实验一机电系统中组合逻辑电路的应用

实验一：机电系统中组合逻辑电路的应用1实验一机电系统中组合逻辑电路的应用一、实验目的1.熟悉中大规模集成数字组合逻辑电路的实验分析方法。2.熟悉组合逻辑电路的实验验证方法。3.了解组合逻辑电路电路应用二、实验内容1、组合逻辑电路的实验分析。2、组合逻辑电路的设计验证。三、实验元器件、仪器与设备1、智能化电工与电子技术实验台；2、数字集成块：74151、74LS10、74LS20、74LS32、74LS86；四、实验原理机电系统中，用到了许多中大规模的数字集成电路，组合逻辑电路是其中一大重要部分。组合逻辑是指输出与输入信号之间存在一定的逻辑因果关系。组合逻辑电路的分析与设计是数字逻辑电路的学习的重要内容，其理论方法与实验验证方法是其核心内容。1、组合逻辑电路的分析组合逻辑电路的分析是根据所给逻辑电路，写出其输入和输出之间的逻辑函数表达式或逻辑状态表，从而确定该电路的逻辑功能。其步骤为：写出所有逻辑门输出与输入的逻辑表达式，得到反映相关输入与总电路输出（可以是多个）的原始逻辑表达式。采用代数法或卡诺图方法化简原始逻辑表达式，得到最简“与—或”式。根据最简式填写逻辑状态表。通过逻辑状态表得到输入与输出之间存在的组合逻辑关系或该电路实现的逻辑功能。2、组合逻辑电路的设计组合逻辑电路的设计是根据设计要求，定义输入量与输出量的逻辑含义，通过选择合适的电路以及某些特定的组合逻辑器件来实现该逻辑功能。其设计步骤与分析的步骤刚好相反。根据任务要求，定义逻辑变量——逻辑描述。列出逻辑状态表用卡诺图或代数法化建初最简的逻辑表达式根据现有或指定标准器件对最简式进行变换（如用“与非门”实现）画出逻辑图用实验验证设计的正确性机电一体化实验指导书2设计范例：按照组合逻辑电路的设计方法，采用数字集成块，实现以下检测要求：1.设计一个监测抽取车间内部有害气体的四台抽风风机工作运行的电路。简介：四台设备按照重要级别，分为主风机A，辅助风机B、C、D从每台风机相应的传感器提取运行状态数字信号：高电平H（1）表示对应风机正常运行；低电平L（0）表示对应风机运行异常；监测电路设计要求：平时正常工作时，车间由A、B、C、D四台风机工作，车间状态指示灯为绿色。当备用B、C和D风机中的只有一台出现运行异常时，将故障风机断电，同时发出黄灯提示。生产可以继续进行，但是维修工必须及时排除异常风机的故障。当主风机A出现故障，或者有两台以上风机出现故障马上将所有风机断电，同时发出红灯警报。2.设计过程：1）定义逻辑变量：输入变量：A、B、C、D分别为上述4台风机，对应传感器传来的“1”表示：工作正常；“0”表示：工作异常输出变量：L1：监控结果中绿灯的状态，“1”表示：灯亮，“0”表示：灯灭L2：检测结果中黄灯的状态，“1”表示：灯亮，“0”表示：灯灭L3：检测结果中红灯的状态，“1”表示：灯亮，“0”表示：灯灭2）填写逻辑状态表：表1-1检测控制电路的逻辑状态表输入A0000000011111111B0000111100001111C0011001100110011D0101010101010101输出L10000000000000001L20000000000010110L311111111111010003）逻辑式1LABCD2LABCDABCDABCDABCDBCDBCD3LABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDBCDBCDBCDABCBDCD4）用数据选择器74151和相关集成电路实现以上设计的逻辑电路：实验一：机电系统中组合逻辑电路的应用3U174151D04D13D22D31D415D514D613D712A011A110A29G7Y6Y516VCC8GNDU274151D04D13D22D31D415D514D613D712A011A110A29G7Y6Y516VCC8GND0CBD高电平0低电平AL2L3L1U4A7402231U3A7408123U3B7408456图1-1风机监测电路原理图5）用电路仿真软件仿真验证：TimeTime0s2s4s6s8s10s12s14s16s18sABCDL1L2L3图1-2风机监测电路逻辑仿真结果图分析：当ABCD出现1011、1101和1110时，表示四台风机中的一台辅助风机出现异常；此时电路输出的结果L1、L2、L3为010，表示L2黄灯亮，其余两盏灯灭。结论：符合设计要求。当ABCD出现1111时，表示四台风机全部正常；此时电路输出的结果L1、L2、L3为100，表示L1绿灯亮，10110101100001110101011000101111100机电一体化实验指导书4其余两盏灯灭。结论：符合设计要求。当ABCD出现A为0时，表示四台风机中的主风机出现异常；或者出现A正常为1，同时三台辅助风机中有两台出现异常时，电路输出的结果L1、L2、L3为001，表示L3红灯亮，其余两盏灯灭。结论：符合设计要求。综上面依据仿真图的分析，得出结论：本电路的理论上的设计符合要求！可以根据原理图选择元器件进行实际电路的实验验证！实验一：机电系统中组合逻辑电路的应用5五、实验内容步骤1、注意事项（实验前需仔细阅读）参考图1-3，数字集成块的管脚排列以集成块上的半圆形缺口为参照，按照逆时针顺序排列。“1”脚在集成块的左下第一引脚，电源输入脚在左上第一个引脚，接地端在集成块的游侠的第一个引脚；每个集成块必须在接通电源和接地后才可以工作，注意通电之前必须特别检查集成块的电源引脚和接地引脚是否接线正确。对于TTL器件，如果某一输入引脚始终需要处于不变的逻辑“1”状态时，可将其悬空或直接与电源相连；如果某一输入引脚始终需要处于不变的逻辑“0”状态时，可将直接与“地”相连。2、实验用集成块的管脚及其内部逻辑门对应图74151D04D13D221D3D415D514D613D712A011A110A29G7Y6Y5VCC16GND8⑦⒁①⑧BADCVccGND7408&&&&⑦⒁①⑧BADCVccGND7402≥1≥1≥1≥1图1-3实验用部分集成块的管脚示意图（集成块内的A、B、C、D表示独立的逻辑门编号，NC表示空脚）3、风机监测电路逻辑功能的实验验证假定监测各台风机运行状态的相关传感器输出的信号经信号处理电路处理后变成满足数字电路要求的触发脉冲，且当风机处于异常时，对应的脉冲为高电平如下图1-4所示的信号A：机电一体化实验指导书6A异常正常图1-4A风机故障信号示意图这样在实验室环境下如只需验证监测电路的功能就可以将A、B、C和D信号直接用高电平或低电平来逐一验证。对原理稍加变化，成为实验接线图1-5。1）按照图1-4正确连线。2）检查检查电源脚和接地脚是否可靠正确连线后，通电进行测试并记录实验结果。完成表1-2，注意：A、B、C、D电平灯：亮为1，灭为0；输出指示灯：亮填1，不亮填0。表1-2表决电路的逻辑状态实验验证表输入A0000000011111111B0000111100001111C0011001100110011D0101010101010101输出指示灯L1L2L3实验中，注意验证总结如下内容，看看是否满足设计要求：无论其他风机状态如何，当A风机出现异常时（即A=1），以下哪些灯亮：L1，L2，L3；当A正常时，辅助风机中有两台还正常运行时，以下哪些灯亮：L1，L2，L3；在ABCD=时，L1灯亮。实验中有没有超过1盏以上的灯同时亮？实验一：机电系统中组合逻辑电路的应用7K212L1绿色K312K412L2黄色L3红色U47402GND7VCC1411228833445566101011111212131399HU174151D04D13D22D31D415D514D613D712A011A110A29G7Y6Y516VCC8GNDU274151D04D13D22D31D415D514D613D712A011A110A29G7Y6Y516VCC8GNDU37408GND7VCC1411228833445566101011111212131399GNDBAR1R2CR2R2R3R2D0GND电平指示灯组开关组K112+5V图1-3风机监测电路实验接线图机电一体化实验指导书8六、实验数据整理及思考题1、整理实验数据。2、总结如果需要实验中某个输入脚为固定的逻辑高电平“1”，可以如何接线？如果需要实验中某个输入脚为固定的逻辑低电平“0”，又如何接线？。3、实验建议和心得实验一：机电系统中组合逻辑电路的应用9西南林业大学学生实验报告学生姓名：专业：学号：实验名称：内容：指导教师：日期：年月日课程名称：成绩：