数字电路与系统设计实验报告.docx
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数字电路与系统设计实验报告
数字电路与系统设计实验报告
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实验一基本逻辑门电路实验
一、实验目的
1、掌握TTL与非门、与或非门和异或门输入与输出之间的逻辑关系。
2、熟悉TTL中、小规模集成电路的外型、管脚和使用方法。
二、实验设备
1、二输入四与非门74LS001片
2、二输入四或非门74LS021片
3、二输入四异或门74LS861片
三、实验内容
1、测试二输入四与非门74LS00一个与非门的输入和输出之间的逻辑关系。
2、测试二输入四或非门74LS02一个或非门的输入和输出之间的逻辑关系。
3、测试二输入四异或门74LS86一个异或门的输入和输出之间的逻辑关系。
四、实验方法
1、将器件的引脚７与实验台的“地（GND）”连接，将器件的引脚１４与实验台的十5Ｖ连接。
2、用实验台的电平开关输出作为被测器件的输入。
拨动开关，则改变器件的输入电平。
3、将被测器件的输出引脚与实验台上的电平指示灯（LED）连接。
指示灯亮表示输出低电平（逻辑为０），指示灯灭表示输出高电平（逻辑为1）。
五、实验过程
1、测试74LS00逻辑关系
（1）接线图（图中Ｋ1、Ｋ2接电平开关输出端，LED0是电平指示灯）
（2）真值表
输入
输出
引脚1
引脚2
引脚3
L
L
H
L
H
H
H
L
H
H
H
L
2、测试74LS02逻辑关系
（1）接线图
（2）真值表
输入
输出
引脚1
引脚2
引脚3
L
L
H
L
H
L
H
L
L
H
H
L
3、测试74LS86逻辑关系接线图
（1）接线图
（2）真值表
输入
输出
引脚1
引脚2
引脚3
L
L
L
L
H
H
H
L
H
H
H
L
六、实验结论与体会
实验是要求实践能力的。
在做实验的整个过程中，我们首先要学会独立思考，出现问题按照老师所给的步骤逐步检查，一般会检查处问题所在。
实在检查不出来，可以请老师和同学帮忙。
实验二逻辑门控制电路实验
一、实验目的
1、掌握基本逻辑门的功能及验证方法。
2、掌握逻辑门多余输入端的处理方法。
3、学习分析基本的逻辑门电路的工作原理。
二、实验设备
1、基于CPLD的数字电路实验系统。
2、计算机。
三、实验内容
1、用与非门和异或门安装给定的电路。
2、检验它的真值表，说明其功能。
四、实验方法
按电路图在QuartusII上搭建电路，编译，下载到实验板上进行验证。
五、实验过程
1、用３个三输入端与非门IC芯片74LS10安装如图所示的电路。
从实验台上的时钟脉冲输出端口选择两个不同频率（约7khz和14khz）的脉冲信号分别加到X0和X1端。
对应B和S端数字信号的所有可能组合，观察并画出输出端的波形，并由此得出S和B（及/Ｂ）的功能。
2、实验得真值表
输入
输出
A
B
C
Y
0
0
0
1
-A
0
0
1
0
A
0
1
0
1
1
0
1
1
0
0
1
0
0
0
-A
1
0
1
1
A
1
1
0
1
1
1
1
1
0
0
六、实验结论与体会
通过B、C选择功能，对输入A做相应的逻辑运算。
实验三组合逻辑电路部件实验
一、实验目的
1、掌握逻辑电路设计的基本方法。
2、掌握EDA工具MAX-PlusII的原理图输入方法。
3、掌握MAX-PlusII的逻辑电路编译、波形仿真的方法。
二、实验设备
1、基于CPLD的数字电路实验系统。
2、计算机。
三、实验内容
1、设计并实现一个4位二进制全加器。
2、3-8译码器74138的波形仿真。
3、4位二进制加法器7483的波形仿真。
四、实验方法
1、利用EDA工具MAX-PlusII的原理图输入法，输入设计的电路图；建立相应仿真波形文件，并进行波形仿真，记录波形和输入与输出的时延差；分析设计电路的正确性。
2、利用EDA工具MAX-PlusII的原理图输入法，分别输入74138、7483图元符号；建立74138、7483的仿真波形文件，并进行波形仿真，记录波形；分析74138、7483逻辑关系。
3、４位二进制加法器集成电路74LS83中，Ａ和Ｂ是两个４位二进制数的输入端，Cout，S3,S2,S1,S0是５位输出端。
Cin是进位输入端，而Cout是进位输出端。
五、实验过程
1、二进制全加器原理
一个ｎ位二进制加法运算数字电路是由一个半加器和（ｎ－1）个全加器组成。
它把两个ｎ位二进制数作为输入信号。
产生一个（ｎ＋1）位二进制数作它的和。
如图所示。
用全加器构成的ｎ位二进制加法器
图中Ａ和Ｂ是用来相加的两n位输入信号，Ｃn-1，Ｓn-1，Ｓn-2，······Ｓ2,Ｓ1,Ｓ0是它们的和。
在该电路中对Ａ0和Ｂ0相加是用一个半加器，对其它位都用全加器。
如果需要串接这些电路以增加相加的位数，那么它的第一级也必须是一个全加器。
2、半加器设计
半加器真值表
半加器原理图
半加器仿真波形
3、一位全加器设计
一位全加器可以由两个半加器和一个或门连接而成。
一位全加器原理图
一位全加器仿真波形
4、四位全加器
4位全加器可以看做四个1位全加器级联而成，首先采用基本逻辑门设计一位全加器，而后通过多个1位全加器级联实现4位全加器。
四位全加器原理图
四位全加器仿真波形
六、实验结论与体会
采用图形编程法实现了四位全加器的设计，并完成了电路的设计编译、综合、逻辑仿真。
实验四时序电路设计
一、实验目的
1、学习利用EDA工具设计简单时序电路。
2、掌握简单时序电路的分析、设计、波形仿真、器件编程及测试方法。
二、实验设备
1、基于CPLD的数字电路实验系统。
2、计算机。
三、实验内容
用D触发器DFF（或74LS74）构成的4位二进制计数器（分频器）。
四、实验方法
根据D触发器的特性设计4位二进制计数器电路，并在实验板上进行验证。
五、实验过程
1、4位二进制计数器电路
异步计数器是指输入时钟信号只作用于计数单元中的最低位触发器，各触发器之间相互串行，由低一位触发器的输出逐个向高一位触发器传递，进位信号而使得触发器逐级翻转，所以前级状态的变化是下级变化的条件，只有低位触发器翻转后才能产生进位信号使高位触发器翻转。
异步计数器的工作原理如下图，通常由于采用异步时钟，工作延时比较大。
2、建立波形文件，对所设计电路进行波形仿真。
并记录Q0、Q1、Q2、Q3的状态。
3、对所设计电路进行器件编程。
将CLK引脚连接到实验系统的单脉冲输出插孔，4位二进制计数器输出端Q0、Q1、Q2、Q3连接到LED显示灯，CLR、PRN端分别连接到实验系统两个开关的输出插孔。
4、由时钟CLK输入单脉冲，记录输入的脉冲数，同时观测Q0、Q1、Q2、Q3对应LED显示灯的变化情况。
六、实验结论与体会
通过这次的实验，我对计数器无论从功能还是原理方面都有了较为系统的了解和学习。
实验五模60循环计数器
一、实验目的
1、掌握74161的使用。
2、掌握多芯片级联方法。
3、掌握同步或异步计数器的设计。
二、实验设备
1、基于CPLD的数字电路实验系统。
2、计算机。
三、实验内容
设计一个模60的循环计数器。
四、实验方法
1、使用两片74161完成计数器设计。
2、两片74161可采用同步级联或异步级联。
3、74161真值表
五、实验过程
1、同步级联
两片74161使用相同的时钟。
第一片为模10循环计数器，当计数为9时，即1001，通过逻辑门电路判断，产生一个信号使第一片74161清零并使第二片使能端有效。
当第二片计数到5（0101）且第一片计数器计数到9（1001），通过逻辑门电路判断，产生一个信号使两片同时清零即可实现模60循环计数器。
同步级联原理图：
2、异步级联
第一片使用外接时钟信号，第二片通过第一片产生时钟信号。
第一片为模10循环计数器，当计数为9时，即1001，通过逻辑门电路判断，产生一个信号使第一片74161清零并给第二片一个时钟信号使其计数一次。
当第二片计数到5（0101）且第一片计数器计数到9（1001），通过逻辑门电路判断，产生一个信号使两片同时清零即可实现模60循环计数器。
异步级联原理图：
六、实验结论与体会
异步级联会形成延迟，对准确度要求不高可以采用，对准确度要求高不能使用异步级联方式。
实验六一位BCD加法器
一、实验目的
1、掌握BCD加法器的设计，学会BCD码修正。
2、掌握数码管的用法。
二、实验设备
1、基于CPLD的数字电路实验系统。
2、计算机。
三、实验内容
设计一个1位BCD加法器并显示计算结果的装置。
四、实验方法
1、7483是四位二进制加法器，其进位规则是逢16进1。
而8421BCD码表示的是十进制数，进位规则是逢10进1。
用7483将两个1位BCD码相加时，当和小于等于9时，结果正确；当和大于9时，需加6进行修正。
2、需再使用一片7483实现加6修正，将第一片7483输出的二进制数送入第二片7483的输入引脚A3 A2 A1 A0，第二片7483的输入引脚B3 B2 B1 B0接入0——OR1输出——OR1输出——0。
由于不需修正时，OR1输出为0，需修正时OR1输出为1，实现加6修正。
3、使用7447进行8421BCD转码成数码管输入数据。
五、实验过程
1、加法器原理图
2、仿真波形
六、实验结论与体会
在BCD加法器的设计中，要注意超出有效范围后的修正。
实验七数字系统设计综合实验——数字钟设计
一、实验目的
1、掌握计数器的设计与级联。
2、掌握分频器的设计。
3、掌握数据选择器的使用。
4、掌握数字系统的综合设计。
二、实验设备
1、基于CPLD的数字电路实验系统。
2、计算机。
三、实验内容
设计一个数字时钟，并在数码管上显示。
时钟分为时、分、秒，各两位。
可以选择输入频率，通过输入高频率来加快时钟。
四、实验方法
1、整个数字时钟设计分为3个部分。
频率选择与转换、计数器、数码管显示。
2、频率选择与转换。
设计一个分频器，实现50Hz到1Hz的转换。
使用8选1数据选择器74151完成不同频率的选择。
3、计数器
计数器采用同步级联的方式，分为6个部分，分别对应数码管的一位。
4、数码管显示
数码管一次只可以点亮一个数码管，所以需要用数据选择器依次循环选择6位，送入相应的数据。
五、实验过程
1、整体结构图
（1）74151用来选择输入频率。
（2）50_to_1_clk为一个分频器，用来将输入的频率缩小50倍，使50Hz转换为1Hz，产生标准时钟秒。
（3）60为数字时钟计数器单元（单个数码管数据循环输出）。
（4）74138用来根据60中的模6循环计数器产生的地址，与模6循环计数器同步选择数码管地址，选择60计数器输出的数码管数据对应的数码管。
（5）7447用来将产生的8421BCD码转换成数码管的输入，驱动数码管。
2、时钟频率转换原理图
3、数字时钟计数器单元，单个数码管数据循环输出原理图
（1）COUNT为数字时钟计数器单元（6位数字同时输出）。
（2）使用CHOOSE（模6循环计数器）循环选择74151D0~D5，将COUNT产生的6组数据依次循环输出。
并输出地址选择信号用来选择数码管。
（3）COUNT产生6组数据，每组4位。
每一位由一片74151进行6选1选择输出。
4、模6循环计数器，用来产生数字选择信号与数码管地址选择信号
5、数字时钟计数器单元，6位数字同时输出
（1）采用同步级联方式，异步级联产生在延迟在6个计数器上的累积是不能接受的。
（2）后一级的清零判断受前一级或多级的影响。
六、实验结论与体会
1、注意异步级联的延迟，在级联级数较多的时候会有很大的影响。
在对精确度要求高的时候也会有较大影响。
2、在设计复杂电路的时候，采用模块化分层设计结构会方便设计与理解。
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