指導思想

在學完《數字電路》課程后，為了鞏固同學們所學的基礎知識和基礎知識的應用，提高獨立思考問題；分析問題和解決今后工作中的實際問題的能力，為了把同學們培養成為既有理論知識又有實際動手能力的良好素質人才，特針對《數字電路》課程，開設數字電路設計的實訓課，其目的是通過設計、制作、幫助同學們掌握簡單數字系統的設計和制作方法，讓同學們學會查閱有關資料，使他們將學過的知識融會貫通。當前1頁，總共68頁。教學目標（一）課程性質課程設計。（二）課程目的數字電路課程設計是數字電子技術課程的實踐性教學環節，是對學生學習數字電子技術的綜合性訓練，這種訓練是通過學生獨立進行某一課題的設計、安裝和調試來完成的，訓練學生綜合運用學過的數字電路的基本知識，獨立設計比較復雜的數字電路的能力。當前2頁，總共68頁。通過數字電路課程設計要求學生：1、綜合運用電子技術課程中所學到的理論知識，獨立完成一個設計課題。2、通過查閱手冊和文獻資料，培養學生獨立分析和解決實際問題的能力。3、了解常用電子器件的類型和特性，并掌握合理選用的原則。4、學會電子電路的安裝與調試技能，掌握電子電路的測試方法。5、掌握常用電子儀器的使用方法。6、學會撰寫課程設計總結報告。7、培養學生嚴肅認真的工作作風和嚴謹的科學態度。當前3頁，總共68頁。二、教學內容基本要求及學時分配1、課程設計題目算術運算單元ALU的設計，軟件仿真一人一組，硬件搭建二人一組。2、設計內容拿到題目后首先進行電路分析設計，在滿足設計要求后，再進行硬件電路搭建（在面包板上實現），實驗結果不滿足要求，則修改設計，直到滿足要求為止。3、設計要求(1)按題目要求的邏輯功能進行設計，電路各個組成部分須有設計說明；(2)使用Multisim來做出仿真電路；(3)經過老師檢查后，領器件在面包板上搭建出硬件電路，調處正確的結果；(4)寫設計報告書，總結這次課程設計的體會。當前4頁，總共68頁。三、主要教學環節（一）設計安排1.課程設計時間為二周共32學時，2學分；2、教學安排講授設計需要的硬件、設計的要求、布置設計題目；學生進行設計；學生搭建硬件電路、調試教師檢查學生設計和搭建調試后硬件，合格后學生寫課程設計報告。當前5頁，總共68頁。（二）指導與答疑每天都有教師現場答疑，學生有疑難問題可找教師答疑。學時應充分發揮主觀能動性，不應過分依賴教師。（三）設計的考評設計全部完成后，須經教師驗收。驗收時學生要講述自己設計電路的原理、演示軟、硬件實驗結果。教師根據學生設計的軟硬件全過程的表現和驗收情況給出成績。當前6頁，總共68頁。四、課程設計報告的內容和要求（一）課程設計報告的內容按附錄中給出的報告模板進行編寫，用A4紙打印，左側裝訂。（二）課程設計報告編寫的基本要求（1）按設計指導書中要求的格式書寫，所有的內容一律打印；（2）報告內容包括設計過程、分析、硬件設計結果及分析；（設計結果及分析和感受要求手寫）（3）要有整體電路原理圖、各模塊原理圖；當前7頁，總共68頁。五、考核內容與成績評定1．考核內容：設計能力實驗結果安裝調試情況總結報告情況出勤和設計及調試過程的學習態度，工作作風和科學態度2．成績評定：（1）設計的正確性和合理性20分（2）硬件搭建20分（3）實際操作，調試、效果40分（4）總結報告20分當前8頁，總共68頁。六、算術運算單元ALU的設計課程設計的步驟：一、確立制作思路二、查閱有關資料繪制設計初稿三、根據初稿再查閱有關資料，反復修改設計稿以取得正確的理論知識的支撐，并繪出各部分的電路圖當前9頁，總共68頁。四、按所設計的電路去選擇、測試好元器件、并裝配電路（面包板）。五、調試。六、若組裝時出現的故障，需要依據所學知識獨立思考、找出問題的根源，并排除產品的故障七、準備設計報告當前10頁，總共68頁。七、設計要求1、設計4位ALU，可實現8種算邏運算。要求：（1）．進行兩個四位二進制數的運算。（2）．算術運算：A+B,A-B,A+1,A-1（3）．邏輯運算：AandB,AorB,Anot,AxorB2、采用總線方式（4位），實現輸入A3—A0、B3---B0，采用4只開關分2次輸入A和B數據。3、8種算邏運算通過3位功能選擇開關選擇某一種功能。（例如：000---加，001—減，….)當前11頁，總共68頁。4、要求輸入A和B后，各設置一個數碼管顯示鎖存后的A數和B數（搭硬件時不用）5、要求輸入A和B后，各設置四只發光管顯示鎖存后的A數和B數（搭硬件時要用，例如：輸入9---顯示:亮滅滅亮）6、運算結果用一個數碼管顯示（顯示0—F)和四只發光管顯示（軟硬件都必須有）7、用2只發光管顯示進借位和顯示溢出。例如：0101（5）+0100（4），顯示1001（9），進借位發光管滅，溢出發光管亮當前12頁，總共68頁。9、ALU工作按節拍步驟進行。例如：第一拍-----輸入A3—A0(打開A鎖存)第二拍-----輸入B3—B0(打開B鎖存)第三拍-----運算并輸出顯示(打開A、B三態門，鎖存器輸出A、B送ALU)第四拍-----復位(關閉A、B鎖存器輸出)要求設計一個節拍發生器，用一個按鈕開關，每按一次發出一個節拍。當前13頁，總共68頁。八、原理框圖顯示模塊ALUA輸入鎖存功能選擇B輸入鎖存D3—D0節拍發生器+5VA緩沖三態門B緩沖三態門4開關輸入A、B數3開關設置8功能當前14頁，總共68頁。九、繪制總體電路圖根據4位ALU要求設計或選定各單元電路按原理的順序組合起來，組成總電路圖，在繪制電路時應注意以下幾點：（1）各單元電路的電源、公共地線連接在一起，各電路的電源電壓值應按要求接入相應的接線端。（2）各單元的輸入，輸出信號應按要求首尾相接，且應符合匹配關系。當前15頁，總共68頁。（3）需要控制的信號端，應對應開頭元件（含開關電路）（4）集成電路或其他元件多余的功能端不用時，可不畫出來以保持電路總圖的簡捷和清晰。（5）不得采用大規模集成電路，電路要求選用單元電路芯片當前16頁，總共68頁。（5）裝配完后，按電路原理測試各點的工作電壓，以判斷其工作是否正常。十、電路的裝配及調試（1）同學們需按電路的原理圖，繪制出接線圖。（2）清總元器件個數。（3）用“萬用表”測試元器件質量的好壞。（4）把元器件按接線圖搭建在面包電路板上當前17頁，總共68頁。十一簡單的輸入/輸出接口芯片在外設接口電路中，對傳輸過程中的信息進行放大、隔離以及鎖存的就是緩沖器、數據收發器和鎖存器。1、僅含三態緩沖器的并行接口電路：由單向或雙向三態門組成，可用做總線緩沖器/驅動器。主要有：intel8216/8226（4位）、SN74/54系列240/241/244/245.2、僅含數據鎖存器的并行接口電路：由觸發器組成的數據鎖存器。主要有SN74/54系列377/378/379/273/176/276等。3、兼備數據鎖存器和三態緩沖器的并行接口電路：常見的有：intel8212、SN74/54系列240/241/244/245/373當前18頁，總共68頁。4、74系列器件74×××；標準型TTL74L×××；低功耗型TTL74S×××；肖特基型TTL74LS×××；低功耗肖特基型TTL74ALS×××；高性能型TTL74F×××；高速型TTL當前19頁，總共68頁。5、鎖存器74LS373：是8D鎖存器，具有三態驅動輸出，由8個D門組成，8個輸入端1D～8D、8個輸出端1Q～8Q，2個控制端—G和OE。74LS373的鎖存器功能見下表。當前20頁，總共68頁。74LS373鎖存器邏輯電路和引腳圖當前21頁，總共68頁。表74LS373的真值表

H為高電平，L為低電平，Q0為原狀態，Z為高阻抗，×為任意值。 74LS373鎖存器主要用于鎖存地址信息、數據信息以及DMA頁面地址信息等。 常用的鎖存器還有74LS273，573，Intel8282和8283等使能G輸出允許OE輸入輸出QHLLLHLHHLL×Q0×H×Z當前22頁，總共68頁。9、緩沖器74LS244 三態輸出的八緩沖器和線驅動器； 8個輸入端，分為二路—1A1～1A4，2A1～2A4； 8個輸出端，分為二路—1Y1～1Y4，2Y1～2Y4； 分別由2個門控信號和控制；和為低，芯片工作，Y=A； 74LS244緩沖后，輸入信號被驅動，輸出信號的驅動能力加大了； 常用的緩沖器還有74LS240和74LS241等。當前23頁，總共68頁。74LS244緩沖器邏輯電路和引腳圖當前24頁，總共68頁。

10、數據收發器74LS245 三態輸出的8總線收發器； 16個雙向傳送的數據端，A1~A8，B1~B8； 兩個控制端—使能端和方向控制端DIR； 芯片的功能見表。表74LS245的真值表

通常用于數據的雙向傳送、緩沖和驅動。 常用的數據收發器還有74LS243、Intel8286、Intel8287等使能方向控制DIR傳送方向LLB→ALHA→BH×隔開當前25頁，總共68頁。74LS245八總線收發器邏輯電路和引腳圖當前26頁，總共68頁。十二、顯示電路

選擇數碼管進行人機通信，顯示出計算結果。

實際應用的數碼管需要外加譯碼電路。

數碼管分為共陽型和共陰型，共陽型由74LS47驅動，共陰型由74LS48驅動。

如果7段數碼管是共陽顯示電路，那就需要選用74LS47譯碼驅動集成電路。共陽就是把abcdefg的7個發光二極管的正極連接在一起并接到5V電源上，其余的7個負極接到74LS47相應的abcdefg輸出端上。當前27頁，總共68頁。

如果把7段數碼管的每一段都等效成發光二極管的正負兩個極，那共陰就是把abcdefg這7個發光二極管的負極連接在一起并接地；它們的7個正極接到7段譯碼驅動電路74LS48的相對應的驅動端上（也是abcdefg）！此時若顯示數字1，那么譯碼驅動電路輸出段bc為高電平，其他段掃描輸出端為低電平，以此類推。當前28頁，總共68頁。無論共陰共陽7段顯示電路，都需要加限流電阻，否則通電后就把7段譯碼管燒壞了！限流電阻的選取是：5V電源電壓減去發光二極管的工作電壓除上10ma到15ma得數即為限流電阻的值。

發光二極管的工作電壓一般在1.8V--2.2V，為計算方便，通常選2V即可！發光二極管的工作電流選取在10-20ma，電流選小了，7段數碼管不太亮，選大了工作時間長了發光管易燒壞！對于大功率7段數碼管可根據實際情況來選取限流電阻及電阻的瓦數！

當前29頁，總共68頁。當前30頁，總共68頁。當前31頁，總共68頁。74181算術邏輯單元/函數發生器742834位二進制全加器741518選1數據選擇器74136四異或門當前32頁，總共68頁。十三、面包板使用:1、面包板結構當前33頁，總共68頁。2、面包板反面每一條金屬片插入一個塑料槽，在同一個槽的插孔相通，不同槽的插孔不通。插槽和插孔當前34頁，總共68頁。3、插孔內部導通情況每一條金屬片插入一個塑料槽，在同一個槽的插孔相通，不同槽的插孔不通。三組五孔相通一組五孔相通不同槽的插孔相通不通五孔一組銅片十五孔一組銅片集成塊插法當前35頁，總共68頁。4、導線的剝頭和插法導線剝頭的長度比面包板厚度略短，轉彎處留1mm絕緣層，絕緣層太長會因為絕緣層插入導電孔而不導通。銅線太短也會因接觸不良而不導通。銅線太長容易引起短路銅線必須插入金屬孔中，特別在金屬孔位置靠邊時，容易插到邊上空白處，引起接觸不良，用萬用表也難以測量。當前36頁，總共68頁。5、集成塊的插法由于集成塊引腳間與距離與插孔位置有偏差，必須預先調整好位置，小心插入金屬孔中，不然會引起接觸不良，而且會使銅片位置偏移，插導線時容易插偏。此原因引起的故障占總故障的60%以上。當前37頁，總共68頁。6、接線樣板兩個三組五孔和中間四組五孔相通接通，整行連通。常用來接電源和接地左邊整列連通，右邊整列接通。常用來外接電源和地當前38頁，總共68頁。7、接線樣板導線量好長度后，剝好線頭、根據走線位置折好后插入面包板。走線方向為“橫平、豎直”整塊板上的元器件的布局要合理，使走線距離短、接線方便、整潔美觀。當前39頁，總共68頁。8、接線樣板一根導線可以直通的地方盡量只用一根線，用多根導線轉接費事又容易出錯。多個孔接同一個地方時，可以串接，以減少走線距離。當前40頁，總共68頁。9、接線樣板在接線以前要把導線拉直，不然會板面不整潔。整根導線在圓角硬物上摩擦會拉直。當前41頁，總共68頁。10、接線樣板此板太亂當前42頁，總共68頁。（一）、加法器在數字系統中，減法、乘法和除法的核心都是加法，因此加法器是計算機的基本運算單元，在邏輯電路中經常使用。半加器和全加器是算術運算電路中的基本單元，它們是完成1位二進制數相加的一種組合邏輯電路。十四、常用的組合邏輯電路設計當前43頁，總共68頁。1．半加器不考慮低位進位的加法器稱半加器。設A為被加數，B為加數。本位和為S，本位進位為C，根據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，本位進位C的表達式：表 半加器真值表ABSC0011010101100001當前44頁，總共68頁。實現半加器運算的邏輯電路如圖（a）所示，（b）圖為半加器的符號。

圖半加器當前45頁，總共68頁。2．全加器半加器只是解決了兩個一位二進制數相加，沒有考慮來自低位的進位。如果要多位二進制數相加，必須同時考慮來自低位的進位，這種加法器稱全加器。全加器真值表如表所示，表中Ai為被加數；Bi為加數；本位和Si；進位Ci，低位進位Ci-1。根據全加器的概念得出全加器真值表如下頁表所示。當前46頁，總共68頁。表 全加器真值表0101010100001111001100110110100100010111Ci-1AiBiSiCi當前47頁，總共68頁。根據表達式畫出全加器邏輯圖如圖（a）所示，圖（b）是全加器的符號。

(a)邏輯圖(b)符號圖全加器電路當前48頁，總共68頁。3．多位二進制加法電路用全加器可以實現多位二進制加法運算，實現四位二進制加法運算的邏輯圖如圖所示。圖中低位進位輸出作為高位進位輸入，進位信號是后級向前級一級一級傳輸的。圖四位二進加法器邏輯圖

當前49頁，總共68頁。4．集成四位二進制加法器74283集成四位二進制加法器74283采用了超前進位方式。74283邏輯符號及引腳圖如圖所示。圖4位二進制加法器74283的邏輯符號、引腳圖

當前50頁，總共68頁。(二）．數碼顯示譯碼器(1)七段發光二極管(LED)數碼管LED數碼管是目前最常用的數字顯示器，圖(a)、(b)為共陰管和共陽管的電路，(c)為兩種不同出線形式的引出腳功能圖。一個LED數碼管可用來顯示一位0～9十進制數和一個小數點。小型數碼管（0.5寸和0.36寸）每段發光二極管的正向壓降，隨顯示光（通常為紅、綠、黃、橙色）的顏色不同略有差別，通常約為2～2.5V，每個發光二極管的點亮電流在5～10mA。當前51頁，總共68頁。LED數碼管要顯示BCD碼所表示的十進制數字就需要有一個專門的譯碼器，該譯碼器不但要完成譯碼功能，還要有相當的驅動能力。

(a)共陰連接（“1”電平驅動）(b)共陽連接（“0”電平驅動）

當前52頁，總共68頁。(c)符號及引腳功能圖LED數碼管當前53頁，總共68頁。(2)BCD碼七段譯碼驅動器此類譯碼器型號有74LS47（共陽），74LS48（共陰），CC4511（共陰）等。以CC4511BCD為例，圖為CC4511引腳排列圖。圖CC4511引腳排列

當前54頁，總共68頁。其中：A、B、C、D—8421BCD碼輸入端。a、b、c、d、e、f、g—譯碼輸出端，輸出“1”有效，用來驅動共陰極LED數碼管。LT—測試輸入端，＝“0”時，譯碼輸出全為“1”。 BI—消隱輸入端，＝“0”時，譯碼輸出全為“0”。LE—鎖定端，LE＝“1”時譯碼器處于鎖定（保持）狀態，譯碼輸出保持在LE＝0時的數值，LE＝0為正常譯碼。表為CC4511功能表。CC4511內接有上拉電阻，故只需在輸出端與數碼管各段之間串入限流電阻即可工作。譯碼器還有拒偽碼功能，當輸入碼超過1001時，輸出全為“0”，數碼管熄滅。當前55頁，總共68頁。表CC4511功能表當前56頁，總共68頁。續表:當前57頁，總共68頁。在實際應用中，將十進制數的BCD碼接至譯碼器的相應輸入端A、B、C、D即可顯示0～9的數字。四位數碼管可接受四組BCD碼輸入。CC4511與LED數碼管的連接如圖所示。圖CC4511驅動一位LED數碼管

當前58頁，總共68頁。(三)補碼加、減運算規則在計算機中可進行兩種運算：算術運算和邏輯運算。算術運算時，參與運算的二進制數碼表示的是數值大小。常見的算術運算有加、減、乘、除、乘方、開方等。一般計算機中都提供了加、減、乘、除指令，其他更復雜的算術運算要利用算術變換成基本的四則運算來實現。從硬件實現的角度看，各種算術運算的基礎是加、減運算。對于補碼機，加法運算又是基礎的基礎。補碼的加減法運算規則：[X±Y]補=[X]補+[±Y]補其中，X、Y為正、負數均可。該式說明，無論加法還是減法運算，都可由補碼的加運算實現，運算結果（和或差）也以補碼表示。若運算結果不產生溢出，且最高位（符號位）為0，則表示結果為正數，最高位為1，則結果為負數。當前59頁，總共68頁。1、補碼加減法運算部件根據上節所述，對于減法運算,因為[X-Y]補=[X+（-Y）]補=[X]補+[-Y]補，所以計算時，可以先求出-Y的補碼，然后再進行加法運算，這樣在用邏輯電路實現減法運算時，可以只考慮用加法電路，而不必設置減法電路。實現補碼加減運算電路如圖所示。當前60頁，總共68頁。在圖中，被加數（或被減數）X和加數（或減數）Y分別存放在A寄存器和B寄存器中。當執行加法運算時，執行[X]補+[Y]補，將[X]補和[Y]補從A寄存器和B寄存器送到加法器的兩個輸入端。當執行減法運算時，執行[Y]補的各位取反（即0→1,1→0）,然后在最低位加1，即可得[-Y]補。假設Y=0011，則-Y的真值應等于-0011。根據上述方法，先取Y數中的各位的反值，得1100，然后在最低位加1，即1100+0001=1101。該值正好是-Y的補碼。當前61頁，總共6