情境六 24鍵電子琴的制作與調(diào)試

情境6

24鍵電子琴的制作與調(diào)試

項(xiàng)目描述

通過(guò)“24鍵電子琴的制作與調(diào)試”來(lái)介紹數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)。通過(guò)鍵盤編碼控制器的制作與調(diào)試，鍵盤譯碼、顯示控制電路的制作與調(diào)試，時(shí)鐘發(fā)生器的制作與調(diào)試，數(shù)字分頻電路的制作與調(diào)試，預(yù)置數(shù)存儲(chǔ)電路的制作與調(diào)試，D/A轉(zhuǎn)換和音頻輸出電路的制作與調(diào)試6個(gè)單元任務(wù)來(lái)體現(xiàn)。

學(xué)習(xí)目標(biāo)

一、知識(shí)目標(biāo)1.掌握基本邏輯運(yùn)算及常用邏輯門電路。2.掌握組合邏輯電路的分析方法。3.了解編碼器的概念。4.掌握常用編碼器的應(yīng)用。二、技能目標(biāo)能夠獨(dú)立對(duì)部分電路進(jìn)行安裝、調(diào)試、檢測(cè)，并分析、解決調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問題。知識(shí)準(zhǔn)備（理論部分的教學(xué)）任務(wù)6.1

鍵盤編碼器的制作與調(diào)試讓電子琴發(fā)聲，首先要把每個(gè)按鍵的動(dòng)作信息通過(guò)編碼電路轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。然后把每個(gè)帶有特定信息的電信號(hào)變成不同的二進(jìn)制代碼加以區(qū)分，接著再送入到后續(xù)電路中傳送并處理。本任務(wù)學(xué)習(xí)知識(shí)的重點(diǎn)是掌握編碼器電路的應(yīng)用。6.1.1數(shù)制與碼制一、數(shù)字電路與模擬電路1.數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)在時(shí)間上和幅度上連續(xù)變化的信號(hào)是模擬信號(hào)，傳輸、加工和處理模擬信號(hào)的電路就是模擬電路。已經(jīng)學(xué)完的放大器、正弦波振蕩器是典型的模擬電路。在時(shí)間上和幅度上不連續(xù)變化的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，傳輸、加工和處理數(shù)字信號(hào)的電路就是數(shù)字電路。2.數(shù)字電路的優(yōu)點(diǎn)1）工作可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。2）易于處理、易于存儲(chǔ)。3）容易加密，保密性好。4）便于高度集成化。5）數(shù)字集成電路產(chǎn)品系列多，通用型強(qiáng)，成本低。二、常用數(shù)制表示數(shù)的符號(hào)稱為數(shù)碼，多位數(shù)碼中每一位的構(gòu)成方法以及從低位到高位的進(jìn)位規(guī)則稱為數(shù)制。數(shù)制是一種計(jì)數(shù)方法，是計(jì)數(shù)進(jìn)位制的簡(jiǎn)稱。在數(shù)字電路中，常用的數(shù)字進(jìn)位制有十進(jìn)制、二進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制。1.十進(jìn)制10個(gè)數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。計(jì)數(shù)規(guī)則：基數(shù)為10，位權(quán)為10的冪。滿10進(jìn)1，借1當(dāng)10。例：2.二進(jìn)制2個(gè)數(shù)碼：0、1。計(jì)數(shù)規(guī)則：基數(shù)為2，位權(quán)為2的冪。滿2進(jìn)1，借1當(dāng)2。例：3.八進(jìn)制8個(gè)數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7。計(jì)數(shù)規(guī)則：基數(shù)為8，位權(quán)為8的冪。滿8進(jìn)1，借1當(dāng)8。例：4.十六進(jìn)制十六個(gè)數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。計(jì)數(shù)規(guī)則：基數(shù)為16，位權(quán)為16的冪。滿16進(jìn)1，借1當(dāng)16。例：各計(jì)數(shù)制之間可以相互轉(zhuǎn)換。以上已經(jīng)展示了二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的例子，稱為“按權(quán)展開求和”法。把十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為其他進(jìn)位制的方法，整數(shù)部分常用“除基取余倒”法。二進(jìn)制與八進(jìn)制，二進(jìn)制與十六進(jìn)制之間還有較簡(jiǎn)單的特殊方法。三、常用碼制數(shù)碼也稱為代碼，編制代碼的規(guī)則就是碼制。在數(shù)字系統(tǒng)中，二進(jìn)制碼不僅可以表示數(shù)值的大小，而且還常用來(lái)表示特定的信息。將若干個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼按一定的規(guī)則排列起來(lái)表示某種特定含義的代碼，稱為二進(jìn)制編碼。將“0～9”這十個(gè)十進(jìn)制數(shù)字用一組二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示的代碼，稱為二-十進(jìn)制編碼，又稱BCD碼。（B—二進(jìn)制，D—十進(jìn)制）（1）8421BCD碼。一種應(yīng)用非常廣泛的碼。這種代碼每位的權(quán)值是固定不變的，為恒權(quán)碼，從高位到低位的權(quán)值分別為8、4、2、1，每組代碼各位加權(quán)系數(shù)的和為其表示的十進(jìn)制數(shù)。（2）2421BCD碼和5421BCD碼。它們也是恒權(quán)碼，從高位到低位的權(quán)值分別為2、4、2、1和5、4、2、1，用4位二進(jìn)制數(shù)表示1位十進(jìn)制數(shù)，每組代碼各位加權(quán)系數(shù)的和為其表示的十進(jìn)制數(shù)。（3）余3碼。余3碼沒有固定的權(quán)值，為無(wú)權(quán)碼。它是由8421BCD碼加3（0011）形成的，故稱為余3碼，也是用4位二進(jìn)制數(shù)表示1位十進(jìn)制數(shù)。（4）格雷碼。格雷碼也是無(wú)權(quán)碼。每一位的狀態(tài)變化都按一定的順序循環(huán)，相鄰代碼只有一位數(shù)碼改變狀態(tài)，而且0和9兩組代碼之間，也只有一位代碼不同。十進(jìn)制數(shù)有權(quán)碼無(wú)權(quán)碼8421碼5421碼2421A碼2421B碼余3碼

格雷碼0123456789常用二-十進(jìn)制編碼6.1.2邏輯代數(shù)概述邏輯代數(shù)又叫布爾代數(shù)，是描述客觀事物邏輯關(guān)系的數(shù)學(xué)方法，是進(jìn)行邏輯分析與綜合的數(shù)學(xué)工具。邏輯代數(shù)與普通代數(shù)一樣都用字母表示變量，但與普通代數(shù)不同的是，①邏輯函數(shù)表達(dá)式中邏輯變量的取值及邏輯函數(shù)值都只有兩個(gè)數(shù)值：0和1；②這兩個(gè)值不具有數(shù)量大小的意義，僅表示客觀事物兩種相對(duì)（或相反）的狀態(tài)；再③邏輯代數(shù)有自身獨(dú)立的規(guī)律和運(yùn)算法則，不同于普通代數(shù)。用0和1表示兩種相對(duì)（或者相反）的狀態(tài)用正邏輯和負(fù)邏輯兩種相對(duì)的方法。與常人思維習(xí)慣相同的邏輯表示方法為正邏輯，反之則為負(fù)邏輯。如二極管的導(dǎo)通與截止、電位的高與低，分別用“1”、“0”表示的是正邏輯，分別用“0”、“1”表示的是負(fù)邏輯。6.1.3基本邏輯函數(shù)及表示方法一、基本邏輯函數(shù)及運(yùn)算基本的邏輯關(guān)系有與邏輯、或邏輯、非邏輯三種，與之對(duì)應(yīng)的邏輯運(yùn)算為與運(yùn)算、或運(yùn)算、非運(yùn)算。1.與邏輯與邏輯是指“決定某一事件的所有條件都具備時(shí)，該事件才會(huì)發(fā)生”的一種邏輯關(guān)系。與之對(duì)應(yīng)的是“用多只開關(guān)串聯(lián)控制一盞燈亮滅”的開關(guān)電路。表示與邏輯關(guān)系的方法有真值表、波形圖、表達(dá)式（邏輯函數(shù)）、邏輯電路圖（符號(hào)）等多種方法。上述用兩只串聯(lián)開關(guān)控制一盞燈亮滅電路的邏輯表示如下：ABEY（1）真值表（2）波形圖輸入變量輸出變量ABY000110110001

（a）輸入A波形；(b)輸入B波形；(c)輸出Y波形有0出0全1才1（3）表達(dá)式（邏輯函數(shù)）Y=AxB=AB

稱為邏輯乘。（4）邏輯電路圖（符號(hào)）A＆BY與邏輯符號(hào)2.或邏輯或邏輯是指“決定某一事件的所有條件中，只要有一個(gè)具備，該事件就會(huì)發(fā)生”的一種邏輯關(guān)系。與之對(duì)應(yīng)的是“用多只開關(guān)并聯(lián)控制一盞燈亮滅”的開關(guān)電路。ABE并聯(lián)開關(guān)電路Y（1）真值表（2）波形圖輸入變量輸出變量

ABY000110110111(a)輸入A波形；(b)輸入B波形；(c)輸出Y波形（圖中B第一個(gè)由低跳高時(shí)對(duì)應(yīng)的Y出錯(cuò)?。┯?出1全0才0（3）表達(dá)式（邏輯函數(shù)）Y=A+B

邏輯加（4）邏輯電路圖（符號(hào)）A≥1BY或邏輯符號(hào)3.非邏輯非邏輯是指“當(dāng)某一條件具備了，該事件不會(huì)發(fā)生；而當(dāng)此條件不具備時(shí)，事件反而發(fā)生了”的一種邏輯關(guān)系。與之對(duì)應(yīng)的是“用一只開關(guān)與一盞燈從而控制燈亮滅”的開關(guān)電路。注意R存在的重要性EAYR（非）

（1）真值表（2）波形圖輸入變量輸出變量AY0110

非門輸入和輸出波形0出11出0（3）表達(dá)式（邏輯函數(shù)）即：求反。（4）邏輯電路圖（符號(hào)）A1Y“非”門圖形符號(hào)基本邏輯運(yùn)算中，非運(yùn)算優(yōu)先級(jí)別最高，其次是與運(yùn)算，或運(yùn)算最低。加括號(hào)可以改變運(yùn)算優(yōu)先順序。二、幾種導(dǎo)出的邏輯運(yùn)算（1）與非“與”&ABCY&ABC“與非”1Y“非”00010011101111011001011101011110ABYC“與非”邏輯真值表Y=ABC（2）或非Y=A+B+C1Y“非”“或”ABC>1“或非”YABC>100010010101011001000011001001110ABYC“或非”邏輯真值表（3）與或非（4）同或（5）異或Y=AB+CD6.1.4邏輯代數(shù)的公式和運(yùn)算法則邏輯代數(shù)的公式和運(yùn)算法則是分析、設(shè)計(jì)邏輯電路，化簡(jiǎn)和變換邏輯函數(shù)式的重要工具。一、基本公式1.邏輯常量運(yùn)算公式。邏輯常量只有兩個(gè)：0和1。對(duì)于常量間的與、或、非3種基本邏輯運(yùn)算的公式是最基本的公式。與運(yùn)算或運(yùn)算非運(yùn)算0?0=00?1=01?0=01?1=1

0+0=00+1=11+0=11+1=1邏輯常量運(yùn)算公式2.邏輯變量、常量運(yùn)算公式設(shè)A為邏輯變量邏輯常量與變量的運(yùn)算公式

0-1律重疊律互補(bǔ)律還原律

注意公式中的對(duì)偶關(guān)系二、邏輯代數(shù)的基本定律（1）交換律、結(jié)合律、分配律這是與普通代數(shù)相似的定律。

交換律

結(jié)合律

分配律

A+B=B+AA?B=B?AA+(B+C)=(A+B)+C=(A+C)+BA?(B?C)=(A?B)?CA(B+C)=A?B+A?CA+B?C=(A+B)(A+C)（2）吸收律可以利用上面的一些基本公式推導(dǎo)出來(lái)，是邏輯函數(shù)化簡(jiǎn)中常用的基本定律。

吸收律

推廣公式

A＋AB=AA(A＋B)=A

吸收律（3）摩根定律摩根定律又稱反演定律，有下面兩種形式兩種形式有對(duì)偶關(guān)系。摩根定律可以推廣到多個(gè)變量三、邏輯代數(shù)基本規(guī)則1.代入規(guī)則任何一個(gè)含有變量A的等式，如果將所有出現(xiàn)A的位置都用同一個(gè)邏輯代數(shù)代替，則等式仍然成立。這個(gè)規(guī)則稱為代入規(guī)則。例，已知等式，用函數(shù)Y=AC代替等式中的A，根據(jù)代入規(guī)則，等式仍然成立，即2.反演規(guī)則對(duì)于任何一個(gè)邏輯表達(dá)式Y(jié)，如果將表達(dá)式中的所有“·”換成“+”、“+”換成“·”、“0”換成“1”、“1”換成“0”、原變量換成反變量、反變量換成原變量，那么所得到的表達(dá)式就是函數(shù)Y的反函數(shù)（或補(bǔ)函數(shù)——其實(shí)可以把兩函數(shù)的關(guān)系看做是“對(duì)偶關(guān)系”）。這個(gè)規(guī)則稱為反演規(guī)則。其表達(dá)式如四、邏輯函數(shù)及其表示方法邏輯函數(shù)描述了某種邏輯關(guān)系，常采用真值表、邏輯函數(shù)式、卡諾圖和邏輯圖等表示。1.真值表將輸入邏輯變量的所有可能取值與相應(yīng)的輸出變量函數(shù)值排列在一起而組成的表格就是真值表。一個(gè)輸入變量有0和1兩個(gè)取值，那么n個(gè)輸入變量就有個(gè)不同的取值組合。例邏輯函數(shù)的真值表如下：這是一個(gè)三人表決電路的邏輯函數(shù)！2.邏輯函數(shù)式用“與”、“或”、“非”等基本邏輯運(yùn)算來(lái)表示輸出函數(shù)和輸入變量因果關(guān)系的邏輯表達(dá)式就是邏輯函數(shù)式，簡(jiǎn)稱邏輯式。

從真值表可轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)的與-或函數(shù)式，做法就是從真值表中找出函數(shù)值（即Y）為1的項(xiàng)，把對(duì)應(yīng)的輸入變量取值為1的用原變量代替，取值為0的用反變量代替，由此得到變量的與組合，然后將這些與項(xiàng)邏輯相加即得邏輯式。如對(duì)應(yīng)項(xiàng)為對(duì)應(yīng)項(xiàng)為3.邏輯圖由邏輯符號(hào)及相應(yīng)連線構(gòu)成的電路圖就是邏輯圖。邏輯函數(shù)式對(duì)應(yīng)的邏輯圖如下所示。&&11.BAY≥1.6.1.5邏輯函數(shù)式的化簡(jiǎn)法比較簡(jiǎn)單的表達(dá)式，不僅使運(yùn)算簡(jiǎn)化而且能使相應(yīng)的電路節(jié)省元件，降低成本，還能減少故障產(chǎn)生的幾率。因此，邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)在實(shí)踐上有主要意義。不同形式的邏輯函數(shù)有不同的最簡(jiǎn)形式，而這些邏輯表達(dá)式的繁簡(jiǎn)程度又相差很大，但大多可以根據(jù)最簡(jiǎn)與或式得到。最簡(jiǎn)與或式的標(biāo)準(zhǔn)是：（1）邏輯函數(shù)式中乘積項(xiàng)（與項(xiàng)）的個(gè)數(shù)最少。（2）每個(gè)乘積項(xiàng)中的變量最少。邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)方法一般采用邏輯函數(shù)代數(shù)（即公式）化簡(jiǎn)法和卡諾圖化簡(jiǎn)法。一、邏輯函數(shù)的代數(shù)化簡(jiǎn)法（1）并項(xiàng)法運(yùn)用，將兩項(xiàng)合并為一項(xiàng)，并消去一個(gè)變量。如（2）吸收法應(yīng)用吸收律和，消去多余項(xiàng)。如（3）消去法利用公式進(jìn)行化簡(jiǎn)，消去多余項(xiàng)。如（4）配項(xiàng)法

在不能直接運(yùn)用公式、定律化簡(jiǎn)時(shí)，在適當(dāng)?shù)捻?xiàng)上通過(guò)乘以或加進(jìn)行化簡(jiǎn)。二、用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)化簡(jiǎn)時(shí)依據(jù)的基本原理就是具有相鄰性的最小項(xiàng)可以合并，并消去不同的因子。它克服了代數(shù)化簡(jiǎn)法結(jié)果是否最簡(jiǎn)形式難以確定的缺點(diǎn)。1.最小項(xiàng)的定義及編號(hào)（1）最小項(xiàng)的定義N個(gè)變量有種組合，可對(duì)應(yīng)寫出個(gè)乘積項(xiàng)，這些乘積項(xiàng)均具有下列特點(diǎn)：①包括全部變量，②每個(gè)變量在該乘積項(xiàng)中（以原變量或反變量的形式）值出現(xiàn)一次。這樣的乘積項(xiàng)稱為這n個(gè)變量的最小項(xiàng)，也稱為n變量邏輯函數(shù)的最小項(xiàng)。如三變量A、B、C共有個(gè)最小項(xiàng)，、

、、、、、、。（2）最小項(xiàng)的編號(hào)為了書寫方便，用m表示最小項(xiàng)，其下標(biāo)為最小項(xiàng)的編碼。編號(hào)的方法是最小項(xiàng)的原變量取1，反變量取0，則最小項(xiàng)取值為一組二進(jìn)制數(shù)，其對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)便是該最小項(xiàng)的編號(hào)。三變量全體最小項(xiàng)的編號(hào)如下表所示。ABC對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)最小項(xiàng)最小項(xiàng)編號(hào)00000011010201131004101511061117

2.用卡諾圖表示邏輯函數(shù)式（1）相鄰最小項(xiàng)如果兩個(gè)最小項(xiàng)中只有一個(gè)變量互為反變量，其余變量均相同，稱為相鄰最小項(xiàng)，簡(jiǎn)稱相鄰項(xiàng)。相鄰最小項(xiàng)的重要特點(diǎn)是兩個(gè)相鄰最小項(xiàng)相加可合并為一項(xiàng)，消去互反變量，化簡(jiǎn)為相同變量相與。（2）卡諾圖將n個(gè)變量的個(gè)最小項(xiàng)用個(gè)小方格表示，并且使相鄰最小項(xiàng)在幾何位置上也相鄰且循環(huán)相鄰，這樣排列得到的方格圖稱為n變量最小項(xiàng)卡諾圖，簡(jiǎn)稱變量卡諾圖。如下圖所示的二變量、三變量、四變量卡諾圖。AB0101ABC01000111100001111000011011ABCDa二變量卡諾圖b三變量卡諾圖c四變量卡諾圖【例6-2】3.用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)（1）用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)的規(guī)則2個(gè)相鄰最小項(xiàng)有1個(gè)變量相異，相加可以消去這1個(gè)變量，化簡(jiǎn)結(jié)果為相同變量的與；4個(gè)相鄰最小項(xiàng)有2個(gè)變量相異，相加可以消去這2個(gè)變量，化簡(jiǎn)結(jié)果為相同變量的與；8個(gè)相鄰最小項(xiàng)有3個(gè)變量相異，相加可以消去這3個(gè)變量，化簡(jiǎn)結(jié)果為相同變量的與；……

個(gè)相鄰最小項(xiàng)有n個(gè)變量相異，相加可以消去這n個(gè)變量，化簡(jiǎn)結(jié)果為相同變量的與。（2）卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)的步驟1）畫函數(shù)卡諾圖。2）對(duì)填1的方格畫包圍圈。3）將各包圍圈分別化簡(jiǎn)。4）將各圈化簡(jiǎn)結(jié)果邏輯加。（3）畫圈規(guī)則包圍圈必須包含個(gè)相鄰方格，且必須成方形。先圈小再圈大，圈越大越好，圈越少越好。1個(gè)方格可以重復(fù)圈，但須每圈有1個(gè)新的；每個(gè)方格必須圈到，孤立項(xiàng)也不能掉?！纠?-3】4.具有無(wú)關(guān)項(xiàng)的邏輯函數(shù)及其化簡(jiǎn)（1）無(wú)關(guān)項(xiàng)的定義對(duì)應(yīng)于輸入變量的某些取值下，輸出函數(shù)的值可以是任意的（隨意項(xiàng)、任意項(xiàng)），或者這些輸入變量的取值根本不會(huì)（也不允許）出現(xiàn)（約束項(xiàng)），通常把這些輸入變量取值對(duì)應(yīng)的最小項(xiàng)稱為無(wú)關(guān)項(xiàng)或任意項(xiàng)，在卡諾圖中用符號(hào)“×”表示。如當(dāng)8421BCD碼作為輸入變量時(shí)，禁止碼1010~1111這六種狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的最小項(xiàng)就是無(wú)關(guān)項(xiàng)。（2）具有無(wú)關(guān)項(xiàng)的邏輯函數(shù)及其化簡(jiǎn)因?yàn)闊o(wú)關(guān)項(xiàng)的值可以根據(jù)需要取0獲取1，所以在用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)時(shí)充分利用無(wú)關(guān)項(xiàng)，可以使邏輯函數(shù)進(jìn)一步得到簡(jiǎn)化?！纠?-4】6.1.6組合邏輯電路根據(jù)邏輯功能的不同特點(diǎn)，可以把數(shù)字電路分成兩大類，一類稱為組合邏輯電路，另一類稱為時(shí)序邏輯電路。在組合邏輯電路中，任意時(shí)刻的輸出僅僅取決于該時(shí)刻的輸入，與電路原來(lái)的狀態(tài)無(wú)關(guān)。如下為組合邏輯電路的框圖。組合邏輯電路框圖X1XnX2Y2Y1Yn......組合邏輯電路輸入輸出一、組合邏輯電路的分析方法1.組合邏輯電路分析的任務(wù)2.組合邏輯電路的分析步驟1）根據(jù)給定的邏輯電路圖寫出邏輯函數(shù)式。2）對(duì)邏輯函數(shù)式化簡(jiǎn)，寫出最簡(jiǎn)邏輯函數(shù)式。3）列出邏輯函數(shù)的真值表。4）根據(jù)真值表分析電路的邏輯功能。已知邏輯電路確定邏輯功能3.組合邏輯電路分析舉例【例6-5】分析下圖電路的邏輯功能1）寫出函數(shù)式并化簡(jiǎn)AB..AB.A..ABBY1.AB&&&&YY3Y2..Y=Y2Y3=AABBAB...應(yīng)用邏輯代數(shù)化簡(jiǎn)Y=AABBAB...=AAB+BAB..=AB+AB反演律=A(A+B)+B(A+B)..反演律=AAB+BAB..(3)列出真值表ABY001100111001Y=AB+AB=AB邏輯式(4)分析邏輯功能輸入相同輸出為“0”，輸入相異輸出為“1”，稱為“異或”邏輯關(guān)系。這種