数字电路的基本原理范例(3篇)

数字电路的基本原理范文

关键词：数字电路教学课堂教学实验教学

中图分类号：TN79-4文献标识码：A文章编号：1007-9416（2012）09-0121-02

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VerilogHDL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.

[3]宋伟，朱幼莲.“数字电路”课程设计教学改革探索.江苏技术师范学院学报Vol.17，No.8，2011.8.

数字电路的基本原理范文篇2

关键词：数字电路；教学改革；能力培养

中图分类号：G431文献标识码：A

数字电路与系统这门课是理工科大部分专业的重要专业基础课，培养学生数字逻辑的基本概念和数字系统的设计能力。我校作为一所民办本科院校，以培养应用型人才为目标，数字电路与系统课程也不例外。我们在多年教学过程中总结了一套适用于该层次学生的教学思路和方法，并启动了数字电路与系统课程教学改革项目，对取得的研究成果进行总结，主要分为以下几个方面。

1.课程教学内容研究

1.1弱化陈旧过时的内容

随着数字集成电路及大规模可编程逻辑器件的发展，中小规模电路应用已经逐渐减少，而传统的授课思路过多注重中小规模的应用。且在大规模可编程逻辑电路设计过程中，逻辑化简已经有开发工具取代，很少需要手工化简。故而数字电路与系统课程在教学内容上要做相应调整。有些内容课程教学内容化简只介绍化简的原理和方法，不讲化简技巧，考试也不做深入要求。

1.2删减原理性内容的讲解，注重应用技巧和分析思路

为了配合应用型人才培养目标，在授课过程中适当减少原理性讲解，比如边沿JK触发器工作过程分析教材上一般有详细的分析过程，但授课中只要分析一两种工作情况，并借此介绍分析思路，有兴趣的同学可以课下自己分析，而大部分同学只要弄懂使用方法就可以了。时序逻辑电路应作为重点内容，讲授时应注重时序逻辑电路的分析过程，使学生深入理解相关概念，对于状态化简等要求要降低，只掌握方法即可。

1.3教学内容在顺序上的调整

此外，考虑到数字电路是嵌入式系统、FPGA、DSP及IC设计等课程的先修课程，为了方便这些后续课程的安排，所以把数电课程提前，跟模电统一学期开设，为后续课程提供足够的时间。这就造成数电中逻辑门电路一章的内容受到影响，因此在授课时把这一章的内容往后移，等模电三极管基本放大电路学完之后再讲授这部分内容，可以解决数电和模电安排在同一学期的问题。

2.课程教材建设

由于数电教学内容作了一定的调整，因此教材的选取要能适应这种调整。而现有教材大部分是按照老的教学体系编写的，内容难免陈旧、过时，为了适应新形势的需要，我们根据应用型人才培养的要求，分别编写了本科和专科适用的教材。

本科的教材编写思路是采用弱化传统的逻辑代数公式化简和器件内部结构原理等内容，对中小规模集成电路重点介绍其使用方法和数字逻辑的基本概念，使学生建立起数字逻辑的研究方法和设计思想，同时在传统内容之上增加了大规模可编程逻辑器件和硬件描述语言方面的内容，传达了自顶至底的数字系统设计方法和理念，为运用大规模可编程逻辑电路设计数字系统打下良好基础。

专科的教材则更加弱化原理讲解，对于集成逻辑门和触发器等着重介绍器件功能和使用方法，原理只做最基本的讲解。除此之外，每一章都增加电路设计和调试及错误排查方法等内容，对学生进行电路设计的技能训练，再结合实验和综合课程设计，使学生动手能力得到提高。目前本科教材已经在我校使用了三届，专科教材也使用了一届，使用效果良好。

3.课程教学方法和手段

课堂教学作为重要的教学环节，采用合适的方法和手段至关重要。在数字电路教学过程中，重点做到以下几方面：

3.1注重学生主观能动性的发挥

学生在课堂学习过程中如果只是被动接受知识，会导致填鸭式教学，必然会导致学生学习兴趣下降，学习效果大打折扣。因此在课堂上要注意引导学生主动思考，对学生的预习情况进行干预，以预留作业的形式让学生预习必要的知识，然后再课堂上再就预留的问题请学生分组讨论，每组阐述讨论的结果。虽然开始的时候学生做的不是很好，但是只要坚持这种做法，讨论时加强引导，就会收到良好的效果。

3.2注重习题课和平时测验

笔者在教学中发现学生对所学知识不会灵活运用，体现在作业中就是对没接触过的类型题目不知道该怎么做，自己没有思路。其实这些题目如果对知识点理解的话是可以独立完成的，不会做说明知识点理解的不好，所以不会应用。这种情况下就要有针对性的设置习题课，讲一些典型的例题，并着重题目的解决思路和方法的培养，使学生遇到类似的问题能够灵活运用。然后再通过一些课堂测验了解学生的学习情况，及时对测验结果进行总结，并反映在后续的教学中。

3.3注重实验教学

数字电路应该是一门理论和实验相结合的课程，两者相辅相成。因此在理论课之外设置了两种形式的动手环节：一种是跟理论课紧密配合的电子技术实验，实验的设置以理论教学进度为依据，让学生能够在刚学完某一知识点时就能通过实验进行验证，通过实验理解理论知识和培养基本的分析和测试实验结果的能力；另外一种是在学期末的电子技术综合课程设计，给学生布置合适的题目，让学生从方案设计、芯片选择、电路布局、焊接查错等方面得到训练，同时撰写课程设计报告，切实培养学生分析和解决问题的能力，写总结文档的能力，提高学生的综合素质。

4.结束语

随着科学技术的不断发展，数字电路教学也必然面临着教学内容和模式的不断改革，以适应新形势的需要。因此授课教师应不断充实自己，不断总结和积累经验，抓住教学重点，使学生切实学懂这门课，掌握数字逻辑设计的重要概念和基本方法，为后续课程和今后走上工作岗位打好基础。笔者在教学中所采用的内容改革和教学方法创新通过多轮教学实践证明，是切实可行的，能够很好的反应当前数电教学的新形势，教学效果良好。

参考文献

[1]杨志忠，卫桦林等.数字电子技术基础（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2009，7

[2]杨志忠，赵航等.数字电子技术及应用[M].北京：高等教育出版社，2012，1

数字电路的基本原理范文

关键词：教学改革；数字逻辑电路；C语言

中图分类号：G642文献标识码：B

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()

{sbita=P1.0;//定义布尔输入变量a是微控制器的P1.0口

sbitb=P1.1;//定义布尔输入变量b是微控制器的P1.1口

sbitc=P1.2;//定义布尔输入变量c是微控制器的P1.2口

sbitf=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；

elslf==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()

{sbita=P1.0；//定义布尔输入变量a,b,c为微控制器的P1口

sbitb=P1.1；

sbitc=P1.2；

sbity0=P2.0；//定义布尔输出变量y0~y7是微控制器的P2口

sbity1=P2.1；

sbity2=P2.2；

sbity3=P2.3；

sbity4=P2.4；

sbity5=P2.5；

sbity6=P2.6；

sbity7=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

[1]孙荣高，吕昂.微控制器温室环境温湿度程序控制系统的研究与设计[J].微计算机信息，2005，(10)：9-11.

[2]陈科，李进.基于ISP技术的单片机教学实验装置的研制[J].浙江理工大学学报，2006，(3)：60-63.

[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.

收稿时间：2007-2-16