东南大学数字电路实验第4章时序逻辑电路

^.东南大学电工电子实验中心实验报告课程名称：数字逻辑电路设计实践第4次实验实验名称：基本时序逻辑电路院（系）：信息科学与工程学院专业：信息工程姓名：学号：实验室:实验组别：同组人员：无实验时间：评定成绩：审阅教师：^.时序逻辑电路一、实验目的1.掌握时序逻辑电路的一般设计过程；2.掌握时序逻辑电路的时延分析方法，了解时序电路对时钟信号相关参数的基本要求；3.掌握时序逻辑电路的基本调试方法；4.熟练使用示波器和逻辑分析仪观察波形图，并会使用逻辑分析仪做状态分析。二、实验原理1.时序逻辑电路的特点（与组合电路的区别）：——具有记忆功能，任一时刻的输出信号不仅取决于当时的输出信号，而且还取决于电路原来的值，或者说还与以前的输入有关。2.时序逻辑电路的基本单元——触发器（本实验中只用到D触发器）触发器实现状态机（流水灯中用到）3.时序电路中的时钟1)同步和异步（一般都是同步，但实现一些任意模的计数器时要异步控制时钟端）2)时钟产生电路（电容的充放电）：在内容3中的32768Hz的方波信号需要自己通过电路产生，就是用到此原理。4.常用时序功能块1)计数器（74161）a)任意进制的同步计数器：异步清零；同步置零；同步置数；级联b)序列发生器——通过与组合逻辑电路配合实现（计数器不必考虑自启动）2)移位寄存器（74194）a)计数器（一定注意能否自启动）b)序列发生器（还是要注意分析能否自启动）三、实验内容1.广告流水灯a.实验要求用触发器、组合函数器件和门电路设计一个广告流水灯，该流水等由8个LED组成，工作时始终为1暗7亮，且这一个暗灯循环右移。①写出设计过程，画出设计的逻辑电路图，按图搭接电路。②将单脉冲加到系统时钟端，静态验证实验电路。③将TTL连续脉冲信号加到系统时钟端，用示波器和逻辑分析仪观察并记录时钟脉冲CLK、触发器的输出端Q2、Q1、Q0和8个LED上的波形。b．实验数据①设计电路。1）问题分析流水灯的1暗7亮对应8个状态，故可采用3个触发器实现；而且题目要求输出8个信号控制8个灯的亮暗，故可以把3个触发器的输出加到3-8译码器的控制端，对应的8个译码器输出端信号控制8个灯的亮暗。^.2）设三个触发器输出端状态为Q2Q1Q0，则状态图如下状态转换卡诺图：10nnQQ2nQ0001111000010101000111101110000111每个输出端状态转换卡诺图为：12nQ11nQ10nnQQ2nQ00011110000101110110nQ根据卡诺图得到逻辑表达式:122101110100()nnnnnnnnnQQQQQQQQQ3）根据以上分析设计出最终电路图如下：10nnQQ2nQ00011110001011010110nnQQ2nQ000111100100111001^.②静态验证③动态验证波形记录：2.序列发生器实验要求用触发器设计一个具有自启动功能的01011序列发生器。1)写出设计过程，画出设计的逻辑电路图。AnBnCnDnAn+1Bn+1Cn+1Dn+10101101110110110011011011101101010100101用Multisim进行化简处理，得：An+1=BnBn+1=Cn^.Cn+1=DnDn+1=An'+Dn'=（An+Dn）'2)按图搭接电路，将单脉冲加到系统时钟端，静态验证实验电路。3)将TTL连续脉冲信号加到系统时钟端，用示波器和逻辑分析仪观察并记录时钟脉冲CLK、触发器的输出端上的波形。3.智力竞赛抢答器^.4.简易数字钟实验要求：设计一只只有小时和分钟功能的简易数字钟，输入时钟脉冲周期为1min，四位数码管用于显示，高位用于显示小时，低位用于显示分钟。设计电路图如下：实验中遇到的困难及解决过程：1)实际电路时，不能单纯的只想着设计60-24的计数器，这样容易分解成6*10和3*8,但因要用电子数码管输出，就只能分解为10*6（顺序）和20+3，就要用到7420，级联方式不一样。2)电子数码管输出时，如不考虑74161置零的延迟，就会出现先有19分，再有10分、11分···的情况，所以必须考虑74161的置零的延迟，故需给74161的时钟加非门。（实际的芯片没有非门，故不用处理这个延迟，不用再加非门）3)74161与数码管连接时注意高低位的连接顺序，否则会出现乱码。4)测试的时候要各种情况都测试到。我开始测试的时候，没有测试到23:59的情况，后来发现时钟到23:59后不置零，设计存在缺陷，又重新设计最后才做对.5)实际测试时会有开始置零不对、线接触不好等因素影响实验结果，要仔细排查才能得出正确结论。5.序列发生器a.实验要求分别用MSI计数器和移位寄存器设计一个具有自启动功能的01001序列信号发生器。①写出设计过程，画出电路逻辑图。②搭接电路，并用单脉冲静态验证实验结果。③加入TTL连续脉冲，用双踪示波器和逻辑分析仪观察并记录时钟脉冲CLK、序列输出端的波形。b.实验数据（一）用MSI计数器设计分钟（低、高位）小时（低、高位）^.①设计电路。1）问题分析：码的长度为5，需要一个模5的计数器，由于计数器自身的特点排除了冗余状态影响，因此不需要考虑自启动问题。3-8译码器的每一路输出，是各地址变量组成函数的一个最小项的反变量，利用其中一部分输出端输出的与非关系，也就是它们相应最小项的或逻辑表达式，能实现各种逻辑函数。将状态表中所有Y=1的项取出来与非，可实现序列发生器的组合逻辑功能。2）状态转换表如下：QCQBQAY00000011010001101001CBACBAYQQQQQQ3）根据以上分析，用计数器74LS161和译码器74LS138加门电路设计电路图如下：4）用Multisim模拟，逻辑分析仪观察波形如下：（从上到下5个波形分别为QA,QB.QC,输出Y及时钟信号）^.可见，输出端即最后一行实现了01001的序列发生器的功能。②静态验证③动态验证波形记录：i.用示波器观察波形（ch1为时钟信号，ch2为输出端）：（二）用移位寄存器设计①设计电路。1）问题分析：顾名思义，移位寄存器的功能便是实现数据的移动。可用其一个输出端输出题目要求的01001的序列，以此结合移位功能可列出状态转换表。列出置数端DSR关于四个输出状态的卡诺图，得到逻辑表达式，再利用门电路实现。2）不妨用右移功能，状态转换表如下：Q3(Y)Q2Q1Q0D-SRSLSR0100101^.1001001001010101010011010001DSR关于四个输出状态的卡诺图:Q3Q2\Q1Q00001111000XXX10110XX11XXXX10X0X0SRD得到逻辑表达式3201SRDQQQQ3）根据以上分析，得到电路图设计如下：5）4）用Multisim模拟，逻辑分析仪观察波形如下：（从上到下5个波形分别为时钟信号,QA,QB,QC,QD，其中QD为最终输出信号）五行波形分别为时钟，移位寄存器的输出端QA~QD及最终输出端（即序列发生端）。^.可见，输出端即最后一行实现了01001的序列发生器的功能。②静态验证③动态验证波形记录：示波器观察波形（上边为时钟信号，下边为输出端信号）：