实验二利用MSI设计组合逻辑电路.docx
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实验二利用MSI设计组合逻辑电路
实验二利用MSI设计组合逻辑电路
刘予歆
14346015
一、实验目的
1、编码器的原理理解,数据选择器的分析
2、掌握MSI设计的组合逻辑电路的方法
3、设计一个数据分配器
4、设计一个简单的AU
二、我要用的仪器:
数电实验箱、数字万用表、示波器
74LS0074LS19774LS13874LS151
三、实验原理
1、数据分配器:
74LS138:
如图1:
S0,S1,S2是地址指示输入端,用三个端口表示8个地址的数据分配。
G1是数据输入端,G1的脉冲输入信息传递到根据S0,S1,S2的指示的地址;而D0~D7端口则是数据分配后的输出,否G2A和否G2B是使能端,当两者的输入电频同时为低是使芯片工作,否则D端的输出总是高电平。
2、数据分配器:
74LS151:
如图2:
S0,S1,S2是地址指示输入端,而D0~D7是数据输入端,根据S0,S1,S2的指示来将数据从Z端输出,而否Z端输出Z数据的反码(本实验在、暂时不用),而否E端接入低电频,使芯片工作。
四、实验内容
实验一:
模拟数据分配器的使用
关于相关的实验一:
用74LS197模拟数据输入,其中包括S0,S1,S2指示的数据分配和一个数据读入端,用示波器检测D0~D7每个输出波形,而它的真值表如表一。
实验电路如下:
经过示波器检测,如图4,在波形图中,D0接入10KHZ的方波脉冲,作为clock,而D1,D2,D3是地址输入的波形,D7~D14记录了138数据分配器的地址输出波形。
如下表格,是从A到B点的电平记录
S0
0
1
0
1
0
1
0
1
S1
0
0
1
1
0
0
1
1
S3
0
0
0
0
1
1
1
1
地址
000
100
010
110
001
101
011
111
138低电平端口
D0
D4
D2
D6
D1
D5
D3
D7
图4
经过图4分析,经过S0,S1,S2地址调控,对应端口是G1数据输入的反码,为了区别无关地址输出端口的高电平,本实验G1的输入总是1,使得对应的数据分配地址输出是低电位的,在图4的波形中,我们可以从波形X得到地址分配,从而在对应的波形X中观察到低电位。
实验二:
设计一个LU——数据选择器的应用:
如表二,这是本次试验的目标,S2S1用来控制逻辑功能的选择,而Y=f(A,B),如表三是S1,S0,A,B,Yi的真值表,对应的写出了杨树表达式。
由于151芯片只有3个地址信号输入端,八个数据输入端,这对16个数据输入情况是不够用的,所以将对函数表达式进行化简,使得(B,Yi)合并,从D端口输入,而S1,S2和A从151的S0,S1,S2接入,否E接地,用示波器观察Z的输出波形,波形图如图5所示。
表二
真值表如下:
S1
S0
A
B
Yi
function
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
1
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
0
1
1
0
函数表达式如下:
根据函数表达式,将197芯片模拟信号输入,将Q1作为A,Q2作为S0,Q3作为S1,Q0作为B;A,S0,S1分别连入151的S2,S1,S0,而D0~7根据函数表达式接地,或高电平,或B,如图5的波形图:
示波器中,波D1接Q3,D2接Q2,D3接Q1,而D4接Q0,
图5
在波形图里,从A至B点进行分析,记录如下表:
S1
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
S0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
A
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
数据输入B/0/1
0
0
B=0
B=1
1
1
B=0
B=1
1
1
输出
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
如表格记录,输出和对应的数据输入一致,说明了电路设计的正确性,
实验三:
AU设计
设计一个半加半减器对应输入情况如下表:
S
输入1
输入2
输出
进/借位C
0
A
B
A+B
进位
1
A
B
A-B
借位
于是列出真值表:
S
A
B
X
C
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
1
0
1
1
0
0
根据真值表写函数表达式如下:
根据函数表达式,具体方法有三种:
(1)用逻辑门实现
如下图示,为电路图:
波形图如下:
如图分析:
D4是和/差,当D1/D2电位不同时,为高电位;对于D5,是进/借位,当ABC=110/011时,才为高电位。
(2)74LS138实现
如下图示,为电路图:
其中和与差得输出对应138芯片的1、2、6、7接口,进借位对应4、6接口,用138的Q1做S,Q2做A,Q2做B
波形图如下:
如图分析:
D4是和/差,当D1/D2电位不同时,为高电位;对于D5,是进/借位,当ABC=110/011时,才为高电位。
(3)用两次74LS151实现,分别记录和差||进借位的结果
如下图示,为电路图:
但是由于数字电路试验箱的151芯片有限,所以将和差得结果和进借位的结果分开做,并记录
波形图如下:
记录和差得波形图
记录进借位的波形图
如图分析:
对于和差波形,当D4是和/差,当D1/D2电位不同时,为高电位;对于D5,是进/借位,当ABC=110/011时,才为高电位。
实验四:
ALU设计
功能以及真值表如下:
S2
S1
S0
A
B
Cn-1
Y
C
功能
0
0
0
0
0
0
与
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
0
0
或
0
1
1
1
0
1
1
1
1
0
1
0
0
0
1
A非
0
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
B非
0
1
0
1
0
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
异或
0
1
1
1
0
1
1
1
0
1
0
1
0
0
0
0
0
全加
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
全减
0
0
1
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
N/A
电路图如下设计:
如上图,A区用两个74LS197芯片模拟信号输入,其中A1区的197芯片Q0代表真值表的A,Q1代表B,Q2代表本借位或低进位C;A2区的的197芯片Q1代表真值表的S2,Q2代表S1,Q3代表S2.
B区模拟了和、或、非、异或四个功能;
C区实现全加器功能,其中第一个74LS20链接138芯片1、2、4、7接口,记录和差;
第二个芯片74LS20链接138芯片3、5、6、7接口,记录下一个进位;
第三个芯片74LS20链接138芯片2\4\6\7接口,记录借位。
D去是两个151芯片,选着数据输入,
E区将真值表中的Y与C区分开,接入示波器
实际实验说明;由于数电实验箱的197和151芯片有限,所以将真值表中的Y和C分开实验。
(1)当记录Y时,只用了电路图上方的197芯片,用197的Q3,和两个模拟开关模拟数据选择输入S2、S1、S0
波形图如下,D1~3是A,B,C,而D4~6是数据选择
如上图,断开两个模拟开关,当D6是低电平是,数据选择是000,实现逻辑和,当D1和D2同时为高
电平时,D7输出才是高电平,否则D7是低电平;
当D6是高电平时,数据选择是001,实现的是逻辑或运算,当D1,D2同时为0是,D7才是0;当D1,D2某一个或同时是1时,D7是1;
当打开其中一个模拟开关时,波形图如下:
这是一个逻辑否的功能,其中D5是高电位(打开了一个开关),当D6为0时,实现010的非A的功能,其中对应的D7电位总是与A对应的D1电位相反;
当D6为1时,实现011的否B的功能,D7与B对应的D2电位总是相反;
当换成另外一个模拟开关打开的时候,波形图如下:
当D6为低电位时,实现100功能的异或,当D1、D2的电位不同是,D7的电位是1;否则,D7的电位是0;
当D6的电位是1时,实现101功能,但是D7的结果总是0;因此,估计是某根线搭接错了。
去实验室重新实验,以上数据作废
由于ALU线路复杂,容易搭错线,所以决定不用Q3输入,而是用三个模拟开关模拟S1~3的数据选择输入。
(1)当数据选择为000是,波形图如下:
当D1和D2同时为高电位时,D7输出才是高,符合逻辑和。
(2)当数据选择为001是,波形图如下:
当D1和D2同时为低电位时,D7输出才是低,符合逻辑或。
(3)当数据选择为010是,波形图如下:
D7与D1的电位总是相反,符合非A。
(4)当数据选择为011是,波形图如下:
波形图如下:
D7与D2的电位总是相反,符合非B
(5)当数据选择为100是,波形图如下:
只有D1和D2的电位相反时,D7才是高电位,饭盒逻辑异或。
(6)当数据选择为101是,波形图如下:
当D1D2D3=110/101/011/000时,D7为低电位,否则为高电位,符合全加的逻辑。
(7)当数据选择为110是,波形图如下:
由于实验中途的意外,出现局部断线,重新接线,但是示波器的接头对D4和D6接反了,实际上,这是110的功能,而不是011;
波形符合以下逻辑:
即为全减的差
S2
S1
S0
A
B
Yi
function
当两个模拟开关全部打开时,
对于进位/借位的实验
当记录C时,只用了下方的197芯片,用三个模拟开关模拟A、B、Cn-1
当实现101功能时,波形图如下:
当D1~3有两个或三个高电位时,D7为高电位,符合全加的进位逻辑。
(2)当我实现110的借位功能时,波形图如下
然而,这是一个错误的波形图,因为周四上午,周五下午,周一下午,一直在做实验,耗时长,结果疲倦,造成在写实验报告是才排查出实验箱的151选择器的某个接口有故障,导致这个借位波形形成失败。
四、实验分析
1、对于实验一,通过了G1接入1的电平,在输出端找到低电位,即为输出地址,器编号和地址输入端信号一致,总而更熟悉的了解数据分配器的使用
2、对于实验二,逻辑判断似乎和数据选择器不相干,但是同过真值表和函数表达式的简化可以是两者结合进行试验。
对于端口有限的情况,化简函数是要领。
3、实验三,用逻辑门的方法直接,客观;而用138芯片,要注意函数表达式的使用,接对138的接口;151的方面,原理与138相似
4、ALU逻辑功能较多,所以注意功能的细化,将一个个的功能用部分小电路实现,在根据数据选择来进行对小电路的链接。
但是试验中,学会排查实验箱的故障是必备的技能,通过一次次的失败,明白在复杂的电路中,学会搭配线的颜色,有利区分,避免错误;而没有及时发现实验器材的故障,对时间方面也会造成损失。