《電子技術(shù)項(xiàng)目化教程》 課件 項(xiàng)目七 密碼電子鎖的設(shè)計(jì)與測試

項(xiàng)目七

密碼電子鎖的設(shè)計(jì)與測試學(xué)習(xí)目標(biāo)：知識目標(biāo)：了解RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器的工作特性；仿真測試RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器邏輯功能；了解不同觸發(fā)器之間的互相轉(zhuǎn)換；了解密碼電子鎖的設(shè)計(jì)原理；掌握密碼電子鎖的仿真測試。技能目標(biāo)：能用仿真軟件對RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器邏輯功能進(jìn)行仿真測試；能夠完成密碼電子鎖的設(shè)計(jì)與制作。2項(xiàng)目背景：伴隨著生活水平的提高，人們財(cái)產(chǎn)的積累，大家更加重視家庭防盜。顯然傳統(tǒng)的機(jī)械鎖因?yàn)楸銛y性差、使用不便捷等原因，已經(jīng)不能滿足人們對于家庭安全的需求。由此密碼電子鎖因其方便靈活、保密性高、易于操作進(jìn)入大家的視線，受到人們的喜愛。電子密碼鎖通過數(shù)字邏輯電路，一般是提前設(shè)置編碼對電路進(jìn)行控制。當(dāng)編碼正確促進(jìn)觸發(fā)器觸發(fā)，若輸入錯誤的編碼則觸發(fā)器不能觸發(fā)，由此實(shí)現(xiàn)門的開啟與封鎖控制，此外也可添加附加電路，實(shí)現(xiàn)鎖定功能或者門鈴功能，以提高門的安全系數(shù)。3項(xiàng)目背景：密碼電子鎖項(xiàng)目的完成涉及到電路設(shè)計(jì)、邏輯圖設(shè)計(jì)、仿真測試、實(shí)物制作與測試四方面知識的學(xué)習(xí)，具體組成框圖如7-1所示。4圖7-1密碼電子鎖的組成框圖任務(wù)1RS觸發(fā)器邏輯功能測試任務(wù)分析：在各類復(fù)雜數(shù)字電路中，除了需要對二值信號開展算術(shù)運(yùn)算與邏輯運(yùn)算，還需要將這些信號與運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行保存?；诖耍菊鹿?jié)主要介紹具有記憶功能基本邏輯單元-觸發(fā)器，而其中RS觸發(fā)器是很多觸發(fā)器電路基礎(chǔ)構(gòu)成部分，因此本任務(wù)通過仿真測試RS觸發(fā)器邏輯功能，學(xué)習(xí)RS觸發(fā)器性能特點(diǎn)。5任務(wù)1RS觸發(fā)器邏輯功能測試知識鏈接：通過之前的章節(jié)學(xué)習(xí)，可以知道各類門電路均可以有兩種不同的輸出狀態(tài)（高電平、低電平），但其不能自行保存該輸出狀態(tài)不變，即它不具備記憶功能。而本章節(jié)介紹具有記憶功能的基本邏輯單元-觸發(fā)器。觸發(fā)器是指可以存儲1位二值信號的基本單元電路。其具備兩個基本特性：第一：其具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，分別用來代表邏輯0和邏輯1；第二：觸發(fā)信號作用下，依據(jù)不同的輸入信號，觸發(fā)器的兩個穩(wěn)定狀態(tài)可相互轉(zhuǎn)換，并且已完成轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定狀態(tài)可自行保持下去，這體現(xiàn)了觸發(fā)器的記憶功能，因此觸發(fā)器是具有記憶功能的邏輯單元，可應(yīng)用于多方面。不同種類的觸發(fā)器在觸發(fā)方式、電路結(jié)構(gòu)、邏輯功能上均有不同。根據(jù)觸發(fā)器邏輯功能的不同，可分為SR觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器等幾類。6任務(wù)1RS觸發(fā)器邏輯功能測試

7任務(wù)1RS觸發(fā)器邏輯功能測試

8任務(wù)1RS觸發(fā)器邏輯功能測試一、基本RS觸發(fā)器：9

RSQ00狀態(tài)不定01010111狀態(tài)不變?nèi)蝿?wù)1RS觸發(fā)器邏輯功能測試二、同步RS觸發(fā)器10相比于基本RS觸發(fā)器，同步RS觸發(fā)器多出一個端子即時鐘脈沖端，即CP輸入端。在實(shí)際應(yīng)用時，增加CP端，使得在時鐘脈沖到達(dá)，才能根據(jù)輸入信號改變觸發(fā)器狀態(tài)，無時鐘信號觸發(fā)時，即便輸入改變，觸發(fā)器的輸出狀態(tài)也不會改變，由此衍生出同步RS觸發(fā)器。同步RS觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)如圖7-5(a)所示，邏輯符號如圖7-5(b)所示。任務(wù)1RS觸發(fā)器邏輯功能測試二、同步RS觸發(fā)器11

任務(wù)1RS觸發(fā)器邏輯功能測試二、同步RS觸發(fā)器12表7-2同步RS觸發(fā)器特性表CPSRQnQn+10××000××111000010011101001011011001110111110×1111×任務(wù)1RS觸發(fā)器邏輯功能測試二、同步RS觸發(fā)器13

任務(wù)1RS觸發(fā)器邏輯功能測試

任務(wù)實(shí)施二、仿真測試1、本次任務(wù)是針對由與非門構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器的邏輯功能進(jìn)行仿真測試。查找CD4011引腳圖、參數(shù)等有關(guān)資料以作備用。在Multisim中按照圖7-9接線，選擇兩個指示燈用于測試觸發(fā)器的輸出狀態(tài)在表7-3功能表中，將觸發(fā)器輸出狀態(tài)寫入，并總結(jié)基本RS觸發(fā)器特性的規(guī)律。14一、測試準(zhǔn)備1.一臺計(jì)算機(jī)2.Multisim仿真軟件任務(wù)1RS觸發(fā)器邏輯功能測試

任務(wù)實(shí)施圖7-9基本RS觸發(fā)器仿真測試圖15任務(wù)1RS觸發(fā)器邏輯功能測試

任務(wù)實(shí)施圖7-9基本RS觸發(fā)器仿真測試圖16任務(wù)2JK觸發(fā)器邏輯功能測試任務(wù)分析：因RS觸發(fā)器自身性能問題即當(dāng)S=R=1時，觸發(fā)器輸出次態(tài)不確定，在實(shí)際應(yīng)用中，希望選用具備更完善電路結(jié)構(gòu)的觸發(fā)器，由此可選擇JK觸發(fā)器。本任務(wù)通過對JK觸發(fā)器邏輯功能進(jìn)行仿真測試，以學(xué)習(xí)JK觸發(fā)器的特性。17任務(wù)2JK觸發(fā)器邏輯功能測試

18（a）邏輯圖(b)邏輯符號圖7-10主從結(jié)構(gòu)JK觸發(fā)器任務(wù)2JK觸發(fā)器邏輯功能測試一、主從JK觸發(fā)器:假定主從JK觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)Qn為0，分析JK觸發(fā)器特性如下：1）當(dāng)CP=1時，如果J=0,K=1時主觸發(fā)器置0，當(dāng)CP由1躍變?yōu)?后，從觸發(fā)器置0，即JK觸發(fā)器輸出端Qn+1=0;2）當(dāng)CP=1時，如果J=1,K=0時主觸發(fā)器置1，當(dāng)CP由1躍變?yōu)?后，從觸發(fā)器置1，即JK觸發(fā)器輸出端Qn+1=1；3）J=K=0時，JK觸發(fā)器保持原態(tài)不變，即Qn+1為04）當(dāng)CP=1時，如果J=K=1時，主觸發(fā)器置1，當(dāng)CP由1躍變?yōu)?后，從觸發(fā)器隨著置1，即JK觸發(fā)器輸出端Qn+1=1；當(dāng)主從結(jié)構(gòu)JK觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)Qn為1時，根據(jù)上述分析方式可知，當(dāng)J=0,K=1時，觸發(fā)器輸出為0；當(dāng)J=1,K=0時，觸發(fā)器輸出為1；當(dāng)J=K=0時，觸發(fā)器輸出為1；當(dāng)J=K=1時，觸發(fā)器輸出為0。19任務(wù)2JK觸發(fā)器邏輯功能測試一、主從JK觸發(fā)器:20綜上分析，列出主從結(jié)構(gòu)JK觸發(fā)器特性表如表7-4所示。表7-4主從結(jié)構(gòu)JK觸發(fā)器特性表JKQnQn+100000011010001101001101111011110任務(wù)2JK觸發(fā)器邏輯功能測試一、主從JK觸發(fā)器:21根據(jù)特性表，列出主從JK觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖7-11所示。圖7-11主從結(jié)構(gòu)JK觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖任務(wù)2JK觸發(fā)器邏輯功能測試二、邊沿JK觸發(fā)器22為提升觸發(fā)器可靠性，增強(qiáng)其抗干擾能力，常希望觸發(fā)器的狀態(tài)變化取決于CP信號邊沿（下降沿或者上升沿）到達(dá)時刻輸入的狀態(tài)，而與其他時刻輸入的變化無關(guān)，邊沿觸發(fā)器可用于解決此問題。邊沿觸發(fā)器可有效的將觸發(fā)器的狀態(tài)變化控制于時鐘脈沖信號到達(dá)那一刻，其分為CP上升沿觸發(fā)和CP下降沿觸發(fā)兩類觸發(fā)器，邊沿觸發(fā)器沒有空翻現(xiàn)象。所謂“空翻”是指在同一個時鐘脈沖信號持續(xù)區(qū)間內(nèi)，觸發(fā)器出現(xiàn)在“0”態(tài)和“1”態(tài)多次翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。圖7-12下降沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器邏輯符號圖示任務(wù)2JK觸發(fā)器邏輯功能測試

任務(wù)實(shí)施二、仿真測試本次任務(wù)是針對JK觸發(fā)器的邏輯功能進(jìn)行仿真測試，仿真中選用負(fù)沿觸發(fā)的74LS76D進(jìn)行邏輯功能測試。1）查找74LS76D的引腳圖示和工作原理等有關(guān)資料以作備用。2）在Multisim中按照圖7-14接線，選擇指示燈接到輸出端，選擇4通道示波器觀察時鐘脈沖輸入端信號及輸出信號波形，根據(jù)波形顯示及指示燈狀態(tài)總結(jié)觸發(fā)器邏輯功能3）在表7-5功能表中，將觸發(fā)器輸出狀態(tài)寫入，并總結(jié)JK觸發(fā)器邏輯功能。23一、測試準(zhǔn)備1.一臺計(jì)算機(jī)2.Multisim仿真軟件任務(wù)2JK觸發(fā)器邏輯功能測試

任務(wù)實(shí)施圖7-14JK觸發(fā)器仿真測試圖24

任務(wù)3D觸發(fā)器邏輯功能測試

任務(wù)分析實(shí)際應(yīng)用中，為適應(yīng)單端信號輸入的情況，將同步RS觸發(fā)器的兩個輸入端之間接入一個非門，并將此單個輸入端定義為D，則構(gòu)成了D觸發(fā)器。本任務(wù)通過仿真測試D觸發(fā)器邏輯功能，了解其電路結(jié)構(gòu)，掌握D觸發(fā)器的性能。25

任務(wù)3D觸發(fā)器邏輯功能測試

知識鏈接D觸發(fā)器的學(xué)習(xí)分兩部分，分別是電平觸發(fā)的D觸發(fā)器與邊沿D觸發(fā)器，兩者邏輯功能一樣。如圖7-16所示。26（a）電路結(jié)構(gòu)

（b）邏輯符號圖7-16D觸發(fā)器邏輯圖和邏輯符號任務(wù)3D觸發(fā)器邏輯功能測試一、同步D觸發(fā)器:當(dāng)時鐘脈沖輸入端由0躍變?yōu)?時，其次態(tài)改編為D的狀態(tài)相同；當(dāng)時鐘脈沖輸入端由1躍變到0時，觸發(fā)器保持原態(tài)不變。其特性表如表7-6所示。表7-6同步D觸發(fā)器特性表27DQnQn+1000010101111任務(wù)3D觸發(fā)器邏輯功能測試一、同步D觸發(fā)器:28

圖7-17D觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖任務(wù)3D觸發(fā)器邏輯功能測試二、邊沿D觸發(fā)器:29邊沿D觸發(fā)器邏輯符號如圖7-18所示，信號輸入端定義為D，圖中“”表示該觸發(fā)器是在CP的上升沿觸發(fā)，則觸發(fā)器次態(tài)變化取決于CP信號上升沿到達(dá)前一瞬輸入信號的狀態(tài)，即只有當(dāng)CP到達(dá)時，電路接收來自輸入端D的信號進(jìn)而改變狀態(tài)。邊沿D觸發(fā)器在一個時鐘脈沖作用區(qū)間內(nèi)，僅有一個上升沿，克服空翻現(xiàn)象，使得電路按照時鐘節(jié)拍工作。另外其邏輯功能、特性表、特性方程也與上述相同。圖7-18邊沿D觸發(fā)器邏輯符號任務(wù)3D觸發(fā)器邏輯功能測試

任務(wù)實(shí)施二、仿真測試本次任務(wù)是針對集成邊沿D觸發(fā)器的邏輯功能進(jìn)行仿真測試，仿真中選用上升沿有效的74LS74D進(jìn)行邏輯功能測試。1）查找74LS74D的引腳圖示和工作原理等有關(guān)資料以作備用。2）在Multisim中按照圖7-20接線，選擇指示燈測試觸發(fā)器的輸出狀態(tài)3）在表7-7功能表中，將觸發(fā)器輸出狀態(tài)寫入，并總結(jié)D觸發(fā)器邏輯功能，驗(yàn)證其特征方程。30一、測試準(zhǔn)備1.一臺計(jì)算機(jī)2.Multisim仿真軟件任務(wù)3D觸發(fā)器邏輯功能測試

任務(wù)實(shí)施圖7-20D觸發(fā)器仿真測試31

知識擴(kuò)展之T觸發(fā)器

圖7-21T觸發(fā)器邏輯符號32將JK觸發(fā)器的兩個輸入端連接在一起，并將此輸入端定義為T，即J=K=T,則根據(jù)JK觸發(fā)器的特性可知，當(dāng)T=0時，CP到達(dá)后，觸發(fā)器狀態(tài)保持不變，當(dāng)T=1時，每到達(dá)一個CP信號，則觸發(fā)器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次，具備以上特性的觸發(fā)器稱T觸發(fā)器。T觸發(fā)器的邏輯符號如圖7-21所示。

知識擴(kuò)展之T觸發(fā)器33

T000011101110

知識擴(kuò)展之觸發(fā)器間轉(zhuǎn)化

34將JK、SR、D、T觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)、特性表進(jìn)行對比，在實(shí)際應(yīng)用中，可通過電路連接或添加門電路的方式，將某種觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為具備另一種邏輯功能的觸發(fā)器。例如：在需要T觸發(fā)器時，可以將JK觸發(fā)器的兩個輸入端J和K連接在一起作為T輸入端即可；當(dāng)需要SR觸發(fā)器時，只需要將JK觸發(fā)器的兩個輸入端當(dāng)作S和R輸入端使用，即可實(shí)現(xiàn)RS觸發(fā)器邏輯功能；在需要D觸發(fā)器時，只需要在J和K輸入端之間加入非門即可實(shí)現(xiàn)D觸發(fā)器邏輯功能。此外，也可將D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為JK觸發(fā)器、T觸發(fā)器等。實(shí)訓(xùn)7密碼電子鎖設(shè)計(jì)

7.1設(shè)計(jì)目標(biāo)7.2設(shè)計(jì)要求（1）選用合適的觸發(fā)器（2）所設(shè)計(jì)電路能滿足設(shè)計(jì)要求（3）熟悉仿真軟件Multisim的使用方式（4）繪制密碼電子鎖電路圖（5）實(shí)現(xiàn)密碼電子仿真測試35（1）掌握觸發(fā)器的實(shí)際應(yīng)用（2）了解密碼電子鎖設(shè)計(jì)流程（3）掌握密碼電子鎖電路設(shè)計(jì)（4）用Multisim仿真軟件對密碼電子鎖進(jìn)行仿真調(diào)試實(shí)訓(xùn)7密碼電子鎖設(shè)計(jì)

7.3設(shè)計(jì)步驟36（1）選用4個上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器74LS74，用指示燈