華中科技大學數(shù)字邏輯實驗

《數(shù)字電路與邏輯設計》實驗報告2/245/24數(shù)字邏輯實驗報告（1）數(shù)字邏輯實驗1一、系列二進制加法器設計50%二、小型實驗室門禁系統(tǒng)設計50%總成績評語：評語：（包含：預習報告內容、實驗過程、實驗結果及分析）教師簽名姓名：學號：班級：指導教師：計算機科學與技術學院20年月日數(shù)字邏輯實驗報告系列二進制加法器設計預習報告

圖1-3一位二進制全加器（3）串行進位的四位二進制并行加法器的設計方案串行進位的四位二進制并行加法器可以由四個一位二進制全加器級聯(lián)構成，其中高位的Ci即為其相鄰低位的Co，因此電路從最低位開始運算，得到本進位Ci以及本位后進行次低位的運算，以此類推，直到運算到最高位。設輸入A=A3A2A1使用logism做出串行進位的四位二進制并行加法器的電路圖，結果如圖1-4所示。圖1-4串行進位的四位二進制并行加法器（4）先行進位的四位二進制并行加法器的設計方案串行進位的并行加法器高位的運算需要低位的運算結果參與，因此運算速度較慢，需對其進行優(yōu)化。由全加器的邏輯表達式可知第i位的進位輸出函數(shù)Co及本位和函數(shù)SCS當?shù)趇位被加數(shù)Ai和Bi均為1時，有Ci=1，定義Gi=AiBi為進位產生函數(shù)。當Ai⊕Bi=1時，C得到SC因此4位二進制并行加法器各位的進位輸出函數(shù)和輸出函數(shù)表達式分別為：CCCCSSSS使用logism作出先行進位的四位二進制并行加法器的電路圖，結果如圖1-5所示。圖1-5先行進位的四位二進制并行加法器（5）封裝先行進位的四位二進制并行加法器電路對先行進位的四位二進制并行加法器進行封裝，其中輸入A=A3A2A1A0、B=B3B2B1B0和C0分別為被加數(shù)、加數(shù)和來自低位的進位，輸出S=S3S2S1S0和Co為本位和和向高位的進位。封裝結果如圖1-6所示.圖1-6先行進位的四位二進制并行加法器封裝圖接下來對該加法器進行測試，由于輸入值得組合較多，這里選取部分輸入進行測試1.輸入A=0B,B=1011B,Co=0B，理論輸出C4=0B,S=1011B，實際輸出如圖1-7圖1-7測試樣例12.輸入A=1111B,B=1111B,Co=1B，理論輸出C4=1B,S=1111B，實際輸出如圖1-8圖1-8測試樣例23.輸入A=1100B,B=0011B,Co=1B，理論輸出C4=1B,S=0000B，實際輸出如圖1-9圖1-9測試樣例34.輸入A=0100B,B=1001B,Co=1B，理論輸出C4=0B,S=1110B，實際輸出如圖1-10圖1-10測試樣例4

數(shù)字邏輯實驗報告小型實驗室門禁系統(tǒng)設計實驗報告

二、小型實驗室門禁系統(tǒng)設計1、實驗名稱小型實驗室門禁系統(tǒng)設計。2、實驗目的要求同學采用傳統(tǒng)電路的設計方法，對一個“設計場景”進行邏輯電路的設計，并利用工具軟件，例如，“l(fā)ogisim”軟件的虛擬仿真來檢查這個小型實驗室門禁系統(tǒng)的設計是否達到要求。通過以上實驗的設計、仿真、驗證3個訓練過程使同學們掌握小型電路系統(tǒng)的設計、仿真、調試方法以及電路模塊封裝的方法。3、實驗所用設備Logisim2.7.1軟件一套。4、實驗內容設計場景：某小型保密實驗室需要安裝一個門禁系統(tǒng)，用于監(jiān)測、控制和顯示該實驗室內上班人數(shù)，該實驗室只有一個門，最多只能容納15人。假設員工進出實驗室都要刷校園卡，并且保證一次刷卡后有且只有一人能進出。實驗室空置時人數(shù)顯示為0，刷卡進入時實驗室人數(shù)加1，刷卡離開時實驗室人數(shù)減1。當實驗室滿員時，還有員工在門外刷卡進入時，門禁系統(tǒng)“不”動作，系統(tǒng)報警提示滿員。使用logisim軟件對小型電路進行虛擬實驗仿真，除邏輯門、觸發(fā)器、7段數(shù)碼顯示管外，不能直接使用logisim提供的邏輯元件庫，具體要求如下。（1）設計一個四位二進制可逆計數(shù)器電路并進行封裝和驗證它的正確性用D觸發(fā)器設計一個四位二進制可逆計數(shù)器，并進行封裝。該計數(shù)器有一個清零端CLR、一個累加計數(shù)脈沖端CPU（輸入刷卡進入請求）、一個累減計數(shù)脈沖端CPD（輸入刷卡離開請求），四個計數(shù)輸出端QDQCQBQA記錄當前實驗室人數(shù)。將設計好的4位二進制可逆計數(shù)器進行封裝，生成一個“私有”庫元件，以便后續(xù)實驗使用，4位二進制可逆計數(shù)器邏輯符號參見圖2-1所示。

SSDSCSBSACPUCLR四位二進制可逆計數(shù)器CPDS3S2S1S0C4四位二進制并行加法器C0A3A2A1A0B3B2B1B0圖2-1“私有”的一個4位二進制可逆計數(shù)器（2）用實驗1中已封裝的“先行進位的四位二進制并行加法器”設計一個將實驗室內人數(shù)轉換成8421BCD碼的電路用實驗一中已封裝的“先行進位的四位二進制并行加法器”和適當?shù)倪壿嬮T將二進制數(shù)表示的實驗室人數(shù)轉換成兩位十進制數(shù)的8421BCD碼。（3）設計7段譯碼器，并采用“7段數(shù)碼顯示管”顯示人數(shù)的電路設計一個7段譯碼器（參考書的7448芯片），將兩位十進制數(shù)的8421BCD碼表示的實驗室人數(shù)用“7段數(shù)碼顯示管”顯示出來。該7段譯碼器有四個輸入A3A2A1A0和七個輸出abcdefg,A3A2A1A0為8421BCD碼，abcdefg為7段數(shù)碼顯示管對應的段。（4）設計當實驗室滿員時，門禁“不”動作，系統(tǒng)報警提示滿員的電路當實驗室滿員時，在累加計數(shù)脈沖端CPU輸入刷卡進入請求，計數(shù)輸出端數(shù)據(jù)保持不變，門禁“不”動作，系統(tǒng)報警提示滿員。當實驗室空時，邏輯上不會有實驗室內累減計數(shù)脈沖端CPD輸入刷卡離開請求。為防止信號干擾，在計數(shù)輸出為0時，若CPD端有脈沖，也應使計數(shù)輸出端數(shù)據(jù)保持不變，門禁“不”動作，但不用報警。（5）設計小型實驗室門禁系統(tǒng)電路并進行封裝和驗證它的正確性設計滿足要求的小型實驗室門禁系統(tǒng)電路并進行封裝，生成一個小型實驗室門禁系統(tǒng)芯片，封裝后的小型實驗室門禁系統(tǒng)邏輯符號參見圖2-2所示。十位十位：7段數(shù)碼顯示管個位：7段數(shù)碼顯示管abcdefgabcdefgCPUCLR封裝后的門禁系統(tǒng)邏輯符號報警CPD圖2-2封裝后的小型實驗室門禁系統(tǒng)5、實驗方案設計（1）設計一個四位二進制可逆計數(shù)器電路經分析采用異步時序邏輯電路，根據(jù)題意列出四位二進制可逆計數(shù)器的二進制狀態(tài)表如表2-1所示.表2-1四位二進制可逆計數(shù)器的二進制狀態(tài)表現(xiàn)態(tài)Q3Q2Q1Q0次態(tài)Q3n+1Q2n+1Q1n+1Q0n+1CPUCPD000000011111000100100000001000110001001101000010010001010011010101100100011001110101011110000110100010010111100110101000101010111001101111001010110011011011110111101100111011111101111100001110根據(jù)表2-1所示狀態(tài)表，采用D觸發(fā)器，可確定在輸入脈沖作用下的狀態(tài)轉移關系和激勵函數(shù)真值表，如表2-2所示。表2-2狀態(tài)轉移關系及激勵函數(shù)真值表輸入現(xiàn)態(tài)次態(tài)狀態(tài)跳變激勵函數(shù)CPDCPUQ3Q2Q1Q0Q3n+1Q2n+1Q1n+1Q0n+1Q3Q2Q1Q0C3D3C2D2C1D1C0D00100000001↑ddd↓100010010↑↓dd↓1↓000100011↑ddd↓100110100↑↓↓d↓1↓0↓001000101↑ddd↓101010110↑↓dd↓1↓001100111↑ddd↓101111000↑↓↓↓↓1↓0↓0↓010001001↑ddd↓110011010↑↓dd↓1↓010101011↑ddd↓110111100↑↓↓d↓1↓0↓011001101↑ddd↓111011110↑↓dd↓1↓011101111↑ddd↓111110000↓↓↓↓↓0↓0↓0↓01000001111↑↑↑↑↓1↓1↓1↓100010000↓ddd↓000100001↓↑dd↓0↓100110010↓ddd↓001000011↓↑↑d↓0↓1↓101010100↓ddd↓001100101↓↑dd↓0↓101110110↓ddd↓010000111↓↑↑↑↓0↓1↓1↓110011000↓ddd↓010101001↓↑dd↓0↓110111010↓ddd↓011001011↓↑↑d↓0↓1↓111011100↓ddd↓011101101↓↑dd↓0↓111111110↓ddd↓0利用卡諾圖化簡得到DDDD在加計數(shù)時，CPU有脈沖，通過觀察表6-2可以看出C3所要求的觸發(fā)信號'↓'可由Q2Q1Q0提供，C2所要求的觸發(fā)信'↓'可由Q1Q0提供，C1所要求的觸發(fā)信號'↓'可由Q0提供，C0所要求的觸發(fā)信號'↓'可由CPU提供.在減計數(shù)時，CPD有脈沖，通過觀察表6-2可以看出C3所要求的觸發(fā)信號'↓'可由Q2Q1Q0提供，C2所要求的觸發(fā)信號'↓'可由Q1Q0提供，C1所要求的觸發(fā)信號'↓'可由Q綜合加計數(shù)和減計數(shù)，可知CCCC使用Logism做出電路圖如圖2-1所示：圖2-1一個四位二進制可逆計數(shù)器圖2-2四位二進制可逆計數(shù)器封裝圖（2）用實驗一中已封裝的“先行進位的四位二進制并行加法器”設計將實驗室內人數(shù)轉換成8421BCD碼的電路由題意可列出四位二進制數(shù)和8421碼的對應關系，如表2-3所示表2-3四位二進制數(shù)與8421碼對應表十進制數(shù)輸入(4位二進制數(shù))輸出(8421碼)修正控制NA3A2A1A0C4S8S4S2S1Z00000000000100010000102001000010030011000110401000010005010100101060110001100701110011108100001000091001010010101010100001111011100011121100100101131101100111141110101001151111101011利用卡諾圖化簡得到修正控制Z修正方式為S3S2S1S0+0ZZ0據(jù)此可以畫出四位二進制數(shù)轉8421碼的電路圖如圖2-3和圖2-4所示：圖2-3四位二進制數(shù)轉8421碼電路圖圖2-4四位二進制數(shù)轉8421碼封裝圖（3）設計7段譯碼器，并采用“7段數(shù)碼顯示管”顯示人數(shù)的電路（A）設計一個7段譯碼器7段譯碼器的真值表如表2-4所示:表2-47段譯碼器真值表輸入輸出A3A2A1A0abcdefg00001111110000101100000010110110100111111001010001100110101101101101100011111011111100001000111111110011110011101000011011011001100111000100011110110010111110000111111110000000利用卡諾圖化簡得：a=A2A1A0+A3A2A1+A3A2A0+A3A1A0b=A3A2+A1A0+A2A1+A3A1A0c=A3A2+A2A1+A2A0d=A2A1A0+A2A0+A2A1A0+A2A1A0e=A1A0+A2A0f=A1A0+A2A1+A3A2A1+A2A0g=A2A1+A3A2+A2A1+A1A0使用logisim做出電路圖，如圖2-5所示圖2-57段譯碼器（B）設計用“7段數(shù)碼顯示管”顯示人數(shù)的邏輯電路將四位二進制數(shù)轉8421碼的十位輸出和個位輸出分別連接到兩個7段譯碼器上，然后將7段譯碼器連接到數(shù)碼顯示管得到顯示實驗室人數(shù)的電路，電路的輸入是二進制數(shù)表示的實驗室人數(shù)圖2-6用7段數(shù)碼顯示管顯示實驗室人數(shù)的電路（4）設計當實驗室滿員時，門禁“不”動作，系統(tǒng)報警提示滿員的電路當實驗室滿員時計數(shù)器輸出均是高電平，將4個輸出端與后得到滿員狀態(tài)的信號。當實驗室無人時計數(shù)器的輸出均是低電平，將4個輸出端或后得到無人狀態(tài)信號。利用A·0=0，A+0=A，設滿員信號為M，無人信號為N，有：M=SDSCSBSAN=SD+SC+SB+SA將U和M與后接入芯片的CPU，則當未滿員時，U的脈沖可傳遞到芯片的CPU，當滿員時，U來脈沖時和0與，結果為0，脈沖未傳遞到芯片的CPU。將D和N與后接入芯片的CPD，則當有人時，U的脈沖可傳遞到芯片的CPD，當無人時，D來脈沖時和0與，結果為0，脈沖未傳遞到芯片的CPD。據(jù)此寫出CPU和CPD的表達式CPU=UMCPD=DN當滿員信號為1且U來了脈沖，進行報警，報警信號A的表達式為A=UM使用logism作圖，結果如圖2-7所示圖2-7報警電路（5）設計小型實驗室門禁系統(tǒng)電路將報警系統(tǒng)四位二進制數(shù)轉8421碼的芯片，然后通過7段譯碼器連接數(shù)碼管，得到電路如圖2-8所示。圖2-8小型實驗室門禁系統(tǒng)電路 圖2-9小型實驗室門禁系統(tǒng)封裝電路6、實驗結果記錄（1）給出“私有”庫元件（采用一個四位二進制可逆計數(shù)器進行封裝）的測試電路圖2-10一個四位二進制可逆計數(shù)器圖2-11來一個CPU脈沖圖2-12來一個CPD脈沖（2）給出采用實驗1中已封裝的“先行進位的四位二進制并行加法器”設計的將實驗室內人數(shù)轉換成8421BCD碼的電路圖2-13二進制數(shù)轉換成8421