单位：嵌入式系统实验室
姓名：汤晓东
内容：简单分频时序电路的设计(三分频)
时间：2010-7-7
3.练习三
模块源代码：
//-------------------文件名div3.v----------------------------------
module div3(clk_in,clk_out,reset
);
input clk_in,reset;
output clk_out;
wire clk_out;
integer n1,n2;
reg clk1,clk2;
always @(posedge clk_in or negedge reset) //检测clk_in的上升沿
begin
if (!reset)
begin
n1=0;
clk1<=1'b0; //clk1是对clk_in的三分频
end // 但是占空比为1/3 else if (n1==2)
begin
n1=0;
clk1<=1'b1;
end
else
begin
n1=n1+1;
clk1<=1'b0;
end
end
always @(negedge clk_in or negedge reset) //检测clk_in的下降沿
begin
if (!reset)
begin
n2=0;
clk2<=1'b0; //clk2也是对clk_in的三分频
end
else if (n2==2) //占空比为1/3,但是与clk1相差begin //半个时钟周期
n2=0;
clk2<=1'b1;
end
else
begin
n2=n2+1;
clk2<=1'b0;
end
end
assign clk_out= clk1 | clk2;
endmodule
//-------------------文件名div3_test.v------------------------------ `timescale 1ns/100ps
`define clk_cycle 50
module div3_test;
reg clk,reset;
wire clk_out;
always #`clk_cycle clk=~clk;
initial
begin
clk=0;
reset=1;
#10 reset=0;
#110 reset=1;
#100000 $stop;
end
div3 d0(.reset(reset),.clk_in(clk),.clk_out(clk_out)); endmodule
仿真波形图如下：
六分频加法电路的设计 1相关原理分析 1.1计数器 计数器是实现分频电路的基础，计数器包括普通计数器和约翰逊计数器两种，这两种电路均可用于分频电路中。 最普通的计数器莫过于加法（减法）计数器。以3位二进制计数器为例，计数脉冲CP 通过计数器时，每输入一个计数脉冲，计数器的最低位（记为Q0，后面的依次记为Q1、Q2、）翻转一次，Q1、Q2、都以前一级的输出信号作为触发信号。分析这个过程，不难得出输出波形。 图1-1 3位二进制计数器时序图 由上很容易看出Q0 的频率是CP的1/2，即实现了2分频，Q1则实现了4分频，同理Q2实现了8分频。这就是加法计数器实现分频的基本原理。 约翰逊计数器是一种移位寄存器，采用的是把输出的最高位取非，然后反馈送到最低位触发器的输入端。约翰逊计数器在每一个时钟下只有一个输出发生变化。同样以3为二进制为例。假设最初值或复位状态是000，则依次是000、001、011、111、110、100、000这样循环。由各位的输出可以看出，约翰逊计数器最起码能实现2分频。 1.2两种计数器的比较 从以上分析可以看出约翰逊计数器没有充分有效地利用寄存器的所有状态，而且如果
由于噪声引入一个无效状态，如010，则无法恢复到有效循环中去，需要加入错误恢复处理。但其较之加法计数器也有它的好处。同一时刻，加法计数器的输出可能有多位发生变化，因此当使用组合逻辑对输出进行译码时，会导致尖峰脉冲信号。而约翰逊计数器可以避免这个问题。 1.3 计数器的选择 本次训练要求设计的是加法分频电路，选择的是加法计数器。加法计数器实现分频较之约翰逊计数器简单，编程也容易理解一些，对于初学者也较容易上手。在前面已经讲过加法计数器实现2n的分频的方法，现在就不在赘述。 1.4 偶数分频器 如前所述，分频器的基础是计数器，设计分频器的关键在于输出电平翻转的时机。偶数分频最易于实现，要实现占空比为50%的偶数N分频，一般来说有两种方案：一是当计数器计数到N/2-1时，将输出电平进行一次翻转，同时给计数器一个复位信号，如此循环下去；二是当计数器输出为0到N/2-1时，时钟输出为0或1，计数器输出为N/2到N-1时，时钟输出为1或0，当计数器计数到N-1时，复位计数器，如此循环下去。可以根据以上两种方案设计电路和程序。 2 六分频加法电路 2.1 电路的结构设计 前面已经讲到过关于2n分频可以直接通过计数器获得。而对于一些非2的整数次幂的分频，如本次课设的6分频，还需要在基本计数器电路描述中加上复位控制电路。 图2-1 加法分频电路的RTL视图
always@( negedge resetn or posedge clk or negedge clk) begin if (resetn==1'b0) begin counter[2:0]<=3'd0; out_clk<=1'b0; end else begin if (counter[2:0]==3'd5) begin counter[2:0]<=3'd0; end else beign counter[2:0]<= counter[2:0]+1; end
//////////////////////////////////////////////////// if (counter[2:0]==3'd5 || counter[2:0]==3'd2) begin out_clk<=~out_clk; end end end 其仿真结果是正确的 这个逻辑无法综合。存在半导体工艺问题。 2.下面给出一个逻辑图。
逻辑是用器件画出来的，保证不存在物理上的实现问题。 仿真图如下： 也许有人要问，既然仿真都是对的，那么为什么要说实际中是80％工作呢？ 看到波形图上的clk1（黄色）上的那些毛刺了么，毛刺并不可怕，但是这个电路工作的基础却是那些毛刺，准确地说，那些毛刺是必须有的，是工作过程的比不可少的部份。这样的电路是否能正常工作就很让人匪夷所思了。 我们能不能让电路的正常功能不依赖于毛刺呢？ 小结一下： 以上的思路都是试图在输入的clk上做改造，试图在恰当的地 方取正沿，恰当的地方取反沿。但是要知道，这一定会导致竞争和冒险。虽然逻辑上是可性的，但是实践中却没有那么简单。这个时候，我们需要调整一下思路了：
同步时序电路的设计步骤 同步时序电路的设计步骤 同步时序电路的分析是根据给定的时序逻辑电路，求出能反映该电路功能的状态图。状态图清楚地表明了电路在不同的输入、输出原状态时，在时钟作用下次态状态的变化情况。同步时序电路的设计的设计是分析的反过程，其是根据给定的状态图或通过对设计要求的分析得到的状态图，设计出同步时序电路的过程。 这里主要讨论给定状态图的情况下的同步时序电路的设计，对于具体的要求得到状态图的过程一般是一个较复杂的问题，这是暂不讲。根据已知状态图设计同步时序电路的过程一般分为以下几步： 1.确定触发器的个数。首先根据状态的个数来确定所需要触发器的个数，如给定的状态个数为n，由应满足 n≤2K,K为实现这来状态所需要的触发器的个数。（实际使用时可能给定的状态中存在冗余项，这时一般还须对状态进行化简。） 2.列出状态转移真值表。根据状态列出状态转移真值表，也称状态表、状态转移表。 3.触发器选型。选择合适的触发器，通常可选的触发器有：JK-FF,D-FF,T-FF,一般使用较广的为JK-FF。根据状态图和给出的触发器的型号写出其输入方程，通常在写输入方程时须对其进行化简，以使电路更简单。 4.求出输出方程。根据状态表，求出输出逻辑函数Z的输出方程，还过有些电路没有独立的输出，这一步就省了。 5.画出逻辑图。根据输入方程、输出方程画出逻辑电路图。 6.讨论设计的电路能否自启动。在设计的电路中可能出现一些无关的状态，这些状态能否经过若干个时钟脉冲后进行有效的状态。 同步时序电路设计举例 例按下图状态图设计同步时序电路。 1.根据状态数确定触发器的数目：由状态图可以看出，其每个状态由两个状态，故可用两个触发器。其变量可 用Q 1,Q 表示； 2.根据状态图列出状态表：状态表的自变量为输入变量x和触发器当前状态Q 1 n,Q n，而应变量为触发器的次态 Q 1n+1Q n+1、及输出z，列表时将自变量的所有组合全部列出来，其中当Q 1 n Q n=01的状态为不出现，其输出可看作任意 项处理。
引言 人类社会进步，各种仪器测试设备的以电子设备代替成为趋势，各类测试仪器都希望通过电子设备来实现。电子设备在实现相应参数的测量时，具有简单容易操作，而且数据便于计算机处理等优点。目前科技的飞速进展与集成电路的发展应用，有密不可分的关系。十九世纪工业革命主要以机器节省人力，二十世纪的工业的革命则主要以电脑为人脑分劳。而电脑的发展归于集成电路工业。 集成电路是将各种电路器件集成于半导体表面而形成的电路。近年来集成电路几乎成为所有电子产品的心脏。由于集成电路微小化的趋向，使电子产品得以“轻、薄、短、小”。故集成电路工业又称微电子工业。差不多在同时数字计算机的发展提供了应用晶体管的庞大潜在市场。 20世纪90年代以后，电子科学和技术取得了飞速的发展，其标志就是电子计算机的普及和大规模集成电路的广泛应用。在这种情况下，传统的关于数字电路的内容也随之起了很大的变化，在数字电路领域EDA工具已经相当成熟，无论是电路内容结构设计还是电路系统设计，以前的手工设计都被计算机辅助设计或自动设计所取代。 通过长期的学习微电子专业理论知识，我们应该多动手实践把理论知识与实践相结合，加强对理论知识的把握。本文是十进制同步计数器的设计，对十进制同步计数器的设计进行电路原理图设计以及仿真，版图设计，版图验证。 1 设计技术要求 （1）项目名称：十进制同步计数器的设计 （2）使用工艺：2.0um硅栅工艺(tanner)或者1.0um硅栅工艺(cadence) （3）供电电源：5V （4）输入要求：异步清除，CMOS电平 （5）进行原理图设计，并完成电路的仿真 （6）版图设计，完成LVS一致性检验，生成相应的GDSII文档 2 设计构思及理论 2.1 设计思路 十进制同步计数器的设计可以细化成下列步骤： ①建立最简原始状态图。 ②确定触发器级数，进行状态编码。 ③用状态装换卡诺图化简，求状态方程和输出方程。 ④查自启动特性。 ⑤确定触发类型，求驱动方程。 ⑥画逻辑图。
数字电路时序分析 1数字电路时序分析 前面介绍了对器件之间的互连系统进行建模所需要的知识，包括对信号完整性的详细分析并估算了由于非理想因素引起的时序变化。但是要正确设计一个数字系统还需要使系统中器件之间可以互相通信，涉及到的内容主要是设计正确的时序，保证器件的时钟/锁存信号与数据信号之间保证正确的时序关系，满足接收端要求的最小建立和保持时间，使得数据可以被正确的锁存。 在本章中将会介绍共用时钟总线（common-clock）和源同步总线（source synchronous）的基本的时序方程。设计者可以利用时序方程来跟踪分析影响系统性能的有时序要求的器件，设置设计目标，计算最大的总线频率和时序裕量。 1.1. 共用时钟定时（common-clock timing） 在共用时钟总线中，总线上的驱动端和接收端共享同一个时钟。图8.1为一个共用时钟总线的例子，是处理器与外围芯片之间的总线接口，由处理器向外围芯片发送数据。图中还示出了位于每一个输入输出单元（I/O cell）的内部锁存器。完成一次数据传输需要两个时钟脉冲，一个用于将数据锁存到驱动端触发器，另一个用于将数据锁存到接收端触发器。整个数据传输过程分为以下几个步骤： 图8.1 共用时钟总线示意图 a．处理器内核产生驱动端触发器的有效输入D p。
b．系统时钟（clk in）的边沿1由时钟缓冲器输出并沿着传输线传播到处理器用于将驱动端触发器的输入（D p）锁存到输出（Q p）。 c．信号Q p沿着传输线传播到接收端触发器的输入（D c），并由第二个时钟边沿锁存。这样有效数据就在外围信号的内核产生了。 基于前面对数据传输过程的分析，可以得到一些基本的结论。首先，电路和传输线的延时必须小于时钟周期，这是因为信号每次从一个器件传播到另一个器件需要两个时钟周期：第一个周期——驱动端触发器将数据锁存到输出（Qp），第二个周期——接收端触发器将输入数据锁存到芯片内核。由电路和PCB走线引起的总延时必须小于一个时钟周期，这一结论限制了共用时钟总线的最高理论工作频率，因此设计一个共用时钟总线时必须考虑每部分的延时，满足接收端的建立和保持时间（建立和保持时间是为了保证能够正确地锁存数据，数据应该在时钟边沿来到之前和之后必须保持稳定的最小时间，这两个条件必须满足）。 1.1.1.共用时钟总线的时序方程 图8.2的时序图用于推导共用时钟总线的时序方程，每个箭头都表示系统中的一个延时，并在图8.1中已表示出来。实线表示的定时回路（timing loop）可用于推导建立时间时序裕量的计算公式，虚线表示的定时回路可用于推导保持时间时序裕量的计算公式。下面会介绍如何使用定时回路来得到时序方程。 图8.2 共用时钟总线的时序图 时延分为三个部分：T co、飞行时间（flight time）和时钟抖动。T co为时钟有效到数据输出有效的时间；飞行时间（T flt）是指PCB上传输线的延时；时钟抖动
时序电路的基本分析与设计方法
时序逻辑电路 时序逻辑电路——电路任何一个时刻的输出状态不但取决于当时的输入信号,还与电路的原状态有关。时序电路中必须含有具有记忆能力的存储器件。 时序电路的逻辑功能可用逻辑表示式、状态表、卡诺图、状态图、时序图和逻辑图6种方式表示,这些表示方法在本质上是相同的,能够互相转换。 一、时序电路的基本分析和设计方法 (一)分析步骤 1．根据给定的时序电路图写出下列各逻辑方程式: (1)各触发器的时钟方程。(2)时序电路的输出方程。(3)各触发器的驱动方程。 2．将驱动方程代入相应触发器的特性方程,求得各触发器的次态方程,也就是时序逻辑电路的状态方程。 3．根据状态方程和输出方程,列出该时序电路的状态表,画出状态图或时序图。 4．根据电路的状态表或状态图说明给定时序逻辑电路的逻辑功能。【例1】分析时序电路
(1)时钟方程:CP CP CP CP ===012 输出方程:n n Q Q Y 21= 驱动方程:?? ? ??======n n n n n n Q K Q J Q K Q J Q K Q J 202001011212 (2)求状态方程 JK 触发器的特性方程:n n n Q K Q J Q +=+1 将各触发器的驱动方程代入,即得电路的状态方程: ?? ???=+=+==+=+==+=+=+++n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n Q Q Q Q Q Q K Q J Q Q Q Q Q Q Q K Q J Q Q Q Q Q Q Q K Q J Q 202020000100101011111112121222212 (3)计算、列状态表 n n n n n n n n Q Q Y Q Q Q Q Q Q 2 12 100 1 1112=?????===+++ (4)画状态图及时序图
分频电路的设计 在数字电路的设计中，我们会经常遇到分频电路，而且分频电路输出信号频率的稳定性、精确度与整个电路的稳定性有着很大的关系。本文就一些常用分频电路作一总结。 一、n2分频 众所周知，2分频是最简单的分频，通常用D触发器用作反相器即可以实现2分频，要 想实现n2分频，最简单的方法就是将2分频电路级联，n级联在一起就构成了n2分频。 我们以n=5为例，用MAX+plus II进行仿真，电路如图1所示，我们得到的波形如图2所示： 图1 图2 由波形我们可以看出，该电路能实现32分频，但由于它采用的是行波时钟，Q4的输出t。n越大，延时就越大。 与CLK之间延时为5 co 改进图1的电路，我们可以采用同步计数来实现32分频，如图2所示，其中5BITcounter 是在MAX+plus II中用生成的5位二进制加法计数器。Q4输出就是32分频的信号，波形如图4所示。
图3 图4 t。保证了系统的同由于图3是采用同步计数器，所以每个输出的延时都一样，都为 co 步运行。 同样的道理，若n增大时，我们只要改变计数器的位数即可。 二、2n分频 在数字电路的设计中，2n分频也是经常遇到的。对于2n分频，我们常采用两级分频的方法，第一级用来n分频，第二级用作2分频，这样做的目的就是保证输出信号有50％的占空比，若对占空比无要求则可任意实现n分频。 以n=25为例，在MAX+plus II中，利用构造一个5bit模为25的加法计数器，电路如图5所示，out即为50分频后的输出，波形如图6所示。 图5
图6 从图6可以看出，out 与输入时钟CLK 之间的延时是2co t =6ns 。 三、M N 2分频 在一些特殊的数字电路中，可能会用到M N 2分频，由于分频是小数，我们不可能对输入 信号精确地分频，只能保证输出信号的平均频率与理想的分频频率相等。我们这里以26/3分频为例来介绍这种分频方法。 分析：26/3分频的实质就是在26个CLK 周期内产生3个周期的输出信号。我们还是采用采用两级分频方法，目的是为了保证占空比为50％，第一级分频倍数为13/3，即13个CLK 周期内产生3个周期的输出信号。这样我们构造一个模13的4bit 加法计数器，利用门电路输出三个周期信号，计数器从0计到3时A 输出1，计到7时B 输出1，计到12时C 输出1，将A 、B 、C 三路信号相或就得到我们想要的波形，电路如图7所示，波形如图8所示。 图7
三分频器的设计 时钟输入端（clkin）首先反向和不反向分别接到两个D触发器的时钟输入端，两个D触发器的输出接到一个二输入或非门的输入端，或非门的输出反馈到前面两个D触发器的D输入端，并且或非门的输出后面接一二分频器，得到占空比为50%的三分频波形。 图1：图形设计 VHDL程序： library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; use ieee.std_logic_arith.all; entity fen3 is port (clkin : in std_logic; --时钟输入 qout1 : buffer std_logic; qout2 : buffer std_logic; qout3 : buffer std_logic; clkout : out std_logic --占空比为1/2的三分频输出 ); end fen3; architecture behave of fen3 is begin qout3<=qout1 nor qout2; process(clkin) begin if clkin'event and clkin='1' then --在上升沿触发 qout1<=qout3; end if;
end process; process(clkin) begin if clkin'event and clkin='0' then --在下降沿触发 qout2<=qout3; end if; end process; process(qout3) variable tem:std_logic; begin if qout3'event and qout3='1' then --二分频tem:=not tem; end if; clkout<=tem; end process; end behave; 图3：仿真结果
实验九Moore型同步时序逻辑电路的分析与设计 22920132203686 薛清文周2下午实验 一．实验目的： 1.同步时序逻辑电路的分析与设计方法 2.D，JK触发器的特性机器检测方法。 2.掌握时序逻辑电路的测试方法。 3.了解时序电路自启动设计方法。 4.了解同步时序电路状态编码对电路优化作用。 二．实验原理： 二、 1.Moore同步时序逻辑电路的分析方法： 时序逻辑电路的分析，按照电路图（逻辑图），选择芯片，根据芯片管脚，在逻辑图上标明管脚号；搭接电路后，根据电路要求输入时钟信号（单脉冲信号或连续脉冲信号），求出电路的状态转换图或时序图（工作波形），从中分析出电路的功能。 2.Moore同步时序逻辑电路的设计方法： （1）分析题意，求出状态转换图。 （2）状态分析化简：确定等价状态，电路中的等价状态可合并为一个状态。（3）重新确定电路状态数N，求出触发器数n，触发器数按下列公式求：2n-1 实验六 Verilog设计分频器/计数器电路 一、实验目的 1、进一步掌握最基本时序电路的实现方法； 2、学习分频器/计数器时序电路程序的编写方法； 3、进一步学习同步和异步时序电路程序的编写方法。 二、实验内容 1、用Verilog设计一个10分频的分频器，要求输入为clock（上升沿有效），reset（低电平复位），输出clockout为4个clock周期的低电平，4个clock周期的高电平），文件命名为fenpinqi10.v。 2、用Verilog设计一异步清零的十进制加法计数器，要求输入为时钟端CLK（上升沿）和异步清除端CLR（高电平复位），输出为进位端C和4位计数输出端Q，文件命名为couter10.v。 3、用Verilog设计8位同步二进制加减法计数器，输入为时钟端CLK（上升沿有效）和异步清除端CLR（低电平有效），加减控制端UPDOWN，当UPDOWN为1时执行加法计数，为0时执行减法计数；输出为进位端C和8位计数输出端Q，文件命名为couter8.v。 4、用VERILOG设计一可变模数计数器，设计要求：令输入信号M1和M0控制计数模，当M1M0=00时为模18加法计数器；M1M0=01时为模4加法计数器；当M1M0=10时为模12加法计数器；M1M0=11时为模6加法计数器，输入clk上升沿有效，文件命名为mcout5.v。 5、VerilogHDL设计有时钟时能的两位十进制计数器，有时钟使能的两位十进制计数器的元件符号如图所示，CLK是时钟输入端，上升沿有效；ENA是时钟使能控制输入端，高电平有效，当ENA=1时，时钟CLK才能输入；CLR是复位输入端，高电平有效，异步清零；Q[3..0]是计数器低4位状态输出端，Q[7..0]是高4位状态输出端；COUT是进位输出端。 三、实验步骤 实验一：分频器 1、建立工程 单位：嵌入式系统实验室 姓名：汤晓东 内容：简单分频时序电路的设计(三分频) 时间：2010-7-7 3.练习三 模块源代码： //-------------------文件名div3.v---------------------------------- module div3(clk_in,clk_out,reset ); input clk_in,reset; output clk_out; wire clk_out; integer n1,n2; reg clk1,clk2; always @(posedge clk_in or negedge reset) //检测clk_in的上升沿 begin if (!reset) begin n1=0; clk1<=1'b0; //clk1是对clk_in的三分频 end // 但是占空比为1/3 else if (n1==2) begin n1=0; clk1<=1'b1; end else begin n1=n1+1; clk1<=1'b0; end end always @(negedge clk_in or negedge reset) //检测clk_in的下降沿 begin if (!reset) begin n2=0; clk2<=1'b0; //clk2也是对clk_in的三分频 end else if (n2==2) //占空比为1/3,但是与clk1相差begin //半个时钟周期 n2=0; clk2<=1'b1; end else begin n2=n2+1; clk2<=1'b0; end 一、设计任务与要求 1. 彩灯电路，循环速度肉眼可辨。 2. 可实现2灯循环，3灯循环，…，8灯循环。最少6灯，可扩展成可逆循环。 3. 要求有功能扩展。 二、总体电路设计 1．原理框图 2. 整体设计电路图 3.电路整体分析 本电路大体可分为四部分：时钟信号部分、编译码部分、移位寄存器和彩灯显示部分。555芯片及74LS193产生移位所需时钟并通过分频控制彩灯移动速度，编译码部分控制循环彩灯的个数，移位寄存器74LS194控制彩灯的循环移动，最终通过彩灯显示。 功能实现说明： （1）通过电位器和频率选择开关J12、J13、J14控制彩灯循环移动速度 （2）J1、J2分别接高电平和与非门输出，并把J5与LED8连通，循环右移，拨码开关低（断开）有效，从D0到D7依次实现1-8灯循环， 并且多灯的优先级高于少灯优先级。 （3）J1、J2分别接通与非门输出和高电平，并把J5与LED0连通，循环左移，拨码开关低（断开）有效，从D7到D0依次实现1-8灯循环 并且少灯的优先级高于多灯优先级。 （4）J1、J2都接高电平时置位显示开关状态 （5）J1、J2都接反相器输出时状态保持，相当于暂停循环各部分电路具体的功能实现将在下面讲解。 4. 元件清单 拨码开关×1、拨动开关×6、按键开关×1 八位300Ω排阻×2 555芯片×1 8—3线优先编码器74LS148×1 3-8译码器74LS138×1 16进制计数器74LS193×1 反相器74LS04×1 LED彩灯×16 电阻100k×2、电位器100k×1 电容0.1uF 0.33uF 0.01uF各一 导线等若干 三、单元电路分析 1. 时钟信号部分 （1）555电路构成的多谐振荡器 实验二 时序逻辑电路的设计 一、实验目的： 1、 掌握时序逻辑电路的分析方法。 2、 掌握VHDL 设计常用时序逻辑电路的方法。 3、 掌握时序逻辑电路的测试方法。 4、 掌握层次电路设计方法。 5、 理解时序逻辑电路的特点。 二、实验的硬件要求： 1、 EDA/SOPC 实验箱。 2、 计算机。 三、实验原理 1、时序逻辑电路的定义 数字逻辑电路可分为两类：组合逻辑电路和时序逻辑电路。组合逻辑电路中不包含记忆单元（触发器、锁存器等），主要由逻辑门电路构成，电路在任何时刻的输出只和当前时刻的输入有关，而与以前的输入无关。时序电路则是指包含了记忆单元的逻辑电路，其输出不仅跟当前电路的输入有关，还和输入信号作用前电路的状态有关。 2、同步时序逻辑电路的设计方法 同步时序逻辑电路的设计是分析的逆过程,其任务是根据实际逻辑问题的要求，设计出能实现给定逻辑功能的电路。同步时序电路的设计过程： （1）根据给定的逻辑功能建立原始状态图和原始状态表。 ①明确电路的输入条件和相应的输出要求，分别确定输入变量和输出变量的数目和符号； ②找出所有可能的状态和状态转换之间的关系； ③根据原始状态图建立原始状态表； （2）状态化简---求出最简状态图。 合并等价状态，消去多余状态的过程称为状态化简。 等价状态：在相同的输入下有相同的输出，并转换到同一个次态去的两个状态称为等价状态。 （3）状态编码（状态分配）。 给每个状态赋以二进制代码的过程。 根据状态数确定触发器的个数，n n M 221-≤∠（M 为状态数；n 为触发器的个数）。 （4）选择触发器的类型。 （5）求出电路的激励方程和输出方程。 （6）画出逻辑图并检查自启动能力。 3、时序逻辑电路的特点及设计时的注意事项 ①时序逻辑电路与组合逻辑电路相比，输出会延时一个时钟周期。 ②时序逻辑电路一般容易消除“毛刺”。 ③用VHDL 描述时序逻辑电路时，一般只需将时钟信号和异步控制（如异步复位）信号作为敏感信号。 第十六单元时序逻辑电路 （8学时——第49～56学时） 主要容：时序逻辑电路的分析与设计 教学重点：时序逻辑电路的分析与设计方法 教学难点：时序逻辑电路的设计 教学方法：启发式教学、探究式教学 教学手段：实验、理论、实际应用相结合 第一部分知识点 一、时序电路概述 时序电路的状态及输出是与时间顺序有关的，由组合电路和存储电路（多为触发器）组成，1、特点 任意时刻的输出，不仅与该时刻的输入有关、还与电路原来的状态有关。 2、分类 按逻辑功能分为计数器、寄存器等，按触发器工作分为同步电路和异步电路，按电路输出信号特性分为Mealy型（输出与输入及电路现态有关）和Moore型（输出仅与电路现态有关）电路。 二、时序电路的分析 1、分析步骤 （1）写出电路的时钟方程（各触发器的CP表达式）、输出方程（各输出端表达式）及驱动方程（各触发器的触发信号表达式）。 （2）求出电路的状态方程（各触发器的状态表达式） （3）计算得出电路工作状态表 （4）画状态图及时序图 （5）分析电路功能 2、分析举例 分析时序电路 （1）时钟方程CP0=CP1=CP2=CP 输出方程n n n Q Q Q Y 1 2 = 驱动方程n Q J 2 =、n Q K 2 =，n Q J 1 =、n Q K 1 =，n Q J 1 2 =、n Q K 1 2 =（2）状态方程 将J、K代入JK触发器特征方程n n n Q K Q J Q+ = +1得各触发器状态方程： n n Q Q 2 1 = +、n n Q Q 1 1 = +、n n Q Q 1 1 2 = + （3）计算得到状态表 现态次态输出 n Q 2 n Q 1 n Q 1 2 | n Q+1 1 + n Q1 + n Q Y 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 （4）画状态图及时序图 （5）逻辑功能 这是一个有六个工作状态的同步工作电路，属Moore型电路。 （6）有效态和无效态 武汉理工大学《微机原理与接口技术》课程设计报告书 武汉理工大学《微机原理与接口技术》课程设计报告书 实验六V e r i l o g设计分频器/计数器电路 一、实验目的 1、进一步掌握最基本时序电路的实现方法； 2、学习分频器/计数器时序电路程序的编写方法； 3、进一步学习同步和异步时序电路程序的编写方法。 二、实验内容 1、用Verilog设计一个10分频的分频器，要求输入为clock（上升沿有效），reset（低电平复位），输出clockout为4个clock周期的低电平，4个clock 周期的高电平），文件命名为。 2、用Verilog设计一异步清零的十进制加法计数器，要求输入为时钟端CLK （上升沿）和异步清除端CLR（高电平复位），输出为进位端C和4位计数输出端Q，文件命名为。 3、用Verilog设计8位同步二进制加减法计数器，输入为时钟端CLK（上升沿有效）和异步清除端CLR（低电平有效），加减控制端UPDOWN，当UPDOWN 为1时执行加法计数，为0时执行减法计数；输出为进位端C和8位计数输出端Q，文件命名为。 4、用VERILOG设计一可变模数计数器，设计要求：令输入信号M1和M0控制计数模，当M1M0=00时为模18加法计数器；M1M0=01时为模4加法计数器；当M1M0=10时为模12加法计数器；M1M0=11时为模6加法计数器，输入clk 上升沿有效，文件命名为。 5、VerilogHDL设计有时钟时能的两位十进制计数器，有时钟使能的两位十进制计数器的元件符号如图所示，CLK是时钟输入端，上升沿有效；ENA是 时钟使能控制输入端，高电平有效，当ENA=1时，时钟CLK才能输入；CLR 是复位输入端，高电平有效，异步清零；Q[3..0]是计数器低4位状态输出端，Q[7..0]是高4位状态输出端；COUT是进位输出端。 三、实验步骤 实验一：分频器 1、建立工程 2、创建Verilog HDL文件 3、输入10分频器程序代码并保存 4、进行综合编译 5、新建波形文件 6、导入引脚 7、设置信号源并保存 8、生成网表 9、功能仿真 10、仿真结果分析 由仿真结果可以看出clockout输出5个clock周期的低电平和5个clock 的高电平达到10分频的效果，设计正确。 实验二：十进制加法计数器（异步清零） 1、建立工程 2、创建Verilog HDL文件 3、输入加法计数器代码并保存 4、进行综合编译 5、新建波形文件 6、导入引脚 7、设置信号源并保存 8、生成网表 9、功能仿真 10、仿真结果分析 时序逻辑电路分析例题 1、分析下图时序逻辑电路。 解: 1、列出驱动方程:111==K J 1//122Q A AQ K J +== 2、列出状态方程: 将驱动方程代入JK 触发器的特性方程Q K JQ Q //*+=得: /1*1Q Q = 212/1//21//2/1*2Q AQ Q Q A Q Q A Q AQ Q +++= 3、列出输出方程: 21//2/1Q Q A Q AQ Y += 4、列出状态转换表: (1)当A=1时: 根据:/1*1Q Q =;21/2/1*2Q Q Q Q Q +=;/2/1Q Q Y =得: (2)当A=0时: 根据:/1*1Q Q =;2/1/21*2 Q Q Q Q Q +=;21Q Q Y =得 : 5、画状态转换图: 6、说明电路实现的逻辑功能: 此电路就是一个可逆4进制(二位二进制)计数器,CLK 就是计数脉冲输入端,A 就是加减控制端,Y 就是进位与借位输出端。当控制输入端A 为低电平0时,对输入的脉冲进行加法计数,计满4个脉冲,Y 输出端输出一个高电平进位信号。当控制输入端A 为高电平1时,对输入的脉冲进行减法计数,计满4个脉冲,Y 输出端输出一个高电平借位信号。 2、如图所示时序逻辑电路,试写出驱动方程、状态方程,画出状态图,说明该电路的功能。 解:驱动方程 ?? ?=⊕=1010K Q X J n ???=⊕=11 1K Q X J n 状态方程 ()()n n n n n n n n n n n n n n Q XQ Q Q X Q Q X Q Q Q X Q Q X Q Q X Q 0 1 1 1 1 010110 11+=⊕=+=⊕=++ 1J 1K C1 1J 1K C1 1 Q 0 Q CP X Z =1 =1 =1 & FF 1 FF 0 1 1 三分频扬声器系统分频器电感的精确设计 1 引言 扬声器系统的分频器分为前级分频和功率分频2类。前级分频是前级电路中由电子元件产生的分频，再由各自的功放分别驱动高﹑中﹑低音扬声器系统，如图（1a）所示，属于小信号有源分频。而功率分频则是由电感、电容、电阻元件构成的位于功放与扬声器之间的无源分频电路，如图（1b）所示。 采用功率分频的扬声器系统结构简单、成本低，而且又能获得很高的放音质量，因而在现代高保真放音系统中应用最为普遍。其性能的好坏与扬声器的各项指标以及分频电路、电感元件的性能、精度有密不可分的关系，精确计算电感参数便是成功的关键。 2 对分频器电路、元件的要求 （1）电路中电感元件直流电阻、电感值误差越小越好。而且为使频响曲线平坦最好使用空心电感。（2）电路中电容元件损耗尽可能小。最好使用音频专用金属化聚丙烯电容。 （3）使各扬声器单元分配到较平坦的信号功率，且起到保护高频扬声器的作用。 （4）各频道分频组合传输功率特性应满足图2所示特性曲线的要求（P0为最大值，P1为对应分频点f1、f2的值）。分频点处的功率与功率最大值之间幅度应满足P1（=0.3～0.5）P0的范围。 （5）整个频段内损耗平坦，基本不出现“高峰”和“深谷”。 3 分频电感电容参数值的计算 下面以三分频分频器为例说明其参数的计算，如图3所示。 1）计算分频电感L1，L2，L3，L4和分频电容C1，C2，C3，C4。 为了得到理想的频谱特性曲线，理论计算时可取：C1=C4，C3=C2，L1=L3，L4=L2，分频点频率为f1，（f2见图2），则分频点ω1=2πf0，ω2=2πf2。并设想高、中、低扬声器阻抗均相同为RL。每倍频程衰减12 dB。 2）实验修正C1，C2，C3，C4，L1，L2，L3，L4的值 为精确起见，可用实验方法稍微调整C1，C2，C3，C4，L1，L2，L3，L4的值，以满足设计曲线﹙见图2﹚的要求。即通过实验描绘频响曲线，从而得到C1，C2，C3，C4，L1，L2，L3，L4的最佳值。如果没有实验条件，这一步也可不做。求出电容电感的值后就可计算电感值了。 4 最佳结构电感的作用 4.1最佳结构电感的提出 空心分频电感（简称电感）的基本参数是电感量和直流电阻。一般来说，电感量不准会导致分频点偏离设计要求并可能影响扬声器系统的频响，大家都比较重视。然而其直流电阻不宜过大，否则会对音质产生影响。通常人们对此电阻在电路中的影响及其定量要求不甚了解，因此未引起足够重视，对此特作以下简要分析。 以图3的分频网络为例，由于低音单元的分频电感L2与负载R（L低音单元额定阻抗）相串联，因此若L2的阻抗过大，功放输出功率在其上的损耗将增大。同时，功放内阻对低音单元的阻尼作用也将大大减弱。前者影响功放的有效输出功率，后者对音质的影响却无可挽回。由于分频网络中L2的电感量最大，且随分频点的降低而增大，所以L2的直流电阻的影响相当突出。 至于高音单元的分频电感L1，因它未与负载串联，就不存在L2那样的功耗和阻尼问题。但是仍希望其阻抗尽可能小些。因为它与负载并联，起着旁路来自C1的残余低音频成分的作用。若阻值过大，就会影响高音分频网络对低音频的衰减陡度。 50％占空比三分频器的设计方法（原创） 浏览次数：1037 添加时间：2006-04-17 20:47:01 本文主要介绍了50%占空比三分频器的三种设计方法，并给出了图形设计、VHDL设计、编译结果和仿真结果。设计中采用EPM7064AETC44-7 CPLD，在QUARTUSⅡ4.2软件平台上进行。 方法一： 时钟输入端（clkin）首先反向和不反向分别接到两个D触发器的时钟输入端，两个D触发器的输出接到一个二输入或非门的输入端，或非门的输出反馈到前面两个D触发器的D输入端，并且或非门的输出后面接一二分频器，得到占空比为50%的三分频波形。 图1：图形设计 VHDL程序： library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; use ieee.std_logic_arith.all; entity fen3 is port (clkin : in std_logic; --时钟输入 qout1 : buffer std_logic; qout2 : buffer std_logic; qout3 : buffer std_logic; clkout : out std_logic --占空比为1/2的三分频输出); end fen3; architecture behave of fen3 is begin qout3<=qout1 nor qout2; process(clkin) begin if clkin'event and clkin='1' then --在上升沿触发qout1<=qout3; end if; end process; process(clkin) begin if clkin'event and clkin='0' then --在下降沿触发 时序逻辑电路的设计 一、实验目的 1. 熟悉集成计数器的逻辑功能和各控制端的作用。 2. 掌握计数器的使用方法。 3. 掌握任意进制计数器的设计方法。 4. 了解8421BCD和5421BCD的编码规则。 二、实验器材 集成计数器74LS90、四2输入与非门74LS00、双4输入与非门74LS20、四异或门74LS86、六非门74LS04、显示译码器7447/7448、七段数码管 三、实验任务及要求 1. 设计要求 （1）用1片74LS90和1片与非门设计一个5进制计数器。 （2）用2片74LS90和1片与非门设计一个四十以内（十以上）的任意进制计数器。 2.实验内容 （1）测试所用芯片74LS90的逻辑功能（置0、置9、8421BCD计数输出功能）。（2）组装所设计的时序逻辑电路，并验证其功能是否正确。 提示：计数器的状态输出端分别接在实验箱上的显示译码器的输入端，用七段数码管显示计数状态值。CP接实验箱上的可调连续脉冲。 四、实验原理 1. 74LS90的逻辑功能 74LS90是二－五－十进制异步计数器。 （1）R9(1)=R9(2)=“1”，Q3Q2Q1Q0=1001，置9； （2）R0(1)=R0(2)=“1”，R9(1)‖R9(2)=“0”，Q3Q2Q1Q0=0000,置0； （3）计数脉冲由CP0端输入，输出由Q0端引出，即得二进制计数器； （4）计数脉冲由CP1端输入，输出由Q3,Q2,Q1端引出，即得五进制计数器；（5）将Q0和CP1相连，计数脉冲由CP0端输入，输出由Q3,Q2,Q1,Q0端引出，即得8421BCD码十进制计数器； 2. 时序逻辑电路的基本设计方法 Step 1：明确设计电路功能，作出基于功能涉及到的所有编码排序的状态转换图；Step 2：判断电路是否有输入或输出变量，并根据状态转换图画出状态转换表； Step 3：根据状态转换表，分离出各触发器输出量Q 0~Q m （m=1、2、3…）、输出 变量Y的卡诺图并化简，得到各个触发器的状态方程； “电工学（二）数字逻辑电路”课程实验报告 实验/实训项目同步时序逻辑电路分析与设计 实验/实训地点 实验/实训小组 实验/实训时间 专业电器工程及其自动化 班级 姓名 学号 指导老师 过程、步骤、代一、实验原理 1. 集成计数器74LS290功能测试。 74LS290是二一五一十进制异步计数器，逻辑简图为图5.1所示。 74LS290具有下述功能： 直接置0（R 0(1),R 0(2)=1）,直接置（S 0(1),S 0(2)=1） 二进制计数（CP 1输入Q A 输出） 五进制计数（CP 1输入Q A Q B Q C 输出） 十进制计数（两种接法如图5.2A 、B 所示） 按芯片引脚图分别测试上述功能，并填入表5.1、表5.2、表5.3中。 图5.1 74LS290逻辑图 图5.2 十进制计数器 2. 计数器级连 分别用2片74LS290计数器级连成二一五混合进制、十进制计数器。 （1）画出连线电路图。 （2）按图接线，并将输出端接到LED 数码显示器的相应输入端，用单脉冲作为输入脉冲验证设计是否正确。 （3）画出四位十进制计数器连接图并总结多级计数级连规律。 3. 任意进制计数器设计方法 采用脉冲反馈法（称复位法或置位法），可用74LS290组成任意（M ）计数器，图5.3是用74LS290实现模7计数器的两种方案，图（A ）采用复位法，即计到M 异步置0，图（B ）采用置位法，即计数计到M-1异步置0。 表5.1 功能表 R 0(1) R 0(2) S 0(1) S 0(2) 输出 Q D Q G Q B Q A H H L X H H X L X X H H X L X L L X X L X L L X 表5.2 二一五混合时制 计数 输出 Q A Q D Q G Q B 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9实验六--Verilog设计分频器计数器电路答案
简单分频时序电路的设计(三分频)
时序电路设计实验
实验二 时序逻辑电路的设计[1]
单元15-时序逻辑电路
分频器的设计2014-1-10 10.29.8
学
号:
0121105830129
课 程 设 计
题 学 专 班 姓
目 院 业 级 名
分频信号发生器的分析与设计 自动化学院 电气工程及自动化 电气 1107 班 成涛 陈静 教授
指导教师
2014 年
01 月
09 日
课程设计任务书
学生姓名: 指导教师: 题 目: 成涛 专业班级: 电气 1107 班 陈静 教授 工作单位: 自动化学院 分频信号发生器的分析与设计
要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰 写等具体要求） 1. 设:有一输入方波信号 f0（<1MHz） 。要求输出信号:f1=f0/N，N 通过键盘 输入。 2. 画出简要的硬件原理图，编写程序。 3. 撰写课程设计说明书。 内容包括:摘要、 目录、 正文、 参考文献、 附录 （程 序清单） 。正文部分包括:设计任务及要求、方案比较及论证、软件设计说明（软 件思想，流程，源程序设计及说明等） 、程序调试说明和结果分析、课程设计收 获及心得体会。
时间安排: 12 月 26 日----- 12 月 28 日 查阅资料及方案设计 12 月 29 日----- 01 月 0 2 日 编程 01 月 03 日-----0 1 月 07 日 调试程序 01 月 08 日----- 01 月 09 日 撰写课程设计报告
指导教师签名: 系主任（或责任教师）签名:
年 年
月 月
日 日实验六Verilog设计分频器计数器电路答案
时序逻辑电路分析举例
分频扬声器系统分频器电感的精确设计
50%占空比三分频器的设计方法
时序逻辑电路设计
同步时序逻辑电路分析与设计
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