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四位密码锁数字电路课程设计三篇

教案一：数字密码锁基础设计与门电路实现

课题名称

四位密码锁的门电路设计与Verilog基础实现

一、教学目标

知识与技能目标

掌握组合逻辑电路设计方法（真值表→逻辑表达式→门电路）

理解密码锁的基本工作原理（输入比较→状态输出）

学会使用VerilogHDL描述简单的数字电路

过程与方法目标

通过需求分析→逻辑设计→硬件实现的流程，培养数字电路设计思维

运用Multisim进行门电路仿真验证

职业素养目标

培养严谨的电路设计习惯与问题排查能力

理解数字电路在嵌入式系统中的基础作用

二、教学重点与难点

重点：密码锁的比较电路设计与Verilog模块编写

难点：多输入逻辑表达式的简化与状态机思想的引入

关键点：通过门电路组合突破密码比较逻辑理解瓶颈

三、教学方法

案例分析法、任务驱动法、仿真实验法

四、教学过程

（一）生活案例导入（10分钟）

密码锁应用展示

展示行李箱密码锁、电子门禁等实物图片，提问：这些密码锁如何实现输入验证？核心是哪种数字电路？

播放简易密码锁演示视频，观察输入四位数字后LED灯的状态变化

原理拆解

板书密码锁核心功能：输入4位二进制数→与预设值比较→输出开锁信号（1/0）

强调比较是核心逻辑，引出组合逻辑电路设计需求

（二）课本讲解：组合逻辑电路设计（20分钟）

原文内容（选自《数字电子技术基础》）

组合逻辑电路无记忆功能，输出仅由当前输入决定。设计步骤：①分析逻辑功能，②列真值表，③化简逻辑表达式，④绘制逻辑图。例如，两位密码比较器设计：当输入A=B时，输出Y=1，否则Y=0。

知识点解析：

真值表构建：四位密码输入（A3A2A1A0）与预设值（B3B2B1B0），输出Y=1仅当A=B

逻辑化简：利用异或门特性（A⊕B=1当且仅当A≠B），总表达式Y=?(A3⊕B3)∧?(A2⊕B2)∧?(A1⊕B1)∧?(A0⊕B0)

门电路实现：4个异或门+1个四输入与门

Verilog基础

对比硬件电路与HDL描述，展示代码框架：

modulepassword_lock(

input[3:0]key_in,//输入密码

input[3:0]key_preset,//预设密码

outputregunlock//开锁信号

);

always@(*)begin

unlock=(key_in==key_preset)?1b1:1b0;

end

endmodule

（三）分组建模实践（60分钟）

任务发布

分组完成固定密码锁设计（预设密码1010），要求：

输入：4个拨动开关（模拟四位二进制输入）

输出：LED灯（绿色开锁，红色错误）

工具：Multisim仿真+Verilog代码编写

分步实施

逻辑设计组（20分钟）：绘制真值表，推导逻辑表达式，设计门电路原理图（异或门+与门组合）

代码实现组（20分钟）：编写Verilog模块，添加输入输出接口，测试预设密码匹配逻辑

仿真验证组（20分钟）：在Multisim中搭建电路，输入不同密码测试输出，对比代码仿真结果

成果展示

各组演示门电路连接图与Verilog仿真波形，重点讲解密码比较逻辑的实现差异

（四）互动交流：设计问题会诊（15分钟）

问题1：若输入密码为十进制0-9，如何转换为四位二进制处理？（预留5分钟讨论）

参考答案：①增加编码器模块，将十进制按键输入转为4位二进制②预设密码同步存储为二进制（如密码5对应0101）

问题2：门电路实现与Verilog描述的核心区别是什么？（预留5分钟讨论）

参考答案：①门电路是硬件实体连接，Verilog是硬件行为描述②Verilog可通过参数化设计轻松修改预设密码，硬件电路需重新连线

五、教材分析

本课参考《数字电子技术基础》组合逻辑电路章节，教材详细讲解了真值表化简与门电路实现，但缺乏实际项目应用案例。教学时需补充密码锁这一典型应用，通过Multisim仿真将抽象逻辑转化为可视化电路，帮助学生理解组合逻辑在实际问题中的应用，突破多输入逻辑表达式化简的难点。

六、作业设计

基础作业：

绘制四位密码锁的门电路原理图（使用异或门和与非门）

编写Verilog代码实现预设密码可修改功能（增加模式切换开关）

拓展作业：分析当密码长度增加到六位时，门电路数量与Verilog代码的变化趋势，撰写对比报告

七、结语

今天我们通过门电路和Verilog实现了密码锁的基础功能，理解了组合逻辑电路的设计流程。密码锁的核