數字邏輯實驗課件

數字邏輯實驗課

武俊鵬，孟昭林，劉書勇，趙國冬

2014年5月主要內容實驗基礎實驗內容考核方法

主要內容實驗基礎實驗內容考核方法

實驗室要求禁止在實驗室內吃東西，水不準放到桌面上，保持實驗室的衛(wèi)生，愛護設備，實驗后恢復實驗臺初始狀態(tài)，按要求送還芯片每次實驗要提前預約，每個實驗在2個實驗室分別開放2次，如想“加班”，可在開放實驗室有空位的前提下現場預約2人一組，可跨班級組合實驗前各自準備好預習報告，預習報告要求有目標電路的邏輯化簡過程與結果、邏輯電路結構圖、時序圖等，上課時沒有預習報告不準做實驗實驗后按要求各自提交實驗報告，同組成員間也不能雷同，否則取消成績實驗平臺介紹電源開關可調電位器電平顯示燈組邏輯電平開關函數信號發(fā)生器單脈沖及相位滯后脈沖時鐘信號源邏輯測試筆數字頻率計ISP編程實驗擴展區(qū)28座插槽BCD碼撥碼開關數碼管顯示屏組40座插槽電源分立元件功能框實驗平臺使用方法與技巧每個平臺10個40座的插座和2個28座的插座，最多可插22個芯片兩個實驗平臺串聯使用，要注意將時序相關的電路放在一個平臺上，保證時序同步養(yǎng)成良好的實驗習慣，減少錯誤的產生，方便錯誤的排查（如實驗前測試芯片、導線和實驗臺，盡可能使用短線，盡量減少線路的交錯，用不同顏色的線標示不同的信號，善用邏輯筆排錯糾錯，etc.），參考教材P12-P13注意信號的衰減會導致電路的不正常工作實驗用芯片使用注意事項一般使用74系列芯片，注意芯片引腳數和內部邏輯結構，參考教材附錄或者網上查詢芯片供電全部使用5V電源斷電插拔芯片，注意芯片插的方向、芯片引腳和插座插孔的映射關系、電源和地實驗室現有芯片141312111098主要內容實驗基礎實驗內容考核方法

實驗內容基礎實驗數邏基礎實驗組合邏輯電路時序邏輯電路綜合設計邏輯實驗實驗一數邏基礎實驗熟悉實驗臺并測試其各項功能。熟悉各種基本門電路芯片和時序邏輯電路芯片的邏輯功能和使用方法。對實驗涉及到的芯片進行檢測并記錄真值表，如00、20、86、153、74、112、194、374等（教材P21-P25，P62-P74,P418)返回實驗二組合邏輯電路1．設計實現一個全加器(教材P36)(注意P36圖2.3.3圖有錯）2．設計實現一個偶校驗發(fā)生、校驗檢測器（P44）3．設計實現一個將余三碼轉換成8421碼的代碼轉換電路（P54）（注意2.5.3中將錯誤式子糾正）返回實驗三時序邏輯電路

1．設計實現一個4位自啟動扭環(huán)形計數器(P843.4.5)2．設計實現一個序列信號檢測器（P101）3．設計實現一個指定規(guī)律計數器（P87）返回綜合設計邏輯實驗實驗室提供10個參考題目，選題并不局限于這10個題目，這10個題目所要求的功能為基礎要求，且每個題目設計時均必須是組合+時序的綜合電路實驗室提供一定數量的芯片、導線和實驗臺，要求每組的實驗臺和每個團隊綁定。芯片原則上只發(fā)放一次，在第四次課內發(fā)放，在發(fā)下去的2個小時內請各位同學測試所發(fā)的芯片，如果有問題且不是人為破壞所致，可以更換可以兩個不同題目的團隊相結合，使得兩個所設計題目融合為一個更大的題目，但每個題目限選10組綜合設計邏輯實驗實驗分為設計時間（從現在開始至第4次課）、實現時間（從第4次課至第8次課）、項目驗收時間（待定）每人一份20頁左右的設計報告（打印側面裝訂），同組學生報告按照分工單獨寫，不能雷同需要提交設計報告和PPT電子版及相關多媒體材料序號名稱基本要求1交通燈控制邏輯電路設計十字路口交通燈的模擬顯示和控制2汽車尾燈控制器設計模仿汽車左右兩側尾燈在不同狀態(tài)下的響應3病床呼叫系統(tǒng)模仿醫(yī)院病房病人呼叫系統(tǒng)，至少5路信號，要求有優(yōu)先級、且能響應處理4家用電風扇控制邏輯電路設計設計三個風種，每個風種下可有三種風速，控制流程參照實際電器使用5數字電子鐘邏輯電路設計顯示日、時、分、秒的數字電子鐘，可校時，可整點報時6復印機邏輯控制電路設計輸入0-999之間的數字并顯示，每復印一次數字減1，到0停止7拔河游戲機由一排LED發(fā)光二極管表示拔河的“電子繩”，由甲乙雙方通過按鈕開關使發(fā)光的LED管向一方的終點移動，當移動到某方的最后一個LED管時，則該方獲勝，連續(xù)比賽多局以定勝負。顯示器顯示勝者的盤數。8十翻二運算電路設計能完成三位十進制數到二進制數的轉換，能自動顯示十進制數及二進制數，具有手動和自動清零功能。9鑒向倍頻邏輯電路設計采用正、負脈沖輸出方法設計鑒向倍頻電路。10簡易投幣式自動售貨機設計有1、2、5元三種貨幣，設計三種商品，價格自定，模仿自動售貨機的控制原理，實現購買、找零、退錢、計時、提示燈功能綜合性實驗基本要求和難度系統(tǒng)綜合設計邏輯實驗交通燈控制邏輯電路設計汽車尾燈控制器設計病床呼叫系統(tǒng)家用電風扇控制邏輯電路設計數字電子鐘邏輯電路設計綜合設計邏輯實驗復印機邏輯控制電路設計拔河游戲機十翻二運算電路設計鑒向倍頻邏輯電路設計簡易投幣式自動售貨機實驗研究交通燈控制邏輯電路設計

設計原理： 為了確保十字路口的車輛順利、暢通地通過，往往都采用自動控制的交通信號燈來進行指揮。其中紅燈(R)亮，表示該條道路禁止通行；黃燈(Y)亮表示停車；綠燈(G)亮表示允許通行。交通燈控制邏輯電路設計設計任務和要求： 設計一個十字路口交通信號燈控制器，其要求如下：

南北向綠燈亮，東西向紅燈亮--占5t南北向黃燈亮，東西向紅燈亮--占1t南北向紅燈亮，東西向綠燈亮--占5t南北向紅燈亮，東西向黃燈亮--占1t圖7.3.2交通燈順序工作流程圖汽車尾燈控制器設計

設計原理：

汽車尾燈通常有四種狀態(tài)：左轉彎、右轉彎、剎車、正常行車。通過設計可以在數字邏輯實驗臺上模仿這四種狀態(tài)，并實現其控制電路?？梢杂脙蓚€按鍵來控制上述四種狀態(tài)，用計數器、譯碼器、脈沖和一些邏輯電路來實現系統(tǒng)的控制功能，用LED作為輸出模仿汽車尾燈。汽車尾燈控制器設計設計任務最低要求：

由于汽車左轉彎、右轉彎、剎車、正常行車時，所有尾燈點亮的次序和是否點亮是不同的，所以假設汽車尾燈只有這四種情況來設計一個控制電路。汽車正向行駛時，左右兩側的指示燈全部處于熄滅狀態(tài).

汽車右轉彎行駛時，右側的3個指示燈按右循環(huán)順序點亮。 汽車左轉彎行駛時，左側的3個指示燈按左循環(huán)順序點亮。 汽車臨時剎車時，左右兩側的指示燈同時處于閃爍狀態(tài)。病床呼叫系統(tǒng)設計原理： 本實驗能對5張病床進行統(tǒng)一監(jiān)護，能夠對不同優(yōu)先級的呼叫進行優(yōu)先響應處理，對發(fā)出呼叫的病床有燈進行提示，還能顯示優(yōu)先級最高的呼叫號，并發(fā)出5秒的呼叫聲（用一個閃爍的指示燈模擬），當護士接收到信號，按下復位鍵時顯示管被清零。該設計可用優(yōu)先編碼器、計數器、譯碼器、觸發(fā)器和基本邏輯門電路來實現。病床呼叫系統(tǒng)設計任務和要求：

1.用5個開關模擬5個病房的呼叫輸入信號，5個呼叫優(yōu)先級不同；

2.用一個數碼管顯示呼叫信號的號碼；沒有呼叫信號時顯示0；有多個信號呼叫時，顯示優(yōu)先級最高的呼叫號，并發(fā)出5秒的呼叫聲（用一個閃爍的指示燈模擬），其它呼叫用指示燈顯示；當護士接受到信號，按下復位鍵時顯示管被清零。家用電風扇控制系統(tǒng)設計原理：

目前，人們家庭所有的電風扇正越來越多地采用電子控制線路來取代原來的機械控制器，這使得電風扇的功能更強，操作也更為簡便。下圖為電風扇操作面板示意圖。

家用電風扇控制系統(tǒng)設計任務和要求： 實現電風扇控制器的控制功能，具體要求如下：

1、用三個按鍵來實現“風速”、“風種”、“停止”的不同選擇。

2、用六個發(fā)光二極管分別表示“風速”、“風種”的三種狀態(tài)（實驗模擬時用三個發(fā)光二極管模擬電機輸出）。

3、電風扇在停轉狀態(tài)時，只有按“風速”鍵才有效，按其余兩鍵不響應。

數字電子鐘邏輯電路設計

設計原理： 數字電子鐘由以下幾部分組成：石英晶體振蕩器和分頻器組成的秒脈沖發(fā)生器；校時電路；六十進制秒、分計數器、24進制(或12進制)計時計數器和7進制日計數器；以及秒、分、時、日的譯碼顯示部分等。

數字電子鐘邏輯電路設計設計任務和要求： 設計一臺能顯示日、時、分、秒的數字電子鐘，要求如下： 由晶振電路產生1Hz標準秒信號； 秒、分為00～59六十進制計數器； 時為00～23二十四進制計數器； 日顯示從1～7為七進制計數器。 可手動校正：能分別進行秒、分、時、日的校正。只要將開關置于手動位置，可分別對秒，分、時、日進行手動脈沖輸入調整或連續(xù)脈沖輸入的校正。

*整點報時。整點報時電路要求在每個整點前嗚叫五次低音(500Hz)，整點時再嗚叫一次高音(1000Hz)。復印機邏輯控制電路設計

設計原理：

復印機的應用越來越普遍，其工作原理也大同小異。我們在使用復印機時，一般要進行以下操作： 設置復印數：通過鍵盤輸人百位數、十位數和個位數。 按動復印“RUN”運行鍵，開始復印。 三位顯示器顯示復印減少的數目．當減到“0”時，復印過程結束。復印機邏輯控制電路設計設計任務和要求： 設計復印機邏輯控制電路，具體要求如下： 從鍵盤(0～9)可輸入復印的數字，并能顯示。 數字顯示為3位，最大數為999。 復印一次，數字顯示減一次，直到“0”停機。 按運行鍵“RUN”后，機器能自動進行循環(huán)控制。拔河游戲機設計原理：

電子拔河游戲機是一種能容納甲乙雙方參賽或甲乙雙方加裁判的三人游戲電路。由一排LED發(fā)光二極管表示拔河的“電子繩”。游戲雙方各擁有一個比賽時使用的按鈕,當參與者不停的按動按鈕的時候就產生脈沖,誰快產生的脈沖就多,這樣由甲乙雙方通過按扭開關使發(fā)光的LED管向一方的終點移動，雙方通過按扭輸入信號，使得計數電路分別實現加減計數功能，當移動到某方的最后一個LED管時，則該方獲勝，連續(xù)比賽多局以定勝負。 甲乙通過輸入單脈沖，用可逆計數器實現加減，通過七段數碼管實現電路的記分功能，并實現雙方贏盤數的自動統(tǒng)計。用開關設計的裁判可以實現電路的清零功能。拔河游戲機設計任務和要求：

比賽開始時，由裁判下達命令后，甲乙雙方才能輸入信號，否則，由于電路具有自鎖功能，使輸入信號無效。 “電子繩”至少由9個LED管構成，裁判下達“開始比賽”的命令后，位于“電子繩”中點的LED點亮。甲乙雙方通過按鍵輸入信號，使發(fā)亮的LED管向自己一方移動，并阻止其向對方移動。當一方終點的LED管點亮時，表示比賽結束。這時，電路自鎖，保持當前狀態(tài)不變，除非由裁判使電路復位。十翻二運算電路設計設計原理：

人們在向計算機輸送數據時，首先要把十進制數變成二--十進制數碼即BCD碼，運算器在接收到二--十進制數碼后，必須要將它轉換成二進制數才能參加運算。這種把十進制數轉換成二進制數的過程稱為“十翻二”運算。

十翻二運算電路設計設計原理： 十翻二：運算的過程可以由下式看出：

238=[(0*10+2)*10+3]*10+8

這種方法歸納起來，就是重復這樣的運算：

N*10+S→N

其中N為現有數(高位數)，S為新輸入數(較N低一位的數)，N的初始值取0，二--十進制數碼是由高位開始逐位輸入的，每輸入一位數進行一次這樣的運算，直至最低位輸入，算完為止。十翻二運算的實現方法從運算式N*10+S來看可分二步，如方法Ⅰ：第一步N乘5，即N*5=N*4+N

第一步乘2再加S，即(5N)*2+S=10N+S

方法Ⅱ：第一步N乘10，即N*10=N*2+N*8

第二步加S，即10N+S。十翻二運算電路設計設計任務要求： 用中小規(guī)模集成電路設計十翻二運算邏輯電路，具體要求如下： 具有十翻二功能； 能完成三位數十進制數到二進制數的轉換； 能自動顯示十進制數及二進制數； 具有清零功能。鑒向倍頻邏輯電路設計設計原理： 倍頻電路倍頻電路的倍頻系數因設計要求不同而異。不言而喻，倍頻系數越高，其電路越復雜。為簡便起見，此處僅介紹四倍頻電路的設計方法。四倍頻的含義即：輸入信號變化一個周期使輸出信號變化四個周期，輸出信號頻率提高為輸入信號頻率的四倍。該電路的輸入信號是兩個相差為90o的方波信號，分別表示為A和B，如圖7.25.1所示。顯然，在方波信號變化的一個周期內，A、B兩信號共有四個“沿”，四倍頻電路的設計關鍵，就在于檢出這四個“沿”，實現四倍頻。輸出信號如圖7.25.1所示，分別用M1、M2、M3、M4表示。四倍頻原理波形ABM1M2M3M4鑒向倍頻邏輯電路設計設計原理：

鑒向電路由于輸入信號A、B之間相位關系發(fā)生變化而使鑒向電路的輸出發(fā)生變化。這種線路設計方法一般有兩種，一種是在電路中設計兩路輸出，一路輸出脈沖信號，另一路輸出方向信號；另一種則是在電路中設計兩路輸出，一路輸出正向脈沖，如A超前B時該路有脈沖輸出，另一路輸出反向脈沖，如A滯后B時，該路有脈沖輸出。

A、B兩相信號經四倍頻及鑒向電路處理后，便可獲得能鑒別A、B兩信號的相位關系(超前或滯后)的四倍頻脈沖信號鑒向倍頻邏輯電路設計設計任務和要求：

1.采用正、負脈沖輸出方法設計鑒向倍頻電路。

2.用JK觸發(fā)器構成分相電路，利用標準信號發(fā)生器發(fā)出的時鐘信號產生A、B兩個信號，并用雙向開關控制A、B相位的超前及滯后關系。

3.用2位BCD碼計數器、譯碼器及數碼管構成計數、譯碼顯示電路，用此電路對鑒向輸出脈沖計數及顯示，并通過雙向開關改變A、B相位的超前、滯后關系，觀察顯示數值的變化。

4.改變CP脈沖的頻率，觀察有關信號的波形，以分析確定CP脈沖頻率與A(B)信號頻率的關系簡易投幣式自動售貨機實驗設計原理：

當顧客通過自動售貨機買商品時，首先通過選擇按鍵把所需要買的商品價格輸入給BCD碼編碼器，把十進制數轉化成BCD碼，輸入給寄存器寄存起來，通過七段碼數碼管顯示出來。然后顧客投入貨幣，轉化成BCD碼(B)，在數碼管上顯示出來。同時投入的錢幣通過比較器與商品價格（A）進行比較，如果A>B，發(fā)出投幣不足信號，顧客需要再投入錢幣，與上次的進行累加，（1）再比較，直到A《B，如果A《B，則比較器給售貨機貨發(fā)出信號，把所買的貨物