数字逻辑实验指导书multisim.docx
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数字逻辑实验指导书multisim
实验一集成电路的逻辑功能测试
一、实验目的
1、掌握Multisim软件的使用方法。
2、掌握集成逻辑门的逻辑功能。
3、掌握集成与非门的测试方法。
二、实验原理
TTL集成电路的输入端和输出端均为三极管结构,所以称作三极管、三极管逻辑电路(Transistor-TransistorLogic)简称TTL电路。
54系列的TTL电路和74系列的TTL电路具有完全相同的电路结构和电气性能参数。
所不同的是54系列比74系列的工作温度范围更宽,电源允许的范围也更大。
74系列的工作环境温度规定为0—700C,电源电压工作范围为5V±5%V,而54系列工作环境温度规定为-55—±1250C,电源电压工作范围为5V±10%V。
54H与74H,54S与74S以及54LS与74LS系列的区别也仅在于工作环境温度与电源电压工作范围不同,就像54系列和74系列的区别那样。
在不同系列的TTL器件中,只要器件型号的后几位数码一样,则它们的逻辑功能、外形尺寸、引脚排列就完全相同。
TTL集成电路由于工作速度高、输出幅度较大、种类多、不易损坏而使用较广,特别对我们进行实验论证,选用TTL电路比较合适。
因此,本实训教材大多采用74LS(或74)系列TTL集成电路,它的电源电压工作范围为5V±5%V,逻辑高电平为“1”时≥2.4V,低电平为“0”时≤0.4V。
它们的逻辑表达式分别为:
图1.1分别是本次实验所用基本逻辑门电路的逻辑符号图。
图1.1TTL基本逻辑门电路
与门的逻辑功能为“有0则0,全1则1”;或门的逻辑功能为“有1则1,全0则0”;非门的逻辑功能为输出与输入相反;与非门的逻辑功能为“有0则1,全1则0”;或非门的逻辑功能为“有1则0,全0则1”;异或门的逻辑功能为“不同则1,相同则0”。
三、实验设备
1、硬件:
计算机
2、软件:
Multisim
四、实验内容及实验步骤
1、基本集成门逻辑电路测试
(1)测试与门逻辑功能
74LS08是四个2输入端与门集成电路(见附录1),请按下图搭建电路,再检测与门的逻辑功能,结果填入下表中。
A
B
Y
0
0
0
1
1
0
1
1
(2)测试或门逻辑功能
74LS32是四个2输入端或门集成电路(见附录1),请按下图搭建电路,再检测或门的逻辑功能,结果填入下表中。
A
B
Y
0
0
0
1
1
0
1
1
(3)测试非门逻辑功能
74HC04是6个单输入非门集成电路(见附录1),请按下图搭建电路,再检测非门的逻辑功能,结果填入下表中。
A
Y
0
1
(4)测试与非门逻辑功能
74LS00是四个2输入端与非门集成电路(见附录1),请按下图搭建电路,再检测与非门的逻辑功能,结果填入下表中。
A
B
Y
0
0
0
1
1
0
1
1
(5)测试或非门逻辑功能
74LS02是四个2输入端或非门集成电路(见附录1),请按下图搭建电路,再检测或非门的逻辑功能,结果填入下表中。
A
B
Y
0
0
0
1
1
0
1
1
(6)测试异或门逻辑功能
74LS86是四个2输入端异或门集成电路,请按下图搭建电路,再检测异或门的逻辑功能,结果填入下表中。
A
B
Y
0
0
0
1
1
0
1
1
(7)测试同或门逻辑功能
74LS266是四个2输入端同或门集成电路,请按下图搭建电路,再检测同或门的逻辑功能,结果填入下表中。
A
B
Y
0
0
0
1
1
0
1
1
2、利用与非门组成其他逻辑门电路
⑴组成与门电路
将74LS00中任意两个与非门组成如下图所示的与门电路,输入端接逻辑电平开关,输出端接指示灯LED,拨动逻辑开关,观察指示灯LED的亮与灭,测试其逻辑功能,结果填入下表中。
A
B
Y
0
0
0
1
1
0
1
1
⑵组成或门电路
将74LS00中任选三个与非门组成如下图所示的或门电路,输入端接逻辑电平开关,输出端接指示灯LED,拨动逻辑开关,观察指示灯LED的亮与灭,测试其逻辑功能,结果填入下表中。
A
B
Y
0
0
0
1
1
0
1
1
⑶组成异或门电路
将74LS00中的与非门按照下图所示的电路连线,输入端接逻辑电平开关,输出端接指示灯LED,拨动逻辑开关,观察指示灯LED的亮与灭,测试其逻辑功能,结果填入下表中。
A
B
Y
0
0
0
1
1
0
1
1
五、思考题
请用或非门实现其他逻辑门电路,如与门、或门、非门、异或、同或。
实验二组合逻辑电路分析与设计
一、实验目的
1、掌握Multisim软件对组合逻辑电路分析与设计的方法。
2、掌握利用集成逻辑门构建组合逻辑电路的设计过程。
3、掌握组合逻辑电路的分析方法。
二、实验原理
全加全减器是一个实现一位全加和全减功能的组合逻辑电路,通过模式变量M来控制全加/全减算术运算。
本实验可以使用74LS00,74LS86芯片来实现。
Ai和Bi分别表示二进制数A与B的第i位,Ci表示Ai-1和Bi-1位全加时产生的进位,Ci+1表示第Ai和Bi位全加时产生的进位,Si为Ai和Bi的和或差,M=0表示全加功能,M=1表示全减功能,具体真值表为:
M
Ai
Bi
Ci
Si
Ci+1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
0
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
1
1
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
函数S和Ci+1的卡诺图化简后为:
Si=Ai⊕Bi⊕Ci
Ci+1=BiCi+(Ci+Bi)(M⊕Ai)=
三、实验设备
1、硬件:
计算机
2、软件:
Multisim
四、实验内容及实验步骤
1、根据实验原理构建全加全减器功能电路并测试逻辑功能。
2、利用逻辑分析仪测试第1步电路的功能及函数表达式。
说明:
上面的第一个图是测试Ci+1,下面的图是测试S的,要求分析出真值表及相应函数表达式及最简函数表达式。
3、利用设计全加全减器功能电路并测试逻辑功能。
4、利用逻辑分析仪测试第3步电路的功能。
(参考设计图略)
五、思考题
1、设X=AB,请用与非门实现Y=X3的组合逻辑电路。
2、设计一个血型配对指示器。
输血时供血者和受血者的血型配对情况如图所示,即
(1)同一血型之间可以相互输血;
(2)AB型受血者可以接受任何血型的输出;(3)O型输血者可以给任何血型的受血者输血。
要求当受血者血型与供血者血型符合要求时绿指示灯亮,否则红指示灯亮。
实验三血型关系检测电路的设计
一、实验目的
1.掌握组合逻辑电路的设计和测试方法。
2.学习选择和使用集成逻辑器件。
3.练习使用Multisim中的逻辑转换器。
二、实验类型
设计型实验
三、预习要求
1.复习组合逻辑电路的分析与设计方法。
2.复习常用的组合逻辑器件的逻辑功能。
3.画好实验电路的接线图,自拟实验步骤。
四、实验原理
组合逻辑电路的设计是指根据给出的实际逻辑问题,求出实现这一逻辑关系的最简逻辑电路。
需要指出的是,这里所说的“最简”,在使用不同器件进行设计时有不同的含义。
对于小规模集成电路(SSI)为组件的设计,最简标准是使用的门最少,且门的输入端数最少;而对于以中规模集成电路(MSI)为组件的设计,则是以所用集成芯片个数最少、品种最少以及连线最少作为最简的标准。
设计步骤如下:
1.根据设计任务,建立数字电路的模型,可以是真值表、卡诺图,也可以直接写出逻辑表达式。
2.跟据真值表或表达式填写卡诺图,进行化简。
化简的原则和最简函数的形式与使用的器件关系密切。
如欲使用与非门实现电路,应化简成与或式;如欲使用或非门实现电路则化简成或与式。
3.根据化简结果画出逻辑电路图。
4.根据逻辑电路图搭接电路。
5.测试并验证所设计的电路。
五、实验仪器
装有Multisim软件的计算机一台
六、实验内容与要求
人类的血型有4种:
A、B、AB、O型。
在输血时,输血者和受血者的血型必须符合如图2.2.1所示的关系,即O型血可以输给任何血型的人,但O型血的人只能接受O型血;AB型血的人只能输给AB型血的人,但AB型血的人可以接受所有血型的人;A型血的人可以输血给A型和AB型血的人,而A型血的人能接受A型和O型血;B型血的人可以输血给B型和AB型血的人,而B型血的人能接受B型和O型血。
图2.2.1输血关系图
要求用与非门设计一个电路,用于判断输血者和受血者的血型是否符合输血条件,如果能够输血,则绿色指示灯亮(实验中用绿色探针代替):
如果血型不合,则红色指示灯亮,并且发出警告声音(实验中用蜂鸣器代替)。
七、注意事项
1.输血者有4种情况,可用两位代码区分,同样受血者血型也可以用两位代码表示,这样整个电路的输入有四个变量,输出两个变量,分别表示能或不能。
2.也可以用4个开关模拟A、B、AB、O血型,(输血者和受血者共需要8个开关)对受血者和输血者的血型通过编码电路分别进行编码,之后根据要求设计血型检测电路。
八、实验报告
1.说明设计过程,画出各逻辑电路图。
2.记录实验数据,总结实验心得。
九、思考题
1.SSI为组件的设计方法与MSI为组件的设计方法有哪些区别,及其各自的优缺点。
2.不限定用于非门,还有哪些方法可以实现血型关系检测?
实验四同步时序逻辑电路分析与设计
一、实验目的
1、掌握基本触发器的逻辑功能。
2、掌握集成触发器的功能和使用方法。
3、掌握同步时序逻辑电路的设计与分析的方法。
二、实验原理
触发器是能够存储1位二进制码的逻辑电路,它有两个互补输出端,其输出状态不仅与输入有关,而且还与原先的输出状态有关。
触发器有两个稳定状态,用以表示逻辑状态“1”和“0”,在一定的外界信号作用下,可以从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态,它是一个具有记忆功能的二进制信息存储器件,是构成各种时序电路的最基本逻辑单元。
1、JK触发器
在输入信号为双端的情况下,JK触发器是功能完善、使用灵活和通用性较强的一种触发器。
本实验采用74LS112双JK触发器,是下降边沿触发的边沿触发器。
引脚逻辑图如图4-2所示:
图4-2JK触发器的引脚逻辑图
JK触发器的状态方程为:
其中,J和K是数据输入端,是触发器状态更新的依据,若J、K有两个或两个以上输入端时,组成“与”的关系。
和
为两个互补输出端。
通常把
=0、
=1的状态定为触发器“0”状态;而把
=1,
=0定为“1”状态。
JK触发器常被用作缓冲存储器,移位寄存器和计数器。
2、集成计数器
计数器是数字系统中用的较多的基本逻辑器件,它的基本功能是统计时钟脉冲的个数,即实现计数操作,它也可用与分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列等。
例如,计算机中的时序发生器、分频器、指令计数器等都要使用计数器。
计数器的种类很多。
按构成计数器中的各触发器是否使用一个时钟脉冲源来分,可分为同步计数器和异步计数器;按进位体制的不同,可分为二进制计数器、十进制计数器和任意进制计数器;按计数过程中数字增减趋势的不同,可分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器;还有可预置数等等。
三、实验设备与器件
1、硬件:
计算机
2、软件:
Multisim
四、实验内容及实验步骤
1、验证JK触发器逻辑功能分析
将74LS112的
、
、J和K连接到逻辑开关,Q和Q端分别接逻辑电平显示端口,CP接单次脉冲,接通电源,按照表中的要求,改变
、
、J、K和CP的状态。
在CP从1到0跳变时,观察输出端Qn+1的状态,并将测试结果填入表。
2、采用JK触发器的模4可逆计数器的设计与分析
模4计数器要求在X输入为0时,按照自加1递增计数,当X输入为1时,按照自减1递减计数,按照同步时序逻辑电路设计方法和步骤完成电路设计,并分析电路功能。
输入
现态
次态
X
y2
y1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
五、思考题
1、请用D触发器(74LS74)实现以上模4可逆计数器功能。
2、请用JK触发器实现011序列检测器的功能,输入序列如101011100110
实验五计数、译码和显示电路
一、实验目的
1.了解用JK触发器组成的同步五进制计数器的工作原理。
2.观察译码显示电路的工作情况。
3.进一步熟悉基本元器件的选取和电路的连接方法。
4.学会直流电源、时钟脉冲源的使用方法。
5.学习Multisim中函数信号发生器、示波器、逻辑分析仪等虚拟仪器的使用方法。
6.学习Multisim中指示灯、有译码的七段显示器等显示器件的使用方法。
二、实验类型
本实验为验证型实验。
三、预习要求
1.分析图2.3.1所示同步五进制计数器的工作原理,画出其工作波形图(包括CP、Q0、Q1、Q2、的波形)
2.自拟进行实验的步骤。
3.复习数码管的工作原理(参见第一部分数字电路实物实验——实验一)。
四、实验原理
图2.3.1是用JK触发器组成的同步五进制计数器的逻辑图。
图2.3.1用JK触发器组成的同步五进制计数器
五、实验仪器
装有Multisim2001软件的计算机一台
六、实验内容与要求
1.在Multisim中按图2.3.1连接电路,仿真并观察五进制计数器的工作情况。
(1)将计数器清零,使Q0=Q1=Q2=0。
(2)将计数器的CP端接单脉冲,用发光探头显示各触发器Q端的状态,检验计数器的工作情况是否正确?
(3)在CP端加一定频率的时钟脉冲,以CP为参考量,用虚拟示波器观察Q0、Q1、Q2的波形,检验波形是否正常。
2.观察译码显示电路的工作情况。
将计数器的CP端接单脉冲输出端,计数器的Q0、Q1、Q2分别接到数码显示的1、2、3处,4悬空。
观察是否与发光探头显示的二进制数一致。
七、注意事项
JK触发器的输出端不能接+5V或地,否则导致无法仿真,在实际电路中导致器件损坏。
八、实验报告
1.分析该时序逻辑电路的功能。
2.记录实验数据,列出真值表,画出输出波形。
3.总结实验心得。
九、思考题
1.如何用D触发器组成同步N进制计数器?
2.如何用数字信号发生器或函数信号发生器产生CP脉冲信号?
实验六异步时序逻辑电路分析与设计
一、实验目的
1、进一步掌握基本触发器的逻辑功能。
2、进一步掌握集成触发器的功能和使用方法。
3、掌握异步时序逻辑电路的设计与分析的方法。
二、实验原理
触发器是能够存储1位二进制码的逻辑电路,它有两个互补输出端,其输出状态不仅与输入有关,而且还与原先的输出状态有关。
触发器有两个稳定状态,用以表示逻辑状态“1”和“0”,在一定的外界信号作用下,可以从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态,它是一个具有记忆功能的二进制信息存储器件,是构成各种时序电路的最基本逻辑单元。
1、JK触发器
在输入信号为双端的情况下,JK触发器是功能完善、使用灵活和通用性较强的一种触发器。
本实验采用74LS112双JK触发器,是下降边沿触发的边沿触发器。
引脚逻辑图如图4-2所示:
图4-2JK触发器的引脚逻辑图
JK触发器的状态方程为:
其中,J和K是数据输入端,是触发器状态更新的依据,若J、K有两个或两个以上输入端时,组成“与”的关系。
和
为两个互补输出端。
通常把
=0、
=1的状态定为触发器“0”状态;而把
=1,
=0定为“1”状态。
JK触发器常被用作缓冲存储器,移位寄存器和计数器。
2、集成计数器
计数器是数字系统中用的较多的基本逻辑器件,它的基本功能是统计时钟脉冲的个数,即实现计数操作,它也可用与分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列等。
例如,计算机中的时序发生器、分频器、指令计数器等都要使用计数器。
计数器的种类很多。
按构成计数器中的各触发器是否使用一个时钟脉冲源来分,可分为同步计数器和异步计数器;按进位体制的不同,可分为二进制计数器、十进制计数器和任意进制计数器;按计数过程中数字增减趋势的不同,可分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器;还有可预置数等等。
三、实验设备与器件
1、硬件:
计算机
2、软件:
Multisim
四、实验内容及实验步骤
1、验证JK触发器逻辑功能分析
将74LS112的
、
、J和K连接到逻辑开关,Q和Q端分别接逻辑电平显示端口,CP接单次脉冲,接通电源,按照表中的要求,改变
、
、J、K和CP的状态。
在CP从1到0跳变时,观察输出端Qn+1的状态,并将测试结果填入表。
2、采用JK触发器的模4计数器的设计与分析
模4计数器要求在X输入为0时,按照自加1递增计数,当X输入为1时,按照自减1递减计数,按照同步时序逻辑电路设计方法和步骤完成电路设计,并分析电路功能。
输入
现态
次态
X
y2
y1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
五、思考题
1、请用D触发器(74LS74)实现以上模4计数器功能。
2、请用JK触发器实现011序列检测器的功能,输入序列如101011100110
实验七脉冲边沿检测电路的分析与设计
一、实验目的
1.熟悉基本RS触发器的功能。
2.熟悉TTL集成JK触发器74LS73和集成或非门74LS02的使用方法。
3.掌握一种检测脉冲第一个边沿跳变方向的方法。
4.掌握多谐振荡器的设计方法。
二、实验类型
验证型、设计型实验
三、预习要求
以下工作在进行实验前必须完成:
1.分析图2.4.1所示电路的工作原理,将结果填人表2.4.1,待实验时验证。
表2.4.1第一个脉冲为上升沿时的情况
开关S
时钟脉冲CP
LED1LED2
闭合
/
断开
无
断开
第一个脉冲上升沿
断开
第一个脉冲下降沿
断开
第二个脉冲上升沿
断开
….
闭合
/
闭合
/
2.设计一个周期约为10ms的多谐振荡器,为本检测器提供时钟脉冲,画出电路图,选择元件和计算参数。
四、实验原理
在许多微处理器的应用中,为了容易鉴别或检测某一程序,需要了解一串脉冲第一个边沿的电平跳变方向;在同步系统中,往往也需要知道该系统是被时钟脉冲的上升沿触发,还是被下降沿触发。
本课题电路就是一个既简单又廉价的电路,它可以识别脉冲的第一个跳变沿究竟是上升沿还是下降沿,并能将结果显示出来。
该电路所能检测的TTL脉冲信号的最小宽度可达50ns,由于电路中只用了两片集成电路,在校验和调试数字电路时,可以很方便地装在一个探头里。
电路原理图如图2.4.1所示。
电路主要由两个JK触发器和由或非门组成的基本RS触发器组成。
两个从触发器受相位相反的时钟脉冲控制,而且J、K与
相连接,
为0时,J=K=0,输出保持原状态;
为1时,J=K=1,在时钟脉冲下降沿到来时,触发器的输出状态翻转。
从而控制基本RS触发器,使两只LED中有一只发光,表示时钟脉冲的方向是上升沿(或下降沿)。
具体的过程如下:
图2.4.1捕捉和显示脉冲第一个边沿方向的检测器电路原理
先按下复位开关S,使JK触发器的两个输出端
=1,或非门两个输出端皆为低电平,即A=0,B=0,两只LED截止。
松开开关S后,若没有时钟脉冲到来,则电路保持原状态。
若第一次跳变是上升沿时,IC1a不触发,A=0,LED1暗;而IC1b的输出翻转,
=0,使G2输出高电平,即B=1,LED2亮。
不管下一次输入脉冲如何转换,因IC1b的J、K均为0,输出不会翻转,
=0,LED2继续亮。
因B点为高电平,所以无论
是什么状态,A点都为低电平,LED1不亮。
若输入的第一次跳变是下降沿,则过程相反,LED1亮,LED2暗。
74LS73双JK触发器和74LS02四2输入或非门的引脚图参见附录。
五、实验仪器
装有Multisim2001软件的计算机一台
所用部分元器件清单
IC174LS73双JK触发器
IC274LS02四-2输入或非门
IC374LS00四-2输入与非门
R1、R2300Ω1/8W碳膜电阻器
R310kΩ1/8W碳膜电阻器
R4、R51kΩ1/8W碳膜电阻器
LED1、LED2红、绿发光二极管
C自定义虚拟电容
六、实验内容与要求
1.在Multisim中画出检测器电路原理图,并对其进行仿真。
2.接通复位开关S,检查触发器是否清零。
3.用74LS00四2输入与非门设计一个单脉冲产生电路,用示波器监视脉冲变化方向,验证检测器电路的效果。
4.按照所设计的10ms多谐振荡器作脉冲源,随机产生一串脉冲,输入检测器,观察LED的指示结果。
七、注意事项
设计一个周期约为10ms的多谐振荡器,为本检测器提供时钟脉冲,需先计算相关参数。
选择合适元件。
八、实验报告
1.分析该电路的逻辑功能。
2.说明设计过程,画出逻辑电路图。
3.记录实验数据,列出真值表,画出输出波形。
4.总结实验心得。
九、思考题
还有哪些方法可以实现检测脉冲第一个边沿跳变方向?