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数字逻辑实验指导书.docx
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1
数字逻辑实验要求
随着大规模集成电路的迅速发展,数字电路技术已非常广泛地应用到各行各业之中。
数字系统的设计方法也发生了根本的变化由原来的标准集成电路,如从开始的 TTL 集成电
路,到后来的 GAL 编程芯片,再到现在迅速普及使用的 ASIC 专用集成电路和 VHDL 硬件
描述语言的出现及系统级仿真和综合技术,成为电子设计自动化(EDA)技术向更高层次
发展的重要因素,采用 EDA 技术可以极大的提高设计效率和设计精度。其特点主要包括两
个方面:1,采用可编程逻辑器件后对系统硬件的改造。在各种大规模的高速数据采集和处
理系统中,可编程逻辑部件可以高速、准确的完成一些控制算法,并且简化了系统结构。2,
改进了系统设计方案。EDA 环境下的系统设计一般都采用自上而下的设计方法,它采用概念
输入模式,突破破了具体工艺的束缚。对于模拟电路和数字电路的设计,EDA 提供了丰富的
参数优化工具及模型库和建模工具,其硬件描述语言(HDL)不依赖于特定的工艺和固定的
设计方法。并且能够提供统一的防真环境,使模拟电路、数字电路和硬件描述语言动态的连
接起来,同步协调地运行。系统的软硬、件还可以同时设计,从而有效解决设计中的瓶颈问
题,缩短了设计时间。同时,EDA 技术可以对系统产生测试向量,进行故障仿真,从而可以
大大降低实际系统的故障率。因此,在我们的数字逻辑实验设计内容中,将按照上述几种典
型的常用芯片进行设计 ,如 TTL 电路用 EDA 进行设计方法 , GAL 芯片使用方法,又必
须了解掌握和使用新的数字系统的设计方法,如 FPGA 芯片的使用方法及用 VHDL 等硬件
描述语言进行编程等。目的就是让我校计算机系的本科学生了解掌握和使用先进的电路设计
方法。
《数字逻辑电路设计》是计算机专业硬件设计必修基础课,是一门理论与实践紧密结
合的课程,其目的在于切实加强学生数字电路技术的分析和应用。与《数字逻辑电路设计》
相配套的数字逻辑实验是一门实验性较强的课程,是教学中的一个非常重要环节,通过实验
不仅可以使学生在消化、巩固、加深理解开拓课堂教学内容,培养学生严谨认真求实的科学
态度,培养学生实际动手的实践技能,提高学生分析和解决问题的能力,还可以帮助学生了
解多种常用芯片的特性,及使用方法,掌握计算机局部逻辑的设计和调试和验证过程。
实验设计须知:
设计 实验 修改设计 再实验
这是数字逻辑等硬件实验通常都要遇到的一个过程。 所以为了做好实验,要求在实
验前结合实验内容,预习讲义中的有关章节,然后按实验要求设计逻辑电路。由于每个实验
的设计方案不可能是唯一的,所以在具体设计中,要进行分析、比较,取最佳方案,设计方
法可根据讲义一步步进行,复杂的可分成几个部分进行,但这种设计方法往往有些麻烦,也
不直观,且理论上的最佳,在应用中也往往不是最佳方案,因此在实际工作中常常是根据原
理,应用典型电路,用经验方法设计。在参考书中的,教师准备的实验电路也不一定是最好
的,因此希望同学们灵活应用已学过的知识,设计出最佳电路。然而,设计的最佳电路实验
与实际应用仍存在不少差、别,除上面所说方案之外,在实际应用中还要考虑许多因素,如
干扰、反射、速度、负载、功耗、时间配合等等,也还要考虑相互协调。另外,标准化、工
2
程工艺、维护方便、使用环境等问题,这些都是要在实际工作中加以注意的。
数字逻辑实验是在数字逻辑实验仪上进行的,实验仪将在有关章节中介绍。另
外实验中还配有示波器、直流稳压电源、万用表及一套实验工具等。实验中有不懂的地
方要请教实验老师。为了使数字逻辑实验既要离不开讲义,以巩固提高所学过的知识,又
要注意和计算机原理实验的连续性,系统性,已达到紧密结合计算机专业的实际需要。
实验内容的安上如在知识的综合性和难度上有所要求,因此需要每一个学生在实验阶
段认真准备。另外,根据学生的具体情况,增加了针对每个实验的逻辑设计调试方面的
实验知识。有关实验仪的使用和数字电路实验中常见故障分析与排除将在实验之前专门
讲解。
在涉及具体实验中,根据要求不同,可难可易,可简可繁。学生可根据教师的
规定及自己的能力加以选择。
一.实验的基本要求
为了让我校计算机系的本科学生能切实掌握数字逻辑电路的设计技能,对于本
科生在做数字逻辑实验时,有以下要求:
1. 所有实验内容都是设计性的,都由老师给定题目并提出具体要求,由
学生根据对题目和要求的理解,自己进行设计,调试,和验证。这就
要求学生 做实验前一定要预习,搞清楚是做给定原理图,及技术数
据的验证性实验,还是仅给定技术指标要求,做设计性实验。不论那
种实验,先要阅读预习实验原理和要求,尽量明白这个实验原理是什
么?为什么这样做?自己进行设计,调试,和验证。这就要求学生对
讲义里不清楚的部分,会查阅有关资料,以做到心中有数力求保证设
计的逻辑电路在实验中的正确性
2. 准备好预习报告的大纲,列出要在实验中检查的具体技术资料指标及注
意的问题,画出逻辑接线图,逻辑符号要标准统一,要标好管脚号,查
阅有关手册,熟悉实验芯片的功能特点,以保证正确使用。如果要用小
规模芯片做实验,可能联线较多,做好能列出接线表,以保证不漏接。
这样,检查时也方便的多。
3. 通过数字逻辑实验,要求我系本科生必须熟悉并初步掌握使用 EDA 进行
电路设计的方法。
4. 学生完成所有的电路设计后,可以分别用 IC 芯片,GAL 芯片或用 FPGA
可编程芯片加以实现,或几种芯片兼用实现,但都必须通过用 VHDL 语言进行
编程,模拟,仿真和验证。
5. 了解有关实验仪器的原理和正确的使用方法,确保实验仪器和设备的安全
有效使用。
6. 对于实验报告的要求
3
一份完整的实验报告应包括以下内容:
①实验的目的。
②实验电路的设计思想、原理、方法、技巧以及简述过程,其中包括化简的逻辑表达
式或用硬件描述语言编的程序等。
③调试验证方法,以及调试中发现的问题和解决方法。
④结论和收获
⑤如果是验证性实验,请你能自己动手设计一个新的电路加以比较。
⑥附上正确标准的逻辑原理图,有的逻辑图还需要附上波形图。
⑦你对实验的改进意见等。
实 验 内 容
实验一 十进制代码——8421 码转换电路
在数字设备和计算机系统中,任何数据信息都是用代码来表示的。由于需要的
不同,采用了多种类型的 BCD 代码编码,如二进制代码,十进制码和 8421 码等,这些代码
在必要时需要相互转换,相互转换的方法之一就是用组合逻辑电路来实现。
转换真值表
十线十进制数
8421BCD 码
D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
B8 B4 B2 B1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
0 0 0 1
0 0 0 0 0 0 0 1 0 0
0 0 1 0
0 0 0 0 0 0 1 0 0 0
0 0 1 1
0 0 0 0 0 1 0 0 0 0
0 1 0 0
0 0 0 0 1 0 0 0 0 0
0 1 0 1
0 0 0 1 0 0 0 0 0 0
0 1 1 0
0 0 1 0 0 0 0 0 0 0
0 1 1 1
0 1 0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 0
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 1
4
十进制代码转换成 8421 码原理框图如下:
10 线 10 进制代码转换成 8421 码
学生根据上图写下表达式:
B8=
B4=
B2=
B1=
实验要求:①学生自己根据逻辑图填写逻辑表达式
②分别用 TTL 芯片,GAL 芯片和用 VHDL 硬件描述语言编写出该电路的程
序,通过 FPGA 芯片加以实现。
③独立完成电路调试
④验证输入与输出的关系
实验二 加法器的电路设计
不同的码制相互进行转换运算时会产生误差,需用不同的修正方法加以解决,如两个一
位的 8.4.2.1BCD 码相加时,包括进位可能产生二十种不同的和,其中不超过 1001 的数不需
要修正,超过 1001 的数则只需要加(0110)2 的修正就可得到正确的 BCD 码和进位输出结果。
B1 B2 B4 B8 BN 为 8421 码
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 DN 为十进制数
要求用或非门和与
非门构成的逻辑图
C
和
进 位
入
C
5
校正 8.4.2.1BCD 码的和
根据上表可以看出。
实验三、译码器及数码显示
数码管是一种常用器件,当你显示十进制数时,是有很多电路供你选用,一般根据所使
用的数码管是共阳极还是共阴极来选择对应芯片的。
七段发光二极管(LED)数码显示器的字形与七段荧光数码管一样,外观为平面型。它
的 a、b、c、d、e、f、g 段是用发光二极管显示的,并且分为共阳极和共阴极两种。共阳极
是七个发光二极管的阳极接在一起,接到高电平(正电源)上,阴极接到译码器的输出端,
未校正的 BCD 和
校正的 BCD 和
十进
制数
K
Z3
Z2
Z1
Z0
C
S3
S2
S1
S0
备 注
0
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
1
0 0 0 0 1
0 0 0 0 1
2
0 0 0 1 0
0 0 0 1 0
3
0 0 0 1 1
0 0 0 1 1
4
0 0 1 0 0
0 0 1 0 0
5
0 0 1 0 1
0 0 1 0 1
6
0 0 1 1 0
0 0 1 1 0
7
0 0 1 1 1
0 0 1 1 1
8
0 1 0 0 0
0 1 0 0 0
9
0 1 0 0 1
0 1 0 0 1
不
需
要
校
正
10
0 1 0 1 0
1 0 0 0 0
11
0 1 0 1 1
1 0 0 0 1
12
0 1 1 0 0
1 0 0 1 0
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0 1 1 0 1
1 0 0 1 1
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0 1 1 1 0
1 0 1 0 0
15
0 1 1 1 1
1 0 1 0 1
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1 0 0 0 0
1 0 1 1 0
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