数字逻辑实习报告.doc

计算机科学与技术专业课程实习报告课程名称：数字逻辑实习题目：数字钟、智力竞赛抢答器姓 名：专 业：计算机科学与技术年 级：08级学 号：指导教师：职 称：2010年1月4日课程实习评分表评价内容评价指标分值评定成绩查阅、收集资料查阅一些相关资料，收集素材，进行参考。8构思、主见综合分析正确，论证充分，构思全面，对问题有较深刻的认识，有一定独特见解。8学过知识的运用能结合学过、了解到的知识正确设计实习项目方案或建立模型；能独立进行实验工作；能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题；能正确处理实验数据；能对实习项目进行理论分析，得出有价值的结论。24逻辑结构结构合理，层次分明，条理清晰，逻辑性强。8分析与阐述问题的能力所阐述问题清楚，突出重点，有见解；实习报告表现出对实际问题有较强的分析能力和概括能力。10撰写质量语句通顺，语言准确，书写工整，达到实习报告要求的字数，实习报告书写格式符合要求。10实习质量实验正确，分析处理科学；实习报告结果有价值；电路绘制符合国家标准，质量符合要求；计算及测试结果准确。 24撰写报告的态度及完成情况工作努力，遵守纪律；作风严谨务实；积极、主动查阅有关资料，按期完成规定的任务，工作量饱满。8合 计100实习指导教师签名： 评定日期： 目 录1实习的目的和任务11.1数字钟11.2智力竞赛抢答器12实习要求13实习地点14主要仪器设备15实习内容25.1数字钟25.1.1电路原理：25.1.2总电路设计及说明35.1.3电路仿真与调试结果65.2智力竞赛抢答器75.2.1电路原理：75.2.2总电路设计及说明75.2.3电路仿真与调试结果127结束语138参考文献131实习的目的和任务1.1数字钟实习目的：掌握电子钟的设计 , 组装与调试方法 。熟悉74系列中 、小规模集成电路的使用。实习任务：设计一个有时、分、秒的十进制数字显示的计时器。具有手动校时功能；用74系列中小规模集成器件实现。1.2智力竞赛抢答器实习目的：学习数字电路中D触发器、分频电路、多谐振荡器、CP时钟脉冲源等单元电路的综合运用。熟悉智力竞赛抢答器的工作原理。了解简单数字系统实训、调试及故障排除方法。实习任务：四组参赛者抢答时，能判断出抢先者，并以声光为标志。互锁功能。具有限时功能。具有警告功能。有总的复位功能。2实习要求1）从选择设计方案开始，首先按单元电路进行设计，选择合适的元件，最后画出总原理图。2）均首先采用Multisim 7或EWB仿真软件进行仿真，后进行电路的实际安装和调试。3）实习报告要按照格式来做。实习结果要以打印稿上交，同时实习报告的电子版和设计的电路图，运行结果（.msm或ewb檔）也要上交统一制作做。3实习地点设计与仿真：软件实验室513和514；安装与调试：硬件实验室406和404；4主要仪器设备（1）软件：数字电路仿真软件Multisim7 （2）硬件： 型号功能备注74LS00四个2输入与非门一片74LS04六反向器一片74LS08四个2输入与门一片74LS21双4输入与门一片74LS48译码器六片74LS86四个2输入异或门一片74LS90二-五-十进制计数器九片7805二端式集成稳压器一片555定时器产生时间延迟和多种脉冲信号一片晶体管NPN型 一个电阻5.1k一个 22一个 1k一个100k可调一个 10k 五个LED显示器六块电键 三个电容0.01uF 两个NPN三极管开关作用JK触发器管3个D触发器接收并记忆信号5实习内容5.1数字钟5.1.1电路原理：数字钟由信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路等组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用555构成的振荡器加分频器来实现。将标准秒脉冲信号送入“秒计数器”，该计数器采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。“时计数器”采用24进制计数器，可以实现一天24h的累计。译码显示电路将“时、分、秒”计数器的输出状态经七段显示译码器译码，通过六位LED显示器显示出来。校时电路是来对“时、分、秒”显示数字进行校对调整。其数字电子钟系统框图如下:分显示器秒显示器译码器时显示器译码器译码器秒计数器分计数器时计数器校时电路秒脉冲分频器振荡器 图1-1 数字钟逻辑框图5.1.2总电路设计及说明（一）秒脉冲信号发生器秒脉冲信号发生器是数字电子钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟的质量。由振荡器与分频器组合产生秒脉冲信号。 振荡器: 通常用555定时器与RC构成的多谐振荡器，经过调整输出1000Hz脉冲。 分频器: 分频器功能主要有两个，一是产生标准秒脉冲信号，一是提供功能扩展电路所需要的信号，选用三片74LS90进行级联，因为每片为1/10分频器，三片级联好获得1Hz标准秒脉冲。其电路图如下：图1-2 秒脉冲信号发生器（二）秒、分、时计时器电路设计秒、分计数器为60进制计数器，小时计数器为24进制计数器。实现这两种模数的计数器采用中规模集成计数器74LS90构成。 60进制计数器由74LS90构成的60进制计数器，将一片74LS90设计成10进制加法计数器，另一片设置6进制加法计数器。两片74LS90按反馈清零法串接而成。秒计数器的十位和个位，输出脉冲除用作自身清零外，同时还作为分计数器的输入脉冲CP1。下图电路即可作为秒计数器，也可作为分计数器。 图1-3 60进制计数器 24进制计数器由74LS90构成的二十进制计数器，将一片74LS90设计成4进制加法计数器，另一片设置2进制加法计数器。既个位计数状态为Qd Qc Qb Qa = 0100十位计数状态为Qd Qc Qb Qa = 0010时，要求计数器归零。通过把个位Qc、十位Qb相与后的信号送到个位、十位计数器的清零端，使计数器清零，从而构成24进制计数器。电路图如下:图1-4 24进制计数器（三）译码显示电路译码电路的功能是将秒、分、时计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。用与驱动LED七段数码管的译码器常用的有74LS48。74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，输出高电平有效，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。若将秒、分、时计数器的每位输出分别送到相应七段译吗管的输入端，便可以进行不同数字的显示。在译码管输出与数码管之间串联电阻R作为限流电阻。图1-5 译码显示电路（四）校时电路校时电路是数字钟不可缺少的部分，每当数字钟与实际时间不符时，需要根据标准时间进行校时。K1、K2分别是时校正、分校正开关。不校正时，K1、K2开关是闭和的。当校正时位时，需要把K1开关打开，然后用手拨动K3开关，来回拨动一次，就能使时位增加1，根据需要去拨动开关的次数，校正完毕后把K1开关闭上。校正分位时和校正时位的方法一样。其电路图如下:图1-6 校正电路5.1.3电路仿真与调试结果将脉冲源分别接到秒的个位，分的个位，时的个位（注意此时不要按调分或调时开关），观察数码管，并用四通道示波器监视十位上的QA、QB、QC的波形，用另外一个示波器同时监视上一位（秒的上一位就是分，分的上一位就是时）。秒十位的QC、QB、QA的信号随时间的变化是000，001，010，011，100，101，然后就是QB有一个尖脉冲，这就就是对应着的0、1、2、3、4、5，而6刚刚出现就被置零了，这就实现了十位的6进制，即是60进制。分的60进制与秒相同！ 将脉冲源接到时的个位，用一个四通道示波器分别监视该位的QA、QB、QC、QD端口，另一个双通道示波器观察时的十位，其个位上QDQCQBQA波形对应的二进制码为0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、0000、0001、0010、0011，然后就是QC为的尖脉冲（从090904）,而时十位的波形就是在个位波形出现1001B跳0000B时才有QA出现1B，然后经过10个脉冲信号出现QB的1B，再过3个脉冲。及即实现了时位的24进制。5.2智力竞赛抢答器5.2.1电路原理：抢答器主要是由四个三极管、和四个D触发器以及四个或非门构成，其中三极管是与主持人一起配合使用，用来控制是否开始抢答，当主持人将开关接地时，三极管截至，此时三极管可以当作一个二极管使用当有选手抢答时就通过三极管将信号传送给D触发器，D触发器在将信号传送给或非门并将其他选手锁存，同时将信号送给发光二极管与喇叭。其工作原理是当主持人按下抢答开关时，选手能进行抢答。当有选手抢答时，抢答信号就通过三极管传入D触发器，并且最先收到抢答信息的D触发器送出一个反馈信号将其余三位选手的信号封锁。以下设计的是智力抢答器的方案流程图：抢答控制器声光提示倒计时显示秒脉冲计时控制主持人控制图2-15.2.2总电路设计及说明（一）抢答器电路这个抢答器设计成可供四个人抢答使用，它的组成器件有：四个三极管、 四个D触发器（74LS74）、四个或非门以及用于起提示作用的发光二极管和扬声器。电路图如下： 图2-2 抢答器其工作原理如下：当主持人将开关拨至接通状态时，这样三极管处于截至状态，使选手无法抢答，整个抢答器处于被锁定状态，当主持人将开关断开时，三极管的集电极接高电平，这样三极管处于导通状态，当选手有抢答信号输入时可以通过三极管将信号传送给D触发器，而D触发器的作用则是判断选手的信号，并锁住其他选手的信号传入。首先，对于三极管的工作原理，主要是巧妙的利用了它的基极和集电极的电压关系来使三极管截至或导通即利用了三极管的开关作用。晶体三极管的电流放大作用 。晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将Ic/Ib的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。 晶体三极管的三种工作状态 截止状态：当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。 饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。 其次，而D触发器的的构成原件见下图：图2-3 D触发器此D触发器又叫维持阻塞边沿触发器，该触发器有六个与非门组成，其中啊a 和b构成基本RS触发器下面分析其工作原理：Sd和Rd接至基本RS触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当Sd=0且Rd=1时，不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，=0,即触发器置一；当Sd=1且Rd=0时，触发器的状态为0，Sd和Rd通常又称为直接置1和置0端。工作过程如下：、CP=0时，与非门c和g 封锁，其输出c=e=1，触发器的状态不变。同时，由于c至f和e至g的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，f=，g=D。、当CP由0变1时触发器翻转。这时c和e打开，它们的输出c和e的状态由f和g的输出状态决定。C= =D，e=。由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。、触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。C和e打开后，它们的输出c和e的状态是互补的，即封锁了D通往基本RS触发器的路径；该反馈线起了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用，故该反馈线称为置0维持线，置1阻塞线。e为0时，将c和g封锁，D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。维持阻塞D 触发器状态方程和状态真值表如下： 表2-4 D触发器真值表Sd RdCPD10001111000110101110111111通过对D触发器的解释，可以大致看出该抢答器的工作流程，其核心就是该D触发器。当主持人宣布开始抢答时，将开关S1断开，选手迅速按键，假设选手1首先按下抢答键，此时一号就输入一个相当于上升沿的脉冲使D1输出高电平同时将该高电平信号传送给或非门，通过或非门的判断将信号输送到其它选手的D触发器的R端并将其锁定使其无法输出信号。（二）计时器电路：设计的该计时器主要是由三个部分组成，一个是555定时器用来提供脉冲，一个是由3个JK触发器构成的减法计数器，最后一个组成部分是有CD4511译码器和数码管连接成的，用于显示时间，器构成图如下：图2-5 计时器电路图下面分别介绍各个部分的组成器件以及功能。定时器：555定时器内部结构的简化原理图如下，它由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电BJT以及缓冲器G 组成。定时器的主要功能取决于比较器的输出控制RS触发器和放电BJT T的状态。图中Rd为复位输入端，当Rd为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出Vo为低电平。因此在正常工作时，应将其接高电平。图2-6 555结构原理图由图可知，当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。当VI12/3Vcc，VI21/3Vcc时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端Vo为低电平。当VI12/3Vcc，VI21/3Vcc时，比较器C1输出高电平,比较器C2输出输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管截止，输出端Vo为高电平。当VI11/3Vcc时，基本RS触发器R=1、S=1，触发器状态不变，电路以保持原状态不变。表2-7 555功能表输入输出阀值输入（VI1）R出发输入（VI2）S复位（Rd）输出（Vo ）放电管T00导通2/3Vcc12/3Vcc01/3Vcc110导通1/3Vcc11不变不变减法计数器：图2-8 JK倒计时器电路图倒计时器的核心由该减法计数器构成，而该减法计数器则是由三个JK触发器构成的异步二进制减法计数器。其中J、K端都是悬空（相当于J=1、K=1）， 该减法计数器是将前一个触发器的端与下一个触发器的CP端相连。计数器的工作过程分为两步。第一步：计数器复位清零。在工作前应先对计数器进行复位清零。在复位控制端送一个负脉冲到各触发器Rd端，触发器状态都变为“0”，即Q1Q2Q3=000第二步：计数器开始计数。当第一个时钟脉冲的下降沿到触发器Fo的CP端是，触发器Fo开始工作，由于J=K=1，JK触发器的功能是翻转，触发器Fo的状态有“0”变为“1”，即Q0=1，由“1”变为“0”，这相当于一个脉冲的下降沿，它送到触发器F1的状态有“0”变为“1”，即 =1，由“1”变为“0”，它送到触发器F2的CP端，触发器F2的状态有“0”变为“1”，=1，三个触发器的状态均为“1”，计数器的输出为。当第二个时钟脉冲的下降沿到触发器Fo的CP端时，触发器Fo状态翻转，由“1”变为“0”， 则由“0”变为“1”，触发器F1的状态不变，触发器F2的状态也不变，计数器的输出为。当第三个时钟脉冲下降沿到触发器Fo的CP端时，FO触发器状态又翻转，由“0”变为“1”， 则由“1”变为“0”（相当于脉冲的下降沿），它送到F1的CP端，触发器F1状态翻转，由“1”变为“0”，由“0”变为“1”，触发器F2的状态不变，计数器的输出为101同样道理，当第四第七脉冲到来时，计数器的依次变为100、011、010、001。表2-9 3位二进制减法计数器状态表输入CP脉冲序号计数器状态000011112110310141005011601070018000数字显示器：此部分由CC4511译码器以及共阴极数码管组成，并且JK触发器的输出另接一个与非门，与非门再接一个发光二极管，用于提示作用。当第一个脉冲到来时，JK触发器输出=111，数码管上此时显示为7，再来一个脉冲，JK触发器又输出为110，此时显示6，依此类推，当JK触发器输出为000时，此时与JK触发器的输出端相连的与非门输出则变为1，使得扬声器发出声响提示选手抢答时间到了，不应再抢答。同时主持人断开倒计时器的开关停止计时。5.2.3电路仿真与调试结果首先将各个模块连接到一起后,注意检查各个部分是否连接正确,在确保连接无误的情况下.就能将整个电路进行防真。按动各个按键，看看各管脚的电平变化是不是正确的，同时观察各个集成器件的各个管脚的电平变化情况，以及数码显示器的显示是否正确.如有不正确的就将其逐个问题解决了再进行后面的调试，直到所有问题都解决了为止。当连接好所有电路后，首先主持人断开控制开关，宣布抢答开始，当有选手抢答时,该选手的指示灯闪烁，并且扬声器也鸣叫提示其他选手停止抢答，但该选手回答玩主持人的问题后，主持人宣布他回答是否正确。另外也测试了当主持人合拢抢答开