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实验三时序逻辑电路

实验三时序逻辑电路
学习目标:
1、掌握时序逻辑电路的一般设计过程
2、掌握时序逻辑电路的时延分析方法,了解时序电路对时钟信号相关参数的基本要求
3、掌握时序逻辑电路的基本调试方法
4、熟练使用示波器和逻辑分析仪观察波形图
实验内容:
1、广告流水灯(第 9 周课内验收)用触发器、组合函数器件和门电路设计一个广告流水灯,该流水灯由 8 个 LED 组成,工作时始终为 1 暗 7 亮,且这一个暗灯循环右移。

(1) 写出设计过程,画出设计的逻辑电路图,按图搭接电路
(2) 将单脉冲加到系统时钟端,静态验证实验电路
(3) 将 TTL 连续脉冲信号加到系统时钟端,用示波器观察并记录时钟脉冲 CP、触发器的输出端 Q2、Q1、 Q0 和 8 个 LED 上的波形。

2、序列发生器(第 10 周课内实物验收计数器方案)分别用 MSI 计数器和移位寄存器设计一个具有自启动功能的 01011 序列信号发生器
(1) 写出设计过程,画出电路逻辑图
(2) 搭接电路,并用单脉冲静态验证实验结果
(3) 加入 TTL 连续脉冲,用示波器观察观察并记录时钟脉冲 CLK、序列输出端的波形。

3、4 位并行输入-串行输出曼切斯特编码电路(第10周课内验收,基础要求占70%,扩展要求占30%)
在电信与数据存储中, 曼彻斯特编码(Manchester coding),又称自同步码、相位编码(phase encoding,PE),它能够用信号的变化来保持发送设备和接收设备之间的同步,在以太网中,被物理层使用来编码一个同步位流的时钟和数据。

曼彻斯特编码用电压的变化来分辨 0 和 1,从高电平到低电平的跳变代表 0,而从低电平到高电平的跳变代表 1。

信号的保持不会超过一个比特位的时间间隔。

即使是 0 或 1 的序列,信号也将在每个时间间隔的中间发生跳变。

这种跳变将允许接收设备的时钟与发送设备的时钟保持一致,图 3.1 为曼切斯特编码的例子。

设计一个电路,它能自动加载 4 位并行数据,并将这4位数据逐个串行输出(高位在前),每个串行输出位都被编码成曼切斯特码,当 4 位数据全部传输完成后,重新加载新数据,继续传输,如图 3.2 所示。

(1) 写出设计过程,画出电路逻辑图,设计不允许手动加载数据。

(2) 加入 TTL 连续脉冲,用示波器观察观察并记录时钟脉冲 CLK、串行数据输出端的波形。

(3) 给串行数据增加起始位和结束位,其中起始位为“0”,结束位为“1”,起始和结束位同样要编码成曼切斯特码,波形图参看图 3.3(扩展部分,选作)
实验内容:
1.广告流水灯
设计过程
八个流水灯,工作时始终为1暗7亮,一个循环总共8个状态。

由此可以得出结论,选用3个D触发器构成三个状态,再由一个74138实现八个流水灯1暗7亮的工作状态。

8个循环过程分别为:
000→001→010→011→100→101→110→111→000;
真值表:
卡诺图:
最简与或表达式:0
01010化简结果:001
最简与或表达式:1
11
化简结果:11
化简结果:
逻辑电路图
首先组合三个D触发器,并将其封装成一个元件。

如下图所示
使用三个D触发器封装的元件,连接,1,1。

如下图所示
使用74138数据选择器,实现八个状态的显示。

如下图所示
实物连接图:
示波器观察结果:
2.序列发生器
计数器实现
设计过程
产生序列01011。

如果采用计数器设计,需要构造一个模为5的循环,采用反馈置零的方法,每一状态通过74138输出合适的结果。

计数器74161状态变化:
000→001→010→011→100→000
1
逻辑电路图
74161的连接方式如下图所示,通过LDN端口,当到达”100”状态时,重新加载数据,回到“000”状态。

如下图所示
将,,连接到74138实现最后的输出,如下图所示。

实物连接图
寄存器实现
设计过程
产生序列01011。

如果采用计数器设计,,同样需要构成一个循环,采用左移或右移。

以右移为例,寄存器的状态变化如下:
0101→1011→0110→1101→1010→0101
以最高位为输出位,即可满足循环输出序列01011,同时还应该满足自启动。

真值表:
通过卡诺图化简的表达式1
考虑到自启动,如果不添加冗余向,寄存器将陷入0000→0000的死循环当中,添加一项
0,使
100
逻辑电路图:
采用右移方案的,如下图所示。

同理,采用左移方案的,如下图所示。

3.曼切斯特编码
基础部分:4位并行加载,穿行输出(高位在前),传输完成后,重新加载新数据
设计过程
首先考虑曼切斯特编码和时钟信号CP以及输出数据D的关系,根据题意有,曼彻斯特编码用电压的变化来分辨 0 和 1,从高电平到低电平的跳变代表 0,而从低电平到高电平的跳
变代表 1,如下图所示。

由此可得,
电路的工作状态是从最高位开始输出数据到最低位,然后再并行输入数据。

按照题目的要求四位数据串行输出后,开始直接输出下一个四位数据。

由此可以知道,整个电路的工作状态是一个循环,并且模为4,通过计数器构造模4的循环。

状态变化位:
并行输入并且输出→输出→输出1→输出0→并行输入并且输出
逻辑电路图
通过反馈置零的方式构造一个模4的循环 ,从00到11。

如下图所示。

寄存器需要完成两个工作状态,并行输入保存数据,此时 1011。

数据右移输出此时 1001。

通过计数器构造的周期实现10功能段的变化,当计数器的输出00对应 1011,当计数器输出01,10,11对应 1001。

1。

如下图所示。

使用一个数据选择器完成数据的输出,如下图所示。

实物连接图
扩展部分:起始位为“0”,结束位为“1”,4位并行加载,穿行输出,传输完成后,重新加载新数据
设计过程
根据基础部分的设计原理,仅需要构造模位6的工作循环。

电路的工作状态:
并行输入并且输出0→输出→输出→输出1→输出0→输出1
逻辑电路图
从0000到0101,采用反馈置零的方法,,如下图所示。

寄存器需要完成两个工作状态,并行输入保存数据,此时 1011。

数据右移输出此时 1001。

通过计数器构造的周期实现 10功能段的变化,当计数器的输出000对应
11,此时并行输入储存数据;当计数器输出001,010,011,100,101对应 1001,此时10
串行输出数据。

1。

如下图所示。

使用数据选择器输出数据,计数器输出为000时数据选择器的输出为0,计数器输出为101时数据选择器的输出为1,001到100输出为寄存器的最高位。

实物连接图。

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