数字逻辑 实验报告 电子导航 哈工程

1、数字逻辑综合性实验设计报告 课程名称 数字逻辑实验 题目名称 简单电子导航模拟器设计 班 级 20120616 学 号 学生姓名 同组班级 20120616 同组学号 同组姓名 指导教师 武俊鹏、孟昭林、刘书勇、赵国冬2014年 06 月 摘 要随着生活水平提高，越来越多的人拥有了车并使用了导航仪，本实验就是用发光二极管以流水灯的形式来模拟导航过程，第几个发光二极管发光代表用户所在位置，首先初始化用户所在位置后通过按键控制数码管选择目的地的代号，另用一个开关控制开始导航，二极管即可以流水灯形式工作表示导航，同时用一个数码管显示移动的距离。关键词：模拟 ；电子导航 ；流水灯 ；距离；目 录1 需

2、求分析- 3 - 1.1 基本功能要求- 3 -1.2 创新拓展功能- 4 -1.3 设计原理- 4 -2 系统设计- 5 -2.1 系统逻辑结构设计- 5 -1） 初始位置设定- 5 -2） 目标位置设定- 9 -3） 位置显示- 9 -4） 判断模块- 12 -5） 里程表- 14 -2.2 系统物理结构设计- 16 -1）初始位置的设定- 16 -2）目标位置的设定- 18 -3 )位置显示- 18 -4.判断LED灯移动方向- 21 -5.里程记录器- 22 -2.3 实验器材- 24 -3 系统实现- 25 -3.1 系统实现过程- 25 -3.2 系统测试- 25 -3.3 系统最

3、终电路图- 26 -3.4系统团队分工- 27 -4 总结- 29 -参考文献- 30 -1 需求分析1.1 基本功能要求导航过程通过发光二极管来显示，初始化用户所在位置，即第几个二极管亮，然后通过按键控制数码管选定目的地代号，选好后，用另外一个按键给一个脉冲信号，让发光二极管以流水灯的形式，走到选定的二极管，发光二极管代表各个地点（暂定八个）。1.2 创新拓展功能 加入了里程表功能，可以显示导航过程中走过的距离（假定每个位置之间的距离相等）。在选定目的地时，不仅在数码管上显示目的地代号，并且点亮二极管相应位置的LED灯，在导航时同时显示目的地位置和实时的位置，导航结束时，两个点亮的LED重合

4、。1.3 设计原理用发光二极管以流水灯的形式来模拟导航过程，第几个发光二极管发光代表用户所在位置，首先初始化用户所在位置后通过三个开关控制数码管选择目的地的代号，另一个开关控制导航的开始，二极管就能以流水灯形式工作。因为设计要求使用8个LED灯代表8个不同的位置，则本设计使用了一个74LS193同步可逆双时钟计数器（二进制）来存储初始位置并通过74LS138来选定LED灯来表示当前的位置；另外用三个接有电源的开关来存储目的地位置，同样也通过74LS48来选定LED灯，并通过74LS48七段译码器在数码管上显示相应的数字；通过74LS85四位幅度比较器比较初始位置和目标位置的数值大小，根据74L

5、S85幅度比较器的输出来确定对74LS193进行加操作或减操作，直到两个数值相等时，停止对74LS193的操作。这样，初始位置的LED灯就移动到了目的地LED灯，就可以实现简单电子导航。2 系统设计2.1 系统逻辑结构设计经过对设计要求的分析，可将本实验划分为以下几个功能模块：1） 初始位置设定因为要可以选定8个位置，则使用三位二进制数A正好可以实现，用000到111分别表示8个不同的位置，同时可以对它进行加1操作或减1操作来实现导航过程中的移动，位置代号与三位二进制数对照表如下：表格1.1 位置代号与三位二进制数A对照表位置代号位置0位置1位置2位置3位置4位置5位置6位置7二进制数A000

6、001010011100101110111图1.1 数字A的状态转换图表1.2 数字A加1时的状态转换表Q2n Q1nQ0nQ2n+1 Q1n+1Q0n+1功能000001加1001010加1010011加1011100加1100101加1101110加1110111加1111000加1由表1.2得次态卡诺图：Q2n+1 Q1n+1Q0n+1 Q1nQ0n Q2n 0 0 0 1 1 1 1 0 001010100011101110000111 0 1由上面的卡诺图求出Qn+1 的表达式：Q0n+1 = 0n Q1n+1=1n Q0n+Q1n0n Q2n+1=Q2n1n+2n Q1n Q0n+

7、Q2n Q1n0n 若选用D触发器实现电路，则其驱动方程为：D0= 0n D1=1n Q0n+Q1n0n D2=Q2n1n+2n Q1n Q0n+Q2n Q1n0n 用D触发器组成的原理性逻辑图如下图所示，电路采用同步时钟CP控制。图1.2 A进行加1操作时的逻辑电路图 说明：上面F2F1F0输出分别表示Q2Q1Q0，仅当来一个脉冲CP时，Q2Q1Q0数值加1，并且数值是从000至111循环的。表1.3 数字A减1时的状态转换表Q2n Q1nQ0nQ2n+1 Q1n+1Q0n+1功能000111减1111110减1110101减1101100减1100011减1011010减1010001减1

8、001000减1由表1.3的其次态卡诺图Q2n+1 Q1n+1Q0n+1 Q1nQ0n Q2n 0 0 0 1 1 1 1 0 111000010001011100110101 0 1 由上面的卡诺图求出Qn+1 的表达式：Q0n+1 = 0n Q1n+1=1n2n +Q1n Q0nQ2n+1 =1n2n0n +Q2nQ0n+Q2nQ1n若选用D触发器实现电路，则其驱动方程：D0 = 0n D1=1n2n +Q1n Q0nD2 =1n2n0n +Q2nQ0n+Q2nQ1n用D触发器组成的原理性逻辑图如下图所示，电路采用同步时钟CP控制。图 1.3 A进行减1操作时的逻辑电路图说明：上面F2F1

9、F0输出分别表示Q2Q1Q0，仅当来一个脉冲CP时，Q2Q1Q0数值减1，并且数值是从111至000循环的。2） 目标位置设定目标位置在导航过程中不会发生改变，用三位二进制数正好表示8个位置，所以这里我们用三个开关来表示三位二进制数。开关闭合表示“1”，开关断开表示“0”，三位二进制数状态与位置代号对应表如下：表格2.1 位置代号与三个开关状态对照表位置代号位置0位置1位置2位置3位置4位置5位置6位置7三个开关s1s2s3状态000001010011100101110111当需要进行状态转换时，直接拨动开关就可达到目的。3） 位置显示(1)LED灯显示三位二进制数对应8个不同的状态，而目标位

10、置和初始位置都使用000到111来表示8个不同状态，则让000至111分别对应点亮8个LED中的一个即可完成该功能。三位二进制数状态与LED灯对应关系如下：表格3.1 三位二进制数点亮的LED灯对照表位置位置0位置1位置2位置3位置4位置5位置6位置7点亮LED灯灯0灯1灯2灯3灯4灯5灯6灯7三位二进制数状态000001010011100101110111(2)数码管显示因为只有8个位置，所以只要显示8个数字即可，目标位置用了三个开关来表示8个状态，与数码管数字的对照表如下：表格3.2 三个开关状态与数码管数字对照表数码管数字01234567三个开关s1s2s3状态0000010100111

11、00101110111图3.1 数码管状态转换图表3.3 数码管状态转换表 Q2n Q1nQ0nQ2n+1 Q1n+1Q0n+1功能000001显示1001010显示2010011显示3011100显示4100101显示5101110显示6110111显示7111000显示0由表3.3得次态卡诺图：Q2n+1 Q1n+1Q0n+1 Q1nQ0n Q2n 0 0 0 1 1 1 1 0 001010100011101110000111 0 1由上面的卡诺图求出Qn+1 的表达式：Q0n+1 = 0n Q1n+1=1n Q0n+Q1n0n Q2n+1=Q2n1n+2n Q1n Q0n+Q2n Q1

12、n0n 若选用D触发器实现电路，则其驱动方程：D0= 0n D1=1n Q0n+Q1n0n D2=Q2n1n+2n Q1n Q0n+Q2n Q1n0n 用D触发器组成的原理性逻辑图如下图所示，电路采用同步时钟CP控制。图 3.2 数码管显示的逻辑电路图说明：上面F2F1F0输出分别表示Q2Q1Q0，仅当来一个脉冲CP时，Q2Q1Q0数值加1，并且数值是从000至111循环的。4） 判断模块设定好初始位置和目标位置后，每一个位置对应一个三位二进制数，则可以通过判断初始位置对应二进制数A和目标位置对应二进制数B的大小，来判断对A进行加1操作还是减1操作：其逻辑关系如下图：图4.1 判断模块逻辑关系

13、因为输出有有三种状态，则至少用两位二进制来表示三种不同的状态，设为Y1Y2。表格4.1 AB大小关系与输出状态对照表A、B的大小关系A>BA<BA=BY1Y2状态100100对A操作减1加1不做任何操作图4.2 数据比较输出状态转换图表4.2 数据比较输出状态转换表Q1nQ0nQ1n+1Q0n+1状态判断1000A>B0100A<B0000A=B 由表4.2得到次态卡诺图Q1n+1Q0n+1 Q0n Q1n 0 1 000000X 0 1 由图求出表达式：Q0n+1 = Q1n Q0nQ1n+1 =Q1n Q0n若选用D触发器实现电路，则其驱动方程：Q0n+1 = Q1

14、n Q0nQ1n+1 =Q1n Q0n用D触发器组成的原理性逻辑图如下图所示，电路采用同步时钟CP控制。图 4.3 数据判断输出逻辑电路图5） 里程表里程表来表示移动距离，总共有8个LED灯，则最大的移动距离是7，所以只要用一个三进制二进制数C就可以表示移动的距离，也就是移动次数，当对A进行加1或者减1操作时，A移动一次，所以每次对A进行加1或者减1操作时都对C进行加1操作就可以实现里程计数功能，C的数值与里程数对照表如下：表格5.1 里程数与三位二进制数C数值对照表里程数01234567三位二进制数C数值000001010011100101110111图5.1 里程表状态转换图表5.2 里程

15、表状态转换表Q2n Q1nQ0nQ2n+1 Q1n+1Q0n+1功能000001加1001010加1010011加1011100加1100101加1101110加1110111加1111000加1由表5.2得次态卡诺图：Q2n+1 Q1n+1Q0n+1 Q1nQ0n Q2n 0 0 0 1 1 1 1 0 001010100011101110000111 0 1由次态卡诺图求出表达式：Q0n+1 = 0n Q1n+1=1n Q0n+Q1n0n Q2n+1=Q2n1n+2n Q1n Q0n+Q2n Q1n0n 若选用D触发器实现电路，则其驱动方程为：D0= 0n D1=1n Q0n+Q1n0n

16、D2=Q2n1n+2n Q1n Q0n+Q2n Q1n0n 用D触发器组成的原理性逻辑图如下图所示，电路采用同步时钟CP控制。图5.2 里程计逻辑电路图说明：上面F2F1F0输出分别表示Q2Q1Q0，仅当来一个脉冲CP时，Q2Q1Q0数值加1，并且数值是从000至111循环的，这样就实现了里程计的功能。2.2 系统物理结构设计1）初始位置的设定因为要可以选定8个位置，结合前面逻辑电路的分析，则使用三位二进制计数器正好可以实现，用000到111分别表示8个不同的位置，又因为需要能对它进行加1操作或减1操作，则此处我们用74LS193同步可逆双时钟计数器，取用 其低三位即可。其真值表如下所示：表6

17、.1 74LS193真值表初始位置设置电路图如下：图6.1 设定初始位置电路图说明：20、21、22线所连接的开关依次对应三位二进制数，开关闭合表示“1”，开关断开表示“0”，如图所示，表示A=010。 “确认输入【1】”、“清零【1】”中的“【1】”表示开关闭合实现相应功能。2）目标位置的设定 同样要求可以选定8个位置，但不用对其进行其他操作，则此处我们使用三个接电源的开关即可。3 )位置显示( 1）LED灯的显示三位二进制数对应8个不同的状态，而目标位置和初始位置都使用000到111来表示8个不同状态，为了让000到111这八个状态分别对应到8个LED灯，此处用74LS138三线-八线译码

18、器就可以实现。其真值表如下：表7.1 74LS138真值表但74LS138输出时有7个是高电位，1个是低电位，不能直接接到LED灯上，同时LED灯要可以同时显示初始位置和目标位置，则再使用8个与非门，把每个与非门分别接到两个74LS138上即可实现初始位置和目标位置都只点亮一个LED灯。举例分析如下：当初始位置A=01111111，目标位置B=11011111时，A、B的每一位经过与非运算得到输出Y=10100000,把这个信号输给8个LED灯，就可以只点亮第0位和第2位的LED灯。LED灯显示电路如下图： 图7.1 LED灯显示电路说明： 左侧74LS138中的ABC接初始位置A对应的二进制

19、数右侧74LS138中的ABC接目标位置B对应的二进制数( 2）数码管部分的显示 因为只有8个位置，所以只要显示8个数字即可，目标位置用了3个二进制数来表示，结合前面逻辑电路分析，则使用74LS48和一个数码管就可实现显示功能。74LS48真值表如下：表8.1 74LS48真值表电路连接如图：图8.1 数码管显示电路其中把D接低电位，只取ABC，三位二进制数与数字对应关系如下：ABC000001010011100101110111数字01234567里程计也使用数码管来显示，方式与上面相同，不再赘述。4.判断LED灯移动方向 如图7.1连接方式时，当A或B从小到大递增时，LED灯从左向右依次亮

20、起。 设初始位置值为A，目标位置值为B，当A<B时，初始位置在目标位置左侧，对A进行加操作，初始位置向右移动；当A>B时，初始位置在目标位置右侧，对A进行减操作，初始位置向左移动直到A=B，停止对A的操作，此时两个灯重合，完成导航功能。结合前面逻辑电路的分析，这个比较功能用74LS85四位幅度比较器可以实现，其真值表如下：表9.1 74LS85真值表说明：这里只用高三位即可。5.里程记录器每次初始位置移动都是给计数器脉冲，也就是给74LS193脉冲，把这个脉冲经过简单的逻辑运算，再输给另一个四位二进制加法器74LS163，让74LS163实现加法操作，同时取其低三位经过74LS48

21、译码器传给数码管，即可实现显示里程数的功能（假设每个LED灯之间的距离都相同）。74LS163真值表如下： 表10.1 74LS163真值表电路中还用到了与非门、或门和异或门，其真值表如下：74LS00真值表 74LS86真值表74LS32真值表2.3 实验器材1） 数字逻辑实验箱 1台2） 导线若干3）74LS00 2片74LS32 1片 74LS48 2片 74LS85 1片 74LS86 1片 74LS138 2片 74LS163 1片 74LS193 1片3 系统实现3.1 系统实现过程 选定题目后，先分析电路所要实现的功能，划分几个功能模块，然后再分别对各个模块进行逻辑功能分析，依次

22、画出状态转换图、次态卡诺图，求出表达式、驱动方程、再画出逻辑电路图，再结合逻辑功能设计出总的电路图。然后在Multisim仿真软件上进行仿真，其中遇到了很多问题，比如不会操作软件、不知道芯片名称等，最后主要通过上网查找资料学会了如何使用Multisim，并且了解了以及各个芯片的名称、引脚图和真值表，最终仿真成功并实现了所需的功能。仿真完毕，在领取芯片后，先对各个芯片进行了逻辑功能测试，确保各个芯片功能正常，然后按照电路图进行实物链接，期间也遇到了不少问题，比如接好电路后发现没有按预期效果显示，通过检测各个位置电位与预期电位是否相同逐步排查，发现其中一次是芯片电源正负极接反，一次是一个接头脱离了

23、电路板，还有一次是电路板的芯片底座故障，更换芯片位置后，功能恢复正常。最终，成功实现了简单电子导航功能和里程表功能。3.2 系统测试系统测试包括理论测试和实物测试。理论测试是在仿真环境Multisim中完成的，连接好电路后，分别取几组数据，通过仿真过程检测结果是否正确，通过多组测试，功能正常。实物的测试我们采用了先局部测试后总体测试的方法，比如目标位置设定模块，连接好该模块后我们对每个状态进行了测试，检查显示是否正确，这样做的好处是可以及时发现电路问题，其中我们就发现了数据比较器74LS85实物的输出与仿真环境不同，这是芯片不同造成的，我们及时发现了问题并做出了相应的改正。最终通过了测试，实现

24、了相应的功能。测试数据：A=000，B=111测试时，LED灯从最左边依次亮到最右边，并且里程表数码管从“0”依次增加到“7”，最终LED灯全部停在最右边，里程表数码管停在数字“7”。测试所得结果与预期结果一致，再多取几组数据进行测试，结果仍然与预期结果一致，说明电路正常并且实现了所要的功能。分析测试结果，说明电路工作正常，并可以实现以下功能：1） 通过三个开关设定初始位置，选择8个不同的位置。2） 用8个LED灯分别表示8个不同的位置。3） 用两个数码管分别显示目标地代号和里程数。4） 按下导航开关，可以实现自动导航功能，到达目的地时自动停止。3.3 系统最终电路图电路分析：当输入A=000

25、，B=111时，两个信号通过74LS138译码器的输出分别是Qa=011111111，Qb=11111110，经过分别经过与非门后的输出是Q=10000001，此时点亮的LED灯是灯0和灯7，灯0是初始位置，灯7是目标位置。按下导航开关后，电路开始导航，此时数据比较器输入A=000,B=111,A<B，此时输出Y1Y2=10，经过简单的逻辑运算后输入给74LS193芯片的UP、DOWN的电位是变化的脉冲和1，结合74LS193真值表，来一个脉冲，对A进行加1操作，此时A=001，此时与A相连接的74LS138输出Qa=10111111，和Qb=11111110与非运算后的输出是Q=01000001，LED0灭，LED1亮起，即初始位置向目标位置移动了一位，此时输入给数据比较器的数据A、B大小关系仍为A>B，则重复上述过程，即继续对A进行加1操作，则初始位置继续向目标位置移动，直到两个位置重合时，A=B=111时，数据比较器输出为00，经过逻辑运算后，接入74LS193芯片的UP、DOWN的电位是11，再结合74LS193真值表知，不再对A进行任何操作，则导航停止，并且完成了导航，在导航过程中，把每次输给74LS193的脉冲也输给里程表的加法器，由真值表知，每次来一个脉冲，就加1，整个导航过程对A加了7次，也就是7个脉冲，同