【上海大学数字逻辑实验报告】二、组合电路（一）

一、 实验目的

1. 熟悉TTL异或门构成逻辑电路的基本方式；
2. 熟悉组合电路的分析方法，测试组合逻辑电路的功能；
3. 掌握构造半加器和全加器的逻辑测试；
4. 学习使用可编程逻辑器件的开发工具 Quartus II设计电路。

二、 实验原理

1. 异或门是数字逻辑中实现逻辑异或的逻辑门，其功能是若两个输入的电平相异，则输出高电平；若输入的两个电平相同，则输出为低电平。
2. TTL异或门的输入输出电压关系：

输入	输出
A	B	Y
0V	0V	0V
0V	5V	5V
5V	0V	5V
5V	5V	0V

3. 半加器是对两个一位二进制数进行相加，产生“和”与“进位”。其逻辑表达式为：
   
   根据半加器的逻辑表达式可知，半加器可用一个异或门和两个与非门组成。
4. 全加器是将两个一位二进制数及来自低位的进位进行相加，产生“和”与“进位”。其逻辑表达式为：
   
   根据全加器的逻辑表达式可知，全加器可用两个异或门和三个与非门组成。

三、实验内容

实验任务一：异或门逻辑功能测试

(1) 实验步骤

1. 将74LS86的输入引脚1A连接到K1，1B连接到K2，输出引脚连接到数码管LED6，接电接地后的示意图如下所示：

2. 拨动开关，观察数码管的变化，填入异或门的输入与输出状态记录表。

(2) 实验现象

1. 当两个输入引脚的电平相同时，异或门的输出为逻辑低电平（0）。
2. 当两个输入引脚的电平不同时，异或门的输出为逻辑高电平（1）。

(3) 数据记录、分析与处理

异或门的输入输出状态记录表

输入A	输入B	输出Y
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

(4) 实验结论

异或门的输出只有在两个输入的电平不同时才输出高电平，否则输出低电平。

实验任务二：使用分立元件的异或门和与非门分别构成半加器和全加器，并进行测试

(1) 实验步骤

a) 构成半加器

1. 将K3、K4分别对应连接到74LS86和74LS00的输入引脚1B、1A；
2. 将74LS00的输出引脚1Y同时连接到74LS00的输入引脚2A、2B，而后将74LS00的输出引脚2Y连接到LED6；
3. 将74LS86的输出引脚1Y连接LED5。
4. 接地接电后的示意图如下所示：

5. 拨动开关，观察数码管的变化，填入半加器的输入与输出状态记录表。

b) 构成全加器

1. 将K2、K3、K4分别对应连接到74LS86和74LS00的输入引脚2B、1B、1A
2. 将74LS00的输出引脚1Y、2Y、4Y分别连接到74LS00的输入引脚4B、4A、LED5；
3. 将74LS86的输出引脚1Y连接到74LS00的输入引脚2A同时连接到74LS86的输入引脚2A，而后将74LS86的输出引脚2Y连接到LED6。
4. 接地接电后的示意图如下所示：

5. 拨动开关，观察数码管的变化，填入一位全加器的输入与输出状态记录表。

(2) 实验现象

a) 半加器

1. 当输入K3、K4都为逻辑低电平（0）时，LED5和LED6都不亮；
2. 当输入K3、K4有一个为逻辑高电平（1）时，LED5会亮而LED6不亮；
3. 当输入K3、K4都为逻辑高电平（1）时，LED5和LED6都亮。

b) 全加器

1. 当输入K2为逻辑低电平（0），拨动K3、K4开关，发现LED5和LED6的亮灭情况和半加器一致；
2. 当输入K2为逻辑高电平（1）时，拨动K3、K4开关，发现当K3、K4都为逻辑低电平（0）时，发现LED6会亮而LED5不亮；当K3、K4逻辑电平相反时，发现LED6不亮而LED5会亮；当K3、K4都为逻辑高电平（1）时，发现LED6和LED5都会亮。

(3) 数据记录、分析与处理

半加器的输入输出状态记录表：

输入	输出
K4	K3	LED6	LED5
0	0	0	0
0	1	0	1
1	0	0	1
1	1	1	0

全加器的输入输出状态记录表：

输入	输出
K2	K3	K4	LED6	LED5
0	0	0	0	0
0	0	1	1	0
0	1	0	1	0
0	1	1	0	1
1	0	0	1	0
1	0	1	0	1
1	1	0	0	1
1	1	1	1	1

(4) 实验结论

a) 半加器可实现两个一位二进制数相加，输出一个结果位和进位。

b) 一位全加器可以处理低位进位，并输出本位加法进位。

实验任务三：使用Quartus II设计二位全加器

(1) 实验步骤

1. 用Quartus II设计出如下电路：

2. 编译通过后进行波形仿真，验证二位全加器逻辑功能：

3. 仿真通过后，参照原理图定义引脚。
4. 生成编程并将文件下载到FPGA。
5. 用开关和发光二极管测试FPGA的功能。
6. 记录测试结果。

(1) 数据记录、分析与处理

二位全机器的输入输出状态记录表

A1	A0	B1	B0	C	S0	S1
0	0	0	0	0	0	0
0	0	0	1	0	0	1
0	0	1	0	0	0	1
0	0	1	1	1	0	0
0	1	0	0	0	1	0
0	1	0	1	0	1	1
0	1	1	0	0	1	1
0	1	1	1	1	1	0
1	0	0	0	0	1	0
1	0	0	1	0	1	1
1	0	1	0	0	1	1
1	0	1	1	1	1	0
1	1	0	0	0	0	1
1	1	0	1	1	0	0
1	1	1	0	1	0	0
1	1	1	1	1	0	1

(2) 实验结论

通过使用Quartus II设计工具，我们成功地设计并测试了一个二位全加器电路。该电路的功能包括正确计算两个二位二进制数的和，并产生相应的进位信号。实验结果表明，电路在各种输入条件下都表现出良好的性能，符合预期行为。

四、建议和体会

1. 在进行实验时，应先确认74LS00、74LS86的功能完好，而后仔细检查芯片的引脚连接，确保连接正确，以避免电路故障。
2. 实验中要确保安全，特别是在使用电源和连接线时，避免短路和电击风险。
3. 这个实验有助于加深对异或门和电路设计的理解，同时也提供了一个实际的编程和模拟测试经验。为了更好地理解电路的运作，我们可以尝试设计更复杂的电路或改进现有的设计。