《数字电子技术及实践》教学大纲
课程英文名 | Digital Electronics Technology and Practice | ||||
课程编号 | 1G12225 | 课程类别 | 核心课程 | 课程性质 | 必修 |
学分 | 4 | 理论+实验 | 2+2 | 总学时数 | 32+32 |
先修课程 | 高等数学、大学物理、计算机应用基础 | ||||
开课学院 | 信息与智能工程学院 | 开课系部 | 电气与机电系 | ||
面向专业 | 电气工程及其自动化专业 | 开课学期 | 3 | ||
教学团队 | 数字电子技术课程组 | ||||
团队负责人 | 钱裕禄 | 团队成员 | 王阳、周雪娇、陈伟东 胡俊杰、胡江、郑子含 | ||
注：课程类别是指基础课程/核心课程/模块课程/素质拓展课程；
课程性质是指必修/限修/选修
一、课程简介
数字电子技术是电子技术的一个重要组成部分，《数字电子技术及实践》是物联网工程专业的核心课程。通过本课程的学习，学生能够认识数字技术的发展趋势，掌握数字电子技术的基本概念和理论，学会数字电路的基本分析和设计方法，能够应用常用的中、小规模数字集成电路进行逻辑电路设计等。通过实验实践教学环节的展开，学生能够进一步理解数字电路的基本理论知识，具备理论在实践中运用的初步经验，认识和掌握常用数字电路元器件及其使用，学会科学设计实验电路，按实验要求设计和连接电路，合理安排实验步骤，按功能模块接线、测试、调试电路和排除故障，分析实验结果。本课程的学习有利于学生树立电子工程意识，掌握数字系统的FPGA设计方法，熟练运用Quartus II软件，具备应用数字模块构成数字系统的能力。
充分认识“课程育人”的首要地位，切实将思想政治教育与知识能力教育有机融合。通过课程内容与德育相关内容结合的设计，使学生在具备专业能力的基础上，树立正确的人生观和价值观，坚定积极健康的理想信念，增强社会责任意识。
二、课程目标
通过理论和实践教学活动，具体达到以下课程目标：
课程目标1：能够掌握数字电子技术的基本概念和理论，熟悉数字技术的发展及其应用，认识数字电路的先进应用技术和设计理念。
课程目标2：学会数字电路的基本分析和设计方法，能够应用常用的中、小规模数字集成电路进行数字逻辑电路设计。
课程目标3：能够具备必要的实验技能，分析和设计数字电路，掌握电路接线时故障检查和排除的基本方法。
课程目标4：掌握数字系统的FPGA设计方法，熟练运用Quartus II软件，具备应用数字模块构成数字系统的能力。
《数字电子技术及实践》课程目标支撑的毕业要求指标点对应关系如表1所示。
表1课程目标与毕业要求指标点对应关系表
毕业要求 | 指标点 | 课程目标 | |||
1 | 2 | 3 | 4 | ||
毕业要求1：工程知识 | 1.2掌握电气自动化专业基础知识，能将其用于解决电气自动化工程问题。 | 1.0 | |||
毕业要求2：问题分析 | 2.2能够对电气自动化领域复杂工程问题中的控制对象的机理及过程构建合适的数学模型。 | 1.0 | |||
毕业要求4： 研究 | 4.1针对复杂工程问题，应用本专业数学、自然科学、工程基础和专业知识，通过文献研究和调研，分析其解决方案。 | 1.0 | |||
毕业要求5： 个人和团队 | 5.1了解电气工程专业常用的现代仪器、信息技术工具、工程工具和模拟软件的使用原理和方法，并理解其局限性。 | 0.3 | 0.7 | ||
三、课程教学内容和方法
在教学内容和实施上以模块化和项目化形式进行，在省MOOC平台上分别展开教、学活动，师生间有效互动、小班研讨及实验模式、“移动实验室”（学生电脑上装Quartus II ）等形式受到好评。在具体教学过程中，突出“以练代讲，精讲多练”的方式进行问题探究，主要通过应用实例来进行知识点的贯彻。实施过程中突出“做中学、学中做”，围绕应用作品做文章，凸显让学生真正“动”起来。
理论教学
表2理论教学内容教学要求与课程目标关系表
序号 | 教学内容 | 教学重难点 | 教学要求 | 学时 | 支撑 课程目标 |
1数字逻辑基础 | 1.数字电路与数字信号； 2.数制、码制及其相互转换； 3.与、或、非基本逻辑运算； 4.逻辑函数的表示方法及相互转换； 5.逻辑代数的基本定律、恒等式和基本规则； 6.逻辑函数的代数法化简； *7.逻辑函数的卡诺图表示及化简。 | 1.数制及其相互转换、数码转换； 2.代数法化简技巧和表示的转换； *3.逻辑函数的卡诺图表示及化简。 | 1.掌握数制、码制及其相互转换； 2.掌握基本逻辑符号、逻辑表达式和真值表等表示方法； 3.掌握逻辑函数的真值表、表达式、逻辑图、波形图表示方法； 4.掌握逻辑函数公式法化简，熟悉卡诺图法化简。 | 6 | 课程目标1、2、3 |
2组合逻辑电路 | 1.组合逻辑电路的分析方法； 2.组合逻辑电路的设计方法； 3.常用组合逻辑芯片及其应用； 4.竞争与冒险现象。 | 1.组合逻辑电路的分析与设计方法； 2.典型芯片的应用分析和设计。 | 1.掌握组合逻辑电路的分析与设计方法； 2.能够应用常用组合逻辑芯片进行数字逻辑电路设计； 3.理解竞争冒险的基本概念和产生原因。 | 10 | 课程目标1、2、3、4 |
3锁存器与触发器 | 1.锁存器的电路结构和工作原理； 2.触发器的电路结构和工作原理； 3.触发器的逻辑功能及其相互转换。 | 1.锁存器与触发器的区别； 2.触发器的逻辑功能及其相互转换。 | 1.理解5种不同功能触发器的逻辑功能； 2.掌握触发器逻辑功能的常用表示方法； 3.掌握触发器功能转换的方法。 | 2 | 课程目标1、2、3、4 |
4时序逻辑电路 | 1.时序电路的模型、分类及时序逻辑功能的表示方法； 2.同步时序逻辑电路分析和设计； 3.典型时序逻辑集成电路认识（寄存器和移位寄存器、计数器）； 4.典型计数器的应用分析和设计实现； 5.应用集成计数器构成任意进制的计数器。 | 1.时序逻辑电路的分析和设计； 2.应用集成计数器构成任意进制计数器。 | 1.掌握同步时序电路的分析与设计方法； 2.熟悉异步时序电路的分析方法； 3.掌握典型时序逻辑集成电路（寄存器和移位寄存器、计数器）设计方法。 | 10 | 课程目标1、2、3、4 |
5脉冲波形的产生和整形 | 1．脉冲产生及整形电路的分类及脉冲波形参数的定义； 2．施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器的工作原理、脉宽及周期的计算方法； 3．555定时器组成三种脉冲电路（施密特触发器，单稳触发器和多谐振荡器）。 | 1.施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的工作原理、脉宽及周期的计算方法； 2.由555定时器组成三种脉冲电路的工作原理分析。 | 1.掌握施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的工作原理、脉宽及周期的计算方法； 2.掌握由555定时器组成三种脉冲电路的工作原理、波形参数与电路参数之间的关系。 | 2 | 课程目标1、2、3 |
6大规模数字集成电路 | 1.半导体存储器； 2.可编程逻辑器件。 | 1.各种常用可编程逻辑器件的结构特点和工作原理； 2.分析由简单可编程逻辑器件实现的组合电路和时序电路的逻辑功能。 | 1.熟悉常用可编程逻辑器件的结构特点； 2.掌握可编程逻辑器件的开发平台，掌握数字系统的FPGA设计方法。 | 1 | 课程目标1、2、3、4 |
7数/模和模/数转换器 | 1. D/A转换器的基本原理； 2. A/D转换器的基本原理。 | 1.D/A转换器的基本原理； 2.A/D转换器的基本原理。 | 1.理解D/A转换分类、特点、参数，以及基本工作原理； 2.理解A/D转换分类，以及基本工作原理。 | 1 | 课程目标1、2、3 |
（二）实验教学
实验实践教学主要是面包板制作和基于FPGA芯片的DE0数字系统设计及Quartus II软件综合起来使用，兼顾传统和技术先进性。为进一步培养和增强学生的工程意识，提高数字电路的设计与制作技巧，在具体课程实施进程中采用先把一个整体应用电路分为五个模块来进行实验，到最后一个实验把各块内容合并起来构成一个完整的综合数字应用电路的模式，具体实现中，要求每个实验都有一个具体的标志性成果。
表3实验教学内容教学要求与课程目标关系表
序号 | 实验 目标 | 实验内容 | 实验要求 | 实验类型/学时 | 支撑课程目标 |
1逻辑门测试与组合应用实验 | 1.掌握面包板使用； 2.认识集成电路型号标识和引脚排列规则； 3.学会逻辑门电路的测试方法； 4.掌握逻辑门电路之间的替换。 | 1.“与非”门逻辑功能测试； 2.逻辑门电路的电子开关作用； 3.组合逻辑电路的逻辑功能测试； 4.“与非-与非”实现组合逻辑电路设计。 | 1.完成门逻辑功能测试； 2.设计并测试组合逻辑电路的功能； 3.设计“与非-与非”组合逻辑电路。 | 验证型实验/2学时 | 课程目标1、2、3 |
2编码器、显示译码器及数码管应用实验 | 1.认识编码器、显示译码器及数码管工作原理； 2.掌握编码器、显示译码器的逻辑功能及应用； 3.熟悉七段LED数码显示器的使用方法； 4.学会应用Quartus II软件进行仿真的方法。 | 1.CD4532功能测试和扩展实验； 2.CD4511和74HC247译码器的测试与应用； 3.LED数码显示器测试与应用； 4.应用Quartus II软件对74HC247进行仿真和测试。 | 1.完成CD4532功能测试和扩展实验； 2. 测试与应用CD4511译码器； 3.搭建数码显示器电路； 4.应用Quartus II软件对74HC247进行仿真和测试。 | 设计型实验/2学时 | 课程目标1、2、3、4 |
3译码器、数据选择器的应用实验 | 1.掌握集成译码器、数据选择器的工作原理、逻辑功能及扩展应用； 2.掌握利用译码器和数据选择器来实现逻辑函数的方法； 3.掌握应用Quartus II软件进行设计和仿真的方法。 | 1.74HC138逻辑功能测试； 2.利用译码器构成函数发生器； 3.74HC151逻辑功能测试； 4.利用数据选择器构成函数发生器。 | 1.测试74HC138和74HC151逻辑功能； 2.利74HC138和74HC151设计函数发生器。 | 设计型实验/2学时 | 课程目标1、2、3、4 |
4触发器功能测试及应用实验 | 1.掌握基本RS触发器、D触发器、JK触发器和T触发器的工作原理及逻辑功能； 2.了解各种触发器之间逻辑功能及相互之间的转换方法； 3.掌握集成D触发器、JK触发器的应用。 | 1.D触发器的逻辑功能测试； 2.JK触发器的逻辑功能测试； 3.触发器之间转换； 4.二分频电路设计。 | 1. 测试D触发器和JK触发器的逻辑功能； 2. 设计二分频电路。 | 设计型实验/2学时 | 课程目标1、2、3、4 |
5集成计数器及其应用实验 | 1.理解计数器的工作原理； 2.掌握集成计数器的应用； 3.掌握应用Quartus II软件进行N进制计数器的设计。 | 1.74HC194逻辑功能测试与应用设计； 2.74HC192逻辑功能测试与应用设计； 3.74HC161计数器应用设计； 4.应用Quartus II软件进行N进制计数器的设计。 | 1.设计左移和右移电路； 2.设计N进制计数器电路。 | 设计型实验/4学时 | 课程目标1、2、3、4 |
6脉冲波形的产生与变换实验 | 1.学会利用集成逻辑门、555定时器设计脉冲信号产生电路； 2.掌握影响脉冲波形参数的定时元件参数的计算方法。 | 1.利用 555集成定时器设计单稳态电路； 2.利用555集成定时器设计多谐振荡器； 3.用4060集成块和晶体振荡器产生时钟信号1Hz。 | 1.设计单稳态电路和多谐振荡器； 2.设计1Hz时钟信号电路。 | 设计型实验/4学时 | 课程目标1、2、3 |
7 FPGA实验 | 1.掌握可编程逻辑器件的开发平台； 2.掌握数字系统的FPGA设计方法。 | 1.设计两位数字定时器电路； 2.仿真、下载、测试数字定时器电路。 | 设计一个两位数字定时器，具有以下功能： 1. 设计两位十进制倒计时定时器； 2.倒计时开始时间可在1~99之间预先设定； 3.倒计时计到0时，停止计数； 4.可以控制暂停或继续计数。 | 综合型实验/8学时 | 课程目标1、2、3、4 |
8综合实验 | 1.掌握数字电子系统一般设计步骤； 2.掌握数字电子系统模块化设计； 3.提高接线、测试、调试电路和排除故障能力。 | 1.设计四路抢答器电路； 2.仿真、下载、测试四路抢答器电路。 | 设计一个四路抢答器，具有以下功能： 1.四路抢答功能； 2.倒计时功能； 3.报警功能。 | 综合型实验/8学时 | 课程目标1、2、3、4 |
课程思政融入各个教学内容，各教学内容的课程思政如表4所示。
表4 课程思政教学内容表
教学内容
课程思政融入内容
1.数字逻辑基础
通俗地讲数字电路是由0和1这两个数字构成的，这两个数中蕴含的哲理是无穷的、耐人寻味的。0象征无，1象征包含了存在的万物，从哲学角度看万物产生于无，通俗的说法是“无中生有”，其实这就是1和0的事。做一件事，它的意义是1，后边的0越多，意义越大;反之，没有了1，后面的0再多也没有意义。可以引导大学生做任何事情都要把握好方向，方向对了，一切努力都有结果，方向不对，一切努力都是枉然。
2.组合逻辑电路
在组合电路中每个门电路都可以实现一个功能，只有所有功能加在一起，才能构成一套完整的逻辑。引导学生正确看待个体与整体的辩证关系，充分发挥个人在团队中的作用，在提高团队凝聚力和综合性创新能力的同时实现个人的创造力和核心力。
3.锁存器与触发器
JK触发器通过不同输入端接线可以构成SR触发器和T触发器，可以引导学生不要拒绝每一个微小的变化，任何一个微小的变化在某种特定的情况下，都可能改变整个局势，每一个小的努力都有意义，“勿以善小而不为”。
4.时序逻辑电路
通过同步时钟时序逻辑电路和异步时钟时序逻辑电路的分析和设计，引导学生要了解事物的发展规律，要从辩证唯物主义角度认识学习过程，并利用自然规律进行改造和创新，提高工作效率，从而提升自主创新能力。
5.脉冲波形的产生与整形
不同的电路可以产生相同的脉冲波形，相似的电路也能产生不同的脉冲波形。引导学生明白学无止尽的道理，从而提高自主学习和终身学习的意识。
6.大规模数字集成电路
通过设计交通灯控制电路，引导学生明白文明交通需要我们共同来维护交通秩序，保证自身
闯红灯的前提下，如若见他人闯红灯，也应善意提醒，从而共同打造良好的生活环境。生活环境安逸才可能实现自身的价值，造福社会。以此来告诫学生要做一个遵纪守法，讲诚信的人。
7.数/模和模/数转换器
围绕数字芯片的发展历史和国产芯片的制造局限，引导学生正确看待事物发展的新方向，激发学习积极性，增强社会责任感。
四、课程考核方式
（一）评定办法
课程综合成绩由作业成绩、实验成绩、期末考试成绩等综合组成。具体占比见下表5。
表5 课程成绩组成与课程目标关系表
成绩组成 | 分值 | 考核/评价细则 | 对应的 课程目标 |
作业成绩 （20%） | 20 | 主要考核学生对章节知识点的理解和掌握程度，计算全部作业的平均成绩再按20%计入综合成绩。 | 课程目标1、2 |
实验成绩 （30%） | 30 | 主要考核学生对数字电路器件和常用电路的工作原理的理解和掌握程度，自行分析和设计实验方案的能力及报告撰写水平，计算全部实验的平均成绩再按30%计入综合成绩。 | 课程目标3、4 |
期末 考试成绩 （50%） | 50 | 主要考核学生对课程全部关键知识点的理解和掌握程度，计算理论考试成绩再按50%计入综合成绩。 | 课程目标1、2 |
综合成绩 | 100 | 作业成绩（20%）+实验成绩（30%）+期末考试成绩（50%） | 课程目标1、2、3、4 |
（二）考核方式与课程目标
课程目标达成度评价方式如下表6所示。
表6 课程目标达成度评价方式与评价占比表
课程目标 | 考核方式 | ||
作业 | 实验 | 期末 | |
课程目标1：能够掌握数字电子技术的基本概念和理论，熟悉数字技术的发展及其应用，认识数字电路的先进应用技术和设计理念。 | 0.5 | 0.5 | |
课程目标2：学会数字电路的基本分析和设计方法，能够应用常用的中、小规模数字集成电路进行数字逻辑电路设计。 | 0.7 | 0.3 | |
课程目标3：能够具备必要的实验技能，分析和设计数字电路，掌握电路接线时故障检查和排除的基本方法。 | 1.0 | ||
课程目标4：掌握数字系统的FPGA设计方法，熟练运用Quartus II软件，具备应用数字模块构成数字系统的能力。 | 1.0 | ||
（三）评分标准
本门课程的课后作业、合作研讨题目、期末实验考试和期末理论考试都有标准答案和评分标准。课程实验分为硬件实验和软件实验两种，表7和表8分别给出其评分标准。
表7 硬件实验成绩评价标准
序号 | 评价内容 | 权重 | 优秀 | 良好 | 中等 | 及格 | 不及格 |
1 | 方案与电路设计 | 0.3 | 独立自主设计方案与电路。 | 能在同学或老师的帮助下自主设计方案和电路。 | 能在同学或老师的帮助下设计方案和电路。 | 能在同学或老师的帮助下设计方案。 | 无法完成方案或电路设计。 |
2 | 电路装接 | 0.25 | 独立完成电路装接，电路装接正确，装接工艺良好，整体美观。 | 独立完成电路装接，电路装接正确，装接工艺较为良好，整体较为美观。 | 独立完成电路装接，电路装接较为正确，装接工艺基本良好，整体基本美观。 | 在老师或同学的协助下完成电路装接，电路装接基本正确，装接工艺有少量问题，美观性一般。 | 无法完成电路装接或者电路装接不正确。 |
3 | 电路测试与调试 | 0.25 | 能独立完成电路测试，测试数据正确，遇到问题能独立调试电路。 | 能独立完成电路测试，测试数据正确，遇到问题能在老师或同学的协助下调试电路。 | 能独立完成电路测试，测试数据较为正确，遇到问题能在老师或同学的协助下调试电路。 | 能独立完成电路测试，测试数据基本正确，遇到问题能不会调试电路。 | 不会测试电路或者电路测试数据不正确。 |
4 | 报告撰写 | 0.2 | 书写顺畅、叙述清楚、逻辑性强，格式规范。 | 叙述清楚、较有逻辑性，格式较规范。 | 存在很少叙述不清楚的地方，格式较规范。 | 存在一些叙述不清楚的地方，格式不够规范。 | 通篇叙述不清楚，格式不规范。 |
表8 软件实验成绩评价标准
序号 | 评价内 容 | 权重 | 优秀 | 良好 | 中等 | 及格 | 不及格 |
1 | 方案与电路设计 | 0.3 | 独立自主设计方案与电路。 | 能在同学或老师的帮助下自主设计方案和电路。 | 能在同学或老师的帮助下设计方案和电路。 | 能在同学或老师的帮助下设计方案。 | 无法完成方案或电路设计。 |
2 | 电路仿真 | 0.25 | 能利用Quartus II建立电路原理图进行仿真，根据仿真的结果选择最佳方案，优化电路。 | 能利用Quartus II建立电路原理图进行仿真，优化电路参数。 | 能利用Quartus II建立电路原理图进行仿真。 | 能利用Quartus II建立电路原理图，在同学或老师的帮助下得到仿真结果。 | 不能正确建立仿真电原理图，或者不能完成指定的仿真分析。 |
3 | 下载与测试 | 0.25 | 能独立完成下载和测试，测试数据正确，遇到问题能独立调试电路。 | 能独立完成下载测试，测试数据正确，遇到问题能在老师或同学的协助下调试电路。 | 能独立完成下载测试，测试数据较为正确，遇到问题能在老师或同学的协助下调试电路。 | 能独立完成下载测试，测试数据基本正确，遇到问题能不会调试电路。 | 不会下载测试电路或者电路测试数据不正确。 |
4 | 报告撰写 | 0.2 | 书写顺畅、叙述清楚、逻辑性强，格式规范。 | 叙述清楚、较有逻辑性，格式较规范。 | 存在很少叙述不清楚的地方，格式较规范。 | 存在一些叙述不清楚的地方，格式不够规范。 | 通篇叙述不清楚，格式不规范。 |
注：优秀：100≥X≥90；良好：90>X≥80；中等：80>X≥70；及格：70>X≥60；不及格： X<60
五、教材与参考书
1.教材：
钱裕禄主编，实用数字电子技术（第2版），北京大学出版社，2021年8月.
2.参考书：
（1）康华光主编，电子技术基础数字部分(第7版)，高等教育出版社，2021年8月.
（2）[美]Nigel P.Cook著，施惠琼、李黎明译，实用数字电子技术，清华大学出版社，
2006年10月.
（3）阎石主编，数字电子技术基础（第6版），高等教育出版社，2016年4月.
六、说明
运用本课程大纲实施教学活动时，理论教学应与实践课程紧密结合。采用模块化教学，有利于理论、合作研讨和实验实践完全融合。
执笔人：钱裕禄
审核人：课程组全体成员