基于FPGA数字电路实验指导

1、基于fpga数字电路实验指导（修改稿）湖北科技学院计算机科学与技术学院编制工程技术研究院目录第一部分 实验基础知识1一.实验的基本过程1二.实验中操作规范和常见故障检查方法2三、de2-115型数字系统综合实验平台简介4四、quartus ii 10.0在本实验中的使用11第二部分 实验19实验一 门电路逻辑功能与测试19实验二 译码器和数据选择器及其应用25实验三 编码器实验29实验四 全加器及其应用32实验五 组合逻辑电路设计35实验六 触发器逻辑功能及测试39实验七 计数器的测试及应用42实验八 移位寄存器实验45实验九 综合数字电路设计实验48第一部分 实验基础知识 随着科学技术的发展

2、，数字电子技术在各个科学领域中都得到了广泛的应用，它是一门实践性很强的技术基础课，在学习中不仅要掌握基本原理和基本方法，更重要的是学会灵活应用。因此，需要配有一定数量的实验，才能掌握这门课程的基本内容，熟悉各单元电路的工作原理，各集成器件的逻辑功能和使用方法，从而有效地培养学生理论联系实际和解决实际问题的能力，树立科学的工作作风。一.实验的基本过程实验的基本过程，应包括：确定实验内容、选定最佳的实验方法和实验线路、拟出较好的实验步骤、合理选择仪器设备和元器件、进行连接安装和调试、最后写出完整的实验报告。在进行数字电路实验时，充分掌握和正确利用集成器件及其构成的数字电路独有的特点和规律，可以收到

3、事半功倍的效果，对于完成每一个实验，应做好实验预习、实验记录和实验报告等环节。（一） 实验预习认真预习是做好实验的关键。预习好坏，不仅关系到实验能否顺利进行，而且直接影响实验效果。预习应按本教材的实验预习要求进行，在每次实验前首先要认真复习有关实验的基本原理，掌握有关器件使用方法，对如何着手实验做到心中有数，通过预习还应做好实验前的准备，写出一份预习报告，其内容包括：1.绘出设计好的实验电路图，该图应该是逻辑图和连线图的混合，既便于连接线，又反映电路原理，并在图上标出器件型号、使用的引脚号及元件数值，必要时还须用文字说明。2.拟定实验方法和步骤。3.拟好记录实验数据的表格和波形座标。4.列出元

4、器件单。（二） 实验记录实验记录是实验过程中获得的第一手资料。测试过程中所测试的数据和波形必须和理论基本一致，所以记录必须清楚、合理、正确，若不正确，则要现场及时重复测试，找出原因。实验记录应包括如下内容：1.实验任务、名称及内容。2.实验数据和波形以及实验中出现的现象，从记录中应能初步判断实验的正确性。3.记录波形时，应注意输入、输出波形的时间相位关系，在座标中上下对齐。4.实验中实际使用的仪器型号和编号以及元器件使用情况。（三） 实验报告实验报告是培养学生科学实验的总结能力和分析思维能力的有效手段，也是一项重要的基本功训练，它能很好地巩固实验成果，加深对基本理论的认识和理解，从而进一步扩大

5、知识面。实验报告是一份技术总结，要求文字简洁，内容清楚，图表工整。报告内容应包括实验目的、实验内容和结果、实验使用仪器和元器件以及分析讨论等，其中实验内容和结果是报告的主要部分，它应包括实际完成的全部实验，并且要按实验任务逐个书写，每个实验任务应有如下内容：1.实验课题的方框图、逻辑图（或测试电路）、状态图，真值表以及文字说明等，对于设计性课题，还应有整个设计过程和关键的设计技巧说明。2.实验记录和经过整理的数据、表格、曲线和波形图，其中表格、曲线和波形图应充分利用专用实验报告简易座标格，并且三角板、曲线板等工具描绘，力求画得准确，不得随手示意画出。3.实验结果分析、讨论及结论，对讨论的范围，

6、没有严格要求，一般应对重要的实验现象、结论加以讨论，以便进一步加深理解，此外，对实验中的异常现象，可作一些简要说明，实验中有何收获，可谈一些心得体会。二.实验中操作规范和常见故障检查方法实验中操作的正确与否对实验结果影响甚大。因此，实验者需要注意按以下规程进行。1.搭接实验电路前，应对仪器设备进行必要的检查校准，对所用集成电路进行功能测试。2.搭接电路时，应遵循正确的布线原则和操作步骤（即要按照先接线后通电，做完后，先断电再拆线的步骤）。3.掌握科学的调试方法，有效地分析并检查故障，以确保电路工作稳定可靠。4.仔细观察实验现象，完整准确地记录实验数据并与理论值进行比较分析。5.实验完毕，经指导

7、教师同意后，可关断电源拆除连线，整理好放在实验箱内，并将实验台清理干净、摆放整洁。布线原则和故障检查时实验操作的重要问题。(一)布线原则：应便于检查、排除故障和更换器件。在数字电路实验中，有错误布线引起的故障，常占很大比例。布线错误不仅会引起电路故障，严重时甚至会损坏器件，因此，注意布线的合理性和科学性是十分必要的，正确的布线原则大致有以下几点：1.接插集成电路芯片时，先校准两排引脚，使之与实验底板上的插孔对应，轻轻用力将芯片插上，然后在确定引脚与插孔完全吻合后，再稍用力将其插紧，以免集成电路的引脚弯曲，折断或者接触不良。2.不允许将集成电路芯片方向插反，一般ic的方向是缺口（或标记）朝左，引

8、脚序号从左下方的第一个引脚开始，按逆时钟方向依次递增至左上方的第一个引脚。3.导线应粗细适当，一般选取直径为0.60.8mm的单股导线，最好采用各种色线以区别不同用途，如电源线用红色，地线用黑色。4.布线应有秩序地进行，随意乱接容易造成漏接错接，较好的方法是接好固定电平点，如电源线、地线、门电路闲置输入端、触发器异步置位复位端等，其次，在按信号源的顺序从输入到输出依次布线。5.连线应避免过长，避免从集成器件上方跨接，避免过多的重叠交错，以利于布线、更换元器件以及故障检查和排除。6.当实验电路的规模较大时，应注意集成元器件的合理布局，以便得到最 佳布线，布线时，顺便对单个集成器件进行功能测试。这

9、是一种良好的习惯，实际上这样做不会增加布线工作量。7.应当指出，布线和调试工作是不能截然分开的，往往需要交替进行，对大型实验元器件很多的，可将总电路按其功能划分为若干相对独立的部分，逐个布线、调试（分调），然后将各部分连接起来（联调）。(二)故障检查实验中，如果电路不能完成预定的逻辑功能时，就称电路有故障，产生故障的原因大致可以归纳以下四个方面：1.操作不当（如布线错误等）2.设计不当（如电路出现险象等）3.元器件使用不当或功能不正常4.仪器（主要指数字电路实验箱）和集成器件本身出现故障。因此，上述四点应作为检查故障的主要线索，以下介绍几种常见的故障检查方法：1.查线法：由于在实验中大部分故障

10、都是由于布线错误引起的，因此，在故障发生时，复查电路连线为排除故障的有效方法。应着重注意：有无漏线、错线，导线与插孔接触是否可靠，集成电路是否插牢、集成电路是否插反等。2.观察法：用万用表直接测量各集成块的vcc端是否加上电源电压；输入信号、时钟脉冲等是否加到实验电路上，观察输出端有无反应。重复测试观察故障现象，然后对某一故障状态，用万用表测试各输入/输出端的直流电平，从而判断出是否是插座板、集成块引脚连接线等原因造成的故障。3.信号注入法在电路的每一级输入端加上特定信号，观察该级输出响应，从而确定该级是否有故障，必要时可以切断周围连线，避免相互影响。4.信号寻迹法在电路的输入端加上特定信号，

11、按照信号流向逐级检查是否有响应和是否正确，必要时可多次输入不同信号。5.替换法对于多输入端器件，如有多余端则可调换另一输入端试用。必要时可更换器件，以检查器件功能不正常所引起的故障。6.动态逐线跟踪检查法对于时序电路，可输入时钟信号按信号流向依次检查各级波形，直到找出故障点为止。7.断开反馈线检查法对于含有反馈线的闭合电路，应该设法断开反馈线进行检查，或进行状态预置后再进行检查。以上检查故障的方法，是指在仪器工作正常的前提下进行的，如果实验时电路功能测不出来，则应首先检查供电情况，若电源电压已加上，便可把有关输出端直接接到01显示器上检查，若逻辑开关无输出，或单次cp无输出，则是开关接触不好或

12、是内部电路坏了，一般就是集成器件坏了。需要强调指出，实验经验对于故障检查是大有帮助的，但只要充分预习，掌握基本理论和实验原理，就不难用逻辑思维的方法较好地判断和排除故障。三、de2-115型数字系统综合实验平台简介de2-115型数字系统综合实验平台是以fpga芯片数数主的可进行数字逻辑、微机原理、接口技术等数字技术的课程实验。本实验通过所需完成数字逻辑的器件配置图来配置fpga核心芯片完成相关的逻辑功能。1、de2-115型数字综合实验平台（实验板）介绍 fpga核心芯片“”，配置方式有tjag和as模式两种，配置控制芯片为epcs64，使用usb blaster进行在线配置。系统上电后不断

13、进行自检。2、本实验中涉及主要引脚（1）拨动开关（sw）与fpga引脚对应关系（2）按钮开关（key）与fpga引脚对应关系（3）led指示灯与fpga引脚对应关系（4）数码管与fpga引脚对应关系3、de2-115下载器连接与配置（1）配置cyclone iv e fpga芯片 在quartus ii 软件使用简介中，我们已经介绍了如何从pc 下载一个硬件电路到de2-115 开发板。这份使用说明书可以在de2-115 系统光盘里面的de2_115_tutorials 目录下面找到。用户应该首先仔细阅读这份说明书，而把以下的介绍作为简短的参考。de2-115 开发板包含一个存储有cyclon

14、e iv e fpga 芯片配置数据的串行配置芯片。每次开发板上电的时候，芯片里面的配置数据会自动从配置芯片加载到fpga 芯片。使用quartus ii软件，用户可以随时重新配置fpga，并可以改变存储在非易失性串行存储器芯片（epcs）里面的数据。下面分述两种不同的配置方式： 1）jtag 编程：这种下载方式-名字起源于ieee 标准，联合测试行动组-会把配置数据直接加载到cyclone iv e fpga 芯片。fpga 芯片会保持这些配置信息直到芯片掉电。 2）as 编程：这种下载方式被叫称作串行主动编程，它会下载配置数据到altera epcs64 芯片。它将配置数据保存在非易失性器

15、件中，即使de2-115 开发板掉电，数据也不会丢失。在每次开发板上电的时候，epcs64 芯片里面的数据会自动加载到cyclone iv e fpga 芯片。（2）de2-115 开发板上的jtag 链当使用jtag 接口配置fpga 芯片的时候，de2-115 上的jtag 链必须形成一个回路，这样quartus ii 软件才可以正确检测到jtag 链上的fpga/cpld 器件。给出了de2-115 开发板上的jtag 链。短接jp3 上的第一、二引脚会旁路hsmc 接头的jtag信号，直接在de2-115 上形成jtag 回路，这样只有de2-115上的fpga 器件（cyclone

16、iv e）才可以被quartus ii 软件检测到。如果用户想通过hsmc 接头包含其它的fpga器件或者包含fpga器件的界面，短路jp3 的第二、三脚，从而使能hsmc接头上的jtag 链。 以下是关于jtag 和as 编程的操作步骤。对于这两种方式，de2-115 开发板均通过usb 电缆连接到pc 主机。通过这种连接，主机将开发板当做一个altera usb-blaster 设备。在主机上安装usb-blaster 驱动的步骤在说明书“getting started with alteras de2-115 board”(tut_initialde2-115.pdf)中有详细描述。这份

17、说明书可以在de2-115 的系统光盘中找到。（3）使用jtag 模式配置fpga 给出了jtag 编程模式的设定信息。执行以下步骤，以将配置数据下载到cyclone iv e fpga： 确保de2-115 已经正确连接好电源 将run/prog 拨动开关（sw19）放置在run 位置 将附带的usb 电缆连接到de2-115 开发板的usb-blaster 电路上。 现在可以通过quartus ii 编程器选择合适的以.sof 为扩展名的配置数据来配置de2-115 的fpga 芯片了 （4）使用as 模式配置epcs64 芯片 图 4-5 给出了as 配置模式的设定。执行以下步骤，以将配

18、置数据下载到epcs64 芯片： 确保de2-115 已经连接好电源 连接附带的usb 电缆到de2-115 的usb-blaster 接口 将run/prog 拨动开关（sw19）放置在prog 位置 现在可以通过quartus ii 编程器通过选择以.pof 位扩展名的配置文件来编程epcs64 器件了 编程结束后，将run/prog 开关拨回run 位置，关闭然后打开de2-115 的电源开关。通过这次重启，fpga 将从epcs64 器件读取新的配置数据（5）拨动开关与按钮开关的使用de2-115 提供了四个按钮开关，如图4-6所示。每个按钮开关都通过一个施密特触发器进行了去抖动处理，

19、如图4-7所示。四个施密特触发器的输出信号，分别为key0，key1，key2，key3，直接连接到了cyclone iv e fpga。当按钮没有被按下的时候，它的输出是高电平，按下去则给出一个低电平。得益于去抖动电路，这些按钮开关适合用来给内部电路提供（模拟的）时钟或者复位信号。 de2-115 开发板上还有18 个拨动开关（参考图4-8）。这些开关没有去抖动电路，它们可以作为对电平敏感的电路的输入数据。每个开关都直接连接到cyclone iv e fpga。当拨动开关在down 位置（靠近开发板边缘）的时候，输出为低电平，当在up 位置时，输出为高电平。 cyclone iv e fpg

20、a 到拨动开关间的详细引脚连接信息请参考表见前面引脚对应表格。（6）led指示灯的使用 de2-115 开发板共有27 个直接由fpga 控制的led。18 个红色的led 位于18 个拨动开关的正上方，8 个绿色led 可以在按钮开关的上方找到（第九个led 位于七段数码管的中间）。 每一个led 都由cyclone iv e fpga 的一个引脚直接驱动，其输出高电平则点亮led，输出低电平led 熄灭。图 4-9 给出了led 和cyclone iv e fpga 之间的连接示意图。四、quartus ii 10.0在本实验中的使用1. 新建一个文件夹fpga，再启动quratsii2.

21、 启动后界面3. 点新建工程，出现以下界面4. 在出现的界面里第一行上选择新建的fpga文件夹，第二行上输入basic_gate,点finish完成后出现如下界面5. 再新建文件，选择“block diagram/schematic file”6. 出现编辑界面7. 挑选元件，点“”，在出现的窗口中的“name”栏输入所需器件名称，如“7400”、“7432”、“input”、“output”等，点“ok”后拖入编辑界面。8. 选好元件后连线，按住标左键不松，点需连接的点即可。9. 重新命名各信号引脚。双击某信号引脚（输入或输出），出现界面后修改信号引脚名称。再按“”进行预编译，检查是否有错。

22、10. 在主菜单点“assignments”，下拉菜单中选“device”，在出现的界面中，“family”选择“cyclone iv e”，在下面列表中选与实验板fpga主芯片对应的芯片名称，如“ep4ce115f29c7”，点“ok”确定11. 点“”选对应器件引脚。在出现的界面上选与实验板上对应的引脚与原理图输入输出引脚对应。引脚输入输出对应开关和指示灯见de2115实验板使用手册。12. 选好的引脚如图13. 重新按“”编译，编译时有“%”指示。14. 连接实验板（usb），查看设备管理中有无“usb-blaster”连接15. 按主界面中图标“”，在出现的界面中查看下载器件是否连接，

23、编译后的文件是否在上面。16. 在上面界面上点“”将编译后的文件“xx.sof”下载到实验板中，看下载指示条（等待一段时间或重）17. 运行实验板，看逻辑变化第二部分 实验实验一 门电路逻辑功能与测试一、实验目的：1了解与熟悉基本门电路逻辑功能；2掌握门电路逻辑功能的测试方法，验证与加深对门电路逻辑功能的认识；3熟悉门电路的外形和管脚排列，以及其使用方法。二、实验仪器、设备、元器件：1智能数字逻辑实验仪de2-115 1台 2四2输入与门74ls08芯片 1片3四2输入或门74ls32芯片 1片 4六反向器74ls04芯片 1片5四2输入与非门74ls00芯片 1片 6四2输入或非门74ls0

24、2芯片 1片7四2输入异或门74ls86芯片 1片 8万用表、逻辑笔9导线若干三、预习要求：1了解数字电路实验箱的结构和使用方法；2复习门电路工作原理及相应逻辑表达式；3熟悉所用门电路的管脚排列及相应管脚的功能；4熟悉数字万用表、逻辑笔的使用方法。5使用proteus软件对上述门电路进行设计。四、实验内容和步骤：实验前按实验仪使用说明检查实验仪是否正常。然后选择实验用的ic，按设计的实验接线图接好线，特别注意vcc及地线不能接错。线接好后仔细检查无误后方可通电实验。实验中需要改动接线时，必须先断开电源，接好后再通电实验。1、与门、或门、非门的逻辑功能测试（任选一个逻辑门） 与门的逻辑功能测试按

25、图1.1所示要求连接电路，输入端接逻辑开关a、b，输出端接指示器。改变输入状态的高低电平，将a、b输入端依次接成0-0，0-1，1-0，1-1状态，进行电路仿真，观察输出端电平指示器的显示状态（亮为“1”，灭为“0”），并填写实验结果。实验结果填入表1.1的逻辑真值表中，并写出输出端y的逻辑表达式和电路的逻辑功能。 图1.1 电路与仿真表1.1 逻辑真值表输 入输出a by0 00 11 01 1逻辑表达式y =_ 逻辑功能：_ 或门的逻辑功能测试按图1.2所示要求连接电路，将a、b输入端依次接成0-0，0-1，1-0，1-1状态，观察输出端电平指示器的显示状态（亮为“1”，灭为“0”），并填

26、写实验结果。实验结果填入表1.2的逻辑真值表中，并写出输出端y的逻辑表达式和电路的逻辑功能。 图1.2 电路与仿真表1.2 逻辑真值表输 入输出a by0 0 0 1 1 0 1 1 逻辑表达式y = _逻辑功能：_ 非门逻辑功能测试按图1.3所示要求连接电路，将a输入端接逻辑开关a，依次为0、1时，观察输出端电平指示器的显示状态（亮为“1”，灭为“0”），并填写实验结果。实验结果填入表1.3的逻辑真值表中，并写出输出端y的逻辑表达式和电路的逻辑功能。图1.3 电路与仿真表1.3 逻辑真值表输 入输出a y0 1 逻辑表达式y =_ 逻辑功能：_2、与非门、或非门、异或门的逻辑功能测试（任选一

27、个逻辑门） 与非门的逻辑功能测试按图1.4所示要求连接电路，将a、b输入端接逻辑开关a、b，依次输入0-0，0-1，1-0，1-1状态，观察输出端电平指示器的显示状态（亮为“1”，灭为“0”），并填写实验结果。实验结果填入表1.4的逻辑真值表中，并写出输出端y的逻辑表达式和电路的逻辑功能。图1.4 电路与仿真表1.4 逻辑真值表输 入输出a by0 0 0 1 1 0 1 1 逻辑表达式 y =_ 逻辑功能：_ 或非门的逻辑功能测试按图1.5所示要求连接电路，将a、b输入端接逻辑开关a、b，依次接成0-0，0-1，1-0，1-1状态，观察输出端电平指示器的显示状态（亮为“1”，灭为“0”），并

28、填写实验结果。实验结果填入表1.5的逻辑真值表中，并写出输出端y的表达式和电路的逻辑功能，验证输入与输出之间的逻辑关系。图1.5 电路与仿真表1.5 逻辑真值表输 入输出a by0 0 0 1 1 0 1 1 逻辑表达式y = _逻辑功能：_ 异或门的逻辑功能测试按图1.6所示要求连接电路，将a、b输入端依次接成0-0，0-1，1-0，1-1状态，观察输出端电平指示器的显示状态（亮为“1”，灭为“0”），并填写实验结果。实验结果填入表1.6的逻辑真值表中，写出输出端y的表达式和电路的逻辑功能，验证输入与输出之间的逻辑关系。图1.6 电路与仿真表 1.6 逻辑真值表输 入输出a by0 0 0

29、1 1 0 1 1 逻辑表达式y =_ 逻辑功能：_3. 用与非门实现与或非逻辑功能用74ls00（即四个二输入与非门）实现与或非逻辑y= 。写出逻辑表达式，画出逻辑图，测试其功能，总结用与非实现其它逻辑功能的一般步骤。 把与或非逻辑y= 转换成与非逻辑表达式y = 。 画出逻辑图如图1.7（a）所示。图1.7 按照逻辑图连线得到实验测试图，如图1.7（b）所示。改变四输入信号a、b、c、d的输入状态，观察输出状态。填写逻辑真值表1.7，得出逻辑表达式。 表1.7输 入 信 号输出输 入 信 号输出abcdyabcdy0000 1000 0001 1001 0010 1010 0011 101

30、1 0100 1100 0101 1101 0110 1110 0111 1111 输出逻辑表达式y =_五、使用quartus ii 10.0电路原理图建文件夹名称：bg ，工程文件名basic_gate六、实验报告要求：1整理实验数据，判断各门电路的逻辑功能；2回答以下问题：如何判断门电路逻辑功能是否正常？门电路多余输入端应该如何处理？（提示：接地、接电源端、输入端并接）设计电路测试。为什么ttl门电路的输入端经过电阻接地其状态与阻值有关？实验二 译码器和数据选择器及其应用一实验目的1熟悉msi器件的功能。2掌握利用译码器设计组合逻辑电路的方法。二实验预习要求1. 复习实验所用芯片的逻辑功

31、能及逻辑函数表达式。2. 复习实验的各芯片的结构图、管脚图和功能表。附图2-1，图2-2，表2-1。3. 复习实验所用的相关原理。4. 按要求设计实验中的各电路。5. 使用proteus电路仿真软件，分别完成硬件实验内容。三实验原理1. 组合逻辑电路的设计：就是按照具体逻辑命题设计出最简单的组合电路。步骤：（1）根据给定事件的因果关系列出真值表；（2）由真值表写函数式；（3）对函数式进行化简或变换；（4）画出逻辑图，并测试逻辑功能。2. 在数字系统中，常常要在一定的条件下将代码翻译出来作为控制信号，这就需要有译码器来实现。（1）译码器特点：多输入、多输出组合逻辑电路，输入是以n位二进制代码形式

32、出现，输出是与之对应的电位信息。（2）译码器分类：通用译码器：二进制、二十进制译码器。 显示译码器：ttl共阴显示译码器（用高电平点燃共阴显示器）、ttl共阳显示译码器（用低电平点燃共阳显示器）、cmos显示译码器。（3）译码器应用：用于代码的转换、终端的数字显示、数据分配、存贮器寻址组合信号控制等。3. 数码显示器（简称数码管）：用来显示数字、文字或符号的器件。目前广泛使用的是七段数码显示器。七段数码显示器由ag等七段可发光的线段拼合而成,控制各段的亮或灭可以显示不同的字符或数字。 七段数码显示器有发光二极管（led）数码管和液晶显示器（lcd）两种。led数码管分为共阴管和共阳管，目前使用

33、最广泛。4. 与非门的逻辑函数式：y=ab74ls20为双4输入与非门, 即在一块集成块内含有二个互相独立的与非门,每个与非门有4个输入端,如图2-2-1所示。5. 74ls138芯片引脚。其中三根地址输入线c，b，a，它们共有八种状态的组合，即可译出8个输出信号y0y7。g1、g2a和g2b为三个使能输入端，对于正逻辑，当g1为1，且g2a和g2b为0时，译码器处于工作状态, 如图2-2所示,其逻辑功能如表2-2-1所示。 四实验仪器及设备1proteus电路仿真软件2dicesem数字电子技术实验系统3器件： 74ls20 四输入端双与非门 l片 74ls138 38线译码器 1片附：17

34、420双四输入与非门结构图 管脚图图2-1 7420双与非门274l38 3线-8线译码器/多路分配器结构图 管脚图图2-2 74138译码器表2-1五硬件实验内容1分别测试74ls20、74ls138的逻辑功能，画出测试图，表格自拟（含仿真数据）。2用74ls138设计一位全减器电路，其模型如图2-3，其要求如下：图2-3 全减器模型a列出真值表。b写出相关表达式。c画出接线图。d实验验证其逻辑功能。3用74ls138设计产生逻辑函数=+，其要求如下。a列出真值表。b写出相关表达式。c画出接线图。d实验验证其逻辑功能。4在实验箱中，将数码管的四输入端分别接入四个开关，给定输入信号0000到1

35、111，观察数码管的显示并记录。六、使用quartus ii 10.0电路原理图图2-4 7420和74138功能验证图七、实验报告要求与思考题1整理有关实验数据，总结利用msi器件设计组合逻辑电路的方法。2如用两片3线-8线译码器74ls138组成4线-16线译码器，如何连接，试画出接线图，并在proteus中实现。3在软件proteus实验中，若将硬件实验2中的全减器电路作为一个可被调用的子电路模型如何做？实验三 编码器实验一、 实验目的1、 加深理解编码器的逻辑功能。2、 掌握proteus中的数字集成电路的使用方法。3、 练习虚拟数字仪器的使用。4、 练习proteus中的指示元件的使

36、用。二、实验仪器及设备1proteus电路仿真软件2de2-115数字电子技术实验系统三、实验内容1、 8线3线二进制编码器功能测试(1) 表3-1是8线3线二进制编码器的真值表，根据此真值表写出各输出逻辑函数的表达式，在proteus的电路设计区创建用“或门”实现的逻辑图。表3-1 8线3线二进制编码器真值表输 入输 出a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0y2 y1 y00 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 00 0 0 0 0 1 0 00 0 0 0 1 0 0 00 0 0 1 0 0 0 00 0 1 0 0 0 0 00 1 0 0 0 0 0 01

37、 0 0 0 0 0 0 00 0 0001010011100101110111 (2) 从仪器库中选择字信号发生器，将图标下沿的输出端口连接到电路的输入端，打开面板，按照真值表中输入的要求，编辑字信号并进行其它参数的设置。（3）从仪器库中选择逻辑分析仪，将图标左边的输入端口连接到电路的输出端，打开面板，进行必要合理的设置。（4）从指示元件库中选择彩色指示灯，接至电路输出端。（5）单击字信号发生器“step”（单步）输出方式，记录彩色指示灯的状态（亮代表“1”，暗代表“0”）。记录逻辑分析仪所示波形与真值表比较。2、 集成编码器74ls147的功能测试及应用（1）输入端0-7分别加低电平以及均

38、为低电平或高电平时，观察并记录输出端a、b、c、d的逻辑状态，功能表格自拟。 （2）74147优先编码器的应用74147优先编码器、74ls248显示译码及七段字型显示器组成的优先编码器译码器实验电路如下图所示。当输入端19分别为低电平以及均为低电平或高电平时，观察显示器的数字。四、实验报告1、 整理8线3线二进制编码器的测试结果，说明电路的功能。2、 画出用74ls148构成的呼叫系统的电路图，说明设计原理。3、 回答思考题。五、使用quartus ii 10.0电路原理图8-3线编码y0和74147功能测试图74147译码数码显示图五、 思考题1、 74ls148优先编码器的优先权是如何设

39、置的，结合真值表分析其逻辑关系。2、 译码数码管的管脚有四个，74sl148的输出代码仅有三位，多余的管脚应如何处理？为什么？附74248或74ls248资料74248：4线七段译码器/驱动器（bcd输入，有上拉电阻） 实验四 全加器及其应用一、实验目的：1加深理解组合逻辑电路的特点和一般分析方法、设计方法；2掌握74ls283四位二进制加法器的使用方法。二、实验仪器、设备、元器件（仅供参考）：1智能数字逻辑实验仪 1台 2四2输入与非门74ls00芯片 1片3四2输入异或门74ls86芯片 1片4六反向器74ls04芯片 1片5四位二进制全加器74ls283芯片 1片6. 导线若干三、预习要

40、求：1复习组合逻辑电路的分析和设计方法及半加器、全加器的工作原理；2根据设计任务要求，设计组合逻辑电路，画出原理电路图及连线图。四、实验内容和步骤：1、设计并测试全加器的逻辑功能 用门电路组成的全加器参考电路如图4.1所示，改变输入信号的高、低电平，观察输出端的状态变化，填写出si和ci数值（表4.1）及逻辑表达式。bci-1asici图4.1 全加器电路图表 4.1 逻辑真值表aibici-1siciaibici-1sici000 100 001 101 010 110 011 111 si = _ ci = _ 2超前进位集成4位加法器74ls283功能测试：参考连接电路如图4.2所示。改

41、变输入a3a2a1a0、b3b2b1b0的状态（自行设计），观察输出端的输出结果，并将输出结果填入表4.2。图4.2表4.2输入信号输出信号a3 a2 a1 a0b3b2b1b0s3s2s1s0c3 3、利用74ls283设计一个8421bcd码加法器，实现两个一位十进制数加法运算。参考电路结构示意图见图4.3所示。试设计此逻辑电路，画出电路连线图，并检验其功能。图4.3 bcd码加法器原理框图五、使用quartus ii 10.0电路原理图六、实验报告要求1整理归纳实验结果，并进行分析；2总结归纳基于quartus ii组合逻辑电路的分析和设计方法；实验五 组合逻辑电路设计一、实验目的 1、

42、掌握组合逻辑电路的设计方法。2、熟悉小规模、中规模集成电路器件的使用，学会查阅手册。3、了解消除冒险现象的方法。4、验证所设计电路的逻辑功能。二、实验原理 组合逻辑电路的特点是任何时刻的输出信号（状态）仅取决于读时刻的输入信号（状态，而与电路原来状态无关。组合逻辑电路的设计，根据所用器件的不同，有着不同的设计方法，一般的设计方法有；（a）使用小规模集成电路器件。（b）使用中规模集成电路器件实现其它组合逻辑功能。l、用小规模集成电路实现给定逻辑电路的设计步骤如下：第一步：根据设计要求，按逻辑功能列出真值表，并填入卡诺图。第二步：利用卡诺图或公式法求出最简逻辑表达式，有时要根据所给定的逻辑门或其它

43、实际要求进行逻辑交换。得到所需形式的逻辑表达式。第三步：由逻辑表达式画出逻辑图第四步：用逻辑门或组件构成实际电路，然后进行功能测试。如果各步骤均正确，测试结果一般能符合设计要求，即完成了设计。以上所述是假设在理想情况下进行的，即器件没有传输延迟以及电路中的各个输入信号发生变化时，都是在同一瞬间 完成。但是实际并非如此，因为在实际电路中，当输入信号发生变化时，在输出端有可能出现不应有的尖峰信号（毛刺），这种现象称为冒险。这是必须注意的问题。另外，设计中逻辑变换也是一个重要的问题。2、用中规模集成电路器件实现组合逻辑电路设计。此种设计方法与用小规模设计组合逻辑电路方法不同，采用中规模集成电路的设计

44、没有固定的程式，主要取决于设计者对集成电路器件的熟悉程度和灵活应用的能力，对器件各有关输人端和控制端的巧妙使用，充分发挥器件的功能。以选用最少集成电路的种类和集成电路数量，获得符合技术指标的最佳设计象求。中规模集成电路器件一般说来是一种具有专门功能的功能块，常用的有译码器、数据选择器、数值比较器，全加器等。借助器件手册所提供的资料能正确地使用这些器件。三、实验器件 自选 四、实验内容1、人类有四种基本血型：a、b、o、ab型。输血者和受血者的血型必须符合下述原则： o型血可以输给任意血型的人，但o型血的人只能接受o型的血； ab型血只能输给ab型血人，但ab型血的人能接受所有血型的血； a型血

45、能输给a型血和ab到血的人，而a型血者只能接受a型和o型血； b型血能输给b型血和ab型血者，而b型血者只能接受b型血和o型血。血型关系的示意图如图51 所示。设计一个满足上述关系的组合逻辑电路。要求用与非门实现。 图4-1 输血者血型与受血者血型关系示意图【提示：（1）设供血者血型用ab变量表示，00表示o型；01表示a型；10表示b型；11表示ab型。（2）设受血者用cd变量表示，00表示o型；01表示a型；10表示b型；11表示ab型。（3）输出用发光二极管表示，血型符合发光二极管点亮，否则发光二极管暗。】2、设计一个保险箱的数字代码锁，该锁规定有4位代码a1 a2 a3 a4 的输入端

46、和一个开锁钥匙孔信号e的输入端，锁的代码可随时设定。当用钥匙开箱时（el），如果输入代码符合该锁设定代码，保险箱被打开（z11）；如果不符合，电路将发出报警信号（z0l）。检测并记录实验结果。 【提示：实验时锁被打开或报警可以分别使用两个发光二极管指示电路显示。】3、某实验室有红、黄两个故障指示灯，用来表示三台设备的工作情况，当只有一台设备有故障时，黄灯亮；若有两台设备同时发生故障时，红灯亮；当三台设备都发生故障时，才会使红灯和黄灯都亮。设计一个控制灯亮的逻辑电路。4、现有四台设备的两台发电机组供电，每台设备用电均为十千瓦。若x发电机组功率为10千瓦，y发电机组功率为20千瓦。四台设备工作的情

47、况为：四台设备不能同时工作。但可能是任意的三台、两台同时工作，或者有任意的一台进行工作，当四台都不工作，x、y发电机组均不供电。请设计一个供电控制电路，使发电机组既能满足负载求，又能达到尽量节省能源的目的。5、试用二个3 线8 线译码器和与非门实现下列函数：（1）f1（a、b、c、d）（0、1、5、7、10）（2）f2abcdabdacd6、试用八选一 数据选择器实现下列函数（1）f（a、b、c、d）（0、4、5、8、12、13、14）（2）fabbcac7、设计一个将8421码转换为余3码的逻辑电路。 五、预习要求 l、复习组合逻辑电路的设计方法。2、查阅集成电路手册，选取实验所需元器件，并

48、熟悉其逻辑功能，熟悉电性参数和引脚。3、根据课题要求设计好实验原理图，并画出实验电路，作好记录所需图表。4、列出实验所需器件清单。六、实验报告要求： l、写出完整的设计思想和过程。2、画出设计原理图，写出完整的实验验证结果。3、总结组合逻辑电路的设计与分析步骤。4、实验过程中的故障是如何解决的并分析其原因。实验六 触发器逻辑功能及测试一、实验目的1验证基本rs触发器、边沿jk触发器、d锁存器的逻辑功能；2熟悉常用触发器的使用方法；3掌握常用时序电路分析、测试方法；二、实验仪器、设备、元器件（仅供参考）1de2-115智能数字逻辑实验仪 1台 2四2输入与非门74ls00芯片 1片3六反向器74

49、ls04芯片 1片 4双jk触发器74ls76芯片 1片5双d锁存器74ls74芯片 2片 6、双jk触发器74ls73芯片 2片三、预习要求1复习各类触发器的电路结构及逻辑功能；2了解触发器之间的功能转换方法；3复习异步计数器工作原理；4.用proteus软件进行仿真设计。四、实验内容和步骤1基本rs触发器功能测试按图6.1所示连线，电路为用与非门构成的基本rs触发器，、接逻辑开关a、b，q、接指示器。改变、的状态，观察输出q和的状态。填写实验结果入表6.1，并写出特性方程表达式。图6.1表6.1 功能表q功能说明00011011rs触发器逻辑功能：_特性方程 =_rs触发器状态转换图：_2、边沿jk触发器的功能测试逻辑电平开关发光二极管 按图6.2所示边沿jk触发器电路连线，j、k、分别接逻辑开关j、k、s、r，cp时钟脉冲信号接逻辑开关c，输出q和 端接电平指示器。改变j、k状态，观察输出端q和的状态；改变、的状态，观察输出端q和的状态。填写实验真值表6.2，并写出其特性方程。 图6.2表6.2 功能表cpj k 功能说明 0 11 0()0 01 1()0 11 1()1 01 1()1 11 1jk触发器功能：_ jk触发器特性方程=_端名称为_功能：_端名称为_功能：_jk触发器状态转换图：_3、锁存器的功能及应用：根据（如图6.