一、 实验目的
- 熟悉TTL异或门构成逻辑电路的基本方式；
- 熟悉组合电路的分析方法，测试组合逻辑电路的功能；
- 掌握构造半加器和全加器的逻辑测试；
- 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
- 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。
- 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 |
- 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。 - 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
- 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：
- 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
- 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）。
- 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
- 将K3、K4分别对应连接到74LS86和74LS00的输入引脚1B、1A；
- 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；
- 将74LS86的输出引脚1Y连接LED5。
- 接地接电后的示意图如下所示：
- 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
- 将K2、K3、K4分别对应连接到74LS86和74LS00的输入引脚2B、1B、1A
- 将74LS00的输出引脚1Y、2Y、4Y分别连接到74LS00的输入引脚4B、4A、LED5；
- 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。
- 接地接电后的示意图如下所示：
- 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
- 当输入K3、K4都为逻辑低电平（0）时，LED5和LED6都不亮；
- 当输入K3、K4有一个为逻辑高电平（1）时，LED5会亮而LED6不亮；
- 当输入K3、K4都为逻辑高电平（1）时，LED5和LED6都亮。
b) 全加器
- 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；
- 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
- 用Quartus II设计出如下电路：
- 编译通过后进行波形仿真，验证二位全加器逻辑功能：
- 仿真通过后，参照原理图定义引脚。
- 生成编程并将文件下载到FPGA。
- 用开关和发光二极管测试FPGA的功能。
- 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
- 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。
- 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。
- 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。
