電子技術(shù)及應用項目九時序邏輯電路的分析和設計

工程九時序邏輯電路的分析和設計模塊1時序邏輯電路的分析

模塊2常用的中規(guī)模集成時序邏輯電路的應用

模塊1時序邏輯電路的分析

學習內(nèi)容：

(1)時序邏輯電路的特點。

(2)時序邏輯電路的分析方法。

學習問題：

(1)時序邏輯電路的主要特點是什么？它和組合邏輯電路的區(qū)別是什么？

(2)什么是同步時序邏輯電路和異步時序邏輯電路？它們各有哪些優(yōu)缺點？

(3)同步時序邏輯電路和異步時序邏輯電路的分析方法主要區(qū)別在哪里？

學習要求：

(1)了解時序邏輯電路的特點。

(2)掌握時序邏輯電路的分析方法，以同步時序邏輯電路為重點。

任務1測試JK觸發(fā)器構(gòu)成的二進制

計數(shù)器的邏輯功能

(一)任務要求

測試JK觸發(fā)器構(gòu)成的二進制計數(shù)器的功能。

(二)任務內(nèi)容

(1)圖9-1-1為用JK觸發(fā)器構(gòu)成的三位異步二進制加法計數(shù)器的原理圖，分析其工作原理。圖9-1-1JK觸發(fā)器構(gòu)成三位二進制計數(shù)器(2)給定元器件：74LS73兩片，發(fā)光二極管三個，620Ω電阻三個。

(3)按圖9-1-1所示在面包板上插裝出電路，計數(shù)輸出結(jié)果用發(fā)光二極管來顯示，燈亮記為“1〞，燈不亮記為“0〞。先在CP端輸入點脈沖，按“啟動〞按鈕，觀察發(fā)光二極管的狀態(tài)，記入表9-1-1中，并將三位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)，也記入表9-1-1中；然后在CP端輸入連續(xù)脈沖，用示波器的Y1通道觀察CP波形，用Y2通道分別觀察并記錄Q1、Q2、Q3的波形，記入圖9-1-2中。

(4)總結(jié)二進制計數(shù)器計數(shù)和分頻的功能。表9-1-1三位異步二進制加法計數(shù)器數(shù)據(jù)

(三)任務結(jié)論

根據(jù)測試與討論的結(jié)果，寫出實踐研究報告(目的、原理及方法、數(shù)據(jù)測試、分析及總結(jié))。圖9-1-2波形圖

任務2測試JK觸發(fā)器構(gòu)成的十進制

計數(shù)器的邏輯功能

(一)任務要求

測試JK觸發(fā)器和門電路構(gòu)成的十進制計數(shù)器的功能。

(二)任務內(nèi)容

(1)圖9-1-3為用JK觸發(fā)器和門電路構(gòu)成的異步十進制加法計數(shù)器的原理圖，分析其工作原理。圖9-1-3JK觸發(fā)器構(gòu)成三位二進制計數(shù)器(2)給定元器件：74LS73兩片，74LS00一片，發(fā)光二極管四個，620Ω電阻四個。

(3)按圖9-1-3所示在面包板上插裝電路，計數(shù)輸出結(jié)果用發(fā)光二極管來顯示，燈亮記為“1〞，燈不亮記為“0〞。先在CP端輸入點脈沖，按“啟動〞按鈕，觀察發(fā)光二極管的狀態(tài)，記入表9-1-2中，并將8421BCD碼轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)，也記入表9-1-2中；然后在CP端輸入連續(xù)脈沖，用示波器的Y1通道觀察CP波形，用Y2通道分別觀察并記錄Q1、Q2、Q3、Q4的波形，記入圖9-1-4中。表9-1-2十進制計數(shù)器的測試數(shù)據(jù)

(三)任務結(jié)論

根據(jù)測試與討論的結(jié)果，寫出實踐研究報告(目的、原理及方法、數(shù)據(jù)測試、分析及總結(jié))。圖9-1-4波形圖【模塊理論指導】

1.模塊根本要求

掌握時序邏輯電路的分析方法。

理解同步時序電路的根本設計方法。

了解順序脈沖產(chǎn)生電路。

2.模塊重點和難點

重點時序邏輯電路的分析。

難點同步時序電路的設計。3.模塊知識點

1)時序邏輯電路的特點

時序邏輯電路在任何時刻的輸出狀態(tài)不僅取決于該時刻的輸入信號，而且還與電路原來的狀態(tài)有關(guān)，即有記憶功能。時序邏輯電路包含組合電路和存儲電路，因為要求時序邏輯電路有記憶功能，所以存儲電路必不可少。

2)時序邏輯電路的分類

按時鐘脈沖CP控制方式不同分為同步時序邏輯電路和異步時序邏輯電路。

(1)同步時序邏輯電路：電路中各觸發(fā)器都受同一時鐘CP控制，并且狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)是在同一時刻。(2)異步時序邏輯電路：電路中各觸發(fā)器不是全部用同一個時鐘CP觸發(fā)，其狀態(tài)的轉(zhuǎn)換不是同時進行的。

3)時序邏輯電路的分析方法

分析時序邏輯電路的目的是找出電路在輸入信號及時鐘脈沖的作用下的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和輸出變化的規(guī)律，從而了解電路的邏輯功能。

(1)同步時序邏輯電路的分析。其步驟如下：

①由給定的邏輯電路，寫出電路的輸出方程及各個觸發(fā)器的驅(qū)動方程。

②把驅(qū)動方程代入各個觸發(fā)器的特性方程，得到每個觸發(fā)器的狀態(tài)方程。③由狀態(tài)方程和輸出方程列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表。

④畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

⑤檢查電路能否自啟。

⑥分析功能。

(2)異步時序邏輯電路的分析。在同步的根底上，寫出每個觸發(fā)器的時鐘方程，在狀態(tài)轉(zhuǎn)換表中加上每個觸發(fā)器的時鐘，各個觸發(fā)器只有在滿足時鐘條件時，其狀態(tài)方程才能使用，否那么不能用，進而得到異步時序電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，分析功能。

模塊2常用的中規(guī)模集成時序邏輯

電路的應用

學習要求：

(1)計數(shù)器功能及其應用。

(2)存放器功能及其應用。

(3)常用的中規(guī)模集成時序邏輯電路的功能和使用方法。

(4)同步時序邏輯電路的設計方法。學習問題：

(1)計數(shù)器的異步置0與同步置0功能有什么區(qū)別？異步置數(shù)和同步置數(shù)呢？

(2)什么叫存放器？什么叫移位存放器？它們有哪些異同點？

(3)環(huán)形計數(shù)器和扭環(huán)計數(shù)器各有什么特點？

學習要求：

(1)掌握常用的中規(guī)模集成時序邏輯電路的使用方法。

(2)了解同步時序邏輯電路的設計方法。 任務1中規(guī)模集成計數(shù)、譯碼顯示

電路系統(tǒng)功能測試

(一)任務要求

用十進制集成計數(shù)器74LS90構(gòu)成十進制以內(nèi)的任意進制計數(shù)器，并用譯碼顯示電路顯示出十進制數(shù)碼。

(二)任務內(nèi)容

1.74LS90芯片

74LS90可直接作為二進制、五進制、十進制計數(shù)器用,管腳排列如圖9-2-1所示，1CP、2CP為時鐘端，NC為空腳。74LS90芯片功能如表9-2-1所示。圖9-2-174LS90芯片管腳排列圖表9-2-174LS90功能表(1)計數(shù)脈沖從1CP端進，從QA端輸出，為二進制計數(shù)器；

(2)計數(shù)脈沖從2CP端進，從QCQBQA端輸出，為五進制計數(shù)器；

(3)2CP與QA相連，計數(shù)脈沖從1CP端進，從QDQCQBQA端輸出，為十進制計數(shù)器。

2.74LS90功能測試

(1)按圖9-2-2所示連接電路，接通電源。圖9-2-274LS90芯片功能測試(2)清零：假設計數(shù)前輸出不為“0000〞，那么將R01、R02懸空，清零完畢后，將R01、R02接地。

(3)用“點脈沖〞作計數(shù)脈沖，將結(jié)果記入表9-2-2第二列中。

(4)將圖9-2-2中LED顯示電路改為圖9-2-3所示的譯碼顯示板，重復步驟(2)，將結(jié)果記入表9-2-2第三列中。

(三)任務結(jié)論

根據(jù)測試與討論的結(jié)果，寫出實踐研究報告(目的、原理及方法、數(shù)據(jù)測試、分析及總結(jié))。圖9-2-3計數(shù)譯碼顯示電路表9-2-274LS90測試數(shù)據(jù)

任務2設計搶答計時電路

(一)任務要求

在工程八模塊2任務1的根底上設計此搶答電路的計時電路，要求主持人宣布搶答開始時計時，30s內(nèi)沒人搶答，蜂鳴器報警(響5s左右)，此題作廢；假設30s內(nèi)有人搶答，60s內(nèi)(包含搶答的30s)沒答完，蜂鳴器報警(響5s左右)。限時時間用數(shù)碼管顯示器顯示出來，秒信號由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生。

(二)元器件

四位同步二進制加法計數(shù)器74LS161兩片，七段譯碼器74LS47兩片，數(shù)碼管顯示器兩個，555定時器兩片，47μF電容一個，0.01μF電容兩個，10kΩ電阻四個，100kΩ電阻一個，蜂鳴器一個，按鈕開關(guān)5個。

(三)74LS161芯片

管腳排列如圖9-2-4所示，功能表如表9-2-3所示。圖9-2-474LS161管腳排列圖表9-2-374LS161功能表

(四)任務內(nèi)容

(1)根據(jù)設計要求畫出方框圖。

(2)畫出邏輯圖。

(3)在面包板上插裝此電路，驗證電路的功能是否符合設計要求。

(五)任務結(jié)論

根據(jù)測試與討論的結(jié)果，寫出實踐研究報告(目的、原理及方法、數(shù)據(jù)測試、分析及總結(jié))。 任務3設計彩燈控制電路

(一)任務要求

以雙向移位存放器74LS194為核心，設計一個彩燈控制電路，要求四個發(fā)光二極管LED從左到右依次點亮，然后再從左到右依次熄滅，時鐘脈沖CP由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生。

(二)元器件

雙向移位存放器74LS194一片，發(fā)光二極管LED四個，與非門74LS00一片，555定時器一片，47μF電容一個，0.01μF電容一個，1kΩ電阻四個，10kΩ電阻兩個。

(三)74LS194芯片

管腳排列如圖9-2-5所示，功能表如表9-2-4所示。圖9-2-574LS194邏輯符號表9-2-474LS194功能表

(四)任務內(nèi)容

(1)畫出邏輯圖。

(2)在面包板上插裝出此電路，驗證電路的功能是否符合設計要求。

(五)任務結(jié)論

根據(jù)測試與討論的結(jié)果，寫出實踐研究報告(目的、原理及方法、數(shù)據(jù)測試、分析及總結(jié))?！灸K理論指導】

1.模塊根本要求

掌握常用中規(guī)模集成時序邏輯器件(計數(shù)器、存放器)的邏輯功能及使用方法；集成計數(shù)器構(gòu)成任意進制計數(shù)器的方法。

理解同步時序電路的根本設計方法。

了解順序脈沖產(chǎn)生電路。

2.模塊重點和難點

重點常用集成時序邏輯器件的應用。

難點同步時序電路的設計。3.模塊知識點

1)計數(shù)器

計數(shù)器是用以累計輸入時鐘脈沖CP個數(shù)的電路。

計數(shù)器累計輸入脈沖的最大數(shù)目稱為計數(shù)器的模，用M表示，如六制計數(shù)器的M=6。

(1)計數(shù)器的分類。

①按計數(shù)進制分：二進制計數(shù)器、十進制計數(shù)器、任意進制計數(shù)器(除二進制和十進制計數(shù)器之外的其他進制計數(shù)器)。

②按計數(shù)增減分：加法計數(shù)器、減法計數(shù)器、加／減計數(shù)器。③按時鐘脈沖控制方式分：同步計數(shù)器、異步計數(shù)器。同步計數(shù)器的計數(shù)速度比異步的快得多。

(2)常用的中規(guī)模集成計數(shù)器。

①CT74LS290：異步二—五—十進制計數(shù)器。它包含四個觸發(fā)器，最低位為獨立的二進制計數(shù)器，高三位構(gòu)成五進制計數(shù)器，四個觸發(fā)器級聯(lián)構(gòu)成十進制計數(shù)器。其邏輯符號如圖9-2-6所示，功能表如表9-2-5所示。圖9-2-674LS290邏輯符號表9-2-574LS290功能表②CT74LS161:四位二進制同步加法計數(shù)器。它包含四個觸發(fā)器，各觸發(fā)器狀態(tài)的改變是在時鐘的上升沿完成的，具有異步置0、同步置數(shù)功能。其邏輯符號如圖9-2-7所示，功能表如表9-2-6所示。圖9-2-774LS161邏輯符號表9-2-674LS161功能表③CT74LS163:四位二進制同步加法計數(shù)器。它包含四個觸發(fā)器，各觸發(fā)器狀態(tài)的改變是在時鐘的上升沿完成的，具有同步置0、同步置數(shù)功能。其邏輯符號如圖9-2-8所示，功能表如表9-2-7所示。圖9-2-874LS163邏輯符號表9-2-774LS163功能表④CT74LS160:十進制同步加法計數(shù)器。它包含四個觸發(fā)器，各觸發(fā)器狀態(tài)的改變是在時鐘的上升沿完成的，具有異步置0、同步置數(shù)功能。其邏輯符號如圖9-2-9所示，功能表如表9-2-8所示。圖9-2-974LS160邏輯符號表9-2-874LS160功能表⑤CT74LS162:十進制同步加法計數(shù)器。它包含四個觸發(fā)器，各觸發(fā)器狀態(tài)的改變是在時鐘的上升沿完成的，具有同步置0、同步置數(shù)功能。其邏輯符號如圖9-2-10所示，功能表如表9-2-9所示。圖9-2-1074LS162邏輯符號表9-2-974LS162功能表⑥CT74LS190：十進制同步加/減計數(shù)器。它包含四個觸發(fā)器，具有同步置數(shù)功能，可做加法計數(shù)，也可做減法計數(shù)。其邏輯符號如圖9-2-11所示，功能表如表9-2-10所示。圖9-2-1174LS190邏輯符號表9-2-1074LS190功能表2)利用集成計數(shù)器構(gòu)成任意進制(N進制)計數(shù)器

(1)利用反響歸零法構(gòu)成N進制計數(shù)器。利用計數(shù)器的置0功能可構(gòu)成N進制計數(shù)器，集成計數(shù)器有異步置0和同步置0兩種，因此，利用這兩種置0功能構(gòu)成N進制計數(shù)器的方式也有區(qū)別。

①異步置0法(適用于74LS290、74LS161、74LS160)。異步置0不受時鐘脈沖CP的控制，只要異步置0控制端(CR)出現(xiàn)置0有效信號低電平，計數(shù)器便立即返回0狀態(tài)。因此，利用異步置0功能構(gòu)成N進制計數(shù)器時，應根據(jù)輸入第N個計數(shù)脈沖后的計數(shù)器狀態(tài)來寫反響歸零函數(shù)，在輸入第N個計數(shù)脈沖CP后，通過反響控制電路產(chǎn)生一個低電平加到CR端上，使計數(shù)器立刻置0，回到初始的0狀態(tài)，從而實現(xiàn)了N進制計數(shù)。②同步置0法(適用于74LS163、74LS162)。用計數(shù)器的同步置0功能構(gòu)成N進制計數(shù)器和異步置0不同，同步置0控制端(CR)獲得置0信號低電平后，還需再輸入一個計數(shù)脈沖CP，計數(shù)器才被置0。因此，利用同步置0功能構(gòu)成N進制計數(shù)器時，應根據(jù)輸入第N－1個計數(shù)脈沖CP后計數(shù)器的狀態(tài)寫反響歸零函數(shù)，這樣，在輸入第N個計數(shù)脈沖CP后，計數(shù)器被置0，回到初始的0狀態(tài)，從而實現(xiàn)了N進制計數(shù)。

(2)利用反響置數(shù)法構(gòu)成N進制計數(shù)器。利用計數(shù)器的置數(shù)功能也可構(gòu)成N進制計數(shù)器，集成計數(shù)器有異步置數(shù)和同步置數(shù)兩種，因此，利用這兩種置數(shù)功能構(gòu)成N進制計數(shù)器的方式也有區(qū)別。①異步置數(shù)法(適用于74LS290、74LS190)。與異步置0一樣，異步置數(shù)也不受時鐘脈沖CP的控制，只要異步置數(shù)控制端(LD)獲得置數(shù)信號低電平后，并行數(shù)據(jù)輸入端(D0D1D2D3)輸入的數(shù)據(jù)便被立即置入計數(shù)器。因此，利用異步置數(shù)功能構(gòu)成N進制計數(shù)器時，應根據(jù)輸入第N個計數(shù)脈沖CP后計數(shù)器的狀態(tài)寫反響置數(shù)函數(shù)。

②同步置數(shù)法(適用于74LS160、74LS161、774LS162、4LS163)。與同步置0一樣，同步置數(shù)控制端(LD)獲得置數(shù)信號低電平后，還需再輸入一個計數(shù)脈沖CP，并行數(shù)據(jù)輸入端(D0D1D2D3)輸入的數(shù)據(jù)才會被置入計數(shù)器。因此，利用同步置數(shù)功能構(gòu)成N進制計數(shù)器時，應根據(jù)輸入第N－1個計數(shù)脈沖CP后計數(shù)器的