数字逻辑实验报告.docx

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数字逻辑实验报告

综合性实验设计报告

课程名称数字逻辑实验

题目名称复印机逻辑控制电路设计

班级xxxxxxxxxxx

学号xxxxxxxxxxxx

学生姓名xxx

同组班xxxxxxxxxxx

同组学号xxxxxxxxxxxxxxx

同组姓名xxxxxx

指导教师武俊鹏、孟昭林、刘书勇、赵国冬

2012年06月

摘要

复印机的应用越来越普遍，它可为人们的生活、工作提供方便。

基于这一要求，本组由复印机的工作原理，在提供数字逻辑试验箱、直流稳压电源、各种集成芯片的前提下，设计出了简易复印机，并模拟了复印机使用过程中所需的各种操作。

基本功能：

由实验箱的开关模拟键盘（0~9）输入复印的数字，输入的数字经BCD编码器后可显示；输入的数字可由寄存器存储，并能最终显示，可输入的最大数为999；复印一次（翻转型触发器74LS112的状态改变一次），减计算器减数一次，数字显示减一次，直到“0”停机；按运行键“RUN”后，减计数器能自动进行循环控制。

输入时可任意控制优先存储的位，即百位、十位、个位的存储顺序可控。

输错数后，在数字不全部清除的情况下可修改。

在复印机未复印完前（数字显示未到“0”），可通过开关使复印机停止工作。

关键词：

BCD编码器；寄存器；减计数器；74LS112

目录

1需求分析-1-

1.1基本功能需求分析-1-

1.2扩展功能需求分析-2-

1.3系统设计概述-2-

2系统设计-3-

2.1系统逻辑结构设计-3-

2.1.1复印机控制电路框图....................................................................-3-

2.1.2键盘编码电路...................................................................................-4-

2.1.3数据锁存电路....................................................................................-7-

2.1.4减计数控制电路.................................................................................-10-

2.2系统物理结构设计..................................................................................-12-

3系统实现-15-

3.1系统实现过程-15-

3.2系统测试-16-

3.3系统最终电路图-17-

3.4系统团队介绍-19-

4总结-20-

附录...........................................................................................................................-22-

参考文献-23-

1需求分析

1.1基本功能需求分析

设计任务和基本要求：

设计复印机逻辑控制电路，具体要求如下。

（1）从键盘（0-9）可输入复印的数字，并能显示。

（2）数字显示为3位，最大数为999。

（3）复印一次，数字显示减一次，直到“0”停机。

（4）按运行键“RUN”后，机器能自动运行循环控制。

需求分析：

（1）复印机键盘模拟：

复印机的键盘上可输入十进制数（0~9），而数字逻辑试验箱只能识别二进制数，也就是说，可复印的数字必须先转换成相应的二进制数才能使用。

因此本组利用优先权编码器74LS148来使输入的数字信号编成相应的若干位二进制代码形式。

（2）复印模拟：

每复印一次，所需复印的数就减1，此处可用减计数器，每来一个脉冲（复印了一次），减计数器就减1，复印完毕复印机停止复印，在复印过程中由于种种原因，有时我们不得不停止复印，对于这种情况本组利用一个开关来控制复印机，开关关闭时不管复印是否完成，复印机都停止复印。

1.2扩展功能需求分析

忙碌的生活要求人们高效率的工作，不要浪费时间，尽可能的充分利用时间。

当复印大量文件时，我们不可能一直在复印机前等，等复印机把所有的文件复印完，复印大量文件需要耗费大量时间，况且久待在复印机前对人们的健康不利。

偏偏我们又急需所复印的文件，这怎么办呢？

针对此我们考虑到将复印机与蜂鸣器连接起来，当文件都复印完（数字显示部分为000），就会给蜂鸣器一个信号，蜂鸣器响，提醒人们文件复印完毕，这样人们只要开启复印机，不需在复印机前浪费时间，就可在复印结束后第一时间来领取所需文件，为人们节省了大量时间。

1.3系统设计概述

本组所设计的复印机逻辑控制电路，具备功能：

（1）可输入十进制数（0~9），每输入一位数就显示一位，输入数据后，通过移位寄存器将数据依次存储在存储器中。

（2）数字显示为3位，最大数为999。

（3）每复印一次，数字显示减一次，直到“0”停机。

在复印未完成之前，可利用开关来使复印机停止工作。

（4）按运行键“RUN”后，机器能自动运行循环控制。

（5）存储器，减计数器都具备一键清零功能。

（6）复印机连接到蜂鸣器，当其复印结束后，蜂鸣器会发出信号，提醒人们复印结束。

2系统设计

2.1系统逻辑结构设计

2.1.1复印机逻辑控制电路框图

图2.1.1复印机控制电路框图

2.1.2键盘编码电路

复印机键盘可输入的数为十进制数，若想用数字逻辑试验箱模拟复印机的各种功能，就必须先将十进制数转换为二进制数。

可利用74LS1488线-3线优先权编码器使输入的数字信号编成相应的若干位二进制代码形式。

74LS148只能将0~7编成相应的二进制代码形式，而复印机键盘可输入的数为0~9，要实现0~9的转换，还要将74LS148扩展为16线-4线优先权编码器。

74LS1488线-3线优先权编码器引脚图如图2.1.2所示。

0~7为输入信号（输入反码），A2、A1、A0三位二进制编码输出信号（输出反码），EI'是使能输入端，EO'是使能输出端，GS'为选通输出端。

图2.1.274LS1488线-3线优先权编码器

表2.1.174LS148真值表

输入

输出

EI

I0

I1

I2

I3

I4

I5

I6

I7

A2

A1

A0

GS

EO

1

x

x

x

x

x

x

x

x

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

x

x

x

x

x

x

x

0

0

0

0

0

1

0

x

x

x

x

x

x

0

1

0

0

1

1

0

0

x

x

x

x

x

0

1

1

0

1

0

1

0

0

x

x

x

x

0

1

1

1

0

1

1

1

0

0

x

x

x

0

1

1

1

1

1

0

0

1

0

0

x

x

0

1

1

1

1

1

1

0

1

1

0

0

x

0

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

表2.1.1所示的输入、输出信号均是用反码表示的。

分析此74LS148真值表知：

当使能输入EI’=1，禁止编码，输出A2、A1、A0为全1（如表中第一行，所示）。

当是能输入EI’=0，允许编码，在I0~I7输入中，输入I7优先级最高，其余依次为I6、I5、I4、I3、I2、I1、I0，I0优先级最低。

Eo’为使能输出端，它只在允许编码（EI’=0），而本片又没有编码输入时为0，入表中第二行所示。

GS’为选通输出端，它在允许编码（EI’=0），且只有编码输入信号时为0，如表中第三~第十行；若允许编码而无编码输入信号时为1，如表中第二行；再不允许编码（EI’=1）时，它也为1，如表中第一行。

OE=I0·I1·I2·I3·I4·I5·I6·I7·IE

A2=（I4+I5+I6+I7）IE

A1=（I2·I4·I5+I3·I4·I5+I6+I7）·IE

A0=（I1·I2·I4·I6+I3·I4·I6+I5·I6+I7）·IE

如图2.1.3所示为用两片74LS148优先权编码器扩展为16线-4线优先权编码器的连线图。

它的输入信号有16个：

I15~I0，输出信号是四位二进制数：

A3A2A1A0，他们均为反码。

图2.1.3两片74LS148扩展为16线-4线优先权编码器

若高位片（U2）的使能输入IE’=0，则整个编码器允许编码，否则就不允许编码。

若高位片（U2）的输入信号I15’~I8’中，有输入信号，则输出信号A3’=GS2’=0；其它三位输出A2’A1’A0’，则由高位片（U2）的I7’~I0’端输出信号I15’~I8’决定；当I15’~I8’中无输入信号，则输出信号A3’=GS2’=1，高位片（U2）的使能输出端OE2’为0，使低位片（U1）的使能输入IE’=0，允许低位片编码，此时第三位输出A2’A1’A0’就有输入信号I7’~I0’决定。

若I7’~I0’也无输入，则整个编码器输出A3’A2’A1’A0’全为1，表示没有进行编码。

由此，可确定四位输出的最高位A3由高位片（U2）的GS2’提供，A2由两个芯片的A2’经与门提供，同理，A1A0也是分别由两芯片的A1’A0’经与门后得到，但应该注意的是得到的这四位数为它们的反码，所以还要经反相器得其相应的值。

2.1.3数据锁存电路

为使按键的数据能马上锁存起来，用D触发器来寄存所按键的二进制码，用74LS164实现这一功能。

数据寄存要考虑时序关系，即只有在数据D稳定后，才能存入寄存器，所以在键按下后，需经过一段延时，才能把数据存入寄存器中。

在扩展的16线-4线优先权编码器中使两片74LS148的GS’经由与非门，反向器，2KΩ的电阻和0.01微法的电容组成的单稳电路使数据进入74LS164八位并行输出串行移位寄存器（异步清除）中。

74LS164八位并行输出串行移位寄存器（异步清除）引脚图如图2.1.4所示。

图2.1.474LS164八位并行输出串行移位寄存器（异步清除）

表2.1.274LS148功能表

INPUTS

OUTPUTS

CLEAR

CLOCK

A

B

QA

QB

...

QH

L

X

X

X

L

L

...

L

H

L

X

X

QA0

QB0

...

QH0

H

↑

H

H

H

QAn

...

QGn

H

↑

L

X

L

QAn

...

QGn

H

↑

X

L

L

QAn

...

QGn

由74LS164的引脚图及功能表可知，74LS164为上升沿触发，若想让74LS164发挥其功效，应使A和B接高电平。

数据锁存部分由74LS164移位寄存器的输出QA.QB.QC控制。

由于74LS164的串行输入端均接高电平，所以按键输出的脉冲经单稳延时20ms后再输入74LS164的CP端，就使QA为“1”，QA从0→1的跳变（上升沿）就把数据存入最高位74LS175-3中。

74LS174四D触发器引脚图如图2.1.5所示。

同理，若再按键输入数字，将存入74LS175-2和74LS175-1中。

图2.1.574LS175四D触发器

表2.1.374LS175功能表

清0RD

CP（脉冲）

D（输入）

F（输出）

0

X

X

清0（Q=0）

1

↑

1

Q=1

1

↑

0

Q=0

1

0

X

保持（Q=Qn）

为使三个四Ｄ触发器的清０端均可使用，应使其都接至74LS164的清0输出，但值得注意的是74LS175的清0端是输入1有效，而74LS164的清0端输出的有效值为0，所以在其间应再接一个反向器。

74LS164的三个输出QAQBQC应依次接至最高位，次高位，最低位四D触发器中，因为存储时最先存储的是百位，即最高位，这样QA先输出，存储百位的四D触发器最先得到脉冲，最先存储数据。

然后依次是QBQC输出，其相应的触发器的到脉冲，存储数据。

2.1.4减计数控制电路

复印机在复印的过程中所需复印的数量在自动减少，74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，可用其来实现复印机的减计数功能。

74LS192十进制加减计数器的引脚图如图2.1.6所示。

图2.1.674LS192十进制加减计数器

             输入

    输出

MR

P3

P2

P1

P0

Q3

Q2

Q1

Q0

 1

 ×

 ×

 ×

×

×

×

×

0

0

0

0

 0

 0

 ×

 ×

d

c

b

a

d

c

b

a

 0

 1

 1

×

×

×

×

   加计数

 0

 1

 1

×

×

×

×

   减计数

表2.1.474LS192功能表

当键盘输入三位数字后，数字直接通过74LS192进行显示，此时74LS192的置数端为1（送数）。

当按动复印运行键“RUN”后，就把74LS112置１。

这是启动复印机开始复印（复印指示灯亮），并使74LS192做计数准备，当复印次数脉冲到来时，74LS192就减１，直到数字减为全０。

74LS112双JK触发器引脚图如图2.1.7所示。

74LS112双JK触发器为下降沿触发，当按动复印运行键“RUN”后，就把74LS112置１。

74LS112的输出Q作为最低位74LS192的脉冲输入，而次高位和最高位的脉冲输入分别由（Ⅰ），（Ⅱ）的借位端输出提供，也就是说，当最低位借位有效时，次高位有脉冲，次高位的74LS192开始减数，次高位的借位有效时，最高位有脉冲。

而最高位的74LS192的借位有效时，就会有个信号与PFSET键共经与门反馈给74LS112的清0端。

74LS112的清0端为0输入有效，当PFSET被按下或座高位的74LS192借位端有效时，复印指示灯灭，复印机停止复印。

图2.1.774LS112双JK触发器

2.2系统物理结构设计

根据前面的设计，复印机逻辑控制电路所需芯片及数量如下所示：

74LS1753片74LS1923片

74LS1482片74LS002片

74LS1121片74LS1641片

74LS041片74LS081片

74LS081片

电阻，电容，按钮，开关若干

部分芯片的引脚图及真值表在2.1小节中已介绍，其余芯片的引脚图及真值表如附录所示。

最初设计的复印机逻辑控制电路的电路图如图2.2.1和图2.2.2所示。

图2.2.1复印机逻辑控制电路电路图1（初稿）

图2.2.2复印机逻辑控制电路电路图2（初稿）

3系统实现

3.1系统实现过程

复印机逻辑控制电路的逻辑结构和物理结构均已设计完成，实验器材和芯片也已准备就绪，接下来就该连接电路并且实现功能了。

由于该电路所需芯片多，需要很多的导线来连接各芯片的引脚，引脚、导线的繁多使得电路的连接困难重重，大多都属于个人原因，稍有不慎就会将引脚接错。

刚开始连接电路时由于没有较好的连接及检测电路的方案，就直接照着电路图全部连完，第一次综合实验课的大部分时间都用来连接电路，结果连完后复印机无法工作，又不知道是哪一步出了差错，不得不将连线图完全拆除。

有了第一次实验的失败经历，在第二次试验中我们改变连接方式，不是一股脑的将电路图完全连接，而是分部、有序的连接，根据设计将连接分为三部分：

键盘编码，数据锁存，减计数控制。

每部分连接完都进行测试，所以在实际电路中可以看到有三处数码显示，第一个用来检测是否将键盘每次输入数据进行编码，第二部分用来检测数据是否锁存在存储器中，第三部分用来检测数据是否进行减计数。

这样一来，就不需在每次都重新连接电路了。

下面我就说说系统实现过程中所出现的一些问题。

由于在资料查找过程中对74LS148引脚图的查找错误，又没有很快的发现，前两次实验中一直按着错误的引脚图连接电路，导致键盘编码部分实现不了，后来发现了这一失误，及时的修正了它，使得键盘编码部分得以实现。

对数据锁存部分的电路进行连接后，数码检测一直显示异常，在重新查看了电路连接后，仍不能正常工作，但是将74LS175本该由74LS164提供的脉冲改为手动脉冲，数据锁存部分可以正常工作了，由此，由手动脉冲来替换单稳电路和移位寄存器为74LS175提供脉冲。

虽然手动脉冲相对移位寄存器麻烦一点，但它可以克服在使用移位寄存器时每当输入错误数据就得清零且重新输入的问题。

在对减计数部分电路进行连接时，由于将74LS192的置数、借位、进位引脚该接高电平的接成了低电平，该独立接至下一减计数器的未独立接入，使得实现起来不太容易。

对74LS112芯片虽然所需的引脚虽然不多，但是由于数字逻辑试验箱内部接触不良、导线老化、繁多的导线缠绕使磁场增强、环境中的静电等原因使得想让74LS112芯片单纯的充当翻转型触发器也不容易。

对此，通过检测更换部分不工作的导线，整理连接的导线，使其尽可能减少磁场。

最终实现了对74LS112所需要的功能。

3.2系统测试

3.2.1测试方案

将键盘编码、数据锁存、减计数控制这三部分的输出分别与数码显示相连接，输入数据后，使各开关相互配合，通过看这三部分相对应的数码管显示来确定该部分是否正常工作。

3.2.2测试数据

输入0~9后，给予对应的手动脉冲，按清零开关，再次输入任意三位数，如567，分别给相应的存储器手动脉冲，使74LS192的置数开关置“0”，稍后置“1”。

PFSET开关置“1”，三个74LS192芯片的加计数开关置“1”。

3.3.3测试结果分析

输入0~9后，数据编码对应的数码显示管上显示相应的数据；给予对应的手动脉冲后，数据存储在寄存器中，数据锁存对应的数码显示管中有所显示（与输入数据相同），按清零开关，数据锁存对应的数码显示管显示000；使74LS192的置数开关置“0”，PFSET开关置“1”，与减计数控制相对应的数码显示管显示567，74LS192的置数开关置“1”，与减计数控制相对应的数码显示管显示的数开始减计数，PFSET开关置“0”，减计数停止。

测试结果与预计结果相同。

3.3系统最终电路图

在系统实现的过程中，考虑到功能、时序等问题，最终的复印机逻辑控制电路的电路图如图3.3.1所示。

与最初的电路图相比较，最终电路图缺少了单稳电路部分，未使用74LS164，其扩展部分（使用蜂鸣器）也未实现。

图3.3.1复印机逻辑控制电路

3.4系统团队介绍

系统团队分工：

在该实验中本人主要负责系统的实现部分和PPT的制作，而我的搭档主要负责电路的设计，参与了系统的实现和PPT的制作。

系统实物照片：

4总结

系统最终所具备的功能：

由实验箱的开关模拟键盘（0~9）输入复印的数字，输入的数字经BCD编码器后可显示；输入的数字可由寄存器存储，并能最终显示，可输入的最大数为999；复印一次（翻转型触发器74LS112的状态改变一次），减计算器减数一次，数字显示减一次，直到“0”停机；按运行键“RUN”后，减计数器能自动进行循环控制。

输入时可任意控制优先存储的位，即百位、十位、个位的存储顺序可控。

输错数后，在数字不全部清除的情况下可修改。

在复印机未复印完前（数字显示未到“0”），可通过开关使复印机停止工作。

不足之处在于未实现预期的扩展功能。

通过这次的实验深入了解并掌握优先编码器74LS148，四D触发器74LS175，双JK触发器74LS112，十进制加减计数器74LS192及各种门电路的逻辑功能。

熟练掌握复印机逻辑控制电路的逻辑功能和设计方法。

加强对《数字逻辑》课程所学知识的理解，培养创造性思维能力，知道了团队合作的重要性。

最初做数字逻辑实验时，拿芯片的我无从下手，根本就不知道这个小小的芯片该插在哪里，以为所有的芯片会具备相同的功能，门电路数据测试时，都不知道芯片要接电源，接地。

最初做实验时，不能很好的将书本上的知识与实验相结合，理论知识大概都懂，可做起实验来，完全是个门外汉。

可做完这一系列实验，我学会了很多，能在设计基本电路的基础上将其实现，会在实验过程中利用数字逻辑试验箱测试各引脚是否正常输出。

给实验课提点小建议吧，以后能不能将实验课程安排时间间隔大一点，这样学生可以有更充裕的时间准备，一周两次实验感觉时间有点紧。

还有，实验教程设计实验部分给的提示太多，会让学生直接照搬书上的内容，助长学生的惰性，以后能否将设计实验部分提示的内容减少，给个设计思路就行。

附录

74LS002输入端四与非门

74LS04六反向器

74LS082输入端与门

参考文献

[1]数字逻辑哈尔滨工程大学出版

[2]数字电路与可编程技术实验教程.哈尔滨工程大学出版,2007

[3]实验所需各芯片引脚图及部分引脚图功能表来源于XX