流水灯电路的制作与测试【知识目标】●理解时序逻辑电路的基本概念及分类。

●掌握同步和异步时序逻辑电路的分析方法。

●理解计数器的逻辑功能及原理。

●掌握寄存器电路的基本工作原理，理解移位寄存器的逻辑功能。

【技能目标】●能用触发器制作与调试各种同步计数器。

●能用集成计数器制作任意进制的计数器。

●熟悉集成移位寄存器逻辑功能和各控制端的作用，能构成实用电路。

●多种方法实现流水灯电路，且进一步完善流水灯功能。

任务一用移位寄存器构成流水灯电路一、分析任务在一些数字系统中，有时需要系统按照事先规定的顺序进行一系列的操作。

这就要求系统的控制部分能给出一组在时间上有一定先后顺序的脉冲，再用这组脉冲形成所需要的各种控制信号。

二、相关知识在数字系统中，常常需要将一些数码、运算结果和指令等暂时存放起来，然后在需要的时候再取出来进行处理或运算。

这种能够用于存储少量二进制代码或数据的时序逻辑电路，称为寄存器。

寄存器用于暂时存放二进制代码，它是数字系统中重要的部件之一。

寄存器的主要组成部分是具有记忆功能的双稳态触发器。

一个触发器可以存储一位二进制代码，所以要存放n位二进制代码，就需要n个触发器。

按照功能的不同，可将寄存器分为数码寄存器和移位寄存器两大类。

1. 数码寄存器数码寄存器具有寄存数据和清除原有数据的功能。

现以集成四位数据寄存器74LSl75来说明数据寄存器的电路结构和功能。

74LSl75是用D触发器组成的四位数据寄存器。

它的逻辑图和管脚排列图如图7-11所示。

(a)逻辑图 (b)管脚排列图图7-11 四位集成数码寄存器74LS17574LS175的功能表见表7-11，CP 是时钟端，CR 是异步清零端，D 0～D 3是数据输入端，Q 0～Q 3是数据输出端。

其功能如下。

表7-11 74LS175的功能表①异步清零。

只要CR ＝0，就可使输出端清零，而与时钟无关。

清零后，将CR 接高电平，数据才能正常存人。

②并行输入/输出。

在CR ＝1的前提下，(将需要存人的四位二进制数据送到数据输入端D 0～D 3)，在CP 脉冲上升沿的作用下，将D 0～D 3的数据并行存入Q 0～Q 3，同时也可取出存人的数码的反码。

③记忆保持。

当只CR ＝1且CP ＝0时，各触发器保持原状态不变，数据寄存器处于保持状态。

无论寄存器中原来的内容是什么，只要送数控制时钟脉冲CP 上升沿到来，加在并行数据输入端的数据D 0～D 3将立即被送入寄存器中，有32103210Q Q Q Q D D D D2. 移位寄存器移位寄存器除了具有存储数据的功能以外，还具有移位功能，即在移位脉冲的作用下将存储的数据逐次左移或右移。

移位寄存器可以用于存储数据，也可用于数据的串行-并行转换、数据的运算和处理等。

移位寄存器应用灵活、用途广泛。

（1）单向移位寄存器图7-12 四位单向右移移位寄存器电路图7-12所示电路是由D触发器构成的四位移位寄存器。

其中触发器FF0的输入端D0接收外加数据，其余的触发器输入端均与前一级的输出端Q相连。

D为串行输人端，Q0～Q3为并行输出端，Q3为串行输出端。

根据D触发器的特点(1nQ D+=)，当时钟脉冲沿到来时输出端的状态与输人端状态相同。

所以每来一个CP脉冲都会引起所有触发器状态向右移动一位。

若来4个时钟脉冲，移位寄存器就存储了四位二进制信息。

其移位过程可用图7-13(a)的示意图来表示。

经过四个脉冲后，从D加入的四位串行数据全部移人了移位寄存器中，在四个触发器的输出端可同时得到该4位数据。

因此，移位寄存器可实现数据的串行-并行转换。

(a)工作过程示意图 (b)工作波形图图7-13 四位单向右移移位寄存器从图7-13(b)工作波形中可以看到，如果再经过四个CP脉冲，移位寄存器全部移出，所以移位寄存器也可实现数据的串中的四位数据就从串行输出端Q3行输出。

由以上分析可知，移位寄存器可用作串行输人、串行输出与并行输出。

（2）双向移位寄存器74LS194是双向通用移位寄存器，如图4-35所示为其管脚排列图，如图7-14所示为其逻辑图。

图7-14 双向移位寄存器74LS194管脚图图7-15 双向移位寄存器的逻辑图移位寄存器74LS194功能表见表7-12。

表7-12移位寄存器功能表移位寄存器74LS194的功能介绍如下：①清零功能。

只要CR =0，寄存器的输出全为0，即01230000Q Q Q Q =。

②置数功能。

当CR =1，且S 1S 0=11时，在脉冲的作用下，01230123Q Q Q Q D D D D =。

③右移功能。

当CR =1，且S 1S 0=01时，在CP 脉冲的作用下数码右移，即输出状态为11110123012n n n n n n nSR Q Q Q Q D Q Q Q ++++=。

④左移功能。

当CR =1，且S 1S 0=10时，在CP 脉冲的作用下数码左移，即输出状态为11110123123n n n n n n n SL Q Q Q Q Q Q Q D ++++=。

⑤保持功能。

当CR =1，且S 1S 0=00时，在CP 脉冲的作用下寄存器输出的数码保持不变，即111101230123n n n n n n n n Q Q Q Q Q Q Q Q ++++=。

（3）下面介绍集成双向移位寄存器的典型应用。

①实现数据的串/并行转换根据移位寄存器存取信息的方式不同分为：串入串出、串入并出、并入串出、并入并出四种形式。

图7-16所示为双向移位寄存器的逻辑功能示意图。

图7-16 双向移位寄存器的逻辑功能示意图当CR ＝1，S 1S 0=01时，74LS194内存储的数据在CP 上升沿作用下进行右移操作，同时串行输入数据由D SR 输入，此时D SR 输入的串行数据转为并行数据从Q 0～Q3输出，完成串行输入、并行输出的转换。

当CR＝1，S1S=11时，74LS194在CP上升沿作用下，并行数据D～D3被送入到相应的输出端Q0～Q3，此时使S1S=01，且在随后的脉冲作用下进行右移操作，最后以串行方式从Q3端输出，完成并行输入、串行输出的转换。

②构成环形计数器（a）环形计数器逻辑图（b）计数循环状态图图7-17 环形计数器移位寄存器的DSR 和Q3相连可构成的环形计数器,前面流水灯电路就是其应用之一。

也可以将DSL 和Q相连，如图7-17（a）所示，这样构成的一个环形计数器。

电路工作时必须先使S1S=11，在脉冲CP作用下，使QQ1Q2Q3=0001，然后使S1S=10，这样才能在脉冲CP作用下左移移位，构成一个环形计数器，其计数循环状态，如图7-17（b）所示。

③构成扭环形计数器图7-18（a）所示为74LS194构成的扭环形计数器。

图中可以看出是将输出端Q3的信号通过非门反馈到右移串行数码输入端DSR上，即3SRD Q。

设双向移位寄存器74LS194的初始状态为0123=0000Q QQ Q，CR＝1，S1S0=01，因此，电路在CP脉冲作用下，执行右移操作，状态变化见图7-18（b），由图可以看出：电路输入8个计数脉冲后，会返回到初始状态0123=0000Q QQ Q，称为八进制扭环形计数器，也称约翰逊计数器。

（a）扭环形计数器逻辑图（b）计数循环状态转换图图7-18 扭环形计数器逻辑图和状态转换图三、技能训练1. 任务要求用两个移位寄存器74LS194构成流水灯电路，使得八个发光二极管依次轮流点亮。

2. 实训器材：配备常用的实训工具：万用表、烙铁、焊锡、松香、万能板等。

3. 实训内容及步骤（1）设计电路原理图如图7-19所示参考电路，用两只集成移位寄存器74LS194构成了八位流水灯电路。

图7-19 移位寄存器构成的流水灯电路电路功能：首先使S1S＝11（预置数功能），在CP的作用下，使输出状态Q 0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7= 10000000；然后使得S1S＝01（右移移位功能），则移位寄存器中所存的数码在移位脉冲CP的作用下依次右移，即发光二极管从左往右依次点亮。

（2）电路仿真。

在Multisim10中创建电路，仿真电路见图7-20所示。

帮助同学分析理解电路工作原理，使得实训操作顺利进行。

（3）焊接电路，测试功能。

按图4-40进行电路焊接，检查电路连接无误后，通电测试电路功能。

观察输出状态的变化，分析实训过程中出现的现象和故障原因，并排除故障。

（4）思考：如果想使发光二极管从右向左发光，图7-20电路该如何改变？图7-20 流水灯电路的仿真电路。