8421碼檢測電路的設(shè)計

1、數(shù)字電路與邏輯設(shè)計實驗報告實驗九 8421碼檢測電路的設(shè)計姓名：_ 學(xué)號：17XXXXXX班級：電子XXXX一、實驗?zāi)康?. 了解檢測電路的工作原理。2. 進一步掌握同步時序電路的設(shè)計方法。二、實驗器件1、實驗箱、萬用表、示波器。2、74LS73, 74LS74, 74LS00, 74LS20, 74LS197。三、實驗預(yù)習(xí)根據(jù)使用器件的不同, 我們可以設(shè)計出兩種不同思路的電路.米里時序電路:根據(jù)需求, 按照米里時序電路的設(shè)計流程得到觸發(fā)器驅(qū)動方程.首先畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖, 并對圖做出適當(dāng)簡化.保留S0, S1, S3, S4 , S7, S8六個狀態(tài),并用3個JK觸發(fā)器的23 = 8個狀態(tài)中的6

2、個表示它們,狀態(tài)分配表如下圖.Q3Q2Q1000111100S0S4S3S11S7S8XX將上面的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和輸出寫成上述的代數(shù)形式有Q3Q2Q1X01000010/0010/0010011/0001/0011101/0100/0001100/0100/0101000/0000/0100000/0000/1根據(jù)上表畫出Q3,Q2,Q1,X的次態(tài)卡諾圖, 并進而得到各個端口的驅(qū)動方程.Q1:XQ3Q2Q1000111100000110100XX1100XX100001化簡得到Q1n+1 =Q2 n x n + x Q2 n x Q1 n有J1 = Q2, K1 = ( Q2)Q2:XQ3Q2Q10

3、00111100010010100XX1100XX101000化簡得到Q2n+1 =n x n x n + x Q2 n x n有J2 = n x n, K2 = ( x n)Q3:XQ3Q2Q1000111100001100100XX1100XX100110化簡得到Q3n+1 = n Q1 n有J3 = Q1n, K3 = 1F:XQ3Q2Q1000111100000000100XX1110XX100000化簡得到F = X Q3 n n這樣, 就能使用三個JK觸發(fā)器構(gòu)造一個8421碼檢測電路, 為保證正確性還可以添加一個74LS74觸發(fā)器來保證X已經(jīng)轉(zhuǎn)變.用于仿真時的動態(tài)測試, 我們還需要

4、一種16進制的串行輸出計數(shù)器, 即按順序串行輸出0000->1000->0100, 對每個數(shù)從最低位開始, 依次輸出4個二進制數(shù).我們可以借助計數(shù)器和寄存器實現(xiàn)該器件, 首先使用一個計數(shù)器實現(xiàn)4分頻, 從已有的f頻率,50占空比的時鐘信號中獲取f/4頻率的, 12.5占空比的同相位脈沖信號. 再使用這兩個時鐘循環(huán)地執(zhí)行 計數(shù)->4次移位讀數(shù)->置數(shù)的工作, 畫出電路圖如下所示.其輸出波形的一個周期如下面的波形圖所示:靠上信號為器件輸出, 靠下信號為時鐘脈沖, 容易看出經(jīng)過64個時鐘周期, 器件輸出了從0000到1111的串行形式.把該輸出作為8421檢測電路的輸入X,

5、得到電路圖如下.其波形如下所示:可見在一整個015的序列中,只有6種數(shù)字引起了電路的非法脈沖, 分別是1010, 1011, 1100, 1101, 1110, 和1111, 仿真時由于給定時鐘信號的固有問題, 無法從S0狀態(tài)開始檢驗, 但仍然不影響我們仿真驗證的完備性.摩爾型時序電路摩爾時序電路無需考慮輸入,輸出和狀態(tài)之間的關(guān)系, 我們只需要使用寄存器和計數(shù)器來收集輸入的信號, 并進行邏輯運算即可.我們使用3個JK觸發(fā)器串行讀取輸入的X, 并設(shè)置計數(shù)器為4進制, 這樣每當(dāng)計數(shù)器從0計數(shù)到3時, 對三個觸發(fā)器和X的狀態(tài)執(zhí)行一次邏輯運算, 如果滿足”非BCD碼”的條件,就輸出一段脈沖.非BCD碼

6、的判斷條件經(jīng)化簡后為: Q4(Q3+Q2)則輸出脈沖信號的邏輯表達(dá)式: Q4(Q3+Q2)(QA QB)計數(shù)器清零條件:QC這樣,使用3個JK觸發(fā)器和一個197計數(shù)器, 就實現(xiàn)一個BCD碼判斷電路.使用上面的串行16進制輸出器進行動態(tài)仿真,波形如下:其中最上面的波形為電路輸出, 中間的波形為時鐘信號, 下面的波形為串行16進制輸出器產(chǎn)生的輸入信號. 可見, 只有后6個波形出現(xiàn)非法脈沖, 判斷電路正常工作. 四、實驗內(nèi)容1、 實驗?zāi)康谋緦嶒炓笤O(shè)計一一個8421BCD碼(串行輸入)檢測電路。此電路是用來檢測串行的8421碼傳輸過程中是否發(fā)生錯誤。假定8421BCD碼傳送過程中是由低位到高位串行輸

7、送，例如十進制2 (代碼為0010)是按0、1、0、0次序傳送的。如果在傳送過程中代碼發(fā)生錯誤，出現(xiàn)非法數(shù)碼(不在0000到1001之間的代碼),則檢測電路發(fā)生一脈沖信號。實驗所用觸發(fā)器為JK觸發(fā)器，要求自己設(shè)計、自己安裝和測試。2、設(shè)計過程正式實驗由于器件和線的限制，沒有機會實現(xiàn)上述的16X4串行信號發(fā)生器和摩爾型時序電路。只實現(xiàn)了米里時序電路，并用四分頻的信號進行動態(tài)測試。在3個JK觸發(fā)器的J，K輸入端按照上述的驅(qū)動方程接線，時鐘信號并行接入JK觸發(fā)器的CLK端，清零端均接高電平。在輸出口F接一個D觸發(fā)器，其時鐘信號與前面相同，D觸發(fā)器清零端也接高電平。對靜態(tài)測試，脈沖接手動脈沖，輸出端F

8、接LED燈，輸入X接模擬開關(guān)，觀察不同輸入時輸出的變化。作為動態(tài)輸入，我們需要一個四倍于時鐘周期的信號。使用74LS197輸出該信號，將CP0接時鐘脈沖，QA接CP1，MR和PL接高電平，并將被四分頻的信號QC接入檢測電路的輸入端X，輸出F接邏輯分析儀，觀察動態(tài)波形。五、測試過程實驗接線圖：靜態(tài)測試： 輸入序列為0101(1010/10)時，F(xiàn)為高電平 輸入序列為1111(1111/15)時，F(xiàn)為高電平 輸入序列為1110(0111/7)時，F(xiàn)為低電平 輸入序列為1001(1001/9)時，F(xiàn)為低電平經(jīng)16次靜態(tài)測試，能得到高電平輸出的有1010，1011，1100，1101，1110，111

9、1.體現(xiàn)了電路只對非BCD碼信號輸入的敏感性。動態(tài)測試：得到的波形如下圖所示，由于QC信號具有相位的不確定性，對不同的起始狀態(tài)位置，會導(dǎo)致對QC的不同截斷方式，進而會產(chǎn)生不同的輸出波形。波形1：圖中波形從上到下依次為輸出F，Qc，反相后的時鐘脈沖和時鐘脈沖。判斷該圖中的截斷方式為0000和1111，其中0000不輸出脈沖，1111輸出脈沖。波形2：圖中波形從上到下依次為輸出F，Qc，反相后的時鐘脈沖和時鐘脈沖。判斷該圖中的截斷方式為0001和1110，其中0001不輸出脈沖，1110輸出脈沖。經(jīng)判斷此外還有兩種截斷方式，0011-1100和0111-1000，前者會在上圖的左側(cè)一周期遠(yuǎn)的地方產(chǎn)

10、生脈沖，后者不會產(chǎn)生脈沖。但個人感覺全部記錄意義不大，只在這里做出說明。由動態(tài)測試和靜態(tài)測試結(jié)果，我們可以看出電路會對非8421碼的信號，在最后一位的時刻輸出一個時鐘周期寬度的脈沖，說明電路正確，符合題目要求。六、總結(jié)對固定需求的電路，往往根據(jù)實驗器件的不同，會有相當(dāng)多的設(shè)計方案，同時也各有優(yōu)缺點。比如本實驗中的兩種設(shè)計方案，米里時序電路使用狀態(tài)轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)，只需要3個觸發(fā)器描述六個狀態(tài)，所需器件較少，但其狀態(tài)搭建好后就不能做其他拓展，泛用性較差。而摩爾時序電路需要3個觸發(fā)器和一個計數(shù)器來實現(xiàn)，雖然使用了較多的器件，但我們只需要根據(jù)不同的需求對電路進行簡單的改動，就能得到功能完全不同的電路，比如對偶數(shù)碼產(chǎn)生脈沖，對質(zhì)數(shù)產(chǎn)生脈沖等。其泛用性遠(yuǎn)高于前者。實驗中使用了一種防止錯誤碼的技巧，使用鎖存器鎖定輸出后再進行輸出。這可以將輸出的時間點延長到CP的有效沿時刻，以留給輸入信