数字逻辑实验指导书
数字逻辑实验指导书
计算机科学与技术学院
应用教研室
目录
实验的基本步骤 (3)
实验的注意事项 (3)
实验报告书写要求......................................................................................... 错误！未定义书签。实验用到的资源和原理. (5)
实验1：基本逻辑门电路功能测试 (7)
实验2：译码器及其应用 (15)
实验3：触发器 (19)
实验4：计数器 (24)
实验5 加法器 (29)
实验6 移位寄存器及其应用 (33)
实验的基本步骤
本实验指导书的所有实验基于EDA实验台进行。采用软件为Quartus II 5.0,硬件芯片为ALTERA 的Cyclone 系列FPGA芯片EP1C6Q240C8。
使用本EDA实验台进行数字逻辑实验，不需要进行手工接线。实验工作分2步进行：1：在PC机上，基于Quartus II软件进行原理图（逻辑图）的设计，设计完成后，需要经过引脚锁定、编译下载到EDA实验台上的FPGA芯片EP1C6Q240C8中。下载完成后，即在FPGA芯片中形成物理的逻辑电路。此步工作相当于传统实验的基于物理器件的接线操作。
2：基于第一步形成的逻辑电路（在FPGA中），进行测试验证。此过程可以用万用表、逻辑笔、示波器等测试FPGA的相应引脚，实现对逻辑电平、波形的测试，从而验证实验的正确性。
实验的注意事项
1：Quartus II的工程名和顶层实体名字必须为英文，存储路径最好不要含中文和空格。
2：Quartus II的设计中所有的命名中，名字不要有空格。
3：Quartus II的设计中放置“input”“ouput”引脚符号时，引脚符号的虚线框和原件的虚线框要刚好对上，以保证连接上，虚线框分开和部分重叠都不能正确连接。
4：所用到的脉冲/时钟信号必须锁定到29脚，具体原理参考“实验用到的资源和原理”部分。
实验报告格式和内容
书写实验报告，语言要简练，书写端正、作图正规。按照如下格式和内容书写。
注意：试验6为综合性实验，其格式和实验1到5不同，同时其需要有封面并装订成册。
一般实验（实验1――5）
项目名称
一、实验目的及要求
二、实验仪器设备
三、实验内容、结果
四、实验总结
包括实验中遇到的问题，如何解决遇到的问题；实验后的认识和感悟等。
综合性实验（实验6）
项目名称
一、实验内容
二、实验目的及要求
三、实验仪器设备
四、实验结果
五、实验总结
实验用到的资源和原理
需要的资源：
1：逻辑开关
2：发光二极管指示灯
3：单脉冲/1M-8M方波时钟
数字逻辑实验需要用到的输入为逻辑0、1，由逻辑开关提供，实验台提供了16个逻辑开关，为SD0、SD1……SD15,和FPGA的连接关系如下表1－1。输出的逻辑0、1接到发光二极管，实验台提供了很多发光二极管，具体只列了部分于表1－1中。
表1－1
从表中可以看出，SD0连接于200脚，SD1连接于200脚，41脚到83脚分别接有一个发光二极管指示灯。具体原理如下图0所示（只列处了两个逻辑开关和两个发光二极管，其余同理）。通过拨动逻辑开关实现逻辑0、1的输入，输出的逻辑0、1通过发光二极管指示，1亮0灭。
时序电路的实验要用到脉冲和1M-8M方波，由29脚的提供，原理如图0所示。当短路子DZ3短接时，DZ4断开时，29脚和单脉冲(按一下出一个高电平的单脉冲)连接，当DZ4短接时，DZ3断开时，29脚接方波，此时频率由DZ5、DZ65、DZ75、DZ85的短接情况决定。DZ5短接时为8M, DZ6短接时为4M,DZ7短接时为2M,DZ8短接时为1M。
图0
实验1：基本逻辑门电路功能测试
一、实验目的
1：测试与非门及与非门组成的其它逻辑门电路的功能。
二、实验用的仪器、仪表
TEC-5数字逻辑实验系统
三、实验原理
与非门的逻辑功能是：当输入端中有一个或一个以上低电平时，输出端为高电平。只有当输入端全为高电平时，输出端才为低电平（即有“0”得“1”，全“1”出“0”）。
四、实验内容
1：测试二输入与非门的逻辑功能
与非门的输入端接逻辑开关电平，输出端接发光二极管。按表1－2所示测试与非门，并将测试结果填入表中。
A B
B A F ?=
表1－1
2：学习用二输入与非门构成其他逻辑电路的方法，并测试。 ● 与门逻辑功能实现：
根据布尔代数的理论，B A B A F ?=?=,所以用2个与非门即可实现与门逻辑功能。输入A 、B 接逻辑开关，输出端接发光二极管。参考表1－2，设计表格，并将测试结果填入表中。
A B
● 或门逻辑功能实现：
根据布尔代数的理论，B A B A F +=?=,所以用3个与非门即可实现或门逻辑功能。输
入A 、B 接逻辑开关，输出端接发光二极管。参考表1－1，设计表格，并将测试结果填入表中。
A
B
异或门逻辑功能实现：
根据布尔代数的理论，B A B A F +=,根据此异或逻辑表达式经过变换，逻辑图如下，请自行验证此逻辑图的正确性，同时思考如果直接据逻辑表达式画逻辑图，效果如何，近而体会变换的作用。输入A 、B 接逻辑开关，输出端接发光二极管。参考表1－1，设计表格，并将测试结果填入表中。
五、实验步骤
（1）PC 机端的工作 1：启动QUARTUS II 5.0
2: 创建新的Quartus II 工程（在创建新工程前，需要创建一个工作目录） 打开File —New Project Wizard 菜单，创建工程。
首先出现图1，参考如下图示进行。指定工作目录和工程名。接着点击“Next ”按钮，一直到图2二所示，选择参考图示，指定芯片为EP1C6Q240C8。接着，点击“Finish ”
图
1
图2
3: 建立顶层模块设计文件（.bdf ），选择File －>New,选择Block Diagram/Schematic File ，按OK 。注意：此文件必须与上一步骤的顶层文件名称相同，Save 时自动出现顶层文件名称，保持不变。在BDF 文件设计窗口内的空白处双击, 出现Symbol 对话框,如下图3所示，展开“logic ”，选nand2即二输入与非门，如图4所示，点击 “OK ”即可实现二输入与非门的放置。按实验内容要求画出所用的逻辑图（画逻辑图过程中，利用”COPY ”即可实现更多
nand2门的放置）。其中连线用鼠标左键即可实现。三态门在“buffer”中，名字为”tri”。选中即可实现三态门的放置（注意：原件的放置可以直接输入原件名，如图3、4所示）。最终如图5所示。
在此直接输入原件名
字即可实现原件选择
图3
在此直接输入原件名
字即可实现原件选择
图4
图5
在图5中完成了所有需要测试的逻辑图的连接，还需要放置端口（即把此逻辑电路引到对应的FPGA 的引脚）。放置过程同上，选“pin ”中的“input ”和“output ”即为对应的输入、输出端口，在所用的逻辑图中输入端放输入端口，输出端放输出端口。结果如图6所示。端口放完后需要改名字，以便后边的实验过程的易于识别。名字都调整好后，保存。
图6
4：进行编译
选择菜单”Processing-Start Compilation”,实现编译。在编译完成后，进行引脚锁定。
5：引脚锁定
引脚锁定的目的是把逻辑图中的逻辑输入、输出引到对应的FPGA的物理实际引脚上。选择菜单“Assignments-Pins”,出现如图7所示窗口。“To”列为对应的端口，“Location”列为锁定的实际位置，用鼠标单击选定对应的位置，如图7所示，直接输入相应的物理引脚号，如7，就会出现“PIN_200”,回车，即可实现对一个引脚的锁定。在锁定完所有引脚后，保存然后重新编译即可。编译完成后，在当前工作窗口点击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“Show---Show Pin and Location Assignments”显示图8，可以看到对应的引脚锁定关系。因本实验所有输入端均接逻辑开关，输出端均接LED指示灯。如下图，把与门的两个输入andInput1、andInput2分别锁定到200和201脚，而200和201和逻辑开关相连。与门的输出andOut锁定到41脚，而41和LED发光二极管连接，从而形成图9原理图连接关系，从而只需要拨动SD0,SD1即可实现输入端的0、1输入，输出端对应的41脚的指示灯会“1”亮“0”灭。其余的同理。这里的锁定关系仅为参考，可以把输入锁定到16个开关中的任意一个，输出同样选择16个LED中的任一个均可。
图7
图8
图9
6：编译下载
再次编译本系统，完成后选“Tools-Programmer”，出现图10窗口，在“Hardware Setup…”后如果为“No Hardware”，需要点击“Hardware Setup…”进行编程线缆的设置，选“ByteBlaster[LPT1]”即可。当线缆配置好后，”Start”按钮有效，在”Program/Confgure”处选中，按”Start”按钮即实现配置下载。下载完成后，即可进行测试。
图10
（2）实验箱端的工作
本部分工作主要完成对逻辑电路功能的测试，采用对输入逻辑开关的切换，实现不同的“0”“1”输入，从而输出端输出不同的逻辑电平，使指示灯亮或灭。完成实验内容中各个表的填入，完成实验工作。如用二输入与非门实现的与门的两个输入andInput1、andInput2分别锁定到200和201脚，而200和201和逻辑开关SD0,SD1相连。与门的输出andOut锁定到41脚，而41和LED发光二极管连接，从而形成图9原理图连接关系，从而只需要拨动SD0,SD1即可实现输入端的0、1的四种组合输入，输出端对应的41脚的指示灯会“1”亮“0”灭，把结果填入对应的表中即可。
实验的电平测试采用万用表，把万用表打到直流电压20V档，黑表笔接试验台右上脚的地（GND），红表笔测输出端的LED指示灯的一个管脚。
注意：红表笔测量时不要同时碰到两个及以上管脚，以免短路。
六、实验报告
记录、整理实验结果，并用布尔代数的理论进行分析
实验2：译码器及其应用
一、实验目的
1：掌握译码器的逻辑功能及应用。
2：学习并掌握双踪示波器的使用。
二、实验用的仪器、仪表
EDA实验台万用表示波器PC机
三、实验原理
译码器是一个多输入、多输出的组合逻辑电路。它的作用是把给定的代码进行“翻译”，变成相应的状态。译码器在数字系统中有广泛的用途，如代码变换、数据分配、存储器寻址、组合控制信号等。
本实验以74138为主要实验对象，图2－1为74138的逻辑图和管脚排列图。其中A,B,C 为地址输入端（其中C为高权位），Y0N~Y8N为译码输出端，G1,G2AN,G2BN为使能端（这里的N均为低有效的意思）。表2－1为74138的功能表，当G1＝1，G2AN＋G2BN＝0时，器件使能，地址码所指定的输出端有信号（为0）输出，其余输出端均为无信号（全为1）输出。当G1＝0和G2AN＋G2BN＝0两个条件不能同时满足时，译码器被禁止。所用的输出同时为1。
图2－1 74138的逻辑图和管脚排列图
四、实验内容
1：74138逻辑功能的测试
将G1,G2AN,G2BN和地址输入端A、B、C和逻辑开关相接。八个输出端接到LED指示灯。拨动逻辑开关，按表2－2测试功能，并记录测试结果。
2：用74138构成数据分配器
若利用使能端中的一个输入端输入数据信息，器件就构成数据分配器。在G2AN端输入数据（可以用逻辑开关），且G2BN＝0，G1 =1，地址输入端接逻辑开关，先拨动地址输入端开关，再拨动数据输入端逻辑开关，看实验结果。用语言描述多路分配的结果，并说明是原码输出还是反码输出。
3：用74138实现逻辑函数
A
B
Z+
+
=,实现该逻辑函数电路如图2-3,将测试结果记录在表2－3 C
+
C
B
ABC
A
A
C
B
中（注意74138原件符号中C为高位，表2－3中A为高位）。
图2-3
五、实验步骤
（1）PC机端的工作
具体步骤参考实验1部分，所不同的是：
●此实验的逻辑图中用的原件为74138，7420、VCC（电源）、GND（地），完成的原理图
如图2－4所示，具体端口名字可以自行命名。
●据“实验用到的资源和原理”一节图0原理可以知道，1MHZ信号必须锁定到29脚。
其余所有的输入锁定到逻辑开关，输出锁定到LED指示灯。
图2－4
（2）实验箱端的工作
“74138逻辑功能的测”和“用74138实现逻辑函数”部分工作主要完成对逻辑电路功能的测试，采用对输入逻辑开关的切换，实现不同的“0”“1”输入，从而输出端输出不同的逻辑电平，使指示灯亮或灭。完成实验内容中各个表的填入，完成实验工作。
“用74138构成时序脉冲分配器”部分要借助示波器看波形。通过拨动地址输入端逻辑开关，实现脉冲的分配，用示波器测试G2AN端信号和在地址输入端不同组合情况下输出Y0N～Y7N的的信号。
六、实验报告
1：将测试结果填入相应的表格，将观察到的波形画出来。
2：对实验结果进行分析讨论。
实验3：触发器
一、实验目的
1．掌握基本RS 触发器、JK 触发器、D 触发器的逻辑功能及测试方法。 2．熟悉触发器之间的相互转换。
二、实验用的仪器、仪表
EDA 实验台 万用表 示波器 PC 机
三、实验原理
触发器具有两个稳定状态，用以表示逻辑状态0和1。在一定的外加信号作用下，可以从一种稳定状态翻转为另一稳定状态。它是一个具有记忆功能的二进制信息存储器件。是
构成各种时序电路的最基本的逻辑单元。
1．基本RS 触发器
由两个与非门可以组成一个基本RS 触发器。接线方法如图3－1所示。它是无时钟控制低电平直接触发的触发器。基本RS 触发器具有置0，置1和保持的三种功能。通常称S 为置1端，因为S ＝0时，触发器被置1，R 为置0端，因为R ＝0时，触发器被置0，当S ＝R ＝1时，状态保持。
图3－1 基本RS 触发器
2．JK 触发器
JK 触发器的状态方程为n n n Q K Q J Q +=+1。JK 触发器采用下降沿触发，其功能如表3－1所示。 表3-1
3．D 触发器
D 触发器的状态方程为D Q n =+1,其输出状态的更新发生在CP 脉冲的上升沿。触发器的状态只取决于时钟到来前D 端的状态。D 触发器的功能表如表3-2所示。
表3－2
4．触发器之间的相互转换
在集成触发器产品中，每一种触发器都有自己固定的逻辑功能。但各种功能的触发器之间可以进行相互转换。如将JK 触发器的J ﹑K 两端连在一起，并认定它为T 端，就构成T 型触发器，其状态方程为n n n Q T Q T Q +=+1。T 触发器的功能表如表3-3所示。由表可知，当T=0时,时钟脉冲作用后，其状态保持不变；当T ＝1时，时钟脉冲作用后，触发器状态翻转。所以，将T 触发器的T 端置1，即得T ’触发器。T ’触发器每来一次脉冲，触发器的状态就翻转一次，故称之为翻转触发器。若将D 触发器的Q 端与D 端相连，便转换为T ’触发器。
表3－3
四、实验内容
1、测试基本RS 触发器的逻辑功能。按图3-1所示接线，用两个与非门组成基本RS 触发器，输入端为R 、S 。输出端为Q 、Q 。所用与非门型号为7400，如下图所示。按表3－4要求进行测试，并记录之。