数字电路

by Enable Education

本实验手册涵盖了组合和时序数字电子学的主题。学生首先在NI Multisim中模拟逻辑门电路，然后搭建PLD电路，并将其部署到FPGA硬件上。实验手册还提供了基于项目的应用，帮助学生巩固整个课程中学到的技能并进行融会贯通。

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Details

学习目标

使用仿真软件搭建组合电路和时序电路
讨论数字电路元件的行为、特性和应用，如逻辑门、加法器、编码器和解码器、多路复用器和多路分解器、锁存器和触发器
分析和预测内置数字电子电路的行为
设计和测试数字应用电路

课程信息

年级	大一或大二学生
主题	数字电路
学习方式	实验室项目式学习
前提条件	完成《电路基本概念课程》《电路I》课程

Included Course Labs

MULTISIM电路仿真

学生将学习使用仿真软件Multisim来模拟数字电路的行为。学生不需要物理元件，就可以探索各种数字电路的功能。最后，学生可使用NI数字系统开发板将数字电路部署到硬件上，以强化整个实验中讨论的概念。

真值表和基本逻辑门

逻辑电路是数字硬件的构成要素。学生将学习三个简单逻辑门的功能和应用：与门、或门和非门。学生还将使用真值表来直观地表示给定逻辑运算的输入和输出。Multisim用于观察最常见逻辑门的行为方式。

逻辑门和布尔代数

在本实验中，学生将探索与非门、或非门、异或门和同或门。介绍了布尔代数和推导组合逻辑电路的方法。学生将搭建各种基本电路来探索不同逻辑门的功能。

二进制转换和加法器

在本实验中，学生将学习二进制转换以及使用逻辑门实现二进制加法的不同方法。在课程中，学生使用Mulitisim来模拟不同的二进制加法方法，并进行分析。然后，学生将在FPGA上验证仿真结果。

卡诺图

卡诺图（K-map）是用于最大限度减少布尔函数数量的工具和步骤之一。在本实验中，学生将学习如何创建卡诺图，并探索其实际应用。在实验中，学生将使用卡诺图来简化布尔表达式，然后推导出输出值、简化的组合逻辑电路和电路的卡诺图。

编码器和解码器

本实验向学生介绍编码器和解码器的基础知识。学生使用Multisim搭建和仿真电路，包括BCD 码—七段码译码器和优先级编码器。学生完成分析，推导出真值表并完成评估。

多路复用器和多路分解器

在本实验中，学生将学习多路复用器和多路分解器的工作原理，以及时钟多路复用的基础知识。在使用Multisim仿真电路并将其部署到DSDB板上的FPGA时，学生需要思考编码器和多路复用器之间的异同，使用逻辑门检查基本的二选一多路复用器的功能，并使用示波器观察时钟复用的行为。

比较器

在本实验中，学生将学习如何在组合逻辑电路中实现小于、大于和等于操作。他们将使用Multisim搭建和仿真比较器电路，然后将其部署到DSDB板的FPGA上。

锁存和时序逻辑电路

本实验向学生介绍锁存器和时序逻辑电路，包括基本概念、变形和应用。在实验中，学生将使用Multisim搭建和模拟电路，以观察同步和异步时序电路之间的差异，测试和比较D锁存器电路，确认门控SR锁存器的特性，及观察D和SR锁存器之间的差异。

触发器

学生将学习D、JK和T触发器的基本行为，及其独有的功能。学生将使用Multisim搭建、模拟和观察各种触发器电路，然后回答几个问题来检验知识的掌握程度。

计数器

学生将探索各种类型的计数器，并使用Multisim来搭建、模拟和观察计数器电路。学生将了解同步和异步计数器之间的差异，并基于理论知识和动手实验，观察触发器如何用作为计数器的构成要素。

有限状态机

这个基于项目的实验将让学生了解有限状态机及其各种应用。学生将使用Multisim和NI数字系统开发板制作子电路，以模拟单路和双路交通信号。本实验中强化了对时钟信号和计数器的理解。

移位寄存器

学生将学习移位寄存器的基本功能，并探索各种类型的移位寄存器。在本课程中，学生将使用Multisim观察由D触发器组成的四位移位寄存器的基本功能，研究时钟频率变化对移位寄存器输入的影响，并探索移位寄存器中的波形与触发器时钟信号之间的关系。这将包括搭建、仿真和观察电路，然后将其部署到数字系统开发板的FPGA上。

半导体存储器

向学生介绍半导体存储器的概念，包括不同类型的存储器。学生在Multisim完成字生成器的配置操作，观察在RAM芯片上2位代码的读取和写入，以及设计、搭建和仿真RAM芯片上4位代码的写入和读取。

数字骰子

学生将运用之前实验所掌握的概念和技能，如计数器和编码器，设计和搭建数字骰子电路。学生将使用Multisim设计整个电路，然后搭建数字骰子的物理电路。

数码时钟

学生将使用先前实验室中开发的各种概念和技能来设计和制造数字时钟。学生将建立一个12小时或24小时时钟，其中将涉及使用计数器，解码器，七段显示器和其他组件。

电子保险箱

学生将运用之前实验所掌握的概念和技能，来设计和搭建一个带有4位密码的电子保险箱。本实验可增强学生对组合逻辑电路的实际应用的了解，并复习如何使用触发器来创建移位寄存器。学生可以选择完成难度更高的练习，例如添加电磁阀，以通过物理方式模拟打开安全门。

数字通信

学生将运用先前实验掌握的概念和技能，设计和搭建数字通信电路。学生将比较串行和并行通信方式的优点。学生还将搭建一个能够生成、发送、接收和显示串行8位消息的电路，进而学习加密的基础知识。

Requirements

NI ELVIS III

Engineering laboratory solution for project-based learning that combines instrumentation and embedded design with a web-driven experience, delivering a greater understanding of engineering fundamentals and system design. Learn more

Digital System Development Board

The Digital System Development Board (DSDB) is a digital electronics and FPGA trainer board with a Zync 7020 FPGA and 19 different periphrials to program and experiment to get a hands-on understanding of digital electronics. Programmable with Multisim, HDL, or LabVIEW, the DSDB takes students from... Learn more

Multisim

Multisim is a circuit simulation tool built for educators to teach analog, digital, and power electronics by connecting simulation to experimentation. Learn more

DETAILED REQUIREMENTS

Required Software

Download Academic Software, Learn About Software Licensing

Multisim 14.0.1 Education or Later - Download
NI LabVIEW FPGA Vivado 2014.4 - Download
Digilent Hardware Driver (note, the installer above automatically downloads the installer below onto your computer)
- Navigate to C:\NIFPGA\programs\Vivado2014_4\data\xicom\cable_drivers\nt64\digilent
- Install install_digilent.exe

Required Hardware

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