課程設(shè)計（論文）基于MATLAB的時序邏輯電路設(shè)計與仿真

1、課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級：電子科學(xué)與技術(shù) 0602 班指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 基于matlab的時序邏輯電路設(shè)計與仿真 初始條件： matlab 軟件 微機要求完成的主要任務(wù): 深入研究和掌握數(shù)字電路中時序邏輯電路的理論知識。利用matlab強大的圖形處理功能、符號運算功能和數(shù)值計算功能，實現(xiàn)時序邏輯電路的設(shè)計和仿真。1、 以寄存器為例仿真下列波形：并行寄存器輸出波形（以基本rs觸發(fā)器構(gòu)造）；移位寄存器輸出波形（以d觸發(fā)器構(gòu)造）；2、 雙向移位寄存器為例實現(xiàn)子系統(tǒng)的設(shè)計和封裝并仿真下列波形：4位雙向移位寄存器并行輸出波形；4位雙向移位寄存器串行右移輸出波形；4

2、位雙向移位寄存器串行左移輸出波形；3、 以扭環(huán)計數(shù)器為例仿真下列波形：扭環(huán)計數(shù)器的輸出波形（以jk觸發(fā)器實現(xiàn)）； 4、運用matlab里的軟件仿真時序邏輯電路波形。時間安排：學(xué)習(xí)matlab語言的概況 第1天學(xué)習(xí)matlab語言的基本知識 第2、3天學(xué)習(xí)matlab語言的應(yīng)用環(huán)境，調(diào)試命令，繪圖能力 第4、5天課程設(shè)計 第6-9天答辯 第10天指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目 錄摘要 iiabstract 1 matlab軟件簡介 11.1 matlab簡介11.2 matlab的功能特點11.3 matlab常用工具箱22設(shè)計任務(wù)及要求 321設(shè)計任務(wù) 32

3、.2設(shè)計要求33設(shè)計原理及分析43.1并行寄存器的仿真43.2 移位寄存器的仿真63.3 雙向移位寄存器的仿真93.4 扭環(huán)計數(shù)器的仿真114總結(jié)14參考文獻 15摘要matlab是一種高性能、強大的數(shù)據(jù)處理軟件。它包含科學(xué)計算、圖像處理、仿真分析等各個方面，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。本次課程設(shè)計利用matlab中的m文件與simulink方式完成了對時序邏輯電路的設(shè)計與仿真，初步了解與掌握了這一技能。課程設(shè)計的主要內(nèi)容包括了基本rs觸發(fā)器、d觸發(fā)器、jk觸發(fā)器，還包括了由這些基本元件所構(gòu)成的并行輸出寄存器、移位寄存器和扭環(huán)計數(shù)器。關(guān)鍵詞：matlab 時序邏輯電路 simulink仿真abstractm

4、atlab is a high-performance language powerful data-processing software . it integrates computation, visualization, and simulation with widw application.the purpose of our training is to strengthen the use of matlab to achieve the handling of the .m files and simulink, including analyzing ,designing

5、and emulating the sequential logic circuit.its content contains rs trigger ,d trigger and jk trigger.besides that , shifter trigger and decimalist counter comprised by those components is important.key words：matlab sequential logic simulink1 matlab軟件簡介11 matlab簡介matlab是矩陣實驗室（matrix laboratory）的縮寫1，是

6、由美國的the mathworks公司推出的一種高級語言。其基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，早期也主要用于現(xiàn)代控制中復(fù)雜的矩陣、向量的各種運算。由于 matlab提供了強大的矩陣處理和繪圖功能，編寫了許多專門的工具包如控制系統(tǒng)工具包、系統(tǒng)辨識工具包、信號處理工具包、魯棒控制工具包、最優(yōu)化工具包等等，所以一直以來就是科學(xué)研究者首選的計算機數(shù)學(xué)語言。如今它已是一種包羅眾多學(xué)科的功能強大的技術(shù)計算語言。matlab以矩陣作為基本編程單元，它提供了各種矩陣的運算與操作，并有較強的繪圖功能。matlab集科學(xué)計算、圖像處理、聲音處理于一身，是一個高度的集成系統(tǒng)，有良好的用戶界面，并有良好的幫助功能。matlab不僅

7、流行于控制界，在機械工程、生物工程、語音處理、圖像處理、信號分析、計算機技術(shù)等各行各業(yè)中都有極廣泛的應(yīng)用。1.2 matlab的功能特點:按照功能優(yōu)勢來劃分，matalb主要有以下八大優(yōu)點： 友好的工作平臺和編程環(huán)境matlab由一系列圖形用戶界面和相應(yīng)的非常簡單易學(xué)的工具組成。這些工具包括matlab桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著matlab的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級，matlab的人機交互性更強，操作更簡單。 友好的工作平臺和編程環(huán)境matlab一個高級的距陣/陣列語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和

8、面向?qū)ο缶幊烫攸c。而且這種語言可移植性好、可拓展性極強，能夠深入到科學(xué)研究及工程計算各個領(lǐng)域的重要原因。 強大的科學(xué)計算數(shù)據(jù)處理能力matlab是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數(shù)學(xué)運算函數(shù)，可以方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而且經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯處理。 出色的圖形處理功能matlab自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和距陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對圖形進行標注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達式作圖。可用于科學(xué)計算和工程繪圖。 應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱matlab

9、對許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強大的模塊集和工具箱， 諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫接口、概率統(tǒng)計、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)設(shè)計、lmi控制、魯棒控制、模型預(yù)測、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計、實時快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點仿真、dsp與通訊、電力系統(tǒng)仿真等。 實用的程序接口和發(fā)布平臺matlab可以利用matlab編譯器和c/c+數(shù)學(xué)庫和圖形庫，將自己的matlab程序自動轉(zhuǎn)換為獨立于matlab運行的c和c+代碼。允許用戶編寫可以和matlab進行交互的c或c語言程序。另外，matlab網(wǎng)頁服務(wù)程序還容

10、許在web應(yīng)用中使用自己的matlab數(shù)學(xué)和圖形程序。 應(yīng)用軟件開發(fā)（包括用戶界面）在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強大的圖形標注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向excel和hdf5。1.3 matlab常用工具箱:l matlab main toolboxmatlab主工具箱l control system toolbox控制系統(tǒng)工具箱l communication toolbox通訊工具箱l higher-order spectral analysis toolbox高階譜分析工具

11、箱l image processing toolbox圖象處理工具箱l signal processing toolbox信號處理工具箱l symbolic math toolbox符號數(shù)學(xué)工具箱2 設(shè)計任務(wù)及要求21 設(shè)計任務(wù)：深入研究和掌握數(shù)字電路中時序邏輯電路的理論知識。利用matlab強大的圖形處理功能、符號運算功能和數(shù)值計算功能，實現(xiàn)時序邏輯電路的設(shè)計和仿真。22 設(shè)計要求：1、用matlab實現(xiàn)仿真寄存器波形：1) 以基本rs觸發(fā)器為基礎(chǔ)的并行寄存器；2) 以d觸發(fā)器為基礎(chǔ)的移位寄存器；2、用matlab實現(xiàn)子系統(tǒng)的設(shè)計和封裝：1) 4位雙向移位寄存器并行輸出波形；2) 4位雙向移

12、位寄存器串行右移輸出波形；3) 4位雙向移位寄存器串行左移輸出波形；3、用matlab實現(xiàn)時序電路的設(shè)計：以jk觸發(fā)器為基礎(chǔ)仿真扭環(huán)計數(shù)器的波形。3設(shè)計原理及分析3.1 并行寄存器的仿真3.1.1 基本rs觸發(fā)器的原理 在時序邏輯電路中的一種重要的邏輯單元rs觸發(fā)器的內(nèi)部原理圖及真值表如下所示2： 表1 rs觸發(fā)器真值表 srq觸發(fā)狀態(tài)00不變不變保持010101010111不確定 圖1 rs觸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 3.1.2 基本rs觸發(fā)器構(gòu)成d鎖存器 在時序邏輯電路中的可由rs觸發(fā)器與邏輯門構(gòu)成d鎖存器,d鎖存器的內(nèi)部原理圖及真值表如下所示3：圖2 d觸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)表2 d觸發(fā)器的真值表endq功

13、能0 不變不變保持1001置01110置13.1.3 4位并行寄存器的matlab圖形與真值表4位并行寄存器可以由4個寄存器同時在使能信號en的作用下并行置數(shù),進行刷新狀態(tài),相應(yīng)的matlab的連線圖及真值表如下所示:圖3 4位并行寄存器結(jié)構(gòu)表3 4位并行寄存器的功能表工作模式end內(nèi)部寄存器狀態(tài)q使能和讀鎖存器10 001111鎖存和讀鎖存器0 000 113.1.4 4位并行寄存器的仿真波形 如下圖所示,第一個波形為使能輸入端,周期為2,占空比為60%的方波;第二個波形為周期為1.5,占空比為50%的數(shù)據(jù)輸入端。此處的四位數(shù)據(jù)輸出端可設(shè)定為同一波形，如下面第三個波形所示。 圖4 4位并行寄

14、存器的仿真波形3.2 移位寄存器的仿真 3.2.1 d觸發(fā)器的原理 觸發(fā)器的邏輯功能可以用邏輯表達式來描述，稱之為觸發(fā)器的特性方程。d觸發(fā)器的特性方程為4 （1）以觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)和輸入信號為變量,以次態(tài)為函數(shù),描述之間的邏輯關(guān)系的真值表稱為觸發(fā)器的特性表。d觸發(fā)器的特性表如下所示：表4 d觸發(fā)器的特性表dd0001000111113.2.2 移位觸發(fā)器的matlab圖形與真值表在同一脈沖沿作用時，可將寄存器的二進制代碼或數(shù)據(jù)依次移位，用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換，4位移位寄存器的結(jié)構(gòu)與狀態(tài)表如下所示：圖5 4位移位寄存器結(jié)構(gòu)表5 移位寄存器的狀態(tài)表cp第一個cp脈沖之前 1 2 3 43.2.3 移位

15、寄存器的仿真波形 如下圖所示,第一個波形為時鐘輸入端,周期為2,占空比為50%的方波;第二個波形為周期為2.5,占空比為70%的數(shù)據(jù)輸入端。剩下的四個波形分別是移位寄存器的四個輸出端的波形。 圖6移位寄存器仿真波形3.3 雙向移位寄存器的仿真3.3.1 雙向移位寄存器的原理 采用ports and subsystems 模塊庫中的subsystem功能模塊，利用其編輯區(qū)可設(shè)計組合新的功能模塊四選一數(shù)據(jù)選擇器,其內(nèi)部原理圖及功能表如下所示: 圖7 雙向移位寄存器的結(jié)構(gòu)圖表7 雙向移位寄存器的功能表輸入輸出控制信號串行輸入時鐘cp3.3.2 雙向移位寄存器的仿真波形(a)輸入波形分別為時鐘輸入端、

16、控制移位端s1，s0，左移和可移的數(shù)據(jù)輸入端端。圖8（a） 輸入波形圖（b）輸出波形:分別為移位寄存器的輸出波形。圖8（b） 輸出波形圖3.4 扭環(huán)計數(shù)器的仿真3.4.1 扭環(huán)計數(shù)器的原理 由環(huán)形計數(shù)器的輸出可知其利用效率不高,若將輸出進行相連,即可構(gòu)成扭環(huán)計數(shù)器,5個觸發(fā)器構(gòu)成的十狀態(tài)扭環(huán)計數(shù)器的原理圖5即狀態(tài)圖如下所示: 圖9 十狀態(tài)扭環(huán)計數(shù)器的原理圖相應(yīng)的狀態(tài)圖如下所示:00011000010000000111100000111111000111101110011111 圖10 十狀態(tài)扭環(huán)計數(shù)器的狀態(tài)圖 此時可將jk觸發(fā)器構(gòu)成基本的d觸發(fā)器,即將k置低電平0即可。3.3.2 扭環(huán)計數(shù)器的

17、仿真波形如下圖所示,第一個波形為時鐘輸入端,周期為0.5,占空比為60%的方波;其余六個波形分別表示相應(yīng)的d觸發(fā)器所輸出的狀態(tài)。圖11扭環(huán)計數(shù)器的仿真波形4 小結(jié)通過這次對于matlab的課程實踐設(shè)計，我覺得收獲了很多。首先，通過對matlab的實踐設(shè)計，掌握了matlab的基本的程序編程仿真方法，感覺 matlab語法簡單,易于繪制圖形、仿真。在練習(xí)中覺得所加的工具箱與強大的系統(tǒng)仿真能力，simulink建模在專業(yè)應(yīng)用上十分有效。 第二，matlab的“幫助”里面也有相關(guān)的指示。通過學(xué)習(xí)其中的相關(guān)提示，不僅可以運用其中附帶的許多相關(guān)的例子進行練習(xí)，而且可以熟練一下相關(guān)的專業(yè)英語。第三，本次課

18、程設(shè)計在老師的指導(dǎo)下，參閱相關(guān)的資料文獻，對比練習(xí)了大量的實例，終于完滿地完成了對時序邏輯電路的設(shè)計與仿真。這次課程實踐的時間有限，但是覺得還是學(xué)到了一些知識，總的來說收獲還是比較大的。參考文獻1 阮沈勇，王永利.matlab程序設(shè)計.電子工業(yè)出版社.2004.012 康華光. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). 高等教育出版社.20053 eda技術(shù)與vhdl，潘松,黃繼業(yè).清華大學(xué)出版社2007.2.4 高吉祥.電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計.電子工業(yè)出版社.20025 梁虹.信號與系統(tǒng)分析及matlab實現(xiàn).電子工業(yè)出版社.2002.02本科生課程設(shè)計成績評定表姓 名童嘉新性 別男專業(yè)、班級電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)0602班課程設(shè)計題目： 基于matlab的時序邏輯電路設(shè)計和仿真課程設(shè)計答辯或質(zhì)疑記錄：1基本rs觸發(fā)器有一個狀態(tài)是不確定的,是如何構(gòu)成狀態(tài)穩(wěn)定的d觸發(fā)