数字电路课程设计课件.ppt

1、贵州大学大数据与信息工程学院学院贵州大学大数据与信息工程学院学院电子科学系电子科学系马光喜马光喜在学完数字电路课程后，为了巩固同学们所学的基础知识和基础知识的应用，提高独立思考问题；分析问题和解决今后工作中的实际问题的能力，为了把同学们培养成为既有理论知识又有实际动手能力的良好素质人才，特针对数字电路课程，开设数字电路设计的实训课，其目的是通过设计、制作、帮助同学们掌握简单数字系统的设计和制作方法，让同学们学会查阅有关资料，使他们将学过的知识融会贯通。教学目标（一）课程性质课程设计。（二）课程目的数字电路课程设计是数字电子技术课程的实践性教学环节，是对学生学习数字电子技术的综合性训练，这种训练

2、是通过学生独立进行某一课题的设计、安装和调试来完成的，训练学生综合运用学过的数字电路的基本知识，独立设计比较复杂的数字电路的能力。通过数字电路课程设计要求学生：1、综合运用电子技术课程中所学到的理论知识，独立完成一个设计课题。2、通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析和解决实际问题的能力。3、了解常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则。4、学会电子电路的安装与调试技能，掌握电子电路的测试方法。5、掌握常用电子仪器的使用方法。6、学会撰写课程设计总结报告。7、培养学生严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。二、教学内容基本要求及学时分配1、课程设计题目算术运算单元ALU的设计，软件仿真一人

3、一组，硬件搭建二人一组。2、设计内容 拿到题目后首先进行电路分析设计，在满足设计要求后，再进行硬件电路搭建（在面包板上实现），实验结果不满足要求，则修改设计，直到满足要求为止。3、设计要求 (1)按题目要求的逻辑功能进行设计，电路各个组成部分须有设计说明；(2)使用Multisim来做出仿真电路；(3)经过老师检查后，领器件在面包板上搭建出硬件电路，调处正确的结果；(4)写设计报告书，总结这次课程设计的体会。三、主要教学环节（一）设计安排 1.课程设计时间为二周共32学时，2学分；2、教学安排 讲授设计需要的硬件、设计的要求、布置设计题目；学生进行设计；学生搭建硬件电路、调试 教师检查学生设计

4、和搭建调试后硬件，合格后学生写课程设计报告。（二）指导与答疑 每天都有教师现场答疑，学生有疑难问题可找教师答疑。学时应充分发挥主观能动性，不应过分依赖教师。（三）设计的考评 设计全部完成后，须经教师验收。验收时学生要讲述自己设计电路的原理、演示软、硬件实验结果。教师根据学生设计的软硬件全过程的表现和验收情况给出成绩。四、课程设计报告的内容和要求（一）课程设计报告的内容 按附录中给出 的报告模板进行编写，用A4纸打印，左侧装订。（二）课程设计报告编写的基本要求（1）按设计指导书中要求的格式书写，所有的内容一律打印；（2）报告内容包括设计过程、分析、硬件设计结果及分析；（设计结果及分析和感受要求手

5、写）（3）要有整体电路原理图、各模块原理图；五、考核内容与成绩评定五、考核内容与成绩评定 1考核内容：设计能力 实验结果 安装调试情况 总结报告情况 出勤和设计及调试过程的学习态度，工作作风和科学态度 2成绩评定：（1）设计的正确性和合理性 20分（2）硬件搭建 20分（3）实际操作，调试、效果 40分（4）总结报告 20分六、算术运算单元ALU的设计课程设计的步骤：一、确立制作思路二、查阅有关资料绘制设计初稿三、根据初稿再查阅有关资料，反复修改设计稿以取得正确的理论知识的支撑，并绘出各部分的电路图 四、按所设计的电路去选择、测试好元器件、并装配电路（面包板）。五、调试。六、若组装时出现的故障

6、，需要依据所学知识独立思考、找出问题的根源，并排除产品的故障七、准备设计报告七、设计要求1、设计4位ALU，可实现8种算逻运算。要求：（1）进行两个四位二进制数的运算。（2）算术运算：A+B,A-B,A+1,A-1（3）逻辑运算：A and B,A or B,A not,A xor B2、采用总线方式（4位），实现输入A3A0、B3-B0，采用4只开关分2次输入A和B数据。3、8种算逻运算通过3位功能选择开关选择某一种功能。（例如：000-加，001减，.)4、要求输入A和B后，各设置一个数码管显示锁存后的A数和B数（搭硬件时不用）5、要求输入A和B后，各设置四只发光管显示锁存后的A数和B数（

7、搭硬件时要用，例如：输入9-显示:亮灭灭亮）6、运算结果用一个数码管显示（显示0F)和四只发光管显示（软硬件都必须有）7、用2只发光管显示进借位和显示溢出。例如：0101（5）+0100（4），显示1001（9），进借位发光管灭，溢出发光管亮 9、ALU工作按节拍步骤进行。例如：第一拍-输入A3A0(打开A锁存)第二拍-输入 B3B0(打开B锁存)第三拍-运算并输出显示(打开A、B三态门，锁存器输出A、B送ALU)第四拍-复位(关闭A、B锁存器输出)要求设计一个节拍发生器，用一个按钮开关，每按一次发出一个节拍。八、原理框图显示模块ALUA输入锁存功能选择B输入锁存D3D0节拍发生器+5VA缓冲

8、三态门缓冲三态门B缓冲三态门缓冲三态门4开关开关输入输入A、B数数3开关设置开关设置8功能功能九、绘制总体电路图根据4位ALU要求设计或选定各单元电路按原理的顺序组合起来，组成总电路图，在绘制电路时应注意以下几点：（1）各单元电路的电源、公共地线连接在一起，各电路的电源电压值应按要求接入相应的接线端。（2）各单元的输入，输出信号应按要求首尾相接，且应符合匹配关系。（3）需要控制的信号端，应对应开头元件（含开关电路）（4）集成电路或其他元件多余的功能端不用时，可不画出来以保持电路总图的简捷和清晰。（5）不得采用大规模集成电路，电路要求选用单元电路芯片（5）装配完后，按电路原理测试各点的工作电压，

9、以判断其工作是否正常。十、电路的装配及调试（1）同学们需按电路的原理图，绘制出接线图。（2）清总元器件个数。（3）用“万用表”测试元器件质量的好坏。（4）把元器件按接线图搭建在面包电路板上十一十一 简单的输入简单的输入/输出接口芯片输出接口芯片在外设接口电路中，对传输过程中的信息进行放大、在外设接口电路中，对传输过程中的信息进行放大、隔离以及锁存的就是缓冲器、数据收发器和锁存器。隔离以及锁存的就是缓冲器、数据收发器和锁存器。1、仅含三态缓冲器的并行接口电路：由单向或双向三、仅含三态缓冲器的并行接口电路：由单向或双向三态门组成，可用做总线缓冲器态门组成，可用做总线缓冲器/驱动器。主要有：驱动器。

10、主要有：intel8216/8226（4位）、位）、SN74/54系列系列 240/241/244/245.2、仅含数据锁存器的并行接口电路：由触发器组成的、仅含数据锁存器的并行接口电路：由触发器组成的数据锁存器。主要有数据锁存器。主要有SN74/54系列系列377/378/379/273/176/276等。等。3、兼备数据锁存器和三态缓冲器的并行接口电路：常、兼备数据锁存器和三态缓冲器的并行接口电路：常见的有：见的有：intel8212、SN74/54系列系列 240/241/244/245/3734、74系列器件系列器件74 ；标准型；标准型TTL74L ；低功耗型；低功耗型TTL74S

11、；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、锁存器、锁存器74LS373：是是8D锁存器，具有三态驱动输出，由锁存器，具有三态驱动输出，由8个个D门组成，门组成，8个输入端个输入端1D8D、8个输出端个输出端1Q8Q，2个控制端个控制端 G和和OE。74LS373的锁存的锁存器功能见下表。器功能见下表。OE74LS373锁存器逻辑电路和引脚图表 74LS373的真值表H为高电平，为高电平，L为低电平，为低电平，Q0为原状态，为原状态，Z为高阻抗，为高阻抗，为任为任意值。意值。74LS373锁存

12、器主要用于锁存地址信息、数据信息以及锁存器主要用于锁存地址信息、数据信息以及DMA页面地址信息等。页面地址信息等。常用的锁存器还有常用的锁存器还有74LS273，573，Intel 8282和和8283等等使能G输出允许OE输入输出QHLLLHLHHLLQ0HZ9、缓冲器74LS244三态输出的八缓冲器和线驱动器；8个输入端，分为二路1A11A4，2A12A4；8个输出端，分为二路1Y11Y4，2Y12Y4；分别由2个门控信号 和 控制；和 为低，芯片工作，Y=A；74LS244缓冲后，输入信号被驱动，输出信号的驱动能力加大了；常用的缓冲器还有74LS240和74LS241等。G1G2G1G2

13、74LS244缓冲器逻辑电路和引脚图缓冲器逻辑电路和引脚图10、数据收发器、数据收发器74LS245三态输出的三态输出的8总线收发器；总线收发器；16个双向传送的数据端，个双向传送的数据端，A1A8，B1B8；两个控制端两个控制端使能端使能端 和方向控制端和方向控制端DIR；芯片的功能见表。芯片的功能见表。表表 74LS245的真值表的真值表通常用于数据的双向传送、缓冲和驱动。通常用于数据的双向传送、缓冲和驱动。常用的数据收发器还有常用的数据收发器还有74LS243、Intel 8286、Intel 8287等等使能方向控制DIR传送方向LLBALHABH隔开GGG74LS245八总线收发器逻

14、辑电路和引脚图 74181 算术逻辑单元/函数发生器 74283 4位二进制全加器 74151 8选1数据选择器 74136 四异或门每一条金属片插入一个塑料槽，每一条金属片插入一个塑料槽，在同一个槽的插孔相通，不同槽在同一个槽的插孔相通，不同槽的插孔不通。的插孔不通。插槽和插孔每一条金属片插入一个塑料槽，每一条金属片插入一个塑料槽，在同一个槽的插孔相通，不同在同一个槽的插孔相通，不同槽的插孔不通。槽的插孔不通。三组五孔相通一组五孔相通不同槽的插孔相通不通五孔一组铜片十五孔一组铜片集成块插法导线剥头的长度比面包板厚度略短，转弯处留1mm绝缘层，绝缘层太长会因为绝缘层插入导电孔而不导通。铜线太短

15、也会因接触不良而不导通。铜线太长容易引起短路铜线必须插入金属孔中，特别在金属孔位置靠边时，容易插到边上空白处，引起接触不良，用万用表也难以测量。由于集成块引脚间与距离与插孔位置有偏差，必须预先调由于集成块引脚间与距离与插孔位置有偏差，必须预先调整好位置，小心插入金属孔中，不然会引起接触不良，而整好位置，小心插入金属孔中，不然会引起接触不良，而且会使铜片位置偏移，插导线时容易插偏。且会使铜片位置偏移，插导线时容易插偏。此原因引起的此原因引起的故障占总故障的故障占总故障的60%以上。以上。两个三组五孔和中间四组五孔相通接通，整行连通。常用来接电源和接地左边整列连通，右边整列接通。常用来外接电源和地

16、导线量好长度后，剥好线头、根据走线位置折好后插入面包板。走线方向为“横平、竖直”整块板上的元器件的布局要合理，使走线距离短、接线方便、整洁美观。一根导线可以直通的地方尽量只用一根线，用多根导线转接费事又容易出错。多个孔接同一个地方时，可以串接，以减少走线距离。在接线以前要把导线拉直，不然会板面不整洁。整根导线在圆角硬物上摩擦会拉直。在数字系统中，减法、乘法和除法的核心都是加法，因此加法器是计算机的基本运算单元，在逻辑电路中经常使用。半加器和全加器是算术运算电路中的基本单元，它们是完成1位二进制数相加的一种组合逻辑电路。十四、常用的组合逻辑电路设计十四、常用的组合逻辑电路设计 不考虑低位进位的加

17、法器称半加器。设A为被加数，B为加数。本位和为S，本位进位为C，根据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，本位进位C的表达式：表表半加器真值表半加器真值表ABSC0011010101100001 如图（a）所示，（b）图为半加器的符号。图图 半加器半加器 半加器只是解决了两个一位二进制数相加，没有考虑来自低位的进位。如果要多位二进制数相加，必须同时考虑来自低位的进位，这种加法器称全加器。全加器真值表如表所示，表中Ai为被加数；Bi为加数；本位和Si；进位Ci，低位进位Ci-1。根据全加器的概念得出全加器真值表如下页表所示。1iCiAiBiSiC0 01 10 01 1

18、0 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 根据表达式画出全加器逻辑图如图（a）所示，图（b）是全加器的符号。(a)逻辑图逻辑图 (b)符号符号图图 全加器电路全加器电路 用全加器可以实现多位二进制加法运算，实现四位二进制加法运算的逻辑图如图所示。图中低位进位输出作为高位进位输入，进位信号是后级向前级一级一级传输的。图图 四位二进加法器逻辑图四位二进加法器逻辑图 集成四位二进制加法器74283采用了

19、超前进位方式。74283逻辑符号及引脚图如图所示。图图 4位二进制加法器位二进制加法器 74283的逻辑符号、引脚图的逻辑符号、引脚图 (1)七段发光二极管(LED)数码管 LED数码管是目前最常用的数字显示器，图(a)、(b)为共阴管和共阳管的电路，(c)为两种不同出线形式的引出脚功能图。一个LED数码管可用来显示一位09十进制数和一个小数点。小型数码管（0.5寸和0.36寸）每段发光二极管的正向压降，随显示光（通常为红、绿、黄、橙色）的颜色不同略有差别，通常约为22.5V，每个发光二极管的点亮电流在510mA。(a)共阴连接（“1”电平驱动）(b)共阳连接（共阳连接（“0”电平驱动电平驱动

20、）图 LED数码管 此类译码器型号有74LS47（共阳），74LS48（共阴），CC4511（共阴）等。以CC4511 BCD为例，图为CC4511引脚排列图。图图 CC4511引脚排列引脚排列 其中：A、B、C、D 8421 BCD码输入端。a、b、c、d、e、f、g 译码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极LED数码管。LT 测试输入端，“0”时，译码输出全为“1”。BI 消隐输入端，“0”时，译码输出全为“0”。LE 锁定端，LE“1”时译码器处于锁定（保持）状态，译码输出保持在LE0时的数值，LE0为正常译码。表为CC4511功能表。CC4511内接有上拉电阻，故只需在输出端与数码管

21、各段之间串入限流电阻即可工作。译码器还有拒伪码功能，当输入码超过1001时，输出全为“0”，数码管熄灭。在实际应用中，将十进制数的BCD码接至译码器的相应输入端A、B、C、D即可显示09的数字。四位数码管可接受四组BCD码输入。CC4511与LED数码管的连接如图所示。图图 CC4511驱动一位驱动一位LED数码管数码管(三三)补码加、减运算规则补码加、减运算规则在计算机中可进行两种运算：算术运算和逻辑运算。算术运算时，参与运算的二进制数码表示的是数值大小。常见的算术运算有加、减、乘、除、乘方、开方等。一般计算机中都提供了加、减、乘、除指令，其他更复杂的算术运算要利用算术变换成基本的四则运算来

22、实现。从硬件实现的角度看，各种算术运算的基础是加、减运算。对于补码机，加法运算又是基础的基础。补码的加减法运算规则：XY补=X补+Y补其中，X、Y为正、负数均可。该式说明，无论加法还是减法运算，都可由补码的加运算实现，运算结果（和或差）也以补码表示。若运算结果不产生溢出，且最高位（符号位）为0，则表示结果为正数，最高位为1，则结果为负数。根据上节所述，对于减法运算,因为X-Y补=X+（-Y）补=X补+-Y补，所以计算时，可以先求出-Y的补码，然后再进行加法运算，这样在用逻辑电路实现减法运算时，可以只考虑用加法电路，而不必设置减法电路。实现补码加减运算电路如图所示。在图中，被加数（或被减数）X和

23、加数（或减数）Y分别存放在A寄存器和B寄存器中。当执行加法运算时，执行X补+Y补，将X补和Y补从A寄存器和B寄存器送到加法器的两个输入端。当执行减法运算时，执行Y补的各位取反（即01,10）,然后在最低位加1，即可得-Y补。假设Y=0011，则-Y的真值应等于-0011。根据上述方法，先取Y数中的各位的反值，得1100，然后在最低位加1，即1100+0001=1101。该值正好是-Y的补码。在逻辑电路中。ALU由多个全加器及其他电路组成。每个全加器有三个输入端，其中一个接收从低位来的进位信号，而最低位恰好没有进位信号输入，因此可用来作为“+1”信号，于是可归纳出以下运算方法：（1）执行加法时的

24、运算方法：）执行加法时的运算方法：AALU,BALU,加减控制加减控制=0 C0。S=A+B+C0=A+B（2）执行减法时的运算方法：）执行减法时的运算方法：ALU,B经异或逻辑经异或逻辑 ALU，加减控制，加减控制=1 C0。S=A+B+C0=A+B+1=A+-B补补=A-B（3）执行）执行A+1、A-1的运算方法：的运算方法：A+1=A+(0001)A-1=A-(0001)=A+(1111)（2）进借位产生 加法：C4=FA3向更高位的进位 借位：C4=FA3向更高位的进位的非 例如：0100（4）-0101（5）=0100+1011 （1011是（-B）补）=1111=-001 借位=C

25、4=0=1 设计时：要用或门、与门及加减控制信号实现（3）溢出位产生 加减法：OF=C4 C3 例如：0100（4）+0101（5）=0100+0101 =1001=-111(溢出造成结果错）OF=C4 C3=0 1=1（溢出灯亮）此时：CF=0（进位灯灭）作为无符号数：0100（4）+0101（5）=1001（9）CF=0 结果正确 4位无符号数表示的范围：0000（0）-1111（15）作为有符号数：0100（+4）+0101（+5）=1001=-111=（-7）CF=1 结果溢出，因为4位补码数表示的范围为：0111（+7）-1000（-8）现在结果=+9（+7），结果出错=-7 机器把两种运算的进位溢出都反映出来，由使用者决定如何处理。