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1、 数字逻辑与CPU仿真实验报告姓名： 班级：学号：仿真实验摘要：Multisim是Interactive Image Technologies公司推出的以Windows为基础的仿真工具，具有丰富的仿真分析能力。本次仿真实验便是基于Multisim软件平台对数字逻辑电路的深入研究，包括了对组合逻辑电路、时序逻辑电路中各集成元件的功能仿真与验证、对各电路的功能分析以及自行设计等等。一、 组合逻辑电路的分析与设计1、 实验目的（1） 掌握用逻辑转换器进行逻辑电路分析与设计的方法。（2） 熟悉数字逻辑功能的显示方法以及单刀双掷开关的应用。（3） 熟悉字信号发生器、逻辑分析仪的使用方法。2、 实验内容和
2、步骤（1） 采用逻辑分析仪进行四舍五入电路的设计运行Multisim，新建一个电路文件，保存为四舍五入电路设计。在仪表工具栏中跳出逻辑变换器XLC1。 图1-1 逻辑变换器以及其面板双击图标XLC1，其出现面板如图1-1所示依次点击输入变量，并分别列出实现四舍五入功能所对应的输出状态（点击输出依次得到0、1、x状态）。点击右侧不同的按钮，得到输出变量与输入变量之间的函数关系式、简化的表达式、电路图及非门实现的逻辑电路。记录不同的转换结果。（2） 分析图1-2所示代码转换电路的逻辑功能运行Multisim，新建一个电路文件，保存为代码转换电路。从元器件库中选取所需元器件，放置在电路工作区。从TT
3、L工具栏选取74LS83D放置在电路图编辑窗口中。从Source库取电源Vcc和数字地。从Indictors库选取字符显示器。从Basic库Switch按钮选取单刀双掷开关SPD1，双击开关，开关的键盘控制设置改为A。后面同理，分别改为B、C、D。 图1-2 代码转换电路将元件连接成图1-2所示的电路。闭合仿真开关，分别按键盘A、B、C、D改变输入变量状态，将显示器件的结果填入表1-1中。说明该电路的逻辑功能。表1-1 代码转换电路输入输出对应表输入输出ABCDU200110010010101201103011141000510016101071011811009（3） 用八选一数据选择器74
4、LS151设计一个全加、全减逻辑电路。要求：党控制信号M=0时，电路实现全加器的功能；当控制信号M=1时，电路实现全减器的功能。运行Multisim，新建一个电路文件，保存为全加减电路文件。从元器件库中选取所需元器件，放置在电路工作区，并连线。从TTL工具栏选取所需元器件74LS151D和反相器74LS04，放置在电路工作区；在仪表工具栏中调出字信号发生器XWG1、逻辑分析仪XLA1；将元器件和仪表按图1-3所示连接。其中，为了使输出、输入变量之间对应关系更加清楚，在输入和输出端通过Place/Place text分别设置了S、Cn+1、M、A等文本标识。图1-3 数据选择器实现的可控全加、全
5、减器电路双击字信号发生器XWG1图标，按照图1-4所示进行面板的设置。图1-4 字发生器XWG1面板设置双击逻辑分析仪XLA1图标，观察并画出输入变量与输出变量之间的对应波形。分析输出变量与输入变量之间的对应关系，将结果填入表1-2中。表1-2 全加减电路测试结果输入输出MABCSCn+10000000001100010100011010100100101010110010111111000001001111010111011011100101101001110001111113、 实验结果与分析（1） 采用逻辑分析仪进行四舍五入电路的设计在逻辑变换器XLC1面板中设置好输入状态以后，进行不同
6、的转换。（I）转换成逻辑函数表达式，得到输出变量与输入变量之间的函数关系式： F=ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD ，如图1-5图1-5 输出与输入变量之间的函数关系式 图1-6最简函数关系式（II）转换成最简函数表达式，得到：F=BC+BD+A ，如图1-6（III）转换成与或门组成的门电路，得到图1-7。图1-7 与、或门逻辑电路（IV）转换成与非门组成的门电路，得到图1-8。 图1-8 与非门逻辑电路（2） 分析图1-2所示代码转换电路的逻辑功能分别改变A、B、C、D四个输入变量的状态可以得到不同的显示结果，并均已记录在表1-1中。从该表中，我们可以看出，该电路的逻辑功能
7、是对余3码的译码（或者也可以说是将余3码转换成8421BCD码）。这与理论上的分析结果一致。74LS83D是全加器，其中，输入端B4B3B2B1端已分别置为1101，最低位进位端C0也已置1。当改变A、B、C、D键以改变A4A3A2A1的状态后，输出端便得到不同的值。经计算会发现该电路的确是将余3码译码后在数码管上显示。（3） 用八选一数据选择器74LS151设计一个全加、全减逻辑电路。 设计电路如图1-3所示。完成字信号发生器面板设置之后，在逻辑分析仪XLA1中可以观察到输入变量与输出变量之间的对应波形如图1-9所示。其中，从上而下显示的波形依次为变量M、C、B、A、S、Cn+1 的波形。
8、图1-9 全加减逻辑电路各变量波形 另外，该电路的测试结果已填入表1-2中。根据该表分析，可以看出该电路已经满足功能，即当M=0时，S=A+B+C,Cn+1为进位位，电路实现的是全加器的功能；当M=1时，S=C-B-A，Cn+1为借位位，电路实现的是全减器的功能。二、 时序逻辑电路的分析与设计1、 实验目的（1） 掌握常用时序逻辑电路的分析、设计与测试方法。（2） 熟悉数字逻辑功能的显示方法及单刀双掷开关的应用。（3） 熟悉字信号发生器、逻辑分析仪的使用方法。2、 实验内容和步骤（1） 四位二进制计数器电路的分析。选取元器件、仪器并按图2-1连接电路。运行仿真，双击逻辑分析仪XLA1图标，观察
9、并画出其显示的波形。分析逻辑分析仪上显示的Q0、Q1、Q2和Q3的波形，确定该电路的逻辑功能。图2-1 四位二进制计数器电路（2） 集成74LS290计数器的功能测试选取元器件并按图2-2所示电路连接，置“9”和置“0”端的状态由单刀双掷开关控制，输出端状态由放光器件显示。图2-2 （1） 74LS290的功能测试一（8421）图2-2（2）74LS290的功能测试二（5421）分别改变置“9”和置“0”端的状态，实现置“0”（0000）和置“9”（1001）的功能，将测试结果填入表2-1中。改变电路的连接形式，用74LS290实现二进制、五进制、十进制8421BCD码的计数器，记录测试结果。
10、表2-1输入端输出端R01R02R91R92CP1CP2QDQCQBQA110XXX000011X0XX0X11XX1001X011XX0X0XQA8421码十进制计数器0X0XQD5421码十进制计数器（3） 用两片74LS160设计实现24进制计数器，用数码管显示并验证计数状态。3、 实验结果与分析（1） 四位二进制计数器电路的分析（I）连接好电路并开始仿真后，在逻辑分析仪XLA1上可以得到仿真结果如图2-3所示，其中从上到下依次为CP脉冲、Q0、Q1、Q2、Q3（4个JK触发器的输出）的波形。（II）分析该所有波形，可以确定该电路的逻辑功能实际上是一个异步十进制计数器。Q3Q2Q1Q0从
11、初始状态0000开始，到1001后图2-3 四位二进制计数器电路波形 返回初始状态，如此循环下去。（2） 集成74LS290计数器的功能测试电路中，输出端如果输出高电平，则相应发光器件会有亮光的指示，否则输出的是低电平。经过功能测试后，测试结果已填入表2-1中。经分析，该电路有以下特点与功能：（I）异步清零。当R01、R02全为高电平，R91、R92中至少一个为低电平时，不需要时钟脉冲配合，即可使所有触发器清零。（II）异步置9。当R91、R92全为高电平，R01、R02中至少一个为低电平时，不需要时钟脉冲配合，即可将Q3Q0置成1001。（III）计数。当R01、R02及R91、R92中至少
12、有一个为低电平时，在时钟脉冲CP0或者CP1的下降沿作用下电路开始计数。其计数方式又根据不同情况分为两种：第一种是Q0与CP1相连，计数脉冲从CP0输入，此时构成的是8421码十进制计数器，见图2-2（1）；第二种是Q3与CP0相连，计数脉冲由CP1输入，则构成5421码十进制计数器。（3） 用两片74LS160设计实现24进制计数器，并用数码管显示并验证计数状态。 经分析，我自行设计电路如图2-4所示，并已通过验证能实现24进制计数功能。图2-4 24进制计数器设计电路（I）设计思路及原理：74LS160是一种同步8421BCD码十进制计数器，具有异步清零、同步预置、计数和保持的功能。其中利
13、用同步预置这一点，我设计出了如图2-4的电路。电路中，U1、U2的时钟脉冲信号均由信号源CP直接提供，而U2的计数控制端ENP、ENT则与U1的进位端RCO相连。当U1有进位时，U2控制端才被驱动，U2计数一次。这是并行进位方式。此外，电路中U1是计个位，U2是计十位，当从0计数到23（即U2:0010,U1：0011）时，通过与非门74LS12D，LD同步预置端被激活，下一个CP信号脉冲时，U2U1均又预置已设定好的00000000，如此循环，实现24进制计数功能。（II）结果显示与验证：将U2的QDQA和U1的QDQA分别接入一个数码管（注意对应管脚），即可显示其表示的数，如图2-4中数码管显示的23。仿真开始后，观察到数码管从00开始，01、0222、23、00、01一直循环下去。所以，该电路实现了从023的计数，也即实现了24进制的计数功能。三、 选做内容1、 实验目的（1） 深入掌握组合逻辑电路的分析与设计方法。（2） 熟悉数字逻辑功能的显示方法以及单刀双掷开关的应用。（3） 熟悉逻辑分析仪的使用方法。2、 实验内容与步骤（1） 用74LS83将余3码转换成8421码。74LS83是四位加法器，用它设计一个代码转换
