数字电子技术仿真实验报告.docx

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数字电子技术仿真实验报告

电气工程学院

08级2班

实验一：

组合逻辑电路设计与分析

一、实验目的

1、学习掌握组合逻辑电路的特点

2、利用逻辑转换仪对组合逻辑电路进行分析与设计

二、实验原理

组合逻辑电路是一种重要的数字逻辑电路：

特点是任何时刻的输出仅仅取决于同一时刻输入信号的取值组合。

根据电路确定功能，是分析组合逻辑电路的过程。

一般的分析步骤为：

有组合逻辑电路推导出逻辑表达式，将逻辑表达式化简得到最简表达式，将最简表达式列表得到对应真值表，将真值表分析确定该电路的功能。

根据要求求解电路，是设计组合电路的过程，步骤为：

将提出的问题进行分析得到该问题的真值表，将真值表进行归纳得到逻辑表达式，逻辑表达式化简变换后得到求解的逻辑图。

逻辑转换仪是Multisim软件中常用的数字逻辑电路设计和分析的仪器，使用方便、简洁。

三、实验电路及步骤

1、利用逻辑转换仪对已知逻辑电路进行分析

如下图所示连接电路

利用逻辑转换仪得出该电路的真值表以及最简表达式如下。

表达式为：

A'B'C'D'+A'B'CD+A'BC'D+A'BCD'+AB'C'D+AB'CD'+ABC'D'+ABCD

2、根据要求利用逻辑转换仪进行逻辑电路的设计

提出问题：

设计一火灾报警系统，设有烟感、温感和紫外线三种类型不同的火灾探测器。

为了防止误报警，只有当其中有两种或两种以上的探测器发出火灾探测信号时，报警系统才产生报警控制信号。

利用逻辑转换仪，打开逻辑转换仪面板，修改真值表。

令高电平表示有火灾报警，低电平表示正常无火灾报警。

再令ABC分表表示烟感、温感和紫外线三种探测器的探测输出信号，为报警控制电路的输入，F为报警控制电路的输出。

设置真值表并由真值表得出表达式如下图：

3、运用逻辑转换仪由真值表得到对应的最简表达式如下：

4、运用逻辑转换仪由真值表得出对应逻辑电路图如图：

四、思考题：

（1）设计一个4人表决电路。

即如果3人活着3人以上同意，则通过；反则，则被否决。

用与非门实现。

运用逻辑转换仪得到真值表以及由真值表转换逻辑表达式如下：

运用逻辑转换仪得到最简逻辑表达式如：

运用逻辑转换仪转换得逻辑图如图所示：

（2）利用逻辑转换仪将逻辑电路进行分析。

逻辑电路以及逻辑转换仪连接如图：

运用逻辑转换仪得逻辑表达式如下：

运用逻辑转换仪得最简逻辑表达式如下：

实验二编码器、译码器电路仿真实验

一、实验目的

1、掌握编码器、译码器的工作原理。

2、常见编码器、译码器的应用。

二、实验原理

数字信号不仅可以用来表示数，还可以用来表示各种指令和信息。

所谓编码是指在选定的一系列二进制数码中，赋予每个二进制数码以某一固定含义。

例如，用二进制数码表示十六进制数叫做二-十六机制编码。

能完成编码功能的电路统称为编码器。

74LS48D是常用的八-三优先译码器。

在八个输入线上可以同时出现几个有效输入信号，但只对其中优先权最高的一个有效输入信号进行编码。

期中7端优先权最高，0端优先权最低，其他端的优先权按照脚号的递减顺去排列。

~E1为选通输入端，低电平有效，只有~EI=0时，编码器正常工作，而在~EI=1时，所有的输出端均被封锁。

E0为选通输出端，GS为优先标志端。

该编码器输入、输出均为低电平有效。

译码是编码的逆过程，将输入的每个二进制代码赋予的含义“翻译”过来，给出相应的输出信号。

能够完成译码功能的电路叫做译码器。

74LS138D属于三-八线译码器，该译码器输入高电平有效，输出低电平有效。

三、实验步骤

1、8-3线优先编码器：

如下图所示连接电路：

切换9个单刀双掷开关进行仿真实验，将结果记录入下表中，输入端“1”表示高电平，“0”表示低电平，“X”表示高低电平都可以。

输出端中的“1”表示探测器亮，“0”表示探测器灭。

该编码器输入、输出均为低电平有效。

2、3-8线译码器实验步骤

如下图所示连接电路

切换3个单刀双掷开关进行仿真实验，实验结果记录如下表中。

输入端中的“1”表示接高电平，“0”表示接地电平。

输出端中的“1”表示探测器亮，“0”表示探测器灭。

该译码器输入高电平有效，输出低电平有效。

四、思考题：

（1）利用两块8-3线优先编码器74LS148D设计16-4线优先编码电路，然后仿真实验验证16-4线优先编码的逻辑功能。

实验线路如图：

真值表如图所示：

（2）利用两块3-8线译码器74LS138D设计4-16线译码器，然后仿真验证4-16线姨妈逻辑功能。

线路图如图所示：

真值表如图所示：

实验三竞争冒险电路仿真

一、实验目的

1、掌握组合逻辑电路产生竞争冒险的原因

2、学会竞争冒险是否可能存在的判断方法

3、了解常用消除竞争冒险的方法

二、实验原理

在组合逻辑电路中，由于门电路存在传输延时时间和信号状态变化的速度不一直等原因，使信号的变化出现快慢的差异，这种现象叫做竞争。

竞争的结果是使输出端可能出现错误的信号，这种现象叫做冒险。

所以有竞争不一定有冒险，有冒险一定有竞争。

利用卡诺图可以判断组合逻辑电路是否可能存在竞争冒险现象，具体做法如下：

根据逻辑函数的表达式，做出卡诺图，若卡诺图中填1的格所形成的卡诺图有两个相邻的圈相切，则该电路存在竞争冒险的可能性。

既然电路存在竞争就有可能产生冒险造成输出的错误动作，因此，必须杜绝竞争冒险现象的产生，常用的消除竞争冒险的方法有以下4种：

加取样脉冲，消除竞争冒险，修改逻辑设计，增加冗余项；在输出端接滤波电容；加封锁脉冲等。

三、实验步骤

（1）0型冒险电路仿真实验步骤

如下图所示连接电路：

该电路的逻辑功能为

，也就是说从逻辑功能上看不管信号如何变化，输出应该恒为1。

但是由于74LS05D非门电路的延时，引起输出端在一小段时间内出现了不应该出现的低电平（负窄脉冲），这种现象成为0型冒险。

得到仿真结果如下：

（2）1型冒险电路仿真实验步骤

如下图连接电路：

该电路的逻辑功能为

，

，也就是说从逻辑功能上看不管信号如何变化，输出应该恒为0。

但由于74LS04D非门电路的延时，引起输出端在一小段时间里出现了不应该出现的高电平（正窄脉冲），这种现象成为1型冒险。

将电路进行仿真，仿真结果如下图：

（3）多输入信号同时变化是产生的冒险电路仿真实验步骤

多输入信号同时变化使得冒险电路如图所示，如下图所示连接线路：

该电路的逻辑功能为

，已知

，所以

，但是由于多输入信号的变化不同时引起该电路出现冒险的现象。

实验仿真结果如图所示：

利用卡诺图判断该电路存在竞争冒险的可能性，为了消除竞争冒险现象，采用修改逻辑，增加冗余项BC，使原逻辑表达式

，变成

，修改后的电路如图所示：

实验仿真后结果如图：

四、思考题：

如图所示电路是否存在冒险现象，若存在如何消除？

实验仿真后结果如图：

利用卡诺图分析修改逻辑设计后电路如图：

实验仿真后结果如图：

即消除竞争冒险。

实验四触发器电路仿真实验

一、实验目的

1、掌握边沿触发器的逻辑功能

2、逻辑不同边沿触发器逻辑功能之间互相切换

二、实验原理

触发器是构成时序电路的基本逻辑单元，具有记忆、存储二进制信息的功能。

从逻辑功能上将触发器分为RS、D、JK、T、T’等几种类型，对于逻辑功能的描述有真值表、波形图、特征方程等几种方法。

功能不同的触发器之间可以互相转换。

边沿触发器是指只在CP上升沿或下降沿到来时接受此刻的输入信号，进行状态装换，而其他时刻输入信号状态的变化对其没有影响。

集成触发器通常具有异步置位、复位功能。

74LS74D是在一片芯片上包含两个完全独立边沿D触发器的集成电路，对他的分析可分为三种情况：

（1）无论CP、D为何值，只要~1CLR=0，~1PR=1，触发器置零0；只要~1CLR=1，~1PR=0，触发器置1。

（“~”表示非）

（2）当~1CLR=~1PR=0时为不允许状态。

（3）当~1CLR=~1PR=1且CP处于上升沿时，

。

74LS112D是在一片芯片上饱和两个完全独立边沿JK触发器的集成电路，，对它的分析可分为以下的三种情况

（1）无论CP、J、K为何值，只要~1CLR=0，~1PR=1，触发器置零0；只要~1CLR=1，~1PR=0，触发器置1。

（“~”表示非）

（2）当~1CLR=~1PR=0时为不允许状态。

（3）当~1CLR=~1PR=1且CP处于上升沿时，

。

三、实验步骤

1、D触发器仿真电路实验步骤

如下图连接电路

该电路利用单刀双掷开关J1、J2、J3、J4切换输入管脚的信号电平状态，利用探测器X1观察输出管教的信号电平状态。

用示波器查看输出管脚的信号波形。

进行仿真电路实验，利用开关来改变~IPR、1D、~1CP、CP的状况，里用示波器观察输出端1Q的变化，将结果填入下表中并验证结果。

输入端的“1”表示接高电平“0”表示接低电平，“X”表示接高低电平都可以。

输出端“1”表示探测器亮，“0”表示探测器灭。

2、JK触发器仿真电路实验步骤

实现线路如图所示：

利用单刀双掷开关J1、J2、J3、J4、J5切换输入信号的信号电平状态，利用探测器X1观察输出管教的信号电平状态。

用示波器查看处处管教的信号波形。

进行仿真电路实验利用开关来改变~1PR、1J、1K、~1CP、CP的状态，利用示波器观察输出端1Q的变化，将结果填入表中并验证结果。

输入端中的“1”，表示接高电平，“0”表示低电平，“X”表示接高低电平都可以。

输出端的“1”表示探测器亮“0”表示探测器灭。

四、思考题：

由于D触发器使用方便，JK触发器功能最完善，怎样将JK触发器和D触发器分别转换为T触发器。

1、JK触发器转换成为T触发器

JK触发器转换为T触发器电路图如图所示

2、D触发器实现T触发器

D触发器实现T触发器电路图如图所示：

实验五计数器电路仿真实验

一、实验目的

1、了解条暑期的日常应用和分类

2、熟悉集成技术其逻辑功能和其个控制端作用

3、掌握技术其使用方法

二、实验原理

统计输入脉冲个数的过程技术。

能够完成计数工作的电路称作计数器。

计数器的基本功能是统计时钟脉冲的个数，即实现技术操作，也可用于分频、定时、产生节拍脉冲等。

计数器的种类很多，根据计数脉冲引入方式的不同，将技术其分为同步计数器和异步计数器；根据计数过程中技术变化趋势，将计数器分为加法计数器、减法计数器、可逆计数器；根据计数器中技术长度的不同，可以将计数器分为二进制计数器和非二进制计数器。

二进制计数器是构成其他各种计数器的基础。

按照计数器中计数值的编码方式，用n表示二进制代码，N表示状态位，满足N=2的计数器称作二进制计数器。

74LS161D是常见的二进制加法同步计数器，其功能如下图。

（~表示“非”）

74LS191D功能表（~表示“非”）

若计数器的计数长度（模）为10，则该计数器称为十进制计数器。

74LS62是常见的十进制加法同步计数器。

其引脚功能于74LS161D二进制加法同步计数器类似。

74LS192D是常见双时钟同步十进制加/减法计数器。

三、实验步骤

1、74LS161D构成的二进制加法同步计数器仿真实验步骤

如下图所示连接电路

该电路采用总线方式进行连接。

利用J1、J2、J3、J4四个单刀双掷开关可以切换74LS161D第7、10、9、1脚输入的高低电平转台。

74LS161D第3、4、5、6脚（4位二进制数输入端）同时接高电平。

74LS161D第15脚（进位输出端）接探测器X1。

V1为时钟信号。

利用逻辑分析仪观察四位二进制输出端（第11、12、13、14脚）进位输出端（第15脚）和时钟信号端（第二脚）的波形。

利用数码管U2显示计数器的计数情况

利用J1、J2、J3、J4四个单刀双掷开关的切换74LS161D第1、7、9、10脚输入的高低电平状态，同时观察数码管U2的输出信号，验证表1给定的74LS161D功能是否与实验结果相吻合。

观察探测器X1，发现当该计数器满（计到数码管U2显示“F”）时，探测器X1两，表明进位输出端有进位输出且高电平有效。

逻辑分析仪观察的记过如图7所示，验证其结果是否与表1给定的74LS161D功能相吻合。

改变时钟信号V1的幅度和频率，观察数码管和逻辑分析仪显示结果有何变化。

逻辑分析仪结果如下

2、74LS191D构成的二进制加、减同步计数器实验步骤。

如下图所示连接电路：

该电路功能：

利用J1、J2、J3、三个单刀双掷开关可以切换74LS191D第5、11、4脚输入的高低电平状态。

74LS191D第1、9、10、15脚（4位二进制数输入端）同时接高电平。

74LS161D时钟信号。

最小变换时的标志信号（第12脚）和时钟信号端（第14脚）的波形。

利用数码管U2显示计数器的技术情况。

利用J1、J2、J3三个单刀双掷开关切换74LS191D第4、5、11脚输入的高低电平状态，同时观察数码管U2的输出信号，验证表2给定的74LS191D功能是否与实验结果相吻合。

观察探测器X1，发现当该计数器满（计到数码管U2显示“F”）时，探测器X1亮，表明进位输出端有进位输出且低电平有效。

当该计数器从“F”计到“0”时，探测器X2亮，表明计数器发生最大与最小的变换且高电平有效。

逻辑分析仪观察的结果如图8所示，验证其结果是否与表2给定的74LS191D功能先吻合。

改变时钟信号V1的幅度和频率，观察是吗管和逻辑分析仪显示结果有何变化。

逻辑分析仪结果如下

四、思考题

（1）模仿图574LS161D构成的二进制加法同步计数器，设计由74LS162D构成的十进制加法同步计数器，并验证实际结果是否与理论值相吻合。

设计的电路图如下图所示。

仿真结果如下

实际结果与理论值吻合。

（2）模仿图74LS191D构成的二进制加/减法同步计数器，设计由74LS192D构成的十进制加/减同步计数器，并且验证实际结果是否与理论值相吻合。

仿真结果如下

实际结果与理论值吻合。

实验六任意N进制计数器电路仿真实验

一、实验目的

1、学会分析任意N进制计数器。

2、灵活应用钩沉任意N进制计数器的三种方法。

二、实验原理

集成计数器产品种类虽然很多，但绝大多数产品都是现成的二进制、十进制计数器，其他进制的产品数量很少。

为了构成任意N进制的计数器，进场将现成的二进制、十进制集成计数器按一下三种方法进行处理。

（1）简单连接法：

将两个计数器首位相连（前级最高位连接下级时钟端；前级进位端连接下级使能端或时钟端），构成一个新的计数器，该计数器的模为两个计数器模的乘积。

例如图1所示两个模10计数器（74LS162D）采用前级进位输出端连接下级使能端，可以构成一个模100的计数器，具体见电路的说明。

（2）清零复位法：

该方法适用于利用已知的N进制计数器构成M（N>M）进制的计数器。

构成的思路如下：

设N进制的厨师状态位S0，开始技术后，经过M各脉冲，计数状态到达SM，通过辅助门电路将SM状态译码，产生一个清零信号价值计数器的清零端，使计数器返回到S0状态，这样就跳跃了（N-M）个状态，从而构成M进制计数器。

利用这种方法可以构成任意进制（小于N）的计数器。

例如图2所示利用现有的二进制加法同步计数器74LS161D和两个输入端的与非门74LS00D构成八进制（模8）计数器，具体见该电路的说明。

（3）利用置入控制端的置位法：

该方法与清零端复位法不同，他是利用中规模期间的置入控制端，以置入某一固定二进制数值的方法，从而使N进制计数器跳跃（N-M）个状态，实现模值为M的计数器。

例如图3所示利用现有的二进制加法同步计数器74LS161D和一个三个输入端的与非门74LS12D构成8进制（模8）计数器，具体见该电路的说明。

三、实验步骤

1、简单连接法构成模为100的计数器实验步骤。

如图所示连接电路

该电路功能如下：

该电路采用总线方法进行连接。

U2、U4为带译码的数码管，XLA1为逻辑分析仪，从现实出来与各条总线连接的单线名称可以看书各个元器件之间的连接关系。

计数脉冲同时加到U1、U3计数器上，地位计数器U1的进制（RCO）信号控制高位计数器U3的技术控制信号（ENT），只有当地位计数器U1记满（进制信号输出）时，高位计数器U3才能进行技术。

X1（探测器）探测在什么条件下输出进位信号。

观察探测器x1，发现U1计数器记满（计到数码管U2显示“F”）时，探测器X1亮，表明进位输出端有进位输出且高电平有效，在输出进位信号的同时，u2计数器的ENT=1有效，进行加1技术。

也就是说当探测器x1一亮则u2计数器进行加1计数。

通过观察实验结果和分析实验电路深入领悟简单连接法的工作原理。

2、清零端复位法构成的八进制计数器实验步骤。

如图所示连接电路：

该电路功能为：

当计数到“8”时74LS161D的QD端输出高电平，74LS05非门输出低电平，令74LS161D的清零端（~CLR）等于零，74LS161D被强制复制，数码管现实从“7”返回“0”又开始重新计数，从而构成了八进制计数器。

当计数器计到“7”状态时，CLK再来一次上升沿本应该技术到“8”状态，就在此

刻QD=1，令非门U3A输出低电平送给~CLK，使计数器从“8”强行返回到“0”状态，这样就跳跃了“8”置“F”共8个状态，从而构成八进制计数器。

通过观察实验结果和分析实验电路深入领悟清零端复位法的工作原理。

3、置入控制端的职位法构成的八进制计数器实现步骤。

如图所示连接电路。

当计数器技术到“7”状态时，QA=QB=QC=1，令与非门U3A输出低电平送给~LOAD，

使计数器QA、QB、QC、QD输出状态与输入A、B、C、D状态相同（输入A、B、C、D都接地，表明状态为“0”），这样就跳跃了“8”至“F”共8个状态，从而构成八进制计数器。

通过观察实验结果和分析实验电路深入领悟置入控制端的置位法的工作原理，以及与清零端复位法有何区别。

四、思考题

1、如何利用简单连接法将两个二进制加法计数器74LS161D构成一个模256的计数器。

设计电路图如下：

2、如何利用最高位与下级时钟相连将两个二进制加法计数器74LS161D构成一个模100的计数器。

设计的电路图如下：

3、如何利用清零端复位法将二进制加法计数器74LS161D和一些辅助们电路构成一个模为5的计数器。

设计的电路图如下：

4、如何利用置入控制端的置位法将二进制加法计数器74LS161D和一些辅助门电路构成一个模为6的计数器。

设计的电路图如下：

实验七数字抢答器设计

一．设计任务与要求

1.抢答器同时提供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0~S7表示。

2.设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。

3.抢答器具有锁存与现实功能。

即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。

选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

4.抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。

当主持人启动“开始”按键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间0.5秒左右。

5.参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示算手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。

6.如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00.

二．预习要求

1.复习编码器、十进制加、减计数器的工作原理。

2.设计可预置时间的定时电路。

3.分析与设计时序控制电路。

4.画出寝室抢答器的整机逻辑电路图。

三、设计原理与参考电路

1.数字抢答器总体方框图

如图1所示为总体方框图。

其工作原理为：

接通电源后，主持人将开关拨到“清除”状态,抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置于开始状态，宣布“开始”抢答器工作。

定时器倒计时，扬声器给出声响提示。

选手在定时时间内抢答，抢答器完成：

优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。

当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。

如果再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始”状态开关。

图表1数字抢答器框图

2.单元电路设计

（1）抢答器电路

参考电路如图2所示。

该电路完成两个功能：

意识分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。

工作过程：

开关S置于“清除”端时，RS触发器的输入端均为0，4个触发器输出置0，使74LS148的EI=0，使之处于工作状态。

当开关S置于“开始”时，抢答器处于登台工作状态，当有选手将键按下时（如按下S574LS148的输出经RS锁存后，1Q=1，74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=101,

经译码器显示为“5”。

此外，1Q=1，处于禁止状态，锁存其他按键的输入。

当按键松开即按下时，74LS148的此时由于仍为1Q=1，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。

如果再次抢答需由主持人将S开关重新置“清除”，然后再进行下一轮抢答。

74LS148为8线—3线优先编码器，表1为其功能表。

图表2数字抢答器电路

表格174LS148的功能真值表

输入

输出

（2）定时电路

由节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，计数器的始终脉冲由秒脉冲电路提供。

课预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计，具体电路如图3所示。

（3）报警电路

由555定时器和三极管构成的报警电路如图4所示。

其中555构成多谐振荡器，震荡频率

，其输出信号经三极管推动扬声器。

PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。

（4）时序控制电路

时序控制电路时抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：

主持人将控制开关拨到“开始”为止时，扬声器发声，强大电路和定时电路进入正常抢答工作状态。

当参赛先手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。

当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声

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