8421碼檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

1、.數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)九 8421碼檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)姓名：_ 學(xué)號(hào)：17XXXXXX班級(jí)：電子X(jué)XXX一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解檢測(cè)電路的工作原理。2. 進(jìn)一步掌握同步時(shí)序電路的設(shè)計(jì)方法。二、實(shí)驗(yàn)器件1、實(shí)驗(yàn)箱、萬(wàn)用表、示波器。2、74LS73, 74LS74, 74LS00, 74LS20, 74LS197。三、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)根據(jù)使用器件的不同, 我們可以設(shè)計(jì)出兩種不同思路的電路.米里時(shí)序電路:根據(jù)需求, 按照米里時(shí)序電路的設(shè)計(jì)流程得到觸發(fā)器驅(qū)動(dòng)方程.首先畫(huà)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖, 并對(duì)圖做出適當(dāng)簡(jiǎn)化.保留S0, S1, S3, S4 , S7, S8六個(gè)狀態(tài),并用3個(gè)JK觸發(fā)器的23 = 8個(gè)狀態(tài)中的

2、6個(gè)表示它們,狀態(tài)分配表如下圖.Q3Q2Q1000111100S0S4S3S11S7S8XX將上面的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和輸出寫(xiě)成上述的代數(shù)形式有Q3Q2Q1X01000010/0010/0010011/0001/0011101/0100/0001100/0100/0101000/0000/0100000/0000/1根據(jù)上表畫(huà)出Q3,Q2,Q1,X的次態(tài)卡諾圖, 并進(jìn)而得到各個(gè)端口的驅(qū)動(dòng)方程.Q1:XQ3Q2Q1000111100000110100XX1100XX100001化簡(jiǎn)得到Q1n+1 =Q2 n x n + x Q2 n x Q1 n有J1 = Q2, K1 = ( Q2)Q2:XQ3Q2Q1

3、000111100010010100XX1100XX101000化簡(jiǎn)得到Q2n+1 =n x n x n + x Q2 n x n有J2 = n x n, K2 = ( x n)Q3:XQ3Q2Q1000111100001100100XX1100XX100110化簡(jiǎn)得到Q3n+1 = n Q1 n有J3 = Q1n, K3 = 1F:XQ3Q2Q1000111100000000100XX1110XX100000化簡(jiǎn)得到F = X Q3 n n這樣, 就能使用三個(gè)JK觸發(fā)器構(gòu)造一個(gè)8421碼檢測(cè)電路, 為保證正確性還可以添加一個(gè)74LS74觸發(fā)器來(lái)保證X已經(jīng)轉(zhuǎn)變.用于仿真時(shí)的動(dòng)態(tài)測(cè)試, 我們還需

4、要一種16進(jìn)制的串行輸出計(jì)數(shù)器, 即按順序串行輸出0000-1000-0100, 對(duì)每個(gè)數(shù)從最低位開(kāi)始, 依次輸出4個(gè)二進(jìn)制數(shù).我們可以借助計(jì)數(shù)器和寄存器實(shí)現(xiàn)該器件, 首先使用一個(gè)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)4分頻, 從已有的f頻率,50占空比的時(shí)鐘信號(hào)中獲取f/4頻率的, 12.5占空比的同相位脈沖信號(hào). 再使用這兩個(gè)時(shí)鐘循環(huán)地執(zhí)行 計(jì)數(shù)-4次移位讀數(shù)-置數(shù)的工作, 畫(huà)出電路圖如下所示.其輸出波形的一個(gè)周期如下面的波形圖所示:靠上信號(hào)為器件輸出, 靠下信號(hào)為時(shí)鐘脈沖, 容易看出經(jīng)過(guò)64個(gè)時(shí)鐘周期, 器件輸出了從0000到1111的串行形式.把該輸出作為8421檢測(cè)電路的輸入X, 得到電路圖如下.其波形如下所示

5、:可見(jiàn)在一整個(gè)015的序列中,只有6種數(shù)字引起了電路的非法脈沖, 分別是1010, 1011, 1100, 1101, 1110, 和1111, 仿真時(shí)由于給定時(shí)鐘信號(hào)的固有問(wèn)題, 無(wú)法從S0狀態(tài)開(kāi)始檢驗(yàn), 但仍然不影響我們仿真驗(yàn)證的完備性.摩爾型時(shí)序電路摩爾時(shí)序電路無(wú)需考慮輸入,輸出和狀態(tài)之間的關(guān)系, 我們只需要使用寄存器和計(jì)數(shù)器來(lái)收集輸入的信號(hào), 并進(jìn)行邏輯運(yùn)算即可.我們使用3個(gè)JK觸發(fā)器串行讀取輸入的X, 并設(shè)置計(jì)數(shù)器為4進(jìn)制, 這樣每當(dāng)計(jì)數(shù)器從0計(jì)數(shù)到3時(shí), 對(duì)三個(gè)觸發(fā)器和X的狀態(tài)執(zhí)行一次邏輯運(yùn)算, 如果滿足”非BCD碼”的條件,就輸出一段脈沖.非BCD碼的判斷條件經(jīng)化簡(jiǎn)后為: Q4(

6、Q3+Q2)則輸出脈沖信號(hào)的邏輯表達(dá)式: Q4(Q3+Q2)(QA QB)計(jì)數(shù)器清零條件:QC這樣,使用3個(gè)JK觸發(fā)器和一個(gè)197計(jì)數(shù)器, 就實(shí)現(xiàn)一個(gè)BCD碼判斷電路.使用上面的串行16進(jìn)制輸出器進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真,波形如下:其中最上面的波形為電路輸出, 中間的波形為時(shí)鐘信號(hào), 下面的波形為串行16進(jìn)制輸出器產(chǎn)生的輸入信號(hào). 可見(jiàn), 只有后6個(gè)波形出現(xiàn)非法脈沖, 判斷電路正常工作. 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)一一個(gè)8421BCD碼(串行輸入)檢測(cè)電路。此電路是用來(lái)檢測(cè)串行的8421碼傳輸過(guò)程中是否發(fā)生錯(cuò)誤。假定8421BCD碼傳送過(guò)程中是由低位到高位串行輸送，例如十進(jìn)制2 (代碼為00

7、10)是按0、1、0、0次序傳送的。如果在傳送過(guò)程中代碼發(fā)生錯(cuò)誤，出現(xiàn)非法數(shù)碼(不在0000到1001之間的代碼),則檢測(cè)電路發(fā)生一脈沖信號(hào)。實(shí)驗(yàn)所用觸發(fā)器為JK觸發(fā)器，要求自己設(shè)計(jì)、自己安裝和測(cè)試。2、設(shè)計(jì)過(guò)程正式實(shí)驗(yàn)由于器件和線的限制，沒(méi)有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)上述的16X4串行信號(hào)發(fā)生器和摩爾型時(shí)序電路。只實(shí)現(xiàn)了米里時(shí)序電路，并用四分頻的信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。在3個(gè)JK觸發(fā)器的J，K輸入端按照上述的驅(qū)動(dòng)方程接線，時(shí)鐘信號(hào)并行接入JK觸發(fā)器的CLK端，清零端均接高電平。在輸出口F接一個(gè)D觸發(fā)器，其時(shí)鐘信號(hào)與前面相同，D觸發(fā)器清零端也接高電平。對(duì)靜態(tài)測(cè)試，脈沖接手動(dòng)脈沖，輸出端F接LED燈，輸入X接模擬開(kāi)關(guān)，

8、觀察不同輸入時(shí)輸出的變化。作為動(dòng)態(tài)輸入，我們需要一個(gè)四倍于時(shí)鐘周期的信號(hào)。使用74LS197輸出該信號(hào)，將CP0接時(shí)鐘脈沖，QA接CP1，MR和PL接高電平，并將被四分頻的信號(hào)QC接入檢測(cè)電路的輸入端X，輸出F接邏輯分析儀，觀察動(dòng)態(tài)波形。五、測(cè)試過(guò)程實(shí)驗(yàn)接線圖：靜態(tài)測(cè)試： 輸入序列為0101(1010/10)時(shí)，F(xiàn)為高電平 輸入序列為1111(1111/15)時(shí)，F(xiàn)為高電平 輸入序列為1110(0111/7)時(shí)，F(xiàn)為低電平 輸入序列為1001(1001/9)時(shí)，F(xiàn)為低電平經(jīng)16次靜態(tài)測(cè)試，能得到高電平輸出的有1010，1011，1100，1101，1110，1111.體現(xiàn)了電路只對(duì)非BCD碼信

9、號(hào)輸入的敏感性。動(dòng)態(tài)測(cè)試：得到的波形如下圖所示，由于QC信號(hào)具有相位的不確定性，對(duì)不同的起始狀態(tài)位置，會(huì)導(dǎo)致對(duì)QC的不同截?cái)喾绞?，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生不同的輸出波形。波形1：圖中波形從上到下依次為輸出F，Qc，反相后的時(shí)鐘脈沖和時(shí)鐘脈沖。判斷該圖中的截?cái)喾绞綖?000和1111，其中0000不輸出脈沖，1111輸出脈沖。波形2：圖中波形從上到下依次為輸出F，Qc，反相后的時(shí)鐘脈沖和時(shí)鐘脈沖。判斷該圖中的截?cái)喾绞綖?001和1110，其中0001不輸出脈沖，1110輸出脈沖。經(jīng)判斷此外還有兩種截?cái)喾绞剑?011-1100和0111-1000，前者會(huì)在上圖的左側(cè)一周期遠(yuǎn)的地方產(chǎn)生脈沖，后者不會(huì)產(chǎn)生脈沖。但個(gè)

10、人感覺(jué)全部記錄意義不大，只在這里做出說(shuō)明。由動(dòng)態(tài)測(cè)試和靜態(tài)測(cè)試結(jié)果，我們可以看出電路會(huì)對(duì)非8421碼的信號(hào)，在最后一位的時(shí)刻輸出一個(gè)時(shí)鐘周期寬度的脈沖，說(shuō)明電路正確，符合題目要求。六、總結(jié)對(duì)固定需求的電路，往往根據(jù)實(shí)驗(yàn)器件的不同，會(huì)有相當(dāng)多的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)也各有優(yōu)缺點(diǎn)。比如本實(shí)驗(yàn)中的兩種設(shè)計(jì)方案，米里時(shí)序電路使用狀態(tài)轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)，只需要3個(gè)觸發(fā)器描述六個(gè)狀態(tài)，所需器件較少，但其狀態(tài)搭建好后就不能做其他拓展，泛用性較差。而摩爾時(shí)序電路需要3個(gè)觸發(fā)器和一個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，雖然使用了較多的器件，但我們只需要根據(jù)不同的需求對(duì)電路進(jìn)行簡(jiǎn)單的改動(dòng)，就能得到功能完全不同的電路，比如對(duì)偶數(shù)碼產(chǎn)生脈沖，對(duì)質(zhì)數(shù)產(chǎn)生脈沖等。其泛用性遠(yuǎn)高于前者。實(shí)驗(yàn)中使用了一種防止錯(cuò)誤碼的技巧，使用鎖存器鎖定輸出后再進(jìn)行輸出。這可以將輸出的時(shí)間點(diǎn)延長(zhǎng)到CP的有效沿時(shí)刻，以留給輸入信號(hào)一段