组合逻辑电路设计报告

数字电子技术研学报告

组合逻辑电路设计

指导老师:侯建军 姓名:余越崎 班级:通信1107 学号:11211171

2013-12-10

目录

一、研究的问题…………………………………………………………………2 二、选用材料分析……………………………………………………………..3

1.1 8-1数据选择器 74LS151应用分析………………………………3

1.2 四二输入与非门7400应用分析…………………………………..3 1.3 四二输入与或门7432应用分析……………………………………3 1.4 六反相器7404应用分析……………………………………………….4

三、具体问题分析……………………………………………………………..4 3.1 设计思想流程图……………………………………………………………….4

3.2输出量的逻辑表达式求解…………………………………………………5 3.3电路设计…………………………………………………………………………..6 3.4传输延时的研究设计………………………………………………………..7 3.5负载能力要求的研究设计………………………………………………..7

四、设计方案结果仿真及分析优化……..……………………………9 五、设计的优势与创新点…………………………………………………11. 六、个人收获……………………………………………………………………11

摘要:本文分成四部分,第一部分根据题目要求对所给出的材料进行分析,第二部分主要

是设定输入输出变量,分析目标,做出真值表,之后画出卡诺图并化简,得到最表达式,为设计电路奠基。第三部分电路设计采用传统数字电路自顶向下设计方法,然后用TTL门电路和简单集成电路完成初步设计,最后对初步设计进行检查,并做微调以满足电路最后要求。第四部分在电路分析时,使用Multisim对电路进行仿真,并且就传输延时和带负载能力做了着重分析,对分析结果进行了评估总结。

关键词: 自顶向下,集成门电路,MULTISIM仿真,传输延时,带负载能力

一、研究的问题

1、综合设计:当4个输入信号A、B、C和D从0000~1111不断循环时,输出4

路F4F3F2F1如题图3所示信号。用2片8选1数据选择器,1片7432,1片7404,1片7400、若干电阻和三极管设计实现题图3波形电路。

所有门的延时为10ns。而且4路在t时刻同时产生。每一路能驱动100mW的负载。 输出如下波形

二、选用材料分析

题目所提供的材料清单如下:用2片8选1数据选择器,1片7432,1片7404,1片7400、若干电阻和三极管。根据题目所给出的材料找到相应的芯片手册。

1.1 8-1数据选择器 74LS151

表2-1

74LS151

真值表

通过对图2-1-1 74LS151真值表的分析,可知: (1)为使电路工作,使能端始终置低电平。

(2)四路输入信号选择三路接入芯片的地址线,一路接入数据线,输出信号可以作为四路输出的一路。

1.2 四二输入与非门7400

相关参数:一片74(54)00包含四组与非门,输出带负载能力如表2-2-1

通过对上述图表分析可知

(1)

题目提供了4个与非门

(2) 虽然TTL门的带负载能力比较强,但是仍然不足以驱动100mW负载,

需要通过三极管,电阻构成的电路提高带负载能力。

1.3 四二输入与或门7432应用分析

表2-3

7432系列电路参数表:

通过对上述两图的分析可知,题目提供了4个或门,且不能直接驱动负载。

1.4 六反相器7404应用分析

表2-4 7404电路参数:

通过对上述两图的分析可知,题目提供了6个非门,且不能直接驱动负载。

三、具体问题分析设计

3.1、

图3-1 设计思路流程图

3.2、逻辑变量表达式求解

【1】参照书上类似题目,给输入,输出分别定义变量名称,将真值表列出(表3-1):

表 3-1. 总真值表分析

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

A 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1

B 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1

C 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1

D 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

F1

1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1

F2 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0

F3 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0

F4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0

图 3-1. 总真值表分析

【2】采用卡诺图对F1~F4进行逐一化简(表3-2、表3-3、表3-4):

表3-2 F1卡诺图 表3-3 F2卡诺图 表3-4 F3卡诺图

由于F4仅有一项,不需卡诺图化简

【3】最终化简得到:

F1=F2=F3=F4=

(式3-1) (式3-2)

(式3-3)

(式3-4)

3.3、电路设计:

出现的问题1:由于两片数据选择器虽然有四个输出端,但实际上有两个取非端:

解决方案:采用两个F输出端输出F1,F2,再用F1与F2分别表示F3,F4;又可得真值表(表3-5):

表 3-5. F1~F4真值表

根据真值表可以求得:

F3=F1⊙F2=F1·F2+F4=F1·F2=

=(

(式3-5)

(式3-6)

结合上述表达式,在实际电路中: 第一片74151接法为:

D0,D5接字发生器第四位取非后输出点 D4,D2,D3,D7接字发生器第四位。 D1,D6接地。 第二片74151接法为:

D0,D1,D3,D5接字发生器第四位;

D2,D7接字发生器第四位取非端 D4,D6接地端 其余F3,F4的输出: 如图3-6

图 3-6 F3,F4产生电路

3.4、延时同步的研究设计

每个门的延时长度为10ns,由于F1,F2到F3,F4各通过了两个门,延时20ns,所以根据

,所以要在F1,与F2后各加上两个非门,达到延迟同步的目的。(图3-7)

图3-7 F1,F2输出电路

3.5、带负载能力的研究设计

根据要求,最终每路输出要求能带负载100mW,但根据芯片手册显示(表2-3),(表2-2)与(表2-4),普通的7400门电路和7404都不足以带动100mw负载。 方案一:采用三极管构成共集放大器 共集放大器具有如下特点: 1、输入信号与输出信号同相;

2、无电压放大作用,电压增益小于1且接近于1,因此共集电极电路又有“电压跟随器”之称 ;

3、电流增益高,输入回路中的电流iB

5、适用于作功率放大和阻抗匹配电路。 6、在多级放大器中常被用作缓冲级和输出级。

根据共集放大器性能及特点分析,共集放大器基本保持电压不变,放大电流,可以很好地起到增加带负载能力的作用。如图3-10:

图3-8 共集放大器 方案二:采用达林顿管提高负载能力

据资料显示,达林顿管具有以下特性及结构(图3-11),

达林顿管又称复合管。为共基组合放大器,以组成一只等效的新的三极管。这等效于三极管的放大倍数是二者之积。在电子学电路设计中,达林顿接法常用于功率放大器和稳压电源中。

达林顿管是一重复合三极管,他将两个三极管串联,第一个管子的发射极接第2个管子的基极,所以达林顿管的放大倍数是两个三极管放大倍数的乘积。所以它的特点是放大倍数非常高,达林顿管的作用一般是在高灵敏的放大电路中放大非常微小的信号。

如大功率开关电路。

图3-9 达林顿管基础结构

方案三、 开关电路

如图3-10所示,当我们在一个晶体管的基极加上一个足够大的正偏压,晶体管导通,其管压降其管压降

几乎为零,等效于开关接通。当晶体管的基极电压

3V,相当于截止。

为“0”时,晶体管截止,

XSC1

图3-10 开关电路示意图

在开关电路中,R2相当于负载。当三极管导通时,负载被短路相当于低电平;当三极管截止的时候,三极管相当于断路,R1、R2分压。由于R1、R2是对电源进行分压,带负载能力相当于电压源的带负载能力,所以只要适当调整R1的大小,满足电源分压,即可达到电路设计要求。

四、设计方案结果仿真及分析优化

设计方案中仅有最后一级的放大电路有不同方案,所以优先研究两个方案的优劣 方案一带负载能力(图4-1):

图4-1 方案二带负载能力(图4-2)

图4-2

对比结果:这三种电路各有各的优势,而且均满足题目所给定的负载能力要求第二种达林顿管常用与驱动电机,舵机等大功率期间,完全可以胜任,第三种开关电路,其本质是通过数字信号控制晶体管实现对电源的通断进行控制,所以他的带负载能力相当于电压源的带负载能力。但是,开关电路是采三极管的CE组态连接方法,输出的结果有180°的相位差,因此使用前需要调整相位,使相位反相。综上所述,第二种方案最为符合题目要求。 所以采用方案2,为最终的电路放大输出级(图4-3)

图4-3 整体电路图

仿真结果图

10

图4-4 仿真结果

完全与要求的波形吻合。

至此,所有设计工作完成。

五、设计作品的优势与创新点

1.结合之前在单片机驱动电机实验中应用过的器件达林顿管,将之用在此处的信号负载,完全可以胜任带动大负载,驱动大功率设备的要求。

2.结合模电的相关知识,将之与数字电路结合,起到了良好的搭配作用,成功达到了技术指标的要求。

3.作品经过反复验证,比对,最终得出了成熟稳定的方案。

六、个人收获

写整篇数电的研学报告论文,让我对整个设计研究过程进行了一次全面的梳理和总结,将设计研究中运用到的知识点进行了一次串联,加深了对所学数电知识的认识和应用能力。主要体现在以下几个方面:

1.拓展了创新思维能力,自此之前,所做的数电题目,都是千篇一律的标准答案,不会的时候就去翻看,久而久之,看到一类题,立刻就会是同一种思维,同一种做题模式,不在动脑筋去想还有其他什么接法,这些接法之间有什么区别。本次研学之处,遍寻网络,图书,未曾看到任何一篇和这道题类似的报告,或者答案。于是开始了自己寻找,探究答案的过程,在书本中寻找那些最基础的公式,解题方法,在网上详细研读用到的芯片手册,再一步步的设计,计算,调试,仿真。同时,由于答案不唯一,找到了多种实现方法,一一对比,最终

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选取最优方案,这也是作为电信工作者最终参与项目开发的思维经验积累。

2.加强了EDA软件的使用能力,本次设计,Multisim功不可没,multisim取代了费时费力的手焊实际电路,大量节省了调试时间和仿真难度,由于是数电实验,在这次研学中,掌握了数电实验相关仪器的使用,如字发生器,逻辑分析仪等。

3.通过本次数电研究性教学,对于自顶向下EDA设计方法,有了更为直观的认识,本次研学,我们经历的就是知道了要完成得工作,提供的材料,整体进行设计的过程,但是在实际过程中,我发现自顶向下设计方法的缺点是,不易得到通用模块,设计出的程序效率不一定高。若与自底向上设计方法(即将具体处理过程加以细分,考虑其相互关系,而进行分类和综合)相结合,则可以设计出良好的程序来。

4通过本次研究性学习,我更深刻的体会到了研究性学习,研究二字的意义所在,以前的研学都是可以在网上直接找到答案,粘贴复制即可,几乎不用动脑筋,而且格式混乱,缺乏一个学术报告应有的严谨性和学术性。耽误了时间,有没有学到东西,这次研学让我学到了很多写正规学术报告的方法,并且端正了学习的态度。

七、参考文献

[1]侯建军.数字电子技术基础[M]. 高等教育出版社,2007.12

[2]侯建军.电子技术基础实验、综合设计实验与课程设计[M]. 高等教育出版社,2007.10

[3]路勇,电子电路实验及仿真[M]. 清华大学出版社,2004.3

[4]伍乾永,陈彬,TTL门电路带负载能力的计算问题研讨[J].信息技术,2009.9

[5]门宏,晶体管使用电路解读[M].化学工业出版社,2012

[6]路勇,模拟集成电路基础(第三版),中国1铁道出版社,2010,8

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