实验三 时序逻辑电路实验

仿真

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提取码:e3md

一、实验目的

1、通过实验,理解触发的概念,理解JK、D等常见触发器的功能;

2、通过实验,加深集成计数器功能的理解,掌握利用集成计算器设计任意进制的计算器,并能在multisim中完成对设计计算器相关的仿真验证;

二、实验原理

1、JK、D触发器的功能表见教材相关章节;

2、二进制和十进制计数器的功能见教材对应章节;

3、利用清零法或置数法使用集成计算器设计任意进制计数器,并在multisim中实现该电路的功能仿真和验证;

三、实验设备和器材

电脑、multisim电路仿真软件(版本不限)

四、实验内容和步骤

4.1 触发器

在multisim器件库选择相应功能的芯片,完成下面实验内容;

1.在multisim中选择一JK触发器芯片,简述芯片功能,并完成其功能仿真验证;

2.在multisim中选择一JK触发器芯片,简述芯片功能,并完成其功能仿真验证;

4.2 译码器

1.在multisim中选择任一四位二进制集成计数器和一十进制集成计数器,简述芯片功能; 

2.使用所选定十进制集成计数器芯片,设计一个模为二十四的计数器,要求技术范围为“0~23”,并完成其功能仿真验证;

3.使用所选定四位二进制集成计数器芯片,设计一个模为六十的计数器,要求技术范围为“0~59”,并完成其功能仿真验证;

五、实验记录和实验结果

5.1 触发器

    1. 给出所选定的JK触发器和D触发器的型号、引脚图,给出其功能表,并对功能做简要描述(请预习时完成)

  

在clk上升沿到来之前,D输入端无论输入任何值触发器状态不会改变,次态等于现态。当时钟上升沿到来时,与时钟信号连接的非门产生的短暂延迟,使得触发器状态置成D输入端的状态。

在有效时钟的脉冲边沿没到达时,即clk=0,或者clk=1,或者clk由高电平跳转到低电平,,触发器状态不受输入信号的影响,维持不变。

在时钟上升沿信号到来时,触发器的状态将会随着J与K的输入产生相应的变化。

由JK触发器特征方程

当J=0,K=0时,触发器的状态维持不变,Qn+1=Qn;

当J=1,K=1时,触发器的状态翻转,Qn+1= ~Qn;

当J=1,K=0时,触发器被置成1状态;

当J=0,K=1时,触发器被置成0状态。

    1. 构造JK触发器和D触发器的功能仿真验证电路和相关输入信号,记录仿真波形,并作简要描述

在时钟上升沿信号到来时,J=1,K=1,触发器的状态翻转,Qn由低电平变为高电平,-Qn由高电平变为低电平;当下一个上升沿到来时,J=0,K=0,触发器状态保持不变;再下一个上升沿到来时,J=1,K=0,触发器置1,Qn为高电平,-Qn为低电平;再下一个上升沿信号到来时,J=0,K=1,此时,触发器置0,Qn变为低电平,-Qn为高电平,然后触发器以以上顺序进行四个一组的周期循环。

在时钟信号上升沿到来之前,D输入端无论输入任何值触发器状态不会改变。时钟信号到来时,触发器的状态为D输入的状态。所以仿真成功。

5.2 集成计数器

1.给出所选定的二进制和十进制集成计数器的型号、引脚图,给出其功能表,并对功能做简要描述(请预习时完成)

74161N是常见的四位二进制加法计数器,A B C D为置数的数字输入端(其中D为最高位,A为最低位),在实现置数功能时会将ABCD的数值传递到QA QB QC QD。

ENP和ENT为使能端,这两个端口都为1时才能让芯片实现正常工作实现计数功能,其中只要有一个为0那么这款161就会保持状态不进行计数。

~Load为置数端,如果该端口接收到0信号,那么进行置数功能,将ABCD传递给Q(ABCD)。

~CLR为清零端,如果该端口接收到0信号,那么此刻不管处于什么状态,Q(ABCD)都会输出0000,即实现了复位功能。

CLK为时钟脉冲的输入端,在上升沿到来时会计数一次。

RCO为进位端,当Q(DCBA)为1111时,该端口会输出1信号,其余状态皆输出0信号。

74160N是常用的十进制计数器,它具有异步清除端与同步清除端不同的是,它不受时钟脉冲控制,只要来有效电平,就立即清零,无需再等下一个计数脉冲的有效沿到来。

1.异步清零功能

只要(CR的非)有效电平到来,无论有无CP脉冲,输出为“0”。在图形符号中,CR的非的信号为CT=0。其实,很容易解释,由于异步清零端信号一旦出现就立即生效,如刚出现0111,就立即送到(CR的非)端,使状态变为0000。所以,清零信号是非常短暂的,仅是过度状态,不能成为计数的一个状态。清零端是低电平有效。

2.同步置数功能

 当(LD的非)为有效电平时,计数功能被禁止,在CP脉冲上升沿作用下D0~D3的数据被置入计数器并呈现在Q0~Q3端。如在D0~D3置入0000,则在Q0~Q3端呈现的数据就是0110。

  1. 计数器设计(模为二十四);

1)画出状态转换图和所设计电路,并作简要说明(请预习时完成)

第一个是二进制的计数器74161,使用置数法构成的模为二十四的计数器。

第二个是十进制的计数器74160,使用清零法构成的模为二十四的计数器。

2)利用相关工具构造相关输入信号,完成对电路功能的仿真验证,并记录仿真波形,并做简要说明。

上面计数器为同步二进制置数加法计数器,U2为高位,U1为低位。当时钟上升沿或复位下降沿到来时,如果有效,则计数器置数(0000 0000)。计数器的计数过程为,当输出信号的低4位从0(0000)计数到15(1111)后,高4位计数加1,当计数到23(0001 0111)时,计数器重新清零,然后重新开始计数。

  1. 计数器设计(模为六十);

1)画出所设计电路,并作简要说明(请预习时完成)

六十进制计数器由一个模6的计数器和一个模10的计数器组成,模10的计数器完成一个周期时输出信号给模6计数器,当模10计数器计数到达10时则清零,同时给模6计数器一个信号,开始计一个数,模6计数器达到6时则清零模6计数器选择QB,QC端做反馈端,经过与非门输出控制清零端CLR,形成6进制计数形式。

2)利用相关工具构造相关输入信号,完成对电路功能的仿真验证,并记录仿真波形,并做简要说明。

当出现数字五十九时,就开始清零,可以验证电路功能正常。

六、实验预习要求

  1. 实验前认真阅读本实验指导;
  2. 熟悉multisim中相关操作及相关器件。
  3. 完成四和五中要求预习时完成的内容。

七、思考题

1、完成对时序逻辑电路设计、功能仿真及验证的步骤有哪些,与组合逻辑电路有何异同?

时序逻辑电路的设计、功能仿真和验证步骤如下:

1、确定设计要求和规格书,包括输入信号、输出信号、时序参数等。

2、进行电路结构设计,包括选择基本逻辑门、寄存器等,确定电路的输入、输出和时钟信号等。对于计数器的实现,先写计数循环图,再根据循环图以及所选用的计数器,确定该计数器采用置数法或清零法来设计电路图。

3、进行功能仿真,使用仿真工具对设计的电路进行逻辑仿真,检验电路是否符合设计要求和规格书。

4、进行时序仿真,使用仿真工具对设计的电路进行时序仿真,检验电路的时序性能是否符合要求。

5、进行物理设计,包括布局和布线等,生成物理电路图。

6、进行验证,使用验证工具对设计的电路进行验证,检验电路是否符合设计要求和规格书。

时序逻辑电路和组合逻辑电路都是数字电路的两种基本类型,它们有以下相同点:

1、都由逻辑门和触发器等基本元件组成。

2、都可以使用布尔代数进行分析和设计。

3、都能实现逻辑运算和控制功能。

然而,时序逻辑电路与组合逻辑电路也存在一些区别:

1、组合逻辑电路的输出仅取决于输入,而时序逻辑电路的输出还与过去的输入和状态有关。

2、时序逻辑电路引入了时钟信号,需要考虑时序关系,而组合逻辑电路不需要。

3、时序逻辑电路的延迟和时序问题需要特别处理,而组合逻辑电路不需要考虑这些问题。

因此,时序逻辑电路的设计和验证需要特别注意时序问题,并进行时序仿真和验证。

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