组合逻辑电路实验设计

2024-06-14

组合逻辑电路实验设计（精选7篇）

组合逻辑电路实验设计篇1

【摘要】采用任务驱动法进行教学，通过层层深入的电路设计任务，引导学生完成从单输出到多输出、从不含无关项到存在无关项、从输入不需编码到需要编码，设计多个符合学员认知规律，由浅入深的问题。通过对问题的不断深化和虚拟实验，提高了学生学习兴趣，培养学生的创新意识。

【关键词】组合电路设计；任务驱动教学；multisim仿真

1.教材和教学内容分析

《数字电子技术》是一门理论性和实践性都很强的专业基础课程，教学过程中涉及到的器件种类较多，知识更新速度快。课程的授课重点是以数字基本理论为基础、基本技能为桥梁、综合创新为目的，培养学生分析问题、解决问题的能力。

《组合逻辑电路的设计》是组合逻辑电路的重要组成部分，它在课程中起着承前启后的作用，既是对前面所学的逻辑电路、真值表、逻辑函数表达式以及逻辑代数等知识的综合应用，又为后续编码器、译码器等中规模组合逻辑电路的学习奠定基础。

2.教学目标和教学方法

本次教学的知识能力目标是使学生熟练掌握组合逻辑电路的设计方法及步骤，提高学生学以致用的能力。为了调动学生的积极性，教学过程中主要采用“任务驱动法”来进行教学，结合学生特点，精心设计任务，引导学生分析任务探究新知，然后启发学生运用所学知识解决实际任务。中间配合使用“类比法”、“讨论法”、“仿真法”来达到教学目标。

3.任务驱动教学方法

3.1 任务一校园歌曲评比电路

（1）创建任务，导入新知

设计一个“校园原创歌曲评比”考核电路。考核组由1名主评委和2名副评委组成。每名评委面前有一个按钮。只有当包括主评委在内的2名或2名以上评委认为该歌曲合格，按下按钮，表明是否通过的指示灯才亮。

本设计任务从学生身边事件引入，创设了真实的学习情境，引导学生带着真实的任务进入学习情境，使学习直观化和形象化，将学生自然而然地引入到学习氛围中。

（2）案例分析，传授新知

如何设计一个校园歌曲评比电路呢？学生根据课前预习情况会做出相应回答，即跟组合逻辑电路的分析过程顺序相反。接下来启发学生对实际问题进行分析，电路有几个输出变量和几个输入变量？每个变量代表什么含义呢？设a、b、c代表三名评委面前的按钮，按按钮用1表示，不按用0表示，y为评比结果显示指示灯，亮用1表示，不亮用0表示，同时还应考虑a为主评委，具有否决权。要设计组合逻辑电路，必须找出输出变量和输入变量直接的逻辑关系，通过教员的启发先列出输入输出的逻辑关系表，即真值表（见表1）。

3.2 自主学习含无关项的多输出任务

通过任务1的学习，学生基本明确了组合电路设计的基本步骤。这时采用层层递进的方式，加大设计难度，将输出量提升到3个，同时在逻辑抽象列真值表时又出现了无关项问题。这是1个加强任务，要求学生独立完成，以此自行消化、吸收、巩固掌握本次课的知识点的目的。

任务二：图4为一个电开水器的示意图，a、b、c为水位传感器，当a、b、c电极被淹没时，会有信号输出。当水面在ab间时为正常状态，绿灯亮；当水面在a以上或bc间时为异常状态，黄灯亮；当水面在c以下时，为危险状态，红灯亮。试设计一个水位监测逻辑电路。

在任务2中出现了3个输出变量问题，初看起来不易设计，但引导学生只要对于一个具有因果关系的事件，通过逻辑抽象的方法，列出真值表这一关键的一步，后面几步就容易了。组织小组讨论：水位能不能既高于a又低于b？出现这种不合实际的情况该怎么办？这些无关项如何处理？通过鼓励学生开阔思路、创新思维，突破重点难点，也使枯燥、乏味的新课内容很流畅的就被“由浅入深”、“化难为易”了。

3.3 小组讨论输入需要编码的任务

任务三：人类有四种基本血型—a、b、ab、o型。输血者与受血者的血型必须符合下述原则：o型血可以输给任意血型的人，但o型血只能接受o型血；ab型血只能输给ab型，但ab型能接受所有血型；a型血能输给a型和ab型，但只能接受a型或o型血；b型血能输给b型和ab型，但只能接受b型或o型血。试设计一个检验输血者与受血者血型是否符合上述规定的逻辑电路。如果输血者与受血者的血型符合规定电路输出1。

任务三的难点在逻辑抽象环节，即如何根据给定逻辑问题确定输入输出变量。课堂上将学生分组，给出一定思考时间后，组织不同小组的同学讨论设计方案。

方案一：输血者和受血者的血型都有4种血型，共8个输入变量，对应的真值表过于复杂。

方案二：对输入进行编码，用变量ef表示输血者血型，变量gh表示受血者血型；用两个逻辑变量的四种取值分别表示输血者、受血者血型。

通过学生分析，得出表达式并搭建电路。可见，任务三的难点就在于如何正确列出真值表，之后的逻辑化简、电路搭建等问题都是对前面所学内容的巩固，并不是本次课的重点。因此，教师可以适时引入电路设计软件来自动实现后续设计，让学生耳目一新。

启动multisim，打开逻辑转换仪面板，在真值表区点击e、f、g、h四个逻辑变量，建立一个四变量真值表，输入真值表1。点击逻辑转换仪面板上“真值表→简化逻辑表达式”按钮，求得简化的逻辑表达式如图5逻辑转换仪面板底部逻辑表达式栏所示。点击逻辑转换仪面板上“表达式→逻辑电路”按钮，得到用与非门组成的逻辑电路。

这一环节面向实际应用，通过“教学互动”；不断激发学生的求知欲和学习热情，让学生们在教学过程中体验成功、自我肯定、提升能力。

4.任务的延伸

本节课采用“虚实结合”、“循序渐进”的任务驱动教学方法，在教学中加入仿真验证，把理论知识同实际应用有机结合起来，对提高学生学习电子技术课程的兴趣、培养学生创新能力等方面应该有积极的引导作用。

本次教学的三个设计都是通过小规模集成电路（ssi）来实现的。随着电子技术的发展，组合逻辑电路设计的重心和实际逻辑命题也朝着中规模（msi）甚至大规模的方向发展。目前使用较多的组合逻辑msi有编码器、译码器、数据选择器、数值比较器、奇偶校验/产生器和全加器等，教学过程中还要引导预习后续课程，在以后的学习中用msi重新设计这三个题目，进一步培养学生举一反

三、学以致用的综合能力。

参考文献

[1]姜春玲，封百涛.任务驱动法在“数字电子技术”教学改革中的应用[j].中国电子教育，2009（04）：56-59.[2]陈莉平，王红.电子技术课程设计数字部分的一次实践[j].电气电子教学学报，2008，4：75-76.基金项目：本文系“2013海军大连舰艇学院教育科研项目”（项目编号：2013-08）的研究成果。

组合逻辑电路实验设计篇2

关键词：口袋实验室,数字逻辑,组合逻辑电路,嵌入式系统

口袋实验室, 又称无墙实验室, 就是让学生人手一个迷你“口袋实验箱”, 上课带来、下课带走, 课程结束时归还。学生有了一个小的实验平台, 就可以结合课程内容, 随时随地进行课程实验;同时, 激荡在学生头脑中的创新想法可以即时得到验证, 激发他们主动学习的兴趣。

口袋实验室这种形式使实验设备突破了实验室的限制、实验课时的限制, 能够把最新的技术补充到学生的课余学习中, 让学生随时随地都能进行实验, 从而最大程度地实现了实验室的开放。

目前口袋实验室理念在国内多所高校已得到广泛的认可和贯彻, 如清华大学、北京大学、哈尔滨工业大学、复旦大学、同济大学、上海交通大学、东南大学、华中科技大学等都建起了数量、规模各异的口袋实验室。

本组合逻辑电路设计就是基于Xilinx (赛灵思公司) Basys3口袋实验室的。在性能更好的NEXYS4或ZYBO实验板上也可实现。

1 口袋实验室之核心硬件Basys3

Basys3实验板 (见图1) 是一款采用Xilinx最新7系列的数字电路入门级开发平台, 该平台主芯片为Xilinx Artix系列中的最小型号XC7A35T。它包含5200个slice资源, 相当于33, 280个逻辑单元。每个slice包含4个6输入查找表 (LUT) , 8个触发器。容量为1800kb的块状RAM以及5个时钟管理单元, 每个单元带有一个锁相环。Basys3同时也是一款入门级的FPGA实验板, 专门针对Vivado Design Suite而设计, 具有Xilinx Artix-7 FPGA架构。Basys3包含了所有Basys系列板卡的标准功能:完备的硬件规格, 大量的板载IO设备, 所有需要FPGA支持的电路, 以及免费的开发工具, 上手即用。

采用Basys3可以实施更贴近嵌入式方向专业要求的数字逻辑实验项目, 形成符合嵌入式方向专业要求的数字逻辑实验课程。可解决现有《数字逻辑》实验课程的教学要求与嵌入式方向专业要求相比有些偏低的问题。同时可以解决现有面向嵌入式方向的基础实验课程实验平台各异, 实验内容不够贯通的问题。

2 口袋实验室之核心软件Vivado

赛灵思在全球业界第一个发货和量产28nm 7系列器件后, 2012年又推出了“Vivado”这一全新的FPGA设计套件, 很可能在将来取代已经面世18年之久的赛灵思ISE设计套件。Vivado的推出, 不仅仅是让设计的界面更加漂亮 (如图2所示) , 更重要的是它带给行业的那种体现在设计手段和设计方法上的的创新。众所周知, 对于电子设计工程师来说, 一方面要求FPGA能实现所有的数字系统功能, 包括:数字逻辑、嵌入式系统和数字信号处理等等;另一方面又要求基于FPGA的设计就像他们使用“C”语言给CPU、MCU编程那样的简单。Vivado将这两个看起来相互矛盾的梦想变成了现实。

在Vivado 2014.3环境下如同前期的ISE环境, 可以非常方便地运用Verilog HDL语言的编程开发流程, 包括源程序的输入、编译、模拟仿真及程序下载。

通过学习Verilog硬件描述语言, 以及利用Verilog HDL进行数字电路设计和FPGA开发的方法。可让学生初步掌握代表当今数字逻辑设计前沿的FPGA开发的设计流程。除基本组合逻辑电路实验外, 还可以追加时序逻辑电路的设计实验、。

3 口袋实验室之组合逻辑电路设计实验

本实验所用口袋实验室为Basys3电路板, 板上的LED灯是共阴极的连接方式, 当输入高电平‘1’时, LED亮;当拨动开关靠近数字标称端输出为低电平‘0’。

3.1 简单门电路的实现

在数字电路中, 二输入与门电路、或门电路、非门电路、与非门电路、或非门电路和异或门电路的逻辑表达式如下所示, 真值表如表1。

下面分别给出这些门电路的行为描述方式 (Behavioral) 和逻辑寄存器传输描述方式 (Register Transfer Level, RTL) 。可以看出, 行为描述方式和逻辑表达式十分接近, 而寄存器传输描述方式则是以真值表为依据进行编写的。具体操作步骤如下:

(1) 利用向导, 建立一个新项目, 工程名为expe1, 顶层文件名也指定为gate。

(2) 新建一个Verilog HDL文件。

(3) 在Verilog HDL文件中输入程序:

a行为描述方式源程序:

b寄存器传输描述方式源程序:

(1) 进行语法检查和综合编译。

(2) 编写testbench, 进行时序仿真。

(3) 分配管脚, 生成*.bit文件 (管脚分配可参照后续实验结果部分) 。

(4) 下载。

3.2 三态门电路的实现

在数字电路中, 三态门电路是在普通门电路的基础上附加控制电路构成的。三态门主要用于可编程逻辑器件管脚的双向口设置。三态门的逻辑电路图如图3所示, 真值表如表2。

根据三态门的逻辑电路图和真值表, 不难看出三态门电路的基本工作原理是:当控制端口的输入使能信号EN=’1’, 那么直接将输入端口的数据送到输出端口上;当控制端口的输入使能信号EN=’0’, 那么这时输出端口呈高阻状态。具体操作步骤如下:

(1) 利用向导, 建立一个新项目, 工程名为expe2, 顶层文件名也指定为tri_gate。

(2) 新建一个Verilog HDL文件。

(3) 在Verilog HDL文件中输入程序:

(4) 进行语法检查和综合编译。

(5) 进行时序仿真。

(6) 重新分配管脚, 生成*.bit文件 (管脚分配可参照实验结果部分) 。

(7) 下载。

3.3 实验结果

1) 两输入与门电路的管脚分配表和实验结果对照表见表3、表4。

2) 二输入或门电路、非门电路、与非门电路、或非门电路和异或门电路的管脚分配表和实验结果对照表见表5、表6。

3) 三态门电路的管脚分配表和实验结果对照表见表7、表8。

4 结束语

本组合逻辑电路设计是基于Xilinx (赛灵思公司) Basys3口袋实验室实现的, 主要内容为简单门电路和三态门电路。在此口袋实验室的电路板上还可以实现编码/译码器, 比较器, 全加器等组合逻辑功能。项目中使用的口袋实验室由于其优秀的软、硬件平台, 在本科教学中有多方面的应用价值。

1) 在Vivado 2014.3环境下, 可推动Verilog HDL基本语法的学习, 有利于学生掌握Verilog HDL编程设计的基础。而Verilog HDL和VHDL并称为业界最流行的两种硬件描述语言, 其重要性不言而喻。

2) 在本科嵌入式方向的《数字逻辑》、《计算机组成原理》、《计算机系统结构》三门课程间有一条衔接与贯通的主线:即由计算机组成基础部件到单/多周期CPU和中断/IO处理CPU, 再到基本流水线CPU。本实验平台可直接应用于这三门课程。不仅能节约学生熟悉实验平台的时间, 而且同一实验平台有利于他们温故而知新。

3) 让嵌入式方向的学生开始学习满足较高专业需求的实验内容。打通面向嵌入式方向的基础实验课程的教学内容, 有利于学生较系统、深刻地掌握满足专业要求的软硬件知识, 锻炼他们的系统设计能力。

参考文献

[1]白中英, 谢松云等.数字逻辑[M].6版.北京:科学出版社, 2013.

[2]Richard E.Haskell著, 郑利浩译.FPGA数字逻辑设计教程—Verilog[M].北京:电子工业出版社, 2013.

[3]何宾.Xilinx FPGA设计权威指南:Vivado集成设计环境[M].北京:清华大学出版社, 2014.

[4]何宾.Xilinx FPGA权威设计指南:Vivado 2014集成开发环境[M].北京:清华大学出版社, 2015.

组合逻辑电路实验设计篇3

【关键词】三人多数表决器电路设计 Multisim10仿真

在组合逻辑电路设计的学习环节中，将学习过程中接触到的电路设计题目通过整理分析，不难发现有这样的两个特点，其一，对于同一题目电路的设计，可采用基本逻辑门、译码器、数据选择器、加法器等不同的设计方案。学习者通过多种设计方案的整理和分析，可加强对电路的理解，掌握更多的设计思路，这些设计思路将所学知识联系起来，通过以点到面的学习方式达到系统掌握知识的目的。其二，对于不同题目的电路设计，可采用相同设计方案。如果不同题目根据其电路功能写出来的真值表相同，就意味着可以采用相同的电路来完成其功能，通过把这种类型的设计题目搜集和归类，可以节省大量的电路设计时间，对学生学习效率的提高和知识的综合应用都会起到很大作用。

本文以三人多数表决器电路设计为例，从两方面探讨和总结了电路设计题目的特点，希望学习者能够借鉴这种学习方法，达到综合掌握知识的目的。

1 三人多数表决器电路设计举例

假设题目要求设计一个三人表决器电路[1]，当表决某个提案时，多数人同意，则提案通过，少数人同意时，提案被否决。

由组合逻辑电路设计步骤[2]，首先定义变量，设三个人分别用A、B、C表示，同意提案时用1表示，否则用0表示，提案表决结果用Y表示，Y为1表示提案表决通过，Y为0则不通过。其次，写真值表，根据上述定义，把题目设计要求的文字信息转化为数字信息的真值表，具体见表1所示。最后，由表1所示真值表得到逻辑函数表达式为：

表1 三人表决器真值表

输入输出

A B C Y

0 0 0 0

0 0 1 0

0 1 0 0

0 1 1 1

1 0 0 0

1 0 1 1

1 1 0 1

1 1 1 1

2 “一题多解法”在电路设计中的应用

所谓“一题多解法”是指在设计同一个电路时，采用不同的设计方法。由于数字电路是用0、1代码表示特定含义的电路设计，任何题目在设计是都要把文字信息转换为数字信息，即用真值表的数字信息来体现电路的功能。根据这个特点在电路设计时，我们除采用传统的用与或非实现电路设计外，还可以采用各种中规模集成块来实现电路设计，只要设计出来的电路经过测试，得到的真值表和题目要求的真值表相同，那么就可以实现题目的要求。这种采用不同思路设计电路的做法，对学生思维扩展和知识综合应用方面起到了积极的作用。下面以三人多数表决器电路设计为例，介绍不同设计思路在电路设计中的应用[3]。

2.1采用基本逻辑门设计

在采用组合逻辑电路现实时，根据表达式（2）的特点，采用1个异或门、一个或门和两个与门就可完成电路搭建和测试，具体设计电路如图1所示，笔者用Multisim10仿真软件进行测试[4]，其结果完全和表1相同，达到了三人多数表决器的设计要求。

图1 基本逻辑门实现三人表决器功能仿真界面

2.2采用译码器设计

译码器74LS138是根据三个地址输入端的输入情况，在同一时刻输出其中一个Yi，译码器是组合逻辑电路设计中很重要的一个中规模集成电路，根据74LS138的工作原理，我们将表达式（1）化为：

由表达式（3）和译码器工作原理可设计出图2所示电路，经测试结果与表1数据一致，由此可见采用译码器也能实现三人表决器的功能。

图2 译码器实现三人表决器功能仿真界面

2.3 采用数据选择器设计

数据选择器是根据地址码的特点，从多路输入数据中选择其中一路输出的中规模集成器件。当逻辑函数的变量个数和数据选择器的地址输入变量个数相同时，将变量和地址码对应连接，就可以用数据选择器实现逻辑函数的功能。

根据上述工作原理，将八选一数据选择器74LS151的D3、D5、D6、D7接高电平，D0、D1、D2、D4接低电平，控制端G接低电平，按图3所示连接，即可实现三人多数表决器功能。经笔者用Multisim10仿真软件进行测试，其结果和表1相同，因此，采用数据选择器同样可以三人表决器的功能。

图3 数据选择器实现三人表决器功能仿真界面

2.4采用全加器设计

由于一位二进制全加器的进位输出端Ci=∑m（3，5，6，7），与三人表决器的真值表中Y的输出完全一样，所以只需将A、B、C对应接到全加器集成块CT74HC183的Ai、Bi、Ci-1端，输出Y接到Ci端，即可用全加器实现三人表决器的功能，采用全加器实现三人表决器功能非常简单，此处不再论述。

3 “多题一解法”在电路设计中的应用

“多题一解法”是指不同功能的电路设计题目，可采用同一个电路来实现。在电路设计过程中，只要设计题目真值表相同，其设计出的电路也就相同。学习者如果善于总结这种规律，当再次遇到真值表相同的设计题目时就可以直接使用原来的电路，这样可以节省大量的电路设计时间，从而提高学习效率。

通过笔者的搜集和归类，发现许多不同功能的电路设计题目，都可使用相同电路来实现其功能。例如，题目要求设计一个火灾报警系统，设有烟感、温感和紫外光感三种不同类型的火灾探测器，为了防止误报警，只有当两种或三种探测去发出探测信号时，报警系统才会产生报警信号。

假设烟感、温感和紫外光感三种火灾探测器分别用个A、B、C表示，发出探测信号时用1表示，否则用0表示，报警信号用Y表示，其中Y为1表示有报警，Y为0表示没有火灾报警。

在此定义下的得到该报警系统的真值表和表1完全一样，这也意味着火灾报警系统的电路设计和三人多数表决器一样，可使用相同的电路来完成其功能，当然也可采用上述所讲的四种方案来实现报警系统的功能。由此看来把不同类型、不同功能的电路设计题目进行归纳和总结，对比各电路真值表的特征，就可以将具有相同真值表的设计题目归为一类。这样的学习方法既提高了学习效率，又增强了学习兴趣，最终达到了深入理解知识，灵活应用知识的目的。

4 结论

通过“一题多解”和“多题一解”学习方法的总结和归类，一方面可以让学生以点学面，把所学知识系统的联系起来，通过各知识点的相互渗透，达到全面理解知识的目的。另一方面，可以为学习者节约大量的电路设计时间，对学生电路设计思想和兴趣的培养方面都会起到积极的作用。

【参考文献】

[1] 杨志忠.数字电子技术[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] 丁业兵，谭学琴，等.基于 Multisim 的组合逻辑电路设计与仿真[J].价值工程，2013，6（8）63-64.

[3] 王毓银.数字电路逻辑设计[M].北京：高等教育出版社，2002.

[4] 马敬敏.基本RS触发器工作状态的Multisim仿真[J].电子设计工程，2011，19（17）：24-26.endprint

【摘要】在组合逻辑电路设计的学习过程中，善于总结电路设计题目的特点和规律，有助于对所学知识的综合应用，从而加深对知识的理解和联系，对学习者思维扩展和兴趣培养都会起到积极的作用。

【关键词】三人多数表决器电路设计 Multisim10仿真

本文以三人多数表决器电路设计为例，从两方面探讨和总结了电路设计题目的特点，希望学习者能够借鉴这种学习方法，达到综合掌握知识的目的。

1 三人多数表决器电路设计举例

假设题目要求设计一个三人表决器电路[1]，当表决某个提案时，多数人同意，则提案通过，少数人同意时，提案被否决。

表1 三人表决器真值表

输入输出

A B C Y

0 0 0 0

0 0 1 0

0 1 0 0

0 1 1 1

1 0 0 0

1 0 1 1

1 1 0 1

1 1 1 1

2 “一题多解法”在电路设计中的应用

2.1采用基本逻辑门设计

图1 基本逻辑门实现三人表决器功能仿真界面

2.2采用译码器设计

由表达式（3）和译码器工作原理可设计出图2所示电路，经测试结果与表1数据一致，由此可见采用译码器也能实现三人表决器的功能。

图2 译码器实现三人表决器功能仿真界面

2.3 采用数据选择器设计

图3 数据选择器实现三人表决器功能仿真界面

2.4采用全加器设计

3 “多题一解法”在电路设计中的应用

4 结论

【参考文献】

[1] 杨志忠.数字电子技术[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] 丁业兵，谭学琴，等.基于 Multisim 的组合逻辑电路设计与仿真[J].价值工程，2013，6（8）63-64.

[3] 王毓银.数字电路逻辑设计[M].北京：高等教育出版社，2002.

[4] 马敬敏.基本RS触发器工作状态的Multisim仿真[J].电子设计工程，2011，19（17）：24-26.endprint

【关键词】三人多数表决器电路设计 Multisim10仿真

本文以三人多数表决器电路设计为例，从两方面探讨和总结了电路设计题目的特点，希望学习者能够借鉴这种学习方法，达到综合掌握知识的目的。

1 三人多数表决器电路设计举例

假设题目要求设计一个三人表决器电路[1]，当表决某个提案时，多数人同意，则提案通过，少数人同意时，提案被否决。

表1 三人表决器真值表

输入输出

A B C Y

0 0 0 0

0 0 1 0

0 1 0 0

0 1 1 1

1 0 0 0

1 0 1 1

1 1 0 1

1 1 1 1

2 “一题多解法”在电路设计中的应用

2.1采用基本逻辑门设计

图1 基本逻辑门实现三人表决器功能仿真界面

2.2采用译码器设计

由表达式（3）和译码器工作原理可设计出图2所示电路，经测试结果与表1数据一致，由此可见采用译码器也能实现三人表决器的功能。

图2 译码器实现三人表决器功能仿真界面

2.3 采用数据选择器设计

图3 数据选择器实现三人表决器功能仿真界面

2.4采用全加器设计

3 “多题一解法”在电路设计中的应用

4 结论

【参考文献】

[1] 杨志忠.数字电子技术[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] 丁业兵，谭学琴，等.基于 Multisim 的组合逻辑电路设计与仿真[J].价值工程，2013，6（8）63-64.

[3] 王毓银.数字电路逻辑设计[M].北京：高等教育出版社，2002.

数字电路与逻辑设计教学大纲篇4

适用专业：通信工程、信息工程、自动化、测控技术与仪器、电气工程及其自动化课程类别：专业基础课先修课程：电路原理总学时：66 学

分：3 考核方式：考试

一、课程的性质与任务

本课程是信息工程、通信工程、自动化、测控技术与仪器和电气工程及其自动化专业学生必修的技术基础课程，是一门实践性很强的课程。通过本课程的学习，使学生掌握数字逻辑和数字系统的基础知识、基本分析方法和设计方法，培养使用标准逻辑器件的能力，初步了解可编程器件的知识，为深入学习后续课程和从事数字技术实际工作打下良好基础。

二、课程内容、基本要求与学时分配

1、绪论（2学时）

了解数字信号与模拟信号的定义与区别；掌握各种数制间的转换；了解常用的各种码制；了解数字电路的分类；

2、逻辑函数及其化简（6学时）掌握布尔代数的运算规则；

掌握逻辑变量与逻辑函数的表示方法；掌握逻辑函数的公式法化简法；

掌握卡诺图的绘制方法和用图解法化简逻辑函数；

3、集成逻辑门（6学时）

了解晶体管的开关特性；

了解TTL集成逻辑门的外部特性；了解CMOS集成逻辑门的外部特性；

4、组合逻辑电路（8学时）掌握组合逻辑电路的分析方法；

掌握用逻辑门电路设计组合逻辑电路的方法；掌握用中规模集成电路设计组合逻辑电路的方法；了解组合逻辑电路的冒险现象；

5、触发器（8学时）

掌握各类触发器的特征方程和功能描述方法；掌握基本触发器和钟控触发器的工作原理；了解主从触发器和边沿触发器的工作原理；

6、时序逻辑电路（8学时）

掌握同步、异步时序逻辑电路的分析方法；了解常用集成时序逻辑器件的使用方法；

掌握用小规模IC器件和中规模IC器件设计同步时序逻辑电路的方法；了解异步时序逻辑电路的设计方法。

7、半导体存储器（2学时）

了解随机存取存储器和只读存储器的工作原理；掌握随机存储器的扩展方法；

了解用只读存储器设计组合逻辑函数的方法；

8、可编程逻辑器件及其应用（2学时）

初步了解可编程逻辑阵列、通用阵列逻辑（GAL）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）、现场可编程门阵列（FPGA）的结构特点和工作原理

9、脉冲单元电路（2学时）了解自激多谐振荡器的工作原理；了解单稳触发器的功能；

了解555时基电路的结构特点和应用；

10、模数转换器和数模转换器（4学时）了解数模转换器和模数转换器的基本原理；了解常用数模转换器和模数转换器的特性

本课程的理论教学时数为48学时，2.5学分。

三、课程的其他教学环节

本课程安排有实验教学环节18学时，0.5学分。

四、参考教材

1、《数字电子技术》庞学民主编清华大学出版社 2005年

2、《数字电路逻辑设计》王毓银主编高等教育出版社 1999年

3、《电子技术基础》数字部分（第四版）康华光主编高等教育出版社 2000年

4、《数字逻辑与数字系统》白中英、岳怡、郑岩编著科学出版社 1998年

五、说明

本课程在教学方法上采用讲授理论与实验动手相结合的形式进行，以便学生更好的理解所学的理论知识。在理论教学过程中，要注重方法的讲解，以提高学生分析问题、解决问题的能力。

大纲执笔人：刘炜

组合逻辑电路实验设计篇5

一、课程编号：010131

二、课程类型：

课程性质：必修课

适用专业：通信工程、电子信息工程、电子信息科学与技术，信息工程等专业普通班

课程学时/学分: 56学时/3.5学分

先修课程：电路分析基础、线性电子电路

三、课程任务：

本课程是通信工程、电子信息工程、电子信息科学与技术等专业的主要技术基础课。本课程具有极强的逻辑性和实用性，是一门硬件基础课程，它作为上述专业众多的后续课程的基础，作为电子、通信领域中实际应用的基础，其作用举足轻重。通过本课程的学习，使学生掌握逻辑代数和逻辑设计基础理论，掌握数字电路分析和数字电路设计的基本方法。为学生今后在信息技术天地中驰骋奠定坚实的硬件基础。教学活动中应当强调启迪学生的逻辑思维方法，建立学生的逻辑思维能力，给学生留有足够的想象空间，引导学生培养创新应用、开发数字电路器件的能力。

四、课程主要内容及学时分配：

第1章

数字逻辑基础（10学时）第2章

逻辑门电路（6学时）第3章

组合逻辑电路（8学时）第4章

集成触发器（6学时）第5章

时序逻辑电路（12学时）

第7章

半导体存储器和可编程逻辑器件（7学时）第8章 D/A和A/D转换（1学时）第9章

脉冲电路（4学时）机动（2学时）

五、教学基本要求：

1、掌握数字系统中常用的数制（二进制、八进制、十进制、十六进制）及其转换方法，掌握常用编码及其表示十进制数的方法，掌握逻辑代数的逻辑运算、公式和规则，掌握逻辑函数及其表示方法，掌握逻辑函数的化简方法；

2、掌握TTL、CMOS逻辑门的逻辑功能、电气特性、应用和使用注意事项；

3、掌握组合逻辑电路的特点，掌握用传统方法分析和设计组合逻辑电路，重点掌握常见中规模组合逻辑器件（MSI）（译码器、数据选择器、运算电路）的逻辑功能和应用，了解组合逻辑电路中的冒险现象；

4、掌握触发器的分类和逻辑功能，重点掌握主从型和边沿触发器的特点和应用；

5、掌握时序逻辑电路的特点、时序逻辑电路的分析方法和设计方法，重点掌握常见中规模时序逻辑器件（MSI（）CT74160、CT74161、CT74163、CT7490、CT74194）的逻辑功能和用MSI器件构成任意模值计数器的方法；

6、熟悉半导体存储器（SAM、ROM、RAM）的结构特点、工作原理和扩展方法，掌握ROM、PROM阵列在组合逻辑设计中的应用；理解PLA、PAL、GAL和FPGA等各种可编程逻辑器件的基本结构特点和工作原理；了解各种PLD器件如何配置以实现基本组合或时序逻辑功能。

7、了解A/D转换和D/A转换的基本工作原理；了解常用A/D转换器和D/A转换器的电路结构和应用特点；了解常用的集成ADC和集成DAC，了解A/D转换器和D/A转换器的主要参数；

8、掌握脉冲信号和脉冲电路的特点，掌握用555定时器构成数字电路中的常见脉冲电路，如施密特触发器，单稳态触发器和多谐振荡器的方法。

十、教材及主要参考书：

教材：《数字电路与逻辑设计》邹虹主编人民邮电出版社 2008年

主要参考书：

《数字电路与逻辑设计》（第三版）王毓银主编高等教育出版社1999年

《数字基础》

科学出版社 2002年3月

组合逻辑电路实验设计篇6

二级学院：课程名称：设计题目：姓名：学号：设计班级：指导教师：设计时间：实训报告

自动化学院电力电子技术

三相交流调压电路设计

目录电力电子技术课程设计电力电子仿真工具介绍.....................................................................................1.1 Matlab介绍.......................................................................................................................................1.2 SIMULINK仿真工具简介..................................................................................................................2电力电子器件测试...........................................................................................................................2.1 实验目的....................................................................................................................................2.2 实验原理....................................................................................................................................2.3 实验内容....................................................................................................................................2.4 计算机仿真测试过程................................................................................................................2.5 总结与心得................................................................................................................................三相交流调压电路...........................................................................................................................3.1实验目的............................................................................................................................................3.2实验原理............................................................................................................................................3.3实验内容............................................................................................................................................3.4计算机仿真过程及输出结果............................................................................................................4总结及实训体会.................................................................................................................................5附录............................................................................................................................................................1电力电子仿真工具介绍

1.1 Matlab介绍电力电子技术课程设计

MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，MATLAB 是Matrix Laboratory 的缩写意为矩阵工厂（矩阵实验室）。于1984 年推出的一套科学计算软件，分为总包和若干工具箱.具有强大的矩阵计算和数据可视化能力.一方面可以实现数值分析、优化、统计、偏微分方程数值解、自动控制、信号处理、系统仿真等若干个领域的数学计算，另一方面可以实现二维、三维图形绘制、三维场景创建和渲染、科学计算可视化、图像处理、虚拟现实和地图制作等图形图象方面的处理.同时，MATLAB 是一种解释式语言.简单易学、代码短小高效、计算功能强大、图形绘制和处理容易、可扩展性强.是主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。

1.2 SIMULINK仿真工具简介

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观电力电子技术课程设计的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。simulinkMATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。它具有丰富的可扩充的预定义模块库交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图能以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。通过Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。并提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成。使用Embedded MATLAB™ 模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法。使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。

2电力电子器件测试

2.1 实验目的

（1）掌握各种电力电子器件的工作特性。（2）掌握各器件对触发信号的要求。电力电子技术课程设计

2.2 实验原理

实验电路如图所示：

新器件特性实验原理图

将电力电子器件和负载电阻Rp串联后接至直流电源的两端，有实验装置上的给定为新器件提供触发信号，使器件触发导通。图中电阻Rp用滑线变阻器，接成并联形式，直流电压和电流表可从电源控制屏上获得，直流电源从电源控制屏的励磁电源获得。

2.3实验内容

（1）可关断晶闸管（GTO）特性实验

（2）功率场效应管（MOSFET）特性实验

（3）绝缘双极性晶体管（IGBT）特性实验

2.4 计算机仿真实验

启动MATLAB软件进入SIMULINK后新建文档，绘制GTO MOSFET IGBT 电路特性测试系统模型如下图所示，电力电子技术课程设计

双击各模块并设置相应参数，设置好各模块参数后，单击工具栏的▶按钮，得到如下图电力电子技术课程设计

GTO 电力电子技术课程设计

IGBT 电力电子技术课程设计

SCR

由以上仿真图可得各器件输出数据如下各表：

GTO输出特性数据记录

IGBT输出特性数据记录

MOSFET输出特性数据记录电力电子技术课程设计

2.5 总结与心得

由上述仿真过程得到的输出特性数据可得出各器件的输出特性图。

GTO的输出特性

IGBT输出特性电力电子技术课程设计

SCR输出特性

这门实验课程的线路连接及线路实验原理并不复杂，最困难的是是完成试验线路连接以后所进行的调试与操作，难以得出相关的正确的波形以及争取的结果和参数。这是由于对实验的过程及原理理解的不深刻，对相关的知识掌握的不够透彻，不能熟练应用到实际操作以及应用当中。并且动手能力不够强，对实验过程不熟悉，实验操作生疏，缺乏相关的实际操作经验以及实际操作技巧，遇到实际操作中的问题难以独立解决，如何下手。对操作过程中的错误以及故障难以发现排除。通过本次的实验课程，我还发现自己以前学习中所出现的一些薄弱环节，并为今后的学习指明了方向，同时也会为将来的工作打下一个良好的基础。这次的实验课程为我们提供了一个很好的锻炼机会，使我们及早了解一些相关知识以便以后运用到实际中去。通过这次的实验课程，我知道只有通过刻苦的学习，加强对知识的熟练掌握程度，在现实的中才会得心应手，应对自如。总体来说，经过这次实验课程，我还从中学到了很多课本上所没有提及的知识。我会把这此实验课程作为我人生的起点，在以后的工作学习中不断要求自己，完善自己，让自己做的更好。电力电子技术课程设计

3三相交流调压电路

3.1实验目的:（1）了解三相交流调压触发电路的工作原理。（2）加深理解三相交流调压电路的工作原理。（3）了解三相交流调压电路带不同负载时的工作特性。

（4）掌握三相交流调压电路MATLAB的仿真方法，会设置各模块的参数。

3.2实验原理：

本实验的三相交流调压器为三相三线制，由于没有中线，每相电流必须从另一相构成回路，因此电流流通路径中有两个晶闸管，所以交流调压应采用宽脉冲或双窄脉冲进行触发。三相的触发脉冲应依次相差120°，同一相的两个反并联的晶闸管触发脉冲应相差180°。通过调节α导通角的大小从而控制晶闸管的导通角大小，以控制输出电压有效值来调节输出电压。实验装置中使用后沿固定，前沿可变的宽脉冲链实验电路如下图3.2所示：

图3.2

整流电压平均值分两种情况如下：（1）α≤30°时，负载电流连续，有

当α=0时，U。最大，U。=1.17U2（2）α＞30°时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有电力电子技术课程设计

负载电流平均值为

晶闸管承受的最大反向电压为：

由于晶闸管阴极与零线间的电压即为整流输出电压U。，其最小值为零，而晶闸管阳极与零线间的最高电压等于变压器二次相电压的峰值，因此晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值。

3.3实验内容

（1）三相交流调压器触发电路的调试。

（2）三相交流调压器电路带电阻性负载。

（3）三相交流调压电路带电阻电感性负载

3.4计算机仿真过程及输出结果

1.带电阻性负载的仿真

启动MATLAB软件进入SIMULINK后新建文档，绘制三相交流调压系统模型如图：

（1）交流电压源的参数设置电力电子技术课程设计

设置交流峰值电压为100V 频率为50Hz。

（2）晶闸管的参数设置

Rn=0.001Ω，Lon=OH，Vf=0.8，Rs=500Ω，Cs=250e-9（250*10^-9）F。

（3）负载的参数设置

R=450Ω，L=OH，C=inf。

（4）脉冲发生器模块的参数设置

频率设置为50Hz，脉冲宽度为2% 设置好各模块参数后，单击工具栏的▶按钮，得到如下图

控制角0°

控制角30° 电力电子技术课程设计

2.带电阻电感性负载的仿真

启动MATLAB软件进入SIMULINK后新建文档，绘制三相交流调压系统模型如图：

双击各模块，再出现的对话框内设置相应参数，各模块参数设置同上，但负载模块的参数设置为：R=450Ω，L=0.1H，C=inf设置好各模块参数后，单击工具栏的▶按钮，得到如下图电力电子技术课程设计

控制角为0°

控制角为30° 电力电子技术课程设计

4总结及实训体会

随着大功率半导体开关器件的发明和变流电路的进步和发展，产生了利用这类器件和电路实现电能变换与控制的技术——电力电子技术。电力电子技术横跨电力、电子和控制三个领域，是现代电子技术的基础之一，是弱电子对强电力实现控制的桥梁和纽带，已被广泛应用于工农业生产、国防、交通、能源和人民生活的各个领域，有着极其广阔的应用前景，成为电气工程中的基础电子技术。

这次课程设计，我学到很多有关我们专业知识方面的知识，丰富了自己的知识点，使自己得到提升。首先对电力电子器件的工作原理有了更深的体会，对晶闸管的导通特性和三相交流调压电路中各晶闸管的导通顺序有了很好的了解。同时对SIMULINK仿真有了新的认识。SIMULINK提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量编写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。适应面广、结构和流程清晰、仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点。SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型，进而进行仿真与分析。

在电路进行仿真的过程中，经常遇到这样那样的问题。如：线路连接错误、参数设置等。这次课设增强了自己的设计和理论联系实际的能力，加深对MATLAB软件功能的理解，学会了如何用MATLAB设计三相交流调压器，学会分析理论与实际之间的误差，为以后理论在实践中的应用打下一个很好的基础。

其次懂得了各个课程知识不是孤立的，而是相互之间联系的，我们要学会综合理解知识点以及运用各知识。这次课程设计涉及到了电力电子技术、电路、数学，控制等众多知识面，因而我们需要把把各个学科之间的知识融合起来，形成一个整体，提升了自己的综合知识素养。

5附录

参考文献：《电力电子技术计算机仿真实验》主编李传琦

组合逻辑电路实验设计篇7

使用中、小规模集成电路来设计组合电路是最常见的逻辑电路。设计组合电路的一般步骤如图1所示。根据设计任务的要求建立输入、输出变量, 并列出真值表。然后用逻辑代数或卡诺图化简法求出简化的逻辑表达式。并按实际选用逻辑门的类型修改逻辑表达式。根据简化后的逻辑表达式, 画出逻辑图, 用标准器件构成逻辑电路[1]。最后, 用实验来验证设计的正确性。同样的逻辑电路设计可以用不同的设计方案来完成, 本文以三人逻辑表决器为例来说明, TTL集成电路、中规模集成译码器和中规模集成数据选择器的逻辑功能和设计原理及其应用。

1三人逻辑表决器的设计

设计要求与逻辑描述:用“与非”门设计一个表决电路。当3个输入端中有2个或3个为“1”时, 输出端才为“1”。

1.1采用基本逻辑门电路进行设计

组合逻辑电路的基本设计步骤如下:

1) 定义输入输出变量:定义设有A、B、C三位裁判, 三人表决中至少要有两人同意, 才可以通过。同意为1, 不同意为0, 输出为Y, 达成以上条件Y输出为1, 反之为0。

2) 根据逻辑功能列出真值表:

3) 由真值表写出输出逻辑函数表达式:

4) 化简逻辑表达式:

5) 画出逻辑电路图 (如图2)

1.2用74LS138译码器进行设计

二进制译码器实际上也是负脉冲输出的脉冲分配器。若利用使能端中的一个输入端输入数据信息, 器件就成为一个数据分配器 (又称多路分配器) , 如图3所示。若在S1输入端输入数据信息, , 地址码所对应的输出是S1数据信息的反码;若从端输入数据信息, 令S1=1、, 地址码所对应的输出就是端数据信息的原码。若数据信息是时钟脉冲, 则数据分配器便成为时钟脉冲分配器。

根据输入地址的不同组合译出唯一地址, 故可用作地址译码器。接成多路分配器, 可将一个信号源的数据信息传输到不同的地点[2]。

二进制译码器还能方便地实现逻辑函数, 由于n个输入变量的二进制译码器的输出提供了2n个最小项, 而任何一个逻辑函数可以变换为最小项之和的标准与-或表达式。因此可利用译码器和门电路来实现组合逻辑电路。

根据上式, 只需在一片74LS138的输出端加一个与非门就可以实现该逻辑函数。

1.3用74LS151数据选择器进行设计

数据选择器又叫“多路开关”。数据选择器在地址码 (或叫选择控制) 电位的控制下, 从几个数据输入中选择一个并将其送到一个公共的输出端。

数据选择器为目前逻辑设计中应用十分广泛的逻辑部件, 它有2选1、4选1、8选1、16选1等类别[3]。

74LS151为互补输出的8选1数据选择器, 选择控制端 (地址端) 为A2~A0, 按二进制译码, 从8个输入数据D0~D7中, 选择一个需要的数据送到输出端Q, S珔为使能端, 低电平有效。用151数据选择器设计三人表决器步骤如下:

1) 使能端时, 不论A2~A0状态如何, 均无输出 (Q=0, ) , 多路开关被禁止。

2) 使能端时, 多路开关正常工作, 根据地址码A2、A1、A0的状态选择D0~D7中某一个通道的数据输送到输出端Q。

如:A2A1A0=000, 则选择D0数据到输出端, 即Q=D0。

如:A2A1A0=001, 则选择D1数据到输出端, 即Q=D1, 其余类推。

将逻辑函数转换成最小项表达式: