基于MATLAB的組合邏輯電路設(shè)計(jì)和仿真.doc

目錄摘 要21 緒 論42 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求42.1設(shè)計(jì)的目的及主要任務(wù). 4 2.1.1 設(shè)計(jì)目的.42.1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求.42.2 設(shè)計(jì)思想.4.想shejisixu 課程設(shè)計(jì)3 simulink簡介44 組合邏輯電路的原理及其功能54.1 8線3線編碼器.54.2 3線8線譯碼器.64.3 4線16線譯碼器.64.4 七段數(shù)碼管顯示譯碼器.64.5 數(shù)據(jù)選擇器.85 基于matlab的組合邏輯電路設(shè)計(jì)與仿真85.1 8線3線編碼器的設(shè)計(jì)與仿真.85.2 3線8線譯碼器的設(shè)計(jì)與仿真.105.3 數(shù)據(jù)選擇器的設(shè)計(jì)與仿真.125.4 系統(tǒng)封裝及4線16線譯碼器的仿真.145.4.1 3線8線譯碼器的封裝.145.4.2 4線16線譯碼器的設(shè)計(jì)與仿真.145.5 七段數(shù)碼管譯碼器的設(shè)計(jì)及仿真.166 心得體會(huì)19參考文獻(xiàn)20摘要matlab和mathematica、maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。matlab在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。simulink是matlab軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包。通過本次獨(dú)立進(jìn)行某些電路的設(shè)計(jì)、仿真，對于鞏固所學(xué)的matlab技術(shù)理論知識，加強(qiáng)基本技能的訓(xùn)練都具有十分明顯的積極作用。本文主要介紹部分編碼器和譯碼器電路的設(shè)計(jì)與仿真，它是以或非門為基礎(chǔ)構(gòu)成的組合邏輯電路，本文主要介紹了它們的電路功能及其電路的工作原理，并用matlab軟件的simulink工具箱進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)與仿真。關(guān)鍵字：譯碼器，編碼器，matlab,simulinkabstractmatlab, and mathematica, maple, and known as the three major mathematical software. it is the application of technology in mathematics classes in numerical computing software, second to none. simulink is an extension of matlab software, which is the realization of dynamic system modeling and simulation of a package. through this independence of certain circuit design, simulation, matlab for consolidating what they have learned the technical theory of knowledge, to strengthen basic skills training have a very clear positive effects. this paper describes part of the encoder and decoder circuit design and simulation, it is composed of nor gate-based combinational logic circuits, this paper describes the circuit functions and their working principle of the circuit, and use matlab software for simulink toolbox circuit design and simulation. keywords: decoder, encoder, matlab, simulink1緒論本設(shè)計(jì)利用matlab及simulink仿真軟件強(qiáng)大的圖形處理功能，符號運(yùn)算功能和數(shù)值計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)常見的組合邏輯電路如編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器等邏輯電路的設(shè)計(jì)及仿真。本設(shè)計(jì)通過simulink仿真軟件使用常見的與、或、非等基本邏輯單元，延時(shí)信號、時(shí)鐘信號等信號源和示波器完成以上各種邏輯電路的設(shè)計(jì)和仿真，在給定輸入信號的情況下完成并驗(yàn)證各基本組合邏輯電路的功能。2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求2.1設(shè)計(jì)的目的及主要任務(wù)2.1.1設(shè)計(jì)目的（1）在認(rèn)識matlab語言的基礎(chǔ)上進(jìn)一步掌握和精通matlab；（2）利用matlab強(qiáng)大的程序設(shè)計(jì)和仿真分析功能完成常見的組合邏輯電路的設(shè)計(jì)及仿真。 2.1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求深入研究和掌握數(shù)字電路中組合電路的理論知識，并根據(jù)已知條件利用matlab的強(qiáng)大的圖形處理功能，符號運(yùn)算功能和數(shù)值計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)以下組合邏輯電路的設(shè)計(jì)和仿真：（1）以編碼器和譯碼器為例仿真下列波形：編碼器輸入輸出波形（8線3線）；譯碼器輸入輸出波形（3線8線）；數(shù)據(jù)選擇器輸入輸出波形（四選一數(shù)據(jù)選擇器）；（2）以譯碼器的級聯(lián)為例實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的封裝并仿真下列波形： 譯碼器的輸入輸出波形（4線16線）； （3）以七段數(shù)碼管為例子完成數(shù)碼管的圖形輸出顯示。2.2設(shè)計(jì)思想本設(shè)計(jì)以simulink仿真系統(tǒng)中的基本邏輯元件、時(shí)鐘信號和示波器為核心進(jìn)行編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器及七段數(shù)碼管的輸入輸出波形的設(shè)計(jì)和仿真，并且通過3線8線譯碼器的元件封裝和級聯(lián)完成4線16線譯碼器輸入輸出波形的設(shè)計(jì)和仿真。3 simulinc簡介simulink是matlab軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，它與matlab語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于windows的模型化圖形輸入，其結(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。所謂模型化圖形輸入是指simulink提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型（以.mdl文件進(jìn)行存?。?，進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析。4 組合邏輯電路原理及其功能 根據(jù)邏輯功能的不同,數(shù)字電路分為兩大類:一類是組合邏輯電路,另一類是時(shí)序邏輯電路。在組合電路中,任意時(shí)刻的輸出僅取決于該時(shí)刻的輸入，與電路的原始狀態(tài)無關(guān)。常見的組合邏輯電路有數(shù)據(jù)選擇器、編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)分配器、數(shù)據(jù)比較器等典型的中規(guī)模組合邏輯器件。組合邏輯電路的結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：輸出輸入之間沒有反饋延遲通路；電路中不含有記憶功能的元件。編碼和譯碼在數(shù)字技術(shù)中是一種常用的方法，通過編碼和譯碼可解決家電、工業(yè)和工程上的許多問題。4.1 8線3線編碼器 以8線3線優(yōu)先編碼器為例，其邏輯功能真值表如表4-1所示，表4-1 8線3線優(yōu)先編碼器真值表輸入輸出eia7a6a5a4a3a2a1a0b2b1b0000010000000000011111101110100110110001100100001011100000101010000001001100000001000 從功能表中可以看出，該編碼器有8個(gè)信號輸入端，3個(gè)二進(jìn)制輸出端，輸入和輸出均以高電平作為有效電平，而且輸入優(yōu)先級別的次序依次為a7,a6,a5,a4,a3,a2,a1,a0。此外為方便多個(gè)芯片連接起來擴(kuò)展電路的功能，還設(shè)置了高電平有效地輸入使能端ei。4.2 3線8線譯碼器 74hc138是3線8線譯碼器，其功能表如表4-2所示：表4-2 3線8線譯碼器真值表輸入輸出eia2a1a0b7b6b5b4b3b2b1b001111111110001111111010011111110110101111011101111110111110011101111110111011111111010111111111101111111譯碼器有3個(gè)二進(jìn)制輸入端a2、a1、a0，它們共有8中狀態(tài)的組合，即可譯出8個(gè)輸出信號b7b0，輸出為低電平有效。當(dāng)ei=1時(shí)，譯碼器工作；而當(dāng)ei=0時(shí)，禁止譯碼器工作。4.3 4線16線譯碼器利用兩片3線8線譯碼器和一個(gè)反相器可以構(gòu)成4線16線譯碼器其真值表如表4-3所示：4.4 顯示譯碼器發(fā)光二極管數(shù)碼管是用發(fā)光二極管構(gòu)成顯示數(shù)碼的筆劃來顯示數(shù)字，由于發(fā)二極管會(huì)發(fā)光，故led數(shù)碼管適用于各種場合。下面介紹一種常用的cmos七段譯碼器，其真值表如表4-4所示。表4-3 4線16線譯碼器真值表輸入輸出a3a2a1a0b15b14b13b12b4b3b2b1b00000111111110000111111110100101111110110011111110111010011110111110111111111111100111011111110111011111111101011111111111011111111 表4-4 共陰極七段譯碼器真值表數(shù)值輸入輸出a3a2a1a0abcdefg000001111110100010110000200101101101300111111001401000110011501011011011601101011111701111110000810001111111910011111011a10101110111b10110011111c11001001110d11010111101e11101001111f11111000111從真值表中可以看到該七段譯碼器屬于共陰極七段譯碼器，可以顯示0f共16個(gè)16進(jìn)制數(shù)。4.5 數(shù)據(jù)選擇器4選1數(shù)據(jù)選擇器為例進(jìn)行分析，其真值表如表4-5所示：表4-5 4選1數(shù)據(jù)選擇器功能表輸入地址輸出s1s0y00i001i110i211i3當(dāng)輸入地址為00時(shí)，輸出信號為i0；當(dāng)輸入地址為01時(shí)，輸出信號為i1；當(dāng)輸入地址為10時(shí)，輸出信號為i2；當(dāng)輸入地址為11時(shí)，輸出信號為i3。5 基于matlab的組合邏輯電路設(shè)計(jì)與仿真5.1 8線3線編碼器的設(shè)計(jì)及仿真 進(jìn)入simulink仿真界面后，按照8線3線編碼器的邏輯表達(dá)式逐一拖入所需的原件并進(jìn)行連接如圖5-2所示：圖5-2 8線3線編碼器原理圖設(shè)置好輸入時(shí)鐘脈沖后，點(diǎn)擊進(jìn)行仿真，然后分別點(diǎn)擊查看輸入輸出信號的示波器查看波形，如圖5-3和圖5-4所示，根據(jù)以下波形可以看出所設(shè)計(jì)的8線3線編碼器，在給不同輸入的情況下均可得到相應(yīng)的正確的輸出，即該設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。圖5-3 8線3線編碼器輸出波形圖5-4 8線3線編碼器輸入波形5.2 3線8線譯碼器的設(shè)計(jì)及仿真 進(jìn)入simulink仿真界面后，按照3線8線譯碼器的邏輯表達(dá)式逐一拖入所需的原件并進(jìn)行連接如圖5-6所示：圖5-6 3線8線譯碼器原理圖設(shè)置好輸入時(shí)鐘脈沖后，點(diǎn)擊進(jìn)行仿真，然后分別點(diǎn)擊查看輸入輸出信號的示波器查看波形，如圖5-7和圖5-8所示，圖5-7 3線8線譯碼器輸入波形圖5-8 3線8線譯碼器輸出波形根據(jù)以上波形可以看出所設(shè)計(jì)的3線8線譯碼器，在給不同輸入的情況下均可得到相應(yīng)的正確的輸出，即該設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。5.3 數(shù)據(jù)選擇器的設(shè)計(jì)及仿真進(jìn)入simulink仿真界面后，按照4選1數(shù)據(jù)選擇器的邏輯表達(dá)式逐一拖入所需的原件并進(jìn)行連接如圖5-10所示：圖5-10 4選1數(shù)據(jù)選擇器原理圖設(shè)置好輸入時(shí)鐘脈沖后，點(diǎn)擊進(jìn)行仿真，然后分別點(diǎn)擊查看輸入輸出信號的示波器查看波形，如圖5-11所示，其中信號i0為周期是0.25的脈沖信號，信號i1是高電平信號，信號i2為周期是1的脈沖信號，信號i3是低電平信號。根據(jù)以下波形可以看出所設(shè)計(jì)的4選1數(shù)據(jù)選擇器，在給不同輸入的情況下均可得到相應(yīng)的正確的輸出，即該設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。圖5-11 4選1數(shù)據(jù)選擇器輸入輸出波形5.4 系統(tǒng)封裝及4線16線譯碼器的仿真5.4.1 3線8線譯碼器的封裝 在設(shè)計(jì)完3線8線譯碼器后為了完成4線16線的設(shè)計(jì)，需要對其進(jìn)行封裝，封裝后的子系統(tǒng)如圖5-16所示。圖5-16 封裝后的3-8譯碼器5.4.2 4線16線譯碼器的設(shè)計(jì)與仿真 4線16線譯碼器可以用2片3線8線譯碼器和一個(gè)反相器級聯(lián)而成，其原理圖如圖5-17所示，圖5-17 4線16線級聯(lián)原理圖設(shè)置好輸入時(shí)鐘脈沖后，點(diǎn)擊進(jìn)行仿真，然后分別點(diǎn)擊查看輸入輸出信號的示波器查看波形，如圖5-18、圖5-19和圖5-20所示，根據(jù)以下波形可以看出所設(shè)計(jì)的4線16線譯碼器，在給不同輸入的情況下均可得到相應(yīng)的正確的輸出，即該設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。圖5-18 4線16線譯碼器輸入波形 圖5-19 低8位輸出波形 圖5-20 高8位輸出波形5.5 七段數(shù)碼管譯碼器的設(shè)計(jì)及仿真圖5-22 七段數(shù)碼管原理圖進(jìn)入simulink仿真界面后，按照七段數(shù)碼管的邏輯表達(dá)式逐一拖入所需的原件并進(jìn)行連接如圖5-22所示，設(shè)置好輸入時(shí)鐘脈沖后，點(diǎn)擊進(jìn)行仿真，然后分別點(diǎn)擊查看輸入輸出信號的示波器查看波形，如圖5-23和圖5-24所示，根據(jù)以下波形可以看出所設(shè)計(jì)的七段數(shù)碼管，在給不同輸入的情況下均可得到相應(yīng)的正確的輸出，即該設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。圖5-23 七段數(shù)碼管輸入波形圖5-24 七段數(shù)碼管輸出波形6 總結(jié)與心得體會(huì)通過這次課設(shè)，我認(rèn)識到了matlab功能非常的強(qiáng)大，使得我們在使用的時(shí)候用戶直接調(diào)用這些庫函數(shù)并賦予實(shí)際參數(shù)就能解決實(shí)際問題，具有極高的變成效率。我也熟悉了matlab的工作環(huán)境，可以很熟練的對matlab進(jìn)行常規(guī)的操作，快速進(jìn)行程序編輯和仿真。本文次課設(shè)通過一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例，利用matlab實(shí)現(xiàn)組合邏輯電路的設(shè)計(jì)與仿真，從仿真結(jié)果可以看出它們均可以達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求，而且方法簡單、快捷，大大減輕了工作量。我對本次設(shè)計(jì)的結(jié)果還比較滿意，經(jīng)過一周的設(shè)計(jì)、分析，終于圓滿的完成此次課程設(shè)計(jì)。雖然在這個(gè)過程中也遇到一些困難，但通過與同學(xué)的交流和自己查資料，我對matlab有了更深的體會(huì)。通過本次設(shè)計(jì)我感覺到自己對matlab的simulink仿真不