数字电路单元设计
数字电路课程设计之加减法运算电路设计(1)
设计资料1加减法运算电路设计1．设计内容及要求1.设计一个4位并行加减法运算电路，输入数为一位十进制数，且作减法运算时被减数要大于或等于减数。
2.led 灯组成的七段式数码管显示置入的待运算的两个数，按键控制运算模式，运算完毕，所得结果亦用数码管显示。
3.提出至少两种设计实现方案，并优选方案进行设计2.结构设计与方案选择2.1电路原理方框图电路原理方框图如下→ →图1-1二进制加减运算原理框图如图1-1所示，第一步置入两个四位二进制数（要求置入的数小于1010），如（1001）2和（0111）2，同时在两个七段译码显示器上显示出对应的十进制数9和7；第二步通过开关选择运算方式加或者减；第三步，若选择加运算方式，所置数送入加法运算电路进行运算，同理若选择减运算方式，则所置数送入减法运算电路运算；第四步，前面所得结果通过另外两个七段译码器显示。
即：若选择加法运算方式，则（1001）2+（0111）2=（10000）2 十进制9+7=16置数开关选择运算方式加法运算电路减法运算电路译码显示计算结果显示所置入的两个一位十进制数并在七段译码显示器上显示16.若选择减法运算方式，则（1001）2-（0111）2=（00010）2十进制9-7=2 并在七段译码显示器上显示02.2.2加减运算电路方案设计2.2.1加减运算方案一如图2-2-1所示：通过开关S2——S9接不同的高低电平来控制输入端所置的两个一位十进制数，译码显示器U13和U15分别显示所置入的两个数。
数A 直接置入四位超前进位加法器74LS283的A4——A1端，74LS283的B4——B1端接四个2输入异或门。
四个2输入异或门的一输入端同时接到开关S1上，另一输入端分别接开关S6——S9，通过开关S6——S9控制数B的输入。
当开关S1接低电平时，B与0异或的结果为B，通过加法器74LS283完成两个数A和B的相加。
当开关S1接高电平时，B与1异或的结果为B非，置入的数B在74LS283的输入端为B的反码，且74LS283的进位信号C0为1，其完成S=A+B （反码）+1，实际上其计算的结果为S=A-B完成减法运算。
精选数字电路版图设计及标准单元技术补充
网格式布线系统要求的库设计规则
二、高度固定，宽度可变如果库中的每一个门高度不同，就会导致版图中的电源线布线混乱。最小单元高度的确定：通过模拟得到的晶体管尺寸，以及库的网格来决定。一般来说，所选择的高度要略大于这个最小高度。这种技术在模拟版图设计中也经常使用。
网格式布线系统要求的库设计规则
网格式布线系统要求的库设计规则
9、静夜四无邻，荒居旧业贫。。10、雨中黄叶树，灯下白头人。。11、以我独沈久，愧君相见频。。12、故人江海别，几度隔山川。。13、乍见翻疑梦，相悲各问年。。14、他乡生白发，旧国见青山。。15、比不了得就不比，得不到的就不要。。。16、行动出成果，工作出财富。。17、做前，能够环视四周；做时，你只能或者最好沿着以脚为起点的射线向前。。9、没有失败，只有暂时停止成功！。10、很多事情努力了未必有结果，但是不努力却什么改变也没有。。11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。。12、世间成事，不求其绝对圆满，留一份不足，可得无限完美。。13、不知香积寺，数里入云峰。。14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。15、楚塞三湘接，荆门九派通。。。16、少年十五二十时，步行夺得胡马骑。。17、空山新雨后，天气晚来秋。。9、杨柳散和风，青山澹吾虑。。10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。11、越是没有本领的就越加自命不凡。12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。。16、业余生活要有意义，不要越轨。17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。
标准单元技术
一般用于数字版图设计。单元库中的标准单元按照一定的规则进行设计，以便可以堆积在一起（像积木一样）形成逻辑电路。
VHDL语言实现数字电路设计
VHDL语言实现数字电路设计数字电路是由逻辑门、寄存器以及其他数字组件组成的电子系统，用于处理和传输数字信号。
VHDL（Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）是一种硬件描述语言，用于描述数字电路和系统。
通过使用VHDL语言，我们可以实现数字电路的设计，从而满足各种需求。
VHDL语言提供了一种结构化的设计方法，允许设计者描述硬件电路的结构、功能以及时序行为。
以下是一些常见的数字电路设计任务，以及如何使用VHDL语言来实现它们。
1. 门电路设计门电路是最简单的数字电路之一，由逻辑门组成。
使用VHDL语言，我们可以通过描述逻辑门的输入和输出来实现门电路的设计。
例如，我们可以使用VHDL语言描述一个与门：```vhdlentity AND_gate isport (A, B : in bit;Y : out bit);end entity AND_gate;architecture dataflow of AND_gate isbeginY <= A and B;end architecture dataflow;```在这个例子中，我们定义了一个输入端口A和B，以及一个输出端口Y。
在architecture部分，我们使用VHDL语言描述了Y的逻辑值为A和B的逻辑与。
2. 时序逻辑电路设计时序逻辑电路是根据时钟信号进行操作和状态转换的电路。
使用VHDL语言，我们可以描述时序逻辑电路的行为和状态变化。
例如，我们可以使用VHDL语言描述一个触发器：```vhdlentity D_flip_flop isport (D, CLK : in bit;Q : out bit);end entity D_flip_flop;architecture behavior of D_flip_flop issignal Q_temp : bit;beginprocess(CLK)beginif CLK'event and CLK = '1' thenQ_temp <= D;end if;end process;Q <= Q_temp;end architecture behavior;```在这个例子中，我们定义了一个输入端口D和CLK，以及一个输出端口Q。
数字电路与逻辑设计实验报告
数字电路与逻辑设计实验报告数字电路与逻辑设计实验报告摘要：本实验旨在通过设计和实现数字电路和逻辑门电路，加深对数字电路和逻辑设计的理解。
实验过程中，我们使用了逻辑门电路、多路选择器、触发器等基本数字电路元件，并通过实际搭建电路和仿真验证，验证了电路的正确性和可靠性。
引言：数字电路和逻辑设计是计算机科学与工程领域的重要基础知识。
在现代科技发展中，数字电路的应用范围非常广泛，涉及到计算机、通信、控制等各个领域。
因此，深入理解数字电路和逻辑设计原理，掌握其设计和实现方法，对于我们的专业学习和未来的工作都具有重要意义。
实验一：逻辑门电路的设计与实现逻辑门电路是数字电路中最基本的元件之一，通过逻辑门电路可以实现各种逻辑运算。
在本实验中，我们通过使用与门、或门、非门等逻辑门电路，设计并实现了一个简单的加法器电路。
通过搭建电路和进行仿真验证，我们验证了加法器电路的正确性。
实验二：多路选择器的设计与实现多路选择器是一种常用的数字电路元件，可以根据控制信号的不同，选择不同的输入信号输出。
在本实验中，我们通过使用多路选择器，设计并实现了一个简单的数据选择电路。
通过搭建电路和进行仿真验证，我们验证了数据选择电路的正确性。
实验三：触发器的设计与实现触发器是一种常用的数字电路元件，可以存储和传输信息。
在本实验中，我们通过使用触发器，设计并实现了一个简单的二进制计数器电路。
通过搭建电路和进行仿真验证，我们验证了二进制计数器电路的正确性。
实验四：时序逻辑电路的设计与实现时序逻辑电路是一种特殊的数字电路，其输出不仅与输入信号有关，还与电路的状态有关。
在本实验中，我们通过使用时序逻辑电路，设计并实现了一个简单的时钟电路。
通过搭建电路和进行仿真验证，我们验证了时钟电路的正确性。
实验五：数字电路的优化与综合数字电路的优化与综合是数字电路设计中非常重要的环节。
在本实验中，我们通过使用逻辑代数和Karnaugh图等方法，对已有的数字电路进行了优化和综合。
数字电子技术实验-组合逻辑电路设计
学生在使用实验箱时，应注意遵守实验室规定，正确连接电源和信号线， 避免短路和过载等事故发生。
实验工具介绍
实验工具类型
数字电子技术实验中常用的实验工具包括万用表、示波器、信号 发生器和逻辑分析仪等。
实验工具功能
这些工具用于测量电路的各种参数，如电压、电流、波形等，以及 验证电路的功能和性能。
01
02
03
逻辑门
最基本的逻辑元件，如与 门、或门、非门等，用于 实现基本的逻辑运算。
触发器
用于存储一位二进制信息， 具有置位、复位和保持功 能。
寄存器
由多个触发器组成，用于 存储多位二进制信息。
组合逻辑电路的设计方法
列出真值表
根据逻辑功能，列出输入和输 出信号的所有可能取值情况。
写出表达式
根据真值表，列出输出信号的 逻辑表达式。
05 实验结果与分析
实验结果展示
实验结果一
根据给定的逻辑函数表达式，成 功设计了对应的组合逻辑电路， 实现了预期的逻辑功能。
实验结果二
通过仿真软件对所设计的组合逻 辑电路进行了仿真测试，验证了 电路的正确性和稳定性。
实验结果三
在实际硬件平台上搭建了所设计 的组合逻辑电路，经过测试，实 现了预期的逻辑功能，验证了电 路的可实现性。
路图。
确保电路图清晰易懂，标注必要 的说明和标注。
检查电路图的正确性，确保输入 与输出之间的逻辑关系正确无误。
连接电路并测试
根据逻辑电路图，正确连接各 逻辑门和输入输出端口。
检查连接无误后，进行功能测 试，验证电路是否满足设计要 求。
如果测试结果不符合预期，检 查电路连接和设计，并进行必 要的调整和修正。
数字电子技术实验-组合逻辑电路 设计
电子信息专业优质课数字电路与逻辑设计
电子信息专业优质课数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计是电子信息专业中的一门重要课程，它是电子技术和计算机科学的基础。
本文将从数字电路基础、逻辑门电路设计、组合逻辑电路设计和时序逻辑电路设计四个方面进行论述。
一、数字电路基础数字电路是用于处理数字信号的电路，数字信号只有两个状态，即0和1。
数字电路以逻辑门为基本单元，通过逻辑门的组合和连接形成各种功能的数字电路。
常见的逻辑门有与门、或门、非门、异或门等。
数字电路有许多重要概念，如真值表、卡诺图、布尔代数等。
二、逻辑门电路设计逻辑门电路是由多个逻辑门组成的电路，在实际应用中用于完成某种特定的逻辑功能。
逻辑门电路设计是数字电路设计的关键环节之一。
在逻辑门电路设计中，需要根据所需的逻辑功能，选择适当的逻辑门类型，并合理地连接它们。
逻辑门电路设计要求我们掌握逻辑代数的基本原理和设计的方法。
三、组合逻辑电路设计组合逻辑电路是由多个逻辑门组成的电路，在给定输入条件下，通过逻辑操作得出输出结果。
组合逻辑电路不含有时钟信号，输出只与输入有关，不受先后顺序的影响。
组合逻辑电路设计的关键在于确定输入信号和输出信号之间的逻辑关系，并选择适当的逻辑门进行连接。
四、时序逻辑电路设计时序逻辑电路是在组合逻辑电路基础上加入时钟信号，使得输出不仅与输入有关，还与时间有关。
时序逻辑电路设计需要考虑信号的时序关系和状态的转换条件。
常见的时序逻辑电路有触发器、计数器等。
时序逻辑电路设计的关键是确定状态转换条件和时钟频率，并合理地选择适当的触发器进行设计。
综上所述，数字电路与逻辑设计是电子信息专业中一门重要的课程，它涵盖了数字电路的基础知识、逻辑门电路设计、组合逻辑电路设计和时序逻辑电路设计等内容。
通过学习这门课程，我们可以深入了解数字电路原理和设计方法，为今后的电子技术和计算机科学相关工作打下坚实的基础。
数字电路与逻辑设计
数字电路与逻辑设计数字电路是现代电子技术的基础，它在计算机、通信、嵌入式系统等领域扮演着重要的角色。
数字电路可以将输入信号转换为相应的输出信号，通过逻辑门和触发器等元件的组合和连接实现不同的功能。
本文将介绍数字电路与逻辑设计的基本概念和原理。
一、数字电路的基本概念数字电路是由数字信号进行处理和传输的电路系统。
数字信号是以离散的数值表示的信息信号，可以取两个离散值，分别表示逻辑0和逻辑1。
数字电路由逻辑门、触发器、时钟等基本元器件组成。
逻辑门是实现不同逻辑运算的基本单元，包括与门、或门、非门等。
触发器用于存储和传递信号，在时钟信号的控制下进行状态变化。
二、数字电路的组成和工作原理数字电路由多个逻辑门和触发器等元件组成，通过它们的连接和相互作用实现特定的功能。
逻辑门根据输入信号的逻辑值进行逻辑运算，最终产生输出信号。
触发器用于存储和传递信号，其状态随时钟信号的变化而改变。
数字电路的工作原理是基于信号的逻辑运算和状态的变化，通过适当的电路连接和时序控制实现不同的功能。
三、数字电路的逻辑设计方法数字电路的逻辑设计是指根据特定的功能需求，选择适当的逻辑门和触发器进行电路设计和连接。
逻辑设计的基本步骤包括功能定义、真值表的编制、逻辑方程的推导、电路的化简和时序控制的设计等。
逻辑设计要求准确、简洁、可靠，通过合理的电路设计使系统达到预期的功能。
四、数字电路的应用领域数字电路广泛应用于计算机、通信、嵌入式系统等领域。
在计算机中，各种数字电路协同工作，实现数据的处理和存储。
在通信系统中，数字电路用于数据的传输和编解码。
在嵌入式系统中，数字电路被用于控制和驱动各个外设，实现系统的功能。
总结：数字电路与逻辑设计是现代电子技术领域的重要基础知识。
它不仅是计算机、通信和嵌入式系统等领域的核心，也是电子工程师必备的技能。
数字电路通过逻辑门和触发器等基本元器件的组合和连接，实现了信号的处理和传输。
合理的逻辑设计方法可以确保数字电路的功能准确、可靠。
数字电路与系统设计实验
第二章 实验基本仪器
数字系统设计实验所需设备有： 直流稳压电源，示波器，基于CPLD的 数字电路实验系统，万用表，信号源， 计算机。
一、直流稳压电源
二、示波器
示波器是一种用来测量电信号波形的 电子仪器。用示波器能够观察电信号 波形，测量电信号的电压大小，周期 信号的频率和周期大小。双踪示波器 能够同时观察两路电信号波形。
能块相对集中地排列器件 3.布线顺序 VCC，GND，输入/输出，控制线 4. 仪器检测（电源，示波器，信号源） 5.实验 测试、调试与记录
6.撰写实验总结报告
(1)实验内容 (2)实验目的 (3)实验设备 (4)实验方法与手段 (5)实验原理图 (6)实验现象（结果）记录分析 (7)实验结论与体会
（（(四三一）)）、、、实实验实验目验的提内示容
•• １１..注测１意试.掌被T握T测LT器T器L件、件H７的CT４引和Ｌ脚HＳ７C器０和件４引的一脚传个输１特非４性门分。的别传接输地特和 十性5。Ｖ２。.掌握万用表的使用方法。
•• •
(２连为输２３特二.接 被 入)..性将测测、１２３到 测 电。实试 试...被 非 压六六六验验HH反反反测 门 值所CC台相相相T器用非 的 。上器器器器件器门输４件７７７件７的入.４４４７７４输电ＬＨＨ４ＫＨ入压ＳＣＣＨΩＣ００Ｔ端。电Ｃ４４００，旋位Ｔ片片４４转R器０片T一电LR４的个T位一L输非的器个出门电改非端的压变门电传输非的压输出门传作特端的输性。
四、数字电路测试及故障查找、排除
1.数字电路测试
数字电路静态测试指的是给定数字电路若干组静态输 入值，测定数字电路的输出值是否正确。
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4.1.2 逻辑门的等效替换
【例4-1-4】 对于未使用的逻辑门的多余引脚的一般处理方法：
★与门、与非门输入端的多余引脚，可采用与其余输入引脚并联、
将输入端连接至电源正极等处置方式。
★或门、或非门输入端的多余引脚，可以采用与其余输入引脚并联
或连接至电源地。
★集成芯片内未使用的非门，需将其输入端接地。 提示 ：门电路及其他集成器件未使用的多余输入端一般不允许
y1
入端
译码器
使能输
xn-1
入端
y 2 n1
EI
使能输入
设输入端的个数为n，输出端的个数为M
则有
M=2n
2n个输 出端
一特定含义的信号.(即电路的某种状态)
译码器：具有译码功能的逻辑电路称为译码器。
译码器的分类：
唯一地址译码器
二进制译码器 常见的唯一地址译码器： 二—十进制译码器
显示译码器 代码变换器 将一种代码转换成另一种代码。
4.2.1 二进制译码器74HC138
2、二进制译码器的结构
x0
y0
n 个输
x1
二进制
★短接74HC00内部与非门单元的输入端，构造一个非门。
★将两只74HC00串联，后面连接成非门，构造一个与门。
仅用一只74HC00芯片即可保证在电路中同时实现与非门、与门和 非门。
提示 ：很多的数字电子技术教材均讲述了将或门、或非门、异
或门用与非门进行表示的方法，这种操作其实并不可取，毕竟逻辑 门的价格差异较小，如果采用复杂逻辑关系进行等价替换，将引起 电路的连线关系变得复杂，使电路系统的故障概率明显提高。
4.1.2 逻辑门的等效替换
逻辑门等效替换的目的： ★尽量减少逻辑门的种类或数量，以降低物料采购工作量与 采购成本； ★如果暂时无法购得某型号的逻辑门，而手头有其他类型的 逻辑门； ★充分利用系统内部某些数字集成芯片中闲置的逻辑门单元。
简单的逻辑门等效替换：
4.1.2 逻辑门的等效替换
【例4-1-3】 某数字电路系统中需要使用一个与非门、一个与门、 一个非门，如果全部采用标准的逻辑门，则电路中将会出现3种数 字集成芯片（74HC00、74HC08、74HC04）。考虑到74HC00 内部包含4只2输入与非门单元，因此得到的等效变换思路如下：
4.1.1 逻辑门的特殊类型
3．施密特逻辑门 常见的施密特逻辑门的引脚图：
应用： 施密特逻辑门可用于脉冲整形、消除波形中的噪声成分、按 键去抖动、多谐振荡电路。
4.1.1 逻辑门的特殊类型
3．施密特逻辑门 常见的施密特逻辑门的引脚图：
应用： 施密特逻辑门可用于脉冲整形、消除波形中的噪声成分、按 键去抖动、多谐振荡电路。
悬空，要做上述的处理。处理后不能影响器件的工作。
4.1.3 提高CMOS逻辑门的驱动能力
如果将相同类型的多只逻辑门并联，可有效提高驱动能力。
CD4069内部包含6只非门：前面两只构成方波发生器，后面4 只并联，可提高驱动能力。
4.2 组合逻辑电路设计
1、 组合逻辑电路的定义
组合逻辑电路的一般框图
工作特点：
★当三态门的使能引脚有效时，三态门按照正常的逻辑功能 进行工作； ★当三态门的使能引脚处于无效电平时，三态门输出高阻态， 与所连接电路断开。
【例4-1-2】 常用集成三态门芯片的型号为74HC125，总线 收发器74HC244、74HC245则包含了8路三态门。此外， 很多数字集成芯片的输出端均采用了三态门的结构。
适的集成逻辑芯片种类 ； ★ 根据真值表和选用的集成逻辑芯片，列写相应的逻辑函数表达式。
★设计出逻辑电路图，并进行仿真测试。 ★仿真结果验证无误后，再进行硬件电路PCB板图的设计，并制作出
实物，以硬件实验的方式验证设计方案正确与否。
4.2.1 二进制译码器74HC138
1、 译码器的定义与分类
译码：译码是编码的逆过程，它能将二进制码翻译成代表某
《硬件电路设计与电子工艺 基础》
西南科技大学：曹文4.1 CMOS逻辑门 4.2 组合逻辑电路设计 4.3 计数器设计 4.4 移位寄存器设计 4.5 锁存器设计 4.6 触发器设计 4.7 单稳态触发器设计 4.8 多谐振荡电路设计 4.9 模拟开关设计 4.10 555定时器设计
4.2 组合逻辑电路设计
2、使用中、小规模集成电路设计组合逻辑电路的基本步骤 （1）组合逻辑电路的设计：根据实际逻辑问题，求出所要求逻辑 功能的最简单逻辑电路。
（2）组合逻辑电路的设计步骤
★逻辑抽象：根据实际逻辑问题的因果关系确定输入、输出变量，并 定义逻辑状态的含义，列出真值表；
★选择器件类型：根据设计任务的要求、集成芯片的易购性，选择合
1．漏极开路（ OD ）门
工作特点：
★OD门使用时需外接一只上拉电阻到电源正极； ★相同型号的OD门可输出可多只并联，实现 “线与”的逻 辑功能。
【例4-1-1】I2C是一种常用的同步串行总线，其SCL（串行 时钟）与SDA（串行数据）都采用了OD门结构。
4.1.1 逻辑门的特殊类型
2．三态门
三态门与普通逻辑门相比，增加了一只使能（选通）引脚。
4.1 CMOS逻辑门
1.高速型逻辑门的电气符号
2.低速型逻辑门电路的逻辑符号
提示: 高速、低速两大系列逻辑门的引脚排列无对应关系，一般 情况下不能直接替换。
4.1.1 逻辑门的特殊类型
逻辑门的种类较多，基本逻辑门包括与门、或门、非；复合 逻辑门有与门、或门、与非门、或非门、与或非门；此外， 异或门、同或（异或非）门也是重要的逻辑门。
A
Z
B
C
AA21
L1 L2
组合逻辑电路
L
An
Lm
结构特征:
Li = f (A1, A2 , …, An ) (i=1, 2, …, m)
（1）输出、输入之间没有反馈延迟通路，
（2）不含记忆单元
工作特征: 组合逻辑电路工作特点:在任何时刻，电路的输出状态只取 决于同一时刻的输入状态而与电路原来的状态无关。
4.1.1 逻辑门的特殊类型
3．施密特逻辑门 施密特逻辑门也被称为施密特触发器，与普通逻辑门有所不 同，施密特逻辑门具有两个触发阈值电平： 上限阈值电平、 下限阈值电平。 工作特点： ★当输入信号在逐渐增加过程中，在VT+产生输出状态跳变； ★当输入信号在下降过程中，在VT- 产生输出状态跳变。
工作波形：