数字设计 15
数字电子技术飞速发展，目前各类教材的体系和内容都难以适应，难免存在不足之处。 为了便于学生更好地理解与掌握这一技术的思想要点，根据具体课程的内容组织安排，特编写本文，方便于学生的预习和复习。
本文作为一种简写的讲稿，将课程内容分为3部分9章，并具体划分到32次课。对每次课给出内容提纲、参考教材章节目录，同时附加了较为丰富的课程设计题目，供学生选择。
课程总体安排
共64学时，32次课
第一部分： 数字逻辑的标准设计
第1章 数字系统的标准设计 3次 第2章 逻辑单元的电路设计 3次 第3章 信号编码与运算 3次
第二部分：组合优化设计
第4章 基于逻辑单元的组合设计 4次 第5章 基于功能单元的组合设计 3次 第6章 基于集成块的组合设计 4次
第三部分：时序控制设计
第7章 时序控制设计 3次 第8章 同步状态机设计 5次 第9章 计数器与移位寄存器 4次
第1次课（1-1）
开题：（1学时）
数字设计的目标
数字系统的硬件设计
芯片上的数字集成电路设计
使用商用集成块进行设计
数字设计的内容
标准设计（标准单元及标准连接方式）；
组合设计：选用逻辑单元或运算单元进行最佳组合设计；
时序设计：对运算流程进行控制，根据状态检测结果发布指令；
课程安排：
课程讲解章节安排与教材的对应关系—说明文档
学习特点与考核方式
自学与听讲结合：资料查找与综述
设计的参与：课堂练习、课程设计、课后作业
课后作业： 参考书选择：
到图书馆查找3本最新的数字电路参考书； 记下书名、作者、出版单位及时间； 对比分析其章节安排；
给出你对比的结论：课程的印象
课程设计
课程设计的表述方式：小论文
在国内教学刊物上查找5篇短小的论文：列出论文题目、作者、刊物、时间等信息； 分析这些论文的基本格式，了解科技小论文的基本构成要素； 以这些基本要素为基础，将你的分析结果表达为一篇小论文： “论科技小论文的写作”
第一章 数字系统的标准设计
数字系统
对数字信号进行处理
数字信号特点
变化离散：存在可分辨的稳定状态—数字表达 二进制表达：有限位数—有限状态
数字系统的表达
输入状态可以列表罗列；
输入状态变化导致输出状态变化：输入状态决定输出状态；
真值表设计步骤
分析输入状态数量，并用二进制串表达； 将输入状态按照二进制串升序排列；
对每个输入状态，指定对应的输出状态，并用二进制串表达。
真值表设计典型例子 3位表决器 4位素数检测器
4位最低位加1的加法器
教材参考章节： 第1章
第4章：4.1
第2次课（1-2）
基本逻辑运算的导出：
自顶向下（Top-down）分割设计 仅从端口进行分析
设子系统的端口数量可能少于系统整体；
对输出端的分割
单输出系统：逻辑判断系统 逻辑系统的并行设计
对逻辑系统输入端的分割：
最极端的系统--单输入逻辑分析： 非运算
路径合并的需要--2输入逻辑分析： 与、或运算
基本逻辑的组合—符号表达 与非、或非
多输入与、多输入或
2输入逻辑的数量分析
教材参考章节： 第4章：4.1
第3次课（1-3）
数字系统的标准逻辑运算表达
展开定理证明—运算完备性 完备证明方法：真值表对应
展开定理表现的对系统的分解设计
展开定理的推广
将系统完全表达为基本逻辑运算的组合； 简化表达的引入：变量的乘积项---最小项
最小项的特点
与输入状态的对应：每个输入状态中所有变量的乘积项； 正变量与反变量—与二进制串的关系； 何为最小：该乘积取1的概率
标准和、最小项和
将真值表采用最小项和形式表达；
只有输出为1的对应最小项出现：“1”的列表；
运算顺序规则
取非优先，然后是与（乘积），最后是或（加和）；
逻辑图表达规范
信号从左向右传输：每个器件输入在左，输出在右，无需箭头表达 反相器阵列---变量总线---与门阵列---或门阵列 信号名尽量标注于器件输出端
连线分支一律采用三分支方式，避免十字连接
标准和设计的典型例子 3位表决器 4位素数检测器
教材参考章节： 第4章：4.1
第4次课（2-1）
第二章 逻辑单元的电路设计
逻辑量的电平对应
高电平 1 低电平 0 理想电平：正电源、接地
逻辑运算的简单实现
二极管与、二极管或、三级管反相器 简单逻辑的问题：
与理想电平的偏差、静态电流与功耗
开关电路的思想
输出通过开关获取理想电平；
输入通过开关控制输出：每个输入至少控制2个开关 互补开关阻断静态电流；
MOS开关器件原理
通过栅极电场吸引载流子形成导电沟道； 两种载流子：互补的开关控制特性 如何加强吸引作用：
基底电平的作用，对电平的传输能力
基本逻辑的实现
单输入器件：反相器
2输入器件：连接的互补性
与非、或非： 为什么一定有反相？ 与、或的构成：后接反相器
CMOS结构的扩展 要点：
每个输入控制1P1N；n输入器件由2n个晶体管构成； NMOS串联表达与，并联表达或； 每个器件输出必定含有反相；
3输入基本器件分析 AOI、OAI
多输入逻辑分析
问题：整体设计比分解设计使用晶体管更少？
开路门设计
将P网络用上拉电阻取代；
不同输出端可以直接连接，实现“线与”运算；
教材参考章节：
第3章：3.1—3.3、3.7、3.10
第5次课（2-2）
MOS器件的静态模型
存在导通电阻，该电阻与栅极电压有关；
栅极输入变化时，输出状态随之变化：电压转移特性的表达 p101、p176
电平容限的选择
避开放大区：区分高电平、低电平 输入输出电平容限的差异：噪声容限
重要指标的表达方式：电压/电流、输入/输出、高电平/低电平、最大值/最小值 意义：对噪声的抑制，电平状态的理想化
驱动能力
器件电平容限对输出电流的限制
器件并联可以提高驱动能力—驱动能力与集成面积正比； 典型的驱动需求：
片内驱动：CMOS负载，uA以下 端口驱动：阻性负载，mA以上
最大集成设计
只针对所需的驱动需求进行设计；