逻辑与数字系统 课程设计 2015讲解
数字逻辑电路与系统设计课程设计
数字逻辑电路与系统设计课程设计课程设计目的通过本课程设计的学习，学生应能够掌握数字逻辑电路基本概念、设计方法以及应用技巧。
学生应该能够使用Verilog HDL或者其他硬件描述语言（HDL）设计数字逻辑电路和系统，并能够基于FPGA平台设计和实现数字电路系统。
课程设计内容本次课程设计主要包含以下内容：1.数字电路基础知识：数字逻辑基本理论、逻辑门的特点、数字电路的抽象层次。
2.Verilog HDL编程：Verilog HDL的基本语法、数据类型、运算符以及常用结构体。
3.组合逻辑电路设计：组合逻辑电路的设计方法、Karnaugh图、逻辑门级联、多路复用器/解复用器、译码器、比较器等。
4.时序逻辑电路设计：时序逻辑电路的设计方法、触发器、寄存器、计数器等。
5.FPGA系统设计：FPGA的基本原理和结构、FPGA开发板的使用、FPGA系统设计的流程以及示例项目。
课程设计要求1.课程设计可以采用Verilog HDL或者其他HDL编程语言。
2.参与者需要结成小组，每个小组3-5人。
3.每个小组需要完成一项数字电路设计项目，包括设计报告和实验验证。
4.每个小组需要在课程结束时提交一份完整的设计报告以及实验数据和项目代码。
5.设计项目可以是基于组合逻辑或时序逻辑的电路系统设计，包括但不限于多路选择器、加法器、比较器、寄存器、时钟控制器、计数器、显示控制器等。
6.设计报告应该包含问题描述，设计总体方案，设计分级具体实现以及实验结果和分析等。
7.实验验证应该使用FPGA开发板完成，需要进行基准测试，并按照设计要求逐步进行验证。
8.设计报告和实验验证需要进行小组汇报，并进行讨论。
课程设计参考资料1.Verilog HDL编程指南(第二版), 王自发, 清华大学出版社，20182.数字逻辑与计算机设计，M. Morris Mano, Pearson Education,20153.FPGA原理与设计, Jonathan W. Valvano, Morgan & Claypool,20114.FPGA开发实战, Evan A. Curtice, Packt Publishing, 2018结论通过本次课程设计，学生将能够熟练掌握数字逻辑电路设计的基础知识和关键技能。
逻辑与数字系统课程设计
交通灯是用来控制两个交通灯的信号发出的次序和时间间隔以达到控制两条干线的交通通行情况。所以主要分为计时电路、减法器电路、脉冲产生电路、显示电路几部分组成。
1.计时电路主要由计时器和与或非门电路组成，产生计时功能。
2.保持设定值由减法器电路产生倒计时.改变信号输入，使得显示电路显示灯次序的变化.
将电路各个器件组装，整体调试。
复位电路，观察现象。
二、数字时钟
⑴.设计目的
Ⅰ.掌握设计调试LED显示器的输入信号以改变显示数据的方法。
Ⅱ.熟悉芯片AT89C51的工作环境和输入信号变化引起的输出变化。
Ⅲ.掌握对芯片控制端的输入信号的调控方法。
⑵.设计指标
Ⅰ.正确显示模拟仿真时的准确北京时间.
Ⅱ.对日期时间的可调控性.
据以上叙述，该电路的原理框图为：
⑷.分析计算
电源与输入控制：
采用5V标准电压和3组1.2V电池组成驱动电压喂主芯片提供电压外配电感电容电阻等器件对主芯片进行输入控制。
手动调整控制电路模块：
该部分通过控制4个端口的输入电压以达到调整显示器显示改变的目的，通过一个4输入与门电器元件输入至主芯片的控制副端。
计时减法电路部分如图：
该部分电路主要由2片74LS192和1片74160配套与或非门电路元件接于显示器.连结脉冲产生电路使显示器显示出读数。由其参数知道74LS192每片配一个电源5V和74160配套5V电源可以工作。
显示器部分电路：
这部分电路有2片74EG-BCD和2片TRAFFIC-LIGHT组成，结合上述电路结构显示交通等的变化情况。
通过设计电路，对集成电路加深了解，进一步掌握和实践和书本理论。
㈢.参考文献
《逻辑与数字系统设计》李晶皎等编著；
数字逻辑与数字系统设计课程设计
数字逻辑与数字系统设计课程设计一、课程设计背景数字逻辑与数字系统设计课程介绍了数字电路的基本概念、设计和分析方法。
数字逻辑是电子技术中非常重要的一部分，广泛应用于计算机、通信、自动化控制、计算器、游戏机等电子产品。
通过本课程的学习，学生将掌握数字逻辑和数字系统设计的基本原理和方法。
二、课程设计内容本次数字逻辑与数字系统设计课程设计主要分为以下几个部分：1.实验一：Karnaugh图和逻辑多路选择器设计实验2.实验二：数字逻辑电路的组合设计实验3.实验三：数字电路的时序设计实验4.实验四：数字系统设计实验5.实验五：数字逻辑综合设计实验实验一：Karnaugh图和逻辑多路选择器设计实验通过本实验，学生将学会运用Karnaugh图方法设计简单的逻辑电路，掌握最小化布尔函数的方法。
同时，学生将学习多路选择器的设计方法，掌握多路选择器的应用技巧。
实验二：数字逻辑电路的组合设计实验通过本实验，学生将学习的是数字逻辑电路的组合设计方法，包括基本逻辑门和复杂逻辑电路的设计技术。
同时，学生还将掌握基本电路的仿真方法，通过仿真软件对电路进行验证。
实验三：数字电路的时序设计实验在本实验中，学生将掌握数字电路的时序设计方法，了解时序电路的作用、分类和基本原理。
同时，学生将学习数字电路时序仿真的方法，能够进行基本时序电路模拟。
实验四：数字系统设计实验在本实验中，学生将学习数字系统设计的基本方法和过程，包括总体结构设计、输入输出接口的设计、存储器的设计等；同时，学生还将了解数字系统的仿真和测试方法，对设计的数字系统进行仿真和测试。
实验五：数字逻辑综合设计实验在本实验中，学生将通过数字逻辑综合设计，掌握数字逻辑综合应用技巧，并能够在实践中学习根据需求进行电路综合的方法。
三、课程设计特点本次数字逻辑与数字系统设计课程设计不仅注重理论教学，更加强调实践教学，特点如下：1.注重实验教学，对学生的动手能力和实践能力进行提高。
2.充分利用仿真软件进行电路设计和验证，使学生在熟悉实际电路设计方法的同时，也能提高计算机仿真的技能和水平。
数字逻辑电路与系统设计课件
用于计数和控制时序，常用于实现定时器和分频器。
移位器
用于二进制数据的移位操作，常用于数据格式化和数据传输。
顺序脉冲发生器
用于产生一定规律的顺序脉冲信号，常用于控制电路的工作流程。
04
数字系统设计
数字系统概述
数字系统的基本概念
数字系统是指使用离散的二进制数字信号进行信息处理的系统。它主要由逻辑 门电路、触发器、寄存器、加法器等基本元件组成，具有精度高、稳定性好、 易于大规模集成等优点。
实现逻辑功能
根据状态转换图，实现相应的 逻辑功能。
确定设计目标
明确设计时序逻辑电路的目的 和要求，如实现特定的功能、 达到一定的性能指标等。
设计状态转换图
根据设计要求，设计状态转换 图，确定状态和输出。
验证设计
通过仿真或实验验证设计的正 确性和可行性。
常用时序逻辑电路
寄存器
用于存储二进制数据，常用于数据传输和数据处理。
集成化和智能化技术的发展，为数字 系统的设计带来了新的机遇和挑战。
数字系统的智能化是当前的一个重要 趋势，它使得数字系统能够具有更强 的自适应性、智能性和灵活性。
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分析输入和输出信号的逻辑关系，确定电路的功 能。
真值表和逻辑表达式
通过列出所有输入组合和对应的输出值，得到真 值表，并根据真值表推导出逻辑表达式。
3
逻辑功能描述
根据逻辑表达式或真值表，描述组合逻辑电路的 逻辑功能。
组合逻辑电路的设计
明确设计要求：确定输入和 输出信号，以及电路要实现 的功能。
根据功能要求，逐一确定每 个输入组合对应的输出值。
自底向上的设计方法
《数字逻辑与数字系统》教学大纲
《数字逻辑与数字系统》教学大纲一、使用说明（一）课程性质《数字逻辑与数字系统》是计算机科学与技术专业的一门专业基础课。
（二）教学目的通过本课程的学习，可以使学生熟悉数制与编码,逻辑函数及其化简,集成逻辑部件,中大规模集成组合逻辑构件。
掌握组合逻辑电路分析和设计，同步时序逻辑电路分析和设计，异步时序逻辑电路分析和设计；中规模集成时序逻辑电路分析和设计。
了解可编程逻辑器件，数字系统设计，数字系统的基本算法与逻辑电路实现，VHDL语言描述数字系统。
为专业课的学习打下坚实的基础。
（三）教学时数本课程理论部分总授课时数为68课时。
（四）教学方法理论联系实际，课堂讲授。
（五）面向专业计算机科学与技术专业。
二、教学内容第一章数制与编码（一）教学目的与要求通过本章学习使学生掌握数制的表示及转换，二进制数的算术运算,二进制码，原码、补码、反码。
（二）教学内容模拟信号，数字信号，数制的表示及转换，二进制数的算术运算,二进制码，原码、补码、反码。
重点与难点：数制，二进制码，逻辑运算，逻辑代数的基本定律和规则，逻辑函数的化简。
第一节进位计数制1、十进制数的表示2、二进制数的表示3、其它进制数的表示第二节数制转换1、二进制数与十进制数的转换2、二进制数与八进制数、十六进制数的转换第三节带符号数的代码表示1、真值与机器数2、原码3、反码4、补码5、机器数的加、减运算6、十进制数的补数第四节码制和字符的代码表示1、码制2、可靠性编码3、字符代码（三）教学方法与形式课堂讲授。
（四）教学时数2课时。
第二章逻辑代数与逻辑函数（一）教学目的与要求通过本章学习使学生掌握逻辑代数的基本运算,逻辑代数的基本公式、定理及规则。
逻辑函数表达式的形式与转换方法，逻辑函数的代数法及卡诺图法化简。
（二）教学内容逻辑代数的基本运算、基本公式、定理及规则。
逻辑函数表达式的形式与转换方法，逻辑函数的代数法及卡诺图法化简。
重点与难点：逻辑代数的公式、定理及规则。
数字系统与逻辑设计讲义第5章 时序逻辑电路的分析和设计
第5章时序逻辑电路的分析和设计●本章教学目的与要求熟练掌握时序逻辑电路的概念、电路构成与组合电路的区别、分类；熟练掌握同步时序逻辑电路的分析方法；熟练掌握同步时序逻辑电路的设计方法；了解异步时序逻辑电路的分析方法。
●本章重点1、基本概念正确掌握：时序电路、同步、异步、现态、次态、驱动方程、状态方程、状态转换真值表、状态图、时序图、自启动；2、同步时序逻辑电路的分析方法；3、同步时序逻辑电路的设计方法；●本章难点1、同步时序逻辑电路的分析方法；2、同步时序逻辑电路的设计方法；3、原始状态图的导出方法和状态化简方法（直接观察法和隐含表法）。
●教学方法本章主要讲述了时序逻辑电路的概念、电路构成与组合电路的区别、分类；同步时序逻辑电路的分析方法；同步时序逻辑电路的设计方法，包括原始状态图的导出方法和状态化简方法（直接观察法和隐含表法）；异步时序逻辑电路的分析方法。
共需8课时。
本章采用讲授为主，自学为辅的教学方法。
对重点内容，课堂上要讲解透彻，课下布置一定的作业，使学生加深对内容的理解并牢固掌握；对难点内容，通过讲例题加以分析，深入浅出，举一反三，理论联系实际，使学生能学会学懂，为以后进一步学习打下基础。
●授课内容5.1时序逻辑电路概述5.1.1时序逻辑电路的结构及特点为了便于大家理解时序电路的结构和特点，我们先回顾一下组合逻辑电路的结构和特点。
组合逻辑电路是由门电路构成的网络，可以用图5.1所示的结构模型来表示。
图中，x1，x2，……，x n，为某一时刻的输入，Z1，Z2，……，Z m，为该时刻的输出。
图5.1 组合和时序逻辑电路结构模型显然，组合逻辑电路的逻辑关系可用下列输出函数集来描述：Z i=f i（x1，x2，……，x n），i=1，2，……，m由此可见，组合逻辑电路的特点是电路在任何时刻的输出只与该时刻的输入有关，而与该时刻以前的输入输出无关。
时序电路从总体上看，它是由组合逻辑电路和存储单元两部分构成。
数字逻辑与数字系统,逻辑门电路讲解
多子扩散电流 少子漂移电流
动态平衡： 扩散电流 ＝ 漂移电流 势垒 UO
硅 0.5V 锗 0.1V
总电流＝0
2. PN结的单向导电性
(1) 加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场 →耗尽层变窄 →扩散运动＞漂移运动 →多子扩散形成正向电流I
以基极b和发射极e之间的发射结作为输入回路 输入特性曲 线的分区： 死区、非线 性区、线性 区。
共发射极接法输入特性曲线
输出特性曲线可以分为三个区域:
• 以集电极c和发射极e之间的回路作为输出回路
饱和区——iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE＜0.7V。
此时发射结正偏，集电结也正偏。 截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。 此时，发射结反偏，集电结反偏。 饱和区
u
UD
u
-
UD
导通压降
U D 二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。
理想二极管模型
+
u
i
i
正偏
反偏
+
u
u
i
-
三. 二极管的主要参数 二极管长期连续工
(1) 最大整流电流IF—— (2) 反向击穿电压UBR———
作时，允许通过二 极管的最大整流 电流的平均值。 二极管反向电流 急剧增加时对应的反向 电压值称为反向击穿 电压UBR。
电路。 CMOS门电路是由NMOS管和PMOS管组成的互补
MOS (Complementary)集成电路，属单极性数字集成电路。
2.1 基本逻辑门电路
⒈二极管与门 实现与逻辑功能的电路，称为与门。
12V 3.9kΩ DA
数字逻辑课程设计_秒表
数字逻辑课程设计_秒表一、教学目标本课程旨在让学生掌握秒表的基本原理和使用方法，培养学生的数字逻辑思维和实际操作能力。
具体目标如下：1.知识目标：学生能够理解秒表的工作原理，包括时间计算、计数器等基本概念。
2.技能目标：学生能够熟练使用秒表进行时间测量和计数，并能进行简单的故障排查和维修。
3.情感态度价值观目标：通过学习秒表，培养学生对科学技术的兴趣和好奇心，提高学生的问题解决能力和团队合作意识。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.秒表的基本原理：介绍秒表的工作原理，包括时间计算、计数器等基本概念。
2.秒表的使用方法：教授学生如何正确使用秒表进行时间测量和计数，包括操作步骤和注意事项。
3.秒表的故障排查和维修：培养学生对秒表故障的识别和解决能力，包括常见故障的原因和维修方法。
三、教学方法为了提高学生的学习兴趣和主动性，本课程将采用多种教学方法：1.讲授法：教师通过讲解秒表的基本原理和使用方法，让学生掌握相关知识。
2.讨论法：学生分组讨论秒表的使用心得和故障解决经验，促进学生之间的交流和合作。
3.案例分析法：教师提供一些实际的案例，让学生分析并解决秒表的使用问题，培养学生的实际操作能力。
4.实验法：学生在实验室进行秒表的操作和实践，加深对秒表的理解和掌握。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，丰富学生的学习体验，我们将准备以下教学资源：1.教材：选择合适的秒表教材，为学生提供系统的学习资料。
2.参考书：提供一些相关的参考书籍，供学生进一步深入学习。
3.多媒体资料：制作一些教学视频和演示文稿，帮助学生更好地理解秒表的工作原理和使用方法。
4.实验设备：准备一些秒表和相关实验设备，让学生进行实际操作和实验。
五、教学评估为了全面、客观、公正地评估学生的学习成果，本课程将采用以下评估方式：1.平时表现：通过观察学生在课堂上的参与程度、提问回答、小组讨论等表现，评估其学习态度和理解能力。
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题目一. 交通灯控制逻辑设计
1、红、绿、黄发光二极管作信号灯，用传感器或逻 辑开关作检测车辆是否到来的信号，实验电路用逻 辑开关代替。
2、主干道处于常允许通行的状态，支干道有车来时 才允许通行。主干道亮绿灯时，支干道亮红灯；支 干道亮绿灯时，主干道亮红灯。
3、主、支干道均有车时，两者交替允许通行，主干 道每次放行45秒，支干道每次放行25秒，设立45秒、 25秒计时、显示电路，选择1Hz时钟脉冲作为系统 时钟。
４． 应有设定输入及复位开关，可用绿灯， 黄灯，红灯表示工作状态
题目十一.八位二进制加法器
1． 八位二进制加数与被加数输入 2． 三位数码管显示 3． 三位十进制加数与被加数的输入
课程设计目的：
1 初步掌握数字系统电路的一般设计方法， 具备对逻辑电路独立设计能力。 2 进一步熟悉常用电子器件的类型和特性， 并掌握合理选用的原则。 3 提高综合运用所学的理论知识，独立分析 和解决问题的能力。 4 初步掌握对数字系统电路的安装与调试等 基本技能。
时间：2015.09.01——2015.09.12（1-2周）
常用MSI组合逻辑器件
名称 符号
功能特点 常用器件
(ENCODER)
编 码
X1
...
编
F1
码 ...
m位输入,n位输出
m≤ 2 n
二进制编码器
二进制优先编码器 74HC148
器
Xm
器
Fn
用n位代码对m个输 入信号进行编码
二-十进制编码器 74HC147
1． 设计一个多路信号显示器，配合示波器使 用，在示波器荧屏上可以显示多路波形。
2． 同时显示四路以上模拟信号且清晰稳定 （交替显示亦可）。
3． 被测信号的上限频率为1MHz。
题目四. 拔河游戏机的逻辑电路设计和实现
1． 游戏分为甲方和乙方，用按键速度来模拟 双方力量以点亮的发光二极管的左右移动来显 示双方的比赛状况。
灯亮
3． 可以随意以分为单位，在60分范围内设 定定时时间
4． 随着定时的开始，显示器显示时间，如定 时10分，定时开始后显示器依次是0-1-2-34-5-6-7-8-10进行即时显示
5． 定时结束时，手动清零
题目七．数控直流稳压电源
1． 设计一个可以通过数字量输入来控制输出 直流电压大小的直流稳压电源
变量 译码
An-1
...
A0
译码器
Y0 Y1
...
Ym-1
n位输入,m位输出
m≤ 2 n
二进制译码器 74HC138
对n位代码的每种组合，
m个输出每次仅一个有效 二-十进制译码器
使能有效 : Yi=mi=Mi
74HC42
七段 字形 译码
16
D C B A
七 字 段 译 码
a b c d e目五．简易数字电压表
1． 利用压-频转换原理或数模转换测量电压 范围为0～9.99V。
3． 对输入的0～9.99V正电压用三位数码管 显示0.00～9.99。
4． 数码管每4秒刷新一次，读数停顿3秒。
题目六．定时器
1． 设计一个能在0～60分钟内定时的定时器 2． 定时开始工作红指示灯亮，结束时绿指示
每位同学至少从1-11题中任选一题，多选不限， 每班至少要有3种题目选择——
用Proteus/Quartus仿真
设计报告中，除运行效果或仿真效果外的内容 必须手写，不得打印
开发工具中导出的原理图可以作为附件，除此 之外，必须手工绘制相应的硬件原理框图。对 各单元电路的工作原理进行分析时涉及的图形 必须手绘。手绘图形必须用铅笔及绘图工具按 规范绘制。
CD码 输出a、b、c、d e f、g为七字段数
码管的驱动信号
8421BCD 七段译码器
7448
译码器 (DECODE)
３． 设置记分电路，开始时每组预置成100分，抢 答后由主持人记分，答对一次加10分，否则减10分
４． 设置犯规电路，对提前抢答和超时的组鸣喇叭 示警，并显示犯规组号。
题目九.数字时钟
设计一个能显示日期、小时、分钟、秒的数字 电子钟，并具有整点报时的功能。
由晶振电路产生1HZ标准的信号。分、秒为六 十进制计数器，时为二十四进制计数器。
2． 输出电压范围：0～+10V，步进1V， 3． 输出电流为500mA 4． 输出电压由数码管显示
题目八. 智力抢答器
１． 设计一个用于四组参赛者的数字智力抢答器， 每组设置一个抢答按钮供参赛者使用
２． 电路具有第一抢答信号的鉴别和锁存功能，在 主持人将系统复位后并发出指令后，若一组第一个 按下开关抢答，则该组指示灯亮，并显示组号，同 时，扬声器同时发出２～３秒的声音，电路具有自 锁功能，使其余组的抢答开关不起作用
2． 用15个（或9个）发光二极管组成一排， 比赛开始时，中间二极管点亮。以此为拔河的 中心点，甲乙双方各持一键，比赛开始后，各 自迅速不断地按动按键，以此产生脉冲，谁按 得快，亮点就向该方移动（甲为左），当任何 一方的终端点亮时，该方胜利，此时，二级管 的状态保持，双方按键无效，复位后亮点移至 中间，开始下轮比赛。
可手动校正时、分时间和日期值。
题目十. 限时发言时间提示器
１． 发言时间设定在3～30分钟可调 ２． 设定时间倒计数显示
３． 设定时间小于10分钟，倒数到1分钟时 给出提示信号，设定时间大于10分钟，倒数 到5分钟给提示信号，超时给出警告提示信号 （红灯），超时大于1分钟时，给出蜂鸣器声 音提示
设计报告要求
1. 摘要，介绍本设计的要点 。 2. 设计方案论证与选择，理论依据。 3. 实现设计方案的原理框图，系统结构图，
明确功能划分。 4. 单元电路设计，包括元器件选择和相关电
路参数设计与计算。 5. 运行效果或仿真效果。 6. 本设计的收获与体会。 7. 参考文献。
课程设计要求：
4、在每次由绿灯亮到红灯亮的转换过程中，要亮5 秒黄灯作为过渡，使行驶中的车辆有时间停到禁行 线外。
5． 设计计时显示电路。
题目二. 8路移存型彩灯控制器
1． 彩灯控制器电路要求同时控制8路以上彩 灯。
2． 要求彩灯组成两种以上的花型，每种花型 连续循环两次，各种花型轮流交替。
题目三. 多路信号显示转换器