實(shí)驗(yàn)三時序邏輯電路的設(shè)計

1、實(shí)驗(yàn)三 時序邏輯電路的設(shè)計電14 楊天宇 2011010949一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)時序邏輯電路的分析方法和設(shè)計方法；2、熟悉并掌握利用中小規(guī)模芯片實(shí)現(xiàn)時序邏輯電路的方法。；3、提高調(diào)試數(shù)字電路的能力。二、預(yù)習(xí)任務(wù)1、根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)要求完成電路設(shè)計，包括：（1）查閱元件盒中74HC74、74HC191和74HC161的引腳圖、功能表和時序圖。74HC74：引腳圖：功能表：74HC191（十六進(jìn)制、異步預(yù)置數(shù)、無置零）引腳圖： 功能表：時序圖：74HC161（十六進(jìn)制、異步置零、同步預(yù)置數(shù)）引腳圖： 功能表（左圖）：時序圖（右圖）：（2） 根據(jù)實(shí)驗(yàn)二中的建議步驟，并根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)的任務(wù)要求，寫出電路設(shè)

2、計的思路，并根據(jù)任務(wù)和盒中74系列芯片畫出實(shí)現(xiàn)電路功能的邏輯圖。三、實(shí)驗(yàn)任務(wù)（一）必做任務(wù)步驟1 利用74HC161設(shè)計一個六十進(jìn)制計數(shù)器由于需要接入數(shù)碼管進(jìn)行顯示，因此需要將60分解成個位10乘以十位6，分別用十六進(jìn)制計數(shù)器表示。此處兩個十六進(jìn)制計數(shù)器均選用74HC161（異步置零、同步預(yù)置數(shù)），二者均使用同步預(yù)置數(shù)來實(shí)現(xiàn)六十進(jìn)制，設(shè)計電路圖如下，異步置零端口CLR接高電平，經(jīng)仿真可以實(shí)現(xiàn)059的顯示。步驟2 利用74HC191設(shè)計一個十二進(jìn)制計數(shù)器（011）用兩個74HC191（異步預(yù)置數(shù)、無置零）輸出十二進(jìn)制信號，得到的信號為0至11，需要將其接入兩只數(shù)碼管。由于74HC191為異步預(yù)置

3、數(shù)，因此需要在輸出為12時產(chǎn)生置數(shù)信號。設(shè)計電路圖如下，CLK暫時接時鐘信號，經(jīng)仿真可以實(shí)現(xiàn)011的顯示。步驟3 用十二進(jìn)制計數(shù)器和六十進(jìn)制計數(shù)器設(shè)計時鐘電路將前面兩個電路進(jìn)行連接，將分鐘的進(jìn)位信號作為時鐘的CLK，經(jīng)仿真可以實(shí)現(xiàn)00：0011：59的顯示。步驟4 修改設(shè)計實(shí)現(xiàn)手動清零可以用學(xué)習(xí)機(jī)上的撥碼開關(guān)輸入0或1，當(dāng)輸入為0時異步置零，輸入為1時正常計數(shù)。在設(shè)計電路圖和仿真時用開關(guān)替代撥碼開關(guān)。設(shè)計電路圖如下，經(jīng)仿真可以實(shí)現(xiàn)手動清零。步驟5 修改設(shè)計實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報時在54分至00分的區(qū)間內(nèi)，使蜂鳴器工作，使用組合邏輯電路。設(shè)計電路圖如下，經(jīng)仿真可以實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報時。（二）選作任務(wù)1、自動清零電路

4、只要滿足在通電時所有計數(shù)器置零即可，即在通電時有一個置零信號?？梢酝ㄟ^在手動置零端接一個電容實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電路通電時，由于電容的端電壓為0，故相當(dāng)于給所有計數(shù)器接入了一個置零信號。通電后一段時間，電容充電，成為高電平，電路正常工作。當(dāng)手動置零時，由于電容端電壓的突變其上會形成一個沖擊電流，因此需要在電容兩端并聯(lián)上一個電阻。電容和電阻的選取還需在實(shí)驗(yàn)時調(diào)試。設(shè)計電路圖如下：2、 對表調(diào)時電路當(dāng)按下START時，需要停止CLK脈沖信號。當(dāng)START開啟時，電路處于正常工作狀態(tài)，時鐘正常顯示；當(dāng)按下START鍵時，輸入時鐘信號CLK被封鎖，抬起START顯示的數(shù)字加1，并繼續(xù)開始正常計數(shù)。設(shè)計電路圖如下：

5、為避免開關(guān)接通時的震顫現(xiàn)象，可以采用積分電路以實(shí)現(xiàn)濾波功能，以保證按下按鈕時只跳變一個數(shù)。四、注意事項(xiàng)1、本實(shí)驗(yàn)中門電路的工作電壓均為5V，由學(xué)習(xí)機(jī)上引出；2、了解芯片的引腳排列，特別注意電源和接地引腳不能接錯。若引腳有彎折，調(diào)整后再插入面包板中；3、整體電路輸出故障時，可分塊檢查調(diào)試；4、學(xué)習(xí)機(jī)上的蜂鳴器BDC為直流蜂鳴器，工作電壓為312V的直流電壓，蜂鳴器的工作電流約815mA。若門電路不能直接驅(qū)動蜂鳴器，可搭建圖2驅(qū)動電路。五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)時序邏輯電路的設(shè)計與調(diào)試步驟：1、設(shè)計步驟：1、邏輯抽象，畫出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)換表分析題目給定的問題，確定輸入、輸出變量以及電路的狀態(tài)數(shù)及各個狀

6、態(tài)的含義，然后畫出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表或電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。2、狀態(tài)化簡若有等價狀態(tài)，就可以將這兩個狀態(tài)合并為一個。等價狀態(tài)即在相同的輸入下有相同的輸出，并且有相同的次態(tài)。3、檢查電路能否自啟動根據(jù)化簡后的狀態(tài)檢查電路能否自啟動，若不能則需要重新調(diào)整狀態(tài)關(guān)系。4、狀態(tài)分配根據(jù)狀態(tài)數(shù)需要確定觸發(fā)器的數(shù)目，劃分模塊，然后給每個電路狀態(tài)分配對應(yīng)的觸發(fā)器狀態(tài)。5、選定觸發(fā)器的類型，求出電路的狀態(tài)方程、驅(qū)動方程和輸出方程在設(shè)計具體電路前必須提前選定觸發(fā)器類型，觸發(fā)器的類型對于電路的實(shí)現(xiàn)有很大影響。本次實(shí)驗(yàn)所需要用的集成元件已給定，無需再選擇。根據(jù)前面列出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表和選定的元件可以寫出電路的狀態(tài)方程、驅(qū)動方程

7、和輸出方程，為電路設(shè)計做好鋪墊。6、根據(jù)方程畫出邏輯圖2、調(diào)試方法和步驟：首先應(yīng)檢查理論分析和設(shè)計的電路圖是否有誤，這一部分可以通過仿真驗(yàn)證。在理論正確的情況下，應(yīng)該檢查電路的插接。由于時序電路的搭建比較復(fù)雜，因此檢查全部接線會耗費(fèi)大量的時間?？梢詼y量每一部分的電平并與理論值進(jìn)行對比來排查錯誤。在檢查時應(yīng)先檢查重要的部分，比如鎖存器，觸發(fā)器，狀態(tài)控制量等?？梢詫㈦娐贩譃椴煌哪K分別進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題時即可在小范圍內(nèi)排查，提高了檢查效率。應(yīng)按從輸入到輸出的順序依次檢查，當(dāng)?shù)谝徊糠值碾娐贩项A(yù)期時，再檢查其所控制的下一級電路。若發(fā)現(xiàn)狀態(tài)不對，則問題出現(xiàn)在這一級電路上，需要檢查觸發(fā)器的驅(qū)動回路。由

8、于時序電路的輸入電平是在不停變化的，因此在檢查某一個芯片或某一部分的時候，需要給其強(qiáng)制設(shè)置一個電平，再用萬用表測關(guān)鍵點(diǎn)的電平。3、實(shí)驗(yàn)收獲本次實(shí)驗(yàn)中較為順利，在第一次課的時間內(nèi)我就已經(jīng)完成了必做實(shí)驗(yàn)與選作實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)的過程中，在防抖電路處有了較大的困難。由于仿真中不存在此問題，在實(shí)際操作中參數(shù)選擇時遇到了一定的困難。在反復(fù)比對效果之后，我確定了電路的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了防抖功能。通過這次實(shí)驗(yàn)，我對時鐘脈沖、計數(shù)器等有了更加深入的認(rèn)識與理解。六、思考題1、在時序邏輯電路中，可分為同步時序電路和異步時序電路。如果要完成數(shù)字鐘電路的設(shè)計與面包板上的電路搭接，請分別指出二者在設(shè)計和實(shí)現(xiàn)上的優(yōu)劣。答：本次實(shí)驗(yàn)設(shè)

9、計采用異步時序電路方案。當(dāng)設(shè)計為異步時序電路時，由于時序電路中每一個器件都有傳輸延遲時間，而電路中應(yīng)用到的門電路非常多，因此以第一個計數(shù)器輸出為時鐘信號的第二個計數(shù)器其上升沿將會晚于標(biāo)準(zhǔn)的時鐘信號，故在數(shù)字顯示上不同步。由于所用的異步時鐘信號均是十進(jìn)制和六進(jìn)制計數(shù)器的進(jìn)位輸出，因此不會出現(xiàn)電平在無效區(qū)時輸入信號改變的現(xiàn)象。當(dāng)設(shè)計為同步時序電路時，由于時鐘信號統(tǒng)一接為標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號，因此所有計數(shù)器的改變是同步的，不會出現(xiàn)數(shù)字顯示有時間差的情況。在面包板上搭接時，由于同步時序電路的時鐘輸入端要統(tǒng)一接至一處，因此所用的導(dǎo)線會比較多，搭接也會比較復(fù)雜，而異步時序電路只需要將前一級的進(jìn)位輸出接至后一級的時

10、鐘信號處即可。2、基于數(shù)字鐘電路的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，請說明采用同步或異步時序電路的設(shè)計方式分別會產(chǎn)生哪些問題？如何解決？答：采用同步時序電路進(jìn)行設(shè)計實(shí)現(xiàn)時，由于需要全局布線的時鐘信號及儲存元件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故在搭線時更容易出錯，應(yīng)更加小心。且由于各個元件的時鐘同步，有可能出現(xiàn)競爭-冒險現(xiàn)象，因此需要外接電容構(gòu)成濾波電路或改變設(shè)計以消除這一的影響。采用異步時序電路進(jìn)行設(shè)計實(shí)現(xiàn)時，由于容易產(chǎn)生脈沖信號，可能會導(dǎo)致計數(shù)器一些錯誤的跳變，使數(shù)碼管數(shù)字的跳變出現(xiàn)差錯。因此需要外接電容構(gòu)成濾波電路來消除其影響。3、在用按鍵對數(shù)字鐘進(jìn)行校對時，如果出現(xiàn)按一次按鍵顯示跳動多個數(shù)字的現(xiàn)象，請設(shè)計電路予以解決答：出現(xiàn)按一次按鍵顯示跳動多個數(shù)字的現(xiàn)象的原因是按鍵在按下時會產(chǎn)生抖動，使得在一個極短的時間內(nèi)會出現(xiàn)多個上升沿，造成計數(shù)器接