三位二进制同步减法计数器(无效状态：000、111)电压串联负反馈放大电路

1、课程设计任务书学院信息科学与技术专业自动化学生姓名杨天奇学号0903010614设计题目数字电子设计题目：三位二进制同步减法计数器（无效状态：000、111）序列信号检测器（序列：1110）模拟电子设计题目：电压串联负反馈放大电路内容及要求：1 数字电子部分(1).对三位二进制同步减法计数器进行理论分析与设计；(2).选择适当触发器，在数字电子实验平台上进行连接和测试结果。2 模拟电子部分(1).采用Multisim 仿真软件建立电路模型；(2).对电路进行理论分析、计算；(3).在Multisim环境下分析仿真结果，给出仿真波形图。进度安排：第一周：数字电子设计第1天：a) 布置课程设计题目

2、及任务。b) 查找文献、资料，确立设计方案。第23天：1. 按既定方案设计电路。2. 对设计电路进行理论分析、计算。3. 在Multisim环境下仿真电路功能，修改相应参数，分析结果的变化情况。第4天：按所画原理图在实验室进行电路的连接，并检验是否正确。第5天：1. 课程设计结果验收。2. 针对课程设计题目进行答辩。3. 完成课程设计报告。第二周：模拟电子设计第1天：1.布置课程设计题目及任务。2.查找文献、资料，确立设计方案。第23天：1. 安装multisim软件，熟悉multisim软件仿真环境。2. 在multisim环境下建立电路模型，学会建立元件库。第4天：1. 对设计电路进行理论

3、分析、计算。2. 在multisim环境下仿真电路功能，修改相应参数，分析结果的变化情况。第5天：1. 课程设计结果验收。2. 针对课程设计题目进行答辩。3. 完成课程设计报告。指导教师（签字）： 年 月 日分院院长（签字）：年 月 日目录1. 数字电子设计部分11.1课程设计的目的与作用11.2设计任务：11.2.1同步计数器11.2.2串行序列信号检测器11.3设计原理：21.3.1同步计数器21.3.2串行序列信号检测器21.4实验步骤：31.4.1同步计数器：31.4.2串行序列检测器61.5设计总结和体会91.6参考文献102模拟电子设计部分112.1课程A设计的目的与作用112.1

4、.1课程设计112.2 设计任务、及所用multisim软件环境介绍112.2.1 设计任务：负反馈放大电路的基本框图112.2.2 Multisim软件环境的介绍122.3电路模型的建立152.4理论分析及计算152.4.1电路反馈类型的判断152.4.2对电压串联负反馈电路的理论分析162.5仿真结果分析182.6设计总结和体会232.7 参考文献23I1. 数字电子设计部分1.1 课程设计的目的与作用1 了解同步计数器及序列信号发生器工作原理；2 掌握计数器电路的分析，设计方法及应用；3 掌握序列信号发生器的分析，设计方法及应用；4 学会正确使用JK触发器。1.2设计任务：1.2.1同步

5、计数器1. 使用设计一个循环型3位2进制同步减法计数器，其中无效状态为（000,111），组合电路选用与门和与非门等。2. 根据同步计数器原理设计减法器的电路图。3. 根据电路原理图使用Multisim进行仿真。4. 将电路图进行实际接线操作。5. 检查无误后，测试其功能。1.2.2串行序列信号检测器1. 使用设计一个序列信号检测器，其中序列为（1110），组合电路选用与门和与非门等。2. 根据序列发生检测器原理设计检测器的原理图。3. 根据电路原理图使用Multisim进行仿真。4. 将电路图进行实际接线操作。5. 检查无误后，测试其功能。1.3设计原理：1.3.1同步计数器（1）计数器是用

6、来统计输入脉冲个数电路，是组成数字电路和计算机电路的基本时序逻辑部件。计数器按长度可分为：二进制，十进制和任意进制计数器。计数器不仅有加法计数器，也有减法计数器。如果一个计数器既能完成累加技术功能，也能完成递减功能，则称其为可逆计数器。在同步计数器中，个触发器共用同一个时钟信号。时钟信号是计数脉冲信号的输入端、（2）时序电路的分析过程：根据给定的时序电路，写出各触发器的驱动方程，输出方程，根据驱动方程带入触发器特征方程，得到每个触发器的词态方程；再根据给定初太，一次迭代得到特征转换表，分析特征转换表画出状态图。（3）设计过程：设计流程如图1.3.1所示。 时序逻辑问题状态赋值状态转换图（表）检

7、查能否自启动逻辑图最贱逻辑表达式选定触发器类型 图1.3.1同步时序逻辑电路设计流程 1.3.2串行序列信号检测器序列检测器可用于检测一组或多组由二进制码组成的脉冲序列信号，当序列检测器连续收到一组串行二进制码后，如果这组码与检测器中预先设置的码相同，则输出1，否则输出0。由于这种检测的关键在于正确码的收到必须是连续的，这就要求检测器必须记住前一次的正确码及正确序列，直到在连续的检测中所收到的每一位码都与预置数的对应码相同。在检测过程中，任何一位不相等都将回到初始状态重新开始检测。 1.4实验步骤：1.4.1同步计数器：（1）根据要求有其状态图如下1.4.1.1所示：1101011000110

8、10001/0/0/0/0/0/1/Y排列：Q2nQ1nQ0n图1.4.1.1 减法器的状态图（2）选择触发器，求时钟方程、输出方程、状态方程：选择触发器：由于触发器功能齐全、使用灵活，在这里选用3个CP下降沿触发的边沿JK触发器（74LLS112芯片两个）。求时钟方程：采用同步方案，故取 CP0=CP1=CP2=CP CP是整个要设计的时序电路的输入时钟脉冲。 求输出方程：A确定约束项：由所给题目有无效状态为000、111，其对应的最小项和Q2nQ1nQ0n是约束项。00Q2nQ1nQ0n由图1.4.1.1所示状态图所规定的输出与现态之间的逻辑关系，可以直接画出输出信号Y的卡诺图，如图1.4

9、.1.2所示。101101×00×1000 Q1nQ0n Q2n 0 00 01 11 10 1 图1.4.1.2 Y的卡诺图Y=B.求状态方程：Q1nQ0n 由图1.4.1.1所示状态图所可直接画出如图1.4.1.3所示电路次态Q2n+1Q1n+1Q0n+1卡诺图。再分解开便可得到如图1.4.1.3所示各触发器的卡诺图。10110100Q2n×××110100×××101001010011 01 Q2n101101×00×1101Q1nQ0nQ1nQ0nQ1nQ0n 图 1.4.1.3次态Q2

10、n+1Q1n+1Q0n+1卡诺图00×11×1000Q2n1010111101010000Q2n×10×0001010101 （a） （b） （c） 图1.4.1.4 各触发器次态的卡诺图 （a）的卡诺图 （b）的卡诺图 （c）的卡诺图显然，由图1.4.1.4所示各触发器的卡诺图便可很容易的得到： Q2n+1 = Q2nQ1n = Q1n+1 = = Q0n+1 = + = (3)求驱动方程： JK 触发器的特性方程为： 变换状态方程，并比较特性方程求驱动方程： （4）画逻辑电路图： 根据所选用的触发器和时钟方程、输出方程、驱动方程，便可画出如图所示的逻

11、辑电路图。图1.4.1.5 三位二进制减法器逻辑电路图（5）检查电路能否自启动：将无效状态010、110代入式Y=中进行计算，结果如下：000 /0 100 /1 011（有效状态） 111 /0 000 /1 110 (有效状态）可见，所设计的时序电路能够自启动。（6） 实验仪器：a数字原理实验系统一台；b集成电路芯片：74LS112二片 74LS08一片 74LS00一片。 （7）实验结论：经过实验可知，满足时序图的变化，且可以进行自启动。现态Q n为0，次态Q n+1 与j有关与k无关，即当Q n+1 由0变0时，j=0；Q n+1 由0变1时，j=1。现态Q n 为1，次态Q n+1

12、与k有关与j无关，即当Q n+1 由1变0时，k=1；Q n+1 由1变1时，k=0。1.4.2串行序列检测器(1) 进行逻辑抽象，建立原始状态图：0/11/01/00/01/01/0 S0 S1 S2 S30/00/0 图1.4.2.1 检测器的原始状态图 （2）进行状态分配，画出用二进制数编码后的状态表：a.因状态数M=3，所以n=2；b.进行状态编码，取 C画编码后的状态表，如图1.4.2.2所示：XY000000100010001000101100010000110110011001111110图1.4.2.2 编码后的状态表（3） 选择触发器，求时钟方程、输出方程和状态方程：a选用两

13、个CP下降沿触发的边沿JK触发器；b从用同步方案，即取 c求输出方程，图1.4.2.3是根据图1.4.2.2所示状态图的规定，画出的输出信号Y的卡诺图，由图1.4.2.3可得 d求状态方程，按图1.4.2.2所示状态图得规定，可画出如图1.4.2.4所示的电路次态的卡诺图，图1.4.2.5所示是触发器次态的卡诺图:Q2nQ1nQ0n1011010000000010Q1nQ0n00/000/010/011/011/000/000/101/000011110Q2n 0101 图1.4.2.3 Y的卡诺图 图1.4.2.4 电路次态的卡诺图Q2nQ1nQ0n1011010000011001Q2nQ1

14、nQ0n101101000011100000010001 图1.4.2.5 触发器次态的卡诺图 （a）的卡诺图 （b）的卡诺图（4） 求状态方程和驱动方程：由图1.4.2.5可得状态方程为： JK 触发器的特性方程为： 变换状态方程，并比较特性方程求驱动方程： (5)画逻辑电路图：图1.4.2.6 串行序列检测器的逻辑电路图（6）所设计的检测器均为有效态。有上图可见，设计的电路能够良好的运行。（7）实验仪器：a数字原理实验系统一台；b集成电路芯片：74LS112二片 74LS08一片 74LS00一片 74LS04一片 74LS11一片。1.5设计总结和体会经过本次课设让我们对常用逻辑元器件、

15、数字电路及其系统的分析和设计学习有了进一步的了解和体会，使我又一次获得了数字电子技术方面的基础知识、基础理论和基本技能，为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下坚实基础。数字电子技术课设是学习电子技术的一个重要环节，对巩固理论知识、加深对数字电子技术课程内容的理解，培养理论联系实际的能力起很重要的作用。通过基本仪器的正确使用，元、器件参数测量，电路的连接、调试及故障排除，数据的记录、分析、总结等环节，培养进行科学实验的动手能力，严谨求实的科学研究作风，解决实际问题的能力。为后继的毕业设计乃至就业时的工作技能打下坚实的实践基础。在本次课设中要求我们在掌握基本概念、基本电路、基本分析方法和基本实验

16、技能的基础上，能够进一步深入学习和接受电子技术新发展的能力，以及将所学知识用于本专业的能力。建立起系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和创新意识。在本次课设中，我查阅了许多相关资料，经过多无数次调试、运行、修正等步骤，终于在拼搏数天后得出结果，设计出了串行输入检测器时序电路的电路图，当然也有老师的全方位指导和修改。通过此次时序电路的设计从中我们又一次学习了怎样使用Multisim仿真软件，通过对Multisim仿真软件的学习是我看到平时看不到的情景，很受启发，这次设计中我进一步的了解学习并且掌握了串行输入检测器的原理。对以前学习中存在问题和漏洞进行了思考和补充。1.6参考文献1 数字电子技术

17、简明教程 余孟尝主编 北京：高等教育出版社 2 数字逻辑实验指导书 张丽萍、王向磊主编 沈阳：沈阳理工信息学院数字逻辑实验室3 电子电路实验及仿真 路勇主编 北京：清华大学出版社4 电子电路测试与实验 朱定华主编 北京：清华大学出版社2模拟电子设计部分2.1课程设计的目的与作用1.了解并学会使用Multisim软件；2.掌握NPN型三极管在反馈电路中的应用；3.分析在电压串联负反馈电路中引入级间反馈的区别；4.进行电压串联负反馈放大电路频率响应的测试；5.加深理解电压串联负反馈电路的组成及性能；通过自己动手亲自设计和用Multisim软件来仿真电路，不仅能使我们对书上说涉及到的程序软件有着更进

18、一步的了解和掌握，而且通过计算机仿真，避免了实际动手操作时机器带来的误差，使我们对上课所学到的知识也有更深刻的了解。2.1.1课程设计在Multisim中构建两级电压串联负反馈放大电路，如图2.3.1所示，其中两个三极管均为=100，rbb300，Cbc4pF，Cbe=41pF，通过引入电压串联负反馈前后电路的特性分析其区别。2.2 设计任务、及所用multisim软件环境介绍2.2.1 设计任务：负反馈放大电路的基本框图图2.2.1 2.2.2 Multisim软件环境的介绍NI Multisim 10 是美国NI公司最近推出的电子线路仿真软件的最新版本。NI Multisim 10 用软件

19、的方法虚拟电子与电工元器件以及电子与电工仪器和仪表，通过软件将元器件和仪器集合为一体。它是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。NI Multisim 10 的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用。同时可以新建或扩展已有的元器件库，建库所需元器件参数可从生产厂商的产品使用手册中查到，因此可很方便地在工程设计中使用。NI Multisim 10的虚拟测试仪器表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源等等；还有一般实验室少有或者没有的仪器，如波特图仪、数字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪, 安捷伦多用表，安捷伦示波器、以及泰克示波器等。N

20、I Multisim 10具有详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析、稳态分析等各种电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。它还可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。NI Multisim 10具有强大的Help功能，其Help系统不仅包括软件本身的操作指南，更重要的是包含有元器件的功能说明。Help中这种元器件功能说明有利于使用NI Multisim 10进行CAI教学。利用NI Multisim 10可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验

21、，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可以方便地对电路参数进行测试和分析；可以直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。图2.2.0 Multisim的开始进入界面1. 启动Multisim 10后，将出现如图 2.2.1所示的界面。界面由多个区域构成：菜单栏，各种工具栏，电路输入窗口，状态条，列表框等。通过对各部分的操作可以实现电路图的输入、编辑，并根据需要对电路进行相应的观测和分析。用户可以通过菜

22、单或工具栏改变主窗口的视图内容。图2.2.1 Multisim的菜单界面2. 虚拟仪器及其使用 对电路进行仿真运行，通过对运行结果的分析，判断设计是否正确合理，是EDA软件的一项主要功能。为此，Multisim为用户提供了类型丰富的虚拟仪器，可以从Design工具栏Instruments工具栏，或用菜单命令（Simulation/ instrument）选用这11种仪表，如图 2.2.2所示。在选用后，各种虚拟仪表都以面板的方式显示在电路中。图2.2.2 Multisim虚拟仪表图3. Multisim为用户提供了丰富的元器件，并以开放的形式管理元器件，使得用户能够自己添加所需要的元器件，如图

23、 2.2.3所示的界面。图2.2.3 Multisim元器件界面图 4.将元器件连接成电路 在将电路需要的元器件放置在电路编辑窗口后，用鼠标就可以方便地将器件连接起来。方法是：用鼠标单击连线的起点并拖动鼠标至连线的终点。在Multisim中连线的起点和终点不能悬空。2.3电路模型的建立图2.3.1 电压串联负反馈放大电路的电路原理图2.4理论分析及计算2.4.1电路反馈类型的判断由图2.4.1所示，为了判断放大电路中引入的反馈，假设将输出端交流短路，（即令输出电压等于零），此时并没有信号反馈，所以为电压反馈。反馈信号与输入信号在放大电路输入回路中以电压形式求和（即反馈信号与输入信号串联），所以

24、为串联反馈。利用瞬时极性法，假设加上一个瞬时极性为正的输入电压，如图所示，可以得出，该放大电路为负反馈。所以综上所述，该放大电路为电压串联负反馈放大电路。+图2.4.1 电压串联负反馈放大电路的电路原理图2.4.2对电压串联负反馈电路的理论分析(1)对静态工作点的分析：VT1:图2.4.2.1 电压串联负反馈放大电路的电路静态工作点的理论图（一）UBQ1=UEQ1=UBQ1-UBEQ1=1.3VUCQ1=Vcc-IEQ1Rc1=9V=ICQ1=2-0.7/0.3+1=1mA =VT2:图2.4.2.2 电压串联负反馈放大电路的电路静态工作点的理论图（二）= UEQ2=UBQ2-UBEQ2=2.

25、3VUCQ2=Vcc-IEQ2Rc=7.7V=ICQ2=2.3mA由以上计算可以得出，理论分析值与仿真出的结果完全吻合。（2）对动态工作点的分析：=（）=2.926K=-=128.52= rbe+(1+)Re11Rb11Rb12=1.587K RO=Rc2=2K（3）将开关合上，引入电压串联负反馈2.5仿真结果分析(1)将开关断开，电路中暂不引入级间反馈。 图2.5.1 电压串联负反馈放大电路的输入与输出信号 图2.5.2 万用表的数据参数利用Multisim的直流工作点分析功能，测量无级间反馈时两级放大电路的静态工作点，分析结果如下：图2.5.3 仿真电路静态工作点的分析可见，UBQ1=1.

26、98414V,UEQ1=1.24924V，UCQ1=9.14568V，UBQ2=2.95917V，UEQ2=2.19919V，UCQ2=7.64516V，与理论值相吻合。加上正弦输入电压，利用虚拟示波器可以观察到第一级输出电压波形与输入电压反相，而第二级输出电压波形与输入电压相同，两个放大级的输出波形均无明显的非线性失真，当Ui=4.999mV时，利用虚拟仪表可测得U。=644.624mV。可见，无级间反馈时，两级放大电路总的电压放大倍数为由虚拟仪表测得，当Ui=4.999mV时，Ii=3.149A，则无级间反馈时放大电路的输入电阻为Ri=k=1.587k（2）将图2.3.1中的开关合上，引入

27、电压串联反馈。图2.5.4 电压串联负反馈放大电路的输入与输出信号 图2.5.5 万用表的数据参数加上正弦输入电压，由虚拟示波器看到，同样的输入电压之下，输出电压的幅度明显下降，但波形更好。由虚拟仪表测得，Ui=4.999mV时，U0=50.066mV，则引入电压串联负反馈后，电压放大倍数为说明引入负反馈后电压放大倍数减小了。由虚拟仪表测得，当Ui=4.999mV时，Ii=3.014A时，则=1.659K可见，引入电压串联负反馈后输入电阻提高了，但与无级间反馈时的Ri相比，提高很少，这是由于图2.3.1所示电路中的总的输入电阻为Rif = R´ifRb11Rb12引入电压串联负反馈只是提高了反馈环路内的输入Rif，而Rb11和Rb12不在反馈环路内，不受影响，因此总的输入电阻Rif提高不多。将负载电阻R开路，测得=51.793mV，则Rof=（）RL=()×2=0.068989可见，引入电压串联负反馈后，输出电阻降低了。（3）电压串联负反馈放大电路频率响应的测试在图2.3.1所示的仿真电路中，首先将开关打开，利用Multisim的交流分析