數(shù)字電路邏輯設(shè)計實驗講義

1、數(shù)字電路邏輯設(shè)計實驗講義喻嶸 王艷慶 丁杰 張莉 葉小麗 陳燕彬 編32內(nèi)容提要本實驗講義根據(jù)最新制定的實驗教學(xué)大綱，由南昌大學(xué)信息工程學(xué)院電子信息工程系幾位多年從事數(shù)字電路邏輯設(shè)計課程教學(xué)的老師合編而成。可用于電子信息工程專業(yè)、通信工程專業(yè)數(shù)字電路邏輯設(shè)計實驗課程的實驗指導(dǎo)教材。實驗教學(xué)內(nèi)容包括三大部分：基礎(chǔ)性實驗、比較復(fù)雜并要求學(xué)生獨立思考的設(shè)計性實驗、自選設(shè)計課題的綜合設(shè)計性實驗。內(nèi)容涵蓋了數(shù)字電路的大部分基礎(chǔ)知識，包括常用的組合邏輯電路、時序邏輯電路和脈沖電路的驗證和設(shè)計，以及這些基礎(chǔ)數(shù)字電路的在實際系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用。目 錄實驗一 用SSI設(shè)計組合電路和冒險現(xiàn)象觀察1實驗二 MSI組合

2、功能件的應(yīng)用4實驗三 集成觸發(fā)器的應(yīng)用第一信號鑒別電路的設(shè)計9實驗四 用集成移位寄存器實現(xiàn)序列檢測器11實驗五 MSI 時序功能件的應(yīng)用13實驗六 序列信號發(fā)生器18實驗七 555定時器及分頻電路22實驗八 D/A轉(zhuǎn)換器25附錄：實驗芯片引腳排列圖30實驗一 用SSI設(shè)計組合電路和冒險現(xiàn)象觀察 一、實驗?zāi)康?1掌握用SSI設(shè)計組合電路及其檢測方法; 2觀察組合電路的冒險現(xiàn)象。 二、實驗原理使用小規(guī)模集成電路 (SSI)進行組合電路設(shè)計的一般過程: 1根據(jù)任務(wù)要求列出真值表; 2通過化簡得出最簡邏輯函數(shù)表達式; 3選擇標(biāo)準器件實現(xiàn)此邏輯函數(shù)。 邏輯化簡是為了使電路結(jié)構(gòu)簡單和使用器件較少，要求邏輯

3、表達式盡可能簡化。但由于實際使用時要考慮電路的工作速度和穩(wěn)定可靠等因素，在較復(fù)雜的電路中，還要求邏輯清晰易懂，所以是在保證速度、穩(wěn)定可靠與邏輯清楚的前提下，盡量使用最少的器件，以降低成本。 組合邏輯設(shè)計過程通常是在理想情況下進行的，即假定一切器件均沒有延遲效應(yīng)。但是實際上并非如此，信號通過任何導(dǎo)線或器件都需要一個響應(yīng)時間。例如，一般中速TTL與非門的延遲時間為10一20ns。而且由于制造工藝上的原因，各器件的延遲時間離散性很大，往往按照理想情況設(shè)計的邏輯電路，在實際工作中有可能產(chǎn)生錯誤輸出。一個組合電路，在它的輸入信號變化時。輸出出現(xiàn)瞬時錯誤的現(xiàn)象稱為組合電路的冒險現(xiàn)象。 組合電路的冒險現(xiàn)象有

4、兩種，一種稱為函數(shù)冒險 (即功能冒險)，另一種稱為邏輯冒險。函數(shù)冒險：當(dāng)電路有兩個或兩個以上變量同時發(fā)生變化時，變化過程中必然要經(jīng)過一個或數(shù)個中間狀態(tài)，如果這些中間狀態(tài)的函數(shù)值與起始狀態(tài)和終了狀態(tài)的函數(shù)值不同，就會出現(xiàn)瞬時的錯誤信號。是函數(shù)本身固有的。邏輯冒險：在一個輸人變量發(fā)生變化時，由于各傳輸通路的延遲時間不同導(dǎo)致輸出出現(xiàn)瞬時錯誤。 本實驗通對邏輯冒險中的靜態(tài)0型冒險現(xiàn)象的觀察和修正，說明組合電路的邏輯冒險的出現(xiàn)的原理及對策。靜態(tài)0型冒險：在輸出恒等于1時，出現(xiàn)瞬時0輸出的錯誤現(xiàn)象。分析和判斷： 1對于函數(shù)的與或表達式，可以通過對除變量A以外的其他變量逐個進行賦值，若能使表達式出現(xiàn) 時，則

5、表示電路在變量A發(fā)生變化時可能存在0型冒險。增加校正項，該校正項就是被賦值各變量的乘積項。使其改變成來消除。 2對于函數(shù)的卡諾圖，分析發(fā)現(xiàn)若有兩個被圈項的圈相切，相切部分之間相應(yīng)的變量發(fā)生變化時，函數(shù)可能存在冒險現(xiàn)象。消除該險象的方法是增加把其兩個相切部分圈在一起的一個圈項。 3由與非門組成的邏輯圖中，若變量A通過兩條傳輸路徑(分別經(jīng)過的門數(shù)量差為奇數(shù))后，驅(qū)動同一個門電路，若在給其他各變量賦一定的值后，使這兩條路徑是暢通的。則A變量發(fā)生變化時，可能會出現(xiàn)冒險現(xiàn)象。假定每個門的平均傳輸延遲時間均為ltpd那么兩條路徑經(jīng)過門的數(shù)量差就是險象脈沖的可能寬度。根據(jù)不同情況還可以采取下述方法消除各種冒

6、險現(xiàn)象。 1由于組合電路的冒險現(xiàn)象是在輸入信號變化過程中發(fā)生的，因此可以設(shè)法避開這一段時間，待電路穩(wěn)定后再讓電路正常輸出。具體辦法有: (1)在存在冒險現(xiàn)象的與非門的輸入端引進封鎖負脈沖。當(dāng)輸入信號變化時，將該門封鎖(使門的輸出為1)。 (2)在存在冒險現(xiàn)象的與非門的輸入端引進選通正脈沖選通脈沖不作用時，門的輸出為1,選通脈沖到來時，電路才有證常輸出，顯然，選通脈沖必須在電路穩(wěn)定時才能出現(xiàn)。 （3）由于冒險現(xiàn)象中出現(xiàn)的干擾脈沖寬度一般很窄，所以可在門的輸出端并接一個幾百皮法的濾波電容加以消除，但這樣做將導(dǎo)致輸出波形的邊沿變壞，這在有些情況下是不允許的，僅用于低速電路。 實際設(shè)計中應(yīng)當(dāng)注意組合電

7、路的冒險現(xiàn)象，當(dāng)設(shè)計出一個組合邏輯電路后,首先應(yīng)進行分析是否存在冒險可能。如果應(yīng)用于較高要求場合，則應(yīng)先行在靜態(tài)測試（按真值表依次改變輸人變量,測得相應(yīng)的輸出邏輯值，驗證其邏輯功能）后進行動態(tài)測試，觀察是否存在冒險。然后根據(jù)不同情況分別采取消除險象的措施。三、實驗任務(wù)1設(shè)計一個保險箱的數(shù)字代碼鎖，該鎖有規(guī)定的4位代碼A1,A2,A3,A4的輸入端和一個開箱鑰匙孔信號E的輸人端，鎖的代碼由實驗者自編(例如1011)。當(dāng)用鑰匙開箱時(E1)，如果輸入代碼符合該鎖規(guī)定代碼，保險箱被打開(Z11)。如果不符、電路將發(fā)出報警信號 (Z2=1)要求使用最少數(shù)量的與非門實現(xiàn)電路。檢測并記錄實驗結(jié)果。 提示:

8、實驗時鎖被打開或報警可以分別使用兩個發(fā)光二極管指示電路顯示示意。代碼需要使用的反相器外，最簡設(shè)計僅需使用5個與非門。2按表1-1設(shè)計一個邏輯電路(1)輸入信號僅提供原變量，要求用最少數(shù)量的2輸入端與非門，畫出邏輯圖;(2)搭試電路，進行靜態(tài)測試，驗證邏輯功能，記錄測試結(jié)果;(3)分析輸入端B、C、D各處于什么狀態(tài)時能觀察到輸入端A信號變化時產(chǎn)生的冒險現(xiàn)象;(4)估算此時出現(xiàn)的干擾脈沖寬度是門平均傳輸延遲時間1tpd的幾倍。(5)在A端輸人f=100kHz一lMHz的方波信號;觀察電路的冒險現(xiàn)象，記錄A和Y點的工作波形圖。(6)觀察用增加校正項的辦法消除由于輸入端A信號變化所引起的邏輯冒險現(xiàn)象。

9、畫出此時的電路圖，觀察并記錄實驗結(jié)果。表1-1ABCDYABCDY000001000000010100100010110100001111011101000110010101011011011011110101110111113使用與非門設(shè)計一個十字交叉路口的紅綠燈控制電路，檢測所設(shè)計電路的功能，記錄測試結(jié)果。圖1-1是交叉路口的示意圖，圖中A、B方向是主通道，C、D方向是次通道，在A、B、C、D四通道附近各裝有車輛傳感器，當(dāng)有車輛出現(xiàn)時，相應(yīng)的傳感器將輸出信號1，紅綠燈點亮的規(guī)則如下：（1）A、B方向綠燈亮的條件：（a）A、B、C、D均無傳感信號（b）A、B均有傳感信號（c）A或B有傳感信號

10、，而C和D不是全有傳感信號（2）C、D方向綠燈亮的條件：DCBA（a）C、D均有傳感信號，而A和B不是全有傳感信號（b）C或D有傳感信號，而A和B均無傳感信號四、實驗設(shè)備與器材1二蹤示波器2脈沖信號發(fā)生器3晶體管直流穩(wěn)壓電源 4通用實驗臺5主要集成電路:7400四2與非門2片;7420雙4與非門1片。五、實驗報告要求 圖1-11寫出任務(wù)的設(shè)計過程 (包括敘述有關(guān)設(shè)計技巧)，畫出設(shè)計電路圖;2記錄檢測結(jié)果，并進行分析;3觀察冒險現(xiàn)象的工作波形。六、思考題 設(shè)每個門的平均傳輸延遲時間是1tpd，試畫出圖中電路在輸入A信號發(fā)生變化時，各點的工作波形。A實驗二 MSI組合功能件的應(yīng)用一、實驗?zāi)康恼莆諗?shù)

11、據(jù)選擇器、譯碼器和全加器等MSI的使用方法；熟悉MSI組合功能件的應(yīng)用。二、實驗原理中規(guī)模集成電路（MSI）是一種具有專門功能的集成功能件。常用的MSI組合功能件有譯碼器、編碼器、數(shù)據(jù)選擇器、數(shù)據(jù)比較器和全加器等。借助于器件手冊提供的功能表，弄清器件各引出端（特別是各控制輸入端）的功能與作用，就能正確地使用這些器件。在此基礎(chǔ)上應(yīng)該盡可能地開發(fā)這些器件的功能，擴大其應(yīng)用范圍。對于一個邏輯設(shè)計者來說，關(guān)鍵在于合理選用器件，靈活地使用器件的控制輸入端，運用各種設(shè)計技巧，實現(xiàn)任務(wù)要求的電路功能。在使用MSI組合功能件時，器件的各控制輸入端必須按邏輯要求接入電路，不允許懸空。數(shù)據(jù)選擇器T4153是一個雙

12、4選1數(shù)據(jù)選擇器，其邏輯符號如圖2-1所示，功能表見表2-1。其中D0、D1、D2、D3為4個數(shù)據(jù)輸入端；Y為輸出端；S是使能端，在時使能，在時；A1、A0是器件中兩個選擇器公用的地址輸入端。該器件的邏輯表達式為表2-1 T4153功能表控制輸入輸出10000D0010D1100D2110D3 圖2-1 T4153邏輯符號 圖2-2 實現(xiàn)8選1選擇器功能 圖2-3 實現(xiàn)全加器功能數(shù)據(jù)選擇器是一種通用性很強的功能件，它的功能很容易得到擴展。4選1數(shù)據(jù)選擇器經(jīng)如圖2-2所示的組合，很容易實現(xiàn)8選1選擇器功能。使用數(shù)據(jù)選擇器進行電路設(shè)計的方法是合理地選用地址變量，通過對函數(shù)的運算，確定各數(shù)據(jù)輸入端的

13、輸入方程。例如，使用4選1數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)全加器邏輯的連線圖如圖2-3所示。再如，利用4選1數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)有較多變量的函數(shù)從函數(shù)表達式可以看出，各乘積項均包含有A和B兩個變量，可將表達式整理得 此表達式可用圖2-4所示的電路實現(xiàn)。從上述例子中可見，數(shù)據(jù)選擇器的地址變量一般的選擇方式：選用邏輯表達式各乘積項中出現(xiàn)次數(shù)最多的變量（包括原變量與反變量），以簡化數(shù)據(jù)輸入端的附加電路；選擇一組具有一定物理意義的量。2譯碼器譯碼器可分為兩大類，一類是通用譯碼器，另一類是顯示譯碼器（此類譯碼器參見附錄三，本實驗將不做討論）。 圖2-4 實現(xiàn)函數(shù) 圖2-5 T4138邏輯符號T4138是一個3線-8線譯碼器，它

14、是一種通用譯碼器，其邏輯符號如圖2-5所示，表2-2是其功能表。其中，A2、A1、A0是地址輸入端，Y0、Y1、Y7是譯碼輸出端，S1、S2、S3是使能端，當(dāng)時，器件使能。3線-8線譯碼器實際上也是一個負脈沖輸出的脈沖分配器。若利用使能端中的一個輸入端輸入數(shù)據(jù)信息，器件就是成為一個數(shù)據(jù)分配器。例如，若從S1輸入端輸入數(shù)據(jù)信息，地址碼所對應(yīng)的輸出是S1數(shù)據(jù)信息的反碼；若從S2輸入端輸入數(shù)據(jù)信息，地址碼所對應(yīng)的輸出就是數(shù)據(jù)信息。譯碼器的每一路輸出，實際上是地址碼的一個最小項的反變量，利用其中一部分輸出端輸出的與非關(guān)系，也就蛇們相應(yīng)最小項或邏輯表達式，能方便地實現(xiàn)邏輯函數(shù)。與數(shù)據(jù)選擇器一樣，利用使能

15、端能夠方便地將兩個3線-8線譯碼器組合成一個4線-16線的譯碼器。表2-2 T4138功能表輸 入輸 出100000111111110001101111111001011011111100111110111110100111101111010111111011101101111110110111111111100111111111111111113全加器T4183是一個雙進位保留全加器，其邏輯符號如圖2-6所示。其中，An和Bn分別為被加數(shù)和加數(shù)的數(shù)據(jù)輸入端，Cn是低位向本位進位的進位輸入端，F(xiàn)n是和數(shù)輸出端，F(xiàn)Cn+1是本位向高位進位的進位輸出端。邏輯方程是T4283是一個數(shù)位二進制超前位全

16、加器，其邏輯符號如圖2-7所示，其中A3、A2、A1、A0和B3、B2、B1、B0分別是被加數(shù)和加數(shù)（兩組4位二進制數(shù)）的數(shù)據(jù)輸入端，Cn是低位器件向本器件最低位進位的進位輸入端，F(xiàn)3、F2、F1、F0是和數(shù)輸出端，F(xiàn)Cn+1是本器件最向位向高位器件進位的進位輸出端。二進制全加器可以進行多位連接使用，也可組成全減器、補碼器或?qū)崿F(xiàn)其它邏輯功能等電路。日常習(xí)慣于進行十進制的運算，利用4位二進制全加器可以設(shè)計組成進行NBCD碼的加法結(jié)果相同，但若兩個相加數(shù)的和大于或等于1010時，由于4位二進碼是逢十六進一的，而NBCD碼是逢十進一的，它們的進位數(shù)相差六，因此NBCD加法運算電路必須進行校正，應(yīng)在電

17、路中插入一個校正網(wǎng)絡(luò)，使電路在和數(shù)小于或等于1001時，校正網(wǎng)絡(luò)不起作用（或加一個0000數(shù)），在和數(shù)大于或等于1010時，校正網(wǎng)絡(luò)使此和數(shù)再加上一個0110數(shù)，從而達到實現(xiàn)NBCD碼的加法運算的目的。 圖2-6 T4183邏輯符號 圖2-7 T4283邏輯符號 圖2-8 輸血者血型與受血者血型關(guān)系示意圖利用兩個4位二進制全加器可以組成一個1位NBCD碼全加器，該全加器應(yīng)有進位輸入端和進位輸出端，電路由讀者自行設(shè)計。三、預(yù)習(xí)思考題什么是異或門、半加器和全加器？用兩個異或門和少量與非門組成1位全加器，畫出其電路圖；利用T4153設(shè)計一個1位二進制全減器，畫出電路邊線圖；利用一個3-8線譯碼器和與

18、非門，實現(xiàn)一個三變量函數(shù)式。四、實驗任務(wù)（一）利用4選1數(shù)據(jù)選擇器設(shè)計一個表示血型遺傳規(guī)律的電路，畫出設(shè)計電路圖，檢測并記錄電路功能。父母和子女之間的血型規(guī)律如表2-3所示，其中父母血型欄中若僅有一項是非功過，則表示父母是同一種血型。使用一個3線-8線譯碼器和與非門設(shè)計一個1位二進制全減器，畫出設(shè)計邏輯圖，檢測并記錄電路功能。利用兩個4位二進制全加器和與非門，設(shè)計一個1位NBCD碼的全加器，畫出設(shè)計電路圖，檢測電路功能。記錄下列運算式的實驗結(jié)果：0000+0100，0111+0010，0100+0110，0101+0111，1000+0111，1001+1001。（二）利用一個4選1數(shù)據(jù)選擇器

19、和最少數(shù)量的與非門，設(shè)計一個符合輸血一受血規(guī)則的4輸入1輸出電路。檢測所設(shè)計電路的邏輯功能。人類有四種基本血型A、B、AB和O型。輸血者與受血者的血型必須符合下述規(guī)劃：O型血可以輸給任意血型的人，但O血型的人只能接受O型血；AB型血只能輸給AB血型的人，但AB血型的人能接受所有血型的血；A型的人，而A血型的人能接受A型血和O型血；B型血型血和O型血（其示意圖見圖2-8）。表2-3 父母和子女之間的血型規(guī)律父母血型子女血型OABABOABAB100010000100110000101010000101111100110010101010100101100110111101010111001101

20、11設(shè)計一個4位二進制加法/減法器電路（僅要求適用于兩數(shù)差大于或等于0的情況），檢測電路功能。提示：兩數(shù)相減相當(dāng)于被減數(shù)與減數(shù)的補碼（即取反后加1）相加。電路應(yīng)有一個運算控制端M，用來控制電路實現(xiàn)加法或減法運算。 五、實驗設(shè)備與器材晶體管直流穩(wěn)壓電源通用實驗底板萬用電表及工具主要器材：T4153 2只， T4138 2只， T4183 2只， T40000 1只，T4020 1只， T4086 1只。六、實驗報告要求每個實驗任務(wù)必須寫出設(shè)計過程，畫出設(shè)計邏輯圖，附有實驗記錄，并對結(jié)果進行分析。七、思考題利用一只雙4選1數(shù)據(jù)選擇器和一只四2輸入端與非門，實現(xiàn)一個8選1數(shù)據(jù)選擇器功能。利用兩個3線

21、-8線譯碼器，構(gòu)成一個4線-16線譯碼器。利用4位二進制全加器，實現(xiàn)NBCD碼與余3碼之間的變換。設(shè)計一個4位二進制加法/減法電路，輸出用原碼表示，運算結(jié)果應(yīng)有符號位指示數(shù)字的正、負值。實驗三 集成觸發(fā)器的應(yīng)用第一信號鑒別電路的設(shè)計一、實驗?zāi)康?掌握集成觸發(fā)器的使用方法和邏輯功能的測試方法2學(xué)習(xí)并掌握第一信號鑒別電路，又稱作搶答器的設(shè)計方法二、第一信號鑒別電路的工作原理圖3-1所示，為由4個JK觸發(fā)器組成的第一信號鑒別電路，用以判別S0S3送入的4個信號中，哪一個信號最先到達，其工作過程如下：FF0C11J 1K RQ0510LED0FF1C11J 1K RQ0510LED1FF2C11J 1

22、K RQ0510LED2FF3C11J 1K RQ0510LED3VCC+5V5.1KSR1G1G2S0S1S2S3圖3-1 第一信號鑒別電路開始工作前，先按復(fù)位開關(guān)SR，F(xiàn)F0FF3都被置0，都輸出高電平1，發(fā)光二極管LED0LED3不發(fā)光。這時，G1輸入都為高電平1，G2輸出1，F(xiàn)F0FF3的J=K=1，這4個觸發(fā)器處于接收輸入信號的狀態(tài)。在S0S3的4個開關(guān)中，如S3第一個按下時，則FF3首先由0狀態(tài)翻到1狀態(tài)，=0，這一方面使發(fā)光二極管LED3發(fā)光，同時使G2輸出0，這時FF0FF3的J和K都為低電子0，都執(zhí)行保持功能。因此，在S3按下后，其它三個開關(guān)S0S2，任一個再按下時，F(xiàn)F0F

23、F2的狀態(tài)不會改變，仍為0狀態(tài)，發(fā)光二極管LED0LED2也不會亮，所以，根據(jù)發(fā)光二極管的發(fā)光可判斷開關(guān)S3第一個按下。如要重復(fù)進行第一信號判別時，則在每次進行判別前應(yīng)先按復(fù)位開關(guān)SR，使FF0FF3處于接收狀態(tài)。圖1所示電路又稱作搶答器。圖3-2是由D觸發(fā)器實現(xiàn)的4人搶答器，請同學(xué)自行分析其工作過程。三、預(yù)習(xí)要求1復(fù)習(xí)RS、D、JK觸發(fā)器的邏輯功能和觸發(fā)方式2分析圖1和圖2所示第一信號鑒別電路，又稱作搶答器的工作原理3熟悉本試驗所用器件，如74LS000、74LS020、74LS074的功能管腳排列4設(shè)計4人搶答電路，畫出電路原理圖及由實驗室提供的器件所組成的接線圖，在實驗前必須按以上要求寫

24、出預(yù)習(xí)報告。請0D1D2D3D4Q1RDQ2Q1Q2Q3Q3Q4Q4CP74LS175VD1VD2VD3VD4CP 1KHZ脈沖S1S2S3S4+5VR11R2R3R4圖3-2 4人搶答電路四、實驗任務(wù)用D觸發(fā)器和與非門設(shè)計智力競賽4人搶答電路，設(shè)有4個開關(guān)（S0S3），另有4個指示燈，第一搶答者（第一個按下開關(guān)時）所對應(yīng)的指示燈亮，其它三個開關(guān)任一個再按下時，其它三個指示燈也不會亮。五、實驗設(shè)備與器材1試驗組合箱一臺274LS000四2輸入與非門 一片374LS020雙四輸入與非門 一片474LS074雙上升沿D觸發(fā)器 兩片六、實驗報告要求按任務(wù)要求設(shè)計電路并畫出試驗電路圖，簡述工作過程，記

25、錄測試結(jié)果并對結(jié)果進行分析。實驗四 用集成移位寄存器實現(xiàn)序列檢測器一、實驗?zāi)康?掌握移位寄存器的使用方法和邏輯功能的測試方法。2掌握序列檢測器的設(shè)計方法。二、 實驗原理在數(shù)字系統(tǒng)中能寄存二進制信息，并進行移位的邏輯部件稱為移位寄存器。根據(jù)移位寄存信息的方式有：串入串出、串入并出、并入串出、并入并出四種形式，按移位方向有左移、右移兩種。                本實驗采用四位雙向通用移位寄存器，型號為74LS194，它是一種用途廣泛的集成移位

26、寄存器，是由四個觸發(fā)器和一些門電路組成的四位雙向移位寄存器S1S0其邏輯符號如圖41所示，A、B、C、D為并行輸入端；QA、QB 、QC、QD為并行輸出端：DSR為右移串行輸入端；DSL為左移串行輸入端；S1、S2為操作模式控制端；為異步清零端；CP為時鐘輸入端。寄存器有四種不同操作模式：并行寄存；右移（方向由QAQD）；左移（方向QDQA）；保持。S1、S2和的作用如表41所示。 圖4-1 74LS194的邏輯符號 移位寄存器應(yīng)用很廣，可構(gòu)成移位寄存型計數(shù)器；順序脈沖發(fā)生器；串行累加器；可用作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，即把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，或把半行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)等。本實驗研究移位寄存器用作序列檢測

27、器的情況。三、預(yù)習(xí)要求1復(fù)習(xí)移位寄存器的邏輯功能。熟悉本實驗所用器材，如74LS000，74LS194的功能及管腳排列。2設(shè)計1011序列檢測器，畫出由提供的器件所組成的電路接線圖。在實驗前，必須按以上要求寫預(yù)習(xí)報告。四、實驗任務(wù)用移位寄存器和與非門設(shè)計一個1011序列檢測器。電路連續(xù)不停地工作，對串行輸入的序列進行檢測，當(dāng)連續(xù)檢測4個碼元符合檢測碼1011時，檢測器輸出為1，指示燈亮，其他情況下輸出為0，指示燈滅。對串行輸入的序列1011011001001011進行檢測，并記錄檢測結(jié)果。五、實驗設(shè)備與器材1實驗組合箱一臺2主要器材 74LS000（四2輸入與非門）一片、74LS020（雙4輸

28、入與非門）一片 、74LS194（4位雙向移位寄存器）一片六、實驗報告要求根據(jù)設(shè)計要求，畫出實驗電路圖，簡述工作過程，記錄測試結(jié)果并對結(jié)果進行分析。表4-1 74LS194的功能表輸 入輸 出說明S1S0CPDSLDSRD0D1D2D3Q0Q1Q2Q30×××××××××0000置零1××0××××××保 持111××d0d1d2d3d0d1d2d3并行置數(shù)101×1××

29、15;×1Q0Q1Q2右移輸入1101×0××××0Q0Q1Q2右移輸入01101×××××Q1Q2Q31左移輸入11100×××××Q1Q2Q30左移輸入0100×××××××保持 實驗五 MSI 時序功能件的應(yīng)用一、實驗?zāi)康?掌握集成計數(shù)器和雙向移位寄存器的使用方法；2熟悉中規(guī)模集成電路（MSI）時序功能件的應(yīng)用3熟悉顯示譯碼器和數(shù)碼管的使用方法二、實驗

30、原理中規(guī)模集成電路（MSI）時序功能件常用的有計數(shù)器和移位寄存器等，借助于器材手冊提供的功能表和工作波形圖，就能正確的使用這些器材。對于一個使用者，關(guān)鍵在于合理地選用器材，靈活地使用器材的各控制輸入端，運用各種設(shè)計技巧，完成任務(wù)要求的功能并要求在使用MSI器件時，各控制輸入端必須按照邏輯要求接入電路，不允許懸空。集成計數(shù)器的種類很多，異步計數(shù)器的主要產(chǎn)品有2-5-10進制計數(shù)器；2-8-16進制計數(shù)器，雙十進制計數(shù)器和雙4位二進制計數(shù)器等。同步計數(shù)器的主要產(chǎn)品有十進制計數(shù)器，二進制可逆計數(shù)器，4位二進制可逆計數(shù)器等，異步計數(shù)器具有電路簡單和使用方便等優(yōu)點，但是工作速度較低；同步計數(shù)器的工作速度

31、高，所以應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，其電路結(jié)構(gòu)分為同步預(yù)置和異步預(yù)置兩種。常用的計數(shù)器如表5-1所列。表5-1器件名稱型號相近型號計數(shù)脈沖邊沿清除置數(shù)二-五-十進制異步計數(shù)器T4290T210直接同步十進制可預(yù)置同步計數(shù)器T4160T216直接同步四位二進制可預(yù)置同步計數(shù)器T4161T214直接直接十進制可預(yù)置同步加/減計數(shù)器T4190/直接4位二進制可預(yù)置同步加/減計數(shù)器T4191/直接十進制可預(yù)置同步加/減計數(shù)器（雙時鐘）T4192T217雙時鐘，不使用時鐘端置1直接直接4位二進制可預(yù)置同步加/減計數(shù)器（雙時鐘）T4193T215直接直接注：T210與T4290 引出端排列不同74LS161型4位二進制

32、同步計數(shù)器是一種可預(yù)置同步加法計數(shù)器，其外型封裝、引腳功能強大，功能表與74LS160相同；本實驗內(nèi)容采用74LS161型4位二進制同步計數(shù)器設(shè)計。 下面僅以74LS161為例，通過對幾個較典型的集成計數(shù)器功能和應(yīng)用的介紹，幫助讀者認識提高借助產(chǎn)品手冊上給出的功能表，正確而靈活運用集成計數(shù)器的能力。174161的功能介紹為十進制可預(yù)置同步計數(shù)器，其邏輯符號如圖5-1所示，功能表如表5-2所示。圖5-1 74LS161的邏輯符號表5-2 74LS161的功能表輸 入輸 出說明CTPCTTCPD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0CO0×××××

33、5;××00000異步置0CO=CTT·Q3Q2Q1Q0CO= Q3Q2Q1Q0CO=CTT·Q3Q2Q1Q010××d3d2d1d0d3d2d1d01111××××計 數(shù)110××××××保 持11×0×××××保 持0計數(shù)器有下列輸入端：異步清零端（低電平有效），時鐘脈沖輸入端CP，同步并行置入控制端(低電平有效），計數(shù)控制端CTT和CTP，并行數(shù)據(jù)輸入端D0D3，它有下列

34、輸出端；四個觸發(fā)器的輸出Q0-Q3，進位輸出CO。根據(jù)功能表，可看出74161具有下列功能：（1）異步清零功能 若=0（輸入低電平），則不管其他輸入端（包括CP端）如何，實現(xiàn)四個觸發(fā)器全部清零。由于這一清零操作不需要時鐘脈沖CP配合（即不管CP是什么狀態(tài)都行），所以稱為“異步清零”。（2）同步并行置數(shù)功能 在=1且=0的前提下，在CP上升沿的作用下，觸發(fā)器QOQ3分別接收并行數(shù)據(jù)輸入信號d0d3，由于這個置數(shù)操作必須有CP上升沿配合并與CP上升沿同步，所以稱為“同步”的。由于四個觸發(fā)器同時置入，所以稱為“并行”的。（3）同步十六進制加計數(shù)功能 在=1的前提下，若計數(shù)控制器CTT=CTP=1，則

35、對計數(shù)脈沖CP實現(xiàn)同步十六進制加計數(shù)。這里，“同步”二字既表明計數(shù)器是“同步”而不是“異步”結(jié)構(gòu)，又暗示各觸發(fā)器動作都與CP（上升沿）同步。（4）保持功能 在=1的前提下，若CTT.CTP=0,即兩個計數(shù)控制端中至少有一個輸入0，則不管CP如何（包括上升沿），計數(shù)器中個觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。 此外，功能表指出，進位輸出CO=CTT Q0 Q1Q2Q3 這表明：進位輸出端通常為0，僅當(dāng)計數(shù)控制端CTT=1且計數(shù)器狀態(tài)為15時它才為1。綜上所述，74161是具有異步清零功能的可置數(shù)十六進制同步計數(shù)器。圖5-2 工作波形圖 274161的應(yīng)用 利用輸出信號對輸入端的不同反饋（有時需附加少量的門電路）

36、，可以實現(xiàn)任意進制的計數(shù)器。（1）清零法例1 試用CT74LS161構(gòu)成十二進制計數(shù)器。解：寫出S12的二進制代碼，S12=1100寫出反饋歸零函數(shù)。由于CT74LS161的異步置0信號為低電平有效，因此， 畫連線圖。由上式可知，對CT74LS161而言，要實現(xiàn)十二進制計數(shù)器，應(yīng)在CT74LS161輸出端和異步置0輸入端之間加一片與非門。連線圖如圖5-3所示。 圖5-3 用CT74LS161構(gòu)成十二進制計數(shù)器(2)置數(shù)法（反饋置數(shù)法）置數(shù)法與清零法不同，它是利用中規(guī)模集成器件置數(shù)功能，以置入某一固定的二進制數(shù)值的方法實現(xiàn)模值為M的計數(shù)器。置數(shù)操作可以在電路的任何狀態(tài)下進行。利用反饋置數(shù)法獲得M

37、進制計數(shù)器的方法如下：寫出計數(shù)狀態(tài)的二進制代碼。利用同步置數(shù)端獲得M進制計數(shù)器時，寫出SM-1對應(yīng)的二進制代碼。寫出反饋置數(shù)函數(shù)。這實際上是根據(jù)SM-1寫出置數(shù)端的邏輯表達式。畫連線圖。主要根據(jù)反饋置數(shù)函數(shù)畫連線圖。畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。例2 試用CT74LS161構(gòu)成十進制計數(shù)器解：CT74LS161設(shè)有同步置數(shù)控制端，可利用它來實現(xiàn)十進制計數(shù)。設(shè)計數(shù)從Q3Q2Q1Q0=0000狀態(tài)開始計數(shù)，由于采用反饋置數(shù)法獲得十進制計數(shù)器，因此應(yīng)取D3D2D1D0=0000。采用置數(shù)控制端獲得M進制計數(shù)器一般都從0開始計數(shù)。寫出SM-1的二進制代碼為SM-1= S10-1 S9=1001寫出反饋置數(shù)函數(shù)。由于

38、計數(shù)器從0開始計數(shù)，因此，反饋置數(shù)函數(shù)為畫連線圖。根據(jù)上式和置數(shù)的要求畫十進制計數(shù)器的連線圖，如圖5-4（a）所示。畫狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如5-5（a）所示。圖5-4 用CT74LS161構(gòu)成十進制計數(shù)器的兩種方法（a）用前10個有效狀態(tài)；（b）用后10個有效狀態(tài)(a)(b)圖5-5 CT74LS161計數(shù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖(a)利用前10個有效狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 (b)利用后10個有效狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖5-4（a）是利用4位自然二進制數(shù)的前10個狀態(tài)00001001來實現(xiàn)十進制計數(shù)的，如利用4位自然二進制數(shù)的后10個狀態(tài)01101111實現(xiàn)十進制計數(shù)時，則數(shù)據(jù)輸入端輸入的數(shù)據(jù)應(yīng)為D3D2D1D0=0110，這時從CT

39、74LS161的進位輸出端CO取得反饋置數(shù)信號，電路如圖5-4（b）所示。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如5-5（b）所示。這種置數(shù)方法，其電路結(jié)構(gòu)是固定結(jié)構(gòu)，在改變模值M時，只需要改變置入輸入端D3D0的輸入數(shù)據(jù)即可，若是同步置數(shù)，其置入輸入數(shù)據(jù)數(shù)為（2n-M）的二進制代碼，這種由滿值輸出作為置數(shù)控制信號，一般計數(shù)順序不是從0000開始。三、實驗任務(wù)1用一塊74LS161和一塊74LS00實現(xiàn)（1）0-9循環(huán)計數(shù)（用端實現(xiàn)）；（2）0-9循環(huán)計數(shù)（用端實現(xiàn)）；畫出連線圖，用數(shù)碼管顯示電路輸出，觀察在CP脈沖作用下輸出的變化情況。2用兩塊74LS161和一塊74LS00實現(xiàn)數(shù)字鐘的“分”電路：0059循環(huán)計數(shù)。畫

40、出連線圖，使用儀器上的數(shù)碼顯示電路輸出，觀察在脈沖作用下輸出的變化情況。四、 注意事項在做實驗內(nèi)容2時，由于兩塊74161的級連，線很多，稍有不慎就會出錯，如果沒有經(jīng)驗就很難查出錯誤，因此插線時，應(yīng)首先完成“分”個位74161的“0-9循環(huán)計數(shù)”，并輸入CP脈沖驗證是否正確；然后再將“分”個位74161和74161級連起來，實現(xiàn)“0059循環(huán)計數(shù)”。在觀察分鐘的波形時，由于60進制的波形在示波器上很難觀察清楚，因此，可以分成個位上的十進制和十位上的六進制來觀察。因為個位上的每個周期中都包含有個位上的十進制，所以分鐘電路觀察兩組波形： 第一組：周期1分鐘的時鐘脈沖；Q0 （個位計數(shù)器）Q1 （個

41、位計數(shù)器）Q2 （個位計數(shù)器）Q3 （個位計數(shù)器）第二組：個位計數(shù)器的進位作為六進制的時鐘；Q0 （個位計數(shù)器）Q1 （個位計數(shù)器）Q2 （個位計數(shù)器）四、實驗儀器與器材數(shù)字實驗箱 1臺 74LS161 兩片 74LS000 一片五、實驗報告要求1畫出實驗電路圖，對實驗記錄進行分析2設(shè)計性任務(wù)要寫出設(shè)計過程（包括設(shè)計技巧），并畫出邏輯圖。 實驗六 序列信號發(fā)生器一、實驗?zāi)康?了解中規(guī)模器件的邏輯功能和使用方法。2學(xué)習(xí)并掌握序列信號發(fā)生器的設(shè)計方法。二、實驗原理在數(shù)字系統(tǒng)中經(jīng)常需要一些串行周期性信號，這種信號在每個循環(huán)周期中，1和0數(shù)碼按一定的規(guī)則順序排列，這就是序列信號。將序列信號的每個循環(huán)周

42、期中所含有的碼元位數(shù)稱為循環(huán)長度（或序列長度）M，也稱為序列周期M。序列信號在雷達、通信、遙控與遙測、測量以及無線電儀表等領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。例如，在通信設(shè)備中，經(jīng)常需要產(chǎn)生一組規(guī)則碼，用來調(diào)機或檢修設(shè)備；在通信系統(tǒng)中的同步需要產(chǎn)生一組特定的二進制序列信號來表示一組信息的開始或終止等等。產(chǎn)生序列信號的電路稱為序列信號發(fā)生器。序列信號發(fā)生器通?？梢栽谝拼嫫骰蛴嫈?shù)器的基礎(chǔ)上構(gòu)成，前者只產(chǎn)生一組序列信號，后者可以產(chǎn)生一組或多組序列信號，下面分別討論它們的設(shè)計方法。1 移存型序列信號發(fā)生器移存器型序列信號發(fā)生器的實現(xiàn)框圖如圖6-1所示。圖中，移位寄存器作為主要存儲部件，將所要產(chǎn)生的長度為M的序列信號，

43、按移存規(guī)律，組成M個狀態(tài)組合，完成狀態(tài)轉(zhuǎn)移，而反饋電路的作用是檢測移存器的現(xiàn)態(tài)，產(chǎn)生0或1的輸出，輸至移存器以便得到相應(yīng)的次態(tài),使電路輸出給定的序列信號。QnQ1。 。 。反饋電路移位寄存器 CP 圖6-1移存器型序列信號發(fā)生器框圖例如，設(shè)計產(chǎn)生序列信號00011101的移存器型序列信號發(fā)生器。首先根據(jù)序列信號的長度M=8，因此確定移位寄存器的位數(shù)n3。若選擇n=3，則將序列信號依次取 3位碼元，構(gòu)成8個狀態(tài)的循環(huán)，如表6-1所示。由于狀態(tài)轉(zhuǎn)移符合移存規(guī)律，因此只需設(shè)計輸入第1級的激勵信號。通常采用D觸發(fā)器構(gòu)成移位寄存器，由表6-1可得則序列信號可以從任一觸發(fā)器的Q端輸出，其設(shè)計電路如圖 6-

44、2所示。6-1狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表和激勵表Q3 Q2Q1Q3n+1Q2n+1Q1n+1D100000110010111011111111111001101011101010001010001000000F&&&1D1 Q1 Q1 D2 Q2 Q2 D3 Q3 Q3 CP圖6-2 產(chǎn)生序列信號00011101的移存器型序列信號發(fā)生器2計數(shù)器型序列信號發(fā)生器由計數(shù)器構(gòu)成的序列信號發(fā)生器框圖如圖6-3所示，它是在同步計數(shù)器的基礎(chǔ)上加上輸出組合電路構(gòu)成的。舉例說明。要求產(chǎn)生11位巴克碼序列00100011101的計數(shù)器型序列信號發(fā)生器，由于序列長度M=11，則利用同步計數(shù)器74LS1

45、61，采用反饋置數(shù)法，構(gòu)成模11的計數(shù)器。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換為： 101010011000011100110010000110010000100000101.QnQ1CP模M計數(shù)器序列組合電路 表6-2 Q3Q2Q1Q0F0000000010001010011001000010100110101111100011001010101其它任意 圖6-3 計數(shù)器型序列信號發(fā)生器框圖由此，根據(jù)所需實現(xiàn)的序列，可得組合電路的真值表如表6-2所示。FCPVCCCTP Q3 Q2 Q1 Q0CTT CRCLK D3 D2 D1 D0 LDCT74LS161&&&&1&寫出輸出

46、F的邏輯函數(shù)表達式，最后畫出設(shè)計電路如圖6-4所示。圖6-4 產(chǎn)生序列信號00100011101的移存器型序列信號發(fā)生器這樣輸出F將在時鐘CP的作用下產(chǎn)生相應(yīng)的序列信號。這里必須指出，由于輸出是組合電路，因此在輸出的序列中有可能有“冒險”的毛刺。這種冒險無法采用設(shè)計措施消除，可以采用時鐘脈沖作為“取樣”脈沖來消除冒險。另外也可以利用數(shù)據(jù)選擇器與計數(shù)器配合 ，靈活地構(gòu)成任意循環(huán)長度和任意的脈沖序列。實現(xiàn)框圖如圖6-5所示。四位計數(shù)器提供16選1數(shù)據(jù)選擇器的地址輸入，而輸入數(shù)據(jù)通道依據(jù)所要求產(chǎn)生的脈沖序列接固定電平，這樣便可產(chǎn)生循環(huán)長度為16的脈沖序列，每個碼元寬度等于計數(shù)脈沖CP的周期。序列輸出

47、CP序列輸入D15D0MUXWA3 A2 A1 A0Q3 Q2 Q1 Q0四位計數(shù)器圖6-5 脈沖序列發(fā)生器邏輯框圖假如序列長度為N，則將計數(shù)器構(gòu)成模為N的計數(shù)，同樣相應(yīng)改變輸入數(shù)據(jù)通道的邏輯電平值便可實現(xiàn)N位的任意序列脈沖。三、預(yù)習(xí)要求1復(fù)習(xí)數(shù)據(jù)選擇器和計數(shù)器的邏輯功能，以及數(shù)據(jù)選擇器的功能擴展。2分析序列檢測器的工作原理。3熟悉本實驗所用器件，如74LS000、74LS153、74LS161的功能管腳排列。4設(shè)計產(chǎn)生序列信號110100的計數(shù)型序列信號發(fā)生器。 四、實驗內(nèi)容用計數(shù)器和數(shù)據(jù)選擇器配合產(chǎn)生序列信號110100。五、實驗設(shè)備與器材1實驗組合箱一臺274LS000四二輸入與非門一片，74LS153一片，74LS161一片六、實驗報告要求按任務(wù)要求設(shè)計電路并畫出實驗電路圖，簡述工作過程，記錄測試結(jié)果并對結(jié)果進行分析。實驗七 555定時器及分頻電路一、實驗?zāi)康?熟悉555定時器的應(yīng)用2能夠利用555定時器和計數(shù)器來構(gòu)成分頻電路。二、實驗原理555定時器是一種多用途的數(shù)字模