数字电子设计课程设计.docx

课程设计任务书学院信息科学与工程专业自动化学生姓名邢文达学号0903010605设计题目数字电子设计题目：三位同步二进制加法器（无效态000,101）和串序列发生电路设计（0101）模拟电子设计题目：积分电路、反相输入求和仿真设计、滞回比较器仿真设计。内容及要求：1 数字电子部分（1）由所给的约束相列时序电路图，画出各个触发器的次态卡诺图，并由此生成驱动方程，检查电路图能否自启动，并做相应的修改。（2）由给出的所要检测的序列信号画出原始的状态图，由此画出各次态卡诺图，求出驱动方程，检查电路图能否自启动，并作出相应的修改。（3）在multisim环境下仿真设计电路并分析结果。2 模拟电子部分1 采用multisim 仿真软件建立电路模型；2 对电路进行理论分析、计算；在multisim环境下分析仿真结果，给出仿真波形图。进度安排：第一周：数字电子设计第1天 1布置设计任务及题目。 2查找文献、资料，确定设计方案。第23天1 熟悉JK触发器的原理及其工作状态，熟练掌握各逻辑门电路的接法。第4天：1 画出时序图，列出真值表，画出各次态的卡诺图，并由此列写出各个触发器引脚的驱动方程。 2. 由驱动方程在数字实验系统上搭建电路，观察并分析结果。第5天 1课程设计结果验收。 2 针对课程设计题目进行答辩。 3. 完成课程设计报告。第二周：模拟电子设计第1天：2.1 布置课程设计题目及任务。2.2 查找文献、资料，确立设计方案。第23天：1. 安装multisim软件，熟悉multisim软件仿真环境。2. 在multisim环境下建立电路模型，学会建立元件库。第4天：1. 对设计电路进行理论分析、计算。2. 在multisim环境下仿真电路功能，修改相应参数，分析结果的变化情况。第5天：1. 课程设计结果验收。2. 针对课程设计题目进行答辩。3. 完成课程设计报告。 指导教师（签字）： 年 月 日分院院长（签字）：年 月 日目录第一章数字电子部分11.1课程设计的目的与作用11.2.基本原理：11.3三位同步二进制计数器计数器设计：11.3.1三位二进制同步计数器状态图。无效态（000，101）11.3.2、选择触发器、求时钟方程、输出方程、状态方程和结果21.3.3 逻辑接线图51.3.4仿真结果61.4串行序列检测器设计91.4.1串行序列检测器状态图（检查信号0101）91.4.2选择触发器、求时钟方程、输出方程、状态方程和结果91.4.3、逻辑接线图111.4.4仿真结果121.5设计总结和体会141.6参考文献14第二章 2 模拟电子设计部分152.1 课程设计的目的与作用152.1.1课程设计的目的152.1.2课程设计作用152.2 设计任务、及所用multisim软件环境介绍151.2.1设计任务：151.2.2 Multisim环境介绍：152.3积分电路Multisim仿真设计162.3.1基本原理162.3.2电路模型的建立162.3.3理论分析及计算172.3.4仿真结果分析172.3.5结论182.4反相求和电路仿真设计182.4.1设计基本原理：182.4.2电路模型的建立192.4.3理论分析及计算192.4.4仿真结果分析192.4.5结论202.5滞回比较器Multisim仿真设计202.5.1设计基本原理202.5.2电路模型的建立212.5.3理论分析及计算212.6误差分析222.7 设计总结和体会232.8 参考文献23II第一章数字电子部分1.1课程设计的目的与作用(1) 熟练掌握三位二进制加法器的设计和检测。(2） 学习并掌握信号的简单检测以及其电路的设计。(3) 学会利用所学知识设计不同要求的电路以实现不同的逻辑功能。 (4） 熟练multisim的操作技能。 1.2.基本原理：计数器是利用统计脉冲个数的电路，是组成数字电路和计算机电路的基本时序部件，计数器按长短可分为：二进制，十进制和N进制计数器。计数器不仅有加法计数器，也有减法计数器。如果一个计数器既能完成累加计数的功能，又能完成递减的功能，则称其为可逆计数器。同步计数器：当输入计数脉冲到来时，要更新状态的触发器都是同时翻转的计数器，叫做同步计数器。 1.3三位同步二进制计数器计数器设计：1.3.1三位二进制同步计数器状态图。无效态（000，101）001 /0010 /0 011 /0100 /0110 /0111/11.3.2、选择触发器、求时钟方程、输出方程、状态方程和结果（1）.选择触发器由于JK触发器功能齐全、使用灵活，故选用3个下降沿JK触发器。（2）.求时钟方程CP0=CP1=CP2=CP(3). 求输出方程输出方程的卡诺图为： Q1nQ0n Q2n 00 01 11 10XXX010100011110XXX001111 图1.1输出方程次态卡诺图 输出方程为：Y= Q2nQ1nQ0n(4) .状态方程：次态卡诺图： Q2N+1的次态卡诺图为： Q1nQ0n Q2n 00 01 11 10X01 0 1 X 0 1 图1.2 Q2N+1的次态卡诺图 Q1N+1的次态卡诺图为： Q1nQ0n Q2n 00 01 11 10X1 0 1 1 X 0 1 0 1 图1.3 Q1N+1的次态卡诺图 Q0N+1的次态卡诺图为： Q1nQ0n Q2n 00 01 11 10X0 0 1 01/0 X 1 1 图1.4 Q0N+1的次态卡诺图状态方程： Q2n+1=Q2nQ1nQ0n + Q2nQ0n Q1n+1=Q1n+Q0nQ1n Q0n+1=Q2nQ0n+Q1nQ0n(5) .驱动方程为:J2=Q1nQ0n J1=1 J0=Q1nK2=Q0n K1=Q0n K0=Q2n(6) .检查能否自启动无效态（000,101）000001 010111所以能自启动。(7) .仿真结果分析按动时钟脉冲开关，观察三个指示灯的变化情况，并将结果与理论值与真值表比较。实验过程中集成芯片74LS112的16脚接5V直流电源，8脚接地：集成芯片74LS00和74LS08的14脚接5V直流电源，7脚接地。最后结果：CPQ2Q1Q0Q2n+1Q1n+1Q0n+1100101020100113011100410011051101116111001(8) .检查错误的方法1) 功能测试前，首先检查电源是否接通，清零端和置数端是否有问题，如无问题将置数端与清零端都置1，进一步操作。2) 在操作过程中，某一状态出现错误时，应重新操作，使状态停留在最后一个正确状态时。这时用万用表检查发生错误那一位所选用的JK触发器的输入状态是否有误。3) 如果输入状态正确，则看CP脉冲是否好用。4) 如果这些都没有问题，可能是触发器坏了，加入输入状态不正确，检查错误信号所涉及的逻辑门的状态是否有误，再逐级往前查，直到找出错误。1.3.3 逻辑接线图 图 1.5 三位二进制同步加法计数器接线图1.3.4仿真结果 图1.6 001仿真 图1.7 010仿真 图1.8 011仿真 图1.9 100仿真 图1.10 110仿真图1.11 111仿真1.4串行序列检测器设计1.4.1串行序列检测器状态图（检查信号0101）1/0： 0/0 S0(00) 0/0 S1(01) 1/0 S2(10) 0/0 S4(11)1/0 0/0 1/11.4.2选择触发器、求时钟方程、输出方程、状态方程和结果(1) . 选择触发器由于JK触发器功能齐全、使用灵活，故选用2个下降沿JK触发器。(2) . 求时钟方程CP0=CP1=CP(3) . 求输出方程输出方程的卡诺图为： Q1nQ0n Xn 00 01 11 1000 0 0 0 0 1 0 图1.12 输出方程卡诺图输出方程为 Y= X Q1nQ0n(4) . 状态方程： 电路次态卡诺图： Q1nQ0n X 00 01 11 100101 01 11 00 10 00 00 0 1 图1.13 电路次态卡诺图Q1N+1的次态卡诺图为Q1nQ0n X 00 01 11 1000 0 1 0 1 0 0 0 1 图1.14 Q1N+1的次态卡诺图Q0N+的次态卡诺图 Q1nQ0n X 00 01 11 1011 1 1 0 0 0 0 0 1 1.15 Q0N+1的次态卡诺图 状态方程： Q1n+1=XQonQ1n+XQ0nQ1n Q0n+1=XQ0n+XQ0n（5）. 动方程为: J1=XQ0n J0= X k1=XQ0n k0= X （6） . 结果分析按动时钟脉冲开关，观察三个指示灯的变化情况，并将结果与理论值与真值表比较。实验过程中集成芯片74LS112的16脚接5V直流电源，8脚接地：集成芯片74LS00.74LS11和74LS08的14脚接5V直流电源，7脚接地。RD SP都置1 CPK Q1Q0Y10 01021 10030 1101 1111.4.3、逻辑接线图 图1.16串行序列接线图1.4.4仿真结果 图1.17 X=0 Q1Q0 =01 Y=0仿真图 图1.18 X=1 Q1Q0 =10 Y=0仿真图 图1.19 X=0 Q1Q0 =11 Y=0仿真图 图1.20 X=1 Q1Q0 =11 Y=1仿真图1.5设计总结和体会 通过这次课程设计，使我对计数器的工作原理有了深刻的认识，自己以后若用到计数器的集成芯片来设计一定功能的电路打下了一定的基础。与此同时，老师的精心辅导使得自己课程设计顺利的完成，并且老师对实验原理深入透彻的分析与讲解进一步加强了自己对电子技术这门课程的理解，自己获益匪浅。通过课程设计的整个过程，我认识到实验前一定要按老师的要求认真预习，这样不仅有利于自己对实验原理的理解，从而更好的完成实验，还能够加强自己对相关课程的理解，这对自己学习是非常有用的。平台的使用，我从中学会了如何在multisim软件环境下仿真电子电路，通过自己的实践，逐步的发现并解决遇到的问题，最终完成了课程设计。其次，课程设计是一门专业课。在设计前，将抽象的理论知识与实际电路设计联系在一起是我设计电路的初步方法，在设计电路的过程中加深了我对课本知识的理解和综合运用，培养了我综合运用理论知识和专业知识解决实际工程问题的能力，以及工程意识探索和创新能力。1.6参考文献.1 作者：余孟尝 书名：数字电子技术基础简明教程出版社：高等教育出版社出版年：2007年12月2 作者：吴翔，苏建峰 书名：Multisim10&Ultiboard原理图仿真与PCB设计 出版社：电子工业出版社出版年：2008年1月3 作者：张利萍，王向磊书名：数字逻辑实验指导书出版社：信息学院数字逻辑实验室第二章 2 模拟电子设计部分2.1 课程设计的目的与作用2.1.1课程设计的目的(1)能熟练的运用Multisim进行电路的仿真分析；(2)培养学生综合运用前修课程所学的知识进行系统性的训练；(3)了解运算电路原理2.1.2课程设计作用(1)帮助学生更深入的理解模拟电子的内容.(2)掌握比例，求和以及积分三种基本运算电路的工作原理.2.2 设计任务、及所用multisim软件环境介绍1.2.1设计任务：（1）在Multisim 中构建积分电路仿真电路，在积分中输入端加上有效值为0.5v频率为50HZ的正玄电压。在虚拟示波器中观察积分电路的输入和输出波形，测输出电压和输入电压。 （2）在Multisim构建反向求和电路。 测量输出电压。1.2.2 Multisim环境介绍： Multisim是加拿大IIT公司推出的基于Wendows的电路仿真软件，由于采用交互式的界面，比较直观，操作方便，具有丰富的元器件库和品种繁多的虚拟仪器，以及强大的分析功能等特点，因而得到了广泛的应用。针对不同的用户，提供了多种版本，如学生版，教育版，个人版和超级专业版等。其中教育版适合高等学校的教学使用。启动Multisim后，屏幕上显示主界面。主界面主要由菜单栏，系统工具栏，系统设计栏，设计工具栏，元件工具栏，仪器工具栏，使用中元件列表，仿真开关，状态栏以及电路图编辑窗口等组成。2.3积分电路Multisim仿真设计2.3.1基本原理 电路中的输出电压与电容两端的电压成正比，而电路的输入电压与流过电容的电流成正比，则输入电压与输出电压成为积分关系。利用理想运放工作在线性区时“虚短”“虚断”的特点可以实现以上要求。 R=R Uo= -Uc =- 1Cicdt= -1RCU1dt2.3.2电路模型的建立 图2.1积分求和仿真电路2.3.3理论分析及计算如果在基本电路的输入端加上一个正弦波，且U1=Umsinwt可得Uo=-1RCUmsinwt=UmWRCcoswt此时积分电路输出的是一个余弦波。可见输入输出电压的相位比输入电压的相位领先90o2.3.4仿真结果分析 输入电压Ui=0.499344v输出电压Uo=3.972v图中比较浅的是输入波形，颜色较深的是输出波形，输出电压的相位比输入电压领先90o2.3.5结论积分电路具有移相特性输出电压的相位比输入电压的相位领先90o。2.4反相求和电路仿真设计2.4.1设计基本原理：反相输入求和电路的实质是利用“虚地”和“虚断”的特点，通过各路输入电流想加的方法来实现输入电压的相加。这种反相输入求和电路的优点是，当改变某一输入回路的电阻时，仅仅改变输出电压与该电路输入电压之间的的比例关系，对其他各路没有影响，因此调节比较灵活方便。另外，由于“虚地”，因此，加在集成运放输入端的共模电压很小。若R11R12R13R1时，则 平衡电阻 R2R11/R12/R13/RF2.4.2电路模型的建立 图2.2 反相求和仿真电路2.4.3理论分析及计算理论值: =8.5599V2.4.4仿真结果分析模拟电压表分析：计算值Uo=8.5599V 测量值Uo=- 8.547V理论值和实际测量值基本相等2.4.5结论通过上面的分析可以看出，反相输入求和电路的实质是利用“虚地”和“虚断”的特点，通过各路输入电流相加的方法来实现输如电压的相加。这种反相输入求和电路的优点是，当改变某一输入回路的电阻时，仅仅改变输出电压与该路输入电压之间的比例关系，对其他各路没有影响，因此调节起来比较灵活方便，另外，由于“虚地”，因此，加在集成运放输入端的巩膜电压很小。2.5滞回比较器Multisim仿真设计2.5.1设计基本原理滞回比较器又称施密特触发器。输入电压经过电阻加载集成运算放大器的反向输入端，参考电压经电阻通过反馈电阻引回同相输入端。当集成运放反相输入端与同相输入端电位相等，输出电位发生跳变。由于是理想运放，则u-=uI而同相输入端的电压u+由参考电压UREF和输出电压同时决定，由叠加原理可得u+=RFR2+RFUREF+R2R2+RFuo UT+=RFR2+RFUREF+R2R2+RFuZUT-=RFR2+RFUREF - R2R2+RFuZ2.5.2电路模型的建立 图2.3 滞回比较器仿真电路2.5.3理论分析及计算由比较器发生跳变的条件是集成运放反相输入端的电压u-与同相输入端的电压u+相等即u-=u+。由于是理想运放，则u-=uI而同相输入端的电压u+由参考电压UREF和输出电压同时决定，由叠加原理可得u+=RFR2+RFUREF+R2R2+RFuo将uo=+UZ ,uo=-UZ分别代入：UT+=RFR2+RFUREF+R2R2+RFuZ =(3520+356+2010+355)V =(3.8+2.2)V=6VUT-=RFR2+RFUREF-R2R2+RFuZ=(3520+356-2020+355)V=(3.8-2.