设计方法;中规模组件的应用

    [难点]:时序电路的设计

    [内容]:本章讲授时序逻辑电路的基本知识、同步时序逻辑电路的分析、 常用同步时序逻辑电路、 同步时序逻辑电路的设计、 中规模同步时序逻辑电路的分析和设计、 异步时序逻辑电路。

 

    1 概述

       [目的]:学习时序逻辑电路的基本知识

       [要求]:掌握时序逻辑电路的基本特点和主要概念

       [内容]:时序逻辑电路的基本特点和主要概念

 

    2 同步时序逻辑电路的分析

       [目的]:学习时序逻辑电路的分析方法

       [要求]:掌握各种不同类型的时序逻辑电路的分析方法和分析步骤

       [重点]:本节全是重点

       [难点]:画时序图

       [内容]:同步时序逻辑电路分析方法、同步时序逻辑电路的分析举例

 

    3 常用同步时序逻辑电路

       [目的]:学习寄存器、计数器的基本知识

       [要求]:掌握常用中规模时序逻辑电路寄存器、计数器等组件的基本知识和应用

       [重点]:计数器的应用

       [内容]:寄存器、计数器工作原理、特点、功能和具体的应用等

 

    4 同步时序逻辑电路的设计

       [目的]:学习时序逻辑电路的设计方法

       [要求]:掌握时序逻辑电路设计的一般方法和应用MSI组件的设计方法

       [重点]:应用MSI组件的设计方法

       [难点]:时序逻辑电路的一般设计方法

       [内容]:设计方法的一般步骤、小规模模块和中规模模块设计举例

 

    5 中规模同步时序逻辑电路的分析和设计

       [要求]:掌握中规模同步时序逻辑电路的分析和设计方法

       [内容]:计数器、寄存器的应用举例

 

    6 异步时序逻辑电路

       [目的]:学习异步时序电路的基本知识

       [要求]:熟悉异步时序电路分析方法和设计方法

       [难点]:分析和设计都比较复杂

       [内容]:脉冲异步时序逻辑电路、电平异步时序逻辑电路分析等

 

7脉冲波形的产生与整形(6课时)

    [目的]:学习常用的脉冲波的发生电路、脉冲波形的变换电路

    [要求]:掌握由555TTLCMOS门电路组成多谐振荡器、单稳态电路、施密特触发器的分析和相关参数计算;波形画法等。

    [重点]:三种电路主要参数的计算和输出波形的画法

    [难点]:三种电路中输出波形的画法。

    [内容]:本章介绍用于产生矩形脉冲的各种电路的工作原理、参数计算、波形画法和主要应用等,脉冲整形电路有单稳态电路、施密特触发器等;多谐振荡器则是自己产生矩形脉冲。

 

    1 概述

       [目的]:学习脉冲波形的产生与整形的基本知识

       [要求]:掌握脉冲波形的的基本概念和主要参数

       [内容]:脉冲波形的的基本概念和主要参数

 

    2 单稳态触发器

       [目的]:学习单稳态触发器的基本知识

       [要求]:掌握单稳态触发器的工作原理和主要参数的计算

       [重点]:单稳态触发器主要参数计算和电路各点的输出波形画法

       [难点]:单稳态触发器电路各点的输出波形画法

       [内容]:不同结构单稳态触发器的工作原理、波形画法和主要参数的计算;单稳态触发器的主要应用等

 

    3 多谐振荡器

       [目的]:学习多谐振荡器的基本知识

       [要求]:掌握多谐振荡器工作原理、输出波形的画法和主要参数计算等

       [重点]:多谐振荡器输出波形的画法和主要参数的计算

       [难点]:多谐振荡器输出波形的画法

       [内容]:不同结构多谐振荡器的工作原理、输出波形的画法和主要参数计算等

 

    4 施密特触发器

       [目的]:学习施密特触发器的基本知识

       [要求]:掌握施密特触发器的工作原理和主要参数的计算

       [重点]:施密特触发器主要参数计算

       [内容]:几种常用的施密特触发器的工作原理、主要参数的计算、输出波形的画法

 

    5 555定时电路及其应用

       [目的]:学习555定时电路的基本知识

       [要求]:掌握555定时电路工作原理、主要应用

       [重点]555定时电路构成施密特电路、单稳态电路和多谐振荡器

        [内容]555定时电路构成施密特电路、单稳态电路和多谐振荡器及其主要参数的计算和实际应用举例

 

8半导体存储器(4课时)

    [目的]:学会半导存贮器ROMRAM的应用方法

    [要求]:掌握半导体存贮器ROMRAM基本结构,掌握字扩展、位扩展的方法、半导体存贮的使用方法。

    [重点]ROMRAM的应用方法、字扩展、位扩展的方法

    [难点]:不同类型ROMRAM单元结构的工作原理

    [内容]:概述:半导体存储器的特点与应用、半导体存储器的分类;只读存储器(ROM):定制只读储器、一次性可编程只读储器、可擦除的可编程只读存储器;随机存储器(RAM)RAM的结构、RAM存储单元、RAM存储容量的扩展等。

 

    1 概述

       [要求]:掌握半导体存贮器的基本概念和基本知识

       [内容]:半导体存贮器的基本概念和基本知识

 

    2 只读存储器(ROM)

       [目的]:学习只读存储器基本知识和应用方法

       [要求]:掌握只读存储器(ROM)基本结构和基本应用方法

       [重点]:位扩展和字扩展的方法

       [内容]:介绍只读存储器(ROM)的基本结构、存贮数据的基本原理、PROMEPROMEEPROM的特性和使用方法、ROM字扩展和位扩展的方法等实用性很强的内容。

 

    3 随机存储器(RAM)

       [要求]:熟悉随机存储器(RAM)/写方法,扩容方法;使用方法

       [内容]:静态随机存储器;动态随机存储器;字扩展与位扩展等

 

9 D/AA/D转换器及应用 (6课时)

    [目的]:学习D/A转换器、A/D转换器的工作原理和应用

    [要求]:掌握D/A转换器、A/D转换器的基本工作原理、应用方法、两种转换器精度的计算方法

    [重点]:应用方法和转换精度的计算方法

    [难点]:积分型A/D转换器的工作原理

    [内容]:概述、D/A转换器:权电阻网络D/A转换器、倒T型电阻网络D/A转换器、 权电流型D/A转换器、D/A转换器的主要技术参数、常用D/A器件及应用; A/D转换器:A/D转换原理、取样-保持电路、并联比较型A/D转换器、反馈比较型A/D转换器、双积分型A/D转换器、 A/D转换器的主要技术参数、常用A/D器件及应用

 

    1 概述

       [要求]:掌握D/AA/D转换电路的基本知识

       [内容]:介绍D/AA/D转换电路的基本概念和基本知识

 

    2 D/A转换器

       [要求]:掌握D/A转换器的基本原理,熟悉D/A转换器精度计算方法及影响的因素

       [重点]D/A转换器的精度的计算,集成D/A转换器的使用方法

       [内容]:权电阻网络D/A转换器、倒T型电阻网络D/A转换器、权电流D/A转换器、D/A转换器精度与转换速率

 

    3 A/D转换器

       [要求]:掌握A/D转换器的工作原理,熟悉A/D转换器转换精度的计算方法、常见的A/D转换器的特点

       [重点]A/D转换器转换精度的计算方法、常见的A/D转换器的特点、转换速率与适用范围等

       [内容]A/D转换器的基本原理、采样-保持电路、并联比较型A/D转换电路、反馈比较型A/D转换电路、双积分型A/D转换电路、V-F变换型A/D转换电路

 

10可编程逻辑器件的现代数字系统设计(4课时)  

    [目的]:学习CPLD的基本知识,了解可编程逻辑器件编程应用的基本方法,为后续课程“可编程逻辑器件”打下基础

    [要求]:了解CLPD的基本结构和不同类型器件可用资源情况,熟悉Quartus II使用方法。

    [重点]:不同类型CPLD器件可用资源情况,QuartusII使用方法。

    [难点]:不同类型器件CPLD内部结构和可用资源情况

    [内容]:概述:传统数字系统设计方法存在的问题、基于PLD的现代数字系统设计流程、传统与现代数字系统设计方法比较、可编程逻辑器件、PLD电路简介、通用陈列逻辑GAL、复杂可编程逻辑器件CPLD、现场可编程门陈列FPGA PLD的编程与配置;Quartus II使用方法:Quartus II简介、原理图输入设计、HDL输入设计;数字电路的PLD设计:组合电路的PLD通用设计方法、时序电路的PLD通用设计方法、FPGA中嵌入式存储器的使用

 

    1 概述

       [要求]:掌握可编程逻辑器件的现代数字系统设计的基本概念和基本知识

       [内容]:可编程逻辑器件的现代数字系统设计的基本概念和基本知识

 

    2 可编程逻辑器件

 

    3 Quartus II使用方法

 

    4 数字电路的PLD设计

 

11数字系统综合设计(4课时)  

    [目的]:学习CPLD几种实际应用的方法

    [要求]:掌握二到三种应用CLPD解决实际问题的方法

    [内容]810进制频率计设计:测频原理、时序控制电路设计、810进制计数器设计、32位寄存器设计、整体电路设计与测试;简易正弦信号发生器设计;设计原理、定制ROM及其初始化、整体电路设计与测试;电压表的设计——A/D转换器的应用:数字电压表的基本组成、数字电压表的主要技术指标、设计方案比较、液晶显示电压表的电路设计;射频监视切换器:射频监视切换器的设计要求、设计方案比较、单元电路设计、元件选择与参数计算、总体电路设计。

 

    1 810进制频率计设计

 

    2 简易正弦信号发生器设计

 

    3 电压表的设计——A/D转换器的应用

 

    4 射频监视切换器


课程特色

“数字电子技术”是电子课程的主干课程之一,是电子信息工程、通信工程等工科专业本科学生必修的专业基础课。本课程的任务是使学生获得数字电子技术的基本理论及数字逻辑电路的分析和设计方法,培养学生分析问题和解决问题的实际能力,为后续多门专业基础课程的学习打好基础。学生通过这门课的学习,旨在掌握数字电子技术理论知识,提高数字电子电路设计能力,增强动手实践能力。课程内容主要包括数字逻辑基础、逻辑门电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路、脉冲信号产生与整形、半导体存储器、可编程逻辑器件和模数/数模转换这几大部分。

“数字电子技术”是电子信息类学生必修的一门技术主干课,对电子技术类人才的培养具有重要意义。具体特色表现在以下五个方面:

1、精心设计教学内容,积极探索教学改革。对“数字电子技术”专业基础课程的总体教学计划多次进行了较大调整,大力开展教学改革研究,2005年就开始了“数字电子技术”课程一体化的教学研究,并在本院工程技术类本科课程学习中推行“课堂-实验-设计一体化”的教学改革试点工作,并向工科专业的主干课程进行推广,同时积极推行研讨式、探究式教学方式。

2、大力加强教学与实验的结合,理论与实践的结合。在课程教学及实验教学工作中引入EDA软硬件进行教学示例演示,积极开展“数字电子技术”课程设计的“项目式管理”工作,理论联系实际,建立学生的感性认识,激发和培养学生的学习兴趣,引导他们进行实践阶段学习,鼓励学生实验创新。

3、坚持教学科研相结合,努力提高师资队伍素质。课程紧密联系科研实践,努力将科研实践中的经验体会带到教学中去,实现“科研成果进课堂”;另一方面,教学内容又进一步指导科研实践,使得“知其所以然”。本课程培养和确定了一支相对稳定的高水平的集课程授课、辅导和实验指导为一体的专业教师队伍,教师队伍的总体素质得到显著提高。

4、激励名师授课,提高教学质量。在创新人才培养过程中,通过有效激励和制度约束,推动教授、名师登上本科生讲台。教授、名师具有引领、前瞻的思想高度,有兼容科学与人文的深厚底蕴,融科学研究和教学为一体,集学术水平、教学水平于一身,能够紧密联系学科发展及经济社会发展走向,赋予教学与训练方法以科学研究特色,创造性地从事教学工作。

5、积极引导学生参与科研。鼓励教师指导学生学习和参与其实际科研项目的积极性,适当减少课堂教学时数,将腾出来的工作量用于个人辅导,使师生有足够的时间去钻研。    

本课程主要依据《数字电子技术基础》教学大纲,以本院教师谢芳森、刘祝华等编写的《数字电子技术》(电子工业出版社)为教材,以清华大学阎石教授编写的《数字电子技术基础》(高等教育出版社)及Thomas L. Floyd编著的《Digital Fundamentals 》等英文原版教材等为参考资料来展开教学任务。授课过程中汲取了众多国内外参考书和资料中的精华,并结合本课题组多年来在电路与系统方向的教学、科研实践经验,旨在建设一门高质量的本科专业基础课程。

根据本课程工程性和实践性很强的特点,培养学生在数字电路方面的实际动手能力是其重要任务。因此,本课程除64学时的课堂教学外,另外安排单独安排了1个学分的实验和课程设计,与课堂教学同步进行。

教学方法

课程组按照人才培养目标和课程教学要求,通过广泛调研和调查论证,对课程的教学内容进行了整合优化。课程组大胆进行了新的教学方法和教学手段探索,取得了很好的教学效果。数字电子技术课程早在2005年即在我院工科专业进行了“课堂-实验-设计一体化”模式和“精讲多练”教学实践,经过多年的摸索和经验积累,目前该教学方式已基本形成。我们一般采用“讲”2/3学时,“练”(包括课堂练习、课堂研讨、课后作业、配套练习等方式)1/3学时的方式,将讲练结合,同时利用课外时间,多角度开设课程讲座,拓宽学生的学习视野,开展“启发性”、“探究性”教学。以往高等院校的基础课教学都是以“讲授型”教学为主,即教授在讲台上讲解,学生在下面记录,极少进行交流和讨论,课堂教学缺乏互动性,最后结课考察多采取闭卷考试的形式。这种“灌输型”教学模式的缺陷在于:第一、忽视了学生的主动性、创造性能力的培养,学生的自主学习特点不能很好地体现出来;第二、极易造成“权威”印象,即教授讲的,书上写的绝对没错,让学生不敢置疑,从而缺乏学习的能动性;第三、缺乏理论与实践的具体结合,学生对知识点的理解多浮于表面,不能进行深入体会。而通过多种教学方法的运用,使学生由被动的继承式学习为主动的创造性的学习,教学效果得到明显提高。

在教学过程中,课程组大量应用了电子教案,通过wordpowerpoint等软件代替了原来大量的板书,节省了教师和学生的时间,使教师可以集中精力传授教学内容。同时,因为电子教案在课前已经放到教学辅助网站上,学生可以下载打印,所以节省了学生大量的记笔记的时间,课前可以根据教案复习,在课堂上可以专心听讲,提高听课效率。我们还利用很多EDA软件以及自己设计的演示程序,通过生动形象的演示加强学生对教学内容的理解。同时,我们认为,电子教案应该是为教学服务的,是教学手段的一个必要的补充,所以我们也没有完全抛弃黑板,教师有时可以在黑板上完成一些公式和例题的推导,在这些方面黑板教学有其独特的魅力。通过多种教学方式,教师可以根据教学实际情况灵活调整教学内容,促进教和学之间的交流。同时,我们将科研成果引入到教学环节,加强了学生理论联系实际能力和创新能力的培养。

课程组本着“强调基础、拓宽专业、突出创新”的原则,充分发挥开放性实验室和电子创新基地的实践作用,对原有以验证实验为主的实验内容进行了改革,将验证性实验改为以虚拟仿真实验为主,以原理理解为目的;增加综合性、设计性实验,培养学生的创新精神和实际工作能力;因材施教,层层步进,有效地培养了学生的创新思维和独立分析问题、解决问题的能力。

课程组将讲解式、对比式、讨论式、启发式、习题课等多种教学方法有机融合在一起;每次课后都留作业,每章结束时收作业并批改,并打分,在课堂上集中讲解作业中的问题;在课程的考核方式上,采用了多方面综合评分的方法,淘汰了“一考定乾坤”的考核方式,强调平时作业和实验教学,期终卷面考试成绩仅占总成绩70 %;提高了学生动手能力及分析和解决问题的能力。


参考教材

1、谢芳森,刘祝华,徐林编著。数字电子技术,电子工业出版社,2012年。

2、清华大学电子教研组编,阎石主编。数字电子技术基础(第五版),高教出版社,1998年。

3、Thomas L. Floyd编著,Digital Fundamentals (英文影印版),科学出版社,2003年

自编教材

1、谢芳森主编,刘刚,袁文,王建模等编,数字与逻辑电路。 电子工业出版社,2004年。

2、谢芳森,刘祝华,徐林编著,数字电子技术。电子工业出版社,2012年。




课程设计

数字电子技术课程设计包括选择课题、电子电路设计、组装、调试和编写总结报告等教学环节。

一、       电子电路的设计方法

在设计一个电子电路系统时,首先必须明确系统的设计任务,根据任务进行方案选择,然后对方案中的各部分进行单元电路的设计、参数计算和器件选择,最后将各部分连接在一起,画出一个符合设计要求的完整的系统电路图。

1.      明确系统的设计任务要求

对系统的设计任务进行具体分析,充分了解系统的性质、指标、内容及要求,以便明确系统应完成的任务。

2.      方案选择

这一步的工作要求,是把系统要完成的任务划分成若干个单元电路,并画出一个能表示各单元功能的整体原理框图。

方案选择的重要任务,是根据掌握的知识和资料,针对系统提出的任务、要求和条件,完成系统的功能设计。在这个过程中要敢于探索、勇于创新,力争做到设计方案合理、可靠、经济、功能齐全、技术先进。并且对方案要不断进行可行性和优缺点的分析,最后设计出一个完整框图。框图必须正确反映系统应完成的任务和各组成部分的功能,清楚表示系统的基本组成和相互关系。

3.      单元电路的设计、参数计算和器件选择

根据系统的指标和功能框图,明确各部分任务,进行各单元电路的设计、参数计算和器件选择。

1)       单元电路设计

单元电路是整体电路的一部分,只有把各单元电路设计好才能提高整体设计水平。

每个单元电路设计前都需明确本单元电路的任务,详细拟定出单元电路的性能指标,与前、后级单元之间的关系,分析电路的组成形式。具体设计时,可以模仿成熟的、先进的电路,也可以进行创新或改进,但都必须保证性能要求。而且,不仅单元电路本身要设计合理,各单元电路间也要互相配合,注意各部分的输入信号、输出信号和控制信号的关系。

2)       参数计算

参数计算时,元器件的工作电流、电压、频率和功耗等参数应能满足电路指标的要求; 器件的极限参数必须留有足够裕量,一般应大于额定值的 1.5 倍; 电阻和电容的参数应选计算值附近的标称值。

3)       器件选择

①阻容元件的选择:电阻和电容种类很多,正确选择电阻和电容是很重要的。不同的电路对电阻和电容性能要求也不同,有些电路对电容的漏电要求很严,还有些电路对电阻、电容的性能和容量要求很高。例如,滤波电路中常用大容量(100μF~3000μF) 铝电解电容,为滤掉高频,通常还需并联小容量(0.01μF~0.1μF) 瓷片电容。设计时要根据电路的要求选择性能和参数合适的阻容元件,并要注意功耗、容量、频率和耐压范围是否满足要求。

②分立元件的选择:分立元件包括二极管、晶体三极管、场效应管、光电二( )极管、晶闸管等。设计时要根据其用途分别进行选择。

选择的器件种类不同,注意事项也不同。例如选择晶体三极管时,首先注意是选择NPN型还是PNP 型管,是高频管还是低频管,是大功率管还是小功率管,并注意管子的参数PCMICMBVCEOBVEBOICBOfT fe 是否满足电路设计指标的要求,高频工作时,要求fT= (5 ~10)ff 为工作频率。

③集成电路的选择:由于集成电路可以实现很多单元电路甚至整机电路的功能,所以选用集成电路来设计单元电路和总体电路既方便又灵活,它不仅使系统体积缩小,而且性能可靠,便于调试及运用。

集成电路有模拟集成电路和数字集成电路之分。国内外已生产出大量集成电路,器件的型号、原理、功能、特性可查阅有关手册。选择的集成电路不仅要在功能和特性上实现设计方案,而且要满足功耗、电压、速度、价格等多方面的要求。

4.      电路图的绘制与仿真

为详细表示设计的整体电路及各单元电路的连接关系,设计时需绘制完整电路图。电路图通常是在系统框图、单元电路设计、参数计算和器件选择的基础上绘制的,它是组装、调试和维修的依据。绘制电路图时要注意以下几点:

1)       布局合理、排列均匀、图面清晰、便于看图、有利于对图的理解和阅读。

有时一个总电路由几部分组成,绘图时应尽量把总电路面在一张图纸上。如果电路比较复杂,需绘制几张图,则应把主电路画在同一张图纸上,而把一些比较独立或次要的部分画在另外的图纸上,并在图的断口两端做上标记,标出信号从一张图到另一张图的引出点和引入点,以此说明各图纸在电路连线之间的关系。

2)       注意信号的流向。一般从输入端或者信号源画起,由左至右或者由上至下地按照信号的流向,依次画出各单元电路,而反馈通路的信号流向则与此相反。

3)       图形符号要标准,图中应加适当的标注。图形符号用来表示器件的项目或概念,电路图中的中、大规模集成电路器件,一般用方框表示,在方框中标出它的型号,在方框的边线两侧标出每根线的功能名称和管脚号。除中、大规模器件外。其余元器件符号应当标准化。

4)       连接线应为直线,并且交叉和折弯应最少。通常连接线可以水平布置或垂直布置,一般不画斜线。互相连通的交叉线,应在交叉处用圆点表示。根据需要,可以在连接线上加注信号名或其他标记,表示其功能或其去向。有的连线可用符号表示,例如器件的电源一般标电源电压的数值等。

利用EDA软件(如MultisimAltium Designer等)绘制电路图,并对电路进行前期的测试与仿真,是很重要的一个环节。通过软件仿真,可以初步验证电路设计的正确性,并可对元器件参数进行调整。当然,设计的电路是否能满足设计要求,最终还必须通过组装、调试进行验证。

二、       电子电路的组装、调试

电子电路设计好后,便可进行组装、调试,最后对课题内容进行全面总结。

1.          电子电路的组装

电子技术基础课程设计中,组装电路通常采用万能板焊接或在面包板上插接两种方式。焊接组装可提高学生焊接技术,但器件可重复利用率低。在面包板上组装,元器件便于插接且电路便于调试,并可提高器件重复利用率。组装电路时应注意:

1)         插接集成电路时,应使用底座,并且要认清集成电路方向,不要倒插,所有集成电路的插接方向要保持一致,注意管脚不能弯曲。

2)         根据电路图的各部分功能确定元器件在电路板上的位置,尽量按信号的流向将元器件顺序地连接,以易于调试。

3)         元器件之间建议用导线连接。导线直径应和万能板(或面包板)的插孔直径相一致,过粗会损坏插孔,过细可能导致接触不良。为调试电路的方便,根据不同用途,导线可以选用不同的颜色。一般习惯是正电源用红线,负电源用蓝线,地线用黑线,信号线用其他颜色的线即可。连接用的导线要求紧贴在电路板上,避免接触不良。连线不允许跨接在集成电路上,一般从集成电路周围通过,尽量做到横平竖直,这样便于查线和更换器件。

组装电路时,电路之间要共地。正确的组装方法和合理的布局,不仅使电路整齐美观,而且能提高电路工作的可靠性,便于检查和排除故障。

2.          电子电路的调试

电路的调试通常有两种方法,一种是采用边安装边调试的方法。把一个总电路按框图上的功能分成若干单元电路分别进行安装和调试,在完成各单元电路调试的基础上逐步扩大安装和调试的范围,最后完成整体电路调试。对于新设计的电路,此方法既便于调试,又可及时发现和解决问题。该方法适于课程设计中采用。

另一种方法是整体电路安装完毕,实行一次性调试。这种方法适于定型产品。不建议在课程设计中采用。

调试时应注意做好调试记录,准确记录电路各部分的测试数据和波形,以便于分析和运行时参考。一般步骤如下:

1)      通电前检查

电路安装完毕,首先直观检查电路各部分接线是否正确,检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路或断路,器件有无接错。

2)      通电检查

接入电路所要求的电源电压,观察电路中各部分器件有无异常现象。如果出现异常现象(异响、冒烟等),则应立即切断电源,待排除故障后方可重新通电。

3)      单元电路调试

在调试单元电路时应明确本部分的调试要求。按调试要求测试性能指标和观察波形。调试顺序按信号的流向进行。这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号,为最后的整体联调创造条件。电路调试包括静态和动态调试,通过调试掌握必要的数据、波形、现象,然后对电路进行分析、判断、排除故障,完成调试要求。

4)      整体电路联调

各单元电路调试完成后就为整体电路调试打下了基础。整体电路联调时应观察各单元电路连接后各级之间的信号关系。主要观察动态结果,检查电路的性能和参数,分析测量的数据和波形是否符合设计要求,对发现的故障和问题及时采取处理措施。

电路调试时一旦出现故障,可按下述8种方法进行:

1)      信号寻迹法

寻找电路故障时,一般可以按信号的流向逐级进行。从电路的输入端,加入适当的信号,用示波器或电压表等仪器逐级检查信号在电路内各部分传输的情况,根据电路的工作原理分析电路的功能是否正常,如果有问题,应及时处理。调试电路时也可从输出级向输入级倒推进行。信号从最后一级电路的输入端加入,观察输出端是否正常,然后逐级将适当信号加入前面一级电路输入端,继续进行检查。这里所指的“适当信号”是指频率、电压幅值等参数应满足电路要求,这样才能使调试顺利进行。

2)      对分法

把有故障的电路分为两部分,先检测这两部分中究竟是哪部分有故障,然后再对有故障的部分对分检测,一直到找出故障为止。采用“对分法”可减少调试工作量。

3)      分割测试法

对于一些有反馈的环形电路,如振荡器、稳压器等电路,它们各级的工作情况互相有牵连,这时可采取分割环路的方法,将反馈环去掉,然后逐级检查,可更快地查出故障部分。对自激振荡现象也可以用此法检查。

4)      电容旁路法

如遇电路发生自激振荡或寄生调幅等故障,检测时可用一只容量较大的电容器并联到故障电路的输入或输出端,观察对故障现象的影响,据此分析故障的部位。在放大电路中,旁路电容失效或开路,使负反馈加强,输出量下降,此时用适当的电容并联在旁路电容两端,就可以看到输出幅度恢复正常,也就可断定旁路电容的问题。这种检查可能要多处试验才有结果,这时要细心分析可能引起故障的原因。这种方法也可用来检查电源滤波和去耦电路的故障。

5)      对比法

将有问题的电路的状态、参数与相同的正常电路进行逐项对比。此方法可以较快地从异常的参数中分析出故障。

6)      替代法

把已调试好的单元电路代替有故障或有疑问的相同的单元电路(注意共地) ,这样可以很快判断故障部位。有时元器件的故障不很明显,如电容器漏电、电阻变质、晶体管和集成电路性能下降等,这时用相同规格的优质元器件逐一替代实验,就可以具体地判断故障点,加快查找故障点的速度,提高调试效率。

7)      静态测试法

故障部位找到后,要确定是哪一个或哪几个元件有问题,最常用的就是静态测试法和动态测试法,静态测试是用万用表测试电阻值、电容器漏电、电路是否断路或短路、晶体管和集成电路的各引脚电压是否正常等。这种测试是在电路不加信号时进行的,所以叫静态测试。通过这种测试可发现元器件的故障。

8)      动态测试法

当静态测试还不能发现故障原因时,可以采用动态测试法。测试时在电路输入端加上适当的信号再测试元器件的工作情况,观察电路的工作状况,分析、判别故障原因。

组装电路要认真细心,要有严谨的科学作风。安装电路要注意布局合理,调试电路要注意正确使用测量仪器,系统各部分要“共地”,调试过程中不断跟踪和记录观察的现象、测量的数据和波形。通过组装调试电路,发现问题、解决问题,提高设计水平,圆满地完成设计任务。

三、       课程设计总结报告

撰写课程设计的总结报告,是对学生写科研论文和科研总结报告能力的训练。通过撰写报告,不仅把设计、组装、调试的内容进行全面总结,而且把实践内容上升到理论高度。

总结报告应包括以下几方面内容:

     课题名称;

     设计内容及要求;

     比较和选定设计的系统方案,画出系统框图;

     单元电路设计、参数计算和器件选择;

     画出完整的电路图以及仿真测试结果,并说明电路的工作原理;

     电路的组装及调试,具体包括:使用的主要仪器和仪表,调试电路的方法和技巧,测试的数据、波形,并与计算和仿真结果的比较分析,调试中出现的故障、原因及排除方法等;

     总结设计电路的特点和方案的优缺点,指出课题的核心及实用价值,提出改进意见和展望,通过课程设计所取得的收获及体会等;

     列出系统需要的元器件;

     列出参考文献。

热点问题

传统的基于LSI、MSI的数字系统设计方法,整个设计流程基于手工完成,讲究严格的设计步骤、电路的结构细节(如门电路的连接,触发器的选型等)、要求写出逻辑函数、进行卡诺图化简、分清是组合电路设计还是时序电路设计。在面对现代数字产品及其开发的要求时,传统的数字系统设计方法暴露出许多问题:例如开发周期长、设计效率低,产品的设计规模小、工作速度低,而且产品往往体积大、功耗高、可靠性低,后期电路调试分析方法也无法满足大规模电路分析要求,在电路功能升级及知识产权保护方面,传统的设计方法也不能提供有效的解决方案。

上世纪90年代,国际上电子技术和计算机技术发展先进的国家,一直在积极探索新的电子电路设计方法,在设计方法、设计工具等方面进行了彻底的变革,并获得了巨大的成功。基于可编程逻辑器件PLDProgramable Logic Device)的现代数字系统设计,已经得到了广泛的普及,同时为数字系统设计带来了极大的灵活性。PLD可以通过软件开发工具对其内部结构和工作方式进行重构,使得硬件设计可以如同软件设计一样方便快捷。这一切都极大地改变了传统数字系统的设计方法、设计过程和设计观念,促进了EDAElectronic Design Automation)技术的迅速发展。基于PLD的现代数字系统设计方法,不再严格区分是组合电路还是时序电路,设计者不必关心是否使用、如何使用、用多少、用什么类型的触发器,更不必写逻辑函数或化简等,而只需要描述出设计对象的功能特征和行为方式,给出对设计电路的特定要求(如速度、资源等情况),这一切都可借助强大的EDA设计软件来完成。

作为现代电子系统设计的重要手段,可编程逻辑器件(CPLD/FPGA)有着广泛的应用领域。例如,高速数据采集(视频的编、解码等),各类通信接口及存储器接口的设计,混合电平(LVDSHSTLLVTTL等)环境下复杂电路的设计等。另外,在汽车电子领域(如网关控制器/车用PC机、远程信息处理系统)、军事领域(如安全通信、雷达和声纳、电子战等)、测试和测量领域(如通信测试和监测、半导体自动测试设备、通用仪表等)、消费电子领域(如显示器、投影仪、数字电视和机顶盒、家庭网络等)、以及医疗产品领域(如电疗、生命科学等),可编程逻辑器件(CPLD/FPGA)同样有着广泛的应用。

作为电子信息类专业的学生,在学习传统数字电路设计方法的基础上,必须进一步去掌握可编程逻辑器件(CPLD/FPGA)的现代数字系统设计方法。学习过程中,一定要去了解和掌握与CPLD/FPGA相关的背景知识,同时要努力学好一门硬件描述语言(VHDLVerilog HDL等),并且树立现代电子系统设计中处理器+存储器+外设=系统的观念。只要你勤于动手、有一定的创新精神,一定会成为21世纪一名优秀的电子工程师。



教学研究

1、<数字电路>课程一体化教学模式的研究,2005年省级教改项目,并于2007年结题。


教学效果

课程评价

教学资源
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1.1 概述
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1.2 进位计数制
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1.3 数制与转换
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1.4 带符号数的代码表示
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1.5 数码和字符的代码表示
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1.6 习题
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2.1 逻辑代数
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2.2 逻辑代数的定律及规则
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2.3 逻辑函数的化简
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2.4 习题
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3.1 概述
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3.2 门电路逻辑符号及其外部特性
视频
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2016-12-26 154.99MB
 
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3.3 典型逻辑门电路及其主要技术参数
视频
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3.4 习题
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4.1 概述
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4.2 组合逻辑电路的分析方法
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4.3 常用组合逻辑电路
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视频
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4.4 组合逻辑电路的设计方法
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视频
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视频
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4.5 组合逻辑电路的竞争与冒险
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4.6 习题
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5.1 概述
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视频
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5.2 RS触发器
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5.3 JK触发器
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5.4 D触发器
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5.5 T触发器
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5.6 各类触发器的转换
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5.7 习题
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6.1 概述
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6.2 同步时序逻辑电路的分析
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6.3 常用同步时序逻辑电路
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6.4 同步时序逻辑电路的设计
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视频
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视频
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6.5 中规模同步时序逻辑电路的分析和设计
视频
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6.7 习题
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7.1 概述
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7.2 单稳态触发器
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7.3 多谐振荡器
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7.4 施密特触发器
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7.5 555定时电路及其应用
视频
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7.6 习题
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8.1 概述
视频
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8.2 只读存储器(ROM)
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8.3 随机存储器(RAM)
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8.4 习题
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9.1 概述
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9.2 D/A转换器
视频
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9.3 A/D转换器
视频
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2016-12-26 216.09MB
 
视频
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9.4 习题
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