第五章 數(shù)字電路設計實例

數(shù)字電路設計實例第五章目錄110序列檢測器電路分析RAM存儲器電路分析競賽搶答器電路分析——數(shù)字單周期脈沖信號源與數(shù)字分析110序列檢測器電路分析設計任務利用數(shù)電的基礎知識和PROTEUS軟件設計一個序列編碼檢測器，當檢測到輸入信號出現(xiàn)110序列編碼（按照自左至右的順序）時，電路輸出為1，否則輸出為0設計思路①由給定的邏輯功能建立原始狀態(tài)圖和原始狀態(tài)表

②狀態(tài)簡化

③狀態(tài)分配

④選擇觸發(fā)器類型

⑤確定激勵方程和輸出方程

⑥畫出邏輯圖并檢查自啟動能力110序列檢測器電路分析建立原始狀態(tài)圖和原始狀態(tài)表表5-1110序列檢測器的原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換表圖5-1110序列檢測器原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖110序列檢測器電路分析狀態(tài)化簡觀察110序列檢測原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換表中的S1與S4可得出，當A=0，和A=1時，分別具有相同的次態(tài)及相同的輸出，因此S1與S4存在等價狀態(tài)，故可以對原始狀態(tài)表進行化簡表5-2化簡后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表110序列檢測器電路分析狀態(tài)分配當輸入信號A=1時，有S1→S2→S3的變化順序，當A=0的時候，又有S3→S1的變化，綜合這兩方面，這里采取00→01→11→00的變化順序，能使其中的組合電路變得簡單。于是選用S1=00，S2=01，S3=11圖5-2110序列檢測器的狀態(tài)分配圖110序列檢測器電路分析觸發(fā)器的選擇采用了小規(guī)模集成觸發(fā)芯片JK觸發(fā)器表5-3JK觸發(fā)器的特征表特性方程：110序列檢測器電路分析確定激勵和輸出方程組表5-4JK觸發(fā)器的激勵表根據(jù)化簡和推導得出的激勵方程組以及輸出方程表5-5

真值激勵表110序列檢測器電路分析根據(jù)真值表設計邏輯電路圖（1）首先在原理圖添加元器件，單擊“Component”圖標，點擊“P”按鈕，從彈出的選取元器件對話框中選擇110序列檢測器電路仿真元器件（2）將仿真元器件添加到對象選擇器（3）選中對象選擇器中的仿真元器件，在編輯窗口點擊鼠標左鍵放置仿真元器件，放置數(shù)字時鐘信號源、數(shù)字模式信號源及電壓探針，設置CP的時鐘模式為High-Low-HighClock，第一個邊沿發(fā)生的時刻FirstEdgeAt為0，頻率Frequency(Hz)為1Hz，設置INPUT的脈沖寬度Pulsewidth（Secs）為1s，可將位模式選擇為特定脈沖序列，并輸入一串脈沖序列表5-6

仿真元器件信息110序列檢測器電路分析系統(tǒng)仿真

圖5-3110序列檢測器的邏輯電路圖圖5-4

仿真結(jié)果圖從電路仿真圖可知，當有時鐘脈沖觸發(fā)并且輸入為110時，輸出會產(chǎn)生一個相應的脈沖，實現(xiàn)了序列檢測的功能RAM存儲器電路分析設計任務利用數(shù)電的基礎知識和PROTEUS軟件模擬仿真一個2K8RAM存儲器的存儲和讀取過程，將數(shù)據(jù)存入相應的地址并能夠在讀取模式將數(shù)據(jù)讀取出來設計原理

2K8RAM的簡介

2K8RAM是可存儲2048個8位二進制數(shù)的電可擦除可編程隨機存取器。常用的SRAM集成芯片有6116(2K×8位)，6264(8K×8位)，62256(32K×8位)，2114(1K×4位)。在ProteusISIS中選擇一個2K8的靜態(tài)存儲器6116。HM6116是一種2K×8位的高速靜態(tài)CMOS隨機存取存儲器，具有高速、低功耗、與TTL兼容的特點，完全靜態(tài)，不需時鐘脈沖與定時選通脈沖。HM6116有11條地址線（A0~A10）、8條數(shù)據(jù)線（I/O1~I/O8）、1條電源線、1條接地線GND和3條控制線——片選信號CE、寫允許信號WE和輸出允許信號OE（3條控制線低電平有效）。RAM存儲器電路分析

RAM讀寫電路（1）在PROTEUS原理圖界面單擊“Component”圖標，點擊“P”按鈕，從彈出的選取元器件對話框中選擇RAM存儲器讀寫電路仿真元器件（2）將仿真元器件添加到對象選擇器（3）選中對象選擇器中的仿真元器件，在編輯窗口點擊鼠標左鍵放置仿真元器件表5-6

仿真元器件信息圖5-5

RAM存儲器讀寫電路RAM存儲器電路分析系統(tǒng)仿真寫操作打開電源開關(guān)，調(diào)試電路，單擊“邏輯狀態(tài)”調(diào)試元器件的活性標識即可實現(xiàn)對信號“0”、“1”狀態(tài)的設置。先令E鍵置“0”，此時為低電平寫狀態(tài)，紅色指示燈點亮。用A～D鍵編輯一個地址，撥碼開關(guān)置ON，用0～7個數(shù)字鍵編輯一組數(shù)據(jù)存入，并作紀錄（存儲一組數(shù)據(jù)后要使E鍵置“1”）；再編輯第2個地址，重復上述操作，編輯第2個數(shù)據(jù)存入，也做記錄；照此方法存入若干個數(shù)據(jù)

圖5-6

RAM寫入狀態(tài)仿真RAM存儲器電路分析系統(tǒng)仿真讀操作

對存儲的數(shù)據(jù)進行讀取操作。將E鍵置“1”，此時為高電平讀取狀態(tài)，紅燈熄滅，轉(zhuǎn)為讀取狀態(tài)，撥碼開關(guān)置OFF。任意選取曾經(jīng)用過的地址，對照記錄，看讀取得到數(shù)據(jù)是否一致。從而驗證其功能。關(guān)閉電源。再次打開，所有存儲數(shù)據(jù)全部丟失

圖5-7

RAM讀取狀態(tài)仿真競賽搶答器電路分析——數(shù)字單周期脈沖信號源與數(shù)字分析設計任務本次設計以四人搶答電路為例。四人參加比賽，每人一個按鈕，其中一人按下按鈕后，相應的指示燈點亮，并且其他人按下的按鈕不起作用設計原理

以74LS171四D觸發(fā)器為核心器件設計四人競賽搶答電路，74LS171內(nèi)部包含了四個D觸發(fā)器，各輸入、輸出以序號相區(qū)別，并且包含清零端。圖5-8

74LS171管腳圖競賽搶答器電路分析——數(shù)字單周期脈沖信號源與數(shù)字分析圖5-9

74LS171四D觸發(fā)器為核心器件設計的四人競賽搶答電路

競賽搶答器電路分析——數(shù)字單周期脈沖信號源與數(shù)字分析競賽搶答器電路搭建（1）首先在電路原理圖界面添加元器件，點選“Component”圖標，單擊“P”按鈕，從彈出的選取元器件對話框中選擇競賽搶答器電路仿真元器件（2）將仿真元器件添加到對象選擇器（3）使用文本文本編輯（textscripts）標注電路。單擊工具箱中的TextScriptMode圖標，在期望放置標注的位置點擊鼠標左鍵，將出現(xiàn)EditScriptBlock對話框，在Text區(qū)域鍵入文本后，點擊OK按鈕，完成script的編輯表5-7

仿真元器件信息（RS觸發(fā)器電路分析）競賽搶答器電路分析——數(shù)字單周期脈沖信號源與數(shù)字分析數(shù)字時鐘信號源及數(shù)字單周期脈沖信號源編輯在電路中添加數(shù)字時鐘仿真輸入源，設置數(shù)字時鐘信號源的頻率為1kHz，時鐘模式ClockType為Low-High-LowClock。放置數(shù)字單周期脈沖信號源，并將數(shù)字單周期脈沖信號源與74LS171的清零引腳相連，設置單周期脈沖信號源的脈沖極性PulsePolarity為負脈沖NegativePulse，起始時刻StartTime（Secs）為0s，脈寬PulseWidth(Secs)為500ms，起到清零的作用。圖5-10競賽搶答器仿真電路競賽搶答器電路分析——數(shù)字單周期脈沖信號源與數(shù)字分析系統(tǒng)仿真及電路分析（1）當按下#1鍵后，D1發(fā)光二極管點亮，同時系統(tǒng)的時鐘輸入端被鎖定。在上述情形下，按動其他按鍵，系統(tǒng)不響應動作。（2）改變限流電阻，觀察指示燈的變化。限流電阻的作用減小負載端電流，在發(fā)光二極管一端添加一個限流電阻可以減小流過發(fā)光二極管的電流，防止損壞。由比較可以得出，限流電阻越小，指示燈越亮。（3）改變下拉電阻觀察指示燈變化。由于TTL門電路的特點是當懸空時為高電平，TTL電路規(guī)定高電平閾值大于3.4V，如果要加高電平信號的話，必須要保證輸入電壓大于3.4V。通過電路計算理論上當串聯(lián)大于1.4kΩ的電阻時，輸入端呈現(xiàn)高電平。因此當輸入端串聯(lián)5kΩ電阻后，再輸入低電平，輸入端呈現(xiàn)高電平，而實際中需要串聯(lián)小于2.4kΩ的電阻，輸入的低電平才會被識別。競賽搶答器電路分析——數(shù)字單周期脈沖信號源與數(shù)字分析利用灌電流和或非門設計競賽搶答器選用74HC175作為4D觸發(fā)器，利用灌電流驅(qū)動LED，這就導致LED燈連接74HC175的一端的輸入要為低電平，才能使LED燈亮。又為了使一個按鍵按下后，其他按鍵不起作用，這就得使用或非門連接電路圖5-11灌電流和或非門競賽搶答器競賽搶答器電路分析——數(shù)字單周期脈沖信號源與數(shù)字分析搭建電路原理圖及仿真分析（1）在PROTEUS原理圖左邊編輯區(qū)點選“Component”圖標，單擊“P”按鈕，從彈出的選取元器件對話框中選擇競賽搶答器電路仿真元器件（2）選中對象選擇器中的仿真元器件，在編輯窗口單擊鼠標左鍵放置仿真元器件，并連接電路（3）與之前的競賽搶答器輸入信號相同，時鐘信號（CLK）為下降波，脈沖寬度為500ms。U2：B輸入信號為“High-Low-High”類型的脈沖，頻率為1kHz表5-8

仿真元器件信息（競賽搶答器電路分析）競賽搶答器電路分析——數(shù)字單周期脈沖信號源與數(shù)字分析系統(tǒng)仿真及電路分析拉電流和灌電流是衡量電路輸出驅(qū)動能力的參數(shù)，由于數(shù)字電路的輸出只有高、低（0、1）兩種電平值，高電平輸出時，一般是對負載提供電流，其提供電流的數(shù)值叫“拉電流”；低電平輸出時，一般要吸收負載的電流，其吸收電流的數(shù)值叫“灌電流”?；蚍情T的定義是當輸入都為低電平時，輸出才為高電平。在按下#1時，D0為高電平，