1、數字邏輯綜合性實驗設計報告 課程名稱 數字邏輯實驗 題目名稱 簡單電子導航模擬器設計 班 級 20120616 學 號 學生姓名 同組班級 20120616 同組學號 同組姓名 指導教師 武俊鵬、孟昭林、劉書勇、趙國冬2014年 06 月 摘 要隨著生活水平提高，越來越多的人擁有了車并使用了導航儀，本實驗就是用發光二極管以流水燈的形式來模擬導航過程，第幾個發光二極管發光代表用戶所在位置，首先初始化用戶所在位置后通過按鍵控制數碼管選擇目的地的代號，另用一個開關控制開始導航，二極管即可以流水燈形式工作表示導航，同時用一個數碼管顯示移動的距離。關鍵詞：模擬 ；電子導航 ；流水燈 ；距離；目 錄1 需

2、求分析- 3 - 1.1 基本功能要求- 3 -1.2 創新拓展功能- 4 -1.3 設計原理- 4 -2 系統設計- 5 -2.1 系統邏輯結構設計- 5 -1） 初始位置設定- 5 -2） 目標位置設定- 9 -3） 位置顯示- 9 -4） 判斷模塊- 12 -5） 里程表- 14 -2.2 系統物理結構設計- 16 -1）初始位置的設定- 16 -2）目標位置的設定- 18 -3 )位置顯示- 18 -4.判斷LED燈移動方向- 21 -5.里程記錄器- 22 -2.3 實驗器材- 24 -3 系統實現- 25 -3.1 系統實現過程- 25 -3.2 系統測試- 25 -3.3 系統最

3、終電路圖- 26 -3.4系統團隊分工- 27 -4 總結- 29 -參考文獻- 30 -1 需求分析1.1 基本功能要求導航過程通過發光二極管來顯示，初始化用戶所在位置，即第幾個二極管亮，然后通過按鍵控制數碼管選定目的地代號，選好后，用另外一個按鍵給一個脈沖信號，讓發光二極管以流水燈的形式，走到選定的二極管，發光二極管代表各個地點（暫定八個）。1.2 創新拓展功能 加入了里程表功能，可以顯示導航過程中走過的距離（假定每個位置之間的距離相等）。在選定目的地時，不僅在數碼管上顯示目的地代號，并且點亮二極管相應位置的LED燈，在導航時同時顯示目的地位置和實時的位置，導航結束時，兩個點亮的LED重合

4、。1.3 設計原理用發光二極管以流水燈的形式來模擬導航過程，第幾個發光二極管發光代表用戶所在位置，首先初始化用戶所在位置后通過三個開關控制數碼管選擇目的地的代號，另一個開關控制導航的開始，二極管就能以流水燈形式工作。因為設計要求使用8個LED燈代表8個不同的位置，則本設計使用了一個74LS193同步可逆雙時鐘計數器（二進制）來存儲初始位置并通過74LS138來選定LED燈來表示當前的位置；另外用三個接有電源的開關來存儲目的地位置，同樣也通過74LS48來選定LED燈，并通過74LS48七段譯碼器在數碼管上顯示相應的數字；通過74LS85四位幅度比較器比較初始位置和目標位置的數值大小，根據74L

5、S85幅度比較器的輸出來確定對74LS193進行加操作或減操作，直到兩個數值相等時，停止對74LS193的操作。這樣，初始位置的LED燈就移動到了目的地LED燈，就可以實現簡單電子導航。2 系統設計2.1 系統邏輯結構設計經過對設計要求的分析，可將本實驗劃分為以下幾個功能模塊：1） 初始位置設定因為要可以選定8個位置，則使用三位二進制數A正好可以實現，用000到111分別表示8個不同的位置，同時可以對它進行加1操作或減1操作來實現導航過程中的移動，位置代號與三位二進制數對照表如下：表格1.1 位置代號與三位二進制數A對照表位置代號位置0位置1位置2位置3位置4位置5位置6位置7二進制數A000

6、001010011100101110111圖1.1 數字A的狀態轉換圖表1.2 數字A加1時的狀態轉換表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得次態卡諾圖：Q2n+1 Q1n+1Q0n+1 Q1nQ0n Q2n 0 0 0 1 1 1 1 0 001010100011101110000111 0 1由上面的卡諾圖求出Qn+1 的表達式：Q0n+1 = 0n Q1n+1=1n Q0n+Q1n0n Q2n+1=Q2n1n+2n Q1n Q0n+

7、Q2n Q1n0n 若選用D觸發器實現電路，則其驅動方程為：D0= 0n D1=1n Q0n+Q1n0n D2=Q2n1n+2n Q1n Q0n+Q2n Q1n0n 用D觸發器組成的原理性邏輯圖如下圖所示，電路采用同步時鐘CP控制。圖1.2 A進行加1操作時的邏輯電路圖 說明：上面F2F1F0輸出分別表示Q2Q1Q0，僅當來一個脈沖CP時，Q2Q1Q0數值加1，并且數值是從000至111循環的。表1.3 數字A減1時的狀態轉換表Q2n Q1nQ0nQ2n+1 Q1n+1Q0n+1功能000111減1111110減1110101減1101100減1100011減1011010減1010001減1

8、001000減1由表1.3的其次態卡諾圖Q2n+1 Q1n+1Q0n+1 Q1nQ0n Q2n 0 0 0 1 1 1 1 0 111000010001011100110101 0 1 由上面的卡諾圖求出Qn+1 的表達式：Q0n+1 = 0n Q1n+1=1n2n +Q1n Q0nQ2n+1 =1n2n0n +Q2nQ0n+Q2nQ1n若選用D觸發器實現電路，則其驅動方程：D0 = 0n D1=1n2n +Q1n Q0nD2 =1n2n0n +Q2nQ0n+Q2nQ1n用D觸發器組成的原理性邏輯圖如下圖所示，電路采用同步時鐘CP控制。圖 1.3 A進行減1操作時的邏輯電路圖說明：上面F2F1

9、F0輸出分別表示Q2Q1Q0，僅當來一個脈沖CP時，Q2Q1Q0數值減1，并且數值是從111至000循環的。2） 目標位置設定目標位置在導航過程中不會發生改變，用三位二進制數正好表示8個位置，所以這里我們用三個開關來表示三位二進制數。開關閉合表示“1”，開關斷開表示“0”，三位二進制數狀態與位置代號對應表如下：表格2.1 位置代號與三個開關狀態對照表位置代號位置0位置1位置2位置3位置4位置5位置6位置7三個開關s1s2s3狀態000001010011100101110111當需要進行狀態轉換時，直接撥動開關就可達到目的。3） 位置顯示(1)LED燈顯示三位二進制數對應8個不同的狀態，而目標位

10、置和初始位置都使用000到111來表示8個不同狀態，則讓000至111分別對應點亮8個LED中的一個即可完成該功能。三位二進制數狀態與LED燈對應關系如下：表格3.1 三位二進制數點亮的LED燈對照表位置位置0位置1位置2位置3位置4位置5位置6位置7點亮LED燈燈0燈1燈2燈3燈4燈5燈6燈7三位二進制數狀態000001010011100101110111(2)數碼管顯示因為只有8個位置，所以只要顯示8個數字即可，目標位置用了三個開關來表示8個狀態，與數碼管數字的對照表如下：表格3.2 三個開關狀態與數碼管數字對照表數碼管數字01234567三個開關s1s2s3狀態0000010100111

11、00101110111圖3.1 數碼管狀態轉換圖表3.3 數碼管狀態轉換表 Q2n Q1nQ0nQ2n+1 Q1n+1Q0n+1功能000001顯示1001010顯示2010011顯示3011100顯示4100101顯示5101110顯示6110111顯示7111000顯示0由表3.3得次態卡諾圖：Q2n+1 Q1n+1Q0n+1 Q1nQ0n Q2n 0 0 0 1 1 1 1 0 001010100011101110000111 0 1由上面的卡諾圖求出Qn+1 的表達式：Q0n+1 = 0n Q1n+1=1n Q0n+Q1n0n Q2n+1=Q2n1n+2n Q1n Q0n+Q2n Q1

12、n0n 若選用D觸發器實現電路，則其驅動方程：D0= 0n D1=1n Q0n+Q1n0n D2=Q2n1n+2n Q1n Q0n+Q2n Q1n0n 用D觸發器組成的原理性邏輯圖如下圖所示，電路采用同步時鐘CP控制。圖 3.2 數碼管顯示的邏輯電路圖說明：上面F2F1F0輸出分別表示Q2Q1Q0，僅當來一個脈沖CP時，Q2Q1Q0數值加1，并且數值是從000至111循環的。4） 判斷模塊設定好初始位置和目標位置后，每一個位置對應一個三位二進制數，則可以通過判斷初始位置對應二進制數A和目標位置對應二進制數B的大小，來判斷對A進行加1操作還是減1操作：其邏輯關系如下圖：圖4.1 判斷模塊邏輯關系

13、因為輸出有有三種狀態，則至少用兩位二進制來表示三種不同的狀態，設為Y1Y2。表格4.1 AB大小關系與輸出狀態對照表A、B的大小關系A>BA<BA=BY1Y2狀態100100對A操作減1加1不做任何操作圖4.2 數據比較輸出狀態轉換圖表4.2 數據比較輸出狀態轉換表Q1nQ0nQ1n+1Q0n+1狀態判斷1000A>B0100A<B0000A=B 由表4.2得到次態卡諾圖Q1n+1Q0n+1 Q0n Q1n 0 1 000000X 0 1 由圖求出表達式：Q0n+1 = Q1n Q0nQ1n+1 =Q1n Q0n若選用D觸發器實現電路，則其驅動方程：Q0n+1 = Q1

14、n Q0nQ1n+1 =Q1n Q0n用D觸發器組成的原理性邏輯圖如下圖所示，電路采用同步時鐘CP控制。圖 4.3 數據判斷輸出邏輯電路圖5） 里程表里程表來表示移動距離，總共有8個LED燈，則最大的移動距離是7，所以只要用一個三進制二進制數C就可以表示移動的距離，也就是移動次數，當對A進行加1或者減1操作時，A移動一次，所以每次對A進行加1或者減1操作時都對C進行加1操作就可以實現里程計數功能，C的數值與里程數對照表如下：表格5.1 里程數與三位二進制數C數值對照表里程數01234567三位二進制數C數值000001010011100101110111圖5.1 里程表狀態轉換圖表5.2 里程

15、表狀態轉換表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得次態卡諾圖：Q2n+1 Q1n+1Q0n+1 Q1nQ0n Q2n 0 0 0 1 1 1 1 0 001010100011101110000111 0 1由次態卡諾圖求出表達式：Q0n+1 = 0n Q1n+1=1n Q0n+Q1n0n Q2n+1=Q2n1n+2n Q1n Q0n+Q2n Q1n0n 若選用D觸發器實現電路，則其驅動方程為：D0= 0n D1=1n Q0n+Q1n0n

16、D2=Q2n1n+2n Q1n Q0n+Q2n Q1n0n 用D觸發器組成的原理性邏輯圖如下圖所示，電路采用同步時鐘CP控制。圖5.2 里程計邏輯電路圖說明：上面F2F1F0輸出分別表示Q2Q1Q0，僅當來一個脈沖CP時，Q2Q1Q0數值加1，并且數值是從000至111循環的，這樣就實現了里程計的功能。2.2 系統物理結構設計1）初始位置的設定因為要可以選定8個位置，結合前面邏輯電路的分析，則使用三位二進制計數器正好可以實現，用000到111分別表示8個不同的位置，又因為需要能對它進行加1操作或減1操作，則此處我們用74LS193同步可逆雙時鐘計數器，取用 其低三位即可。其真值表如下所示：表6

17、.1 74LS193真值表初始位置設置電路圖如下：圖6.1 設定初始位置電路圖說明：20、21、22線所連接的開關依次對應三位二進制數，開關閉合表示“1”，開關斷開表示“0”，如圖所示，表示A=010。 “確認輸入【1】”、“清零【1】”中的“【1】”表示開關閉合實現相應功能。2）目標位置的設定 同樣要求可以選定8個位置，但不用對其進行其他操作，則此處我們使用三個接電源的開關即可。3 )位置顯示( 1）LED燈的顯示三位二進制數對應8個不同的狀態，而目標位置和初始位置都使用000到111來表示8個不同狀態，為了讓000到111這八個狀態分別對應到8個LED燈，此處用74LS138三線-八線譯碼

18、器就可以實現。其真值表如下：表7.1 74LS138真值表但74LS138輸出時有7個是高電位，1個是低電位，不能直接接到LED燈上，同時LED燈要可以同時顯示初始位置和目標位置，則再使用8個與非門，把每個與非門分別接到兩個74LS138上即可實現初始位置和目標位置都只點亮一個LED燈。舉例分析如下：當初始位置A=01111111，目標位置B=11011111時，A、B的每一位經過與非運算得到輸出Y=10100000,把這個信號輸給8個LED燈，就可以只點亮第0位和第2位的LED燈。LED燈顯示電路如下圖： 圖7.1 LED燈顯示電路說明： 左側74LS138中的ABC接初始位置A對應的二進制

19、數右側74LS138中的ABC接目標位置B對應的二進制數( 2）數碼管部分的顯示 因為只有8個位置，所以只要顯示8個數字即可，目標位置用了3個二進制數來表示，結合前面邏輯電路分析，則使用74LS48和一個數碼管就可實現顯示功能。74LS48真值表如下：表8.1 74LS48真值表電路連接如圖：圖8.1 數碼管顯示電路其中把D接低電位，只取ABC，三位二進制數與數字對應關系如下：ABC000001010011100101110111數字01234567里程計也使用數碼管來顯示，方式與上面相同，不再贅述。4.判斷LED燈移動方向 如圖7.1連接方式時，當A或B從小到大遞增時，LED燈從左向右依次亮

20、起。 設初始位置值為A，目標位置值為B，當A<B時，初始位置在目標位置左側，對A進行加操作，初始位置向右移動；當A>B時，初始位置在目標位置右側，對A進行減操作，初始位置向左移動直到A=B，停止對A的操作，此時兩個燈重合，完成導航功能。結合前面邏輯電路的分析，這個比較功能用74LS85四位幅度比較器可以實現，其真值表如下：表9.1 74LS85真值表說明：這里只用高三位即可。5.里程記錄器每次初始位置移動都是給計數器脈沖，也就是給74LS193脈沖，把這個脈沖經過簡單的邏輯運算，再輸給另一個四位二進制加法器74LS163，讓74LS163實現加法操作，同時取其低三位經過74LS48

21、譯碼器傳給數碼管，即可實現顯示里程數的功能（假設每個LED燈之間的距離都相同）。74LS163真值表如下： 表10.1 74LS163真值表電路中還用到了與非門、或門和異或門，其真值表如下：74LS00真值表 74LS86真值表74LS32真值表2.3 實驗器材1） 數字邏輯實驗箱 1臺2） 導線若干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 系統實現3.1 系統實現過程 選定題目后，先分析電路所要實現的功能，劃分幾個功能模塊，然后再分別對各個模塊進行邏輯功能分析，依次

22、畫出狀態轉換圖、次態卡諾圖，求出表達式、驅動方程、再畫出邏輯電路圖，再結合邏輯功能設計出總的電路圖。然后在Multisim仿真軟件上進行仿真，其中遇到了很多問題，比如不會操作軟件、不知道芯片名稱等，最后主要通過上網查找資料學會了如何使用Multisim，并且了解了以及各個芯片的名稱、引腳圖和真值表，最終仿真成功并實現了所需的功能。仿真完畢，在領取芯片后，先對各個芯片進行了邏輯功能測試，確保各個芯片功能正常，然后按照電路圖進行實物鏈接，期間也遇到了不少問題，比如接好電路后發現沒有按預期效果顯示，通過檢測各個位置電位與預期電位是否相同逐步排查，發現其中一次是芯片電源正負極接反，一次是一個接頭脫離了

23、電路板，還有一次是電路板的芯片底座故障，更換芯片位置后，功能恢復正常。最終，成功實現了簡單電子導航功能和里程表功能。3.2 系統測試系統測試包括理論測試和實物測試。理論測試是在仿真環境Multisim中完成的，連接好電路后，分別取幾組數據，通過仿真過程檢測結果是否正確，通過多組測試，功能正常。實物的測試我們采用了先局部測試后總體測試的方法，比如目標位置設定模塊，連接好該模塊后我們對每個狀態進行了測試，檢查顯示是否正確，這樣做的好處是可以及時發現電路問題，其中我們就發現了數據比較器74LS85實物的輸出與仿真環境不同，這是芯片不同造成的，我們及時發現了問題并做出了相應的改正。最終通過了測試，實現

24、了相應的功能。測試數據：A=000，B=111測試時，LED燈從最左邊依次亮到最右邊，并且里程表數碼管從“0”依次增加到“7”，最終LED燈全部停在最右邊，里程表數碼管停在數字“7”。測試所得結果與預期結果一致，再多取幾組數據進行測試，結果仍然與預期結果一致，說明電路正常并且實現了所要的功能。分析測試結果，說明電路工作正常，并可以實現以下功能：1） 通過三個開關設定初始位置，選擇8個不同的位置。2） 用8個LED燈分別表示8個不同的位置。3） 用兩個數碼管分別顯示目標地代號和里程數。4） 按下導航開關，可以實現自動導航功能，到達目的地時自動停止。3.3 系統最終電路圖電路分析：當輸入A=000

25、，B=111時，兩個信號通過74LS138譯碼器的輸出分別是Qa=011111111，Qb=11111110，經過分別經過與非門后的輸出是Q=10000001，此時點亮的LED燈是燈0和燈7，燈0是初始位置，燈7是目標位置。按下導航開關后，電路開始導航，此時數據比較器輸入A=000,B=111,A<B，此時輸出Y1Y2=10，經過簡單的邏輯運算后輸入給74LS193芯片的UP、DOWN的電位是變化的脈沖和1，結合74LS193真值表，來一個脈沖，對A進行加1操作，此時A=001，此時與A相連接的74LS138輸出Qa=10111111，和Qb=11111110與非運算后的輸出是Q=01000001，LED0滅，LED1亮起，即初始位置向目標位置移動了一位，此時輸入給數據比較器的數據A、B大小關系仍為A>B，則重復上述過程，即繼續對A進行加1操作，則初始位置繼續向目標位置移動，直到兩個位置重合時，A=B=111時，數據比較器輸出為00，經過邏輯運算后，接入74LS193芯片的UP、DOWN的電位是11，再結合74LS193真值表知，不再對A進行任何操作，則導航停止，并且完成了導航，在導航過程中，把每次輸給74LS193的脈沖也輸給里程表的加法器，由真值表知，每次來一個脈沖，就加1，整個導航過程對A加了7次，也就是7個脈沖，同