时序电路实验系统研究报告

1、-. z理工大学成人高等学历教育毕业设计(论文)时序电路实验系统与研究学 院 学 号姓 名 专 业 学历层次 学习形式 学习年限 学习地点 指导教师 完成日期 2021年9月6日-. z时序电路实验系统与研究摘 要随着多媒体技术的日趋成熟与稳定，在教育方面，它以强大的功能成为教学的主要辅助工具。通过各种多媒体辅助工具数字电子技术实验系统开发的根底上，进展多媒体技术开发和研究，对根本单元电路时序电路触发电路、计数、译码和显示、存放器和移位存放器、施密特触发器进展系统的组合式构造的设计，并具有系列化多功能的实验操作性的特点，使实验室数字电子实验方面的实验模式和实验手段有一个系统的改变和提高，同时在

2、整个多元化的数字电子电路设计中，对单元电路进展深化研究。使初学的使用者在本系统实验中可以完成验证性、设计性，开发性的实验。其中Multisim仿真软件对于虚拟电子与及其元器件，虚拟仪器和仪表，实现了软件即元器件，软件即仪器，是一个具有数字电子电路的设计，电路功能测试的虚拟仿真软件。在如今这个微电子世界来说，进展零本钱的实验零本钱的风险实验，Multisim仿真软件给我们带来的利益是无穷大的。关键词：数字电子技术 Multisim仿真软件-. zSequential circuit e*periment system and researchABSTRACTWith the maturing o

3、f multimedia technology and stability, in terms of education, it with strong function bee the main teaching AIDS. Au*iliary tool through a variety of multimedia digital electronic technology e*periment, on the basis of system development, multimedia technology research and development, the basic uni

4、t circuit timing circuit, trigger circuit, counting, decoding and display, and shift registers, Schmitt trigger) for the design of system of modular structure, and has the characteristics of series multifunctional e*perimental operational, the digital electronic laboratory e*periments of e*perimenta

5、l model and e*perimental means there is a change and improve in the system, at the same time in the diversified digital electronic circuit design, to deepen the research unit circuit. The novice users in .Key word: Digital electronic technology Multisim simulation software-. z目 录第1章绪论11.1 课题背景及意义21.

6、2课题的设想及设计方法2第2章 系统理论分析32.1时序逻辑电路3触发器4常用时序逻辑电路5时序逻辑电路的设计52.2 脉冲的产生于整形电路72.2.1 脉冲波形的整形7555集成定时器7第3章 Ni Multisim仿真的制作93.1 Multisim的实际应用9第4章 实验报告154.1实验一 触发器电路及功能转换154.2实验二 存放器、移位存放器和计数器174.3实验三 时序逻辑电路的设计194.4实验四 计数、译码和显示20实验总结22参考文献23-. z第1章 绪论随着科学技术的进步，各种电子产品层出不穷，这些新产品的根底都离不开数字电子技术。实验教学是电气、信息、自动化类专业根底

7、课程中的重要环节，与专业教学严密结合，对培养学生理论联系实际的能力具有重要的作用。虽然组合逻辑电路能够很好的处理像加，减等这样的操作，但是要独立使用组合逻辑电路，使操作按照一定的顺序执行需要串联许多组合逻辑电路，而要通过硬件实现这种电路代价是很大的，并且灵活性也很差，为了试验一种很有效而且灵活的操作系列，我们需要构造一种能够存储各种操作之间的信息的电路，我们则称之为时序电路。为了的改善根底性实验的教学模式，使学生能在根底性实验中理解和稳固根本知识理论，训练和掌握实验技能。但是实验教学比拟死板教师在上面教，学生在下面听的比拟抽象，当学生自己做的时候往往会遇到很多麻烦。虽然教师会让同学们预习，但是

8、效果并不是好。因此我们通过Multisim仿真，让学生们直观的观察逻辑电路运行时各个关键点的波形变化，加深了理解，同时也提高了实验效果。在数字电子电路的典型实验中，通过Multisim让同学们必须自己动手连接元器件，得到自己想要的实验电路图，而教师则可以通过多媒体数字电子电路实验的多媒体教学来指导每个学生的缺乏，既提高效率又可以减少上课的负担。1.1 课题背景及意义从自身在学校上课的经历来看，在现有的根底性实验教学模式下，由于受到场地和设备的影响，缺乏生动形象的表达形式。实验课程是需要自己预习的，可是现在没有针对预习的一些资料，当在预习中遇到问题是就比拟麻烦。因此利用现有的计算机技术设计一个基

9、于PowerPoint和电路仿真软件NI multisim的多媒体系统，通过文字，图像，动画来演示动态的数字电子实验，对提高实验教学质量的意义如下：1.整合数字电子实验的模式与手段为统一的系统。使之具有系列化，多功能的实验操作性。在原来的数电实验箱上配合例如的幻灯片，以期到达生动简洁的说明效果。2.在系统的单一单元电路设计中，深化研究，使初学者在系统实验中自行完成验证性、设计性、开发性的实验。理解和稳固根底知识与理论，训练掌握根本技能。培养独立分析问题与解决问题的能力和严谨的工作作风。3.系统采用电子文档，利用幻灯片教学，摈弃传统的文本备课，具有简单直观的特点。同时，课程容的修改、添加和删除都

10、可以在计算机上完成。设想中，教师可以依托校园网将实验指导发布在网络上，成为共享资源，也能为每个学生定制不同的实验方案。1.2 课题的设计方法我们在指导教师的指导下，决定在数字实验系统开发的根底上，进展多媒体技术开发和研究，通过查找多媒体设计书籍，收集数字实验数据，了解和掌握整个多媒体设计的要求和目的。结合电路、电子、计算机单片电路的根底知识，对根本单元电路常用电子仪器的使用、组合逻辑、数据选择器、数字比拟器、译码器、计数器进展研究，整理并设计典型的数字实验，并使之具有系列化多功能的实验操作性的特点，使实验室数字电子实验的实验模式和手段有一个系统的改变和提高，通过与指导教师的沟通，具体设计方案如

11、下：我将进展时序逻辑电路的理论分析及利用Multisim进展仿真模拟实验设计。第2章 系统理论分析观察自然界中形形色色的物理量时不难发现，尽管性质各异，但就变化规律来说，不外乎两大类。其中一类物理量的变化在时间和数量上都是连续的，这类物理量叫模拟量，表示模拟量的信号叫模拟信号，工作在模拟信号下的电子电路称为模拟电路。另一类物理量的变化都是离散的，同时他们的数值大小和每次的增减变化都是*个最小数量单位的整数倍。这类物理量叫数字量，表示数字量的信号叫数字信号，工作在数字信号下的电子电路称为数字电路。根据逻辑功能的不同特点，可以把数字电路分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。在组合逻辑电路中，任一时刻的输

12、出信号仅取决于当时的输入信号。而在时序逻辑电路中，任一时刻的输出信号不仅取决于当时的输入信号，还与前一时刻电路的状态有关。它主要由存储电路和组合电路两局部组成，组合电路的根本单元是门电路，存储电路的根本单元是触发器。在这里，只讨论时序逻辑实验的原理。2.1 时序逻辑电路时序逻辑电路在电路构造上有两个显著特点。第一，时序电路通常包含组合电路和存储电路，其中存储电路是必不可少的。第二，顺序电路的输出状态必须反应到组合电路的输入端，与输入信号一起，共同决定组合逻辑电路的输出。框图可绘为下列图所示的普遍形式。图2-1 时序电路原理设*为现在的输入，q为现在的状态，z为现在的输出，它们之间具有如下关系z

13、=w*，qw表示函数，w为输出函数。因为下一个状态是由现在的状态和现在的输入所决定的，则q=*，q 这里表示状态转移函数。q都是表示现在的状态，*也表示现在的输入，这些公式的左边是仅由现在信号所决定的。即表示这些式子的逻辑可以构成组合电路。因此顺序电路可由图2-1构成。由于存储电路触发器的动作特点不同，时序电路又分为同步与异步。在同步时序电路中，所有触发器的状态变化都是同一信号操作下的发生的，而在异步时序电路中，触发器状态变化不同时。其实，在分析时序逻辑电路时，只要把状态变量和输入信号一样当作逻辑函数的变量处理，则仍然可以运用一些组合电路的运算方法。不过，由于任何时候的状态变量的取值都与历史情

14、况有关，所以分析要复杂一些。为此要引入新的表示方法和分析方法。用输出方程、驱动方程和状态方程来描述时序电路逻辑功能。用状态转换图来描述电路状态转换全过程。触发器能够存储1位二值信号的根本单元电路统称为触发器。为实现记忆1位二值信号的功能，触发器必须具备两个根本特点：1.具有两个能自行保持的稳定状态，用来表示逻辑状态的0和1。2.根据不同的输入信号可以置0或1状态。根据触发器逻辑功能细节的不同，可以分为RS触发器、JK触发器、T触发器、D触发器等。此外，根据存储数据原理的不同，触发器还分为静态触发器和动态触发器。静态触发器靠电路状态的自锁存储数据。动态触发器是通过MOS管栅极输入电容上存储电荷来

15、存储数据。由于电路构造形式的不同，带来了触发器各不一样的动作特点。即,同一种电路构造可以做成不同的触发器，反之，同一逻辑功能的触发器可以用不同的构造来实现。RS触发器:特性方程：Qn+1=S+QnRS=0(约束条件)状态转换图JK触发器：特性方程：Qn+1=Jn+Qn状态转换图 D触发器：特性方程：Qn+1=D状态转换图T触发器：特性方程：Qn+1=Tn+Qn状态转换图常用时序逻辑电路存放器：一个触发器可以保存1位二进制数，存放n位二进制数码需要n个触发器。由多个触发器组成的能同时保存多位二进制数据的电路，称为存放器。对于存放器中的触发器只要求他们具有置1、置0的功能，因此无论是同步RS构造触

16、发器，还是主从构造或者边沿触发构造的触发器，都可以组成存放器。移位存放器：移位存放器除了具有存储代码的功能外，还具有移位功能，可以利用移位脉冲使存放的代码左移或右移。因此不但可以用来存放代码，还可以用来实现数据的串行并行转换、数值运算和数据处理等。计数器：计数器在数字系统中应用广泛。不仅用与时钟脉冲计数，还用于分频，产生节拍脉冲和脉冲序列及进展数字运算。可以分为同步和异步两类。按计数器的数字增减分类，可以把计数器分为加法、减法和可逆计数器。按计数器的数字编码方式分类，可以分为二进制计数器、二十进制计数器、循环码计数器等。移位存放型计数器：环形计数器，突出优点为构造简单，缺点是电路状态没有充分利

17、用。扭环形计数器，优点是状态利用率提高一倍，不存在竞争冒险现象。时序逻辑电路的设计设计时序逻辑电路时，其设计结果应该力求简单。采用小规模集成电路时，最简标准是触发器和门电路数目最少，输入端数目最少。采用规模集成电路时，最简标准是集成电路数目最少，种类最少，互相连线最少。设计同步时序逻辑电路，按如下步骤进展：1.名并写入状态转换表；给定的逻辑问题，确定输入变量、输出变量以及电路的状态数。通常取条件作为输入逻辑变量，结果为输出逻辑变量。输出逻辑状态和每个电路状态的含义，并将电路状态顺序编号。列出电路的状态转换表或画出电路的状态转换图。2.化简，假设两个电路状态在一样的输入下有一样的输出，并且转换到

18、同样一个次态去，则称这两个状态为等价状态。显然它们是重复的，可以合并为一个，状态化简的目的就是合并等价状态以求得最简状态转换图。3.分配，首先确定触发器数目为n，时序电路所需M个状态。必须取2n-1U-时输出高电平，反之为低电平。根本RS触发器是时基电路的核心，其输出状态由两个比拟器的输出电平决定，RD为复位端。输出级在逻辑上等于Q端输出。555时基电路的根本应用分为三类。即多谐振荡器、单稳态触发器和RS触发器。施密特触发器: 施密特触发器是脉冲波形变换中常用的一种电路。它在性能上有两个重要特点：1. 输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应

19、的输入电平不同。2. 在电路状态转换时，通过电路部的正反应过程使输出电压波形的边沿变的很陡。在这里通过对实验原理的分析，结合数字实验教学课程安排，将数字实验时序逻辑局部分为以下四个实验：实验一 触发器电路及功能转换实验二存放器、移位存放器和计数器实验三时序逻辑电路的设计实验四计数、译码和显示第3章 NI multisim仿真制作NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的

20、这一问题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。NI Multisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。NI Multisim的特点:1直观的图形界面:整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的； 2丰富的元器件:提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进展编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创立模型等功能，

21、创立自己的元器件。 3强大的仿真能力4丰富的测试仪器5完备的分析手段:它们利用仿真产生的数据执行分析，分析围很广，从根本的到极端的到不常见的都有，并可以将一个分析作为另一个分析的一局部的自动执行。集成LabVIEW和Signale*press快速进展原型开发和测试设计，具有符合行业标准的交互式测量和分析功能。3.1Multisim的实际应用1Jk触发器的仿真分析图3-1 Jk触发器仿真测试电路元器件的选取：1.VCC：place sourcepower_sourceVCC2.：place sourcepower_sourceground，选取电路中的接地3.place electromecha

22、nicalsupplemenntory_cospdt_sb4.触发器74LS76N: place ttl74LS74LS76N5.place indicatorprobeprobe_red6.仪器：信号发生器*FG1，双击翻开设置对话框，讲频率设置为1kHz，波形设置为方波。表3-2 Jk触发器功能表结合图3-1和图3-2进展仿真分析：Reset为异步置0端，set异步置1端，都是低电平有效，所以要使jk触发器工作，上述两个控制端都要接高电平。受时钟脉冲控制的触发器使用时需要注意，时钟触发器有四种触发方式：Cp=1期间均可触发，称为高电平触发，Cp=0期间均可触发，称为低电平触发，Cp由0变1

23、，上升沿触发，Cp由1变0，下降沿触发 2 Jk触发器构成的同步十进制减法计数器，电路设计分析1计数器的概况计数器的种类很多，特点各异。它的主要分类如下。按计数进制分，二进制、十进制、任意进制；按计数增减分加法计数器、减法计数器、加/减法计数器按计数器中触发器翻转是否同步分异步计数器和同步计数器2同步计数器的设计状态图设计计数器的第一步是创立一个状态图。一个状态图给出了计数器在时钟的作用下状态行进的历程。例如图3-3十进制减法的状态图表3-3 十进制减法的状态图次态表 一旦由状态图定义了时序电路，第二部就是推导出次态彪，列出计数器的每一个状态，十进制减法的次态图如下表3-4 真值表触发器转换表

24、表3-5 Jk触发器的转换表通过转换表可以得到jk的每一个状态表3-6卡诺图 卡诺图可以用来确定计数器中每个触发器的j和k的输入所需要的逻辑。每个触发器的j和k输入都有一个卡诺图。表3-7 卡诺图5触发器输入的逻辑表达式通过卡诺图可以得出逻辑式。J3=2*1*0K2=0J2=Q30K2= QUOTE * MERGEFORMAT 1*0 (6)计数器的实现 图3-8 十进制减法的实验仿真第4章 实验报告4.1实验一 触发器电路及功能转换1实验目的：验证根本触发器的逻辑功能，总结测试方法。掌握触发器的分类根本触发器和时钟触发器。掌握时钟触发器不同逻辑功能之间的相互转换。2实验设备：双JK触发器74

25、LS112，双D触发器74LS74，二输入四与非门74LS00，六反相器74LS04，双踪示波器，信号发生器，万用表，数电实验箱。3实验容：逻辑功能验证：JK触发器:选用下降沿触发74LS112双JK触发器，管脚排列如图4-1所示，按图4-2接线，其中1Rd、1Sd、1J、1K分别接逻辑开关K1、K2、K3、K4，1CP接单次脉冲，Q与Q分别接发光二极管，VCC和GND接5V电源的+和-。图4-1 74LS112管脚排列组合图4-2 JK触发器验证电路图D触发器:选用上升沿触发74LS74双D触发器，管脚排列如图4-3所示，按图4-4接线，其中1D、1Rd、1Sd 分别接逻辑开关K1、K2、K

26、3，1CP接单次脉冲，输出端Q与Q分别接发光二极管，VCC和GND接5V电源的+和-。图4-3 74LS74排列图图4-4 D发器验证电路图逻辑功能转换：JKD: 画出逻辑转换电路，并用74LS112，74LS04来实现。测试转换所得的D触发器逻辑功能。将D端分别置0、1，加单个脉冲于CP端，观察触发器状态并且记录。测试异步置位端S及异步复位端R的功能。将S、R及D分别置位010、011、100、101等状态，观察并记录输出。DJK:画出逻辑转换电路，并用74LS74，74LS00，74LS04来实现。测试转换所得的JK触发器逻辑功能。将JK触发器输入端JK分别置位00、01、10、11等状态

27、，加单个脉冲于CP，观察触发器状态并且记录。波形观察:将JK触发器均连接成T触发器，并将其连接成二进制加法计数器。将二个触发器均清零，加四个单脉冲于CP端，观察触发器状态Q1、Q2并且记录。在CP端参加频率为1KHZ，幅度在4V的连续方波脉冲，用示波器观察并绘出CP、Q1、Q2的波形，观察时注意波形翻转前后沿及上下时基须对准。4 出现的问题集成元件使用时应先接电源后接信号。实验完毕后应先撤除信号后断电源。元件管脚相互不可短路，否则会损坏元件。当Multisim中JK触发器的元器件功能不对，需要置零和置一端接一4.2实验二存放器、移位存放器和计数器1实验目的：验证存放器和移位存放器的功能。熟悉移

28、位存放器的逻辑电路和工作原理。进一步了解JK触发器组成的各种单元电路。2实验设备：双JK触发器CC4027，双踪示波器，双脉冲信号发生器，直流稳压电源，直流数字电压表，万用表，数电实验箱。3实验容：同步移位存放器按图3-5连接各级JK触发器成移位存放器，JK触发器上的Q1Q2Q3Q4分别与三极管相连，通过三极管驱动发光二极管显示，灯亮为高电平1，灯暗为低电平0，Rd为清零端。图4-5 移位存放器检查线路，无误后接5V10V直流电压，由信号发生器发出的脉冲作JK触发器的CP计数脉冲，当CP频率为1HZ时借助指示灯用万用表或直流数字电压表测出移位存放器Q1Q2Q3Q4 的电平值，根据电平值记录逻辑

29、状态。当CP频率为10KHZ时，分别用示波器观察JK触发器Q1Q2Q3Q4 端的输出波形，并对应CP计数脉冲描绘下来。扭环移位存放器如图4-5，将A、B两端对调即为扭环移位存放器，步骤同前。通过实验，描绘Q1Q2Q3Q4对应CP波形，借助指示灯记录逻辑状态。二进制计数器将JK触发器按图4-6接成二进制异步计数器，在CP分别为低频1HZ和高频10KHZ时由发光二极管和示波器观察计数器的状态，测出触发器输出电平值及绘出波形并记录。图4-6 二进制异步计数器十进制计数器将JK触发器按图4-7接成十进制同步计数器，在CP分别为低频1HZ和高频10KHZ时由发光二极管和示波器观察计数器的状态，测出触发器

30、输出电平值及绘出波形并记录。图4-7 十进制同步加法计数器8421BCD码异步计数器将JK触发器按图4-8接成8421BCD码异步计数器，在CP分别为低频1HZ和高频10KHZ时由发光二极管和示波器观察计数器的状态，测出触发器输出电平值及绘出波形并记录。图4-8 8421BCD码异步计数器4 出现的问题存放器工作前需要进展清零操作，要找到Multisim中带置位和清零的JK触发器型号，JK触发器的状态不仅和输入的信号有关，他有2个状态，一个是现在的状态，然后输入信号后他又是一个状态。4.3实验三 时序逻辑电路的设计1实验目的：加深对JK触发器逻辑功能的了解。掌握用JK触发器和与非门构成N进制加

31、、减计数器的原理和方法。2实验设备：双JK触发器CC4027，双踪示波器，双脉冲信号发生器，直流稳压电源，直流数字电压表，万用表，数电实验箱。3实验容：三位二进制八进制加法计数器 按图4-9接线成八进制加法计数器。将触发器清零。参加八个单脉冲于CP端，观察各触发器状态Q1、Q2、Q3的变化，并记录。图4-9 八进制加法计数器同步三进制减法计数器按图4-10接线成三进制减法计数器。将触发器置1”。参加三个单脉冲于CP端，观察各触发器状态的变化并记录。用信号发生器在CP端参加频率为1KHZ，幅值为4V的连续方波脉冲，且CP数大于3，用示波器观察并绘出CP、Q2、Q1的波形。图4-10 三进制减法计

32、数器4考前须知：熟悉计数器的工作原理、构造和功能，重点了解各输入端的作用。4.4实验四 计数、译码和显示1实验目的：掌握计数，译码和显示电路的工作原理。测试计数器74LS90，译码器74LS248的逻辑功能。运用74LS90，74LS248和共阴极LED显示器(2ES102)组成数字计数显示单元。2实验设备：74LS90，74LS248，2ES102，示波器，信号发生器。3实验容：把74LS90接成二进制计数器，用示波器观察并记 录时钟脉冲(1KHZ)和输出脉冲波形，并验证二进 制计数器功能。把74LS90接成五进制计数器重复先前的容。把74LS90接成8421码十进制计数器，记录时钟脉冲和QA，QB，QC，QD各点脉冲。把74LS248与2ES102连接成译码显示电路，验证逻辑功能。把74LS90，74LS248与2ES102连接成计数译码显示电