北邮大二下 数电实验报告Word下载.docx
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所以,可以用一个两输入异或门和一个两输入与门实现。
◎实验原理图
四、仿真波形图及分析
根据仿真波形对比半加器真值表,可以确定电路实现了半加器的功能。
但我们也可以发现输出SO出现了静态功能冒险,要消除该冒险可以加入相应的选通脉冲。
(二)全加器
用实验内容1中生成的半加器模块和逻辑门设计实现一个全加器,仿真验证其功能,并下载到实验板测试,要求用拨码开关设定输入信号,发光二极管显示输出信号。
全加器与半加器的区别在于全加器有一个低进位CI,从外部特性来看,它是一个三输入两输出的器件。
◎设计过程
(1)全加器的真值表如下
CI
*其中AI为被加数,BI为加数,CI为相邻低位来的进位数。
输出本位和为SO,向相邻高位进位数为CO。
(2)根据真值表写出逻辑表达式:
根据逻辑表达式,可以知道只要在半加器的基础上再加入一个异或门、一个两输入与门和两输入或门即可实现全加器。
根据仿真波形对比全加器真值表,可以确定电路实现了全加器的功能。
(三)3线—8线译码器
用3线—8线译码器(74LS138)和逻辑门设计实现函数
仿真验证其功能,并下载到实验板测试。
要求用拨码开关设定输入信号,发光二极管显示输出信号。
74LS138是一个3线—8线的译码器,其输出为低电平有效,使能端G1为高电平有效,G2、G3为低电平有效,当其中一个为高电平,输出端全部为1。
在中规模集成电路中译码器的几种型号里,74LS138使用最广泛。
要实现的函数用最小项表示如下:
F(C,B,A)=∑m(0,2,4,7)
只要将相应输出用一个四输入与非门实现即可。
◎注意
(1)74LS138的输出是低电平有效,故实现逻辑功能时,输出端不可接或门及或非门(因为每次仅一个为低电平,其余皆为高电平);
(2)74LS138与前面不同的是,其有使能端,故使能端必须加以处理,否则无法实现需要的逻辑功能。
当且仅当ABC输入为000、010、100、111时,F=1;
可知电路实现了函数
实验二
VHDL组合逻辑电路设计
(一)奇校验器
用VHDL语言设计实现一个4位二进制奇校验器,输入奇数个‘1’时,输出为‘1’,否则输出为‘0’,仿真实现验证其功能,并下载到实验板测试。
输入元素:
a3,a2,a1,a0
输出元素:
b
a3
a2
a1
a0
四、VHDL程序
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITYhy_checkIS
PORT(
a:
INSTD_LOGIC_VECTOR(3downto0);
b:
OUTSTD_LOGIC
);
endhy_check;
ARCHITECTUREhy_archOFhy_checkIS
BEGIN
PROCESS(a)
BEGIN
CASEaIS
WHEN"
0000"
=>
b<
='
0'
;
0001"
1'
0010"
0011"
0100"
0101"
0110"
0111"
1000"
1001"
1010"
1011"
1100"
1101"
1110"
1111"
ENDCASE;
ENDPROCESS;
END;
五、仿真波形图及分析
根据仿真波形对比奇校验码的真值表,可以确定电路实现了奇校验器的功能。
(二)数码管译码器
用VHDL语言设计实现一个共阴极7段数码管译码器,仿真验证其功能,并下载到实验板测试。
要求用拨码开关设定输入信号,7段数码管显示输出信号。
A3—A0
B6—B0,C5—C0
A3
A2
A1
A0
B6
B5
B4
B3
B2
B1
B0
*真值表由数码管显示的原理确定。
USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYhy_encoder1IS
PORT(A:
INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);
B:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0);
C:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR(5DOWNTO0));
ENDhy_encoder1;
ARCHITECTUREencoder_archOFhy_encoder1IS
PROCESS(A)
C<
="
101111"
CASEAIS
WHEN"
=>
B<
1111110"
--0
0110000"
--1
1101101"
--2
1111001"
--3
0110011"
--4
1011011"
--5
1011111"
--6
1110000"
--7
1111111"
--8
1111011"
--9
WHENOTHERS=>
ZZZZZZZ"
ENDCASE;
ENDPROCESS;
ENDencoder_arch;
根据仿真波形对比数码管译码器的真值表,可以确定实现了数码管译码器的功能。
(三)8421码到余三码
用VHDL语言设计实现一个8421码转换为余3码的代码转换器,仿真验证其功能,并下载到实验板测试。
.
输入数据:
输出数据:
B3—B0
*余三码就是在8421码的基础上+3。
ENTITYhy_trans1IS
OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0));
ENDhy_trans1;
ARCHITECTUREtrans_ex3OFhy_trans1IS
WHEN"
ZZZZ"
ENDtrans_ex3;
根据仿真波形对比真值表,可以确定电路实现了8421码到余三码的转换。
实验三
VHDL时序逻辑电路设计
(一)分频器
用VHDL语言设计实现一个分频输出信号占空比为50%的分频器。
要求在QuartusII平台上设计程序并仿真验证设计。
确定分频系数N后,以
为计数标准,一旦计数满
,输出
选取N=20,以0-4计数,到4取反。
clk,clear
clk_out
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYhy_divIS
PORT(
clk,clear:
INSTD_LOGIC;
clk_out:
OUTSTD_LOGIC);
ENDhy_div;
ARCHITECTUREaOFhy_divIS
SIGNALtmp:
INTEGERRANGE0TO9;
SIGNALclktmp:
STD_LOGIC;
PROCESS(clear,clk)
IFclear='
THEN
tmp<
=0;
ELSIFclk'
eventANDclk='
IFtmp=9THEN
clktmp<
=NOTclktmp;
ELSEtmp<
=tmp+1;
ENDIF;
clk_out<
=clktmp;
ENDa;
分析仿真波形,可以确定电路实现了20倍分频的功能。
(二)十进制计数器
用VHDL语言设计实现一个带异步复位的8421码十进制计数器,仿真验证其功能。
满10异步复位。
q3,q2,q1,q0
USEIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
ENTITYhy_countIS
q:
ENDhy_count;
ARCHITECTUREaOFhy_countIS
SIGNALcn:
PROCESS(clk)
cn<
elsIF(clk'
)THEN
IFcn=9THEN
ELSEcn<
=cn+1;
q<
=CONV_STD_LOGIC_VECTOR(cn,4);
分析仿真波形,可以确定电路实现了十进制计数器的功能。
(三)十进制计数器的数码管显示
将2中的8421码十进制计数器下载到实验板测试。
要求用按键设定输入信号,发光二极管显示输入信号。
此系统中应包括分频器、十进制计数器、数码管译码器。
ain,bin,cin
cout(0-6),cat(0-5)
ENTITYhy_unionIS
ain:
bin:
cin:
cout:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR(6downto0);
cat:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR(5downto0)
);
endhy_union;
ARCHITECTUREzonghe_archOFhy_unionIS
COMPONENTdiv50m——分频器
clk_in:
instd_logic;
clk_out:
outstd_logic
ENDCOMPONENT;
COMPONENThy_count——计数器
OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3downto0)
COMPONENTyima——数码管译码器
a:
INSTD_LOGIC_VECTOR(3downto0);
b:
c:
endCOMPONENT;
SIGNALd,e:
SIGNALf:
STD_LOGIC_VECTOR(3downto0);
u1:
div50mPORTMAP(clk_in=>
ain,clk_out=>
d);
u2:
hy_countPORTMAP(clk=>
d,clear=>
cin,q=>
f);
u3:
yimaPORTMAP(a=>
f,b=>
cout,c=>
cat);
ENDzonghe_arch;
实验四
数码管扫描显示控制器设计与实现
用VHDL语言设计并实现六个数码管串行扫描电路,要求同时显示0、1、2、3、4、5这六个不同的数字图形到六个数码管上,仿真验证其功能,并下载到实验板测试。
多个数码管动态扫描显示,是将所有数码管的相同段并联在一起,通过选通信号分时控制各个数码管的公共端,循环依次点亮多个数码管,利用人眼的视觉暂留现象,只要扫描的频率大于50Hz,将看不到闪烁现象。
当闪烁显示的发光二极管闪烁频率较高时,我们将观察到持续点亮的现象。
同理,当多个数码管依次显示,当切换速度足够快时,我们将观察到所有数码管都是同时在显示。
一个数码管要稳定显示要求显示频率大于50Hz,那么六个数码管则需要50*6=300Hz以上才能看到持续稳定点亮的现象。
B(0-6),C(0-5)
ENTITYHYIS
PORT(clk,clear:
ENDHY;
ARCHITECTUREbehaveOFHYIS
SIGNALtmp:
INTEGERRANGE0TO5;
SIGNALcount:
STD_LOGIC_VECTOR(5DOWNTO0);
——count决定哪个数码管有示数
SIGNALf_temp:
STD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0);
BEGIN
p1:
PROCESS(clk)——排次序
IFclk'
EVENTANDclk='
THEN
IFtmp=5THEN
ELSE
ENDIF;
ENDPROCESSp1;
p2:
PROCESS(tmp)——数码管显示数
IF(clear='
)THENcount<
111111"
CASEtmpIS——依次逐个输出0-5
WHEN0=>
count<
011111"
f_temp<
WHEN1=>
WHEN2=>
110111"
WHEN3=>
111011"
WHEN4=>
111101"
WHEN5=>
111110"
elsecount<
ENDPROCESSp2;
=count;
=f_temp;
ENDbehave;
五、仿真波形图
分析波形易知,C确实实现了六个数码管的交替显示,B则控制着各对应管输出0-5相应的数字。
数电实验总结
【故障和问题分析】
故障一:
仿真时设置clk脉冲宽度为1us,报错
解决办法:
经检查发现,未更改end
time设置,把end
time重置为50us。
故障二:
下载后,按键没有反应。
检验相应管脚是否设置正确,检查管脚是否失效,下载操作是否正确。
故障三:
数码管显示乱码。
一开始我直接检查代码,检查了好久都没发现错误,后来换了个实验板,重新下载后就好了。
另:
实验过程中,唯一的问题是对于多输入电路,静态功能冒险还是会存在的,在这种情况下应该加入选通脉冲来消除静态功能冒险。
【总结与结论】
本学期的四次实验均较为简单,只要认真听讲、细心操作,基本没有太大的问题。
难点主要是对VHDL语言的学习和对QuartusII软件的熟悉。
起初接触QuartusII,感觉毫无头绪。
在预习过课本之后,再结合数字电路理论课上所学的知识,终于有了一些思路。
顺着这思路,对所求元件进行了相应的功能设计,然后开始了相应代码的编写。
在编写过程中,遇到了很多关于VHDL语言的困扰,经过不断的调整和适应,终于掌握了相关的语法规则。
通过这次实验,我收获最多的还是熟悉了数字电路的设计过程,之前所学习的还是理论上的知识。
理论固然重要,但一味纸上谈兵,是不可能掌握实际技能的。
希望今后能够多一些类似的实验、实践活动的机会,让我们提高动手能力、培养实用技能。