学文网数字电路与逻辑设计例1
作者简介：张丽（1981-），女，江苏南通人，南通农业职业技术学院机电系，讲师。（江苏 南通 226007）
中***分类号：642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）26-0051-02
“数字电路与逻辑设计”是机电专业中的一门专业基础课，它的特点是逻辑性、实践操作性强。它的先导课程有“电路分析”、“模拟电子技术”和“protel99SE”，后续课程有“单片机技术”、“家电原理”和“电子测量技术”，在整个学科体系中起着承前启后的重要作用。
一、“数字电路与逻辑设计”课程设计的理念
以职业能力培养为出发点，应遵循“手脑并用”、“做学合一”、“理论与实际并行”、“知识与技能并重”的教学原则，突出以“能力为本位”的课程模式，以应用和就业为导向，以培养职业技能为目的。以学生为主体，教师为主导，才能充分发挥学生的自主学习积极性。把握学生的认知过程和接受能力的规律，注重对学生创新意识和创新能力、综合意识与综合能力、实践意识与实践能力的培养。以理论联系实际为指导，重点提升学生运用知识的能力，使之养成良好的学习习惯，把握行为引导法促进学生能力提升的发展性教育理念。
二、高职教育及高职学生的特点
高职学生的特点是基础知识薄弱、理论学习困难、学习情绪化、对感兴趣的事物接受能力强。
高职教育的特点是面向岗位群，机电专业面向的岗位主要有：
生产现场操作及维修岗位：要求具有机电产品生产现场的工艺实施能力；机电工具设备的使用与操作能力；对机电产品进行装配、检测与调试的能力；要求仪表的使用、计算机测试、系统分析或产品故障分析的技术能力要强。
机电产品、设备安装及调试岗位：能够对机电设备进行安装、调试、运行管理与设备维护，并能对一般控制系统进行维护与改造。
机电产品、设备技术管理及服务岗位：要求技术管理人员具备看懂机械***纸和电气***纸的能力；具有机电一体化设备的使用、维护、管理能力，具有一定的生产管理、技术管理等知识。机电设备销售与售后服务技术人员具有机电设备的原理、装配工艺等知识，具有机电设备的检测与维修能力。
三、“数字电路与逻辑设计”项目化教学的必要性
传统的教学法是从知识点的掌握到电路的分析再到电路的设计，由局部到整体，自下而上。它以教师为中心，以课堂为中心，以教材为中心，忽视了学生积极性、主动性的发挥，实践以模仿为主，突出技能性训练，缺少设计性、创新性，教学效果不是很理想。
因此，必须根据不同的岗位职业能力要求，确定课程的职业能力目标：会用各种表示方法描述数字电路逻辑功能，会分析常用电路的功能；能完成数字电路的设计，能分析和排除电路中出现的故障；能通过对数字集成电路芯片资料的阅读，了解数字集成电路的逻辑功能和使用方法；能熟练掌握数字电路中常用仪器仪表的使用；能画出所设计的数字逻辑集成电路的电原理***，能列出所设计的电路的元器件清单，会撰写所设计电路的测试说明。
根据课程的职业能力要求确定课程的知识目标：掌握逻辑代数基础知识；了解集成逻辑门电路内部构造；掌握组合、时序逻辑电路的分析设计；理解触发器的工作特性；掌握脉冲波形的产生和整形；A/D及D/A转换。
在此基础上采用项目教学法，它是从实际问题出发来讲电路的构造、元器件的选择，再到知识的运用，由整体到局部，自上而下，宏观把握，以学生为中心，以项目为中心，以实际经验为中心，紧紧围绕工作任务完成的需要来选择和组织课程内容，突出工作任务与知识的联系，让学生在职业实践活动的基础上掌握知识，增强课程内容与岗位职业能力要求的相关性，大大提高了学生的就业能力。
四、“数字电路与逻辑设计”课程设计思路
为落实以培养学生职业能力为目标的课程实施，给出课程总体设计思路：坚持以高职教育培养目标为依据，遵循“以应用为目的，以必需、够用为度”的原则，以“掌握概念、强化应用、培养技能”为重点，力***做到“精选内容、降低理论、加强基础、突出应用”。
课程设计以电子产品的制作为载体，以便于与企业共同开发该课程：项目一，声光控制灯电路制作；项目二，竞赛抢答器制作；项目三，电子生日蜡烛制作；项目四，流水彩灯制作；项目五，31/2位直流数字电压表的制作。
项目的选择以课程标准中的教学内容为依据，既与数字电路知识紧密结合，又能够充分体现当前的工程实际情况，同时具有一定的创新空间，学生可以运用学过的知识进行创造发挥。
通过任务引领的项目活动将必备的知识、技能、行为、态度内化融合，使学生具备本专业的高素质劳动者和高级技术应用人才所必须的数字集成电路设计、制作与测试的基本知识和基本技能，同时培养学生爱岗敬业、团结协作的职业精神。
五、“数字电路与逻辑设计”教学内容的设计
该课程的总体目标：使学生具备本专业的高素质劳动者和高级技术应用型人才所必需的电子设计基本知识，具备灵活运用常用数字集成电路实现逻辑功能的基本技能；为学生全面掌握电子设计技术和技能，提高综合素质，增强职业变化的适应能力和继续学习能力打下一定基础；通过问题的解决，培养学生团结协作、敬业爱岗、吃苦耐劳的品德和良好的职业道德观。
1.内容的选取
以项目二竞赛抢答器的制作为例来说明：
根据总体目标确定该项目的知识目标、技能目标、素质目标。
知识目标：掌握编译码器知识、触发器知识、计数器知识、脉冲波形的产生和整形知识、单稳态触发器知识、复习逻辑代数知识。
技能目标：掌握编译码器、计数器功能、选择连接及使用；掌握555定时器的连接及使用；运用仿真软件画仿真***；具备查阅集成芯片产品手册的能力。
素质目标：培养耐心细致的工作态度，培养严谨扎实的工作作风，培养学生竞争与合作意识。
2.教学内容的序化
（1）任务下达。将项目分解为五个子任务：译码电路的设计与制作、抢答电路的设计与制作、倒计时电路的设计与制作、声响电路的设计与制作、控制电路的设计与制作。
以子任务抢答电路设计与制作为例。知识目标：学习掌握二进制编码器、二进制优先编码器、BCD编码器、BCD优先编码器。能力目标：掌握编码器功能、选择连接及使用、运用仿真软件画仿真***、具备查阅集成芯片产品手册的职业能力。素质目标：培养耐心细致的工作态度、严谨扎实的工作作风、竞争与合作的意识。
对该子任务进行分析：选手抢答情形即选手A首先按下按钮，显示屏上显示A抢答成功，其他选手再按按钮无效，选手A松开按钮后，显示屏上A抢答成功的状态保持不变，直到主持人清零，进行下一轮抢答。抢答电路的重要功能：锁存功能。既要能“锁”，也要能“存”。“锁”——其他选手，“存”——抢答成功的选手信息。通过类比的方式引入编码的概念，对该任务进行仿真后下达任务卡。
（2）资讯。让学生回顾以往解决相关问题的方法，给出用门电路实现的方法；让学生检索常用编码器的数据手册，通过手册了解芯片的功能和基本使用，掌握编码器的测试方法，通过测试加深对芯片的功能和使用方法的了解。
教学重点：二进制编码器与优先编码器的异同点。教学难点：编码器的使用。对芯片进行测试后进行芯片用法分析。
（3）计划决策。通过类似电路分析，启发学生思路；引导学生讨论该任务中编码器的选型，分析采用二进制编码器设计的缺陷；重点讨论如何解决优先编码器的硬件电路已经固定好的优先级；深入各小组听取学生决策意见；根据任务要求，各小组讨论出任务实施方案，设计出系统框***，指导老师确认方案的可行性。
（4）任务实施。任务的实施过程主要以学生为主体，学生三人一组，将学习能力较好、中等、较弱的学生合理分配到各组，教师指导、答疑。
（5）检查评估。根据各小组的演示给出综合评价（部分实现、全部实现、有创新功能）；抽取设计较佳和较差电路进行点评；教师给出优化电路，要求学生课后进行分析。
3.教学手段、方法
项目二的教学方法：基于问题教学法 （从实际问题抢答竞赛出发）；基于兴趣的教学法 （向学生进行任务的虚拟仿真flash演示）；理论实践二位一体教学法 （编码器功能知识的掌握与电路搭建）；可视化教学法（芯片功能的测试将传统测试方法与专用的数字芯片测试仪结合）；小组讨论法（3人分组）；启发式教学法（任务分析部分）；类比教学法（编码概念引入部分）；探究法（任务实施过程中）。
本门课程教学手段、方法：任务驱动法、行为导向项目教学法；工学结合，现场教学法（项目中每个任务的综合）；传统教学手段（讲解法、示范法、模仿法、练习法）；多媒体教学手段（PPT课件、flash仿真、网络教学及互动平台）。
六、“数字电路与逻辑设计”考核评价方式
建立终结性评价和过程性评价相结合的评价方式。终结性评价中知识考核占30%，综合考核占70%。过程性评价以项目为单位，其中教师评价占40%，学习档案占30%，小组评价和自我评价各占15%。
七、总结
以职业岗位活动调研为前提进行职业能力需求分析；以职业能力需求分析为导向确定课程职业能力目标；根据职业能力目标的需求确定知识目标；根据岗位工作过程和认识规律构建教学模块；以职业能力训练项目作为课程目标和教学内容的载体；以真实的职业活动实例作为训练素材；通过项目教学真正实现“教、学、做”三者的融合；建立以形成性考核为主的课程考核体系。
参考文献：
数字电路与逻辑设计例2
一、三本院校课程教学现状
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***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***、逻辑***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***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***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***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***，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例3
《数字电路与逻辑设计》是电气、通信及电子信息类专业与计算机专业的专业必修课程， 属于技术基础课，且为主干课程。它的先修课程是高等数学、电路分析，主要培养学生分析电路和设计电路的能力。但由于该课程一直是学生感到难学的课程，特别是对于民族院校的学生，学生入校的成绩差异较大，有些少数民族学生从高中才开始学习汉语，听课都比较困哪，进入大学课堂，老师按照大部分同学的接受能力去授课，他们完全听不懂，像听天书一样，最后只好不听了，也不学了，当然逃课也就开始了，学风也就变坏了。如何让学生更好的掌握该门课程，一直是教师们感到困扰的问题。美国著名教育家梅里尔.哈明博士曾说，一个好的课堂，应该是“鼓舞人心的”。只有学生被鼓动起来，有了兴趣，进行主动学习，其它问题都就是小问题了，都可以解决了。同时浓厚的兴趣也是促使学生刻苦钻研、勇闯难关的强大动力。对教师而言，解决了以前的满堂灌问题，从心里上感受到了学生的需要，从而有了一种使命感和责任感，工作更加有信心。在此，我提出一种新的教学方法“目标驱动法”，它分为三部分。[1]
一、设定目标
在数字电路教学中，教师发现“兴趣”是最关键的问题，从这个角度考虑，第一次数电课，首先给学生介绍数字信号的特点、数字系统的组成、数字电路在电子系统中的作用，使学生建立一个对数字逻辑电路的系统的概念。然后是详细讲解各章节内容在数字逻辑电路系统中所处的位置和作用，通过前面的工作，学生基本上了解了这门课要干什么，学完后有什么用处。教师在这种情况下要引导学生设定目标，例如做一个多功能流水灯、多路抢答器、出租汽车里程计价表等等，尽量让每一个学生都有一个目标。让学生感到自己受到尊重，可以有自己的想法，从而对这门课有自信。然后对每个学生的目标进行分析，告诉学生，要实现这个目标，需要掌握哪些章节的内容，教师可以更加详细的介绍某个章节在这个目标实现中起了多大作用，让学生带着目标来上课，目标驱动学生产生学习知识的动力，使学生感觉到数电这门课有意思，不无聊，逐渐也就产生了兴趣。[2]
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***，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***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]
结论
当然，这种教学方式对学校管理部门也提出了很多要求，学校以往的对教师和学生的监控管理已经很不合适，由于教师和学生所进行的工作不一定在教室内，也可以在教室外，甚至在学校公园的亭子下。这让学生觉着处处都可以学习，处处都是课堂，老师和学生是平等的，就像朋友一样的交流，很多知识就从这些讨论中获得。这就需要有一个好的教学环境和学习环境。[5]
学校要下放权力给教师，满足教师在教学中自的发挥，充分调动每一位教师的积极性，能让教师根据学生和自身的需要自己主动的去学习，去***书馆查资料，让教师可以根据不同学生的需求调整授课内容，选择教学方法，也许授课不用教材，而要用大量的参考文献，这些能让授课的教师去决定，而不是管理者；对于学生，能够放开手脚，在教师的引导下，让他们根据自己的目标结合兴趣去选课，加大选修课跨学科的力度，从而改变当前教师机械的上课，为配合监督管理而上课，学生漫无目的的听课，为配合学校上课点名而听课的这种状态，让学校真正成为教师教书育人、学生主动学习的天地，相信这样一定能够有因材施教的效果。
参考文献：
[1]项目教学法在数字电路课程中的应用探索 孙飞 职业时空[J] 第7卷第1期2011（1）：103-104
[2]《课程与教学论》学业评价体系建构的思考 陈芬萍 教师教育研究 2010（6）：57-60
[3]我们需要什么样的大学 王建华 高等教育研究[J] 2014（2）：1-6
[4]培养包容心态 提升大学生综合素质 钟芸，毛建 中国高等教育[J] 2014（2） 40-41
数字电路与逻辑设计例4
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.3.014
引言
在数字电路的调试和检修时，常常要对电路中某点的逻辑信号进行测试，采用万用表或示波器等仪器仪表很不方便，而采用逻辑信号测试仪通过几个发光二极管就可以指示被测信号的逻辑状态及脉冲信号的频率范围，使用简单方便，给数字电路实验和电路设计开发带来便利[1]。本文采用中小规模集成电路设计并实现了一种逻辑信号测试仪，不仅能区分逻辑电平的状态和脉冲信号频率的数量级，而且适用于各种类型的数字电路逻辑信号的测试。如果将电路安装成逻辑测试笔，使用就更为方便[2]。
设计与实现
功能设计
逻辑信号测试仪主要包括逻辑信号状态的区分和脉冲信号频率的区分两部分功能。其中逻辑信号状态的区分主要通过双电压比较器电路实现，而脉冲信号频率的区分可利用数字频率计的原理实现。由于逻辑信号测试仪的电源来自被测电路，为满足各种类型的数字电路逻辑信号的测试，故所用芯片必须是能单电源供电且电源范围较宽的模拟电路芯片和CMOS类的数字集成电路芯片。
逻辑信号状态的区分
为实现逻辑信号状态的区分，可用运算放大器（如LM358）或电压比较器（如LM393）实现一个双限电压比较器进行区分，其关键在于参考电压的设定，电路如***1所示。本设计为了适用于各种类型的数字电路逻辑信号的测试，仅对逻辑电平作了简单区分，设定为：被测信号如果小于0.2VCC则为低电平（LED2亮）；如果大于0.4VCC则为高电平（LED1亮）；如果介于两者之间则为高阻态（两个发光二极管都不亮）；如果时大时小交替的则为脉冲信号（两个发光二极管常亮或交替亮）。其中Vi为被测信号输入端，R1、R2和D1、D2起到了输入端静电防护功能，R3、R4保证了在输入端悬空时显示为高阻态。如需严格适应TTL和CMOS等各种类型集成电路的逻辑电平的测试，应根据各种类型数字电路的逻辑电平特点，严格设定各自的参考电压，并将其参考电压设定支路区分开来，用开关电路进行切换。
脉冲信号频率的区分
当被测信号被判定为脉冲信号时，还需进一步区分脉冲信号的频率，可利用数字频率计的基本原理实现[3]。用中小规模集成电路实现数字频率计的原理框***如***2所示。
若仅对脉冲信号区分频率的数量级，电路更加简单，既不需要整修放大，又不需要锁存和译码显示，而只需在计数电路输出端的相应数量级上接一个发光二极管体现其频率数量级即可。其中闸门电路
计时电路
为了计数方便，计时信号的正频宽应约为1s，而负频宽应较窄。由555时基电路实现的计时电路如***3所示。其中，Rw用于精确调试闸门的开启时间。
计数电路
为了使逻辑信号测试仪能区分Hz、kHz、MHz等数量级的脉冲信号，而计时信号的正频宽约为1s，故计数电路至少为106进制计数器。实现时，为了简化电路可用两片CD4020（14位同步二进制计数器）实现，如***3所示。其中，R和Z都为闸门电路的输出信号，且应满足：当计时信号为低电平时，计数器被清零。
区分方法为：当被测脉冲信号为H z级（约< 1 k H z）时，L E D 3、L E D 4两个发光二极管不亮也不闪；当为kHz级（约>1kHz，但1MHz）时，LED3常亮，而LED4闪动或常亮。而且，如果要对被测脉冲信号区分得更细些，仅需在CD4020的不同输出端加上发光二极管指示电路即可。
闸门电路
闸门电路确保仅在计时信号为高电平时（即计时时间内），闸门开启，被测脉冲信号能传递给计数电路，而在低电平时，闸门关闭，且应使计数器清零。因此，可由“与非门”或“与门”电路实现。而CD4020的清零端为高电平有效，故本设计中采用CD4011（四2输入与非门）实现，如***5所示。其中，M为***1中被测信号经过静电防护电路后的信号。
结论
实践表明，所设计的逻辑信号测试仪不仅能准确指示逻辑信号的状态，区分脉冲信号频率的数量级，而且适用于各种类型的数字电路逻辑信号的测试。
逻辑信号测试仪是目前数字电路测试中使用最为广泛的一种工具。本设计采用中小规模集成电路实现了功能较为全面的逻辑信号测试仪，具有实现容易、操作简单、功能可靠、价格低廉、实用性强等优点[4]。该设计方法对电子电路设计具有一定的指导意义。
参考文献：
[1] 孙建设，王程有.改进型逻辑电平三态指示器[J].仪表技术与传感器，2005，4，（4）：41-42
数字电路与逻辑设计例5
中***分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）25-0214-02
《数字电子技术》课程以及《模拟电子技术》、《信号与系统》课程是工科专业要求的重要的专业基础必修课，几乎同时开设的三门课。它们在内容上相辅相成、相互渗透，所以学好其中任一门课程对其他两门课程的理解和掌握都非常重要。本文以广泛应用的普通高校教育“十五”部级规划教材及高等学校规划教材为基础，回顾初等代数、初等函数的概念再结合实例梳理逻辑代数、逻辑函数和逻辑电路中“逻辑”概念并给出它的本质意义。
一、初等代数、初等函数的概念
1.初等代数。初等代数研究对象是代数式的运算和方程的求解。归纳起来初等代数有五条基本运算律、两条等式基本性质、三条指数律。另外，初等代数还有四则运算、乘方和开方六种基本的代数运算。
2.初等函数。初等函数是初等代数的一个重要内容，其定义为：设在某变化过程中有两个变量x、y，如果对于x在某一范围内的每一个确定的值，y都有唯一确定的值与它对应，那么就称y是x的函数，x叫做自变量，记作y=f（x）。包括基本初等函数5个：幂函数、指数函数、对数函数、三角函数和反三角函数，及由由常数和基本初等函数构成的复合函数。[1，2]
由此可见，初等代数有自己的运算规则及基本性质，初等函数分基本初等函数和复合函数。下面先从逻辑代数、逻辑函数的引入着手归纳出它们和初等代数和初等函数的共性所在。
二、逻辑代数、逻辑函数和逻辑电路的概念及应用
（一）引例
1.如果天不下雨并能借到自行车或者城里放映一部好得惊人的电影，我就赶到城里去。
2.如果我没有课并且我的朋友也没有课并且天不下雨并能借到自行车或者城里放映一部有趣并且是大片并且好得惊人的电影，我就赶到城里去。
从上述引例可以看出，它们都是在一定条件下判断是否进城的例子。显然，第一个例子较第二个例子的条件来的简单。如果说条件更多的话，岂不用语言或用文字描述时就更加复杂？那么能否创造一种“语言”，把推理过程像数学一样利用公式来计算，从而得到是否进城的结论？下面就从了解数理逻辑的产生过程来诠释这个问题。
（二）数理逻辑（符号逻辑）的产生过程
逻辑是探索、阐述和确立有效推理原则的学科，即事物因果之间所遵循的规律。用数学的方法研究关于推理、证明等问题。早在17世纪，莱布尼茨就曾经设想过能否创造一种“通用的科学语言”，可以把推理过程像数学一样利用公式来进行计算，从而得出正确的结论。莱布尼茨的思想可以说是数理逻辑的先驱。后来英国人乔治・布尔把代数的概念和方法应用于古典逻辑的改造，从而得出一个既是新的逻辑（今天称之为符号逻辑或数理逻辑），也是新的代数，即布尔代数或称逻辑代数。1847年，布尔发表了《逻辑的数学分析》，建立了布尔代数，并创造一套符号系统，把古典逻辑中以自然语言为结构的命题全部符号化，利用符号来表示逻辑中的各种概念。布尔还建立了一系列的运算法则，利用代数的方法研究逻辑问题，初步奠定了数理逻辑的基础。[3]1884年，德国数学家弗雷格出版了《数论的基础》一书，在书中引入量词的符号（比如符号“？埚”与“？坌”，表示“存在”与“所有”等等），使得数理逻辑的符号系统更加完备。还有美国人皮尔斯，他也在著作中引入了逻辑符号。从而使现代数理逻辑最基本的理论基础逐步形成，成为一门***的学科。[4]
（三）数理逻辑的“命题演算”
命题是指具有具体意义的又能判断它是真还是假的句子（比如1+1=2）。命题演算是研究关于命题如何通过一些逻辑连接词构成更复杂的命题以及逻辑推理的方法。如果把命题看作运算的对象，如同代数中的数字、字母或代数式，而把逻辑连接词看作运算符号，就象代数中的“加、减、乘、除”那样，那么由简单命题组成复和命题的过程，就可以当作逻辑运算的过程，也就是命题的演算。这样的逻辑运算也同代数运算一样具有一定的性质，满足一定的运算规律。例如满换律、结合律、分配律等，利用这些定律，我们可以进行逻辑推理，可以简化复和命题，可以推证两个复合命题是不是等价。[3，4]
可见，1、2引例进城与否也都属于命题。通过命题演算，就可以最后得出该命题是真是假，即进城与否的结论。
（四）逻辑代数、逻辑函数定义及应用
由17世纪的莱布尼茨做先驱，到1847年布尔首先创建逻辑代数、逻辑函数概念，再到1938年香农开始将其用于开关电路的设计，最后到20世纪60年代数字技术的发展才使布尔代数成为逻辑设计的基础，在数字电路的分析和设计中得到广泛的应用。由此看来，“我们要造成这样的一个结果，使所有推理的错误都只成为计算的错误，这样当争论发生的时候，两个哲学家同两个计算家一样，用不着辩论，只要把笔拿在手里，并且在计算器面前坐下，两个人面对面地说：让我们来计算一下吧！”[3]这样的思想，整整经历了三个世纪才逐步走向了完善和应用的阶段。
逻辑代数定义：是研究逻辑函数（因变量）与逻辑变量（自变量）之间规律性的一门应用数学，是分析和设计逻辑电路的数学工具。在逻辑代数中，逻辑变量只有0和1两种取值，其运算只有与、或、非三种基本的逻辑运算。还有与或、与非、与或非、异或等几种导出逻辑运算，也称复合逻辑。[5]
逻辑函数定义：如果对应于输入逻辑变量A、B、C、…的每一组确定值，输出逻辑变量Y就有唯一确定的值，则称Y是A、B、C、…的逻辑函数，记为Y=f（A，B，C…）。[5]
同初等代数，逻辑代数根据逻辑与、或、非三种基本运算，可推导出逻辑运算的13条基本定理（0-1律、交换律、结合律、分配律、求反律等）和3条基本规则（代入规则、反演规则、对偶规则）。利用这些基本定理和基本规则，可以方便高效地解决逻辑电路的分析和设计问题。[5]
有了以上逻辑代数和逻辑函数概念，下面就用逻辑代数的方法来表达1、2引例问题。
引例1中，先将这个用文字描述的命题符号化。即假设，天下雨为R，借到自行车为B，惊人为W，电影为F，赶到城里为A。则该命题的逻辑函数表达式为A=B+WF。
同上引例2中，假设，我有课为C，朋友有课为K，天下雨为R，借到自行车为B，有趣为Q，大片为M，惊人为W，电影为F，赶到城里为A。则该命题的逻辑函数式为，
从引例1、2命题的逻辑函数式可以看出，同一个命题，显然用逻辑函数式的表达比用文字描述简捷清晰。不仅如此，我们再利用逻辑代数的性质、规则等，很快就能客观准确地解决到底要不要进城，即进城命题是“真”还是“假”。
（五）逻辑代数和逻辑电路的关系
现实中的很多逻辑问题，不仅仅只是古典逻辑中的推理和证明，比如在当代的数字电子技术中，很多逻辑问题更多的是要用电路来实现。从上得出，在逻辑代数中，它把矛盾的一方假定为“1”，另一方则假定为“0”，这样就把逻辑问题数学化了。再看数字电路的定义：是用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路或数字系统。由于数字电路具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。又由于数字逻辑电路中的器件主要工作在开关状态，采用的也是“0”、“1”代码代表开关的“关”和“开”，因此逻辑代数也就成了分析和设计数字逻辑电路的重要数学工具。
下面的引例3就是一个简单的数字逻辑电路。它为一个双联开关电路，如***1所示。设两个单刀双掷开关A和B分别装在宿舍进门处和双架子床的上位，无论在进门处或床上位处都能单独控制灯的开和关。
输入输出能实现异或运算的电路叫做异或门，异或运算符号见右***。
三、结论
当今时代，数字电路已广泛应用于各个领域。数字电路比模拟电路的发展更迅猛，应用更广泛。所以对于当代的工科学生来说学好数字电路势在必行。其中，正确理解数字电路中的“数字”二字以及逻辑电路中的“逻辑”二字的含义是学好数字逻辑电路的基础。本文从初等代数、初等函数的概念出发，旨在梳理出逻辑代数、逻辑函数和它们的共性所在，进而使同学们能更快、更好地掌握、理解数字逻辑电路的分析思路和分析方法，为今后数字逻辑电路的分析和设计打下基础。
参考文献：
数字电路与逻辑设计例6
1.引言
《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(FieldPro-grammableGateArray）和CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice)为代表的大规模可编程逻辑器件(ProgrammableLogicDevice，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(ElectronicDesignAutomation)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***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Multi-sim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、DAC0832、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(ElectronicDesignAutomation)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.
［4］秦长海，张天鹏，翟亚芳.数字电子技术［M］.北京大学出版社，2012.
数字电路与逻辑设计例7
一、前言
数字逻辑是数字电路逻辑设计的简称，是计算机及相关专业的一门必修的专业基础课，其主要内容是用数字电路进行数字系统逻辑设计，包括组合逻辑电路、时序逻辑电路及其混合逻辑电路的分析与设计技术。不管是什么样的电子数字计算机，无非是由具有各种逻辑功能的逻辑部件组成的，但在设计过程中一定需要进行各种单元电路和系统整体的实验和测试，以确保逻辑正确，时序无误，并且性能良好。
需要实验和测试，就需要相应的逻辑元器件来构建电路，还需要测量、测试及辅助分析用的仪器设备，当然也需要相应的电源、信号源等。如果一切都需要真材实料，毫无疑问是一般学习者无法解决的问题。因为学校的教学资源有限，即使是在校的大学生，实验室的资源也不可能满足其所有需求，对于校外的其他学习者就更加困难。因此，寻找一种接近实际的虚拟系统作为实现数字逻辑电路的分析与设计、实验和测试的工具，会对学习者有很大的帮助，只有通过理论与实践的结合，才可能加深学习印象，提高学习效果，减少设计错误，明确电路的设计性能。
Proteus V***（Virtual System Model，虚拟系统模型）正好可以满足学习者的这些需求，它是由英国Labcenter Electronics公司开发的一款EDA软件,是目前世界上最先进、最完整的仿真平台。Proteus软件具有多种元件库，其中的元器件大多均可直接用于实际电路的搭建，而且该软件提供了多种与实际仪器仪表用法相似的虚拟仪器设备，还有各种信号源，几乎可以完成各类数字逻辑电路的设计、测试和辅助分析工作。由于这些虚拟元器件、仪器设备和信号源可以随意取用，既不需要花钱购买，又接近实际实物的效果，而且不需要维护，不会因为学习者的误操作或使用不当而造成元器件和仪器设备的损坏，更不会影响到人身安全，而且仿真效果非常逼真。因此，不仅使任课老师可在课堂上以形象生动的仿真演示提高学生的学习兴趣，而且可引导学生将相应实验推广至课外的任何地点。学习者可根据自己的需要，自行设计实验项目，从系统提供的元件库中找到相应的虚拟元件，形成自己的实验电路，从系统提供的虚拟仪器中找出自己需要的仪器设备，从系统提供的信号源中随意取得所需使用的各种信号源，从而实现对所需电路进行设计、测试和分析，有效地解决学习过程中的各种疑难问题，提高自己的实际设计能力。
二、组合逻辑电路的分析与设计
组合逻辑电路是由与门、或门和非门等门电路组合形成的逻辑电路，对于一些常用的组合逻辑电路，许多IC芯片制造商已经提供了相应的集成电路芯片，即使是一些复杂的组合逻辑关系也可以通过常用IC芯片和一些辅助门电路组合而成。
1.组合逻辑电路的分析
所谓组合逻辑电路的分析，就是根据已知逻辑电路***，找出组合逻辑电路的输入与输出关系，确定在什么样的输入取值下对应的输出为1。当然，输入通常是多个逻辑量，而输出可以是1个或多个。
在对组合逻辑电路进行分析时，Proteus V***提供了很好的仿真手段，如***1（a）所示的组合电路，如果需要分析其输入与输出的逻辑关系，可以设计一些辅助电路如***1（b），通过三个开关的按下与弹起为电路的三个输入端A、B、C提供不同的输入组合，观察不同输入所对应的两个输出端的逻辑电平，可列出真值表如表1所示。***中所示的情况是：输入A、B、C的值是1、0、1，而输出F2的值是1，F1的值是0。
根据真值表可以写出逻辑表达式：
从公式1可见，F1是在奇数个输入为1时才输出为1，而F2是两个或三个输入为1时才输出1，这正是一位全加器的逻辑表达式。其中，F1为本位和，F2为向高位的进位。对以上逻辑表达式进行化简可得：
这样就与电路完全一致了。
2.组合逻辑电路的设计
组合逻辑电路的设计是组合逻辑电路分析的逆过程，即根据输入与输出的逻辑关系要求，设计出满足符合要求的组合逻辑电路。
常用的组合逻辑电路包括译码器、编码器、多路选择器、比较器、加法器等，这些电路通常都有多种型号的IC芯片可供选择。在实际应用中，组合逻辑电路的设计通常都采用常用的IC芯片来构建，必要时再配合一些辅助门电路，这样的设计简单可靠，设计方法可按常规方式进行，但对于设计出的组合逻辑电路是否正确，就必须通过实验测试才能进一步确认，有了Proteus V***，只需按设计电路***将所设计的电路在Proteus的ISIS（Intelligent Schematic Input System，智能原理***输入系统）中绘制出来，再配合一些辅助电路进行仿真，就可实现正确性的验证了。
比如，设计一个8位二进制加法器，可以用两片74LS283来实现，如***2（a）所示，具体电路的仿真结果如***2（b）所示，在***2（b）中两个8位二进数分别为：A＝00001111B＝0FH，B＝10011111B＝9FH，相加的结果通过两个数码管显示为AEH。用鼠标点击构成数据输入端的每一个LAGICSTATE***标，就可以像改变***1（b）的输入开关状态一样，使每一位的值在0和1之间切换，从而实现对不同的两组8位二进制数据进行相加运算，并将相应结果通过LED数码管显示出来。其实，即使不用LED数码管，通过仿真电平的颜色显示也可判断其值（红颜色为1，蓝颜色为0）。比如，从***2（b）可见，其输出引脚8位的值，其从高位到低位的二进制数为1010 1110，所以显示的十六进制值为AEH。从U2的C4脚输出电平可见（用LOGIC PROB）显示，没有向高位进位。
三、时序逻辑的电路分析与设计
时序逻辑电路是由触发器和门电路组成的具有记忆功能的逻辑电路，对时序逻辑电路的分析与设计采用Proteus V***作为辅助手段，更能起到事半功倍的效果。
下面以设计一个六十进制计数器为例，简要介绍其分析与设计过程。首先已知常用IC中有BCD计数器功能的IC芯片，如74HC160是同步预置数，异步清0的十进制加法计数器，对于六十进制计数，只需用两片74HC160再配以少量辅助门电路即可完成。但在设计过程中，方式方法可以有多种，比如两个BCD计数之间的计数过程是同步还是异步、如何处理进位等。
以***3（a）为例，其计数过程就是异步方式，其十位的计数脉冲单纯由个位的进位提供。这种方式在仿真时，有可能出现错误。其原因有二：一是由于个位的进位RCO经反相后给十位作为计数脉冲。刚开始工作时，由于个位的RCO为0，所以经反相后为1，这就使得十位得到一个不应有的进位而产生了一个误计数，其仿真如***3（b）所示，还没有按过按钮时，其计数显示结果居然是10，显然这就是由于十位的误计数造成的；二是由于个位的进位RCO=D3&D0&T，当计数值由0111(1000时，因电路中的竞争冒险可能存在短暂的D3=D0=1的时刻，也可能导致十位计数器误计数。因此需要对电路进行改进，将十位的计数脉冲改成同步方式，即计数脉冲同时供给个位和十位，而十位的计数使能信号由个位的RCO输出提供，十位的回零装入信号LOAD设置为个位的RCO和十位的Q2、Q0三者的与非提供。改进后的电路如***4所示，在刚开始仿真时，计数结果显示为00，每按一次按钮，计数值加1，计到59时，再按一下按钮，则计数显示回零，这样就达到了预期的设计要求。
四、数字逻辑课程设计
课程设计是数字逻辑课程的一次综合应用实训，是对本课程的各个知识点的溶汇贯通，在以往的课程设计中，由于实验箱的数量有限，元器件也不可能满足所有课程设计者的要求，所以学生的课程设计大多停留在理论设计上，无法进行真实的正确性验证。通过引入Proteus V***后，可以满足所有愿意参与在该虚拟平台上进行课程设计的学生要求。在课程设计的验收过程中，十多个题目都有人参与，设计结果多种多样，但都可以保证在虚拟系统环境下的运行正确，学生的兴趣很大，设计完全可达到预定的要求。如***5所示为某个学生设计的数字时钟的仿真运行效果。
数字电路与逻辑设计例8
随着数字电子技术的不断发展，数字电路已被广泛应用于现代数字通信、自动控制、数字计算机、数字测量等各个领域，并已深入我们的日常生活中。数字电路又称逻辑电路，可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两种。它们的区别在于时序逻辑电路有存储单元，具有记忆功能。而组合逻辑电路没有，它只由常用门电路组合而成，即没有从输出到输入的反馈连接，它的输出仅决定于该时刻的输入状态。在对组合逻辑电路原理进行设计时，可采用以下方法步骤：（1）分析设计要求，理清输入与输出的端口数和相互关系；（2）根据分析结果，设定变量并进行状态赋值，再列出相应的真值表；（3）由真值表写出逻辑电路的输出表达式；（4）利用卡诺***或逻辑公式将输出表达式进行化简；（5）根据最简表达式画出相应逻辑电路***。按照上述方法步骤，组合逻辑电路原理设计就完成了，但实际设计工作除此之外，还包括电路器件的选择，安装和调试等过程。而往往就是在这些环节中容易遇到问题，现将常遇问题及解决方法归纳如下：
1.接口电路的电平转换
在设计组合逻辑电路时，常常由于速度、功耗和带负载能力等问题需要将TTL门电路和CMOS门电路混合使用。这两种门电路的电源电压、参数指标等均有所不同，因此不能直接连接，而需要借助于接口电路。接口电路是指不同类型逻辑门电路之间或逻辑门电路与外部电路之间有效连接的中间电路。接口电路的设计主要分以下两种情况：第一，用TTL门电路驱动CMOS门电路。TTL门电路的电源电压为+5V，而CMOS的电源电压范围是3～18V，因此需要将TTL输出的高电平值升高来驱动CMOS门电路。方法是利用TTL门电路中的OC门做接口，适当选取OC门的外接电源和电阻来满足CMOS门电路对电源电压的要求。由OC门的功能分析可知，OC门输出的低电平约等于0.3V，高电平约等于UCC。所以，改变电源电压可以方便地改变其输出高电平。***1第二，用CMOS门电路驱动TTL门电路。方法是应用六反相缓冲器等专用接口器件直接驱动TTL负载电路，如***1所示。这类专用接口器件使用电源为+5V电源，与TTL负载电路一致，输入端允许超过电源电压，可与CMOS门电路电源相配合使用。
2.扇入问题
扇入问题是指门电路输入端口与实际电路输入端口的关系，一般分以下两种情况：（1）门电路多余输入端的处理设计电路时，需要用到的集成门电路的输入端多于实际电路需要的输入端数时，就需要将多余的输入端进行处理。在保证输入正确逻辑电平的条件下，可将多余的输入端接高电平或低电平。如果是与门或与非门，应将多余的输入端接高电平；如果是或门或或非门，应将多余的输入端接地或接低电平。为防止干扰，多余的输入端一般不能悬空。接高、低电平的方法可通过限流电阻接正电源或地，也可直接和地相连接，如***2所示。但要注意输入端所接的电阻不能过大，否则将改变输入逻辑状态。（2）门电路输入端少于实际电路需要输入端的处理当用到的集成门电路的输入端少于实际电路需要的输入端数时，可采用分组的方法进行解决。例如，实际电路需要与非门输入端口为A、B、C、D共4个，但集成门电路是2输入端与非门，可按以下分组连接解决，输出Y=，如***3所示。
3.扇出问题
逻辑电路的扇出问题，主要是指它的带负载能力，即在设计电路时，可能存在一个门电路的输出端所带的负载门太多，超出了它的带负载能力。门电路的带负载能力主要通过扇出系数N来说明，它代表电路能驱动同类型门电路的最大个数。当输出高电平、带拉电流负载时：如果NH≠NL，则把较小的个数定义为扇出系数。在设计电路时，可采用扇出系数大的门电路作为输出门。在设计组合逻辑电路时，除了以上所分析的问题外，还有一些细节需要注意的。如：用中规模集成电路实现组合函数会使电路连接简单很多；对逻辑表达式的变换与化简，是尽可能使其与给定的组合逻辑器件的形式一致，而不是单纯简化；设计时应考虑合理充分地应用组合器件的功能，应尽量选用结构原理比较简单的，但数量又少的器件来满足设计要求。综上所述，要成功设计出一个组合逻辑电路不容易，要设计一个结构简单、功能完整、参数合理的组合逻辑电路就更难，这需要设计者不断地去尝试、安装和调试，从设计的过程去积累经验。
参考文献
[1]余孟尝.数字电子技术基础简明教程(第三版)[M].高等教育出版社,2007,01.
数字电路与逻辑设计例9
《数字逻辑》是计算机科学与技术专业以及电气、电子信息类专业的一门专业基础课，主要介绍数字逻辑电路的分析和设计的方法[1]，是微机原理与接口技术、单片机原理等专业课程的先导课程。该课程对学生要求起点较低，不需要过高的前序知识，但实践性较强，内容分散，不容易记忆。学生一开始接触的是基本概念、原理方法、数字逻辑运算等，内容抽象，与实际的逻辑电路联系不多，导致学生一开始就对这门课不感兴趣[2]。而在课程后半段讲解“中规模通用集成电路”时，单纯依靠板书或PPT，无法让学生对各种数字逻辑电路的结构和功能进行深入了解和分析，更加无法培养学生设计数字逻辑电路的能力。在这种情况下，教师如何在有限的时间内，精心设计教学方案，改革教学方法和教学手段，激发学生的学习热情，提高教学质量，是一个值得认真研究和深入讨论的问题[3]。下面将分别从教学方法和教学手段方面探讨如何改进数字逻辑课程的教学，从而降低课程讲解难度，提升学生的学习效率和效果，最终提升教学质量[4]。
1 教学方法改进
在涉及数字逻辑课程前面一部分内容，包括逻辑代数、组合逻辑电路和时序逻辑电路等章节的教学时，采用好的技巧或方法往往能使运算或分析更易懂、更方便且更不容易出错。下面针对数字逻辑课程中“逻辑函数表达式转换”内容提出“下标计算法”，针对“同步时序逻辑电路设计”的原始状态***构建环节提出“趋势分析法”，在避免教学过程中对教材内容原样照搬的同时，更加简化计算和降低分析难度，更大程度上避免错误的发生。
1.1 下标计算法
将一个任意逻辑函数表达式转换成标准与-或表达式是数字逻辑课程中的基础，包括卡诺***化简逻辑函数、二进制译码器或多路选择器实现逻辑函数等内容中均会用到。教材中主要采用的是代数转换法，分两步进行：
这种转换方法第一步不可或缺，但是第二步扩展最小项时会使逻辑函数变得更加复杂，运算过程中更加容易出错。针对这种缺陷，为简化计算和减少错误，在第二步运算过程中采用“下标计算法”。这种方法是把第一步得出的一般与-或表达式中的每个非最小项的与项通过表格的形式单列出来，然后计算出每个与项的全部最小项下标，并且找出所有出现且不重复的下标值，最后直接得出标准与-或表达式的简写形式。
第二步：采用“下标计算法”得出标准与-或表达式，运算过程如表1所示。
从表1中可找到出现的全部不重复下标分别是0、1、3、6、7，因而可直接得出标准与-或表达式的简写形式为
1.2 趋势分析法
在完全确定同步时序逻辑电路的设计过程中，形成正确的原始状态***是设计的第一步也是最关键的一步，否则设计出来的电路必然是错误的。而在同步计数器、序列检测器和代码检测器这三种同步时序逻辑电路的设计中，序列检测器的原始状态***的建立又是其中的重点和难点。教材中所采用的方法可行但是难以理解，学生在设计类似电路时很容易出错。针对这个问题，采用“趋势分析法”能够较好的解决。所谓“趋势分析法”，就是根据每个状态的存储功能和输入序列的变化趋势，分析现态在下一个输入信号出现时应该指向哪一个次态，这样逐步分析下去，最后得出正确的原始状态***的方法。下面以“0101”序列检测器为例来说明用“趋势分析法”建立原始状态***的过程。
例如，作出“0101”序列检测器的Mealy型状态***，典型输入/输出序列如下：
输入x 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1
输出Z 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0
首先分析需要使用的状态数目。按照一位输入的序列检测器的一般状态数规律，如果需要检测的序列有n位，则状态数需要n+1个。这是因为其中第一个状态为初态，其他n个状态用于存储n位序列的变化过程。此处待检测序列是“0101”共四位数，故而需要五个状态。其中A状态为初始状态，B状态用于存储输入信号“0”，C状态用于存储输入信号“01”，D状态用于存储输入信号“010”，E状态用于存储输入信号“0101”（即待测序列）。
接下来采用“趋势分析法”作出Mealy型原始状态***，分析过程如***1所示。
“趋势分析法”分析过程说明如下：
（1）从初态A开始，当x=0时，状态从A到B，因为状态B存信号“0”，输出Z=0；当x=1时，状态从A到A保持不变，输出Z=0。
（2）此时处于状态B。当x=0时，状态从B到B，输出Z=0；当x=1时，状态从B到C，因为状态C存信号“01”，输出Z=0。
（3）此时处于状态C。当x=0时，状态从C到D，因为状态D存信号“010”，输出Z=0；当x=1时，状态从C到A，因为信号“011”不能构成“0101”序列的任何一部分，所以只能回到初态A，输出Z=0。
（4）此时处于状态D。当x=0时，状态从D到B，因为状态B存信号“0”，输出Z=0；当x=1时，状态从D到E，因为已经构成“0101”序列，并且输出Z=1（只有检测到待测序列时输出Z=1，否则Z=0）。
（5）此时处于状态E。当x=0时，状态从E到D，因为状态D存信号“010”，输出Z=0；当x=1时，状态从E到A，因为信号“011”不能构成“0101”序列的任何一部分，输出Z=0。注意“当x=0时，状态从E到D”是学生分析时最容易出错的地方，错误原因在于认为“状态应该是从E到B”，这是没有考虑到当输入信号“0101……”重复出现时，前一个“0101”序列的后半段能够作为下一个“0101”序列的前半段这种情况。
2 教学手段改进
为了增强学生对数字电路的感性认识，加深学生对数字逻辑分析方法的理解，掌握常用集成器件的基本使用方法，提高学生学习兴趣[6]，避免枯燥的集成芯片和数字逻辑电路功能讲解。将Proteus软件引入数字逻辑课程教学，可增强教学的生动性和直观性[7]。Proteus 软件具有多种元件库，其中的元器件大多均可直接用于实际电路的搭建，而且该软件提供了多种与实际仪器仪表用法相似的虚拟仪器设备，还有各种信号源，几乎可以完成各类数字逻辑电路的设计、测试和辅助分析工作[8]。
在讲解通用中规模时序逻辑电路章节的集成计数器相关内容时，用同步计数器构建任意进制计数器有多种方法，电路比较灵活，既可以利用计数器的清除端，也可以用预置功能。此时可利用Proteus仿真演示动态过程，节约大量的教师口头讲述时间，这样更具感染力和说服力，学生也更容易理解接受[9]。
例如，4位二进制同步可逆计数器74193构成模10加法计数器和模12减法计数器，要求用Proteus软件实现。其仿真结果如***2所示。
***中电路分成上下两个部分，上半部分电路是模10加法计数器，下半部分电路是模12减法计数器。两个计数器电路相同之处是均由信号发生器（发出频率为1Hz，电压为0-+5V的方波信号）、同步可逆计数器74193、七段显示译码器7448和七段共阴极数码管构成。不同之处在于加法计数器采用累加计数，当计数器输出由1001变成1010时，与门输出为1，该信号接至清除端MR，使计数器状态变成0000，因而其计数范围是0000-1001，从而构成模10加法计数器。而减法计数器采用累减计数，初始设置端平时为1，电路开始工作时置入初态1111，然后开始减1计数，当计数器输出由0100变为0011时，或门输出由1变为0，该信号送至预置端PL，使计数器立即置入1111，因而其计数范围是1111-0100，从而构成模12减法计数器。
3 结语
通过“下标计算法”能够让学生在进行逻辑函数表达式转换时更加简便快速、少犯错误。通过“趋势分析法”能够让学生在同步时序逻辑电路的设计过程中，走好关键的第一步，形成正确的原始状态***。通过Proteus软件仿真，能够让原本枯燥乏味的数字逻辑电路讲解变得更加形象、生动和直观。在教学过程中需要不断地研究和尝试新的教学方法和教学手段，以提高数字逻辑课程的教学效果，为学生学习后续专业课程以及为解决工程实践中所遇到的数字系统问题打下坚实的基础。
【参考文献】
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[4]施键兰，赵芮，黄文秀，等.《数字逻辑》课程教学改革的探索[J].现代计算机：专业版，2011（23）：45-47.
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[6]庄立运，王晓辉.Proteus在数字电子技术课堂教学中的应用探讨[J].科技信息， 2011（13）：84.
数字电路与逻辑设计例10
【中***分类号】G 【文献标识码】B 【文章编号】1008-1216（2016）09C-0073-01
一、教学整合的意义
根据高等职业教育培养目标的要求，结合***大力推行的高职高专教学改革，高职院校电类专业对部分课程进行了教学改革。《数字电路与EDA技术》这门课程就是将数字电路和EDA技术的教学进行整合。
数字电路课程是电类专业的专业基础课，通过对本门课程的学习，使学生掌握典型的数字电路的组成、工作原理和工作特性，能够设计一些逻辑功能电路，并为专业主干课程的学习打下基础。对于数字电路的设计，传统的设计方法是以逻辑门和触发器等通用器件为载体，以真值表和逻辑方程为表达方式，依靠手工调试。随着数字电子技术的迅速发展，特别是专用电子集成电路的迅速发展，基于EDA技术的设计方法成为数字系统设计的主流。EDA技术就是以计算机为工具，在EDA软件开发平台上，使用硬件描述语言完成设计文件，然后由计算机自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、仿真等，最终对特定目标芯片进行适配编译、逻辑映射和编程***。
EDA技术的设计方法正在成为现代数字系统设计的主流，作为即将成为工程技术人员的职业技术学院的电类专业的学生只懂电子技术的基本理论和方法，而不懂如何设计电路，会限制就业的岗位。实际上数字电路和EDA技术是不能分家的，因为前者是理论基础，后者是工具，将两者整合既能学好理论又能提高实践技能。如果作为两个课程分别学习则不适应高职高专的学制长度。因此，将数字电路与EDA技术有机地融为一体是高职教育的要求和未来发展的需求。
二、教学方法探讨
在整合后的课程中我们把EDA技术贯穿于数字电路课程教学全过程。例如，在讲授门电路时，就开始用EDA软件仿真演示，熟悉用原理***输入一个简单门电路的过程，通过编译、功能仿真检验门电路的功能，可以加深学生对门电路知识的理解；在讲授组合逻辑电路时，引入硬件描述语言的设计方法，并介绍基于EDA技术的数字电路设计方法；在讲授时序逻辑电路时，可以引入一些简单的综合性的电路设计，为学生创造一个宽阔的设计空间。在开始讲解基于EDA技术的数字电路设计方法时，可以通过引入简单的数字电路的设计流程，使学生从宏观上对EDA设计方法有一个整体的了解，让学生在潜意识里建立这部分内容的知识框架。下面简单介绍组合逻辑电路中的二选一数据选择器的EDA设计流程：
（1）编写硬件描述语言（以VHDL语言为例）。在EDA编程软件中输入设计源文件，如***1所示。
（2）逻辑编译。逻辑编译过程包括检查设计源文件是否有误，进而提取网表、进行逻辑综合和器件的适配，最后形成编程文件。
（3）功能仿真。通过模拟仿真测试电路的逻辑功能是否达到设计要求，仿真波形如***2所示。
（4）锁定引脚。将程序中各端口名称与硬件电路中的各引脚对应。
（5）编程***。功能仿真成功后，就可以将设计好的项目***到逻辑器件中，实现既定的功能。
在课程教学中，我们采用项目教学的方法，制定一系列由易到难的项目，例如，基本门电路的设计、数据选择器的设计、全加器的设计、数字频率计的设计、交通信号灯控制器的设计、数字钟的设计等。通过各个项目展开知识点的讲解，包括数字电路的基础知识、EDA技术的入门、数字电路的分析方法、原理***的设计方法、硬件描述语言的描述方法及软件仿真和硬件***等。在教学中尽可能地将课堂搬到实验室，让学生边学边练，将理论教学与实验教学融为一体。教学可以一部分安排在数字电路实验室，一部分安排在EDA实验室，比如对于一些简单的数字电路可以安排用数字电路实验箱进行一般的实验验证，使学生知道如何搭建一个简单的电路，如何验证一个电路的功能，从而对数字电路产生一个感性的认识。在EDA实验室，学生可以学习用EDA技术设计数字电路，包括原理***或硬件描述语言的输入、编译、功能仿真、引脚分配、***等。
三、教学效果
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