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东南大学信息工程数字电路与系统(实验7)

一、实验目的

(1)本实验旨在使学生深入理解数字电路的基本原理和设计方法，通过实践操作，掌握数字电路的设计流程和实验技能。实验内容涉及数字电路的基本逻辑门、组合逻辑电路、时序逻辑电路以及可编程逻辑器件等，通过实际搭建和测试，加深对数字电路工作原理的理解。实验过程中，学生需要掌握数字电路的时序分析、逻辑功能验证、电路性能测试等关键技术，为后续专业课程的学习打下坚实基础。

(2)在实验中，学生将学习如何使用数字电路设计工具，如Multisim、Proteus等，进行电路的仿真和测试。通过实验，学生能够了解数字电路在通信、计算机、消费电子等领域的应用，以及数字电路在提高系统性能、降低功耗、增强可靠性等方面的优势。实验中涉及的数据处理和分析，如逻辑门电路的输入输出关系、时序逻辑电路的时钟周期、电路的功耗等，都是数字电路设计中的重要指标。

(3)实验内容还包括数字电路故障诊断和维修，使学生掌握基本的电路故障分析方法和维修技巧。通过模拟实际工程案例，如数字电路在通信设备中的应用故障、计算机系统中的数字电路故障等，培养学生解决实际问题的能力。此外，实验还强调团队合作，学生需要通过协作完成实验任务，提高团队沟通和协作能力，为未来在工程项目中的团队协作打下基础。实验过程中，学生将接触到大量的数据和图表，如电路的输入输出波形、电路的功耗数据、电路的性能指标等，这些数据将有助于学生深入理解数字电路的工作原理。

二、实验原理

(1)数字电路的实验原理基于二进制数系统和逻辑代数。二进制数系统由0和1两个基本数字组成，通过逻辑门电路实现基本的逻辑运算，如与、或、非、异或等。这些逻辑门是数字电路设计的基础，它们能够将输入信号转换成所需的输出信号。逻辑代数提供了分析和设计数字电路的理论工具，通过布尔代数公式可以简化复杂的逻辑表达式，从而设计出更高效的数字电路。

(2)组合逻辑电路由逻辑门组成，其输出仅取决于当前的输入信号。这类电路广泛应用于数字逻辑电路设计中，如编码器、译码器、算术逻辑单元（ALU）等。组合逻辑电路的设计通常遵循一定的设计规范，如最小项表达式、Karnaugh图等，以实现电路的优化和简化。时序逻辑电路则包含存储元件，其输出不仅与当前输入有关，还与电路的过去状态有关。这类电路如触发器、计数器、寄存器等，在数字系统中扮演着关键角色。

(3)可编程逻辑器件（FPGA）是现代数字电路设计的重要工具，它具有可编程性和可重构性，能够实现各种复杂的数字电路功能。FPGA内部包含大量的逻辑单元、存储器和时钟管理单元，通过配置这些单元，可以实现不同的逻辑功能。实验中，学生将学习如何使用FPGA进行电路设计和实现，了解其工作原理和配置方法。此外，实验还将涉及数字电路的时序分析，包括建立时间、保持时间、时钟周期等关键参数，这些参数对于保证电路的正常工作至关重要。

三、实验仪器与设备

(1)本实验所需仪器包括数字逻辑实验箱、数字电路仿真软件、可编程逻辑器件开发板（如FPGA开发板）以及相关工具。数字逻辑实验箱是进行实际电路搭建和测试的主要设备，内含各种逻辑门、触发器、计数器等基本数字电路元件。实验箱通常配备电源模块、信号发生器、示波器等辅助工具，用于提供稳定的工作环境和观察电路行为。

(2)数字电路仿真软件如Multisim、Proteus等，为学生提供了一个虚拟的实验环境，可以模拟实际电路的搭建和测试。通过这些软件，学生可以在计算机上设计和分析数字电路，无需实际操作硬件设备，节省了实验时间和成本。仿真软件能够生成电路的输入输出波形，提供电路性能的详细分析报告，有助于学生深入理解电路的工作原理。

(3)可编程逻辑器件开发板（如FPGA开发板）是实验中的关键设备，它允许学生将设计好的数字电路直接下载到FPGA芯片上，进行实际的硬件实现。开发板通常配备有必要的开发工具，如集成开发环境（IDE）、编程语言编译器等，使得学生能够高效地完成电路设计和编程。此外，实验中还可能需要使用电源供应器、信号源、万用表等辅助设备，以确保实验的顺利进行和结果的准确性。

四、实验内容与步骤

(1)实验内容首先包括组合逻辑电路的设计与验证。学生需设计一个4位二进制加法器，输入为两个4位二进制数，输出为它们的和。在实验中，学生需要使用逻辑门搭建加法器，并通过逻辑代数简化电路。实验过程中，将使用示波器观察输入输出波形，确保电路的正确性。例如，当输入为0101和1010时，预期输出应为1111，通过示波器验证，实际输出应与预期相符。

(2)第二部分是时序逻辑电路的设计与测试。学生需设计一个简单的4位二进制计数器，使用触发器构建。计数器从0000开始计数，至1111结束，然后重置为0000。实验中，需要设置计数器的时钟频率