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。 写出设计过程，画出设计的逻辑电路图，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。 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 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：0001111000010101000111101110000111每个输出端状态转换卡诺图为： 000111100001011101000111100010110101 000111100100111001根据卡诺图得到逻辑表达式:3） 根据以上分析设计出最终电路图如下： 静态验证 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+1B n+1C n+1D n+10101101110110110011011011101101010100101用Multisim进行化简处理，得：An+1=BnBn+1=CnCn+1=Dn Dn+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。分钟（低、高位）小时（低、高位）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。 写出设计过程，画出电路逻辑图。 搭接电路，并用单脉冲静态验证实验结果。 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 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：QCQBQAY00000011010001101001 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。 静态验证 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 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-SRSLSR01001011001001001010101010011010001DSR关于四个输出状态的卡诺图:Q3Q2Q1Q00001111000XXX10110XX11XXXX10X0X0 得到逻辑表达式 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