課程設(shè)計(jì)論文基于MATLAB的時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)與仿真

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)：電子科學(xué)與技術(shù) 0602 班指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 基于matlab的時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)與仿真 初始條件： matlab 軟件 微機(jī)要求完成的主要任務(wù): 深入研究和掌握數(shù)字電路中時(shí)序邏輯電路的理論知識(shí)。利用matlab強(qiáng)大的圖形處理功能、符號(hào)運(yùn)算功能和數(shù)值計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)和仿真。1、 以寄存器為例仿真下列波形：并行寄存器輸出波形（以基本rs觸發(fā)器構(gòu)造）；移位寄存器輸出波形（以d觸發(fā)器構(gòu)造）；2、 雙向移位寄存器為例實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和封裝并仿真下列波形：4位雙向移位寄存器并行輸出波形；4位雙向移位寄存器串行右移輸出波形；4

2、位雙向移位寄存器串行左移輸出波形；3、 以扭環(huán)計(jì)數(shù)器為例仿真下列波形：扭環(huán)計(jì)數(shù)器的輸出波形（以jk觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)）； 4、運(yùn)用matlab里的軟件仿真時(shí)序邏輯電路波形。時(shí)間安排：學(xué)習(xí)matlab語(yǔ)言的概況 第1天學(xué)習(xí)matlab語(yǔ)言的基本知識(shí) 第2、3天學(xué)習(xí)matlab語(yǔ)言的應(yīng)用環(huán)境，調(diào)試命令，繪圖能力 第4、5天課程設(shè)計(jì) 第6-9天答辯 第10天指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目 錄摘要 iiabstract 1 matlab軟件簡(jiǎn)介 11.1 matlab簡(jiǎn)介11.2 matlab的功能特點(diǎn)11.3 matlab常用工具箱22設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 321設(shè)計(jì)任務(wù) 32

3、.2設(shè)計(jì)要求33設(shè)計(jì)原理及分析43.1并行寄存器的仿真43.2 移位寄存器的仿真63.3 雙向移位寄存器的仿真93.4 扭環(huán)計(jì)數(shù)器的仿真114總結(jié)14參考文獻(xiàn) 15摘要matlab是一種高性能、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理軟件。它包含科學(xué)計(jì)算、圖像處理、仿真分析等各個(gè)方面，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。本次課程設(shè)計(jì)利用matlab中的m文件與simulink方式完成了對(duì)時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)與仿真，初步了解與掌握了這一技能。課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括了基本rs觸發(fā)器、d觸發(fā)器、jk觸發(fā)器，還包括了由這些基本元件所構(gòu)成的并行輸出寄存器、移位寄存器和扭環(huán)計(jì)數(shù)器。關(guān)鍵詞：matlab 時(shí)序邏輯電路 simulink仿真abstractm

4、atlab is a high-performance language powerful data-processing software . it integrates computation, visualization, and simulation with widw application.the purpose of our training is to strengthen the use of matlab to achieve the handling of the .m files and simulink, including analyzing ,designing

5、and emulating the sequential logic circuit.its content contains rs trigger ,d trigger and jk trigger.besides that , shifter trigger and decimalist counter comprised by those components is important.key words：matlab sequential logic simulink1 matlab軟件簡(jiǎn)介11 matlab簡(jiǎn)介matlab是矩陣實(shí)驗(yàn)室（matrix laboratory）的縮寫(xiě)1，是

6、由美國(guó)的the mathworks公司推出的一種高級(jí)語(yǔ)言。其基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，早期也主要用于現(xiàn)代控制中復(fù)雜的矩陣、向量的各種運(yùn)算。由于 matlab提供了強(qiáng)大的矩陣處理和繪圖功能，編寫(xiě)了許多專門(mén)的工具包如控制系統(tǒng)工具包、系統(tǒng)辨識(shí)工具包、信號(hào)處理工具包、魯棒控制工具包、最優(yōu)化工具包等等，所以一直以來(lái)就是科學(xué)研究者首選的計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)語(yǔ)言。如今它已是一種包羅眾多學(xué)科的功能強(qiáng)大的技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言。matlab以矩陣作為基本編程單元，它提供了各種矩陣的運(yùn)算與操作，并有較強(qiáng)的繪圖功能。matlab集科學(xué)計(jì)算、圖像處理、聲音處理于一身，是一個(gè)高度的集成系統(tǒng)，有良好的用戶界面，并有良好的幫助功能。matlab不僅

7、流行于控制界，在機(jī)械工程、生物工程、語(yǔ)音處理、圖像處理、信號(hào)分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)等各行各業(yè)中都有極廣泛的應(yīng)用。1.2 matlab的功能特點(diǎn):按照功能優(yōu)勢(shì)來(lái)劃分，matalb主要有以下八大優(yōu)點(diǎn)：² 友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境matlab由一系列圖形用戶界面和相應(yīng)的非常簡(jiǎn)單易學(xué)的工具組成。這些工具包括matlab桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著matlab的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級(jí)，matlab的人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡(jiǎn)單。 ² 友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境matlab一個(gè)高級(jí)的距陣/陣列語(yǔ)言，它包含控制語(yǔ)句、函

8、數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。而且這種語(yǔ)言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。² 強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)處理能力matlab是一個(gè)包含大量計(jì)算算法的集合。其擁有600多個(gè)工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而且經(jīng)過(guò)了各種優(yōu)化和容錯(cuò)處理。² 出色的圖形處理功能matlab自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和距陣用圖形表現(xiàn)出來(lái)，并且可以對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動(dòng)畫(huà)和表達(dá)式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計(jì)算

9、和工程繪圖。 ² 應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱matlab對(duì)許多專門(mén)的領(lǐng)域都開(kāi)發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱， 諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)接口、概率統(tǒng)計(jì)、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號(hào)處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識(shí)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、lmi控制、魯棒控制、模型預(yù)測(cè)、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、定點(diǎn)仿真、dsp與通訊、電力系統(tǒng)仿真等。² 實(shí)用的程序接口和發(fā)布平臺(tái)matlab可以利用matlab編譯器和c/c+數(shù)學(xué)庫(kù)和圖形庫(kù)，將自己的matlab程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于matlab運(yùn)行的c和c+代碼。允許用戶編寫(xiě)可

10、以和matlab進(jìn)行交互的c或c語(yǔ)言程序。另外，matlab網(wǎng)頁(yè)服務(wù)程序還容許在web應(yīng)用中使用自己的matlab數(shù)學(xué)和圖形程序。² 應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)（包括用戶界面）在開(kāi)發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個(gè)文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對(duì)性對(duì)起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向excel和hdf5。1.3 matlab常用工具箱:l matlab main toolboxmatlab主工具箱l control system toolbox控制系統(tǒng)工具箱l communication toolbox通訊工具箱l h

11、igher-order spectral analysis toolbox高階譜分析工具箱l image processing toolbox圖象處理工具箱l signal processing toolbox信號(hào)處理工具箱l symbolic math toolbox符號(hào)數(shù)學(xué)工具箱2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求21 設(shè)計(jì)任務(wù)：深入研究和掌握數(shù)字電路中時(shí)序邏輯電路的理論知識(shí)。利用matlab強(qiáng)大的圖形處理功能、符號(hào)運(yùn)算功能和數(shù)值計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)和仿真。22 設(shè)計(jì)要求：1、用matlab實(shí)現(xiàn)仿真寄存器波形：1) 以基本rs觸發(fā)器為基礎(chǔ)的并行寄存器；2) 以d觸發(fā)器為基礎(chǔ)的移位寄存器；2、用m

12、atlab實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和封裝：1) 4位雙向移位寄存器并行輸出波形；2) 4位雙向移位寄存器串行右移輸出波形；3) 4位雙向移位寄存器串行左移輸出波形；3、用matlab實(shí)現(xiàn)時(shí)序電路的設(shè)計(jì)：以jk觸發(fā)器為基礎(chǔ)仿真扭環(huán)計(jì)數(shù)器的波形。3設(shè)計(jì)原理及分析3.1 并行寄存器的仿真3.1.1 基本rs觸發(fā)器的原理 在時(shí)序邏輯電路中的一種重要的邏輯單元rs觸發(fā)器的內(nèi)部原理圖及真值表如下所示2： 表1 rs觸發(fā)器真值表 srq觸發(fā)狀態(tài)00不變不變保持010101010111不確定 圖1 rs觸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 3.1.2 基本rs觸發(fā)器構(gòu)成d鎖存器 在時(shí)序邏輯電路中的可由rs觸發(fā)器與邏輯門(mén)構(gòu)成d鎖存器,d鎖存

13、器的內(nèi)部原理圖及真值表如下所示3：圖2 d觸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)表2 d觸發(fā)器的真值表endq功能0 不變不變保持1001置01110置13.1.3 4位并行寄存器的matlab圖形與真值表4位并行寄存器可以由4個(gè)寄存器同時(shí)在使能信號(hào)en的作用下并行置數(shù),進(jìn)行刷新?tīng)顟B(tài),相應(yīng)的matlab的連線圖及真值表如下所示:圖3 4位并行寄存器結(jié)構(gòu)表3 4位并行寄存器的功能表工作模式end內(nèi)部寄存器狀態(tài)q使能和讀鎖存器10 001111鎖存和讀鎖存器0 000 113.1.4 4位并行寄存器的仿真波形 如下圖所示,第一個(gè)波形為使能輸入端,周期為2,占空比為60%的方波;第二個(gè)波形為周期為1.5,占空比為50%的數(shù)

14、據(jù)輸入端。此處的四位數(shù)據(jù)輸出端可設(shè)定為同一波形，如下面第三個(gè)波形所示。 圖4 4位并行寄存器的仿真波形3.2 移位寄存器的仿真 3.2.1 d觸發(fā)器的原理 觸發(fā)器的邏輯功能可以用邏輯表達(dá)式來(lái)描述，稱之為觸發(fā)器的特性方程。d觸發(fā)器的特性方程為4 （1）以觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)和輸入信號(hào)為變量,以次態(tài)為函數(shù),描述之間的邏輯關(guān)系的真值表稱為觸發(fā)器的特性表。d觸發(fā)器的特性表如下所示：表4 d觸發(fā)器的特性表dd0001000111113.2.2 移位觸發(fā)器的matlab圖形與真值表在同一脈沖沿作用時(shí)，可將寄存器的二進(jìn)制代碼或數(shù)據(jù)依次移位，用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換，4位移位寄存器的結(jié)構(gòu)與狀態(tài)表如下所示：圖5 4位移位

15、寄存器結(jié)構(gòu)表5 移位寄存器的狀態(tài)表cp第一個(gè)cp脈沖之前 1 2 3 43.2.3 移位寄存器的仿真波形 如下圖所示,第一個(gè)波形為時(shí)鐘輸入端,周期為2,占空比為50%的方波;第二個(gè)波形為周期為2.5,占空比為70%的數(shù)據(jù)輸入端。剩下的四個(gè)波形分別是移位寄存器的四個(gè)輸出端的波形。 圖6移位寄存器仿真波形3.3 雙向移位寄存器的仿真3.3.1 雙向移位寄存器的原理 采用ports and subsystems 模塊庫(kù)中的subsystem功能模塊，利用其編輯區(qū)可設(shè)計(jì)組合新的功能模塊四選一數(shù)據(jù)選擇器,其內(nèi)部原理圖及功能表如下所示: 圖7 雙向移位寄存器的結(jié)構(gòu)圖表7 雙向移位寄存器的功能表輸入輸出控制

16、信號(hào)串行輸入時(shí)鐘cp3.3.2 雙向移位寄存器的仿真波形(a)輸入波形分別為時(shí)鐘輸入端、控制移位端s1，s0，左移和可移的數(shù)據(jù)輸入端端。圖8（a） 輸入波形圖（b）輸出波形:分別為移位寄存器的輸出波形。圖8（b） 輸出波形圖3.4 扭環(huán)計(jì)數(shù)器的仿真3.4.1 扭環(huán)計(jì)數(shù)器的原理 由環(huán)形計(jì)數(shù)器的輸出可知其利用效率不高,若將輸出進(jìn)行相連,即可構(gòu)成扭環(huán)計(jì)數(shù)器,5個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成的十狀態(tài)扭環(huán)計(jì)數(shù)器的原理圖5即狀態(tài)圖如下所示: 圖9 十狀態(tài)扭環(huán)計(jì)數(shù)器的原理圖相應(yīng)的狀態(tài)圖如下所示:00011000010000000111100000111111000111101110011111 圖10 十狀態(tài)扭環(huán)計(jì)數(shù)器的狀態(tài)

17、圖 此時(shí)可將jk觸發(fā)器構(gòu)成基本的d觸發(fā)器,即將k置低電平0即可。3.3.2 扭環(huán)計(jì)數(shù)器的仿真波形如下圖所示,第一個(gè)波形為時(shí)鐘輸入端,周期為0.5,占空比為60%的方波;其余六個(gè)波形分別表示相應(yīng)的d觸發(fā)器所輸出的狀態(tài)。圖11扭環(huán)計(jì)數(shù)器的仿真波形4 小結(jié)通過(guò)這次對(duì)于matlab的課程實(shí)踐設(shè)計(jì)，我覺(jué)得收獲了很多。首先，通過(guò)對(duì)matlab的實(shí)踐設(shè)計(jì)，掌握了matlab的基本的程序編程仿真方法，感覺(jué) matlab語(yǔ)法簡(jiǎn)單,易于繪制圖形、仿真。在練習(xí)中覺(jué)得所加的工具箱與強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真能力，simulink建模在專業(yè)應(yīng)用上十分有效。 第二，matlab的“幫助”里面也有相關(guān)的指示。通過(guò)學(xué)習(xí)其中的相關(guān)提示，不

18、僅可以運(yùn)用其中附帶的許多相關(guān)的例子進(jìn)行練習(xí)，而且可以熟練一下相關(guān)的專業(yè)英語(yǔ)。第三，本次課程設(shè)計(jì)在老師的指導(dǎo)下，參閱相關(guān)的資料文獻(xiàn)，對(duì)比練習(xí)了大量的實(shí)例，終于完滿地完成了對(duì)時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)與仿真。這次課程實(shí)踐的時(shí)間有限，但是覺(jué)得還是學(xué)到了一些知識(shí)，總的來(lái)說(shuō)收獲還是比較大的。參考文獻(xiàn)1 阮沈勇，王永利.matlab程序設(shè)計(jì).電子工業(yè)出版社.2004.012 康華光. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). 高等教育出版社.20053 eda技術(shù)與vhdl，潘松,黃繼業(yè).清華大學(xué)出版社2007.2.4 高吉祥.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).電子工業(yè)出版社.20025 梁虹.信號(hào)與系統(tǒng)分析及matlab實(shí)現(xiàn).電子工業(yè)出版社.2002.02本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表姓 名童嘉新性 別男專業(yè)、班級(jí)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)0602班課程設(shè)計(jì)題目： 基于matlab的時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)和仿真課程設(shè)計(jì)答辯或質(zhì)疑記錄：1基本rs觸發(fā)器有一個(gè)狀態(tài)是不確定的,是如何構(gòu)成狀態(tài)穩(wěn)定的d