实验五计数器的设计
刘予歆
14346015 一、实验目的
使用JK触发器设计4位计数器；
区分同步计数器和异步计数器的不同原理。
如果有可能，分析两者不同的竞争和冒险的原因；
学会添加一些门电路，让普通的计数器改造成部分计数的电路；
用触发器，设计194芯片（只在 protues做原理图）
二、实验仪器
数电实验箱万用表示波器74LS73 74LS00 74LS08 74LS20
三、实验原理
2．集成J-K触发器74LS73
⑴符号：
图1 J-K触发器符号
⑵功能：
表1 J-K触发器功能表
功能
⑶状态转换图：
图2 J-K触发器状态转换图
⑷特性方程：
三、实验内容
实验说明：74LS73触发器的时钟接口是在下降沿发生状态的改变。
1、设计一个16进制异步计数器
用前一个触发器，即较低位的输出接入下一个，即较高位的时钟输入，实现“频率二分”。
如下图为原理图。
这是实验过程中的波形图，
从上到下对应二进制的较低位到较高位，从Ａ到Ｂ点对应数字：００００、０００１、００１０、００１１、０１００、０１０１、０１１１、１０００、１００１、１０１０、１０１１、１１００、１１０１、１１１０、１１１１。
然而图中有一些毛刺，经过放大，图片和毛刺产生原因的分析如下：
D0~D3是D8~D11的格雷码：
D8和D9的异或产生D0，D9和D10的异或产生D1，D10和D11的异或产生D2，而D11等于D3，
进过把毛刺放大，发现：毛刺边缘近似的和下方的BCD的波形图的对应的异或输入波段边缘对其。
因为计数器的JK触发器是从左网右一步一步传递的有时间延迟，所以造成了BCD边沿电位相同，对格雷码产生短时间的低电位，即为毛刺。
2、设计一个16进制同步步计数器
由于JK触发器的输入和输出中间有ＧＡＰ，利用时间极短的ＧＡＰ，让上一个，即较低位的触发器的输出状态来作为后一个，即较高为触发器的输入，当前触发器的所有较低位的触发器输出全部为１的时候，其输出状态才会改变。
以下是原理图
这是实验过程中的波形图，
从上到下对应二进制的较低位到较高位，从Ａ到Ｂ点对应数字：００００、０００１、００１０、００１１、０１００、０１０１、０１１１、１０００、１００１、１０１０、１０１１、１１００、１１０１、１１１０、１１１１。
然而图中有一些毛刺，经过放大，图片和毛刺产生原因的分析如下：
这几幅的毛刺要么看似和BCD的输入无关，因为在毛刺出现的时段，BCD的4位输出的电位都没有变化，按道理是不该有毛刺的。
经过和同学讨论，得出在极短时间内，示波器的扫描也是有一定的延迟，到时图中的毛刺
这个毛刺是因为JK触发器的延迟，经过异或门产生的
3、设计特殊的12进制同步计数器
所谓最后的状态１０１０，要跳转到０００１，需要将第１位和第３位toggle,第４位不用管，因为随着时钟的进行，它自然会跳转到1．
以下是原理图
这是实验过程中的波形图，
从上到下对应二进制的较低位到较高位，从Ａ到Ｂ点对应数字：、０００１、００
１０、００１１、０１００、０１０１、０１１１、１０００、１００１、１０１０、1011、1100
4、在上一个实验的基础上，添加一些门电路，使12进制计数可以正序，也可以逆序.
当UP=1时，前面所有的JK触发器的输出状态都是高电位的时候，当前的JK输出状态才改变；当up=0时，如果前面的所有的JK触发器的输出状态都是低电位的时候，当前的JK输出状态才改变。
由此，可以得到以下表达式，如下：
根据表达式设计原理图：
由于门的数量太多，所以决定只做逆序计数的，以下是倒序的波形图：
从上到下对应二进制的较低位到较高位，从Ａ到Ｂ点对应数字：1100、1011、１０１０、1001、1000、0111、0101、0100、0011、0010、001
5、模拟194的功能，用JK触发器设计芯片
194芯片的功能如下：
根据上述表格，原理图如下：
原理图设计的说明：
如下图，A区是功能表格中S1和S2的功能选择和译码，当S1=S0=1时，C区的与门开启，而D区的与门的输出总是0，实现并行送数；当S1=1，S0=0时，D区的1、3、5、7的与门打开，而D区和C区的其它与门的与门输出全部是0，实现数据左移；同理，当S1=1，S0=1，只有D区的2、4、6、8的与门开启，实现数据的右移。
B区是左移或者右移的数据补充；而E区整合了以上三个功能的输出，并通过；
当S1=S0=0，E区没有新的数据传输，实现了数据的保持。
当然，以上功能只有在原理图里时钟下方的开关控制的清零端口~CR=1时才行，如果是0，JK的输出都是0。
即为清零。
由于所需的门比较多，就不能在实验箱上面进行。
所以我选择了数据右移的功能进行实验，波形图如下：
其中，我用197构建一个16进制计数器，
（1）当把Q0接入左补充数据端口时，波形图形图如下：
其中，D7是197的Q0输出，虽然每个时钟后，输入0，从D0~D3，0沿着左下角走，但是看起来是D0是D1的反向。
为了试验的可靠性，将Q1 Q2 Q3 作为向左数据补充。
Q1的波形图如下：
Q2的波形图如下：
Q1的波形图如下：
可以看出当197的Qi输出0时，间隔一个时钟，D0会复位，在下一个时钟，D1复位——一次下去，验证了我实现数据右移的成功。
６用ISE烧录BAsys2。
任务：用开关波动学号后两位的二进制码，如果正确，ＬＥＤ亮灯。
我的学号是14346015，后两位是0001 0101，所以如下是逻辑图：
然后进行烧录，实验在课堂上被老师验证。
四、总结
有些设计门电路多，实验板应付不过来，可以拆分设计的功能，一个一个的测试。
对于移位的实验，刚开始数据补充接口的频率和D0一样，感觉是逻辑非，但是改变输入的频率，实验期待的规律就可见了。
所以对于研究某个参数的实验，改变参数的性质可以更加稳健的发现规律，使得实验更加靠谱。