數(shù)字電路課程設(shè)計2015

1、貴州大學大數(shù)據(jù)與信息工程學院學院貴州大學大數(shù)據(jù)與信息工程學院學院電子科學系電子科學系馬光喜馬光喜在學完數(shù)字電路課程后，為了鞏固同學們所學的基礎(chǔ)知識和基礎(chǔ)知識的應用，提高獨立思考問題；分析問題和解決今后工作中的實際問題的能力，為了把同學們培養(yǎng)成為既有理論知識又有實際動手能力的良好素質(zhì)人才，特針對數(shù)字電路課程，開設(shè)數(shù)字電路設(shè)計的實訓課，其目的是通過設(shè)計、制作、幫助同學們掌握簡單數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計和制作方法，讓同學們學會查閱有關(guān)資料，使他們將學過的知識融會貫通。教學目標（一）課程性質(zhì)課程設(shè)計。（二）課程目的數(shù)字電路課程設(shè)計是數(shù)字電子技術(shù)課程的實踐性教學環(huán)節(jié)，是對學生學習數(shù)字電子技術(shù)的綜合性訓練，這種訓練

2、是通過學生獨立進行某一課題的設(shè)計、安裝和調(diào)試來完成的，訓練學生綜合運用學過的數(shù)字電路的基本知識，獨立設(shè)計比較復雜的數(shù)字電路的能力。 通過數(shù)字電路課程設(shè)計要求學生：1、綜合運用電子技術(shù)課程中所學到的理論知識，獨立完成一個設(shè)計課題。2、通過查閱手冊和文獻資料，培養(yǎng)學生獨立分析和解決實際問題的能力。3、了解常用電子器件的類型和特性，并掌握合理選用的原則。4、學會電子電路的安裝與調(diào)試技能，掌握電子電路的測試方法。5、掌握常用電子儀器的使用方法。6、學會撰寫課程設(shè)計總結(jié)報告。7、培養(yǎng)學生嚴肅認真的工作作風和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。二、教學內(nèi)容基本要求及學時分配1、課程設(shè)計題目算術(shù)運算單元ALU的設(shè)計，軟件仿真一

3、人一組，硬件搭建二人一組。2、設(shè)計內(nèi)容 拿到題目后首先進行電路分析設(shè)計，在滿足設(shè)計要求后，再進行硬件電路搭建（在面包板上實現(xiàn)），實驗結(jié)果不滿足要求，則修改設(shè)計，直到滿足要求為止。3、設(shè)計要求 (1)按題目要求的邏輯功能進行設(shè)計，電路各個組成部分須有設(shè)計說明； (2) 使用Multisim來做出仿真電路； (3) 經(jīng)過老師檢查后，領(lǐng)器件在面包板上搭建出硬件電路，調(diào)處正確的結(jié)果； (4) 寫設(shè)計報告書，總結(jié)這次課程設(shè)計的體會。 三、主要教學環(huán)節(jié) （一）設(shè)計安排 1. 課程設(shè)計時間為二周共32學時，2學分； 2、教學安排 講授設(shè)計需要的硬件、設(shè)計的要求、布置設(shè)計題目；學生進行設(shè)計； 學生搭建硬件電路

4、、調(diào)試 教師檢查學生設(shè)計和搭建調(diào)試后硬件，合格后學生寫課程設(shè)計報告。（二）指導與答疑 每天都有教師現(xiàn)場答疑，學生有疑難問題可找教師答疑。學時應充分發(fā)揮主觀能動性，不應過分依賴教師。 （三）設(shè)計的考評 設(shè)計全部完成后，須經(jīng)教師驗收。驗收時學生要講述自己設(shè)計電路的原理、演示軟、硬件實驗結(jié)果。 教師根據(jù)學生設(shè)計的軟硬件全過程的表現(xiàn)和驗收情況給出成績。 四、課程設(shè)計報告的內(nèi)容和要求 （一）課程設(shè)計報告的內(nèi)容 按附錄中給出 的報告模板進行編寫，用A4紙打印，左側(cè)裝訂。 （二）課程設(shè)計報告編寫的基本要求 （1）按設(shè)計指導書中要求的格式書寫，所有的內(nèi)容一律打?。?（2）報告內(nèi)容包括設(shè)計過程、分析、硬件設(shè)計結(jié)

5、果及分析；（設(shè)計結(jié)果及分析和感受要求手寫） （3）要有整體電路原理圖、各模塊原理圖； 五、考核內(nèi)容與成績評定五、考核內(nèi)容與成績評定 1考核內(nèi)容： 設(shè)計能力 實驗結(jié)果 安裝調(diào)試情況 總結(jié)報告情況 出勤和設(shè)計及調(diào)試過程的學習態(tài)度，工作作風和科學態(tài)度 2成績評定： （1）設(shè)計的正確性和合理性 20分 （2）硬件搭建 20分 （3）實際操作，調(diào)試、效果 40分 （4）總結(jié)報告 20分六、算術(shù)運算單元ALU的設(shè)計課程設(shè)計的步驟：一、確立制作思路二、查閱有關(guān)資料繪制設(shè)計初稿三、根據(jù)初稿再查閱有關(guān)資料，反復修改設(shè)計稿以取得正確的理論知識的支撐，并繪出各部分的電路圖 四、按所設(shè)計的電路去選擇、測試好元器件、并

6、裝配電路（面包板） 。 五、調(diào)試。六 、若組裝時出現(xiàn)的故障，需要依據(jù)所學知識獨立思考、找出問題的根源，并排除產(chǎn)品的故障七、準備設(shè)計報告七、設(shè)計要求1、設(shè)計4位ALU，可實現(xiàn)8種算邏運算。要求：（1）進行兩個四位二進制數(shù)的運算。（2）算術(shù)運算：A+B,A-B,A+1,A-1（3）邏輯運算：A and B,A or B,A not, A xor B2、采用總線方式（4位），實現(xiàn)輸入A3A0、B3-B0，采用4只開關(guān)分2次輸入A和B數(shù)據(jù)。3、 8種算邏運算通過3位功能選擇開關(guān)選擇某一種功能。（例如：000-加，001減，.) 4、要求輸入A和B后，各設(shè)置一個數(shù)碼管顯示鎖存后的A數(shù)和B數(shù)（搭硬件時不用

7、） 5、要求輸入A和B后，各設(shè)置四只發(fā)光管顯示鎖存后的A數(shù)和B數(shù)（搭硬件時要用，例如：輸入9-顯示:亮滅滅亮） 6、運算結(jié)果用一個數(shù)碼管顯示（顯示0F)和四只發(fā)光管顯示（軟硬件都必須有） 7、用2只發(fā)光管顯示進借位和顯示溢出。 例如：0101（5）+0100（4），顯示1001（9），進借位發(fā)光管滅，溢出發(fā)光管亮 9、ALU工作按節(jié)拍步驟進行。 例如：第一拍-輸入A3A0(打開A鎖存) 第二拍-輸入 B3B0 (打開B鎖存) 第三拍-運算并輸出顯示(打開A、B三態(tài)門，鎖存器輸出A、B送ALU) 第四拍-復位(關(guān)閉A、B鎖存器輸出) 要求設(shè)計一個節(jié)拍發(fā)生器，用一個按鈕開關(guān)，每按一次發(fā)出一個節(jié)拍。

8、八、原理框圖顯示模塊ALUA輸入鎖存功能選擇B輸入鎖存D3D0節(jié)拍發(fā)生器+5VA緩沖三態(tài)門緩沖三態(tài)門B緩沖三態(tài)門緩沖三態(tài)門4開關(guān)開關(guān)輸入輸入A、B數(shù)數(shù)3開關(guān)設(shè)置開關(guān)設(shè)置8功能功能九、繪制總體電路圖根據(jù)4位ALU要求設(shè)計或選定各單元電路按原理的順序組合起來，組成總電路圖，在繪制電路時應注意以下幾點：（1）各單元電路的電源、公共地線連接在一起，各電路的電源電壓值應按要求接入相應的接線端。（2）各單元的輸入，輸出信號應按要求首尾相接，且應符合匹配關(guān)系。（3）需要控制的信號端，應對應開頭元件（含開關(guān)電路）（4）集成電路或其他元件多余的功能端不用時，可不畫出來以保持電路總圖的簡捷和清晰。（5）不得采用大

9、規(guī)模集成電路，電路要求選用單元電路芯片（5）裝配完后，按電路原理測試各點的工作電壓，以判斷其工作是否正常。十、電路的裝配及調(diào)試（1）同學們需按電路的原理圖，繪制出接線圖。（2）清總元器件個數(shù)。（3）用“萬用表”測試元器件質(zhì)量的好壞。（4）把元器件按接線圖搭建在面包電路板上十一十一 簡單的輸入簡單的輸入/輸出接口芯片輸出接口芯片在外設(shè)接口電路中，對傳輸過程中的信息進行放大、在外設(shè)接口電路中，對傳輸過程中的信息進行放大、隔離以及鎖存的就是緩沖器、數(shù)據(jù)收發(fā)器和鎖存器。隔離以及鎖存的就是緩沖器、數(shù)據(jù)收發(fā)器和鎖存器。1、僅含三態(tài)緩沖器的并行接口電路：由單向或雙向三、僅含三態(tài)緩沖器的并行接口電路：由單向或

10、雙向三態(tài)門組成，可用做總線緩沖器態(tài)門組成，可用做總線緩沖器/驅(qū)動器。主要有：驅(qū)動器。主要有：intel8216/8226（4位）、位）、SN74/54系列系列 240/241/244/245.2、僅含數(shù)據(jù)鎖存器的并行接口電路：由觸發(fā)器組成的、僅含數(shù)據(jù)鎖存器的并行接口電路：由觸發(fā)器組成的數(shù)據(jù)鎖存器。主要有數(shù)據(jù)鎖存器。主要有SN74/54系列系列377/378/379/273/176/276等。等。3、兼?zhèn)鋽?shù)據(jù)鎖存器和三態(tài)緩沖器的并行接口電路：常、兼?zhèn)鋽?shù)據(jù)鎖存器和三態(tài)緩沖器的并行接口電路：常見的有：見的有：intel8212、 SN74/54系列系列 240/241/244/245/3734、74

11、系列器件系列器件74 ；標準型；標準型TTL74L ；低功耗型；低功耗型TTL74S ；肖特基型；肖特基型TTL74LS ；低功耗肖特基型；低功耗肖特基型TTL74ALS ；高性能型；高性能型TTL74F ；高速型；高速型TTL5、鎖存器、鎖存器74LS373： 是是8D鎖存器，具有三態(tài)驅(qū)動輸出，由鎖存器，具有三態(tài)驅(qū)動輸出，由8個個D門組成，門組成，8個輸入端個輸入端1D8D、8個輸出端個輸出端1Q8Q，2個控制端個控制端 G和和OE。74LS373的鎖存的鎖存器功能見下表。器功能見下表。OE74LS373鎖存器邏輯電路和引腳圖表 74LS373的真值表H為高電平，為高電平，L為低電平，為低電

12、平，Q0為原狀態(tài)，為原狀態(tài)，Z為高阻抗，為高阻抗，為任為任意值。意值。74LS373鎖存器主要用于鎖存地址信息、數(shù)據(jù)信息以及鎖存器主要用于鎖存地址信息、數(shù)據(jù)信息以及DMA頁面地址信息等。頁面地址信息等。常用的鎖存器還有常用的鎖存器還有74LS273，573，Intel 8282和和8283等等使能G輸出允許OE輸入輸出QHLLLHLHHLLQ0HZ9、緩沖器74LS244三態(tài)輸出的八緩沖器和線驅(qū)動器；8個輸入端，分為二路1A11A4，2A12A4；8個輸出端，分為二路1Y11Y4，2Y12Y4；分別由2個門控信號 和 控制； 和 為低，芯片工作，Y = A；74LS244緩沖后，輸入信號被驅(qū)動

13、，輸出信號的驅(qū)動能力加大了；常用的緩沖器還有74LS240和74LS241等。G1G2G1G274LS244緩沖器邏輯電路和引腳圖緩沖器邏輯電路和引腳圖10、數(shù)據(jù)收發(fā)器、數(shù)據(jù)收發(fā)器74LS245三態(tài)輸出的三態(tài)輸出的8總線收發(fā)器；總線收發(fā)器；16個雙向傳送的數(shù)據(jù)端，個雙向傳送的數(shù)據(jù)端，A1A8，B1B8；兩個控制端兩個控制端使能端使能端 和方向控制端和方向控制端DIR；芯片的功能見表。芯片的功能見表。表表 74LS245的真值表的真值表通常用于數(shù)據(jù)的雙向傳送、緩沖和驅(qū)動。通常用于數(shù)據(jù)的雙向傳送、緩沖和驅(qū)動。常用的數(shù)據(jù)收發(fā)器還有常用的數(shù)據(jù)收發(fā)器還有74LS243、Intel 8286、Intel

14、8287等等使能方向控制DIR傳送方向LLBALHABH隔開GGG74LS245八總線收發(fā)器邏輯電路和引腳圖 74181 算術(shù)邏輯單元/函數(shù)發(fā)生器 74283 4位二進制全加器 74151 8選1數(shù)據(jù)選擇器 74136 四異或門每一條金屬片插入一個塑料槽，每一條金屬片插入一個塑料槽，在同一個槽的插孔相通，不同槽在同一個槽的插孔相通，不同槽的插孔不通。的插孔不通。插槽和插孔每一條金屬片插入一個塑料槽，每一條金屬片插入一個塑料槽，在同一個槽的插孔相通，不同在同一個槽的插孔相通，不同槽的插孔不通。槽的插孔不通。三組五孔相通一組五孔相通不同槽的插孔相通不通五孔一組銅片十五孔一組銅片集成塊插法導線剝頭的

15、長度比面包板厚度略短，轉(zhuǎn)彎處留1mm絕緣層，絕緣層太長會因為絕緣層插入導電孔而不導通。銅線太短也會因接觸不良而不導通。銅線太長容易引起短路銅線必須插入金屬孔中，特別在金屬孔位置靠邊時，容易插到邊上空白處，引起接觸不良，用萬用表也難以測量。由于集成塊引腳間與距離與插孔位置有偏差，必須預先調(diào)由于集成塊引腳間與距離與插孔位置有偏差，必須預先調(diào)整好位置，小心插入金屬孔中，不然會引起接觸不良，而整好位置，小心插入金屬孔中，不然會引起接觸不良，而且會使銅片位置偏移，插導線時容易插偏。且會使銅片位置偏移，插導線時容易插偏。此原因引起的此原因引起的故障占總故障的故障占總故障的60%以上。以上。兩個三組五孔和中

16、間四組五孔相通接通，整行連通。常用來接電源和接地左邊整列連通，右邊整列接通。常用來外接電源和地導線量好長度后，剝好線頭、根據(jù)走線位置折好后插入面包板。走線方向為“橫平、豎直”整塊板上的元器件的布局要合理，使走線距離短、接線方便、整潔美觀。一根導線可以直通的地方盡量只用一根線，用多根導線轉(zhuǎn)接費事又容易出錯。多個孔接同一個地方時，可以串接，以減少走線距離。在接線以前要把導線拉直，不然會板面不整潔。整根導線在圓角硬物上摩擦會拉直。 在數(shù)字系統(tǒng)中，減法、乘法和除法的核心都是加法，因此加法器是計算機的基本運算單元，在邏輯電路中經(jīng)常使用。 半加器和全加器是算術(shù)運算電路中的基本單元，它們是完成1位二進制數(shù)相

17、加的一種組合邏輯電路。十四、常用的組合邏輯電路設(shè)計十四、常用的組合邏輯電路設(shè)計 不考慮低位進位的加法器稱半加器。 設(shè)A為被加數(shù)，B為加數(shù)。本位和為S，本位進位為C，根據(jù)半加器的概念得出半加器的真值表如表所示。 由真值表可得出本位和S，本位進位C的表達式：表表半加器真值表半加器真值表ABSC0011010101100001 如圖（a）所示，（b）圖為半加器的符號。 圖圖 半加器半加器 半加器只是解決了兩個一位二進制數(shù)相加，沒有考慮來自低位的進位。如果要多位二進制數(shù)相加，必須同時考慮來自低位的進位，這種加法器稱全加器。 全加器真值表如表所示，表中Ai為被加數(shù)；Bi為加數(shù)；本位和Si；進位Ci，低位

18、進位Ci-1。 根據(jù)全加器的概念得出全加器真值表如下頁表所示。 1iCiAiBiSiC0 01 10 01 10 01 10 01 10 00 00 00 01 11 11 11 10 00 01 11 10 00 01 11 10 01 11 10 01 10 00 01 10 00 00 01 10 01 11 11 1Ci-1AiBiSiCi 根據(jù)表達式畫出全加器邏輯圖如圖（a）所示，圖（b）是全加器的符號。(a)邏輯圖邏輯圖 (b)符號符號圖圖 全加器電路全加器電路 用全加器可以實現(xiàn)多位二進制加法運算，實現(xiàn)四位二進制加法運算的邏輯圖如圖所示。圖中低位進位輸出作為高位進位輸入，進位信號是

19、后級向前級一級一級傳輸?shù)摹?圖圖 四位二進加法器邏輯圖四位二進加法器邏輯圖 集成四位二進制加法器74283采用了超前進位方式。74283邏輯符號及引腳圖如圖所示。圖圖 4位二進制加法器位二進制加法器 74283的邏輯符號、引腳圖的邏輯符號、引腳圖 (1)七段發(fā)光二極管(LED)數(shù)碼管 LED數(shù)碼管是目前最常用的數(shù)字顯示器，圖(a)、(b)為共陰管和共陽管的電路，(c)為兩種不同出線形式的引出腳功能圖。 一個LED數(shù)碼管可用來顯示一位09十進制數(shù)和一個小數(shù)點。小型數(shù)碼管（0.5寸和0.36寸）每段發(fā)光二極管的正向壓降，隨顯示光（通常為紅、綠、黃、橙色）的顏色不同略有差別，通常約為22.5V，每個

20、發(fā)光二極管的點亮電流在510mA。 (a) 共陰連接（“1”電平驅(qū)動）(b) 共陽連接（共陽連接（“0”電平驅(qū)動電平驅(qū)動） 圖 LED數(shù)碼管 此類譯碼器型號有74LS47（共陽），74LS48（共陰），CC4511（共陰）等。以CC4511 BCD為例，圖為CC4511引腳排列圖。圖圖 CC4511引腳排列引腳排列 其中： A、B、C、D 8421 BCD碼輸入端。 a、b、c、d、e、f、g 譯碼輸出端，輸出“1”有效，用來驅(qū)動共陰極LED數(shù)碼管。 LT 測試輸入端，“0”時，譯碼輸出全為“1”。BI 消隱輸入端，“0”時，譯碼輸出全為“0”。 LE 鎖定端，LE“1”時譯碼器處于鎖定（保持

21、）狀態(tài)，譯碼輸出保持在LE0時的數(shù)值，LE0為正常譯碼。 表為CC4511功能表。CC4511內(nèi)接有上拉電阻，故只需在輸出端與數(shù)碼管各段之間串入限流電阻即可工作。譯碼器還有拒偽碼功能，當輸入碼超過1001時，輸出全為“0”，數(shù)碼管熄滅。 在實際應用中，將十進制數(shù)的BCD碼接至譯碼器的相應輸入端A、B、C、D即可顯示09的數(shù)字。四位數(shù)碼管可接受四組BCD碼輸入。CC4511與LED數(shù)碼管的連接如圖所示。圖圖 CC4511驅(qū)動一位驅(qū)動一位LED數(shù)碼管數(shù)碼管 (三三)補碼加、減運算規(guī)則補碼加、減運算規(guī)則在計算機中可進行兩種運算：算術(shù)運算和邏輯運算。算術(shù)運算時，參與運算的二進制數(shù)碼表示的是數(shù)值大小。常

22、見的算術(shù)運算有加、減、乘、除、乘方、開方等。一般計算機中都提供了加、減、乘、除指令，其他更復雜的算術(shù)運算要利用算術(shù)變換成基本的四則運算來實現(xiàn)。從硬件實現(xiàn)的角度看，各種算術(shù)運算的基礎(chǔ)是加、減運算。對于補碼機，加法運算又是基礎(chǔ)的基礎(chǔ)。補碼的加減法運算規(guī)則：XY補= X補+Y補其中，X、Y為正、負數(shù)均可。該式說明，無論加法還是減法運算，都可由補碼的加運算實現(xiàn)，運算結(jié)果（和或差）也以補碼表示。若運算結(jié)果不產(chǎn)生溢出，且最高位（符號位）為0，則表示結(jié)果為正數(shù)，最高位為1，則結(jié)果為負數(shù)。 根據(jù)上節(jié)所述，對于減法運算,因為X-Y補=X+（-Y）補=X補+-Y補，所以計算時，可以先求出-Y的補碼，然后再進行加法運算，這樣在用邏輯電路實現(xiàn)減法運算時，可以只考慮用加法電路，而不必設(shè)置減法電路。實現(xiàn)補碼加減運算電路如圖所示。在圖中，被加數(shù)（或被減數(shù)）X和加數(shù)（或減數(shù)）Y分別存放在A寄存器和B寄存器中。當執(zhí)行加法運算時，執(zhí)行X補+Y補，將X補和Y補從A寄存器和B寄存器送到加法器的兩個輸入端。當執(zhí)行減法運算時，執(zhí)行Y補的各位取反（即01,10）,然后在最低位加1，即可得-Y補。假設(shè)Y=0011，則-Y的真值應等于-0011。根據(jù)上述方法，先取Y數(shù)中的各位的反值，得1100，然后在最低位加1，即1100+0001=1101。該值正好是-Y的補碼。 在邏輯電路中。ALU由多