数字集成电路原理(6篇)

数字集成电路原理篇1

SunJinping

（Xi'anInstituteofRailwayTechnology，Xi'an710014，China）

摘要：针对职业教育技能应用型人才的培养目标，基于理实一体化的教学方式，本文打破原有数字电子技术课程体系，按项目为载体、任务驱动的理念，进行数字电子技术课程知识的解构及重构，研发出数字电子技术课程教、学、做的新体系。按基本、应用、综合三大能力，设置了八个项目、26个任务。使数字电子技术课程的理论知识和实践技能得到有机的融合。实践表明，按项目引导来实施任务教学，更有利于学习者掌握数字电子技术的基本理论知识及技术应用，提升分析、解决问题的实践技能。

Abstract:Forthetrainingobjectiveofappliedtalentofvocationaleducationskills,basedontheteachingmethodswhichintegratethetheoryandpractice,thispaperbroketheexistingdigitalelectronictechnologycurriculum,reconstructedthedigitalelectronictechnologycoursesknowledgeaccordingtotheideaoftakingtheprojectasthecarrierandtaskderivation,anddevelopedthenewsystemofdigitalelectronictechnologycourseswithteaching,learning,doing,whichsetupeightprojectsandtwentysixtasksaccordingtothreeabilitiesofbasis,applicationandintegration.Thenewsystemmadethedigitalelectronictechnologycoursesgetanorganicintegrationoftheoreticalandpracticalskills.Practiceshowsthatthetaskteachingguidedbytheprojectcanhelpthelearnersgraspthefundamentaltheoreticalknowledgeandtechnologyofdigitalelectronictechnologyandenhancetheskillsofanalyzing,solvingproblemandpractice.

关键词：数字电子技术项目任务解构重构

Keywords:digitalelectronictechnology；project；task；deconstruction；reconstruction

中图分类号：G71文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）19-0194-02

0引言

数字电子技术课程（以下简称“数电”课）在各种类型、各种层次的高等、中等及职业学校电类专业中都不同程度开设。它是电类专业的专业基础课，更是应用电子技术、通信、自动化、信息技术等专业的核心课。而且，“数电”课实践性很强，特别是对于职业教育要实现技能应用型人才培养的目标，为相应专业做好知识和技能的铺垫，提升“数电”课教与学的效果非常重要。由此，对“数电”课进行了课程体系解构、重构的研究和开发。

1“数电”课程解构、重构的研发思路

“数电”课是西安铁路职业技术学院（以下简称“我院”）精品课程，是一门面向全院电类专业的技术基础课。课程网站资源丰富，利于学习、训练、提高、参考。为突出技能培养，体现教、学、做一体化，实现边学、边看、边练，改变以往教师为主体，学生为客体，灌输式、被动式教与学的状态，应突出学生主导、教师引导的互动式教学方式。对传统的“数电”课程体系，按照理论融于实践、简单渐进复杂，便于教学、利于掌握，以及必需、够用[1]、适度的原则，进行解构与重构。

1.1打破传统的理论体系“数电”课的基本内容，包括一个数学工具就是逻辑代数；两个基本元件是集成逻辑门和触发器；三种电路即组合逻辑电路、时序逻辑电路、脉冲产生电路；因集成度、功能、材料、应用范围不同而构成的四种类型数字电路；五个优点为便于集成、抗干扰性强、处理功能强、实现灵活、易于加密压缩；六种发展趋势是大规模、低功耗、高速度、可编程、可测试、多值化[2]。

“数电”课的知识和技能随着新技术、新工艺的产生，以及市场对人才需求的变化，尤其是职业教育及其对象的特征，必须要打破传统的学科型理论体系，突出职业教育的特色，重新构建“数电”的项目化课程体系。这个项目化课程体系将以三种电路为主线来构建，采用渐进、必需、够用法，按照用到什么知识点就学什么，用多少就学多少。尤其是“数电”课的逻辑代数部分，不再按部就班地把它一口气统统介绍完整，而是把逻辑代数、集成逻辑门、组合逻辑电路的格局打破，重新构建学习项目及任务。以能力培养为目标，以项目教学为平台，以学习任务为驱动，形成新的学习体系和方式。如在学习集成逻辑门多余端处理时，引入学习基本定律中的重叠律、还原律、0-1律[3]；在进行组合逻辑电路功能分析时，引入基本定律中的其它定律、基本规则、代数化简法；在进行组合逻辑电路功能设计时，引入逻辑代数的卡诺图化简法及格雷码等。这样，理论知识学得会、记得牢，更用得上、用得准、用得活。

1.2摒弃内部的原理分析随着数字电子技术的发展和广泛应用，集成芯片内部的结构、原理分析，以及分立元件功能等内容，除微电子技术专业外，其余电类专业，特别是对于职业教育的相应专业，突出应用技能的培养，注重的是数字电子技术中集成芯片功能的检测、应用，电路功能的测试、扩展及使用。所以，在重新构建“数电”的项目化课程体系时，摒弃了如TTL与非门、触发器等内部结构及其原理分析等。

2“数电”项目课程研究与开发

职业教育培养目标是培养技能应用型人才，“数电”的课程目标是掌握数字电路和集成芯片的逻辑功能及应用，具备用中、小规模集成电路设计与分析较为简单的电子产品能力，以及组装、维修、检测、调试能力。所以，“数电”项目化课程的设计，立足于将电子产品的功能设计、仿真、制作及测试贯穿到整个课程体系。

2.1重构“数电”项目化课程的基本原则重构“数电”项目化课程，首先要确保、甚至要强化"数电"课程在相应专业中的地位和作用。其次，对纯理论、纯原理性的内容进行合理分解和适当删减。对于在发展中逐步淘汰的知识予以舍弃。突出功能及新技术应用，加强知识和技能的关联与衔接。

2.2重构“数电”项目课程的做法将“数电”课中一种数学工具、两个元器件、三种电路的主要内容，重新整合为八个项目26个任务。每个项目都是以电子产品的功能分析、设计制作拟定的，其中包含的任务是与项目对应的知识、方法和技能，并且突出知识必须、够用，以任务的实现为主线，构建课程的内容。

从知识循序渐进的规律，将课程的总结构设置为组合、时序及脉冲电路，把数字电路的基础知识分解到相应的任务中。譬如，数制与基本运算[5]在集成逻辑门知识前作铺垫，组合电路的竞争与冒险归在组合逻辑电路设计中研究，BCD码、有权码、无权码及具有约束项的卡诺图化简法纳入二-十进制译码显示器中介绍等。

从技能的掌握遵循简单到复杂不断强化的规律，将课程内容分成两大部分，一部分是课内的任务，如表1所示。一部分是课外的任务。例如集成逻辑门的三态门、OC门、传输门，组合逻辑电路的比较器[6]，码制中的奇偶校验码、原码、反码、补码及其运算[4]等都作为课外任务，来延续和强化学习的效果。而且，这些内容并不是简单的课内任务的重复验证，而是需要通过资料收集、问题咨询、归纳整理、交流学习、总结提高几个环节来完成，重复的是过程而不是内容，对学生综合应用能力的提升非常有效，也是对知识体系的补充和完善，更是培养学生分析问题解决问题思维能力的有效途径。

2.3“数电”项目课程体系根据以上研发原则和思路，重新构建的“数电”项目化课程体系如表1所示。共有八个项目26个任务，其中项目一至项目七的23个任务是锻炼、培养“数电”课程基本知识、基本技能的内容，总计60个课时。项目八是为提升“数电”课程综合应用能力而设计的3个任务，要求选择其中一个在为期一周内、集中30个课时进行实训教学。

3结束语

在解构、重构“数电”项目化课程体系时，力求使教与学，知识理解与技能掌握的关联度、衔接度更密切、更贴近。对于理论知识坚持把握必须、够用、适度的原则，对于实践能力从基本技能到应用与综合技能，按项目引导实施任务教学，从而有效提升学习者掌握数字电子技术基本理论知识及技术应用能力的水平。

参考文献：

[1]刘国巍．数字电子技术基础[M].长沙：国防科技大学出版社，2008.

[2]孙津平．数字电子技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2005.

[3]张志良．数字电子技术基础[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4]江晓安．数字电子技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，1990.

[5]刘．实用电工电子技术基础[M].北京：中国铁道出版社，2010.

数字集成电路原理篇2

【关键词】逻辑设计；目标定位；教学内容；模式手段

一、逻辑设计课程目标与定位

1、课程目标

使学生具备本专业的高素质技术应用型人才所必需的电子电路逻辑设计基本知识和灵活应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；通过项目的引导与实现，培养学生团结协作、敬业爱岗和吃苦耐劳的品德和良好职业道德观。本课程目标具体包括知识目标、能力目标和素质目标。

（1）知识目标：熟悉数字电子技术的基本概念、术语，熟悉逻辑代数基本定律和逻辑函数化简；掌握门电路及触发器的逻辑功能和外特性；掌握常用组合逻辑电路和时序电路的功能及分析方法，学会一般组合逻辑电路的设计方法（用SSI和MSI器件），学会同步计数器的设计方法；熟悉脉冲波形产生与变换电路的工作原理及其应用；了解A/D，D/A电路及半导体存储器、PLA器件的原理及其应用。

（2）能力目标：具有正确使用脉冲信号发生器、示波器等实验仪器的能力；具有查阅手册合理选用大、中、小规模数字集成电路组件的能力；具有用逻辑思维方法分析常用数字电路逻辑功能的能力；具有数字电路设计初步的能力。

（3）素质目标：培养学生学习数字电路的兴趣；培养学生团结合作的意识，培养学生自己查找资料能力。

2、课程定位

《逻辑设计》是计算机应用技术专业和电子信息类专业的一门重要硬件基础课，其理论性和实践性很强，尤其强调工程应用。是现代电子技术、计算机硬件电路、通信电路、信息与自动化技术的和集成电路设计的基础。在高速发展的电子产业中数字电路具有较简单又容易集成。通过本课程学习，熟悉小中大规模数字集成电路分析与应用，突出数字电子技术应用性，获得数字电子技术必要的基本理论基本知识和基本技能；了解数字电子技术的应用和发展概况，为后继课程及从事相关工程技术工作和科研与设计工作打下一定基础。《逻辑设计》在电子信息专业课程的地位，表现在其先导课程为《电工电子技术》，要求学生掌握由分立元器件组成的电子电路的识别与检测、与基本分析方法，掌握有关晶体管以及晶体管电路的分析方法等；其后续课程有《微机原理与接口技术》、《单片机技术应用》、《EDA技术应用》等。学习集成电路芯片在计算机及相关电子设备中的应用与作用。

二、逻辑设计课程教学内容

1、教学内容选取依据

（1）以培养高素质技能型人才为目标，教学内容选择与组织突出“以能力为本位，以职业实践为主线，以项目主体--任务贯穿”为总体设计要求，在内容的选取上，首先立足于打好基础。在确保基本概念、基本原理和基本教学方法的前提下，简化集成电路内部结构和工作原理的讲述，减少小规模集成电路的内容，尽可能多地介绍中大规模集成电路及其应用。以能力培养为主线，以应用为目的，突出思路与方法阐述，力求反映当今数字电子技术的新发展。

（2）在教材内容编排上精心组合，深入浅出，做到概念清晰，逻辑设计思想严谨。教学实施中注重重点突出，层次分明，相互衔接，逻辑性强，以利于教学做一体化的整合。在讲义上力求简洁流畅，通俗易懂，便于学生自学。

（3）以实训项目为载体，采取任务驱动教学做一体化的实施，体现理论指导实践，实践深化理论的素质养成目的。

（4）依据各学习项目的内容总量以及在该门课程中的地位分配各学习项目的课时数。

（5）知识学习程度用语主要使用“了解”、“理解”、“能”或“会”等用来表述。“了解”用于表述事实性知识的学习程度，“理解”用于表述原理性知识的学习程度，“能”或“会”用于表述技能的学习程度。

2、教学具体内容安排

表决器电路设计与制作，抢答器电路设计与制作，同步计数器电路设计与制作，方波发生器电路设计与制作，数字钟电路设计与制作。

三、逻辑设计课程教学模式与手段

1、教材编写

教材编写体现项目课程的特色与设计思想，教材内容体现先进性、实用性，典型产品的选取科学，体现地区产业特点，具有可操作性。呈现方式图文并茂，文字表述规范、正确、科学。

2、教学模式

采取项目教学，以工作任务为出发点来激发学生的学习兴趣，教学过程中要注重创设教育情境，采取“教学做”一体化的教学模式，将知识、能力、素质的培养紧密结合，进一步加强职业教育教学改革研究，优化完善我校应用型人才培养体系。

3、教学方法

从教学手段、教案设计、教学思路、语言表述、教学资源等方面着手，对如何在课堂教学中提高学生的学习主动性和兴趣开展教研。教学过程有进行项目引导，任务贯穿，“提出问题”、“引导思考”、“假设结论”、“探索求证”，把握课程的进度，活跃课堂气氛，使大多数学生能够获得尽可能大的收获。采用“发现法”教学方式，使学生建立科学的思维方法与创新意识。学习内容的掌握依赖于学习者的实践，课程组加强了对教师教学及学生学习过程的管理；为使学生理解和有效掌握课程内容，在坚持课外习题练习、辅导答疑等教学环节的基础上，增加随堂练习、单元测验等即时性练习环节，督促学生复习和掌握已学知识点。

4、教学手段

充分利用挂图、投影、多媒体等现代化手段，发挥网络突破空间距离限制的优势，让学生能够最大限度的利用学习资源，自主地学习和提高，弥补课堂上未能及时消化吸收的部分内容。教学过程中相应教学班成立课程提高学习小组，任课教师课外指导该小组进行拓展学习及课外科技活动指导，达到因材施教的目的；一方面教师指导有兴趣能力强的学生进行课外学习，特别是对数字系统设计知识的答疑指导，为能力强的学生提供发展空间，解决因课时数限制而无法在课堂上深入讲授特定工程应用专题的矛盾。也加强了教师与学生的互动，教师可以第一手了解学生对教学过程的反馈，改进教学方法，利用学习好的学生带动整个班级的学习，促进良好班风学风的形成。探讨当前教学环境下，培养学生课外学习能力的新模式。

5、课程资源的开发与利用

整理并开发具有职教特色的自编教材，编写学生实训指导用书，引导学生查阅网络资源，要注重利用仿真软件的辅助设计功用。

参考文献

数字集成电路原理篇3

关键词：太阳光；图像传感器；数字信号处理器（DSP）

中图分类号：TP216文献标识码：A文章编号：1009-3044（2014）16-3933-04

Abstract：AsunlightdetectingequipmentcircuitisdesignedbasedonDSPinthispaper.Accordingpinholeimagingprinciple，usingCMOSimagesensorOV7670capturethesunspotbyDSPTMS320LF2407Aprocesscontrol，itcancontrolactuatorstoadjusttheanglebetweentheplaneoftheimagingmechanismandthesun'srays.Soitcanmakesolarfullcollection，andachievetheautomatictracking.

Keywords：Sunlight；Imagesensor；Digitalsignalprocessor（DSP）

随着不可再生资源的逐渐减少，造成全球能源危机，新能源的开发应运而生。如太阳能以其具有储量的无限性，存在的普遍性，利用的清洁性，利用的经济性等特点成为研究的热点[1]。

但由于太阳能的能源具有不连续性、密度低、空间分布不均的特点，使得收集和利用不方便。为提高设备对太阳能能量的接收效率，太阳光自动跟踪装置应运而生。装置设计原理主要可分为：时钟式、程序控制式、压差式、控放式、光电式和用于天文观测和气象台的太阳跟踪装置几种[2]。

其中，时钟式和程序控制式的跟踪装置电路简单，时钟累计误差大且不能自动消除，跟踪精度较低；压差式和控放式的跟踪装置原理结构较复杂，设计难度大，只能用于单轴跟踪，控制精度低；光电式跟踪装置具有较高的灵敏度，具有相应速度快、噪声低、小型轻量及耐震性的特点容易实现，但不能进行连续跟踪。因此，设计一种全新的太阳光跟踪装置，使之能够兼具电路原理结构简单，跟踪范围广、精度高，且能实时自动跟踪的特点。从而广泛推动太阳能的普及利用。

本文设计了一种基于视觉的太阳光检测装置，与现有的其它方法相比具有直观，方便的优点。根据小孔成像原理，采用CMOS图像传感器OV7670采集太阳光斑，经DSPTMS320LF2407A核心处理器控制相关参数设置寄存器变量来实现，并可通过串行通信实现远程监控。对太阳光斑定位的同时控制执行机构适时调整成像机构所在平面与太阳光线的夹角使得太阳能充分采集，实现自动跟踪。该装置对全方位监控系统也有一定的借鉴意义，有着重要的使用价值和良好的应用前景。

1装置组成的工作原理

该装置主要由成像机构、采集控制机构和执行机构组成，工作原理如图1所示。

2装置的成像机构

成像机构：主要包括光学系统、图像传感器部分。

采集太阳光时，利用小孔成像原理，通过小孔及下方的成像机构，将太阳光投影至接收屏上形成光斑图像。接收屏下方另设有图像传感器，常用的有三种：CCD图像传感器、CMOS图像传感器及CIS接触式图像传感器。

CMOS图像传感器以其高集成度、高速、小体积、低成本、低功耗、且单一电源即可驱动等特点在市场占据了大量的份额。虽然它处理的图像质量，如噪声比、分辨率、灵敏度不高，但对于本系统对图像质量要求并不高的环境，再兼顾CMOS图像传感器具有软件可编程控制，可实现直接数字化输出，能够大大降低系统设计的难度，提高系统设计的稳定性和灵活性的优势，最终选用了OmniVission公司生产的数字式彩色CMOS图像传感器OV7670。

CMOS图像传感器OV7670初始化流程图如图2所示。

3装置的采集控制与执行机构

采集控制机构：选用TI公司生产的型号为TMS320LF2407A的专用于控制的DSP数字信号处理器作为系统的核心处理器。

本系统由DSP控制，主要完成图像的采集和处理部分。接收屏上的太阳光斑图像信息，通过CMOS图像传感器输出为数字信号，DSP采集这些数字信息进行处理，得到太阳光斑在接收屏上的位置坐标，并保存接收屏的图像数据，通过串口与PC机通信，将接受屏的太阳光斑图像、此时的太阳高度角、方位角在显示器上全部显示出来。

3.1图像采集系统

图像采集系统如图3所示，是由CMOS图像传感器OV7670，数据隔离器74LVCH16245及DSP数字信号处理器TMS320LF2407A三部分组成。由于OV7670没有片选端，且不具有三态输出，因此在将OV7670采集到的太阳光斑图像存入到DSP外部RAM时，容易产生数据线的总线竞争，为了避免这个问题，在OV7670与DSP之间加了一个数据隔离芯片，型号是Philips公司生产的74LVCH16245。

3.2图像处理系统

图像处理系统如图4所示，由DSP电路和DSP存储空间设计两部分组成。

1）DSP电路

DSP电路的设计主要包括复位电路、PLL锁相环电路、电源管理电路、信号隔离电路、JTAG扫描仿真口、外扩存储器电路及SCI通信模块电路。

具体电路连接图如图5所示。

本装置的执行机构主要由控制机构控制电机的转动进行太阳光线的跟踪。

4结论

由DSP采集、处理、识别检测到的太阳的高度角和方位角判断成像机构所在平面是否与太阳光线始终保持垂直夹角，若有偏差，系统控制电路发出控制信号给步进电机，由步进电机带动整个执行机构调整偏转角度，实现成像机构对太阳高度角和方位角的实时跟踪。

参考文献：

[1]郑飞.碟式太阳能热发电跟踪机构电路优化设计和实现[D].北京：中国科学院，2003.

数字集成电路原理篇4

关键词：数字集成电路；PSPICE；反相器

中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1674-9324（2016）38-0033-02

引言：

伪逻辑数字电路是数字集成电路课程教学中的重要部分[1-4]。由于伪PMOS逻辑电路的分析极为复杂，其涉及到反馈电路、有比电路以及各个元件之间的相互影响，在教学的时候不易掌握。老师找不到很好的方法来进行教学，学生听起来也是摸不着头脑。PSPICE软件的引入为伪逻辑数字电路的讲解提供了一个极为有效的辅助手段，其能够给出清晰的物理图像，让学生对电路各个部分的瞬态特性、中间态等特性有清楚的了解，从而帮助学生高效地进行电路的学习。

一、数字集成电路的PSPICE模拟实例

本文以数字集成电路课程中的伪PMOS逻辑电路为例，介绍如何利用PSPICE软件建立相应的仿真电路，并进行静态和瞬态仿真，查看仿真波形，并对结果进行分析。

1.伪PMOS逻辑电路原理。伪PMOS技术构建的反相器逻辑电路如下图1（a）所示：

当输入信号Vin为高电平并且等于Vdd时，PMOS关断，NMOS管导通。此时在Vx和接地点之间存在一个直接通路，形成一个稳定的低电平输出。相反，当输入电压为低电平（0V）的时候，NMOS和PMOS导通都导通。在Vdd和Vx之间存在一个电压分压，产生了一个高电平的输出电压。这个电路具有反向逻辑的功能。和CMOS逻辑不同，伪PMOS逻辑只有上拉网络，没有下拉网络。这样可以减少使用晶体管的数量。

2.电路原理图绘制。PSPICE软件使用CaptureCIS进行电路原理图的绘制。CaptureCIS窗口截图如图2所示。

在CaptureCIS的窗口自上而下分别为菜单栏、仿真栏和原理图编辑窗口，窗口的右侧是电路元件选择栏；其中各个元器件调用时通过点击电路元件选择栏里的PlacePart按钮来实现。在PlacePart打开元器件库以后，可以手动添加各种不同的电子元件。各大电子元器件公司都提供了支持PSPICE的元件库，可以到各大电子元器件公司的主页上下载。

二、数字集成电路的PSPICE模拟实例

1.伪PMOS逻辑的电压传输特性。本文采用0.25微米工艺参数进行器件模拟。根据工艺参数的要求，在普通数字集成电路的设计中，NMOS一般做最小尺寸设计，也就是NMOS沟道长度Ln=0.25微米，最小沟道宽度Wn一般为最小沟道长度的1.5倍，所以最小沟道宽度Wn=0.375微米。PMOS沟道长度一般也为工艺最小值Lp=0.25微米，这样进行伪PMOS反相器设计的时候，只需要调整PMOS沟道的宽度Wp的大小，这样设计变量大大减小，降低了设计的复杂度。

图3是对伪PMOS逻辑反相器的电压传输特性仿真。图3中标记a、b、c分别对应于PMOS沟道宽度Wp为1.125微米、2.5微米、3.625微米。从图中可以看到：当PMOS沟道宽度Wp小于2.5微米时，输出高电平迅速下降。

可以看到一个伪PMOS逻辑电路存在高电平达不到Vdd的问题。经过多级逻辑的串联，输出高电平信号将逐渐降低。这会导致芯片内部逻辑错误的出现，是不允许出现的。因而必须在两个伪PMOS逻辑电路之间插入一个CMOS反相器来进行电平信号再生。但是也引入了静态功耗和噪声容限降低的问题。

2.伪PMOS反相器的瞬态仿真。图4的瞬态响应表示一个PMOS正在对输出电容充电。假设节点X开始为0V。我们观察到输出开始时充电很快，但在瞬态过程快结束时却很慢。图4中标记a、b、c的曲线分别对应于PMOS沟道宽度Wp为0.75微米、1.125微米、1.875微米。从图中可以看到，随着晶体管尺寸的减少，晶体管等效电阻增加，从而导致X节点的输出高电平迅速降低，这容易导致逻辑错误的出现。

3.伪PMOS反相器的电平拉升。解决电压下降的方法是使用电平拉升电路（图1b部分电路），这是把一个PMOS（Mr）连入反馈电路中。PMOS器件的栅极连接到反相器的输出端，他的漏极连接反相器的输入端，而源极和电源Vdd相连接。假设节点X为0V。如果输入Vin从Vdd翻转到0，Mp只将节点X充电到比阈值电压Vm高的电压水平。然而这足以把反相器的输出切换到低电平，使得反馈器件Mr导通，从而使得节点X和电源Vdd连接。这就大大降低了反相器中的静态功耗。

这在图5中得到证实，图中显示了Mn尺寸固定瞬态响应随着Mr尺寸变化的情况。上半部分是输入梯形信号Vin的波形图，下半部分是输出信号Vx的波形图。图5中标记a、b、c的曲线分别对应于Mr沟道宽度Wp为0.75微米、1.125微米、1.875微米。通过对不同Mr沟道宽度的伪PMOS反相器瞬态特性分析，可以找到最合适的工艺尺寸。从图中可以看到，当Mr的宽度大于1.125微米的时候，下拉Mn无法有效地将电平拉下来，从而节点X的电平被锁定在一个中间电平值，从而导致逻辑错误。

三、结语

本文介绍了PSPICE软件在数字电路教学中的应用。在CaptureCIS中建立了伪逻辑反相器电路，并利用PSPICE软件分析了PMOS沟道宽度对电压传输特性和延迟特性的影响，展示了PSPICE软件的强大功能。

本人在数字集成电路的教学中引入了PSPICE软件以后，效果非常显著。学生上课的积极性高涨，教学效果大大提高。

参考文献：

[1]JanMRabaey，等.数字集成电路[M].第二版.周润德，等，译.北京：电子工业出版社，2010.

[2]Sung-MoKang，等.CMOS数字集成电路[M].北京：电子工业出版社，2015.

数字集成电路原理篇5

关键词：EDA；数字电路课程设计；多功能数字钟

1.EDA技术[1]

EDA技术即电子设计自动化技术，英文全称ElectronicDesignAutomation，它是以功能强大的计算机为工具，在EDA软件平台上，对以硬件描述语言HDL为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动完成逻辑编译、简化、分割、综合、布局布线及逻辑优化、仿真测试的电子产品自动化设计过程。

利用EDA技术进行电子系统的设计，具有以下几个特点：

（1）用软件的方式设计硬件，且用软件的方式设计的系统到硬件系统的转换是由相关的开发软件自动完成的；

（2）设计过程可用相关软件进行各种仿真；

（3）系统可现场编程，在线升级；

（4）整个系统可以集成在一个芯片上，具有体积小、功耗低及可靠性高的特点。

2.用EDA技术改进数字电路课程设计的必要性

数字电路课程设计是建立在数字电子技术基础上的一门综合实践性课程[2]，有利于培养学生的系统综合能力和创新能力，对提高办学档次，满足社会对高素质人才的需求，培养学生对未来社会的适应能力都是受益匪浅的。通过这一课程的学习，学生能够熟练地利用EDA技术掌握较复杂数字系统的设计方法，进一步增强学生分析问题、解决问题的能力，充分挖崛和激发学生的创新潜能。

目前在数字电路实践教学中，大部分学校仍然采用中小规模的集成电路来实现设计功能，当设计的系统比较复杂，需要多个集成芯片和大量连线时，就增加了设计电路板的难度和故障调试难度，延长了设计周期，降低了学生的学习兴趣；同时，常用中小规模集成芯片的大量重复使用也大大增加了设计成本；因此，在数字电路课程设计中引入EDA技术，采用当前国际先进的设计方法和理念，改革传统的课程设计方法，已经成为一种趋势[3]。用中小规模集成电路设计的数字系统存在以上诸多缺点，而运用EDA技术、可编程逻辑器件设计数字系统就成为行之有效的方法。这种设计方法从系统总体要求出发，自上而下地将设计细化，将功能具体化、模块化；直到最低层的模块适合用硬件描述语言或原理图描述为止，最后形成数字系统的顶层文件；再经EDA软件的自动处理而完成设计。

QuartusII是Altera公司的第四代EDA开发软件，此软件提供了一种与结构无关的全集成化环境，将设计、综合、布局和布线、系统的验证都整合到一个无缝的环境中，使设计者能方便地对Altera公司的PLD系列产品进行设计输入、快速处理和器件编程。是应用广泛的EDA开发软件之一。CPLD/FPGA通称为可编程逻辑器件，其中FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程逻辑器件的基础上进一步发展的产物。目前，QuartusII开发软件和CPLD/FPGA器件作为EDA开发工具被越来越广泛的应用到大型数字系统的设计中。

3.EDA技术在数字电路课程设计中的应用

多功能数字电子钟的设计是数字电路设计中的一个典型应用，用中小规模集成电路实现时，用到的器件较多，连线比较复杂，可靠性差。下面就以基于ALTERA公司的FPGA器件CycloneII240C8芯片和QuartusII9.0EDA开发系统进行多功能数字钟的设计为例来介绍数字电路系统的一般设计方法。运用此种方法进行课程设计时，需要先掌握QuartusII软件开发环境的使用和硬件描述语言VHDL语言的编程，掌握相关CPLD/FPGA实验开发系统的使用。

（一）数字钟的设计要求

（1）具有时，分，秒计数显示功能，以24小时循环计时，由6个7段共阴极数码管显示；

（2）能够通过手动按键实现清零和调节小时、分钟功能；

（3）具有整点报时功能，当时钟计数为59’51”、59’53”、59’55”、59’57”时，扬声器发出频率为1024Hz的声音，在59’59”即到整点时，扬声器发出最后一声整点报时，频率为4096Hz。

（4）用VHDL语言来完成上述电路功能的软件设计和软件仿真，仿真结果正确后，在实验系统上进行由硬件电路的下载和调试。

（二）数字钟的设计方案

多功能数字钟电路的系统结构框图如图1所示，由系统时钟、控制电路、秒计数器、分计数器、小时计数器、译码器、显示器和扬声器组成；控制电路负责控制计数器计时、校时和扬声器报时，译码器将各计数器输出的BCD码计数值转换成七段码送到显示器，显示器显示时、分、秒计时结果。

介于所使用的实验系统中有现成的译码器和显示器部分硬件电路，故只对图1所示控制电路和时、分、秒计数器模块进行软件设计，由VHDL语言编写源代码来实现。

（三）数字钟的实现

在设计过程中采用层次化设计方法进行设计，编写源程序，为了简化设计把控制计时和调时部分功能放到计数模块中，报时部分专门用一个模块，故将数字钟的实现分成秒、分、时三个计数模块和一个报时模块构成，报时模块同时完成对报时输入信号的分频。

通过系统分析论证后，在QuartusII9.0环境下，用VHDL硬件编程语言编写数字钟的报时模块、秒计数模块、分计数模块和时计数模块源代码，即分别对应alert.vhd、second.vhd、minute.vhd、hour.vhd文本文件，对这四个模块分别进行编译、综合和仿真测试无误后，生成这四个模块的符号图，最后通过原理图连接的方式把以上各模块生成的图形符号连在一起形成顶层的原理图，实现多功能的数字钟。下面给出通过原理图的形式所设计的顶层原理图如图2所示，顶层设计文件为clock.bdf，顶层实体图如图3所示，当然也可以通过元件例化语句来生成顶层实体。

（四）功能仿真与下载

以上各个模块设计好以后，都可以利用软件进行仿真，得到正确的功能仿真结果后，在顶层的设计中调用各功能模块，完成顶层原理图或实体的设计，最后针对顶层的实体再进行功能仿真，仿真结果如图4所示，从仿真结果的部分截图中可以得到该数字钟能够实现正常计时的功能。

仿真正确后，选定好所选用的实验系统的配置芯片，锁定引脚，完成引脚配置，重新进行编译综合后，即可生成下载文件clock.sof，将此文件下载到选定的目标芯片，接上器件，完成整个系统的设计。经过在杭州康芯电子有限公司生产的GW48EDA/SOPC实验开发系统下载验证，该设计完全符合数字钟的功能要求。

4.结束语

通过将EDA技术应用于数字电路课程设计提升了学生对数字电路的认识，在设计过程中可以预先进行仿真，仿真有误可以修改设计，在这个过程中不必搭接电路，做到有错就随时修改，不用担心设计实验失败的风险。通过EDA技术不仅可以很好地锻炼学生的综合设计开发能力和动手能力，从而激发他们的学习兴趣，还可以大大节约数字电路课程设计实验的成本，提高设计效率，培养了他们解决问题的综合能力，因此，使用EDA技术必将是数字电路实践课程改革的新动向。

参考文献

[1]潘松，黄继业.EDA技术实用教程.北京：科学出版社，2010.

数字集成电路原理篇6

关键词故障诊断；数字电路板；自动测试系统

中图分类号：TN952文献标识码：A文章编号：1671―7597（2013）031-091-01

随着武器装备信息化程度的不断加强，数字电路板已经成为电子装备的重要组成部分。其质量直接影响到装备整机的质量。因此，对数字电路板的测试和故障诊断技术进行研究已经成为现代测试技术研究的重要领域。引入自动化测试不仅可以使测试员从枯燥的重复测试操作中解放出来，而且能够确保测试数据的精确性，从而提高数字电路板测试的质量和效率，并在传统检测方法的基础上，将自动测试的原理和方法运用到故障检测中，是故障诊断的新途径，目前己被广泛应用。

1数字电路板的故障诊断原理

1.1故障诊断的概念

故障诊断是指在特定的测试和故障判断方法的指导下，对诊断对象进行自动检测，同时它还是发现故障、定位故障的过程，从而为故障修复提供依据。诊断是建立在检测和故障测试的基础之上，又是对现有的检测和故障测试技术的革新与发展。故障诊断的任务，就是要通过检测获得被诊断对象的故障信息，提炼出故障现象和特征，并根据预先设定的规则，对故障信息进行综合分析并得出结论。

1.2故障诊断的原理

该原理是基于比较的测试方法，即根据系统的实际输出结果与系统原始模型或系统正常工作时的标准值进行比较分析，再由前后两者的差值来判断当前系统的工作状态。如果存在故障，则从检测出的故障信息中解析出故障特征，判断故障原因，准确定位其故障源，以便采取对应的维修措施。

1.3故障诊断的方法

不同种类的数字电路板实现的功能不同，其故障特点也各不相同，针对它们的故障维修、检测和诊断的方法也不尽相同。例如，部分数字电路板比较适合于采用传统的判断规则进行诊断，而有些数字电路板则宜采用自动测试技术进行诊断。本文主要介绍基于自动测试系统的数字电路板故障诊断的方法。

2自动测试系统在数字电路板测试与故障诊断中的应用

自动测试系统是指在人极少参与或不参与的情况下，自动进行测量，处理数据，并以适当方式显示或输出测试结果的系统。它由单个计算机平台集成多种测试（测量）仪器、仪表，组成控制系统，并可通过计算机系统中的软件代码进行编写特定程序来实现对被测试对象的自动激励和响应的采集、分析，从而完成对被测试对象的功能特性和指标参数的研究、分析，以及故障的判断和定位。针对不同的被测数字板类型，在自动测试系统中通过施加不同的测试程序集（TPS）完成测试任务，使用方便灵活，扩展性能好，可靠性高。

自动测试系统的模块化、通用化和可编程性，使其成为搭建测试、检测和诊断平台的最佳选择。目前应用最广泛的自动测试系统是基于GPIB总线的自动测试系统（见图1）。

图1基于GPIB总线的自动测试系统结构图

采用GPIB总线技术搭建的自动测试系统具有方便灵活、可分可和的特点。一根GPIB专用电缆可将多台测试仪器连接成一个自动测试仪器系统。

3利用自动测试系统诊断数字电路板的原理

3.1诊断模型的建立

图2自动测试系统诊断数字板故障的结构

图中被测数字电路板的输入信号大小由工作时根据指标要求设置，根据数字电路板故障诊断理论，先向被测数字电路板提供输入信号，并利用自动测试系统采集相应的输出信号，再通过计算机程序的分析和处理，实现对测试采集到的故障信号进行判断和定位，最后通过与系统正常工作时的电路板输出信号作比较，查出电路中有故障现象的信号，进而对故障现象的各种可能性原因进行分析、判断和解决。

3.2利用自动测试系统分析

在进行数字电路板诊断时，首先通过自动测试系统对电路板作整体功能测试，其次将实际测到的输出信号与理论上的输出信号相比较。如果前后两者一致，说明电路板可以实现预设功能，即可判断该电路板工作正常；否则，结果不一致时即可以得到错误信号的输出端，并作为故障诊断的起点。然后通过反向追踪来实现故障隔离，即当电路板的某一节点输出信号的波形显示和预期的不一致时，则检查能够直接影响并导致该节点输出波形不正常的相关前级节点的输出波形，由此从后级节点电路向前级节点电路逐渐推进、检测、诊断，最终查出导致电路板输出错误信号的最前级节点。

一般情况下，导致节点输出信号故障的原因有三个：一是产生该节点信号的器件或集成电路芯片自身存在故障；二是该节点与其它节点短路；三是与该节点相连的器件或集成电路芯片的输人引脚焊接短路。

4总结

数字电路板诊断理论的不断发展与日趋改进、完善，以及前人在此基础上进行的众多工程研究和实践，已为数字电路板测试与诊断系统的设计提供了可行的思路和方法。本文中的自动测试系统基于功能测试法，以数字电路板的测试和故障诊断方法为根据，并在此基础上充分应用自动测试系统设计技术，以实现数字电路板测试、故障检测和定位的自动化，促使故障定位到元件级，可实现较高的故障检测率。

参考文献

[1]李行善，左毅，孙杰.自动测试系统集成技术[M].北京：电子工业出版社，2004.