数字逻辑实验课件

数字逻辑实验课

武俊鹏，孟昭林，刘书勇，赵国冬

2014年5月主要内容实验基础实验内容考核方法

主要内容实验基础实验内容考核方法

实验室要求禁止在实验室内吃东西，水不准放到桌面上，保持实验室的卫生，爱护设备，实验后恢复实验台初始状态，按要求送还芯片每次实验要提前预约，每个实验在2个实验室分别开放2次，如想“加班”，可在开放实验室有空位的前提下现场预约2人一组，可跨班级组合实验前各自准备好预习报告，预习报告要求有目标电路的逻辑化简过程与结果、逻辑电路结构图、时序图等，上课时没有预习报告不准做实验实验后按要求各自提交实验报告，同组成员间也不能雷同，否则取消成绩实验平台介绍电源开关可调电位器电平显示灯组逻辑电平开关函数信号发生器单脉冲及相位滞后脉冲时钟信号源逻辑测试笔数字频率计ISP编程实验扩展区28座插槽BCD码拨码开关数码管显示屏组40座插槽电源分立元件功能框实验平台使用方法与技巧每个平台10个40座的插座和2个28座的插座，最多可插22个芯片两个实验平台串联使用，要注意将时序相关的电路放在一个平台上，保证时序同步养成良好的实验习惯，减少错误的产生，方便错误的排查（如实验前测试芯片、导线和实验台，尽可能使用短线，尽量减少线路的交错，用不同颜色的线标示不同的信号，善用逻辑笔排错纠错，etc.），参考教材P12-P13注意信号的衰减会导致电路的不正常工作实验用芯片使用注意事项一般使用74系列芯片，注意芯片引脚数和内部逻辑结构，参考教材附录或者网上查询芯片供电全部使用5V电源断电插拔芯片，注意芯片插的方向、芯片引脚和插座插孔的映射关系、电源和地实验室现有芯片141312111098主要内容实验基础实验内容考核方法

实验内容基础实验数逻基础实验组合逻辑电路时序逻辑电路综合设计逻辑实验实验一数逻基础实验熟悉实验台并测试其各项功能。熟悉各种基本门电路芯片和时序逻辑电路芯片的逻辑功能和使用方法。对实验涉及到的芯片进行检测并记录真值表，如00、20、86、153、74、112、194、374等（教材P21-P25，P62-P74,P418)返回实验二组合逻辑电路1．设计实现一个全加器(教材P36)(注意P36图2.3.3图有错）2．设计实现一个偶校验发生、校验检测器（P44）3．设计实现一个将余三码转换成8421码的代码转换电路（P54）（注意2.5.3中将错误式子纠正）返回实验三时序逻辑电路

1．设计实现一个4位自启动扭环形计数器(P843.4.5)2．设计实现一个序列信号检测器（P101）3．设计实现一个指定规律计数器（P87）返回综合设计逻辑实验实验室提供10个参考题目，选题并不局限于这10个题目，这10个题目所要求的功能为基础要求，且每个题目设计时均必须是组合+时序的综合电路实验室提供一定数量的芯片、导线和实验台，要求每组的实验台和每个团队绑定。芯片原则上只发放一次，在第四次课内发放，在发下去的2个小时内请各位同学测试所发的芯片，如果有问题且不是人为破坏所致，可以更换可以两个不同题目的团队相结合，使得两个所设计题目融合为一个更大的题目，但每个题目限选10组综合设计逻辑实验实验分为设计时间（从现在开始至第4次课）、实现时间（从第4次课至第8次课）、项目验收时间（待定）每人一份20页左右的设计报告（打印侧面装订），同组学生报告按照分工单独写，不能雷同需要提交设计报告和PPT电子版及相关多媒体材料序号名称基本要求1交通灯控制逻辑电路设计十字路口交通灯的模拟显示和控制2汽车尾灯控制器设计模仿汽车左右两侧尾灯在不同状态下的响应3病床呼叫系统模仿医院病房病人呼叫系统，至少5路信号，要求有优先级、且能响应处理4家用电风扇控制逻辑电路设计设计三个风种，每个风种下可有三种风速，控制流程参照实际电器使用5数字电子钟逻辑电路设计显示日、时、分、秒的数字电子钟，可校时，可整点报时6复印机逻辑控制电路设计输入0-999之间的数字并显示，每复印一次数字减1，到0停止7拔河游戏机由一排LED发光二极管表示拔河的“电子绳”，由甲乙双方通过按钮开关使发光的LED管向一方的终点移动，当移动到某方的最后一个LED管时，则该方获胜，连续比赛多局以定胜负。显示器显示胜者的盘数。8十翻二运算电路设计能完成三位十进制数到二进制数的转换，能自动显示十进制数及二进制数，具有手动和自动清零功能。9鉴向倍频逻辑电路设计采用正、负脉冲输出方法设计鉴向倍频电路。10简易投币式自动售货机设计有1、2、5元三种货币，设计三种商品，价格自定，模仿自动售货机的控制原理，实现购买、找零、退钱、计时、提示灯功能综合性实验基本要求和难度系统综合设计逻辑实验交通灯控制逻辑电路设计汽车尾灯控制器设计病床呼叫系统家用电风扇控制逻辑电路设计数字电子钟逻辑电路设计综合设计逻辑实验复印机逻辑控制电路设计拔河游戏机十翻二运算电路设计鉴向倍频逻辑电路设计简易投币式自动售货机实验研究交通灯控制逻辑电路设计

设计原理： 为了确保十字路口的车辆顺利、畅通地通过，往往都采用自动控制的交通信号灯来进行指挥。其中红灯(R)亮，表示该条道路禁止通行；黄灯(Y)亮表示停车；绿灯(G)亮表示允许通行。交通灯控制逻辑电路设计设计任务和要求： 设计一个十字路口交通信号灯控制器，其要求如下：

南北向绿灯亮，东西向红灯亮--占5t南北向黄灯亮，东西向红灯亮--占1t南北向红灯亮，东西向绿灯亮--占5t南北向红灯亮，东西向黄灯亮--占1t图7.3.2交通灯顺序工作流程图汽车尾灯控制器设计

设计原理：

汽车尾灯通常有四种状态：左转弯、右转弯、刹车、正常行车。通过设计可以在数字逻辑实验台上模仿这四种状态，并实现其控制电路。可以用两个按键来控制上述四种状态，用计数器、译码器、脉冲和一些逻辑电路来实现系统的控制功能，用LED作为输出模仿汽车尾灯。汽车尾灯控制器设计设计任务最低要求：

由于汽车左转弯、右转弯、刹车、正常行车时，所有尾灯点亮的次序和是否点亮是不同的，所以假设汽车尾灯只有这四种情况来设计一个控制电路。汽车正向行驶时，左右两侧的指示灯全部处于熄灭状态.

汽车右转弯行驶时，右侧的3个指示灯按右循环顺序点亮。 汽车左转弯行驶时，左侧的3个指示灯按左循环顺序点亮。 汽车临时刹车时，左右两侧的指示灯同时处于闪烁状态。病床呼叫系统设计原理： 本实验能对5张病床进行统一监护，能够对不同优先级的呼叫进行优先响应处理，对发出呼叫的病床有灯进行提示，还能显示优先级最高的呼叫号，并发出5秒的呼叫声（用一个闪烁的指示灯模拟），当护士接收到信号，按下复位键时显示管被清零。该设计可用优先编码器、计数器、译码器、触发器和基本逻辑门电路来实现。病床呼叫系统设计任务和要求：

1.用5个开关模拟5个病房的呼叫输入信号，5个呼叫优先级不同；

2.用一个数码管显示呼叫信号的号码；没有呼叫信号时显示0；有多个信号呼叫时，显示优先级最高的呼叫号，并发出5秒的呼叫声（用一个闪烁的指示灯模拟），其它呼叫用指示灯显示；当护士接受到信号，按下复位键时显示管被清零。家用电风扇控制系统设计原理：

目前，人们家庭所有的电风扇正越来越多地采用电子控制线路来取代原来的机械控制器，这使得电风扇的功能更强，操作也更为简便。下图为电风扇操作面板示意图。

家用电风扇控制系统设计任务和要求： 实现电风扇控制器的控制功能，具体要求如下：

1、用三个按键来实现“风速”、“风种”、“停止”的不同选择。

2、用六个发光二极管分别表示“风速”、“风种”的三种状态（实验模拟时用三个发光二极管模拟电机输出）。

3、电风扇在停转状态时，只有按“风速”键才有效，按其余两键不响应。

数字电子钟逻辑电路设计

设计原理： 数字电子钟由以下几部分组成：石英晶体振荡器和分频器组成的秒脉冲发生器；校时电路；六十进制秒、分计数器、24进制(或12进制)计时计数器和7进制日计数器；以及秒、分、时、日的译码显示部分等。

数字电子钟逻辑电路设计设计任务和要求： 设计一台能显示日、时、分、秒的数字电子钟，要求如下： 由晶振电路产生1Hz标准秒信号； 秒、分为00～59六十进制计数器； 时为00～23二十四进制计数器； 日显示从1～7为七进制计数器。 可手动校正：能分别进行秒、分、时、日的校正。只要将开关置于手动位置，可分别对秒，分、时、日进行手动脉冲输入调整或连续脉冲输入的校正。

*整点报时。整点报时电路要求在每个整点前呜叫五次低音(500Hz)，整点时再呜叫一次高音(1000Hz)。复印机逻辑控制电路设计

设计原理：

复印机的应用越来越普遍，其工作原理也大同小异。我们在使用复印机时，一般要进行以下操作： 设置复印数：通过键盘输人百位数、十位数和个位数。 按动复印“RUN”运行键，开始复印。 三位显示器显示复印减少的数目．当减到“0”时，复印过程结束。复印机逻辑控制电路设计设计任务和要求： 设计复印机逻辑控制电路，具体要求如下： 从键盘(0～9)可输入复印的数字，并能显示。 数字显示为3位，最大数为999。 复印一次，数字显示减一次，直到“0”停机。 按运行键“RUN”后，机器能自动进行循环控制。拔河游戏机设计原理：

电子拔河游戏机是一种能容纳甲乙双方参赛或甲乙双方加裁判的三人游戏电路。由一排LED发光二极管表示拔河的“电子绳”。游戏双方各拥有一个比赛时使用的按钮,当参与者不停的按动按钮的时候就产生脉冲,谁快产生的脉冲就多,这样由甲乙双方通过按扭开关使发光的LED管向一方的终点移动，双方通过按扭输入信号，使得计数电路分别实现加减计数功能，当移动到某方的最后一个LED管时，则该方获胜，连续比赛多局以定胜负。 甲乙通过输入单脉冲，用可逆计数器实现加减，通过七段数码管实现电路的记分功能，并实现双方赢盘数的自动统计。用开关设计的裁判可以实现电路的清零功能。拔河游戏机设计任务和要求：

比赛开始时，由裁判下达命令后，甲乙双方才能输入信号，否则，由于电路具有自锁功能，使输入信号无效。 “电子绳”至少由9个LED管构成，裁判下达“开始比赛”的命令后，位于“电子绳”中点的LED点亮。甲乙双方通过按键输入信号，使发亮的LED管向自己一方移动，并阻止其向对方移动。当一方终点的LED管点亮时，表示比赛结束。这时，电路自锁，保持当前状态不变，除非由裁判使电路复位。十翻二运算电路设计设计原理：

人们在向计算机输送数据时，首先要把十进制数变成二--十进制数码即BCD码，运算器在接收到二--十进制数码后，必须要将它转换成二进制数才能参加运算。这种把十进制数转换成二进制数的过程称为“十翻二”运算。

十翻二运算电路设计设计原理： 十翻二：运算的过程可以由下式看出：

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

这种方法归纳起来，就是重复这样的运算：

N*10+S→N

其中N为现有数(高位数)，S为新输入数(较N低一位的数)，N的初始值取0，二--十进制数码是由高位开始逐位输入的，每输入一位数进行一次这样的运算，直至最低位输入，算完为止。十翻二运算的实现方法从运算式N*10+S来看可分二步，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。十翻二运算电路设计设计任务要求： 用中小规模集成电路设计十翻二运算逻辑电路，具体要求如下： 具有十翻二功能； 能完成三位数十进制数到二进制数的转换； 能自动显示十进制数及二进制数； 具有清零功能。鉴向倍频逻辑电路设计设计原理： 倍频电路倍频电路的倍频系数因设计要求不同而异。不言而喻，倍频系数越高，其电路越复杂。为简便起见，此处仅介绍四倍频电路的设计方法。四倍频的含义即：输入信号变化一个周期使输出信号变化四个周期，输出信号频率提高为输入信号频率的四倍。该电路的输入信号是两个相差为90o的方波信号，分别表示为A和B，如图7.25.1所示。显然，在方波信号变化的一个周期内，A、B两信号共有四个“沿”，四倍频电路的设计关键，就在于检出这四个“沿”，实现四倍频。输出信号如图7.25.1所示，分别用M1、M2、M3、M4表示。四倍频原理波形ABM1M2M3M4鉴向倍频逻辑电路设计设计原理：

鉴向电路由于输入信号A、B之间相位关系发生变化而使鉴向电路的输出发生变化。这种线路设计方法一般有两种，一种是在电路中设计两路输出，一路输出脉冲信号，另一路输出方向信号；另一种则是在电路中设计两路输出，一路输出正向脉冲，如A超前B时该路有脉冲输出，另一路输出反向脉冲，如A滞后B时，该路有脉冲输出。

A、B两相信号经四倍频及鉴向电路处理后，便可获得能鉴别A、B两信号的相位关系(超前或滞后)的四倍频脉冲信号鉴向倍频逻辑电路设计设计任务和要求：

1.采用正、负脉冲输出方法设计鉴向倍频电路。

2.用JK触发器构成分相电路，利用标准信号发生器发出的时钟信号产生A、B两个信号，并用双向开关控制A、B相位的超前及滞后关系。

3.用2位BCD码计数器、译码器及数码管构成计数、译码显示电路，用此电路对鉴向输出脉冲计数及显示，并通过双向开关改变A、B相位的超前、滞后关系，观察显示数值的变化。

4.改变CP脉冲的频率，观察有关信号的波形，以分析确定CP脉冲频率与A(B)信号频率的关系简易投币式自动售货机实验设计原理：

当顾客通过自动售货机买商品时，首先通过选择按键把所需要买的商品价格输入给BCD码编码器，把十进制数转化成BCD码，输入给寄存器寄存起来，通过七段码数码管显示出来。然后顾客投入货币，转化成BCD码(B)，在数码管上显示出来。同时投入的钱币通过比较器与商品价格（A）进行比较，如果A>B，发出投币不足信号，顾客需要再投入钱币，与上次的进行累加，（1）再比较，直到A《B，如果A《B，则比较器给售货机货发出信号，把所买的货物