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数字电子技术实验指导书(答案)


数字电子技术实验
实验一 基本逻辑门电路实验

一、基本逻辑门电路性能(参数)测试
(一)实验目的 ? 1.掌握TTL与非门、与或非门和异或门输入与输出之间的逻辑关系。 ? 2.熟悉TTL中、小规模集成电路的外型、管脚和使用方法。 (二)实验所用器件 ? l.二输入四与非门74LS00 1片 ? 2.二输入四或非门74LS02 1片 ?

3.二输入四异或门74LS86 1片 (三)实验内容 ? 1.测试二输入四与非门74LS00一个与非门的输入和输出之间的逻辑关系。 ? 2.测试二输入四或非门74LS02一个或非门的输入和输出之间的逻辑关系。 ? 3.测试二输入四异或门74LS86一个异或门的输入和输出之间的逻辑关系。 ? 1.将器件的引脚7与实验台的“地(GND)”连接, (四)实验提示 ? 1.将器件的引脚7与实验台的“地(GND)”连接,将器件的引脚14与实验台的十5 V连接。 ? 2.用实验台的电平开关输出作为被测器件的输入。拨动开关,则改变器件的输入电平。 ? 3.将被测器件的输出引脚与实验台上的电平指示灯(LED)连接。指示灯亮表示输出低电 平(逻辑为0),指示灯灭表示输出高电平(逻辑为1)。

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(五)实验接线图及实验结果 74LS00中包含4个二输入与非门,7402中包含 4个二输入或非门,7486中包含4个二输入异或 门,它们的引脚分配图见附录。下面各画出测试 7400第一个逻辑门逻辑关系的接线图及测试结果。 测试其它逻辑门时的接线图与之类似。测试时各 器件的引脚7接地,引脚14接十5V。图中的 K1、K2接电平开关输出端,LED0是电平指示灯。

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1、测试74LS00逻辑关系接线图及测 试结果
输 出

输 引脚1 1 K1 K2 2 3 L LED0 L H H 图1.1 测试74LS00逻辑关系接线图

入 引脚2 L H L H

引脚3 H H H L

表1.1 74LS00真值表

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2、测试74LS02逻辑关系接线图及测 试结果

输 引脚2 K1 K2 2 3 1 L LED0 L H H 图1.2 测试74LS28逻辑关系接线图 表1.2

入 引脚3 L H L H





引脚1 H L L L

74LS28真值表

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3、测试74LS86逻辑关系接线图及 测试结果

输 引脚1 K1 K2 1 2 3 L LED0 L H H 图1.3 测试74LS86逻辑关系接线图 表1.3

入 引脚2 L H L H





引脚3 L H H L

74LS86真值表

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二 、 TTL、HC和HCT器件的电压传输特性
(一)、实验目的 ? 1.掌握TTL、HCT和 HC器件的传输特性。 ? 2.掌握万用表的使用方法。 (二)、实验所用器件 ? 1.六反相器74LS04片 ? 2.六反相器74HC04片 ? 3.六反相器74HCT04片 (三)、实验内容 ? 1.测试TTL器件74LS04一个非门的传输特性。 ? 2.测试HC器件74HC04一个非门的传输特性。 ? 3.测试HCT器件74HCT04一个非门的传输特性。

(四)、实验提示 ? 1.注意被测器件的引脚7和引脚14分别接地和十5V。 ? 2.将实验台上4.7KΩ电位器RTL的电压输出端连接到被测非门的输入端, RTL的输出端电压作为被测非门的输入电压。旋转电位器改变非门的输入电压 值。 ? 3.按步长0.2V调整非门输入电压。首先用万用表监视非门输入电压,调好 输入电压后,用万用表测量非门的输出电压,并记录下来。

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二 、 TTL、HC和HCT器件的电压传输特性
(五)、实验接线图及实验 结果
1.实验接线图 由于 74LS04、74HC04和 74HCT04的逻辑功能相同,因 此三个实验的接线图是一样的。 下面以第一个逻辑门为例,画 出实验接线图(电压表表示电 压测试点)如右图
+5V 4.7K 1 2

v

v

图2.1 实验二接图

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二 、 TTL、HC和HCT器件的电压传输特性
2.输出无负载时74LS04、74HC04、74HCT04电压传输特性测 试数据
输入Vi(V) 输出Vo 74LS04 74HC04 74HCT04

0.0
0.2 … 1.2

1.4
… 4.8 5.0

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二 、 TTL、HC和HCT器件的电压传输特性
3.输出无负载时74LS04、74HC04和 74HCT04电压传 输特性曲线。
Vo(V) 5 4 3 2 1 0 图2.2 Vo(V) 5 4 3 2 1 0 图2.4 1 VI(V) 2 3 4 5 74HCT04电压传输特性曲线 1 2 3 4 5 VI(V) Vo(V) 5 4 3 2 1 0 图2.3 1 2 3 4 5 VI(V)

74LS04电压传输特性曲线

74HC04电压传输特性曲线

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二 、 TTL、HC和HCT器件的电压传输特性
4.比较三条电压传输特性曲线的特点。
尽管只对三个芯片在输出无负载情况下进行了电压传输特性测 试,但是从图2.2、图2.3和图2.4所示的三条电压传输特性曲 线仍可以得出下列观点: (1)74LS芯片的最大输入低电平VIL低于74HC芯片的最大输入 低电平VIL,74LS芯片的最小输入高电平VIH低于74HC芯片 的最小输出高电平VIH。 (2)74LS芯片的最大输入低电平VIL、最小输入高电平VIH 与74HCT芯片的最大输入低电平VIL、 最小输出高电平VIH 相同。 (3)74LS芯片的最大输出低电平VOL高于74HC芯片和74HCT 芯片的最大输出低电平VOL。74LS芯片的最小输出高电平VO H低于74HC芯片和74HCT芯片的最小输出高电平VOH。 (4)74HC芯片的最大输出低电平 VOL、最小输出高电平 VO H与 74HCT芯片的最大输出低电平VOL、最小输出高电平VO H相同。

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二 、 TTL、HC和HCT器件的电压传输特性
5.在不考虑输出负载能力的情况下,从上述观点可以得 出下面的推论
(1)74H CT芯片和74HC芯片的输出能够作为 74LS芯片的输入使 用。 (2)74LS芯片的输出能够作为74HCT芯片的输入使用。 实际上,在考虑输出负载能力的情况下,上述的推论也是正确 的。应当指出,虽然在教科书中和各种器件资料中,74LS芯片的 输出作为74HC芯片的输入使用时,推荐的方法是在74LS 芯片的 输出和十5V电源之间接一个几千欧的上拉电阻,但是由于对 74LS芯片而言,一个74HC输入只是一个很小的负载,74LS芯片 的输出高电平一般在3.5V~4.5V之间,因此在大多数的应用中, 74LS芯片的输出也可以直接作为74HC芯片的输入。

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三、逻辑门控制电路
1.用与非门和异或门安装如图所示的电路。 检验它的真值表,说明其功能。
A 输入控制端 B C 0 0 1 1 0 1 0 1 (b) 输出 Y A A 1 0

Y B C 控制输入端

(a)

图1.3 (a)多重控制门,(b)真值表

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三、逻辑门控制电路
2、用3个三输入端与非门IC芯片74LS10安装如图所 示的电路 从实验台上的时钟脉冲输出端口选择两个 不同频率(约 7khz和 14khz)的脉冲信号分别加 到X0和X1端。对应 B和 S 端数字信号的所有 可能组合,观察并画出输出端的波形,并由此得出 S和B(及/B)的功能。
选通 选择线 S B B

X0 数据输出 数据输入 X1 图1.9实验逻辑电路

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实验二 组合逻辑电路部件实验
实验目的: 掌握逻辑电路设计的基本方法 掌握EDA工具MAX-PlusII的原理图输 入方法 掌握MAX-PlusII的逻辑电路编译、 波形仿真的方法

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组合逻辑电路部件实验实验内容
(一)逻辑单元电路的波形仿真
利用EDA工具MAX-PlusII的原理图输入法,分别输入74138、7483 图元符号;建立74138、7483的仿真波形文件,并进行波形仿真,记 录波形;分析74138、7483逻辑关系。 1).3-8译码器74138的波形仿真 2).4位二进制加法器7483的波形仿真 4位二进制加法器集成电路 74LS83中,A和 B是两个4位二进 制数的输入端,Cout,S3,S2,S1,S0是5位输出端。Cin是进位输入端, 而Cout是进位输出端。

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组合逻辑电路部件实验实验内容
(二)简单逻辑电路设计

根据题目要求,利用EDA工具MAXPlusII的原理图输入法,输入设计的电 路图;建立相应仿真波形文件,并进行 波形仿真,记录波形和输入与输出的时 延差;分析设计电路的正确性。

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1. 设计一个2-4译码器
2-4译码器功能表如下
输入 E 1 0 A1 Φ 0 0 A2 Φ 0 1 Q0 1 0 1 Q1 1 1 0 输出 Q2 1 1 1 Q3 1 1 1

1
1

0
1

1
1

1
1

0
1

1
0

E为允许使能输入线,A1、A2为译码器输入,Q0、Q1、 Q2、Q3分别为输出, Φ为任意状态 。

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2.设计并实现一个4位二进制全加器 (1) 二进制全加器 原理
一个n位二进制 加法运算数字电路是 由一个半加器和(n -1)个全加器组成。 它把两个n位二进制 数作为输入信号。产 生一个(n+1)位 二进制数作它的和。 如图所示。

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用全加器构成的n位二进制加法器

图中A和B是用来相加的两n位输入信号,Cn-1, Sn-1,Sn-2,· · · · · · S2,S1,S0是它们的和。在该电路中 对A0和B0相加是用一个半加器,对其它位都用全加 器。如果需要串接这些电路以增加相加的位数,那么 它的第一级也必须是一个全加器。

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(2)设计步骤
①设计1位二进制全加器,逻辑表达式如下: Sn=An⊕Bn⊕Cn-1 Cn= An· Bn+Cn-1(An⊕Bn) An是被加数, Bn是加数,Sn是和数,Cn是 向高位的进位,Cn-1是低位的进位。 ②利用1位二进制全加器构成一个4位二进制 全加器

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3.交叉口通行灯逻辑问题的实现
图表示一条主干公路 (东一面)与一条二级道路 的交叉点。车辆探测器沿着 A、B、C和D线放置。当没有 发现车辆时,这些敏感组件 的输出为低电平‘0”。当发 现有车辆时,输出为高电平 “1”。交叉口通行灯根据下 列逻辑关系控制:

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交叉口通行灯逻辑问题的实现
(a)东一西灯任何时候都是绿的条件 (1)C和D线均被占用; (2)没有发现车辆; (3)当A、B线没同的占用时,C或D任一条线被占用; (b)南一北灯任问时候都是绿的条件 (1)A和B线均被占用,而C和D线均未占用或只占用 一条 线; (2)当C和D均未被占用时,A或B任一条线被占用。

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交叉口通行灯逻辑问题的实现
电路应有两个输出端,南北(SN)和东西(EW), 输出高电平对应绿灯亮,输出低电平对应红灯亮。
用敏感组件的输出作为逻辑电路输入信号,对所 给的逻辑状态建立一个真值表,化简后得最简逻辑表 达式,用与非门实现该电路、并用波形仿真设计电路 的功能,分析其正确性之。

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4.设计一个7位奇/偶校验器
奇/偶校验代码是在计算机中常用的一种 可靠性代码。它由信息码和一位附加位— —奇/偶校验位组成。这位校验位的取值(0 或1)将使整个代码串中的1的个数为奇数 (奇校验代码)或为偶数(偶校验代码)。

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(1) 奇/偶校验位发生器
(A) 奇/偶校验位发生器就是根据输入信息码产 生相应的校验位。如图是4位信息码的奇校验位 发生器电路。可推知:当B3B4B2B1中的1的个数 为偶数时此奇校验位发生器输出的校验位P为1, 反之为0。
X3 P (B) 设计一个7位二进 B2 X2 1 B 1 制奇/偶校验位发生器 代码分别为a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6; 奇校验位为P,偶校验位为E。逻辑表达式如下: /P=a0⊕a1⊕a2⊕a3⊕a4⊕a5⊕a6 E= P。 B3 B4 X1

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(2) 奇/偶校验代码校验器
(A) 奇/偶校验器用于检验奇(偶)校验代码在传 送和存储中有否出现差错,它具有发现所有奇 数个位数错的能力。 (B)设计一个8位二进制奇校验器 代码分别为a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6、 /p的奇校验器。逻辑表达式如下: S= a0⊕a1⊕a2⊕a3⊕a4⊕a5⊕a6⊕P 显然,当校验器的输入代码 a0a1a2a3a4a5a6 /p中1的个数为奇数时,校 验器的输出S为1、反之S为0。

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5.设计一个四选一的(数据选择器)电 路
数据选择器又称输 入多路选择器、多路 开关。它的功能是在 选择信号的控制下, 从若干路输入数据中 选择某一路输入数据 作为输出。
E 使能端

数 D1 据 D2 输 入 端 Dn

数据选择器
...

Y 输出端

...
C1 Cm 数据选择端

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一个四选一数据选择器功能表
选通 E 1 0 0 0 0 选择信 号 A1 Φ 0 0 1 1 四路数 据 D Φ 输出 F 0

A0 Φ 0 1 0 1

D0~D3 D0 D0~D3 D1 D0~D3 D2 D0~D3 D3

E是选通使能端,A1、A0分别是选择信号端,D0、D1、

D2、D3分别是四路数据,F是输出端。

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6.设计一个1:4数据分配器
数据分配器的功能是在选通( G )和选择信号 (Cn) 线的控制下将一路输入数据(D )分别分配给 相应的输出端(Yn)。

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1:4数据分配器功能表 G 1 输入 S1 S0 Φ Φ 输出 D Φ Y0 1 Y1 1 Y2 1 Y3 1

0 0 0
0

0 0 1
1

0 1 0
1

D D D
D

D 1 1
1

1 D 1
1

1 1 D
1

1 1 1
D

G 是选通使能端,S1、S0分别是选择端,D是一路输 入数据,Y0、Y1、Y2、Y3分别是选择的输出。

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7.设计并实现2位二进制数字比较器
功能描述:比较A1A0和B1B0两个2位二进制数:
En使能端,En=1有效。 ? 当A1A0=B1B0时,电路输出端E=1,其它情况时 E=0; ? 当A1A0>B1B0时,电路输出端L=1, 其它情况时 L=0; ? 当A1A0<B1B0时,电路输出端S=1, 其它情况时 S=0; 对设计的电路进行波形仿真,记录结果。
?

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实验三 时序电路设计

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(一)触发器实验
实验目的 1.掌握RS触发器、D触发器、JK触发器的 工作原理。 2.学会正确使用RS触发器、D触发器、JK 触发器。

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列,进行波形仿真,说明RS触发器的功能。 2. D触发器DFF (或双D触发器74LS74中一个D触发器) 功能测试。 D触发器的输入端口CLR是复位或清零,PRN是(置 位);给定D(数据)、CLK(时钟)波形序列,进行波 形仿真,记录输入与输出Q波形。说明D触发器是电平触 发还是上升沿触发,分析原因。 3. JK触发器JKFF(或双JK触发器74LS73、74LS76中 一个JK触发器)功能测试与分析。 JK触发器输入端口CLR是复位端,PRN是置位端, CLKS是时钟。给出CK,J,K的波形,仿真JK触发器的功 能,说明JK触发器的CLK何时有效。 D触发器74LS74是上升沿触发,JK触发器 74LS73是下降沿触发

实验内容 1. 用 74LS00构成一个 RS 触发器。给出R、S波形序

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(二)简单时序电路设计实验
实验目的 ? 学习利用EDA工具设计简单时序电路。 ? 掌握简单时序电路的分析、设计、波形 仿真、器件编程及测试方法

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实验内容
1.用D触发器DFF(或74LS74)构成的4位二进制计数器 (分频器) (1) 输入所设计的4位二进制计数器电路并编译。 (2) 建立波形文件,对所设计电路进行波形仿真。并 记录Q0、Q1、Q2、Q3的状态。 (3) 对所设计电路进行器件编程。将CLK引脚连接到 实验系统的单脉冲输出插孔,4位二进制计数器输出端 Q0、Q1、Q2、Q3连接到LED显示灯,CLR、PRN端分别连 接到实验系统两个开关的输出插孔。 (4)由时钟CLK输入单脉冲,记录输入的脉冲数,同时 观测 Q0、Q1、Q2、Q3对应LED显示灯的变化情况。

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2.异步计数器
异步计数器是指输入时钟信号只作用 于计数单元中的最低位触发器,各触发 器之间相互串行,由低一位触发器的输 出逐个向高一位触发器传递,进位信号 而使得触发器逐级翻转,所以前级状态 的变化是下级变化的条件,只有低位触 发器翻转后才能产生进位信号使高位触 发器翻转。

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1)计数器单元电路仿真
a)用74LS93构成一个2位十六进制计数器,并进行波形 仿真,74LS93图示如下。

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b)用74LS90构成一个2位BCD码计数器,并进行波 形仿真。
?

74LS90图示如下

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2)设计异步十进制计数器
a) 用JK触发器JKFF (或双JK触发器 74LS73、7476) 构成1位十进制计 数器(或BCD计数 器)

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JK触发器

b) 对所设计的计数器,建立相应波形文件, 进行波形仿真。并记录计数值Q0、Q1、Q2、 Q3的状态。 c)对设计的计数器进行器件编程、连线, 由时钟端 CLK输入单脉冲,测试并记录 Q0、Q1、Q2、Q3的状态变化,验证设计电 路的正确性。

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3.移位寄存器
?

移位寄存器一种能寄存二进制代码,并 能在时钟控制下对代码进行右移或左移 的同步时序电路。计算机执行四则运算 和逻辑移位等指令少不了移位寄存器, 此外,移位寄存器还可用于计算机的串 行传输口的串并行信息转换电路。

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1)集成移位寄存器波形仿真
74LS95是4位 并/串输入,并 行输出,双向移 位的移位寄存器。

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移位寄存器
2)

3)

用JK触发器设计一个4位串行输入,并 行输出右移寄存器。 针对所设计电路建立相应的波形 仿真文件,进行波形仿真,器件编程, 验证所设计电路的正确性。 用JK触发器设计4位并行输入,串行输 出右移寄存器。 对所设计的4位右移寄存器建立相 应波形仿真文件,进行波形仿真。

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4.自循环寄存器

(1)用D触发器DFF (或74LS74)构成一个四位自循环寄存器。 方法是第一级的 Q端接第二级的 D端, 依次类推,最 后第四级的Q端接第一级的D端。四个D触发器的CLK端连接在 一起,然后接单脉冲时钟。 (2)对设计的电路建立相应的波形仿真文件,进行波形仿真。 将触发器Q0置1(即PRN0输入一个负脉冲), Q1、Q2、 Q3清0(即CLR1、CLR2、CLR3输入一个负脉冲)。 (3)进行器件编程(定义自循环寄存器的输入/输出引脚号)。 (4)连线验证所设计电路的正确性 预置初始状态(与波形仿真相同),自循环寄存器的 PRNi和CLRi端连接到开关的电平输出插空,输入端CLK引脚连 接到实验系统的单脉冲输出插孔,输出端Q0、Q1、Q2、Q3连 接到LED显示灯。由时钟CLK输入端输入单脉冲,观察并记录 Q0、Q1、Q2、Q3的状态变化。

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5.同步计数器 所谓同步计数器是指计数器 中各触发器统一使用同一输入 输入时钟脉冲(计数脉冲)信 号,在同一时刻所有触发器同 时翻转并产生进位信号。

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(1)用74LS191构成一个2位十六进制计数器, 并进行波形仿真。

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(2)用74LS160构成一个2位BCD码计数器, 并进行波形仿真。

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实验四 基于VHDL的基本逻辑电路 设计
实验目的: 学会使用 VHDL 语言设计数字单元电路 的方法。 掌握用VHDL语言设计的数字单元电路的 调试,波形仿真的方法。

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(一)基于VHDL的组合逻辑电路设计
用VHDL语言编写实现下列器件功能的程序并进行编译、波形仿 真。 1.二输入与非门 2.三态门电路与总线缓冲器 3.BCD-7段LED译码器 4.设计一个1:4数据分配器 (功能说明见实验二.(二).6) 5.设计一个四位的全加器(功能说明见实验二.(二).2) 6.设计一个7位奇偶校验电路(功能说明见实验二.(二).4) 7.数字比较器,设计4位二进制数字比较器

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(二)基于VHDL的时序电路设计
用 VHDL 语言编写实现下列器件功能的程 序并进行编译、波形仿真与器件编程, 并测试其功能。
(1)触发器和锁存器:设 计一个D触发器

(2)计数器,设计一位十 进制计数器(BCD码计数器 )注:VHDL程序范例见附 件1“六进制计数器”

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(二)时序电路设计
(3)4位移位寄存器设计 a. 4 位右移寄存器功能要求,四位 数据并行一次输入,串行右移依次输 出,高位填充“0”。 b. 4位左移寄存器2功能要求,四位 数据串行左移依次输入,并行一次输 出。

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VHDL语言设计范例

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实验五数字系统设计综合实 验 (一)设计一个十进制脉冲计数装置
1.电路元器件:

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(一)设计一个十进制脉冲计数装置

2.实验步骤 ( 1 )自行设计 BCD-7 段 LED 译码器、十进制计 数器; ( 2 )对所设计电路进行仿真、综合、编程下 载; ( 3 )将所设计的元器件进行连接,构成十进 制计数器显示装置。

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3.实验说明 实验系统数码管显示模块:设计了6个共阴七段数码管如 下图,数码管段选线LED_PORT(A、B、C、D、E、F、G、 DP )高电平有效,数码管位选线 LED_CS ( LED1 、 LED2 、 LED3、LED4、LED5、LED6)高电平有效。

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(二)设计一个1位BCD加法器并显示 计算结果的装置
1.元器件:BCD-7段LED译码器,7段共阴数码显 示器,进位指示灯(亮表示有进位,灭表示无 进位), BCD 码加法器,电平开关( 4bit×2 )。 2.实验要求 该装置输入两路BCD数据(被加数与加数)后, 再输入一个启动运算脉冲,加法器完成加法运 算并将运算结果显示出来(7段LED显示和数, LED 指示灯显示进位 , 若输入数据不是 BCD 数, 应显示错误符E)。

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(三)设计一个检测10bits代码中“1”
的个数并显示检测结果的装置

要求:设计检测10位二进制代码中“1” 的个数的检测器,检测结果经BCD7段译码器,在数码管显示检测结果。 利用实验系统的资源,对设计的电 路进行组装和功能检测。
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(四)设计一个10秒定时器并显
示及时数的装置

任务与要求: 设计一个四兆分频器,十进制计数器, BCD-7段译码器,利用实验系统的资源, 对设计的电路进行组装和功能检测。 定时器要求有启动定时器工作的按钮。

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(五)设计1秒移动一位的10bit循 环跑马灯装置
任务与要求:设计一个1秒移动一位的10 位循环移位寄存器,并用LED指示灯观察 移动效果。利用实验系统的资源,对设 计的电路进行组装和功能检测。

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(六)数字钟设计
任务与要求: 充分利用CPLD实验系统提 供的硬件资源,用VHDL语言(或VHDL 语言与组合逻辑图像结合)设计一个分 (两位)、秒(两位)计时器。

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Maxplus2使用整体流程
原理图设计(或VHDL)
编译

波形仿真
器件选择 编译

下载
编译 管脚分配

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