[數字電子技術及應用項目教程][141頁]課件

1、電子工業(yè)出版社數字電子技術及應用項目教程項目五 100秒計時與顯示電路設計與制作項目要求在項目四中設計的四人搶答器沒有答題計時電路，請設計一個答題計時電路完善其功能，當某個參賽隊搶答后要求100秒內完成答題，計時電路用LED數碼管來顯示時間，可以采用正計時（099），也可以采用倒計時（990）。項目五 100秒計時與顯示電路設計與制作項目目標1會用觸發(fā)器構成同步/異步、加法/減法計數器。2.能正確繪制計數器的電路圖能進行功能仿真和仿真調試。3.會靈活使用集成計數器構成各種計數電路并能正確分析這類電路。4.能看懂集成計數器的功能表并能正確使用計數器。5.能用集成計數器擴展計數器的模值，并能正確處

2、理進位借位信號。6.能手工設計電路的pcb并能正確制作電路、測試電路。7.能正確使用寄存器進行電路分析和設計電路。8.能用集成計數器構成任意進制計數器。項目5： 100秒計時與顯示電路設計與制作 項目說明 這個100秒計時與顯示電路的設計，需要應用上一個項目中學習的觸發(fā)器（Trigger ），本項目中使用集成觸發(fā)器，請課下查找集成觸發(fā)器的型號和基本參數，并進行選擇。項目中包含的學習任務1.計數器設計與功能仿真2. 集成計數器的功能比較與測設3. 100秒計時與顯示電路設計與制作4. 擴展任務1：基于集成寄存器的跑馬燈設計5. 擴展任務2：基于集成計數器的任意進制計數器設計 技能目標1會用邊沿觸

3、發(fā)器構成同步/異步、加法/減法計數器。2.能正確繪制計數器的電路圖能進行仿真和仿真調試。3.能根據實訓電路圖進行時序邏輯電路的功能分析。知識目標1.掌握觸發(fā)器構成計數器的規(guī)律。2.了解計數器電路內部結構。3.掌握分頻器工作原理和計算方法。4.掌握時序邏輯電路的功能分析的一般步驟。任務1 計數器設計與功能仿真 任務1 計數器設計與功能仿真一、時序邏輯電路特點及計數器的分類1. 時序邏輯電路的特點時序邏輯電路的結構示意圖輸入變量輸出變量驅動變量狀態(tài)變量任務1 計數器設計與功能仿真時序邏輯電路的特點：每時刻的輸出不僅由該時刻的輸入決定，還與上一時刻的輸出有關。有反饋有記憶電路。由觸發(fā)器和其他電路構成

4、。一、時序邏輯電路特點及計數器的分類任務1 計數器設計與功能仿真 2.時序邏輯電路的分類一、時序邏輯電路特點及計數器的分類按時鐘特性同步時序邏輯電路異步時序邏輯電路按邏輯功能計數器、寄存器、時序信號發(fā)生器等計數器的分類同步計數器異步計數器二進制計數器非二進制計數器加法減法可逆計數器二、用二分頻電路構成二進制計數器1. 二分頻電路設計與波形分析要求：每個小組在multisim軟件中設計并繪出一個二分頻電路，用指示燈觀察其信號變化，在Logic analyzer中分析其輸入輸出波形。展示：請部分小組展示設計成果并簡單講解，總結二分頻電路的特點。任務1 計數器設計與功能仿真 項目5：100秒計時與顯

5、示電路設計與制作邏輯分析儀（Logic analyzer ）的使用 The logic analyzer displays the levels of up to 16 digital signals in a circuit. It is used for fast data acquisition of logic states and advanced timing analysis to help design large systems and carry out troubleshooting.任務1 計數器設計與功能仿真 項目5：100秒計時與顯示電路設計與制作邏輯分析儀（Log

6、ic analyzer ）的使用任務1 計數器設計與功能仿真 幾種常用二分頻的電路形式QJKCPQJKCPSDRDRDSDCP上升沿有效CP下降沿有效TT任務1 計數器設計與功能仿真 二、用二分頻電路構成二進制計數器二分頻電路參考圖任務1 計數器設計與功能仿真 二、用二分頻電路構成二進制計數器結論 1）不同形式的二分頻電路工作結果是相同的。 2）輸出波形和輸入波形的形狀相同，但是周期TO=2TIN，因此頻率關系是fo=fin/2。 3）單看Q的輸出，數字化后是0和1，是二進制，如果將CP和Q在相同時刻上的數值連起來看，就是00,01,10,11在循環(huán)，顯然構成四進制。任務1 計數器設計與功能仿

7、真 二、用二分頻電路構成二進制計數器結論 CPQ1001110010011100100111t00011011波形圖狀態(tài)轉換圖思考：如將Q信號作為另一個二分頻電路的CP，這兩個觸發(fā)器輸出會怎樣？一直這樣連接多個呢？任務1 計數器設計與功能仿真 二、用二分頻電路構成二進制計數器任務1 計數器設計與功能仿真 二、用二分頻電路構成二進制計數器 將n個二分頻電路進行級聯，可以方便的得到2n進制計數器，這種觸發(fā)器的個數n和總的計數狀態(tài)數(模)是2n關系的計數器稱為二進制計數器。2 二進制計數器練習： 將兩個D觸發(fā)器構成的二分頻電路進行級聯得到的四進制計數器。任務1 計數器設計與功能仿真 二、用二分頻電路

8、構成二進制計數器2 二進制計數器兩個二分頻電路構成的四進制計數器參考電路分析波形圖任務1 計數器設計與功能仿真 二、用二分頻電路構成二進制計數器00011011任務1 計數器設計與功能仿真 二、用二分頻電路構成二進制計數器（1）在一個CP周期中將Q1Q0兩個觸發(fā)器的輸出合起來看，它們一起構成了一個狀態(tài)。結論（2）每個CP周期中兩個觸發(fā)器的輸出狀態(tài)是確定的，并且每個狀態(tài)組合存在的時間和CP 的周期相同。（3）四進制計數器中一共四個狀態(tài)組合，并且是按照順序不斷重復出現。（4）兩個觸發(fā)器的時鐘脈沖是不同的，這種時序邏輯電路是異步時序邏輯電路。2. 二進制計數器設計與仿真請用三個邊沿觸發(fā)器設計一個8進

9、制計數器，要求實現狀態(tài)000到狀態(tài)111的變化，觸發(fā)器的狀態(tài)可以用指示燈、數碼管和邏輯分析儀來顯示。設計框圖二分頻二分頻二分頻CPQ0Q1Q2任務1 計數器設計與功能仿真 二、用二分頻電路構成二進制計數器2. 二進制計數器設計與仿真請認真分析其狀態(tài)和波形圖，然后完成任務單上的狀態(tài)轉換表和狀態(tài)轉化圖。學生操練，教師指導，學生交流任務1 計數器設計與功能仿真 二、用二分頻電路構成二進制計數器兩種結果任務1 計數器設計與功能仿真 二、用二分頻電路構成二進制計數器任務1 計數器設計與功能仿真 二、用二分頻電路構成二進制計數器0001000011010100001100111111tpd2tpd3tpd

10、000001010011100101110111任務1 計數器設計與功能仿真 二、用二分頻電路構成二進制計數器結論：可以實現加法計數和減法計數，其關鍵在于時鐘脈沖的邊沿確定的跳變時機不同。規(guī)律：上升沿 QiCPi+1 減法 CPi+1 加法 下降沿 QiCPi+1 加法 CPi+1 減法依此可將計數器分為加法計數和減法計數，還有可逆計數器。（課下思考如何可逆？）2.固定脈沖頻率，可以進行計時，計數器是電子時鐘的主電路。3.異步時序電路的狀態(tài)變化存在時間延遲。 任務1 計數器設計與功能仿真 二、用二分頻電路構成二進制計數器任務1 計數器設計與功能仿真 二、用二分頻電路構成二進制計數器1. 同步時

11、序邏輯電路（Sequential logic circuit）分析 認識一個同步時序邏輯電路觸發(fā)器同時翻轉，沒有延遲時間的積累。異步復位任務1 計數器設計與功能仿真 三、十進制計數器的設計與仿真1. 同步時序邏輯電路（Sequential logic circuit）分析 分析要點：1.寫出輸出表達式2.寫出驅動方程-每個觸發(fā)器輸入端的表達式3.寫出狀態(tài)方程-每個觸發(fā)器輸出端的次態(tài)表達式特性方程任務1 計數器設計與功能仿真 三、十進制計數器的設計與仿真 2. 驅動方程： J0=K0=1K1=Q0nJ2=K2=Q1nQ0nJ3=Q2nQ1nQ0n，K3=Q0n 3. 狀態(tài)方程： 1.輸出方程:

12、Z=Q0Q3 特征方程： 代入任務1 計數器設計與功能仿真 三、十進制計數器的設計與仿真狀態(tài)轉移表 每次將初態(tài)作為已知量帶人狀態(tài)方程，即可求得CP有效邊沿后的次態(tài)輸出任務1 計數器設計與功能仿真 三、十進制計數器的設計與仿真6個無效狀態(tài)1010-1111 無效狀態(tài)轉移表： 5. 畫狀態(tài)轉移圖： 有自啟動能力4. 分析無效狀態(tài)情況無效狀態(tài)無效狀態(tài)任務1 計數器設計與功能仿真 三、十進制計數器的設計與仿真6.時序圖 (必要時)7. 說明功能：該電路是一個同步10進制可自啟動的計數器，Z是進位控制端。任務1 計數器設計與功能仿真 三、十進制計數器的設計與仿真課后學習任務：本次任務總結報告。 思考如何

13、將16進制的顯示轉換成10進制的顯示，下次課請設計出來的同學演示和講解。完成下圖時序邏輯電路以及下圖的功能，并寫出其輸出、驅動、狀態(tài)方程。 任務1 計數器設計與功能仿真 三、十進制計數器的設計與仿真任務1 計數器設計與功能仿真 四、時序邏輯電路的分析方法1.時序邏輯電路功能的描述方法輸入變量輸出變量驅動變量狀態(tài)變量任務1 計數器設計與功能仿真 四、時序邏輯電路的分析方法1.時序邏輯電路功能的描述方法邏輯方程式時鐘方程驅動方程狀態(tài)方程輸出方程狀態(tài)轉換真值表狀態(tài)轉換圖時序圖任務1 計數器設計與功能仿真 四、時序邏輯電路的分析方法2.時序電路的分析方法（1）寫方程：根據給定電路寫出時鐘方程、驅動方程

14、和輸出方程。（2）求解次態(tài)方程：將驅動方程代入相應觸發(fā)器的狀態(tài)方程，得出各觸發(fā)器的最簡次態(tài)方程即狀態(tài)方程。（3）求次態(tài)：將電路的輸入和現態(tài)的所有取值組合代入狀態(tài)方程和輸出方程，計算出相應的次態(tài)和輸出。（4）畫圖表：根據計算結果畫出狀態(tài)轉換真值表，狀態(tài)圖或時序圖。（5）得結論：用文字說明該時序邏輯電路的邏輯功能。任務1 計數器設計與功能仿真 四、時序邏輯電路的分析方法例（1）寫方程：時鐘方程：驅動方程：輸出方程：任務1 計數器設計與功能仿真 四、時序邏輯電路的分析方法（2）寫狀態(tài)方程（3）求次態(tài) 設定初始狀態(tài)為0，代入狀態(tài)方程，即可得到次態(tài)的輸出邏輯值，然后再將這個邏輯值作為初態(tài)代入狀態(tài)方程求下

15、一個次態(tài)，一直重復進行，直到狀態(tài)出現循環(huán)為止。任務1 計數器設計與功能仿真 四、時序邏輯電路的分析方法電路有兩個狀態(tài)循環(huán)有效循環(huán)、無效循環(huán)電路能否自啟動任務1 計數器設計與功能仿真 四、時序邏輯電路的分析方法（4）狀態(tài)轉換圖PS:狀態(tài)轉換圖要有圖例，說明狀態(tài)轉換圖中各邏輯值的意義，本圖中邏輯狀態(tài)的書寫順序是Q2Q1Q0的順序，箭頭上的數字表示Y，箭頭表示狀態(tài)發(fā)生變化的方向。任務1 計數器設計與功能仿真 四、時序邏輯電路的分析方法（5）畫波形圖PS：波形圖中Q2和Y 的頻率相同（6）說明功能是一個用格雷碼表示的六進制同步加法計數器。當對第6個脈沖計數時，計數器又重新從000開始計數，并產生輸出Y

16、1。Y表示進位。該電路不能自啟動。任務1 計數器設計與功能仿真 四、時序邏輯電路的分析方法技能目標1.會靈活使用集成計數器構成各種計數電路并能正確分析這類電路。2.能看懂集成計數器的功能表 并能正確使用計數器。3.能正確繪制計數器的電路圖能進行仿真調試。4.能用集成計數器構成任意進制計數器。知識目標1. 掌握各種集成計數器功能表的解讀方法。2.了解各類集成計數器的基本情況。3.掌握各種計數器特殊功能端的使用方法。4. 掌握級聯法、復位法、預置數法構成任意進制計數器的方法。任務二：集成計數器的功能比較與測設1. 同步集成二進制計數器74161任務二：集成計數器的功能比較與測設一、二進制集成計數器

17、具有控制端和異步清零和同步預置數功能模為16二進制同步計數器有效狀態(tài)是00001111由4個JK觸發(fā)器構成 輸 入 輸 出CP CRLD CTP CTT D C B A QD QC QB QA * 0* * * * * * * 0 0 0 0 1 0 * * D C B A D C B A * 1 1 0 * * * * * 保持（CO不變)） * 1 1 * 0 * * * * 保持（CO=0） 1 1 1 1 * * * * 十六進制加計數74LS161功能表任務二：集成計數器的功能比較與測設一、二進制集成計數器1. 同步集成二進制計數器741611.CP：脈沖輸入端 (上升沿觸發(fā)）2.Q

18、D、QC、QB、QA：計數輸出3. ：異步復位端（低電平有效）4. ：同步置數端（低電平有效）5.DCBA: 預置數輸入端 5.CTP、CTT：計數使能端（高電平有效）6.CO：進位輸出端（高電平有效）任務二：集成計數器的功能比較與測設一、二進制集成計數器=0時，不論CP及其他管腳是什么狀態(tài)，輸出端Q0Q3都立即清零。=0（此時保證=1）時，遇到CP的上升沿，輸出Q0Q3= D0D3。任務二：集成計數器的功能比較與測設一、二進制集成計數器工作時序圖任務二：集成計數器的功能比較與測設一、二進制集成計數器2. 集成二進制計數器74161的功能仿真功能仿真參考圖任務二：集成計數器的功能比較與測設一、

19、二進制集成計數器工作波形圖下降沿觸發(fā)，軟件設計錯誤任務二：集成計數器的功能比較與測設一、二進制集成計數器幾個結論（1）逐級二分頻。 Q0、Q1、Q2、Q3依次是CP信號的二、四、八、十六分頻。（2）CO在Q3Q2Q1Q0=1111時為1，TCO=TQ3，是CP的十六分頻，占空比是1/16，而Q3的占空比是50%。（3）CO下降沿和Q3的下降沿在同一個時刻并且出現的頻率相同，因此可以用Q3代替CO，充當進位信號。（4）每一個狀態(tài)存在的時間都是一個CP周期。任務二：集成計數器的功能比較與測設一、二進制集成計數器3. 集成二進制計數器74161的應用舉例(1)復位法利用異步清零端 ，實現進制的改變，

20、叫反饋復位法構成任意進制計數器。基本原理：當計數器計數到一個數值時，讓計數器復位到0，從而改變計數的模。用74161采用復位法實現六進制例任務二：集成計數器的功能比較與測設一、二進制集成計數器分析：模6，計數值從0開始，六個有效態(tài)是05（00000101）在計數器狀態(tài)0101之后清零。注意：0101要存在一個TCP必須在0101之后復位，要將0110這個狀態(tài)變成0000 。過渡態(tài)譯碼，變成0，送給 ，實現復位。過渡態(tài)任務二：集成計數器的功能比較與測設一、二進制集成計數器Q3Q2Q1Q00000000100100011010001010110狀體轉換圖過渡態(tài)任務二：集成計數器的功能比較與測設一、

21、二進制集成計數器 74LS161 Q0 Q1 Q2 Q3 CR D0 D1 D2 D3 CTT CTP CP CO LD電路圖與非門將過渡態(tài)變換成邏輯0反饋給復位端，使電路在0110時復位回到0000任務二：集成計數器的功能比較與測設一、二進制集成計數器在0101時與門輸出1，這是六進制計數器的進位端，CO= Q2Q0 任務二：集成計數器的功能比較與測設一、二進制集成計數器復位法構成任意進制計數器方法總結有效狀態(tài)是S0SM-1，去掉N -M個狀態(tài)。如果是異步復位端，需要過渡態(tài)，狀態(tài)M就是過渡態(tài)，將M 變換出復位信號。如果是同步復位端，不需要過渡態(tài)， 將狀態(tài)SM-1 變換出復位信號。復位法將N進

22、制的計數器改成M（MM）進制計數器，計滿M個狀態(tài)后，采用整體清“0”或整體置數法實現M進制計數器。四 、構成任意進制計數器的方法任務二 集成計數器的功能比較與測設試用74160組成百進制計數器。異步方式四 、構成任意進制計數器的方法任務二 集成計數器的功能比較與測設例同步方式四 、構成任意進制計數器的方法任務二 集成計數器的功能比較與測設四 、構成任意進制計數器的方法任務二 集成計數器的功能比較與測設請用集成十進制計數器74162實現60進制計數器，有效狀態(tài)為059 。例 四 、構成任意進制計數器的方法任務二 集成計數器的功能比較與測設分析 至少需要兩個74162級聯完成，在10以內兩個數相乘

23、積為60的只有610，所以，應該讓一個74162實現6進制，一個實現10進制，然后兩個進行級聯 。實現6進制可以采用復位法，也可以采用預置數法。兩個級聯時，我們將10進制計數器作個位，讓6進制計數器作十位，這樣計數的結果是8421BCD碼，方便顯示和使用，如果個位和十位換過來，也可以實現60進制，但是編碼不是8421BCD碼，使用起來不方便 四 、構成任意進制計數器的方法任務二 集成計數器的功能比較與測設電路 注意：仿真軟件將這個計數器的有效邊沿定義成了下降沿了 試用兩片74160實現54進制計數器。解：M=54，74160是具有異步清零、同步置數的十進制計數器。整體置數法計數：053。530

24、 1 0 1 0 0 1 1 Q3Q2Q1Q0例四 、構成任意進制計數器的方法任務二 集成計數器的功能比較與測設分解法M=54=69，用兩片74160分別構成六進制和九進制，然后級聯即可。六進制九進制四 、構成任意進制計數器的方法任務二 集成計數器的功能比較與測設請使用雙四位異步BCD碼加法計數器CC4518構成24進制計數器，要求有效狀態(tài)為023，輸出端輸出的每個狀態(tài)都是8421BCD編碼。 四 、構成任意進制計數器的方法任務二 集成計數器的功能比較與測設例 四 、構成任意進制計數器的方法任務二 集成計數器的功能比較與測設Cr：異步清零端（復位端），高電平有效。CP，EN：計數器工作狀態(tài)控制

25、與時鐘脈沖輸入端。QD，QC，QB，QA ：計數器四位數據輸出端。四 、構成任意進制計數器的方法任務二 集成計數器的功能比較與測設分析 CC4518內部有兩個十進制計數器，每個計數器都有異步清零端Cr，都有兩個CP輸入端，CP是上升沿有效，EN 是下降沿有效。本問題中要求24進制計數器輸出的狀態(tài)都是8421BCD碼，所以，不可以用類似46,38的級聯方式進行構建電路。 Cr是異步復位端，需要過渡態(tài)，0010 0100（24）是過渡態(tài)。 可將兩個十進制聯成100進制計數器，然后將個位和十位同時復位得到24進制。四 、構成任意進制計數器的方法任務二 集成計數器的功能比較與測設狀態(tài)轉換圖 四 、構成

26、任意進制計數器的方法任務二 集成計數器的功能比較與測設電路圖 U1A是十位部分，U1B是個位部分個位的Q2D當作進位信號給十位的EN端，在個位為9時，Q2D=1，當個位變成0時，Q2D=0，由此在Q2D上產生了一個下降沿，此時也正是個位需要向十位進位的時機，因此可以將它作為十位的脈沖時鐘。電路采用下降沿觸發(fā)，CP1和CP2接地。十位0010和個位0100構成過渡態(tài)，將這個狀態(tài)的特征Q1B=1，Q2C=1進行相與產生1，反饋給異步復位端Cr作為復位信號，當個位和十位同時得到復位信號時，兩部分同時復位，從0010 0100（24）跳變?yōu)?000 0000 （00，有效態(tài)是0023 。四 、構成任意

27、進制計數器的方法任務二 集成計數器的功能比較與測設技能目標1.能用集成計數器擴展計數器的模值，并能正確處理進位、借位信號。2.能手工設計電路的PCB并能正確制作電路、測試電路。知識目標1.掌握反饋復位法、預置數法、級聯法構成計數器的方法。2.掌握計數器輸出顯示的方法。任務三 100秒計時與顯示電路設計與制作任務三 100秒計時與顯示電路設計與制作一、100進制計數器的設計與仿真采用了下降沿觸發(fā)計數，CP1和CP2接地 。個位計數器的最高位2D作為給十位計數器的進位信號，連接到EN1上 。如何設計百進制倒計時電路 ？思考任務三 100秒計時與顯示電路設計與制作一、100進制計數器的設計與仿真完善

28、計數器設計，使之與項目四搶答器匹配工作來自搶答器啟停按鈕任務三 100秒計時與顯示電路設計與制作增加超時報警提示 去聲響電路任務三 100秒計時與顯示電路設計與制作二、脈沖信號的產生電路 多諧振蕩器 多諧振蕩器電路是一種矩形波產生電路，它不需要外加觸發(fā)信號，便能連續(xù)地，周期性地產生矩形脈沖。也稱為無穩(wěn)態(tài)電路。（1）對稱式多諧振蕩器 應滿足ROFFRFRONT1.4RFCF 任務三 100秒計時與顯示電路設計與制作（2）石英晶體多諧振蕩器 二、脈沖信號的產生電路 振蕩頻率只取決于石英晶體的固有諧振頻率fo，而與RC無關 。頻率穩(wěn)定度很高32768HZ的石英晶體諧振器，如何分頻得到1hz矩形波？ 思考任務三 100秒計時與顯示電路設計與制作（3）環(huán)形多諧振蕩器 二、脈沖信號的產生電路 RC環(huán)形振蕩器電路 T2.2RC R不能選得太大（一般1k左右），否則電路不