時(shí)序邏輯電路

1、l 課程名稱： 數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)踐 實(shí)驗(yàn)名稱： 組合邏輯電路設(shè)計(jì) 時(shí)序邏輯電路1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握時(shí)序邏輯電路的一般設(shè)計(jì)過程；2. 掌握時(shí)序邏輯電路的時(shí)延分析方法，了解時(shí)序電路對(duì)時(shí)鐘信號(hào)相關(guān)參數(shù)的基本要求；3. 掌握時(shí)序邏輯電路的基本調(diào)試方法；4. 熟練使用示波器和邏輯分析儀觀察波形圖，并會(huì)使用邏輯分析儀做狀態(tài)分析。2、 實(shí)驗(yàn)原理詳見書1031473、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 廣告流水燈a. 實(shí)驗(yàn)要求用觸發(fā)器、組合函數(shù)器件和門電路設(shè)計(jì)一個(gè)廣告流水燈，該流水等由8個(gè)LED組成，工作時(shí)始終為1暗7亮，且這一個(gè)暗燈循環(huán)右移。1 寫出設(shè)計(jì)過程，畫出設(shè)計(jì)的邏輯電路圖，按圖搭接電路。1）狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖： 現(xiàn)態(tài) 次

2、態(tài)Q2(n)Q1(n)Q0(n)Q2(n+1)Q1(n+1)Q0(n+1)0000010010100100110111001001011011101101111110002)建立卡諾圖： 00 01 11 1001001010100011101110000111有上表得：因此，需要三個(gè)D觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)時(shí)序電路，三個(gè)D觸發(fā)器分別對(duì)應(yīng)Q0、Q1、Q2通過一片74LS138 3-8線譯碼器將Q2Q1Q0所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼輸出轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的07號(hào)LED燈的輸入電平。2 將單脈沖加到系統(tǒng)時(shí)鐘端，靜態(tài)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)電路。3 將TTL連續(xù)脈沖信號(hào)加到系統(tǒng)時(shí)鐘端，用示波器和邏輯分析儀觀察并記錄時(shí)鐘脈沖CLK、觸發(fā)器的輸出

3、端Q2、Q1、Q0和8個(gè)LED上的波形。b 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 設(shè)計(jì)電路。 靜態(tài)驗(yàn)證（自擬表格）將3-8譯碼器的輸出端，從左到右依次接測(cè)試箱上的8個(gè)LED燈，3個(gè)D觸發(fā)器共同接箱上經(jīng)消抖處理的當(dāng)脈沖信號(hào)（上升沿觸發(fā)）。依次按動(dòng)單脈沖按鈕，得以下結(jié)果。見表1.表1.廣告流水燈靜態(tài)驗(yàn)證結(jié)果次序L8L7L6L5L4L3L2L11暗亮亮亮亮亮亮亮2亮暗亮亮亮亮亮亮3亮亮暗亮亮亮亮亮4亮亮亮暗亮亮亮亮5亮亮亮亮暗亮亮亮6亮亮亮亮亮暗亮亮7亮亮亮亮亮亮暗亮8亮亮亮亮亮亮亮暗9暗亮亮亮亮亮亮亮分析：可見暗燈從左往右按順序移動(dòng)，并且到最右端會(huì)返回到最左端循環(huán)移動(dòng)。說明3-8譯碼器的輸出端依次為低電平有效，說明電路中3個(gè)

4、D觸發(fā)器的確實(shí)現(xiàn)了模8循環(huán)計(jì)數(shù)功能，說明實(shí)驗(yàn)成功。 動(dòng)態(tài)驗(yàn)證 波形記錄：其中D1D8為譯碼器輸出到發(fā)光二極管的信號(hào)，D9為時(shí)鐘；D10D12為譯碼器輸入信號(hào)；2. 序列發(fā)生器a. 實(shí)驗(yàn)要求分別用MSI計(jì)數(shù)器和移位寄存器設(shè)計(jì)一個(gè)具有自啟動(dòng)功能的01001序列信號(hào)發(fā)生器。 寫出設(shè)計(jì)過程，畫出電路邏輯圖。1）計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)采用的是方法是計(jì)數(shù)器結(jié)合譯碼器：首先是用74161實(shí)現(xiàn)模五功能，采用的是輸出0100時(shí)同步置數(shù)，回到0000狀態(tài)。譯碼器部分則是將模五計(jì)數(shù)器輸出低三位作為譯碼器輸入，由于譯碼器輸出是低電平有效，因此將Y1，Y4'通過與非門輸出，作為信號(hào)發(fā)生器。2）移位寄存器實(shí)現(xiàn):考慮自啟動(dòng)功能

5、華后，列出狀態(tài)轉(zhuǎn)移表:為了簡化實(shí)驗(yàn)電路圖，在無效狀態(tài)時(shí)將S1，D0 狀態(tài)設(shè)為表中值：（以QA為序列信號(hào)發(fā)出端）順序QC QB QA D0 S1 功能有效狀態(tài)0 11010右移1 10100右移2 01000右移3 10010右移4 00101置數(shù)無效狀態(tài)5 11100右移6 00010置數(shù)7 01100右移建立卡諾圖： 00 01 11 10D:0110011001得邏輯表達(dá)式為： 00 01 11 10S1:0111000000根據(jù)S1和關(guān)系容易得到： 搭接電路，并用單脈沖靜態(tài)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 加入TTL連續(xù)脈沖，用雙蹤示波器和邏輯分析儀觀察并記錄時(shí)鐘脈沖CLK、序列輸出端的波形。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 設(shè)

6、計(jì)電路。）MSI計(jì)數(shù)器電路圖：(改進(jìn)）移位寄存器設(shè)計(jì)： 靜態(tài)驗(yàn)證（自擬表格）分析： 其中Q1為信號(hào)輸出，D表示移位的輸入信號(hào) 動(dòng)態(tài)驗(yàn)證 波形記錄： 其中D11為序列發(fā)生器；D15為掃描信號(hào)3. 分頻器a. 實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)一個(gè)分頻器。要求將頻率為32768Hz的方波信號(hào)變成32.768Hz的方波信號(hào)，其中32768Hz的方波信號(hào)需要自己通過電路產(chǎn)生。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，擬出設(shè)計(jì)方案。分頻器的設(shè)計(jì)思路是基于計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)的，本題要求分頻系數(shù)為1000，因此采用需要設(shè)計(jì)一個(gè)模1000的計(jì)數(shù)器。方案1：分別用74LS161設(shè)計(jì)三個(gè)模10的計(jì)數(shù)器，并將其級(jí)聯(lián)（進(jìn)位信號(hào)控制使能端）。但是由于此時(shí)其占空比為11000

7、，用GW2000不易觀察到脈沖波形，所以改用方案2。方案2：仍采用三個(gè)模10級(jí)聯(lián)而成，但此時(shí)模10計(jì)數(shù)器是通過74LS161產(chǎn)生的模5計(jì)數(shù)器與DS觸發(fā)器級(jí)聯(lián)產(chǎn)生的，因此三個(gè)模10計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)以后，每個(gè)模10計(jì)數(shù)器輸出都是占空比為50%,易觀察。設(shè)計(jì)電路圖如下： 根據(jù)設(shè)計(jì)方案選擇器件，并查閱所用器件的功能表和引腳圖。 寫出設(shè)計(jì)過程，畫出電路邏輯圖和實(shí)驗(yàn)接線圖并標(biāo)出引腳號(hào)。 用邏輯分析儀觀察時(shí)鐘脈沖CLK和各計(jì)數(shù)器輸出端的波形。 用邏輯分析儀對(duì)時(shí)鐘脈沖CLK和各計(jì)數(shù)器輸出端的信號(hào)做狀態(tài)分析。b. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 設(shè)計(jì)電路。 靜態(tài)驗(yàn)證（自擬表格）順序DCBARCO0000001000102001003001

8、10401000501010601100701110810000910010101010011101101211000131101014111001511111分析：灰色部分為我們采用的實(shí)現(xiàn)模五功能的部分 動(dòng)態(tài)驗(yàn)證 波形記錄：上圖分別實(shí)現(xiàn)模100與模1000； 狀態(tài)分析：略4. 行列式鍵盤識(shí)別電路a. 實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)一個(gè)電路，當(dāng)按下4×4矩陣鍵盤中的任何一個(gè)鍵時(shí)，在數(shù)碼管上顯示相應(yīng)的鍵值。其中鍵碼可通過ROM查表的方式來實(shí)現(xiàn)，數(shù)碼管可選擇是BCD輸入還是七段輸入，實(shí)驗(yàn)箱上的4×4鍵盤上拉電阻已經(jīng)在內(nèi)部連接好。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，擬出設(shè)計(jì)方案。 根據(jù)設(shè)計(jì)方案選擇器件，并查閱所用器件

9、的功能表和引腳圖。 寫出設(shè)計(jì)過程，畫出電路邏輯圖和實(shí)驗(yàn)接線圖并標(biāo)出引腳號(hào)。1）功能分析：本題可分為三個(gè)模塊：掃描電路，消抖電路，寄存器2）模塊實(shí)現(xiàn)：A)消抖電路：采用一個(gè)D觸發(fā)器，加100Hz的時(shí)鐘信號(hào)。D觸發(fā)器的輸出控制的寄存器的置數(shù)功能和掃描電路的掃描功能。當(dāng)有鍵按下時(shí)，觸發(fā)器控制掃描電路停止掃描，控制寄存器保存信號(hào)。B)寄存器：采用兩個(gè)74LS161實(shí)現(xiàn)C)掃描信號(hào)電路：要實(shí)現(xiàn)0111，1011，1101，1110的循環(huán)掃描，采用移位寄存器實(shí)現(xiàn)，考慮其自啟動(dòng)功能，1）其轉(zhuǎn)態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下：1111100001100111111000101011110010011101100000111010

10、0100000100000101ROM表如下：根據(jù)狀態(tài)圖再劃出真值表就可以得到狀態(tài)方程：(A7A4對(duì)應(yīng)鍵盤上row1row4; A3A0對(duì)應(yīng)鍵盤上的col1col4 )AA7AA6A A5A A4A A3AA2AA1AA0I/OI/O3I/O02位十六進(jìn)制表示33221110001111101101010000000000111111100101000001010011111111000100010002001111111101000001010301101110110101010000040110111110010101000105011011111100010101000601101111

11、1101000101010701111010110101100000080111101110010110000109011110111100011001000A011110111101001001010B011111001101011100000C011111011001011100010D011111011100011101000E011111011101001101010F 用邏輯分析儀觀察時(shí)鐘脈沖CLK和各計(jì)數(shù)器輸出端的波形。 用邏輯分析儀對(duì)時(shí)鐘脈沖CLK和各計(jì)數(shù)器輸出端的信號(hào)做狀態(tài)分析。b. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 設(shè)計(jì)電路。 靜態(tài)驗(yàn)證（自擬表格）分析：輸出狀態(tài)符合設(shè)計(jì)； 動(dòng)態(tài)驗(yàn)證 波形記錄：由于篇

12、幅有限，下面顯示1，2，3的動(dòng)態(tài)波形；其中D7為時(shí)鐘，D15D12為col3col1;D11D8為row3row1;三幅圖分別顯示了，11101110，11101101，11101011；選做實(shí)驗(yàn)：1. 序列檢測(cè)器實(shí)驗(yàn)要求用觸發(fā)器設(shè)計(jì)一個(gè)1011序列檢查器，要求電路對(duì)串行輸入序列進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)連續(xù)檢測(cè)到4個(gè)碼元符合檢測(cè)器的檢測(cè)碼1011時(shí)，檢測(cè)器輸出為1（注意：前一個(gè)1011序列的最后一個(gè)碼元不能作為本次1011序列的第一個(gè)碼元） 使用靜態(tài)（單步）的測(cè)試方法，畫出圖4.4.1所示的輸入、輸出時(shí)間關(guān)系圖。b. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 設(shè)計(jì)電路。 靜態(tài)驗(yàn)證（自擬表格）分析： 動(dòng)態(tài)驗(yàn)證 波形記錄：由于時(shí)間限制，本選

13、做實(shí)只完成了設(shè)計(jì)部分：設(shè)計(jì)過程如下：一、 確定電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和狀態(tài)表由于是設(shè)計(jì)一個(gè)四位序列檢測(cè)器，因此可以根據(jù)已出現(xiàn)的前三位和現(xiàn)在出現(xiàn)的一位進(jìn)行判斷是否為序列1011，而前三位狀態(tài)可以設(shè)為Y，有八種可能，分別設(shè)為A、B、C、D、E、F、G、H，輸入的最后一位為X，輸出是否為所要的狀態(tài)Z；建立狀態(tài)表如下，現(xiàn)態(tài)次態(tài)輸出X=0X=1X=0X=1A（000）AB00B（001）CD00C（010）EF00D（011）GH00E（100）AB00F（101）CD01G（110）EF00H（111）GH00由狀態(tài)表可以看到，狀態(tài)A、E，狀態(tài)C、G，狀態(tài)D、H在不同輸入下都有相同的次態(tài)和輸出，所以可以將其等

14、同為一個(gè)狀態(tài),等效后又發(fā)現(xiàn)B、D等效，再次變換后得到，現(xiàn)態(tài)次態(tài)輸出X=0X=1X=0X=1A（000）AB00B（001）CB00C（010）AF00F（101）CB01二、 狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表、卡諾圖外輸入 現(xiàn)態(tài) 次態(tài) 外輸出 0 0 00 0 00 0 11 0 00 1 00 0 00 1 11 0 01 0 00 1 01 0 10 1 01 1 01 1 01 1 10 1 1 00 01 11 10卡諾圖：0101100001 00 01 11 10卡諾圖：0100001111 00 01 11 10卡諾圖：0100000010三、 建立方程組由上述的卡諾圖可以得到方程如下：四、 畫出邏輯圖如下：為了使前一個(gè)1011序列的最后一個(gè)碼元不能作為本次1