数字逻辑与电路设计实践教案

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１页 目 录

一、 前言 ………………………………………………… 2

二、 总体方案…………………………………………… 3

三、 各部分电路原理及分析…………………… 5

四、 结束语……………………………………………… 13

五、 参考文献………………………………………… 15

前 言

电子技术课程设计教学目的与要求：

课程设计是针对某一门课程的要求，对学生进行综合性的训练，培养学生运用课程中所学到的理论与实践紧密结合，独立地解决实际问题。“电子技术课程设计”是电子技术课程的实践性教学环节，使对学生学习电子技术的综合性训练，这种训练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。学生通过动脑动手解决一两个实际问题，巩固和运用在“模拟电子技术”、“数字电子技术”及“单片机原理与应用”等课程中所学的理论知识和实验技能，基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高设计能力和实验技能，为以后从事电子电路设计、研制电子产品打下基础。

电子课程设计应达到如下基本要求：

1、 巩固和加强“模拟电子技术”、“数字电子技术”课程的理论知识。

2、 掌握电子电路的一般的设计方法，了解电子产品研制开发过程。 如有你有帮助，请购买下载，谢谢！

２页 3、 提高电子电路实验技能及仪器使用能力。

4、 掌握电子电路安装和调试的方法及故障排除方法。

5、 学会撰写课程设计总结报告。

6、 通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析问题和解决问题的能力。

7、 培养创新能力和创新思维。

电子技术课程设计的任务和基本要求：

要求用中、小规模集成电路设计一台能显示日、时、分、秒的数字电子钟。技术要求如下：

1、 由晶振电路产生1Hz标准秒信号。

2、 秒、分为00～59六十进制计数器。

3、 时为00～23二十四进制计数器。

4、 周显示从1～7为七进制计数器。

5、 可手动校正，且具有整点报时功能。

电 子 科 技 大 学

UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA

数字逻辑设计

实验报告

实验题目： 电子秒表

学生姓名：

指导老师：

一、实验内容

利用FPGA设计一个电子秒表，计时范围00.00 ~ 99.00秒，最多连续记录3个成绩，由两键控制。

二、实验要求

1、实现计时功能：

域值范围为00.00 ~ 99.00秒，分辨率0.01秒，在数码管上显示。

2、两键控制与三次记录：

1键实现“开始”、“记录”等功能，2键实现“显示”、“重置”等功能。

系统上电复位后，按下1键“开始”后，开始计时，记录的时间一直显示在数码管上；按下1键“记录第一次”，次按1键“记录第二次”，再按1键“记录第三次”，分别记录三次时间。

其后按下2键“显示第一次”，次按2键“显示第二次”，再按2键“显示第三次”，数码管上分别显示此前三次记录的时间；显示完成后，按2键“重置”，所有数据清零，此时再按1键“开始”重复上述计时功能。

三、设计思路

1、整体设计思路

先对按键进行去抖操作，以正确的得到按键信息。

同时将按键信息对应到状态机中，状态机中的状态有：理想状态、开始状态、3次记录、3次显示、以及其之间的7次等待状态。

因为需要用数码管显示，故显示的过程中需要对数码管进行片选和段选，因此要用到4输入的多路选择器。

在去抖、计时、显示的过程中，都需要用到分频，从而得到理想频率的时钟信号。

2、分频设计

该实验中有3个地方需要用到分频操作，即去抖分频（需得到200HZ时钟）、计时分频（需得到100HZ时钟）和显示分频（需得到25kHZ时钟）。

分频的具体实现很简单，需首先算出系统时钟（50MHZ）和所需始终的频率比T，并定义一个计数变量count，当系统时钟的上升沿每来到一次，count就加1，当count=T时就将其置回1。这样只要令count=1~T/2时clk=‘0’，count=T/2+1~T时clk=‘1’即可。

课程名称：数字逻辑电路实验

指导书

课时：8学时

集成电路芯片

一、简介

数字电路实验中所用到的集成芯片都是双列直插式的，其引脚排列规则如图1－1所示。识别方法是：正对集成电路型号（如74LS20）或看标记（左边的缺口或小圆点标记），从左下角开始按逆时针方向以1，2，3，…依次排列到最后一脚（在左上角）。在标准形TTL集成电路中，电源端VCC一般排在左上端，接地端GND一般排在右下端。如74LS20为14脚芯片，14脚为VCC，7脚为GND。若集成芯片引脚上的功能标号为NC，则表示该引脚为空脚，与内部电路不连接。

二、TTL集成电路使用规则

1、接插集成块时，要认清定位标记，不得插反。

2、电源电压使用范围为＋4.5V～＋5.5V之间，实验中要求使用Vcc＝＋5V。电源极性绝对不允许接错。

3、闲置输入端处理方法

(1)悬空，相当于正逻辑“1”，对于一般小规模集成电路的数据输入端，实验时允许悬空处理。但易受外界干扰，导致电路的逻辑功能不正常。因此，对于接有长线的输入端，中规模以上的集成电路和使用集成电路较多的复杂电路，所有控制输入端必须按逻辑要求接入电路，不允许悬空。

(2)直接接电源电压VCC（也可以串入一只1～10KΩ的固定电阻）或接至某一固定电压(＋2.4≤V≤4.5V)的电源上，或与输入端为接地的多余与非门的输出端相接。

(3)若前级驱动能力允许，可以与使用的输入端并联。 4、输入端通过电阻接地，电阻值的大小将直接影响电路所处的状态。当R≤680Ω时，输入端相当于逻辑“0”；当R≥4.7KΩ时，输入端相当于逻辑“1”。对于不同系列的器件，要求的阻值不同。

5、输出端不允许并联使用（集电极开路门(OC)和三态输出门电路(3S)除外）。否则不仅会使电路逻辑功能混乱，并会导致器件损坏。

6、输出端不允许直接接地或直接接＋5V电源，否则将损坏器件，有时为了使后级电路获得较高的输出电平，允许输出端通过电阻R接至Vcc，一般取R＝3～5.1KΩ。

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第一章 数字电路与逻辑设计基础

本章的主要知识点包括数制及其转换、二进制的算术运算、BCD码和可靠性编码等。

1. 参考学时

2学时（总学时32课时，课时为48课时可分配4学时）。

2. 教学目标（能力要求）

 系统梳理半导体与微电子技术发展的历史，激发学生专业热情，结合我国计算机发展面临的卡脖子现状，鼓励学生积极投身信息成业自主可控；

 学生可解释数字系统的概念、类型及研究方法；

 学生能阐述数制的基本特点，可在不同数制之间进行数字的转换；

 学生能理解带符号二进制数的代码表示，能将真值和原码、反码、补码的进行转换；

 学生能熟记几种常用的编码（8421码、2421码、5421码、余三码），说明有权码和无权码的区别，能阐述不同编码的特点和特性；

 学生能阐述奇偶校验码和格雷码的工作原理与主要特征，并能利用相关原理进行二进制和格雷码的转换，能根据信息码生成校验码，并能根据信息码和校验码辨别数据是否可靠。

3. 教学重点

 BCD码

 奇偶校验码

 格雷码

4. 教学难点

 理解不同BCD码的编码方案及相关特征

 理解可靠性编码方案、验证的原理以及使用方法。

5. 教学主要内容

（1） 课程概述（15分钟）

➢ 科技革命促生互联网时代

➢ 半导体与微电子技术发展历程 2

➢ 课程性质、内容与学习方法

（2） 芯片与数字电路（20分钟）

➢ 数字信号和模拟信号

➢ 数字逻辑电路的特点

➢ 数字逻辑电路的分类

➢ 数字逻辑电路的研究方法

（3） 数制及其转换（5分钟）

➢ 进位计数值的概念和基本要素

➢ 二进制和十进制的相互转换

➢ 二进制和八进制数的相互转换

➢ 二进制和十六进制数的相互转换

（4） 二进制数的算术运算（5分钟）

➢ 无符号二进制数的算术运算

➢ 带符号二进制数的机器码表示

➢ 带符号二进制数的算术运算

（5） BCD码（20分钟）

➢ 有权码和无权码的区别