实验02-SSI组合逻辑电路设计

1实验二SSI组合逻辑电路设计一、实验目的1.掌握SSI组合逻辑电路的设计流程和方法；2.掌握SSI组合逻辑电路的分析方法；3.能用基本的门电路芯片设计出符合要求的电路，并对其功能进行验证；4.了解排除组合逻辑电路故障的一般方法；5.学会用Multisim仿真软件辅助设计电路。二、实验任务（建议学时：2学时）基本实验任务(任选两个完成)1.三个开关控制一盏灯。设计一个三室一厅卫生间照明控制电路，要求分别安装在三个卧室的开关A、B、C都能独立控制灯Y的亮、灭。（用一片74LS11和一片74LS04完成设计）2.设计一个四人表决器。当对表决事件表示同意的人数≥3人时表决有效，指示灯点亮。3.设计一个用电超载报警电路。现有三个用电设备，其电功率分别为200W、350W、300W。要求当总用电量超过500W时报警灯立即点亮。4.设计一个水泵控制电路。有一水箱有大小两台水泵ML和MS供水，如图2-1所示。水箱中设置了3个水位检测元件Ａ、Ｂ、Ｃ。水位低于检测元件时，检测元件给出高电平；水面高于检测元件时，检测元件给出低电平。现要求当水位超过Ｃ点时两水泵停止工作；水位低于Ｃ点而高于Ｂ点时MS单独工作；水位低于Ｂ点而高于Ａ点时ML单独工作；水位低于Ａ点时ML和MS同时工作。图2-1扩展实验任务（电类本科生必做，任选一个）1.设计一个交通灯工作状态监视电路。（用一片74LS04和两片74LS00完成设计）路口红、绿、黄三种颜色交通灯分别表示车辆“停止”、“通行”、“缓行”三种行车状态。正常情况下，任何时刻同一方向有且只有一盏灯被点亮，且不能全灭，否则被认为交通灯系统发生故障。一旦系统发生故障，要求点亮“交通灯工作状态”报警灯。2.设计一个4位数字密码锁。（用74LS11和74LS04各一片完成设计）该锁具有ＡＢＣＤ四个输入端和一个开锁控制信号输入端Ｅ，开锁代码自定义（如0101）。当ＡＢＣＤ四个输入代码与自定义的开锁代码一致时，按下开锁键(Ｅ=１)，锁打开2(Ｙ=１)；否则电路发出报警信号(Ｚ=１)。三、实验原理1．组合逻辑电路的特点：在任何时刻，电路的输出信号仅取决于该时刻的输入信号，而与信号作用前电路原来所处的状态无关。2．组合逻辑电路的设计：是根据实际问题的逻辑关系，设计出能够实现相应功能的逻辑电路。组合逻辑电路设计的一般方法和步骤（流程如图2-2所示）：1）对实际问题进行逻辑抽象，定义输入、输出逻辑变量（定义时应注意：①只有具有二值性的命题才能定义输入或输出逻辑变量；②逻辑变量取1值的含义必须表达清楚）；2）列写真值表；3）进行逻辑化简、变换(逻辑代数或卡诺图)并写出逻辑表达式；4）画出逻辑图；5）逻辑功能验证，如不符合要求，则需要对1）—4）步进行检查和调整，直至实现要求的逻辑功能。需要说明的是：组合逻辑电路的设计通常是假定所有逻辑器件对信号的传递不产生延迟的情况下进行的。但实际上信号在导线和器件中传递时都会存在延迟现象，延迟时间长短与器件的工艺水平、器件规模的大小、电路布局、布线长短（高速数字电路中元件布局、布线工艺对信号的延迟影响特别显著）等众多因素相关。按照理想情况下设计出来的组合逻辑电路有可能会出现冒险现象，这会直接影响电路逻辑功能的可靠性和稳定性，应针对冒险现象采取相应措施予以消除。3．判断组合逻辑电路中是否存在冒险现象的方法一般有：1）逻辑代数法：一般输出端的逻辑状态函数在一定条件下若能够简化为F=A+A＇或者F=A•A＇的形式，则可断定电路存在冒险现象。2）逐级真值表法：若单输入变量的大规模电路，采用逐级列出电路真值表，并找出那些门的输入信号会发生竞争，再判断是否会在电路的输出端产生干扰脉冲。这种方法只适用于输入变量为一个的情况，其局限性很大。3）卡诺图法：在多个输入变量的情况下，判断两个以上的变量同时改变时，电路是否存在冒险现象。方法是：将逻辑函数化为最小项之和的形式，得出该逻辑函数卡诺图。若卡诺图中存在两个相切但不想交的圈（可以是“1”构成的圈，也可以是“0”构成的圈），则电路会产生冒险现象。4．组合逻辑电路的测试方法分静态和动态测试。静态测试：指根据真值表依次改变各输入变量，观察其输出状态变化情况是否与真事件的逻辑关系真值表卡诺图逻辑表达式简化逻辑表达式逻辑图逻辑功能验证图2-2组合逻辑设计流程图3值表一致。动态测试：指各输入端接入规定的脉冲信号，用示波器观察各输出端信号，分析是否存在干扰脉冲（冒险现象），电路的逻辑功能是否与真值表一致。5．当设计出一个组合电路，安装后应首先进行静态测试，也就是用逻辑开关按真值表依次改变输入量，验证其逻辑功能。然后再进行动态测试，观察是否存在冒险。如果电路存在险象，但不影响下一级电路的正常工作，就不必采取消除险象的措施；如果影响下一级电路的正常工作，就要分析险象的原因，然后根据不同的情况采取措施加以消除。消除冒险现象的方法：1）接入滤波电路：输入端并接一个很小的滤波电容C（一般为几十皮法左右），能把尖峰脉冲幅度消减到门电路的阈值电压以下。2）引入选通脉冲：对输出引入选通脉冲信号，避开冒险现象。3）修改逻辑设计：在逻辑函数化简选择乘积项时，按照判断组合电路是否存在竞争冒险的方法，选择使逻辑函数不会使逻辑函数产生竞争冒险的乘积项。也可采用增加冗余项方法。6．组合逻辑电路分析：是根据所给定的组合逻辑电路找出输入与输出之间的逻辑关系。分析的步骤：1）已知逻辑图写出表达式；2）进行逻辑化简或变换；3）列写真值表；4）根据真值表判断逻辑功能。设计举例：在举重比赛中，有两名副裁判，一名主裁判。当两名以上裁判（必须包括主裁判在内）认为运动员上举杠铃合格，按动电钮，裁决合格信号灯亮，试用与非门设计该电路。设计步骤：1）逻辑抽象：设主裁判为变量A，副裁判分别为B和C；按电钮为1，不按为0。表示成功与否的灯为Y，合格为1，否则为0。2）列出真值表：3）根据真值表写出逻辑函数表达式。ABCCABCBAmmmY7654）根据题目要求用与非门实现该逻辑功能，利用卡诺图化简，如图2-3所示。真值表ABCY000000100100011010001011110111114Y=AB+ACACAB5）根据最简表达式画出逻辑图，如图2-4所示。6）功能验证。静态测试：选择器件搭接实际电路，根据真值表依次改变输入变量，测试其输出状态是否与真值表一致，验证其逻辑功能。动态测试：检测电路是否存在冒险现象，若存在且对后级电路产生影响，则采取相应措施对其进行消除。四、实验预习1．上网查阅设计相关芯片的参数手册文档PDF，熟悉各集成电路芯片的引脚排列及功能，将每个集成电路芯片的引脚排列图画出，并列出相应的引脚功能表。2．完成所有基本任务和一个必选扩展任务的设计过程，包括逻辑抽象、列真值表、写出逻辑表达式、列写卡诺图化简或逻辑函数化简过程、写出符合要求的逻辑函数表达式、画出相应的逻辑电路图（提示：可借助Multisim中的LogicConverter—逻辑转换器工具完成真值表列写、化简逻辑表达式、生成逻辑电路图等设计内容，这样可以大大缩短设计时间，提高设计效率）。3．在Multisim仿真软件中对设计的电路进行仿真、调试、修改直至电路逻辑功能符合设计要求，根据最终调整后的仿真电路，用规定的器件画出实验电路接线图。4．列出设计用的芯片型号及数量列表。五、实验器材1．数字电路实验箱2．数字万用表3．集成电路芯片1）四—2输入与非门.74LS006只；2）六非门74LS043只；3）四—２输入与门74LS082只；4）四—2输入或门74LS32.1只；5）四—2输入异或门.74LS861只；ABC0001111001111图2-3卡诺图ABACY&&&图2-4逻辑图5六、实验内容与步骤（一）基本实验任务1.三个开关控制一盏灯。按预习设计好的逻辑电路进行电路接线，三个控制开关A、B、C分别用三个逻辑开关代替；灯Y用发光二极管D1（逻辑状态指示灯）代替。发光二极管的亮、灭代表灯Y的亮、灭。根据真值表对所设计的电路进行静态测试，画出每个电路对应的状态表（自拟），记录测试结果。2．四人表决器。按预习设计好的逻辑电路进行电路接线，四个人A、B、C、D分别用四个逻辑开关代替；电路输出端接发光二极管D1（逻辑状态指示灯）。只有当四个逻辑开关中的三个或三个以上置“1”时，发光二极管点亮，表示表决通过，否则不通过。根据真值表对所设计的电路进行静态测试，画出每个电路对应的状态表（自拟），记录测试结果。3．用电超载报警电路。按预习设计好的逻辑电路进行电路接线，三个负载分别用三个逻辑开关代替；输出端接发光二极管D1（逻辑状态指示灯）代替报警指示灯。当逻辑开关置“1”，表示相应的负载接入线路；如接入线路的总功率没有超过500W，则报警灯为熄灭状态，否则报警灯点亮。根据真值表对所设计的电路进行静态测试，画出每个电路对应的状态表（自拟），记录测试结果。4．水泵控制电路。按预习设计好的逻辑电路进行电路接线，三个水位传感器A、B、C分别用三个逻辑开关代替；两输出端分别接两个发光二极管D1、D2（逻辑状态指示灯）代表水泵ML和MS。灯亮表示对应的水泵启动工作，灯灭表示对应的水泵不工作。根据真值表对所设计的电路进行静态测试，画出每个电路对应的状态表（自拟），记录测试结果。（二）扩展实验任务1.交通灯工作状态监视电路。按预习设计好的逻辑电路进行电路接线，红、绿、黄三个灯分别用三个逻辑开关代替；逻辑开关置“1”表示相应的交通灯点亮，否则表示熄灭。输出端接发光二极管D1（逻辑状态指示灯）代表状态监视报警灯，发光二极管亮表示交通灯系统存在故障，灯灭表示交通灯系统工作正常。根据真值表对所设计的电路进行静态测试，画出每个电路对应的状态表（自拟），记录测试结果。2.4位数字密码锁。按预习设计好的逻辑电路进行电路接线，四位密码输入A、B、C、D及开锁信号E分别用五个逻辑开关代替；电路两个输出端接分别至两个发光二极管D1、D2（逻辑状态指示灯），D1亮表示正常开锁，D2亮表示报警信号Z=1。根据真值表对所设计的电路进行静态测试，画出每个电路对应的状态表（自拟），记录测试结果。七、注意事项1.实验电路连线事先用万用表“二极管”挡进行检测，保证连接电路的连线完好，无抽芯现象。62.注意集成芯片在集成芯片插座上的安装方向不要弄反，器件和连线要插牢，正式连接实验线路前，必须对所用芯片进行逻辑功能的验证，保证接入电路的芯片功能完好。3.仔细核对芯片各引脚功能，先将芯片的电源引脚和地引脚分别接至5V正、负极上，其余引脚也不能接错。4.芯片输出端不允许并联使用（非OC门），更不允许直接接地或接电源。5.为了提高电路的抗干扰能力，电路中多余输入端最好不要悬空。6.实验中，必须遵循“先连线后通电，先断电后拆线”的操作原则，严禁带电操作。八、实验报告要求1．写出每个设计任务所需的完整步骤，画出逻辑电路图，自拟测试表格并填写。2．检测组合逻辑电路是否存在冒险现象的方法有哪些？。3．组合逻辑电路的测试方法有哪些，如何消除对电路有影响的冒险现象。4．总结本次实验情况，写出心得体会。包括实验中遇到的问题的处理方法和结果。