基于MATLAB的组合逻辑电路设计和仿真.doc

目录摘 要21 绪 论42 设计内容及要求42.1设计的目的及主要任务. 4 2.1.1 设计目的.42.1.2 设计任务及要求.42.2 设计思想.43 Simulink简介44 组合逻辑电路的原理及其功能54.1 8线3线编码器.54.2 3线8线译码器.64.3 4线16线译码器.64.4 七段数码管显示译码器.64.5 数据选择器.85 基于MATLAB的组合逻辑电路设计与仿真85.1 8线3线编码器的设计与仿真.85.2 3线8线译码器的设计与仿真.105.3 数据选择器的设计与仿真.125.4 系统封装及4线16线译码器的仿真.145.4.1 3线8线译码器的封装.145.4.2 4线16线译码器的设计与仿真.145.5 七段数码管译码器的设计及仿真.166 心得体会19参考文献20摘要MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。MATLAB在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。Simulink是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包。通过本次独立进行某些电路的设计、仿真，对于巩固所学的MATLAB技术理论知识，加强基本技能的训练都具有十分明显的积极作用。本文主要介绍部分编码器和译码器电路的设计与仿真，它是以或非门为基础构成的组合逻辑电路，本文主要介绍了它们的电路功能及其电路的工作原理，并用MATLAB软件的Simulink工具箱进行电路的设计与仿真。关键字：译码器，编码器，MATLAB,SimulinkAbstractMATLAB, and Mathematica, Maple, and known as the three major mathematical software. It is the application of technology in mathematics classes in numerical computing software, second to none. Simulink is an extension of MATLAB software, which is the realization of dynamic system modeling and simulation of a package. Through this independence of certain circuit design, simulation, MATLAB for consolidating what they have learned the technical theory of knowledge, to strengthen basic skills training have a very clear positive effects. This paper describes part of the encoder and decoder circuit design and simulation, it is composed of NOR gate-based combinational logic circuits, this paper describes the circuit functions and their working principle of the circuit, and use MATLAB software for Simulink Toolbox circuit design and simulation. Keywords: decoder, encoder, MATLAB, Simulink1绪论本设计利用MATLAB及Simulink仿真软件强大的图形处理功能，符号运算功能和数值计算功能，实现常见的组合逻辑电路如编码器、译码器、数据选择器等逻辑电路的设计及仿真。本设计通过Simulink仿真软件使用常见的与、或、非等基本逻辑单元，延时信号、时钟信号等信号源和示波器完成以上各种逻辑电路的设计和仿真，在给定输入信号的情况下完成并验证各基本组合逻辑电路的功能。2 设计内容及要求2.1设计的目的及主要任务2.1.1设计目的（1）在认识MATLAB语言的基础上进一步掌握和精通MATLAB；（2）利用MATLAB强大的程序设计和仿真分析功能完成常见的组合逻辑电路的设计及仿真。 2.1.2 设计任务及要求深入研究和掌握数字电路中组合电路的理论知识，并根据已知条件利用MATLAB的强大的图形处理功能，符号运算功能和数值计算功能，实现以下组合逻辑电路的设计和仿真：（1）以编码器和译码器为例仿真下列波形：编码器输入输出波形（8线3线）；译码器输入输出波形（3线8线）；数据选择器输入输出波形（四选一数据选择器）；（2）以译码器的级联为例实现系统的封装并仿真下列波形： 译码器的输入输出波形（4线16线）； （3）以七段数码管为例子完成数码管的图形输出显示。2.2设计思想本设计以Simulink仿真系统中的基本逻辑元件、时钟信号和示波器为核心进行编码器、译码器、数据选择器及七段数码管的输入输出波形的设计和仿真，并且通过3线8线译码器的元件封装和级联完成4线16线译码器输入输出波形的设计和仿真。3 Simulinc简介Simulink是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。所谓模型化图形输入是指Simulink提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。4 组合逻辑电路原理及其功能 根据逻辑功能的不同,数字电路分为两大类:一类是组合逻辑电路,另一类是时序逻辑电路。在组合电路中,任意时刻的输出仅取决于该时刻的输入，与电路的原始状态无关。常见的组合逻辑电路有数据选择器、编码器、译码器、数据分配器、数据比较器等典型的中规模组合逻辑器件。组合逻辑电路的结构具有以下特点：输出输入之间没有反馈延迟通路；电路中不含有记忆功能的元件。编码和译码在数字技术中是一种常用的方法，通过编码和译码可解决家电、工业和工程上的许多问题。4.1 8线3线编码器 以8线3线优先编码器为例，其逻辑功能真值表如表4-1所示，表4-1 8线3线优先编码器真值表输入输出EIA7A6A5A4A3A2A1A0B2B1B00××××××××00010000000000011×××××××111101××××××1101001×××××10110001××××100100001×××0111000001××01010000001×001100000001000 从功能表中可以看出，该编码器有8个信号输入端，3个二进制输出端，输入和输出均以高电平作为有效电平，而且输入优先级别的次序依次为A7,A6,A5,A4,A3,A2,A1,A0。此外为方便多个芯片连接起来扩展电路的功能，还设置了高电平有效地输入使能端EI。4.2 3线8线译码器 74HC138是3线8线译码器，其功能表如表4-2所示：表4-2 3线8线译码器真值表输入输出EIA2A1A0B7B6B5B4B3B2B1B00×××1111111110001111111010011111110110101111011101111110111110011101111110111011111111010111111111101111111译码器有3个二进制输入端A2、A1、A0，它们共有8中状态的组合，即可译出8个输出信号B7B0，输出为低电平有效。当EI=1时，译码器工作；而当EI=0时，禁止译码器工作。4.3 4线16线译码器利用两片3线8线译码器和一个反相器可以构成4线16线译码器其真值表如表4-3所示：4.4 显示译码器发光二极管数码管是用发光二极管构成显示数码的笔划来显示数字，由于发二极管会发光，故LED数码管适用于各种场合。下面介绍一种常用的CMOS七段译码器，其真值表如表4-4所示。表4-3 4线16线译码器真值表输入输出A3A2A1A0B15B14B13B12B4B3B2B1B00000111111110000111111110100101111110110011111110111010011110111110111111111111100111011111110111011111111101011111111111011111111 表4-4 共阴极七段译码器真值表数值输入输出A3A2A1A0abcdefg000001111110100010110000200101101101300111111001401000110011501011011011601101011111701111110000810001111111910011111011A10101110111B10110011111C11001001110D11010111101E11101001111F11111000111从真值表中可以看到该七段译码器属于共阴极七段译码器，可以显示0F共16个16进制数。4.5 数据选择器4选1数据选择器为例进行分析，其真值表如表4-5所示：表4-5 4选1数据选择器功能表输入地址输出S1S0Y00I001I110I211I3当输入地址为00时，输出信号为I0；当输入地址为01时，输出信号为I1；当输入地址为10时，输出信号为I2；当输入地址为11时，输出信号为I3。5 基于MATLAB的组合逻辑电路设计与仿真5.1 8线3线编码器的设计及仿真 进入Simulink仿真界面后，按照8线3线编码器的逻辑表达式逐一拖入所需的原件并进行连接如图5-2所示：图5-2 8线3线编码器原理图设置好输入时钟脉冲后，点击进行仿真，然后分别点击查看输入输出信号的示波器查看波形，如图5-3和图5-4所示，根据以下波形可以看出所设计的8线3线编码器，在给不同输入的情况下均可得到相应的正确的输出，即该设计符合设计要求。图5-3 8线3线编码器输出波形图5-4 8线3线编码器输入波形5.2 3线8线译码器的设计及仿真 进入Simulink仿真界面后，按照3线8线译码器的逻辑表达式逐一拖入所需的原件并进行连接如图5-6所示：图5-6 3线8线译码器原理图设置好输入时钟脉冲后，点击进行仿真，然后分别点击查看输入输出信号的示波器查看波形，如图5-7和图5-8所示，图5-7 3线8线译码器输入波形图5-8 3线8线译码器输出波形根据以上波形可以看出所设计的3线8线译码器，在给不同输入的情况下均可得到相应的正确的输出，即该设计符合设计要求。5.3 数据选择器的设计及仿真进入Simulink仿真界面后，按照4选1数据选择器的逻辑表达式逐一拖入所需的原件并进行连接如图5-10所示：图5-10 4选1数据选择器原理图设置好输入时钟脉冲后，点击进行仿真，然后分别点击查看输入输出信号的示波器查看波形，如图5-11所示，其中信号I0为周期是0.25的脉冲信号，信号I1是高电平信号，信号I2为周期是1的脉冲信号，信号I3是低电平信号。根据以下波形可以看出所设计的4选1数据选择器，在给不同输入的情况下均可得到相应的正确的输出，即该设计符合设计要求。图5-11 4选1数据选择器输入输出波形5.4 系统封装及4线16线译码器的仿真5.4.1 3线8线译码器的封装 在设计完3线8线译码器后为了完成4线16线的设计，需要对其进行封装，封装后的子系统如图5-16所示。图5-16 封装后的3-8译码器5.4.2 4线16线译码器的设计与仿真 4线16线译码器可以用2片3线8线译码器和一个反相器级联而成，其原理图如图5-17所示，图5-17 4线16线级联原理图设置好输入时钟脉冲后，点击进行仿真，然后分别点击查看输入输出信号的示波器查看波形，如图5-18、图5-19和图5-20所示，根据以下波形可以看出所设计的4线16线译码器，在给不同输入的情况下均可得到相应的正确的输出，即该设计符合设计要求。图5-18 4线16线译码器输入波形 图5-19 低8位输出波形 图5-20 高8位输出波形5.5 七段数码管译码器的设计及仿真图5-22 七段数码管原理图进入Simulink仿真界面后，按照七段数码管的逻辑表达式逐一拖入所需的原件并进行连接如图5-22所示，设置好输入时钟脉冲后，点击进行仿真，然后分别点击查看输入输出信号的示波器查看波形，如图5-23和图5-24所示，根据以下波形可以看出所设计的七段数码管，在给不同输入的情况下均可得到相应的正确的输出，即该设计符合设计要求。图5-23 七段数码管输入波形图5-24 七段数码管输出波形6 总结与心得体会通过这次课设，我认识到了MATLAB功能非常的强大，使得我们在使用的时候用户直接调用这些库函数并赋予实际参数就能解决实际问题，具有极高的变成效率。我也熟悉了MATLAB的工作环境，可以很熟练的对MATLAB进行常规的操作，快速进行程序编辑和仿真。本文次课设通过一个设计实例，利用MATLAB实现组合逻辑电路的设计与仿真，从仿真结果可以看出它们均可以达到技术指标要求，而且方法简单、快捷，大大减轻了工作量。我对本次设计的结果还比较满意，经过一周的设计、分析，终于圆满的完成此次课程设计。虽然在这个过程中也遇到一些困难，但通过与同学的交流和自己查资料，我对MATLAB有了更深的体会。通过本次设计我感觉到自己对MATLAB的Simulink仿真不是很熟悉，在用到所需元件时都要进行查阅，在今后要进一步增加自己的MATLAB学习，提高自己MATLAB汇编技能。在本次设计中主要是应用各种基本组合逻辑器件的真值表化简出对应的逻辑表达式，然后根据这些逻辑表达式在Simulink环境下画出对应的原理图，设定了初始信号之后就可以得到相应的输出波形。在完成所有的设计后，由于本设计所需的逻辑单元种类单一，因此感觉本次设计并没有想象中的那么难，但是对于Simulink中的其他函数并不是十分了解，在以后的学习中需要加强其他方面的学习和应用。本次设计需要我们熟悉MATLAB的一些函数的基本功能以及它们的基本语句。当然，经过了课程设计，我也发现了自己的很多不足。但是通过自己的动手动脑，既增加了知识，又给了我专业知识以及专业技能上的提升，我也会更加努力，认真学习，争取在以后的课程中做得更好！参考文献1 张志涌. 精通MATLAB6.5版(第一版) .北京：北京航空航天大学出版社，2003.03.2 蒙以正. MATLAB5.X应用与技巧. 北京：科学出版社，1999. 3 阮沈勇,王永利. MATLAB程序设计. 北京：电子工业出版社，2004.01.4 陈怀琛. MATLAB及在电子信息课程中的应用. 北京：电子工业出版社, 2003.07.5 黄忠霖,黄京著. MATLAB符号运算及其应用. 北京：国防工业出版社，2004.01. 6康华光.电子技术基础数字部分（第五版）.高等教育出版社,2005.7.