《数字电子技术》教案

象“。。。是什么？”、“为什么。。。？”和“怎样。。。？”这样的问 题不仅仅存在于这门课中，在很多场合都会遇到这样的问题，只不过有 时没有意识到而已。
(一)“数字设计”的基本概念 1、物理量 为了回答第一个问题，首先来了解一下自然界中的物理量。自然界 中有各种各样的物理量，所有的这些物理量可以被分成两大类，一类是 “模拟量”，另一类是“数字量”。 所谓“模拟量”，是指那些在一定的范围内可以连续取值的物理量。 比如：大气的温度、 车辆的速度等等（以温度为例，一天当中，某一点 的温度有一个最大值和最小值，在这个范围内任何一个值对这一天来讲
在了解了“什么是数字设计？”之后，接下来的问题是：为什么要 进行“数字（电路、系统）设计”？（或者换一个角度来说，已经在学习 模拟电路，为什么还要学习数字电路？） 任何技术的存在总要有其存在 的价值，只有这样，人们才会研究它、使用它，这个问题的答案就在于“数 字技术”有着“模拟技术”所不具备的优势。
言，这不是一种有效的状态。
解释 2：“逻辑 1”和“逻辑 0”。这里的 1 和 0 是逻辑代数中变量的取
值，与普通代数中的 1 和 0 不一样，它们无大小之分，仅仅是两个不同
的符号，可以用来代表两个不同的事物（如：数字电压信号的“高电平”
和“低电平”）。
解释 3：“正逻辑表示法”和“负逻辑表示法”。如果用“逻辑 1”表示
当我们已经回答了以上这两个问题，那么再接下来，大家想一想， 我们的问题是什么？（设问，请学生先思考）。。。。。。。。。怎样进行数字设 计？也就是数字设计的技术。不过，这个问题实在是太大了，现有的数 字设计技术的内容已经十分丰富，而且也在不断地发展当中，50 个学时 都是微不足道的。在这 50 个学时里，我们所要做的就是，坚实地迈出进 入数字世界的第一步，掌握一些基本的概念和设计技术，为将来进一步 的学习打下一个坚实的基础。
◆ 为什么要进行“数字（电路、系统）设计”？ —— “数字技术”的优点
通过数字设 计的三个基 本问题，归纳 数字设计的 基本概念。
◆ 怎样进行“数字（电路、系统）设计”？
—— “数字（电路、系统）”设计技术
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内
容
备注
既然本课程叫作“数字设计”，那么我们要讨论的第一个问题就是： 什么是“数字设计”？ （这很自然，我们要研究一个东西，总要先搞清楚 它是什么、它的一些基本的情况），在讨论这个问题的过程中，将会涉及 到“数字设计”的一些基本概念，这些基本概念也是本次课的学习重点。
分解过程实际上就是一个设计过程，至于分解到那一层，主要取决于所
用的器件。
(二)“数字技术”的主要优点 —— “数字” Vs “模拟”
数字技术已经在日常生活、自动控制、测量和仪器仪表、通信等领
域得到非常广泛的应用。
数字技术的 基本知识介
大家看一看下面所列的这些东西（举例）。现在这些东西对于我们而 绍部分：对比
“高电平”，用“逻辑 0”表示“低电平”，则将这种表示法称为“正逻辑表
示法”；如果用“逻辑 1”表示“低电平”，用“逻辑 0”表示“高电平”，则将
这种表示法称为“负逻辑表示法”。在本课程中，如果不加说明，默认为
“正逻辑表示法”。
☆ 数字信号的波形是由一系列矩形脉冲信号组成的。
解释 1：“理想的”矩形脉冲信号。矩形脉冲分为“正脉冲”和“负
分解成若干个不是太复杂的子系统；每个子系统又可以被分解成一些更
简单的功能模块；功能模块又可以由逻辑门和触发器这两类基本的数字
单元来构成（其中逻辑门是最小的数字单元，触发器也是由逻辑门构成
的）；如果再下分解，构成逻辑门的就是晶体管和电阻了；晶体管和电阻
又是由半导体硅片上的几何图形和线条构成的。这样一个“自顶向下”的
解释：
电平”指的是两个事先定义好的电压范围（例如：0～0.8，3.6～5）高 高 低 电 平 和
逻辑符号的
低电平上下限。如果某个数字电压信号的电压落在高电平的范围之内， 对应关系。
则该信号就是“高电平”；如果某个数字电压信号的电压落在低电平的范

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容
备注
围之内，则该信号就是“低电平”；如果落在中间呢？对二值数字信号而
☆ 模拟信号与数字信号之间可以相互转换。
用 ADC，也就是模－数转换器，可以把模拟信号转换成数字信号；反
过来，用 DAC，也就是数－模转换器，可以把数字信号转换成模拟信号。
3、电路
电路可以被分成“模拟电路”和“数字电路”两大类。所谓“模拟
电路”，就是指那些传输或处理模拟信号的电路，如：放大电路。所谓“数
体值就没有什么意义了。模拟信号是连续取值的，在某个范围内任何一
个值都有意义，理论上存在无穷个状态。
2、数字信号本身具有更强的抗干扰能力，而且还可以采用检错、纠
错机制进一步提高其抗干扰能力。
依图（PPT）解释数字信号本身的抗干扰能力。
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备注
如图所示，有一组数字信号从一点传送到另一点。A 是发送信号的波
☆ 物理量的取值随时间、空间变化。（例：大气温度）
☆ 当我们用电路对物理量进行处理的时候，需要先用相应的传感
器或变换器将其变换成合适的电信号。（比如：扩音器） 因此，接下来就需要了解一下“电信号（Electric Signal）”。 2、电信号
介绍模拟量 与数字量，及 传感器和换 能器等概念。
电信号主要是指电压和电流，另外还有线圈的磁通、电容的电荷等。
耗小、可靠性高。
解释“为什么数字电路更容易实现大规模集成？” 前面提到，最小
其能够符合设计要求。
☆ 本课程的重点是如何进行数字设计，但分析是设计的基础。
一个好的设计往往是建立在很多前人的工作成果之上的，我们可以
通过对现有电路分析，不断地汲取和积累对自己有用的东西，从而作出
好的设计。
☆ 现代数字设计是一种“自顶向下（Top-to-Down）、分层次”的设计。
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备注
如图（PPT）所示，当我们要设计一个复杂系统的时候，可以先把它
—只有有限个值有意义，“时间离散”——在某些时间点上的取值是没有
意义的）。
除了“数字信号”的基本概念之外，还应该了解以下 3 点：
☆ 最常见的数字信号一般是只有两个有效状态的电压信号，这两
个状态分别是：高电平、低电平，可以用“逻辑 1”、“逻辑 0”表示。
解释 1：“高电平”和“低电平”是是相对的概念，“高电平”和“低
脉冲”，解释什么是“正脉冲”和“负脉冲”、“上升沿”和“下降沿”、“脉
解释：
冲宽度”和“脉冲幅度”、周期性矩形脉冲信号的“占空比”。
理想的矩形
脉冲和实际
解释 2：“实际的”矩形脉冲信号。解释在“实际的”矩形脉冲信号 的 矩 形 脉 冲
中，“上升时间”和“下降时间”、“脉冲宽度”的如何定义的。
的异同点。
模拟技术讲
言，已经非常地普通，也正是由于有了这些东西，我们生活才如此地丰 解 数 字 技 术
富多彩。但是，如果没有数字技术，这些东西都是不可能存在的。以手 的优点，注意
讲清楚数字
机为例，第一代移动通信采用的是模拟技术，当时所用的手机俗称“大哥 技 术 不 是 在
所有领域中
大”，很笨重、不便携带、功能单一，第二代和第三代移动通信采用的是 都 能 够 取 代
在电信号中，有两类很重要的信号，它们分别是：“模拟信号”和“数
字信号”。所谓“模拟信号”，是指那些在取值和时间上都连续的电信号（举
例解释“取值连续”——在一定的范围任意一个值都是有意义的，“时间
连续”——取值随时间连续变化，没有跳变）。所谓“数字信号”，是指那
些在取值和时间上都离散（不连续）的信号（举例解释“取值离散”—
数字电路有
杂），功能单一（强大）如：电子表中的计时器，“数字系统”复杂，功能 什 么 异 同
强大，如：电子计算机。
点？
4、“数字分析”与“数字设计”
“数字分析（Digital Analysis）”，是指针对一个已经存在的数字
电路（系统），通过一定的方法和手段，确定其输入信号与输出信号之间
的关系，从而明确整个电路（系统）的功能。
自我介绍 —— 姓名和联系方式。
本次课主要讲授两个内容：首先，讨论与“数字设计”相关的三个基
本问题；然后，简单介绍一下这门课的一些基本情况，并明确本课程的
学习要求。（通过对本次课的讲授，要努力使学生明白 3 个问题：学什么？
为什么学？怎样学？）
一、“数字设计”的三个基本问题
◆ 什么是“数字（电路、系统）设计”？ —— “数字设计”的基本概念
就可以恢复将收到的信号恢复成其在发送时的理性情况，也就是 100％消
除了干扰。而对于模拟信号，无法做到在接收端不可能 100％ 去掉干扰，
只能想办法将干扰降至最低。
至于检错、纠错机制，是一个很大的题目，不在本课程的范围之内。
只是在下一次课，会讲到一种最简单的检错机制。
3、数字电路更容易实现大规模集成，成本低、体积小、重量轻、功
整体供人使用。
☆ “数字电路（Digital Circuit）”与“数字系统（Digital System）”
前面提到“数字设计”可以是数字电路设计，也可以是数字系统设计，
（在数字设计中，我们有时会提到“数字电路”，有时又会提到“数字系统”）数 字 系 统 又
它们之间的本质区别以后再讲，一般来说，可以认为“数字电路”简单（复 是 什 么 ？ 与
怎样进行数 字电路（或系
“ 数 字 设 计 （ Digital Design ） ” ， 又 称 为 “ 数 字 综 合 （ Digital 统）的设计？
数字分析的
Synthesis）”，与数字分析的过程相反，是指针对一定的设计要求，通 重要性。
过一定的方法和手段，用合适的器件来构造出一个数字电路（系统），使