電子技術(shù)及應(yīng)用項(xiàng)目九時(shí)序邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)

工程九時(shí)序邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)模塊1時(shí)序邏輯電路的分析

模塊2常用的中規(guī)模集成時(shí)序邏輯電路的應(yīng)用

模塊1時(shí)序邏輯電路的分析

學(xué)習(xí)內(nèi)容：

(1)時(shí)序邏輯電路的特點(diǎn)。

(2)時(shí)序邏輯電路的分析方法。

學(xué)習(xí)問題：

(1)時(shí)序邏輯電路的主要特點(diǎn)是什么？它和組合邏輯電路的區(qū)別是什么？

(2)什么是同步時(shí)序邏輯電路和異步時(shí)序邏輯電路？它們各有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？

(3)同步時(shí)序邏輯電路和異步時(shí)序邏輯電路的分析方法主要區(qū)別在哪里？

學(xué)習(xí)要求：

(1)了解時(shí)序邏輯電路的特點(diǎn)。

(2)掌握時(shí)序邏輯電路的分析方法，以同步時(shí)序邏輯電路為重點(diǎn)。

任務(wù)1測(cè)試JK觸發(fā)器構(gòu)成的二進(jìn)制

計(jì)數(shù)器的邏輯功能

(一)任務(wù)要求

測(cè)試JK觸發(fā)器構(gòu)成的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的功能。

(二)任務(wù)內(nèi)容

(1)圖9-1-1為用JK觸發(fā)器構(gòu)成的三位異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的原理圖，分析其工作原理。圖9-1-1JK觸發(fā)器構(gòu)成三位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(2)給定元器件：74LS73兩片，發(fā)光二極管三個(gè)，620Ω電阻三個(gè)。

(3)按圖9-1-1所示在面包板上插裝出電路，計(jì)數(shù)輸出結(jié)果用發(fā)光二極管來顯示，燈亮記為“1〞，燈不亮記為“0〞。先在CP端輸入點(diǎn)脈沖，按“啟動(dòng)〞按鈕，觀察發(fā)光二極管的狀態(tài)，記入表9-1-1中，并將三位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，也記入表9-1-1中；然后在CP端輸入連續(xù)脈沖，用示波器的Y1通道觀察CP波形，用Y2通道分別觀察并記錄Q1、Q2、Q3的波形，記入圖9-1-2中。

(4)總結(jié)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)和分頻的功能。表9-1-1三位異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)

(三)任務(wù)結(jié)論

根據(jù)測(cè)試與討論的結(jié)果，寫出實(shí)踐研究報(bào)告(目的、原理及方法、數(shù)據(jù)測(cè)試、分析及總結(jié))。圖9-1-2波形圖

任務(wù)2測(cè)試JK觸發(fā)器構(gòu)成的十進(jìn)制

計(jì)數(shù)器的邏輯功能

(一)任務(wù)要求

測(cè)試JK觸發(fā)器和門電路構(gòu)成的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的功能。

(二)任務(wù)內(nèi)容

(1)圖9-1-3為用JK觸發(fā)器和門電路構(gòu)成的異步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的原理圖，分析其工作原理。圖9-1-3JK觸發(fā)器構(gòu)成三位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(2)給定元器件：74LS73兩片，74LS00一片，發(fā)光二極管四個(gè)，620Ω電阻四個(gè)。

(3)按圖9-1-3所示在面包板上插裝電路，計(jì)數(shù)輸出結(jié)果用發(fā)光二極管來顯示，燈亮記為“1〞，燈不亮記為“0〞。先在CP端輸入點(diǎn)脈沖，按“啟動(dòng)〞按鈕，觀察發(fā)光二極管的狀態(tài)，記入表9-1-2中，并將8421BCD碼轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，也記入表9-1-2中；然后在CP端輸入連續(xù)脈沖，用示波器的Y1通道觀察CP波形，用Y2通道分別觀察并記錄Q1、Q2、Q3、Q4的波形，記入圖9-1-4中。表9-1-2十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的測(cè)試數(shù)據(jù)

(三)任務(wù)結(jié)論

根據(jù)測(cè)試與討論的結(jié)果，寫出實(shí)踐研究報(bào)告(目的、原理及方法、數(shù)據(jù)測(cè)試、分析及總結(jié))。圖9-1-4波形圖【模塊理論指導(dǎo)】

1.模塊根本要求

掌握時(shí)序邏輯電路的分析方法。

理解同步時(shí)序電路的根本設(shè)計(jì)方法。

了解順序脈沖產(chǎn)生電路。

2.模塊重點(diǎn)和難點(diǎn)

重點(diǎn)時(shí)序邏輯電路的分析。

難點(diǎn)同步時(shí)序電路的設(shè)計(jì)。3.模塊知識(shí)點(diǎn)

1)時(shí)序邏輯電路的特點(diǎn)

時(shí)序邏輯電路在任何時(shí)刻的輸出狀態(tài)不僅取決于該時(shí)刻的輸入信號(hào)，而且還與電路原來的狀態(tài)有關(guān)，即有記憶功能。時(shí)序邏輯電路包含組合電路和存儲(chǔ)電路，因?yàn)橐髸r(shí)序邏輯電路有記憶功能，所以存儲(chǔ)電路必不可少。

2)時(shí)序邏輯電路的分類

按時(shí)鐘脈沖CP控制方式不同分為同步時(shí)序邏輯電路和異步時(shí)序邏輯電路。

(1)同步時(shí)序邏輯電路：電路中各觸發(fā)器都受同一時(shí)鐘CP控制，并且狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)是在同一時(shí)刻。(2)異步時(shí)序邏輯電路：電路中各觸發(fā)器不是全部用同一個(gè)時(shí)鐘CP觸發(fā)，其狀態(tài)的轉(zhuǎn)換不是同時(shí)進(jìn)行的。

3)時(shí)序邏輯電路的分析方法

分析時(shí)序邏輯電路的目的是找出電路在輸入信號(hào)及時(shí)鐘脈沖的作用下的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和輸出變化的規(guī)律，從而了解電路的邏輯功能。

(1)同步時(shí)序邏輯電路的分析。其步驟如下：

①由給定的邏輯電路，寫出電路的輸出方程及各個(gè)觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程。

②把驅(qū)動(dòng)方程代入各個(gè)觸發(fā)器的特性方程，得到每個(gè)觸發(fā)器的狀態(tài)方程。③由狀態(tài)方程和輸出方程列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表。

④畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

⑤檢查電路能否自啟。

⑥分析功能。

(2)異步時(shí)序邏輯電路的分析。在同步的根底上，寫出每個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘方程，在狀態(tài)轉(zhuǎn)換表中加上每個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘，各個(gè)觸發(fā)器只有在滿足時(shí)鐘條件時(shí)，其狀態(tài)方程才能使用，否那么不能用，進(jìn)而得到異步時(shí)序電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，分析功能。

模塊2常用的中規(guī)模集成時(shí)序邏輯

電路的應(yīng)用

學(xué)習(xí)要求：

(1)計(jì)數(shù)器功能及其應(yīng)用。

(2)存放器功能及其應(yīng)用。

(3)常用的中規(guī)模集成時(shí)序邏輯電路的功能和使用方法。

(4)同步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法。學(xué)習(xí)問題：

(1)計(jì)數(shù)器的異步置0與同步置0功能有什么區(qū)別？異步置數(shù)和同步置數(shù)呢？

(2)什么叫存放器？什么叫移位存放器？它們有哪些異同點(diǎn)？

(3)環(huán)形計(jì)數(shù)器和扭環(huán)計(jì)數(shù)器各有什么特點(diǎn)？

學(xué)習(xí)要求：

(1)掌握常用的中規(guī)模集成時(shí)序邏輯電路的使用方法。

(2)了解同步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法。 任務(wù)1中規(guī)模集成計(jì)數(shù)、譯碼顯示

電路系統(tǒng)功能測(cè)試

(一)任務(wù)要求

用十進(jìn)制集成計(jì)數(shù)器74LS90構(gòu)成十進(jìn)制以內(nèi)的任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器，并用譯碼顯示電路顯示出十進(jìn)制數(shù)碼。

(二)任務(wù)內(nèi)容

1.74LS90芯片

74LS90可直接作為二進(jìn)制、五進(jìn)制、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器用,管腳排列如圖9-2-1所示，1CP、2CP為時(shí)鐘端，NC為空腳。74LS90芯片功能如表9-2-1所示。圖9-2-174LS90芯片管腳排列圖表9-2-174LS90功能表(1)計(jì)數(shù)脈沖從1CP端進(jìn)，從QA端輸出，為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；

(2)計(jì)數(shù)脈沖從2CP端進(jìn)，從QCQBQA端輸出，為五進(jìn)制計(jì)數(shù)器；

(3)2CP與QA相連，計(jì)數(shù)脈沖從1CP端進(jìn)，從QDQCQBQA端輸出，為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

2.74LS90功能測(cè)試

(1)按圖9-2-2所示連接電路，接通電源。圖9-2-274LS90芯片功能測(cè)試(2)清零：假設(shè)計(jì)數(shù)前輸出不為“0000〞，那么將R01、R02懸空，清零完畢后，將R01、R02接地。

(3)用“點(diǎn)脈沖〞作計(jì)數(shù)脈沖，將結(jié)果記入表9-2-2第二列中。

(4)將圖9-2-2中LED顯示電路改為圖9-2-3所示的譯碼顯示板，重復(fù)步驟(2)，將結(jié)果記入表9-2-2第三列中。

(三)任務(wù)結(jié)論

根據(jù)測(cè)試與討論的結(jié)果，寫出實(shí)踐研究報(bào)告(目的、原理及方法、數(shù)據(jù)測(cè)試、分析及總結(jié))。圖9-2-3計(jì)數(shù)譯碼顯示電路表9-2-274LS90測(cè)試數(shù)據(jù)

任務(wù)2設(shè)計(jì)搶答計(jì)時(shí)電路

(一)任務(wù)要求

在工程八模塊2任務(wù)1的根底上設(shè)計(jì)此搶答電路的計(jì)時(shí)電路，要求主持人宣布搶答開始時(shí)計(jì)時(shí)，30s內(nèi)沒人搶答，蜂鳴器報(bào)警(響5s左右)，此題作廢；假設(shè)30s內(nèi)有人搶答，60s內(nèi)(包含搶答的30s)沒答完，蜂鳴器報(bào)警(響5s左右)。限時(shí)時(shí)間用數(shù)碼管顯示器顯示出來，秒信號(hào)由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生。

(二)元器件

四位同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS161兩片，七段譯碼器74LS47兩片，數(shù)碼管顯示器兩個(gè)，555定時(shí)器兩片，47μF電容一個(gè)，0.01μF電容兩個(gè)，10kΩ電阻四個(gè)，100kΩ電阻一個(gè)，蜂鳴器一個(gè)，按鈕開關(guān)5個(gè)。

(三)74LS161芯片

管腳排列如圖9-2-4所示，功能表如表9-2-3所示。圖9-2-474LS161管腳排列圖表9-2-374LS161功能表

(四)任務(wù)內(nèi)容

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求畫出方框圖。

(2)畫出邏輯圖。

(3)在面包板上插裝此電路，驗(yàn)證電路的功能是否符合設(shè)計(jì)要求。

(五)任務(wù)結(jié)論

根據(jù)測(cè)試與討論的結(jié)果，寫出實(shí)踐研究報(bào)告(目的、原理及方法、數(shù)據(jù)測(cè)試、分析及總結(jié))。 任務(wù)3設(shè)計(jì)彩燈控制電路

(一)任務(wù)要求

以雙向移位存放器74LS194為核心，設(shè)計(jì)一個(gè)彩燈控制電路，要求四個(gè)發(fā)光二極管LED從左到右依次點(diǎn)亮，然后再?gòu)淖蟮接乙来蜗纾瑫r(shí)鐘脈沖CP由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生。

(二)元器件

雙向移位存放器74LS194一片，發(fā)光二極管LED四個(gè)，與非門74LS00一片，555定時(shí)器一片，47μF電容一個(gè)，0.01μF電容一個(gè)，1kΩ電阻四個(gè)，10kΩ電阻兩個(gè)。

(三)74LS194芯片

管腳排列如圖9-2-5所示，功能表如表9-2-4所示。圖9-2-574LS194邏輯符號(hào)表9-2-474LS194功能表

(四)任務(wù)內(nèi)容

(1)畫出邏輯圖。

(2)在面包板上插裝出此電路，驗(yàn)證電路的功能是否符合設(shè)計(jì)要求。

(五)任務(wù)結(jié)論

根據(jù)測(cè)試與討論的結(jié)果，寫出實(shí)踐研究報(bào)告(目的、原理及方法、數(shù)據(jù)測(cè)試、分析及總結(jié))?！灸K理論指導(dǎo)】

1.模塊根本要求

掌握常用中規(guī)模集成時(shí)序邏輯器件(計(jì)數(shù)器、存放器)的邏輯功能及使用方法；集成計(jì)數(shù)器構(gòu)成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的方法。

理解同步時(shí)序電路的根本設(shè)計(jì)方法。

了解順序脈沖產(chǎn)生電路。

2.模塊重點(diǎn)和難點(diǎn)

重點(diǎn)常用集成時(shí)序邏輯器件的應(yīng)用。

難點(diǎn)同步時(shí)序電路的設(shè)計(jì)。3.模塊知識(shí)點(diǎn)

1)計(jì)數(shù)器

計(jì)數(shù)器是用以累計(jì)輸入時(shí)鐘脈沖CP個(gè)數(shù)的電路。

計(jì)數(shù)器累計(jì)輸入脈沖的最大數(shù)目稱為計(jì)數(shù)器的模，用M表示，如六制計(jì)數(shù)器的M=6。

(1)計(jì)數(shù)器的分類。

①按計(jì)數(shù)進(jìn)制分：二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器(除二進(jìn)制和十進(jìn)制計(jì)數(shù)器之外的其他進(jìn)制計(jì)數(shù)器)。

②按計(jì)數(shù)增減分：加法計(jì)數(shù)器、減法計(jì)數(shù)器、加／減計(jì)數(shù)器。③按時(shí)鐘脈沖控制方式分：同步計(jì)數(shù)器、異步計(jì)數(shù)器。同步計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)速度比異步的快得多。

(2)常用的中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器。

①CT74LS290：異步二—五—十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。它包含四個(gè)觸發(fā)器，最低位為獨(dú)立的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，高三位構(gòu)成五進(jìn)制計(jì)數(shù)器，四個(gè)觸發(fā)器級(jí)聯(lián)構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。其邏輯符號(hào)如圖9-2-6所示，功能表如表9-2-5所示。圖9-2-674LS290邏輯符號(hào)表9-2-574LS290功能表②CT74LS161:四位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器。它包含四個(gè)觸發(fā)器，各觸發(fā)器狀態(tài)的改變是在時(shí)鐘的上升沿完成的，具有異步置0、同步置數(shù)功能。其邏輯符號(hào)如圖9-2-7所示，功能表如表9-2-6所示。圖9-2-774LS161邏輯符號(hào)表9-2-674LS161功能表③CT74LS163:四位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器。它包含四個(gè)觸發(fā)器，各觸發(fā)器狀態(tài)的改變是在時(shí)鐘的上升沿完成的，具有同步置0、同步置數(shù)功能。其邏輯符號(hào)如圖9-2-8所示，功能表如表9-2-7所示。圖9-2-874LS163邏輯符號(hào)表9-2-774LS163功能表④CT74LS160:十進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器。它包含四個(gè)觸發(fā)器，各觸發(fā)器狀態(tài)的改變是在時(shí)鐘的上升沿完成的，具有異步置0、同步置數(shù)功能。其邏輯符號(hào)如圖9-2-9所示，功能表如表9-2-8所示。圖9-2-974LS160邏輯符號(hào)表9-2-874LS160功能表⑤CT74LS162:十進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器。它包含四個(gè)觸發(fā)器，各觸發(fā)器狀態(tài)的改變是在時(shí)鐘的上升沿完成的，具有同步置0、同步置數(shù)功能。其邏輯符號(hào)如圖9-2-10所示，功能表如表9-2-9所示。圖9-2-1074LS162邏輯符號(hào)表9-2-974LS162功能表⑥CT74LS190：十進(jìn)制同步加/減計(jì)數(shù)器。它包含四個(gè)觸發(fā)器，具有同步置數(shù)功能，可做加法計(jì)數(shù)，也可做減法計(jì)數(shù)。其邏輯符號(hào)如圖9-2-11所示，功能表如表9-2-10所示。圖9-2-1174LS190邏輯符號(hào)表9-2-1074LS190功能表2)利用集成計(jì)數(shù)器構(gòu)成任意進(jìn)制(N進(jìn)制)計(jì)數(shù)器

(1)利用反響歸零法構(gòu)成N進(jìn)制計(jì)數(shù)器。利用計(jì)數(shù)器的置0功能可構(gòu)成N進(jìn)制計(jì)數(shù)器，集成計(jì)數(shù)器有異步置0和同步置0兩種，因此，利用這兩種置0功能構(gòu)成N進(jìn)制計(jì)數(shù)器的方式也有區(qū)別。

①異步置0法(適用于74LS290、74LS161、74LS160)。異步置0不受時(shí)鐘脈沖CP的控制，只要異步置0控制端(CR)出現(xiàn)置0有效信號(hào)低電平，計(jì)數(shù)器便立即返回0狀態(tài)。因此，利用異步置0功能構(gòu)成N進(jìn)制計(jì)數(shù)器時(shí)，應(yīng)根據(jù)輸入第N個(gè)計(jì)數(shù)脈沖后的計(jì)數(shù)器狀態(tài)來寫反響歸零函數(shù)，在輸入第N個(gè)計(jì)數(shù)脈沖CP后，通過反響控制電路產(chǎn)生一個(gè)低電平加到CR端上，使計(jì)數(shù)器立刻置0，回到初始的0狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了N進(jìn)制計(jì)數(shù)。②同步置0法(適用于74LS163、74LS162)。用計(jì)數(shù)器的同步置0功能構(gòu)成N進(jìn)制計(jì)數(shù)器和異步置0不同，同步置0控制端(CR)獲得置0信號(hào)低電平后，還需再輸入一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖CP，計(jì)數(shù)器才被置0。因此，利用同步置0功能構(gòu)成N進(jìn)制計(jì)數(shù)器時(shí)，應(yīng)根據(jù)輸入第N－1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖CP后計(jì)數(shù)器的狀態(tài)寫反響歸零函數(shù)，這樣，在輸入第N個(gè)計(jì)數(shù)脈沖CP后，計(jì)數(shù)器被置0，回到初始的0狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了N進(jìn)制計(jì)數(shù)。

(2)利用反響置數(shù)法構(gòu)成N進(jìn)制計(jì)數(shù)器。利用計(jì)數(shù)器的置數(shù)功能也可構(gòu)成N進(jìn)制計(jì)數(shù)器，集成計(jì)數(shù)器有異步置數(shù)和同步置數(shù)兩種，因此，利用這兩種置數(shù)功能構(gòu)成N進(jìn)制計(jì)數(shù)器的方式也有區(qū)別。①異步置數(shù)法(適用于74LS290、74LS190)。與異步置0一樣，異步置數(shù)也不受時(shí)鐘脈沖CP的控制，只要異步置數(shù)控制端(LD)獲得置數(shù)信號(hào)低電平后，并行數(shù)據(jù)輸入端(D0D1D2D3)輸入的數(shù)據(jù)便被立即置入計(jì)數(shù)器。因此，利用異步置數(shù)功能構(gòu)成N進(jìn)制計(jì)數(shù)器時(shí)，應(yīng)根據(jù)輸入第N個(gè)計(jì)數(shù)脈沖CP后計(jì)數(shù)器的狀態(tài)寫反響置數(shù)函數(shù)。

②同步置數(shù)法(適用于74LS160、74LS161、774LS162、4LS163)。與同步置0一樣，同步置數(shù)控制端(LD)獲得置數(shù)信號(hào)低電平后，還需再輸入一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖CP，并行數(shù)據(jù)輸入端(D0D1D2D3)輸入的數(shù)據(jù)才會(huì)被置入計(jì)數(shù)器。因此，利用同步置數(shù)功能構(gòu)成N進(jìn)制計(jì)數(shù)器時(shí)，應(yīng)根據(jù)輸入第N－1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖CP后計(jì)數(shù)器的