數(shù)字邏輯 實驗報告 電子導航 哈工程

1、數(shù)字邏輯綜合性實驗設計報告 課程名稱 數(shù)字邏輯實驗 題目名稱 簡單電子導航模擬器設計 班 級 20120616 學 號 學生姓名 同組班級 20120616 同組學號 同組姓名 指導教師 武俊鵬、孟昭林、劉書勇、趙國冬2014年 06 月 摘 要隨著生活水平提高，越來越多的人擁有了車并使用了導航儀，本實驗就是用發(fā)光二極管以流水燈的形式來模擬導航過程，第幾個發(fā)光二極管發(fā)光代表用戶所在位置，首先初始化用戶所在位置后通過按鍵控制數(shù)碼管選擇目的地的代號，另用一個開關控制開始導航，二極管即可以流水燈形式工作表示導航，同時用一個數(shù)碼管顯示移動的距離。關鍵詞：模擬 ；電子導航 ；流水燈 ；距離；目 錄1 需

2、求分析- 3 - 1.1 基本功能要求- 3 -1.2 創(chuàng)新拓展功能- 4 -1.3 設計原理- 4 -2 系統(tǒng)設計- 5 -2.1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設計- 5 -1） 初始位置設定- 5 -2） 目標位置設定- 9 -3） 位置顯示- 9 -4） 判斷模塊- 12 -5） 里程表- 14 -2.2 系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)設計- 16 -1）初始位置的設定- 16 -2）目標位置的設定- 18 -3 )位置顯示- 18 -4.判斷LED燈移動方向- 21 -5.里程記錄器- 22 -2.3 實驗器材- 24 -3 系統(tǒng)實現(xiàn)- 25 -3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)過程- 25 -3.2 系統(tǒng)測試- 25 -3.3 系統(tǒng)最

3、終電路圖- 26 -3.4系統(tǒng)團隊分工- 27 -4 總結(jié)- 29 -參考文獻- 30 -1 需求分析1.1 基本功能要求導航過程通過發(fā)光二極管來顯示，初始化用戶所在位置，即第幾個二極管亮，然后通過按鍵控制數(shù)碼管選定目的地代號，選好后，用另外一個按鍵給一個脈沖信號，讓發(fā)光二極管以流水燈的形式，走到選定的二極管，發(fā)光二極管代表各個地點（暫定八個）。1.2 創(chuàng)新拓展功能 加入了里程表功能，可以顯示導航過程中走過的距離（假定每個位置之間的距離相等）。在選定目的地時，不僅在數(shù)碼管上顯示目的地代號，并且點亮二極管相應位置的LED燈，在導航時同時顯示目的地位置和實時的位置，導航結(jié)束時，兩個點亮的LED重合

4、。1.3 設計原理用發(fā)光二極管以流水燈的形式來模擬導航過程，第幾個發(fā)光二極管發(fā)光代表用戶所在位置，首先初始化用戶所在位置后通過三個開關控制數(shù)碼管選擇目的地的代號，另一個開關控制導航的開始，二極管就能以流水燈形式工作。因為設計要求使用8個LED燈代表8個不同的位置，則本設計使用了一個74LS193同步可逆雙時鐘計數(shù)器（二進制）來存儲初始位置并通過74LS138來選定LED燈來表示當前的位置；另外用三個接有電源的開關來存儲目的地位置，同樣也通過74LS48來選定LED燈，并通過74LS48七段譯碼器在數(shù)碼管上顯示相應的數(shù)字；通過74LS85四位幅度比較器比較初始位置和目標位置的數(shù)值大小，根據(jù)74L

5、S85幅度比較器的輸出來確定對74LS193進行加操作或減操作，直到兩個數(shù)值相等時，停止對74LS193的操作。這樣，初始位置的LED燈就移動到了目的地LED燈，就可以實現(xiàn)簡單電子導航。2 系統(tǒng)設計2.1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設計經(jīng)過對設計要求的分析，可將本實驗劃分為以下幾個功能模塊：1） 初始位置設定因為要可以選定8個位置，則使用三位二進制數(shù)A正好可以實現(xiàn)，用000到111分別表示8個不同的位置，同時可以對它進行加1操作或減1操作來實現(xiàn)導航過程中的移動，位置代號與三位二進制數(shù)對照表如下：表格1.1 位置代號與三位二進制數(shù)A對照表位置代號位置0位置1位置2位置3位置4位置5位置6位置7二進制數(shù)A000

6、001010011100101110111圖1.1 數(shù)字A的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖表1.2 數(shù)字A加1時的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表Q2n Q1nQ0nQ2n+1 Q1n+1Q0n+1功能000001加1001010加1010011加1011100加1100101加1101110加1110111加1111000加1由表1.2得次態(tài)卡諾圖：Q2n+1 Q1n+1Q0n+1 Q1nQ0n Q2n 0 0 0 1 1 1 1 0 001010100011101110000111 0 1由上面的卡諾圖求出Qn+1 的表達式：Q0n+1 = 0n Q1n+1=1n Q0n+Q1n0n Q2n+1=Q2n1n+2n Q1n Q0n+

7、Q2n Q1n0n 若選用D觸發(fā)器實現(xiàn)電路，則其驅(qū)動方程為：D0= 0n D1=1n Q0n+Q1n0n D2=Q2n1n+2n Q1n Q0n+Q2n Q1n0n 用D觸發(fā)器組成的原理性邏輯圖如下圖所示，電路采用同步時鐘CP控制。圖1.2 A進行加1操作時的邏輯電路圖 說明：上面F2F1F0輸出分別表示Q2Q1Q0，僅當來一個脈沖CP時，Q2Q1Q0數(shù)值加1，并且數(shù)值是從000至111循環(huán)的。表1.3 數(shù)字A減1時的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表Q2n Q1nQ0nQ2n+1 Q1n+1Q0n+1功能000111減1111110減1110101減1101100減1100011減1011010減1010001減1

8、001000減1由表1.3的其次態(tài)卡諾圖Q2n+1 Q1n+1Q0n+1 Q1nQ0n Q2n 0 0 0 1 1 1 1 0 111000010001011100110101 0 1 由上面的卡諾圖求出Qn+1 的表達式：Q0n+1 = 0n Q1n+1=1n2n +Q1n Q0nQ2n+1 =1n2n0n +Q2nQ0n+Q2nQ1n若選用D觸發(fā)器實現(xiàn)電路，則其驅(qū)動方程：D0 = 0n D1=1n2n +Q1n Q0nD2 =1n2n0n +Q2nQ0n+Q2nQ1n用D觸發(fā)器組成的原理性邏輯圖如下圖所示，電路采用同步時鐘CP控制。圖 1.3 A進行減1操作時的邏輯電路圖說明：上面F2F1

9、F0輸出分別表示Q2Q1Q0，僅當來一個脈沖CP時，Q2Q1Q0數(shù)值減1，并且數(shù)值是從111至000循環(huán)的。2） 目標位置設定目標位置在導航過程中不會發(fā)生改變，用三位二進制數(shù)正好表示8個位置，所以這里我們用三個開關來表示三位二進制數(shù)。開關閉合表示“1”，開關斷開表示“0”，三位二進制數(shù)狀態(tài)與位置代號對應表如下：表格2.1 位置代號與三個開關狀態(tài)對照表位置代號位置0位置1位置2位置3位置4位置5位置6位置7三個開關s1s2s3狀態(tài)000001010011100101110111當需要進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，直接撥動開關就可達到目的。3） 位置顯示(1)LED燈顯示三位二進制數(shù)對應8個不同的狀態(tài)，而目標位

10、置和初始位置都使用000到111來表示8個不同狀態(tài)，則讓000至111分別對應點亮8個LED中的一個即可完成該功能。三位二進制數(shù)狀態(tài)與LED燈對應關系如下：表格3.1 三位二進制數(shù)點亮的LED燈對照表位置位置0位置1位置2位置3位置4位置5位置6位置7點亮LED燈燈0燈1燈2燈3燈4燈5燈6燈7三位二進制數(shù)狀態(tài)000001010011100101110111(2)數(shù)碼管顯示因為只有8個位置，所以只要顯示8個數(shù)字即可，目標位置用了三個開關來表示8個狀態(tài)，與數(shù)碼管數(shù)字的對照表如下：表格3.2 三個開關狀態(tài)與數(shù)碼管數(shù)字對照表數(shù)碼管數(shù)字01234567三個開關s1s2s3狀態(tài)0000010100111

11、00101110111圖3.1 數(shù)碼管狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖表3.3 數(shù)碼管狀態(tài)轉(zhuǎn)換表 Q2n Q1nQ0nQ2n+1 Q1n+1Q0n+1功能000001顯示1001010顯示2010011顯示3011100顯示4100101顯示5101110顯示6110111顯示7111000顯示0由表3.3得次態(tài)卡諾圖：Q2n+1 Q1n+1Q0n+1 Q1nQ0n Q2n 0 0 0 1 1 1 1 0 001010100011101110000111 0 1由上面的卡諾圖求出Qn+1 的表達式：Q0n+1 = 0n Q1n+1=1n Q0n+Q1n0n Q2n+1=Q2n1n+2n Q1n Q0n+Q2n Q1

12、n0n 若選用D觸發(fā)器實現(xiàn)電路，則其驅(qū)動方程：D0= 0n D1=1n Q0n+Q1n0n D2=Q2n1n+2n Q1n Q0n+Q2n Q1n0n 用D觸發(fā)器組成的原理性邏輯圖如下圖所示，電路采用同步時鐘CP控制。圖 3.2 數(shù)碼管顯示的邏輯電路圖說明：上面F2F1F0輸出分別表示Q2Q1Q0，僅當來一個脈沖CP時，Q2Q1Q0數(shù)值加1，并且數(shù)值是從000至111循環(huán)的。4） 判斷模塊設定好初始位置和目標位置后，每一個位置對應一個三位二進制數(shù)，則可以通過判斷初始位置對應二進制數(shù)A和目標位置對應二進制數(shù)B的大小，來判斷對A進行加1操作還是減1操作：其邏輯關系如下圖：圖4.1 判斷模塊邏輯關系

13、因為輸出有有三種狀態(tài)，則至少用兩位二進制來表示三種不同的狀態(tài)，設為Y1Y2。表格4.1 AB大小關系與輸出狀態(tài)對照表A、B的大小關系A>BA<BA=BY1Y2狀態(tài)100100對A操作減1加1不做任何操作圖4.2 數(shù)據(jù)比較輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖表4.2 數(shù)據(jù)比較輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換表Q1nQ0nQ1n+1Q0n+1狀態(tài)判斷1000A>B0100A<B0000A=B 由表4.2得到次態(tài)卡諾圖Q1n+1Q0n+1 Q0n Q1n 0 1 000000X 0 1 由圖求出表達式：Q0n+1 = Q1n Q0nQ1n+1 =Q1n Q0n若選用D觸發(fā)器實現(xiàn)電路，則其驅(qū)動方程：Q0n+1 = Q1

14、n Q0nQ1n+1 =Q1n Q0n用D觸發(fā)器組成的原理性邏輯圖如下圖所示，電路采用同步時鐘CP控制。圖 4.3 數(shù)據(jù)判斷輸出邏輯電路圖5） 里程表里程表來表示移動距離，總共有8個LED燈，則最大的移動距離是7，所以只要用一個三進制二進制數(shù)C就可以表示移動的距離，也就是移動次數(shù)，當對A進行加1或者減1操作時，A移動一次，所以每次對A進行加1或者減1操作時都對C進行加1操作就可以實現(xiàn)里程計數(shù)功能，C的數(shù)值與里程數(shù)對照表如下：表格5.1 里程數(shù)與三位二進制數(shù)C數(shù)值對照表里程數(shù)01234567三位二進制數(shù)C數(shù)值000001010011100101110111圖5.1 里程表狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖表5.2 里程

15、表狀態(tài)轉(zhuǎn)換表Q2n Q1nQ0nQ2n+1 Q1n+1Q0n+1功能000001加1001010加1010011加1011100加1100101加1101110加1110111加1111000加1由表5.2得次態(tài)卡諾圖：Q2n+1 Q1n+1Q0n+1 Q1nQ0n Q2n 0 0 0 1 1 1 1 0 001010100011101110000111 0 1由次態(tài)卡諾圖求出表達式：Q0n+1 = 0n Q1n+1=1n Q0n+Q1n0n Q2n+1=Q2n1n+2n Q1n Q0n+Q2n Q1n0n 若選用D觸發(fā)器實現(xiàn)電路，則其驅(qū)動方程為：D0= 0n D1=1n Q0n+Q1n0n

16、D2=Q2n1n+2n Q1n Q0n+Q2n Q1n0n 用D觸發(fā)器組成的原理性邏輯圖如下圖所示，電路采用同步時鐘CP控制。圖5.2 里程計邏輯電路圖說明：上面F2F1F0輸出分別表示Q2Q1Q0，僅當來一個脈沖CP時，Q2Q1Q0數(shù)值加1，并且數(shù)值是從000至111循環(huán)的，這樣就實現(xiàn)了里程計的功能。2.2 系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)設計1）初始位置的設定因為要可以選定8個位置，結(jié)合前面邏輯電路的分析，則使用三位二進制計數(shù)器正好可以實現(xiàn)，用000到111分別表示8個不同的位置，又因為需要能對它進行加1操作或減1操作，則此處我們用74LS193同步可逆雙時鐘計數(shù)器，取用 其低三位即可。其真值表如下所示：表6

17、.1 74LS193真值表初始位置設置電路圖如下：圖6.1 設定初始位置電路圖說明：20、21、22線所連接的開關依次對應三位二進制數(shù)，開關閉合表示“1”，開關斷開表示“0”，如圖所示，表示A=010。 “確認輸入【1】”、“清零【1】”中的“【1】”表示開關閉合實現(xiàn)相應功能。2）目標位置的設定 同樣要求可以選定8個位置，但不用對其進行其他操作，則此處我們使用三個接電源的開關即可。3 )位置顯示( 1）LED燈的顯示三位二進制數(shù)對應8個不同的狀態(tài)，而目標位置和初始位置都使用000到111來表示8個不同狀態(tài)，為了讓000到111這八個狀態(tài)分別對應到8個LED燈，此處用74LS138三線-八線譯碼

18、器就可以實現(xiàn)。其真值表如下：表7.1 74LS138真值表但74LS138輸出時有7個是高電位，1個是低電位，不能直接接到LED燈上，同時LED燈要可以同時顯示初始位置和目標位置，則再使用8個與非門，把每個與非門分別接到兩個74LS138上即可實現(xiàn)初始位置和目標位置都只點亮一個LED燈。舉例分析如下：當初始位置A=01111111，目標位置B=11011111時，A、B的每一位經(jīng)過與非運算得到輸出Y=10100000,把這個信號輸給8個LED燈，就可以只點亮第0位和第2位的LED燈。LED燈顯示電路如下圖： 圖7.1 LED燈顯示電路說明： 左側(cè)74LS138中的ABC接初始位置A對應的二進制

19、數(shù)右側(cè)74LS138中的ABC接目標位置B對應的二進制數(shù)( 2）數(shù)碼管部分的顯示 因為只有8個位置，所以只要顯示8個數(shù)字即可，目標位置用了3個二進制數(shù)來表示，結(jié)合前面邏輯電路分析，則使用74LS48和一個數(shù)碼管就可實現(xiàn)顯示功能。74LS48真值表如下：表8.1 74LS48真值表電路連接如圖：圖8.1 數(shù)碼管顯示電路其中把D接低電位，只取ABC，三位二進制數(shù)與數(shù)字對應關系如下：ABC000001010011100101110111數(shù)字01234567里程計也使用數(shù)碼管來顯示，方式與上面相同，不再贅述。4.判斷LED燈移動方向 如圖7.1連接方式時，當A或B從小到大遞增時，LED燈從左向右依次亮

20、起。 設初始位置值為A，目標位置值為B，當A<B時，初始位置在目標位置左側(cè)，對A進行加操作，初始位置向右移動；當A>B時，初始位置在目標位置右側(cè)，對A進行減操作，初始位置向左移動直到A=B，停止對A的操作，此時兩個燈重合，完成導航功能。結(jié)合前面邏輯電路的分析，這個比較功能用74LS85四位幅度比較器可以實現(xiàn)，其真值表如下：表9.1 74LS85真值表說明：這里只用高三位即可。5.里程記錄器每次初始位置移動都是給計數(shù)器脈沖，也就是給74LS193脈沖，把這個脈沖經(jīng)過簡單的邏輯運算，再輸給另一個四位二進制加法器74LS163，讓74LS163實現(xiàn)加法操作，同時取其低三位經(jīng)過74LS48

21、譯碼器傳給數(shù)碼管，即可實現(xiàn)顯示里程數(shù)的功能（假設每個LED燈之間的距離都相同）。74LS163真值表如下： 表10.1 74LS163真值表電路中還用到了與非門、或門和異或門，其真值表如下：74LS00真值表 74LS86真值表74LS32真值表2.3 實驗器材1） 數(shù)字邏輯實驗箱 1臺2） 導線若干3）74LS00 2片74LS32 1片 74LS48 2片 74LS85 1片 74LS86 1片 74LS138 2片 74LS163 1片 74LS193 1片3 系統(tǒng)實現(xiàn)3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)過程 選定題目后，先分析電路所要實現(xiàn)的功能，劃分幾個功能模塊，然后再分別對各個模塊進行邏輯功能分析，依次

22、畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖、次態(tài)卡諾圖，求出表達式、驅(qū)動方程、再畫出邏輯電路圖，再結(jié)合邏輯功能設計出總的電路圖。然后在Multisim仿真軟件上進行仿真，其中遇到了很多問題，比如不會操作軟件、不知道芯片名稱等，最后主要通過上網(wǎng)查找資料學會了如何使用Multisim，并且了解了以及各個芯片的名稱、引腳圖和真值表，最終仿真成功并實現(xiàn)了所需的功能。仿真完畢，在領取芯片后，先對各個芯片進行了邏輯功能測試，確保各個芯片功能正常，然后按照電路圖進行實物鏈接，期間也遇到了不少問題，比如接好電路后發(fā)現(xiàn)沒有按預期效果顯示，通過檢測各個位置電位與預期電位是否相同逐步排查，發(fā)現(xiàn)其中一次是芯片電源正負極接反，一次是一個接頭脫離了

23、電路板，還有一次是電路板的芯片底座故障，更換芯片位置后，功能恢復正常。最終，成功實現(xiàn)了簡單電子導航功能和里程表功能。3.2 系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試包括理論測試和實物測試。理論測試是在仿真環(huán)境Multisim中完成的，連接好電路后，分別取幾組數(shù)據(jù)，通過仿真過程檢測結(jié)果是否正確，通過多組測試，功能正常。實物的測試我們采用了先局部測試后總體測試的方法，比如目標位置設定模塊，連接好該模塊后我們對每個狀態(tài)進行了測試，檢查顯示是否正確，這樣做的好處是可以及時發(fā)現(xiàn)電路問題，其中我們就發(fā)現(xiàn)了數(shù)據(jù)比較器74LS85實物的輸出與仿真環(huán)境不同，這是芯片不同造成的，我們及時發(fā)現(xiàn)了問題并做出了相應的改正。最終通過了測試，實現(xiàn)

24、了相應的功能。測試數(shù)據(jù)：A=000，B=111測試時，LED燈從最左邊依次亮到最右邊，并且里程表數(shù)碼管從“0”依次增加到“7”，最終LED燈全部停在最右邊，里程表數(shù)碼管停在數(shù)字“7”。測試所得結(jié)果與預期結(jié)果一致，再多取幾組數(shù)據(jù)進行測試，結(jié)果仍然與預期結(jié)果一致，說明電路正常并且實現(xiàn)了所要的功能。分析測試結(jié)果，說明電路工作正常，并可以實現(xiàn)以下功能：1） 通過三個開關設定初始位置，選擇8個不同的位置。2） 用8個LED燈分別表示8個不同的位置。3） 用兩個數(shù)碼管分別顯示目標地代號和里程數(shù)。4） 按下導航開關，可以實現(xiàn)自動導航功能，到達目的地時自動停止。3.3 系統(tǒng)最終電路圖電路分析：當輸入A=000

25、，B=111時，兩個信號通過74LS138譯碼器的輸出分別是Qa=011111111，Qb=11111110，經(jīng)過分別經(jīng)過與非門后的輸出是Q=10000001，此時點亮的LED燈是燈0和燈7，燈0是初始位置，燈7是目標位置。按下導航開關后，電路開始導航，此時數(shù)據(jù)比較器輸入A=000,B=111,A<B，此時輸出Y1Y2=10，經(jīng)過簡單的邏輯運算后輸入給74LS193芯片的UP、DOWN的電位是變化的脈沖和1，結(jié)合74LS193真值表，來一個脈沖，對A進行加1操作，此時A=001，此時與A相連接的74LS138輸出Qa=10111111，和Qb=11111110與非運算后的輸出是Q=01000001，LED0滅，LED1亮起，即初始位置向目標位置移動了一位，此時輸入給數(shù)據(jù)比較器的數(shù)據(jù)A、B大小關系仍為A>B，則重復上述過程，即繼續(xù)對A進行加1操作，則初始位置繼續(xù)向目標位置移動，直到兩個位置重合時，A=B=111時，數(shù)據(jù)比較器輸出為00，經(jīng)過邏輯運算后，接入74LS193芯片的UP、DOWN的電位是11，再結(jié)合74LS193真值表知，不再對A進行任何操作，則導航停止，并且完成了導航，在導航過程中，把每次輸給74LS193的脈沖也輸給里程表的加法器，由真值表知，每次來一個脈沖，就加1，整個導航過程對A加了7次，也就是7個脈沖，同