数字电路实验系统用户手册.doc

数字电路实验系统用户手册目录一 数字电路实验系统简介3二 数字电路实验软件说明41 软件简介42 安装说明43 软件界面说明74 运行已经存在的实验125 创建新的实验136 信号源的使用167 发光二极管和数码管的使用168 真值表和时序图的使用179 集成芯片器件的使用2110 结合数字电路实验箱使用2211 应用技巧及技术声明23三 数字电路实验箱说明261硬件简介262数字电路实验箱性能规格及特性273功能模块284实验箱使用及操作简介295基本功能30一 数字电路实验系统简介数字电路是高等职业学校和大学理工科的必修课程。在电子、 计算机等领域的实际工作中，它发挥着及其重要的作用。数字电路实验是这门课程重要的组成部分，充足的实验可以增加学生对这门课的兴趣，并可以提高学生的实际应用能力。然而在实际的教学中，由于课时和实验室资源的原因，学生没有足够的时间进行数字电路实验，课堂所学的理论知识就不能被充分的转化和吸收。为了更好的服务于数字电路课程的教学，我们在广大教师的帮助下，研发完成了数字电路实验系统。数字电路实验系统，有两个部分组成，分别是：1. 数字电路实验软件。2. 数字电路实验箱。数字电路实验软件，是该系统的创新之处。软件提供了逻辑层次的数字电路实验环境。软件为用户提供了各种门器件、编码器、译码器、加法器、各种触发器、组合逻辑器件、时序逻辑器件、脉冲信号源、发光二极管、数码管等数字电路常用器件。用户可以用这些器件自由的搭建各种数字电路。软件提供的“真值表”和“时序图”工具可以让用户方便的进行数字电路分析。数字电路实验软件还为用户提供了“输入”、“输出”器件，通过这些器件，软件可以实现与实验箱之间的软硬件交互。数字电路实验软件可以作为辅助工具应用于数字电路的课堂教学，可以作为数字电路实验教学的补充，也可以用于简单的数字电路设计。数字电路实验箱，是数字电路实验系统的硬件部分。在数字电路的实验教学中已经得到广泛的应用。其建立了一个真实的实验环境，并创造性的设计了计算机仿真交互接口。可与数字电路实验软件紧密配合，在计算机端实现实时的数据输出及分析。二 数字电路实验软件说明1软件简介：数字电路实验软件，是数字电路实验系统的重要组成部分。软件提供了逻辑层次的数字电路实验环境。软件为用户提供了各种门器件、编码器、译码器、加法器、各种触发器、组合逻辑器件、时序逻辑器件、脉冲信号源、发光二极管、数码管等数字电路常用器件。用户可以用这些器件自由的搭建各种数字电路。软件提供的“真值表”和“时序图”工具可以让用户方便的进行数字电路分析。数字电路实验软件还为用户提供了“输入”、“输出”器件，通过这些器件，软件可以实现与实验箱之间的软硬件交互。数字电路实验软件可以作为辅助工具应用于数字电路的课堂教学，可以作为数字电路实验教学的补充，也可以用于简单的数字电路设计。2安装说明：运行安装程序，软件将自动进行安装。在安装的过程中，可以设置项目安装的程序组，安装路径等信息。 设置程序安装的项目组：设置程序安装的路径：复制文件：安装完成，点击“完成”按钮将直接运行“数字电路仿真系统”。3软件界面说明：数字电路实验软件采用windows标准界面风格。主菜单下方是工具栏，工具栏中排列着常用功能的快捷按钮。窗体的左侧是器件箱，器件箱中排列着软件提供的所有对象的创建按钮，用鼠标点击这些按钮可以在实验区中创建相应的器件或对象。窗体的中间是实验区，数字电路的连接和编辑都是在实验区中进行的。实验区的下方是状态栏。数字电路实验软件的界面如下：（图）主菜单说明：文件新建：新建一个实验。打开：打开已经存在的实验文件。保存：保存当前正在编辑的实验。另存为：保存当前正在编辑的实验为其他文件名。打印设置：设置打印参数。打印：打印当前实验区的内容。退出：退出数字电路实验软件。编辑计算设置：设置当前实验与计算相关的参数。绘图设置：设置当前实验区中绘制对象的相关参数。剪切：剪切当前被选中的对象。复制：复制当前被选中的对象到剪贴板。粘贴：把剪贴板中的对象粘贴到实验区。删除：删除当前被选中的对象。属性：打开对象的属性编辑框。运行运行：运行实验区中的数字电路，等效于接通器件的电源。停止：停止实验区中的运行的数字电路。实例组合逻辑电路实例：时序逻辑电路实例：查看工具栏：显示/隐藏工具栏。器件箱：显示/隐藏器件箱。状态栏：显示/隐藏状态栏。全屏显示：全屏显示实验区工具栏说明：（图）器件箱说明：（图）选择按钮：点击该按钮，实验区处于选择状态，在实验区中可以通过鼠标点击选中器件或对象。导线：创建导线。焊接点：创建焊接点。焊接点可以使相交的导线导通。检测点：创建检测点。检测点一般放置在导线上，可以得到检测点处的电平信息。该信息可以被发光二极管、数码管、真值表和时序图使用。与门：创建与门。数字电路实验软件，提供了二输入与门、三输入与门，四输入与门、五输入与门和八输入与门。（图）或门：创建或门。软件提供了二输入或门、三输入或门，四输入或门、五输入或门和八输入或门。（图）非门：创建非门。与非门：创建与非门。软件提供了二输入与非门、三输入与非门，四输入与非门、五输入与非门和八输入与非门。（图）或非门：创建或非门。软件提供了二输入或非门、三输入或非门，四输入或非门、五输入或非门和八输入或非门。（图）与或非门：创建与或非门。异或门：创建异或门。同或门：创建同或门。半加器：创建半加器。全加器：创建全加器。RS触发器：创建RS触发器。软件提供了基本RS触发器、同步RS触发器和主从RS触发器。（图）D触发器：创建D触发器。软件提供了D触发器和边沿D触发器。（图）JK触发器：创建JK触发器。信号源：创建信号源。软件提供了高低电平控制器、时钟脉冲和可置数脉冲。时钟脉冲和可置数脉冲在其控制端C为高电平时工作。（图）常用组合逻辑芯片：创建常用的组合逻辑数字电路芯片。常用时序逻辑芯片：创建常用的时序逻辑数字电路芯片。发光二极管：创建发光二极管。软件提供了两种发光二极管，一种通过输入端得到电平信号，另一种通过关联“检测点”得到电平信号。（图）数码管：创建数码管。软件提供了三种数码管，7段数字数码管和两种带BCD编码输入的数码管。两种BCD编码数码管中，一种通过输入端得到电平信号，另一种通过关联“检测点”得到电平信号。（图）信号输入器件：创建信号输入器件。信号输入器件，可以通过实验箱采集到外部真实电路中的电平信号，并通过信号输入器件的输出引脚传递给其他器件。（图）信号输出器件：创建信号输出器件。信号输出器件，可以把其输入引脚得到的电平信号，通过实验箱输出到外部的真实电路中。（图）注释：创建文本注释对象。4运行已经存在的实验：数字电路实验软件自带了一些已经做好的数字电路。运行数字电路实验软件，然后点击工具栏中的“打开”按钮，或者从主菜单中点击文件打开，弹出打开文件的对话框，最后选择需要打开的文件。（图）这里我们打开的是“3位二进制异步计数器”电路。（图）3位二进制异步计数器是用三个边沿D触发器搭建而成的。两个高低电平控制器分别控制时钟信号CP，和计数器的清零。点击工具栏上的“运行”按钮 ，或从主菜单中点击运行运行菜单，即可运行当前的数字电路。“运行”可以理解为给实验区的电路接通电源。运行后，计数器处于清零状态，用鼠标双击控制清零端的高低电平控制器，使清零端为高电平，则计数器便开始工作了。连接计数器的发光二极管在依次闪烁，同时数码管显示着计数器当前的计数。用鼠标点击工具栏上的“停止”按钮，或从主菜单中点击运行停止菜单，即可停止当前的数字电路。“停止”可以理解为关闭实验区电路的所有电源。5创建新的实验：数字电路实验软件，可以自由的搭建各种各样的数字电路。下面以“数值比较器”电路为例，介绍数字电路实验软件创建电路的全过程。首先，点击工具栏中的“新建”按钮，清空当前的实验区。搭建一个1位数值比较器，需要两个非门，两个与门和一个或非门。点击器件箱中的“非门”按钮，然后在实验区中点击鼠标便可在实验区中创建一个非门，在实验区不同的位置再点击一下鼠标，可以继续创建非门，在这个例子中，需要创建两个非门。再用鼠标点击器件箱中的“与门”按钮，在弹出的二级器件箱中，点击二输入与门，用同样的方法，创建两个与门。最后再创建一个或非门。用鼠标点击器件箱中的“选择”按钮，可以使实验区处于选择状态。这时，用鼠标点击实验区中的器件可以将其选中，按下鼠标左键移动鼠标，可以改变的器件的位置；点击工具栏上的“旋转器件”按钮，可以把选中的器件逆时针转90度；点击，可以把选中的器件顺时针转90度。接下来，创建导线，连接器件的各引脚。用鼠标点击器件箱中的“导线”按钮，再在实验区中，点击需要连接的器件引脚。导线在创建过程中，导线的两端只能连接器件的引脚或焊接点，如果在其他位置点击鼠标，则导线将在该处进行折弯。按下图所示连接电路。（图）最后，创建两个高低电平控制器，控制电路的输入；再创建两个发光二极管，显示电路的输出。为了使电路容易被理解，还可以添加一些文字注释。这样，1位数值比较器就搭建完毕了。点击工具栏上的“运行”按钮，可以使电路处于工作状态，用鼠标双击高低电平控制器可以改变电路的输入。当A、B同处于低电平或高电平时，中间的发光二极管发光；当A为高电平B为低电平时，最上面二极管发光；当A为低电平，B为高电平时，最下面的二极管发光。用两个1位数值比较器和一些简单的门电路可以搭建出2位数值比较器。可以通过复制、粘贴的方法，创建出另一个1位数值比较器。按下图所示搭建2位数值比较器。（图）为了使搭建的电路有比较强的结构感，我们可以改变功能模块器件的颜色。用鼠标框选需要改变颜色的器件，然后用鼠标右键点击被选中的器件，在弹出的菜单中点击“绘制设置”。在弹出的对话框中进行相应的修改，再点击“确定”按钮即可完成对所选器件外观的修改。 （图）6信号源的使用：数字电路实验软件提供了三种信号源，分别是“高低电平控制器”、“时钟脉冲信号源”和“可置数脉冲信号源”。（图）高低电平控制器有两种状态，高电平状态和低电平状态。通过双击实验区中的高低电平控制器，可以改变它的输入状态。时钟脉冲信号源和可置数脉冲信号源有一个控制端C和一个信号输出端O，当控制端C为高电平时，信号源开始工作，输出脉冲信号；当控制端C为低电平时，信号源停止工作，根据用户设置，输出常高或常低电平。用鼠标右键点击实验区中的脉冲信号源，在弹出菜单中点击属性，可以弹出“信号源设置”对话框。在对话框中可以设置脉冲信号的相关属性。（图）7发光二极管和数码管的使用：发光二极管和数码管用于显示数字电路的状态。数字电路实验软件提供了两种发光二极管和三种数码管。两种发光二极管分别是：有输入端引脚的发光二极管和无输入端引脚的发光二极管。有输入端的发光二极管可以直接连接其他器件的输出引脚，当输入端测得信号为高电平时，发光二极管发光。（图）无输入端的发光二极管必须关联检测点，当检测点测得的信号为高电平时，发光二极管发光。用实验区中，用鼠标右键点击无输入端的发光二极管，在弹出的菜单中点击属性，弹出“发光二极管设置”对话框。在对话框中可以设置发光二极管关联的检测点。（图）数字电路实验软件提供的三种数码管分别是：七段共阴极数码管、带BCD编码的数码管和关联检测点的BCD编码数码管。七段共阴极数码管有8个输入端，分别控制7段条形发光二极管和点形发光二极管。带BCD编码的数码管有四个输入端A、B、C、D，以二进制的形式输入，数码管根据4个输入信号显示对应的数值。关联检测点的BCD数码管没有输入端，通过设置其关联的检测点显示数值。（图）8真值表和时序图的使用：为了辅助数字电路的分析，数字电路实验软件提供了真值表工具和时序图工具。真值表和时序图，只有当实验区的电路处于运行状态时才能采集到电路状态。它们关联的都是检测点的状态，所以它们必须和检测点一起使用。下面以“4线2线编码器”电路为例，说明真值表的使用。首先从软件自带的例子中打开“4线2线编码器”文件。在这个电路中，已经放置6个检测点：4线输入端A、B、C、D和2线输出端Y0、Y1。（图）用鼠标点击工具栏上的“真值表”按钮，可以弹出真值表窗体。第一次打开真值表窗体时，软件会对真值表的记录项进行自动设置。打开的窗体如下图所示。该窗体的大小可以手动调整，以适应表格的长度。（图）点击“默认设置”按钮，软件将自动把当前实验区中的检测点，按照顺序依次列在真值表的第一行中作为采集的对象。点击“记录项设置”按钮，软件会弹出“记录项设置”对话框，在此对话框中可以详细的设置真值表所关联的检测点对象。（图）点击“记录方式设置”按钮，软件会弹出“记录方式设置”对话框。数字电路实验软件为真值表提供了两种可选的记录方式：a.手动纪录方式；b.状态改变时自动记录方式。选择方式a时，点击“真值表”窗体中的“手动记录”按钮，即可采集到检测点状态（高电平或底电平）；选择方式b时，当真值表所关联的任意一个检测点状态发生变化时，真值表将自动记录一组数据，此时“手动记录”按钮仍然具有采集功能。无论是哪一种方式，只有在实验处于运行状态下“采集”才有意义。“真值表”窗体中的“清除”按钮用于清除真值表采集的内容。“导出”按钮可以把真值表中的数据导出到Excel中，当然该功能正确执行的前提是计算机中需安装有Excel软件。下图是用“手动记录”得到的4线2线编码器的真值表。（图）时序图窗体的操作方式与真值表窗体的操作方式相类似。下面以“由四个D触发器构成的 2 4 8 16 分频器”电路为例说明时序图工具的使用。（图）首先从软件自带的例子中打开这个文件。用鼠标点击工具栏上的时序图按钮，可以弹出时序图窗体。第一次打开时序图窗体时，软件会对时序图的记录项进行自动设置。打开的窗体如下图所示。该窗体的大小可以手动调整。（图）在时序图窗体的左上角，有一个编辑框可以设置时序图时间坐标的比例，单位是秒/格。点击“开始记录”按钮，时序图窗体便开始记录检测点的状态随时间变化的情况。点击“停止记录”按钮即可停止当前的记录。时序图也必须是在实验处于运行状态时才能正常工作。当点击“开始记录”按钮时，如果实验处于停止状态，则软件会自动运行实验。“导出”按钮，可以把当前所记录的时序图保存为图片。下图为用时序图窗体记录的该数字电路的时序图。（图）9集成芯片器件的使用：数字电路仿真系统，为客户提供了课本中常用的集成芯片。点击器件箱中的，集成芯片按钮，弹出“集成芯片”对话框。在对话框可以选择常用的组合逻辑集成芯片或常用的时序逻辑集成芯片。选中芯片后点击“确定”按钮，再在实验区中点击鼠标，该芯片即被创建在实验区中。（图）下图为使用集成芯片74LS47搭建的数码显示电路。（图）10结合数字电路实验箱使用：数字电路实验系统由数字电路实验软件和数字电路实验箱两个部分组成。既可以用来做真实的数字电路实验，也可以在计算机中通过仿真来搭建和设计各种各样的数字电路。同时软件和实验箱之间还可以进行交互。数字电路实验软件可以通过它的“输入器件”采集到实验箱中的真实电平信号；也可以通过它的“输出器件”把软件仿真得到的电平信号输出到实验箱上成为真实的电压信号。11应用技巧及技术声明：以下是数字电路实验软件的一些应用技巧和相关的技术说明。(1).关于“计算设置”的说明：从主菜单中点击编辑计算设置，可以弹出“计算设置”对话框。（图）这是一个很重要的对话框。数字电路实验软件有两种不同的计时方式来配合仿真计算：真实时间和虚拟时间。当采用“真实时间计算”时，软件首先读取真实时间，根据真实的时间得到各脉冲信号源的电平，经过计算得到电路当前的状态，并通过发光器件、真值表或时序图表现出来；然后，再次读取真实时间,以此循环。真实时间计算的好处是，计算过程中所采用的时间与真实时间一致，在低频情况下，软件仿真出的效果与真实电路的效果基本相同，并可以通过“输入”“输出”器件与外部硬件同步工作。这种计时方式的缺点是：由于软件计算对时间的消耗，因此该方式只能适用于低频情况下，一般频率不要超过20HZ。以下类型的数字电路适合“真实时间计算”：组合逻辑电路，低频的时序逻辑电路，与外部硬件有状态交互的电路。由于在学习数字电路的过程中，大部分的时间是对数字电路进行分析或功能设计，需要在低频的情况下研究数字电路的状态和状态变化，因此该方式比较常用。软件在默认情况下，以此方式进行计算。当采用“虚拟时间计算”时，还需要设置两个参数：“计算步长”和“器件延时”。“虚拟时间计算”方式时，软件先读取虚拟时间（一个变量，用来表示时间），根据虚拟时间得到各脉冲信号源的电平，经过计算得到电路当前的状态，并通过发光器件、真值表或时序图表现出来；然后软件设置虚拟时间=虚拟时间+计算步长,以此循环。这种计算方式的优点是，可以进行任意频率的数字电路仿真，一般设置“计算步长”小于最小脉冲周期的1/10或更小；缺点是，虚拟时间和真实时间不同步，另外要人工设置“计算步长”、“器件延时”等参数。以下情况适用于“虚拟时间计算”：脉冲频率较高的数字电路，展示竞争冒险现象。(2).关于竞争冒险：“竞争冒险”是数字电路中由于器件延时而产生的现象。所有的数字电路器件都有延时，软件中的器件也不例外。采用“真实时间计算”时，器件的延时为一步计算所消耗的时间，一般小于1ms。下图为采用“真实时间计算”时，用时序图采集到的竞争冒险现象。（图）（图）采用“虚拟时间计算”时，可以设置“器件延时”为若干个计算步长。这样可以人为的扩大器件延时，得到更加清晰的时序图来解释竞争冒险的产生过程。下图为“虚拟时间计算”时，采集的时序图。（“计算步长”设置为1e-6秒，“器件延时”设置为5000步长，时序图比例设置为0.02秒/格。非门和与门都有延时。）（图）(3).关于“绘图设置”的说明：数字电路实验软件提供了两种方法可以改变对象的绘制参数。用鼠标右键在实验区中选择器件，在弹出菜单中点击绘制设置，可以弹出“绘制设置”对话框，用该对话框可以修改被选中器件的绘制参数。另一种方法是从主菜单中点击文件绘图设置，弹出“绘图设置”对话框。如下图所示。在这个对话框中可以对全局的绘制参数进行设置。（图）在这个对话框中，不仅可以对各种类型器件的绘制参数进行设置，还能对实验区、导线、焊接点和检测点的绘制参数进行设置。点击确定后，软件将根据每一项设置修改所有对象的绘制参数。在创建新对象时，软件将按此对话框的设置赋予对象绘制参数。三 数字电路实验箱说明1 硬件简介：数字电路实验箱，是数字电路实验系统的另一重要组成部分。其提供了真实的数字电路实验环境。实验箱为用户提供了与PC数据交换接口、标准电源、多位数字信号输入、多段数码管输出、编码数码管输出、LED输出、各类信号源、标准器件及各式数字电路所用的长寿命插座等数字电路常用器件，用户可以方便的搭建各种数字电路。实验箱提供数据交换接口可以与软件进行交互。让用户便捷的与计算机实时交换数据，方便的进行数字电路分析。2 数字电路实验箱规格性能及特性：(1). 接口部分：数字电路实验箱通过USB1.1接口与计算机进行通信。提供8路并行TTL电平数字信号输入/输出接口，可直接驱动多个TTL/CMOS电路。输入/输出接口交互采样频率100Hz，独占方式采样频率10000Hz，独占方式输出频率10000Hz。(2). 电源部分：输入: AC220V士10。输出: DC 5V/1A（三重过载保护）、DC 1.25V15V/0.2A连续可调带（双重过载保护）。采集及数据交换部分由USB独立供电。(3). 电源部分：信号源：单脉冲（MONO PULSES）为消抖动脉冲，前后沿20ns，脉冲宽度0.2s，脉冲幅值为TTL电平。连续脉冲（CONT PULSES）两组： 一组为4路固定频率方波（FIX CONTPULSES）。频率分别200KHZ、100KHZ、50KHZ、25KHZ。一组为1HZ5KHZ连续可调方波，分二由开关切换，两路输出均为TTL平。可预置记数脉冲信号，可预置数099。频率由连续脉冲给出，输出为TTL电平。(3). 逻辑输入/输出：设计16组独立逻辑电平开关（LOGICAL LEVEL）可输出“O”、“1”电平。设计2组8段逻辑电平开关（LOGICAL LEVEL）可输出“O”、“1”电平。设计2组16位电平显示（LEVEL INDICATORS）由红色LED及驱动电路组成。设计2 组BCD码二进制七段译码器与相应的共阳 LED数码显示管已连接好。只要接通+5V直流电源，并在每一位译码器的四个输入端处加入四位 0000-1001 之间的代码，数码管即显示出 0-9的十进制数字。设计1 组2位七段LED数码管显示。由2位七段LED数码管及驱动电路组成。(4). 实验区结构：提供长寿命双列直插式集成电路插座：14脚6只、16脚4只、18脚2只、20脚1只、24脚1只、28脚1只、40脚2只，以供实验之用。元件库：由单刀双置开关2只、电位器4只及二极管、阻容元件等构成，其参数均会标明。提供1组自由接插元件插座，以供元件的灵活使用。3 功能模块：1. 短路保护及电源2. 自定义元件接口3. 1.5-15V/0.2A连续可调电压4. 5V/1A定值电压及接地5. 2组16位电平显示6. 2位8421编码共阳LED数码管显示7. 2位7段共阳LED数码管显示8. 单脉冲输出9. 连续可调频率脉冲及可置数脉冲10. 固定频率脉冲11. 电位器12. 逻辑电平组13. 16组独立逻辑电平14. 测试点15. 输入/输出数据交换接口模块16. 二级管及标准阻容元