数字电路实验ppt

数字电路实验基于protues7.7中文版集成门电路逻辑功能测试交通信号灯工作状态逻辑电路的设计实验编码器及其应用实验字段译码器与加法器的逻辑功能测试带显示功能的8421BCD码加法器的设计实验带显示功能的简单电子琴电路的设计及仿真实验触发器及其应用实验任意进制计数器的设计与仿真数字电路实验项目Protues软件介绍Protues基本操作验证型实验（基本门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路）设计型实验内容：数字电路实验第一部分Protues软件介绍1.1Protues构成PROTEUS

是一个完整的嵌入式系统软、硬件设计仿真平台。ISIS为功能强大的原理布线工具。ARES为PCB设计系统。1.2ISIS输入流程开始新建设计文档设置编辑环境放置元器件原理图连线建立网络表电气规则检查存盘、报表输出结束调整是否合格NY设置编辑环境：用户可自定义图形外观，包括线宽、填充类型、字符等。原理图连线：单击元器件引脚或先前连好的线，实现连线；也可用自动连线工具连线。建立网络表：网络表是电路板与电路原理图之间的纽带。建立的网络表用于PCB制板。报表输出：材料报表等。1.3VSM仿真与分析PROTEUSVSM中的整个电路分析是在ISIS原理图设计模块下延续下来的，原理图中包含：直接布置在线路上的探针；电路激励；虚拟仪器；曲线图表。1.3VSM仿真与分析探针电压探针（Voltageprobes）：在模拟电路中记录真实的电压值，而在数字电路中，记录逻辑电平及其强度。电流探针（Currentprobes）：仅可在模拟电路中使用，并可显示电流方向。1.3VSM仿真与分析激励源DC：直流电压源；Sine：幅值、频率、相位可控的正弦波发生器。Pulse：幅值、周期和上升/下降沿时间可控的模拟脉冲发生器。Exp：指数脉冲发生器。SFFM：单频率调频波信号发生器。Pwlin：任意分段线性脉冲、信号发生器。1.3VSM仿真与分析File：File信号发生器。Audio：音频信号发生器。DState：稳态逻辑电平发生器。DEdge：单边沿信号发生器。DPulse：单周期数字脉冲发生器。DClock：数字时钟信号发生器。DPattern：模式信号发生器。1.3VSM仿真与分析音频信号激励源

使用WindowsWAV文件作为输入文件。结合音频分析图表，可以听到电路对音频信号处理后的声音。1.3VSM仿真与分析单周期数字

脉冲激励源1.3VSM仿真与分析数字时钟

信号激励源1.3VSM仿真与分析虚拟仪器虚拟示波器(OSCILLOSCOPE)逻辑分析仪(LOGICANALYSER)定时计数器(COUNTERTIMER)虚拟终端(VIRUALTERMINAL)SPI调试器(SPIDEBUGGER)I2C调试器(I2CDEBUGGER)信号发生器(SIGNALGENERATOR)模式发生器(PATTERNGENERATOR)电压表和电流表（AC/DCvoltmeters/ammeters）1.3VSM仿真与分析信号发生器（调幅）信号源名称补偿电压/V幅值/V频率/kHz时延/(°)（A）0110正弦信号参数1.3VSM仿真与分析调幅信号输出信号发生器参数设置1.3VSM仿真与分析曲线图表模拟图表（ANALOGUE）数字图表(DIGITAL)混合分析图表(MIXED)频率分析图表(FREQUENCY)转移特性分析图表(TRANSFER)噪声分析图表(NOISE)失真分析图表(DISTORTION)1.3VSM仿真与分析傅立叶分析图表(FOURIER)音频分析图表(AUDIO)交互分析图表(INTERACTIVE)一致性分析图表(CONFORMANCE)直流扫描分析图表(DCSWEEP)交流扫描分析图表(ACSWEEP)1.3VSM仿真与分析数字分析图表:用于绘制逻辑电平值随时间变化的曲线。第二部分Protues基本操作2.1ProtuesIsIs界面2.1ProtuesIsIs界面原理图编辑窗口（TheEditingWindow）：用来绘制原理图。蓝色方框内为可编辑区，元件要放到它里面。可用预览窗口来改变原理图的可视范围。通过鼠标滑轮可缩放窗口。2.1ProtuesIsIs界面预览窗口（TheOverviewWindow）：在选择元件时，显示该元件的预览图；在原理图编辑窗口操作时，显示整张原理图的缩略图。2.1ProtuesIsIs界面

挑选元件及库管理按钮：选取元器件及编辑元件库。必须在元件模式下使用。对象选择器（TheObjectSelector）：显示当前编辑所用到的各种元件（components）、终端接口（terminals）、信号发生器（generators）、仿真图表（graph）等。2.1ProtuesIsIs界面方向工具栏（OrientationToolbar）：旋转：按90°的整数倍旋转。翻转：包括水平翻转和垂直翻转。使用方法：在元件列表中单击元件，再点击相应的旋转图标，然后放置。仿真控制按钮：包括运行、单步运行、暂停、停止。2.1ProtuesIsIs界面模型选择工具栏（ModeSelectorToolbar）——主要模型（MainModes）：1.选择模式：用于即时编辑元件参数（先单击该图标再单击要修改的元件）2.元件模式：用于放置和连接元件。3.节点模式：用于放置连接点。4.连接标号模式：用于放置网络标号。5.文字脚本模式：用于放置文本。6.总线模式：用于绘制总线。7.子电路模式：用于放置子电路。2.1ProtuesIsIs界面模型选择工具栏——配件（Gadgets）：1.终端模式：放置常用信号接口。2.器件引脚模式：绘制各种引脚。3.图表模式：放置用于各种分析的图表。4.录音机模式。5.激励源模式：放置各种激励源。6.电压探针与电流探针模式：放置用于图表中的探针。7.虚拟仪器模式：放置各种仿真仪器。2.1ProtuesIsIs界面模型选择工具栏——2D图形（2DGraphics）：

1.画各种直线

2.画各种方框

3.画各种圆

4.画各种圆弧

5.画各种多边形

6.写各种文本

7.画符号

8.画原点等2.2Protues基本操作

通过三个组合逻辑设计型实验说明Protues软件的基本操作。（参见第四章课件）1、监视交通信号灯工作状态电路设计；2、火车进站指示灯电路设计（练习）；3、四位格雷码到自然二进制码的转换电路设计（练习）；目标：1、熟练掌握Protues的基本操作；2、通过实验对课堂教学实例进行验证，加深对知识点的掌握，提高对数电课程的学习兴趣。2.2Protues基本操作【实例1】设计一个监视交通信号灯工作状态的逻辑电路。要求：1、用基本门电路实现并验证；2、用74HC 138芯片实现并验证；3、用74HC 151、153芯片实现并验证；2.2Protues基本操作【电路设计】1.逻辑抽象输入变量:红（R）、黄（A）、绿（G）输出变量：故障信号（Z）如果信号灯出现故障，Z为1RAGZR、A、G

为1表示灯亮，为0表示灯灭；Z为1表示有故障，为0表示无故障。一、用基本门电路实现并验证2.2Protues基本操作2.列出真值表输入变量输出RAGZ000100100100011110001011110111113.写出逻辑表达式Z=R′A′G′+R′AG+RA′G+RAG′+RAG2.2Protues基本操作4.化简逻辑式Z=R′A′G′+R′AG+RA′G+RAG′+RAG2.2Protues基本操作5.画出电路图2.2Protues基本操作(I)【仿真验证】方法：用Protues软件作图，实现电路连接，并通过仿真检验结果的正确性。2.2Protues基本操作操作步骤：1、进入器件库：在元件模式下，点击对象选择器上方的P按钮（快捷键P）。2、搜索元件：勾选“完全匹配”，在“关键字”中输入AND_2（2输入与门）。双击结果，将AND_2添加到对象选择器中。同样方法添加AND_3、NOT、和OR_4门到对象选择器。2.2Protues基本操作3、放置元件：在对象选择器中点选元件，通过方向工具栏调整元件（在预览窗口中可观察效果）。之后在原理图窗口中点击，出现元件虚影，再次点击放置。元件的其他操作：删除元件：右键双击该元件即可。移动元件：选中元件后直接拖拽。复制/剪贴/旋转：选中元件后点工具栏中的相应图标。2.2Protues基本操作4、连接导线：在元件引脚处点击，然后移动鼠标到目标引脚处点击。无目标对象的导线双击结束。导线的其他操作：删除导线：右键双击该导线即可。移动导线：选中导线后直接拖拽。快速连接导线：绘制一组对齐的导线，只需双击引脚即可完成快速互联。注：移动元件时，导线随引脚一起移动。2.2Protues基本操作5、网络标号：选中连接标号模式，依次建立网络标号：R、A、G、Z。6、建立激励源：选择激励源中的DCLOCK，为R、A、G建立时钟输入信号，并设置信号周期分别为8S、4S、2S。用来表示3输入信号的所有组合。7、插入交通灯模型：搜索并添加器件“TRAFFICLIGHTS”，连接至输入端。8、插入LED灯模型：搜索并添加器件“LED-RED”，连接至Z端。2.2Protues基本操作8、插入LED灯模型：搜索并添加器件“LED-RED”，正端接Z。9、连接地信号：在终端模式中选择GROUND，放置后连接LED另一端。10、仿真：在仿真按钮中点开始，观察输入和输出的变化，验证电路的正确性。11、输入文本标签：选择文字脚本模式，在合适的位置输入设计名称及作者。例如：“交通信号灯工作状态监视电路。设计者：Dolphin”。2.2Protues基本操作12、用示波器进行仿真分析：在虚拟仪器模式中选择OSCILLOSCOPE，设置标号，观察仿真结果。13、用逻辑分析仪进行仿真分析：在虚拟仪器模式中选择LOGICANALYSER，设置标号，观察仿真结果。2.2Protues基本操作14、用图表进行仿真分析：(1)在图表模式中选择DIGITAL（数字图表）并放置；(2)添加电压探针到Z端；(3)在图表上右键，选择“添加图线”，分别添加R、A、G和Z；(4)设置“开始时间”和“结束时间”；(5)在仿真过一次后，右键选择“仿真图表”（快捷键为空格键），观察结果。2.2Protues基本操作2.2Protues基本操作15、创建子电路（封装模块）：(1)创建新文件。点选子电路模式，创建子电路；(2)右键子电路，选“转到子页面”；(3)将刚才的电路复制到该页面下（不包括激励、终端及测试工具）；(4)右键退出到父页面，右键添加子电路引脚；(5)调整边框大小，输入子电路名称。(6)测试子电路功能。2.2Protues基本操作2.2Protues基本操作16、电路单步调试：(1)添加元件，在类别中选择“DebuggingTools”，结果的前四项为：LogicProbe：单输出信号电平显示；LogicProbe[big]：单输出信号电平显示（大图）；LogicState：单输入电平信号；LogicToggle：单输入边沿信号；(2)添加LogicState到输入端；(3)仿真，修改输入值观察输出结果。2.2Protues基本操作二、用74HC138芯片实现并验证Z=R′A′G′+R′AG+RA′G+RAG′+RAG1、将逻辑表达式化为最小项之和的形式：=∑m(0,3,5,6,7)2、将逻辑表达式化为74HC138输出形式：Z=((m0+m3+m5+m6+m7

)′)′=(Y0′Y3′Y5′Y6′Y7′)′3、选择芯片及与非门NAND_5作图并验证结果。2.2Protues基本操作2.2Protues基本操作三、用74HC151芯片实现并验证1、分配74HC151芯片脚的对应信号：Z=R′A′G′+R′AG+RA′G+RAG′+RAG=∑m(0,3,5,6,7)D0=D3=D5=D6=D7=1；D1=D2=D4=0.2、选择芯片作图并验证结果。思考：为什么Y输出电压有时为灰色显示？2.2Protues基本操作2.2Protues基本操作四、用74HC153芯片实现并验证1、分配74HC153芯片脚的对应信号：Z=R′A′G′+R′AG+RA′G+RAG′+RAGD0=R′、D1=D2=R、D3=1.2、选择芯片及门作图并验证结果。=R′(A′G′)+R(A′G)+R(AG′)+1·(AG)=R′m0+Rm1

+Rm2

+1·m32.2Protues基本操作2.2Protues基本操作五、用74HC153芯片实现并验证1、用74HC153芯片构成8选1选择器；Z=R′A′G′+R′AG+RA′G+RAG′+RAG=∑m(0,3,5,6,7)D0=D3=D5=D6=D7=1；D1=D2=D4=0.3、选择芯片作图并验证结果。2、分配芯片脚的对应信号：2.2Protues基本操作第三部分数字电路实验内容实验报告【实验报告模板】【实验报告文件名称】

学号_姓名_实验序号（例如：实验一）_实验名称.doc【实验报告电子版】

每人每个实验完成一份电子版报告，以宿舍为单位交予课代表。作为实验成绩的评定参考。【实验报告打印版】

最后一个实验上交电子版和打印版。3.1组合逻辑实验一实验一：组合逻辑电路实验（交通信号灯工作状态监视电路设计）

【实验目的】1、熟悉protues软件，掌握protues的基本操作；2、学会使用组合门电路、74HC138、74HC151、74HC153实现函数设计；3、学会使用VSM仿真平台对电路进行仿真分析。【实验步骤】参见第二部分protues基本操作。【实验原理】参见第四章课件第二节例题。3.2组合逻辑实验二实验二：组合逻辑电路实验（带显示功能的简单电子琴电路设计）【实验目的】1、掌握组合电路的设计方法，能够根据要求和现有条件进行数字电路设计和仿真测试；2、掌握选择器、编码器、译码器的使用方法；3、提高使用protues软件进行设计的熟练程度。【实验要求】1、模仿电子琴发音，按键时发声并显示对应音符。2、不按键时保持静音，且七段数码管灭灯。3.2组合逻辑实验二【实验原理】1、发声原理：一定频率的波形通过扬声器发声。低音基本音符的频率如下：音符1234567DOREMIFASOLASI频率/Hz2622943303493924404942、电子琴键设计：使用7个按键，对应表示音符1~7的琴键。3.2组合逻辑实验二3、显示设计：使用七段数码管显示当前按键对应的音符。可用编码器先对7个按键进行编码，然后将编码值送于七段译码器，最后通过七段数码管进行输出。4、发声设计：使用选择器，输入端为7个音符的波形，然后通过按键的编码控制输出通道。将输出连接至扬声器发声。5、灭灯设计：启动七段译码器灭零功能。3.2组合逻辑实验二【实验中可能使用的元器件】1、BUTTON：按键；2、SOUNDER或SPEAKER：扬声器；3、7SEG-COM-AN：共阳极七段数码管；4、7SEG-COM-CAT：共阴极七段数码管；5、74LS47：七段译码器（低电平输出）；6、74LS48：七段译码器；7、4532：8:3线优先编码器；8、74HC148：8:3线优先编码器（低电平有效）；9、74HC151：8in1数据选择器；10、SWITCH：开关。3.2组合逻辑实验二【参考电路】3.2组合逻辑实验二【扩展实验】带显示功能的复杂电子琴设计。1、设计要求：（1）使用7个按键实现中音、高音、低音共21个音符的发音。（2）使用一个七段数码管显示当前音符，并用红绿蓝三个LED灯显示当前的音区（高、中、低音）。（3）按键时发音并显示，未按键时保持静音和灭灯。3.2组合逻辑实验二2、设计提示：使用三个选择器（每个选择器输入7个音符）分别完成中音、高音、低音的音频信号输入。使用译码器实现对三个选择器的片选。3、设计中追加的元器件：（1）LED-RED：红色LED灯；（2）LED-GREEN：绿色LED灯；（3）LED-BLUE：蓝色LED灯；（4）74HC139：双2:4线译码器（低电平输出）；（5）RES：电阻。3.2组合逻辑实验二3.2组合逻辑实验二【参考电路】3.3组合逻辑实验三实验三：组合逻辑电路实验（一位BCD码加法器的设计）【实验目的】1、掌握组合电路的设计方法，能够根据要求和现有条件进行数字电路设计和仿真测试；2、掌握加法器、比较器、译码器的使用方法；3、进一步提高使用protues软件进行电路设计的熟练程度。【实验要求】1、实现两位BCD数相加，用七段数码管进行显示。2、加数超过BCD范围时数码管灭灯并发出警告声。3.3组合逻辑实验三【实验原理】1、二进制数到BCD码的转换：8421BCD码是4位二进制代码组成，两个8421BCD码相加之和只能在0~19（含1位进位输入）。当和S为0~9时，不需要转换，设为S1；当和S超过9时，需要进行S-10的转换，同时考虑进位。使用加法器时，S-10转换为S+6（补码），设为S2；因此需要比较S和9的大小。3.3组合逻辑实验三2、如何区分是否需要转换（两种思路）（1）使用比较器，将S与9比较，将比较器的输出信号FA>B作为控制信号F，当其为1时，需要转换。（2）列真值表，写出需要转换时的函数F，当其为1时，需要转换。3.3组合逻辑实验三函数F生成的条件：S3~S0>10（10~15）；或者Co=1（16~19）.3.3组合逻辑实验三函数F生成的条件：S3~S0>10（10~15）；或者进位Co=1（16~19）.S3S1S3S2S3S2S1S0F=Co+S3S2+S3S1=(Co′·(S3S2)′

·(S3S1)′)′3.3组合逻辑实验三3、如何挑选S1或S2输出到显示译码器（两种思路）（1）使用加法器，当F=1时，实现S+6输出；当F=0时，实现S+0输出；（2）使用加法器和选择器，将F输入选择器的选择端，控制选择器实现S+6和S的二选一输出；3.3组合逻辑实验三4、灭灯的实现：当输入加数超过9时，启动七段译码器的灭灯功能。5、警告声的实现：当输入加数超过9时，使扬声器按某一频率发声。3.3组合逻辑实验三【实验中可能使用的元器件】1、LOGICSTATE：电平信号输入；2、SOUNDER或SPEAKER：扬声器；3、7SEG-COM-AN：共阳极七段数码管；4、7SEG-COM-CAT：共阴极七段数码管；5、74LS47：七段译码器（低电平输出）；6、74LS48：七段译码器；7、74HC283：四位加法器；8、74HC85：四位数值比较器；9、74HC153：双4in1数据选择器。3.3组合逻辑实验三【扩展实验】两位BCD码加法器的设计。设计要求：（1）实现两位BCD码的相加，并用七段数码管显示三位的和。（2）当输入超过9时，数码管灭灯，并发出报警声。【温馨提示】实验时，别忘带耳机！3.3组合逻辑实验三【参考电路1】3.3组合逻辑实验三【参考电路2】3.3组合逻辑实验三【参考电路3】3.4触发器实验一实验四：触发器实验一（各种功能触发器的门电路实现、验证及转换）【实验目的】1、熟练掌握各种触发器的工作原理及功能；2、掌握触发器芯片的使用方法；3、学会使用触发器的特性方程进行电路分析；3.4触发器实验一【实验要求】1、使用门电路搭建SR触发器、JK触发器、D触发器及T触发器，通过波形验证各种触发器的功能。2、使用JK触发器芯片及D触发器芯片构造各种触发器，并验证其功能的完整性。3、使用D触发器芯片实现分频器电路。3.4触发器实验一【实验原理】1、门电路构成的触发器：3.4触发器实验一

1D

C1

Q

Q

CLK

D

3.4触发器实验一3.4触发器实验一3.4触发器实验一3.4触发器实验一2、常用的触发器芯片(Flip-Flops)：74LS74:DualPositive-Edge-TriggeredD-TypeFlip-FlopsWithClearAndPreset.3.4触发器实验一SR3.4触发器实验一74LS273:OctalPositive-Edge-TriggeredD-TypeFlip-FlopsWithClear.3.4触发器实验一74LS373:OctalD-TypeTransparentLatcheswith3-stateOutputs.3.4触发器实验一74LS374:OctalD-TypeEdgeTriggeredFlip-flopswithTristateOutputs.CLKQ*3.4触发器实验一74LS76:DualJKFlip-FlopsWithSetAndReset.3.4触发器实验一74LS113:DualNegative-Edge-TriggeredJKFlip-FlopsWithSet.3.4触发器实验一74LS114:DualNegative-Edge-TriggeredJKFlip-FlopsWithSetCommonClockAndCommonReset.3.4触发器实验一3、选用上述芯片构造其他功能的触发器。根据特性方程，使用现有的触发器芯片构成其他功能的触发器，原理参考课件内容。4、使用D触发器构造分频器。

将Q′连接到D端，则fQ*与f

CLK呈现分频关系。*

将Q′连接到D端，则fQ*与f

CLK呈现分频关系。*级联将呈现多次分频：f

CLK=2n

f

n3.5触发器实验二实验五：触发器实验二（抢答逻辑电路设计）【实验目的】1、进一步熟悉各种功能触发器的原理及使用方法；2、掌握使用触发器进行简单时序逻辑电路设计的方法；3.5触发器实验二【实验要求】

设计一个4人抢答逻辑电路。要求：

1、每个参赛者控制一个按钮，用按钮发出抢答信号；

2、主持人另有一个按钮，用于复位电路；

3、先按按钮的参赛者对应的一个发光二极管点亮，按键时发声，松开按键后销声。此后其余参赛者对应的按钮无效，直至电路复位。3.5触发器实验二【实验原理】1、设计时需要考虑的问题：选用哪种触发器，需要几个触发器？(2)复位电路如何实现？(3)采用何种触发方式？(4)如何实现优先权的控制？(5)发光二极管的亮灭如何控制？(6)抢答器声音的产生、持续、消失如何实现？3.5触发器实验二2、选用哪种触发器？3、复位电路如何实现？4位参赛者对应4个按钮，每个按钮对应一个触发器。由于按钮输入为单输入信号，可选用D或T触发器。又因为需要区分按钮是否被按下，所以选用D触发器（输出直接反应输入的状态）—74LS74芯片。复位即是将电路的状态清零，因此可通过控制D触发器的R端（清零端）实现。3.5触发器实验二5、如何实现优先权的控制？4、采用何种触发方式？由于4个按钮电路是完全相同的（无预先的优先排序），因此可通过控制触发信号实现优先权控制。具体方法是：当无人按动时，触发信号正常提供；若有人按下按钮，则使触发信号失效。为达到精确控制，并提高电路稳定性。采用边沿触发方式。将高频周期性信号送触发器的CLK端，从而保证随时都可采样到抢答信号。3.5触发器实验二6、发光二极管的亮灭如何控制？7、抢答器声音的产生、持续、消失如何实现？可通过触发器输出（Q′端）来控制发光二极管亮灭。外接VCC为二极管提供足够的电流。通过扬声器（4个人共用一个）发出声音。可通过Q端输出和按键的状态联合控制音频的输入。3.5触发器实验二【参考电路】3.6时序电路设计实验实验六：时序电路设计实验【说明】1、本次实验为设计型实验，作为数字逻辑实验课考核评分的主要参考。

2、本次实验需交实验报告（电子版及打印版）、实验设计文件（.DSN）和音频文件，放入同一文件夹中（打印版另交）。文件夹命名方式参考实验报告格式。

3、本次提供两个实验，难度不同，可二选一。（1）N进制计数器设计（N为学号的后3位）；（2）数字钟设计（难度较高）。3.6时序电路设计实验实验六：时序电路设计实验【实验目的】1、掌握计数器的工作原理及使用方法；2、学会使用计数器进行简单时序逻辑电路设计；3、能够综合应用protues软件进行简单电路的分析、设计及功能验证，为今后的硬件课程体系的学习及就业打下良好的基础。3.6.1时序电路设计实验一实验六：时序电路设计实验（N进制计数器设计）【实验要求】1、使用计数器芯片组成N进制计数器电路（N为学号的末3位）；2、电路要具有启停、置数、数码显示和语音播放的功能；3、语音为自制录音（.wav）。录制一段语音，内容为：“我叫***，学号是***，将来想从事的工作是*