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北京科技大学实验报告学院：高等工程师学院专业：自动化（卓越计划）班级：自E181姓名：杨威学号：41818074 实验日期：2020 年5月26日一、实验名称：集成计数器及其应用1、实验内容与要求（1）用74161和必要逻辑门设计一个带进位输出的10进制计数器，采用同步置数方法设计；（2）用两个74161和必要的逻辑门设计一个带进位输出的60进制秒计数器；2、实验相关知识与原理（1）74161是常用的同步集成计数器，4位2进制，同步预置，异步清零。
引脚图功能表其中X。
3、10进制计数器（1）实验设计1）确定输入/输出变量输入变量：时钟信号CLK、复位信号CLRN；输出变量：计数输出QD、QC、QB、QA，进位输出RCO，显示译码输出OA、OB、OC、OD、OE、OF、OG2）计数范围：0000-10013）预置数值：00004）置数控制端LDN：计数到1001时输出低电平5）进位输出RCO：计数到1001时输出高电平画出如下状态转换表：CP QDQCQBQA0 00001 00012 00103 00114 01005 01016 01107 01117 10009 100110 0000（2）原理图截图仿真波形如下功能验证表格CLRN QD QC QB QA RCO0 0 0 0 0 01 0 0 0 1 01 0 0 1 0 01 0 0 1 1 01 0 1 0 0 01 0 1 0 1 01 0 1 1 0 01 0 1 1 1 01 1 0 0 0 01 1 0 0 1 11 0 0 0 0 04、60进制秒计数器（1）实验设计1）确定输入/输出变量输入变量：时钟信号CLK、复位信号CLRN；输出变量：计数十位输出QD2、QC2、QB2、QA2和计数个位输出QD1、QC1、QB1、QA1，进位输出RCO2）计数范围：0000 0000-0101 10013）预置数值：0000 00004）置数控制端LDN1（个位）：计数到0101 1001时输出低电平5）清零端CLRN2（十位）：计数到0110时输出低电平6）ENT：个位计数到1001时输出高电平7）进位输出RCO：计数到1001时输出高电平画出如下状态转换表CP QD2QC2QB2QA2QD1QC1QB1QA1CPQD2QC2QB2QA2QD1QC1QB1QA1CPQD2QC2QB2QA2QD1QC1QB1QA10 0000 0000 20 0010 0000 40 0100 00001 0000 0001 21 0010 0001 41 0100 00012 0000 0010 22 0010 0010 42 0100 00103 0000 0011 23 0010 0011 43 0100 00114 0000 0100 24 0010 0100 44 0100 01005 0000 0101 25 0010 0101 45 0100 01016 0000 0110 26 0010 0110 46 0100 01107 0000 0111 27 0010 0111 47 0100 01118 0000 1000 28 0010 1000 48 0100 10009 0000 1001 29 0010 1001 49 0100 100110 0001 0000 30 0011 0000 50 0101 000011 0001 0001 31 0011 0001 51 0101 000112 0001 0010 32 0011 0010 52 0101 001013 0001 0011 33 0011 0011 53 0101 001114 0001 0100 34 0011 0100 54 0101 010015 0001 0101 35 0011 0101 55 0101 010116 0001 0110 36 0011 0110 56 0101 011017 0001 0111 37 0011 0111 57 0101 011118 0001 1000 38 0011 1000 58 0101 100019 0001 1001 39 0011 1001 59 0101 100160 0000 0000 （2）设计原理图截图（3）实验仿真仿真波形：仿真结果表：5、实验思考题：（1）总结任意模计数器的设计方法。
计数器一实验目的1、掌握中规模集成计数器的逻辑功能及使用方法。
2、学习运用集成电路芯片计数器构成N位十进制计数器的方法。
二实验原理计数器是一个用以实现计数功能的时序器件，它不仅可以用来记忆脉冲的个数，还常用于数字系统的定时、分频和执行数字运算以及其它特定的逻辑功能。
计数器种类很多，按构成计数器中的各个触发器输出状态更新是否受同一个CP脉冲控制来分，有同步和异步计数器，根据计数制的不同，分为二进制、十进制和任意进制计数器。
根据计数的增减趋势分，又分为加法、减法和可逆计数器。
另外，还有可预置数和可编程功能的计数器等。
目前，无论是TTL还是CMOS集成电路，都有品种较齐全的中规模集成计数器芯片。
如：异步十进制计数器74LS90，4位二进制同步计数器74LS93，CD4520，4位十进制计数器74LS160、74LS162；4位二进制可预置同步计数器CD40161、74LS161、74LS163；4位二进制可预置同步加/减计数器CD4510、CD4516、74LS191、74LS193；BCD码十进制同步加/减计数器74LS190、74LS192、CD40192等。
使用者只要借助于器件手册提供的功能表和工作波形图以及引出端的排列就能正确使用这些器件。
例如74LS192同步十进制可逆计数器，具有双时钟输入十进制可逆计数功能；异步并行置数功能；保持功能和异步清零功能。
74192功能见表表19.1*表中符号和引脚符号的对应关系：CR = CLR—清零端；LD= LOAD—置数端（装载端）CP U = UP—加计数脉冲输入端CP D = DOWN—减计数脉冲输入端CO——非同步进位输出端（低电平有效）BO——非同步借位输出端（低电平有效）D3 D2 D1 D0 = D C B A—计数器数据输入端Q D Q C Q B Q A—计数器数据输出端根据功能表我们可以设计一个特殊的12进制的计数器，且无0数。
如图19.1所示：当计数器计到13时，通过与非门产生一个复位信号，使第二片74LS192（时十位）直接置成0000，而第一片74LS192计时的个位直接置成0001；从而实现了1——12的计数。
实验三 VHDL 时序逻辑电路设计一、实验目的1．熟悉用VHDL语言设计时序逻辑电路的方法2．熟悉用Quartus文本输入法进行电路设计二、实验所用仪器元件及用途1．计算机：装有Quartus软件，为VHDL语言提供操作场所。
2．直流稳压电源：通过USB接口实现，为实验开发板提供稳定电源。
3．数字系统与逻辑设计实验开发板：使试验结果下载到开发板上，实现整个实验的最终结果。
三、实验内容1．用VHDL语言设计实现一个8421码十进制计数器。
（1）实验内容及要求：在Quartus平台上设计程序和仿真题目要求，并下载到实验板上验证试验结果。
（2）试验结果：VHDL代码和仿真结果。
2．用VHDL语言设计实现一个分频系数为8，分频输出信号占空比为50%的分频器。
（1）实验内容及要求：在Quartus平台上设计程序和仿真题目要求。
（2）试验结果：VHDL代码和仿真结果。
3．用VHDL语言设计实现一个控制8个发光二极管亮灭的电路。
（1）实验内容及要求：在Quartus平台上设计程序和仿真题目要求，并下载到实验板上验证试验结果。
a.单点移动模式：一个点在8个发光二极管上来回的亮b.幕布式：从中间两个点，同时向两边依次点亮直至全亮，然后再向中间点灭，依次往复c.通过拨码开关或按键控制两种模式的转换（2）试验结果：VHDL代码和仿真结果。
四、实验设计思路及过程1.8421码十进制计数器状态转移表左图为8421码十进制计数器的状态转移表，abcd为初状态，ABCD为下一状态，每当有“1”出现时，相应的管脚就亮灯，从而从0000到1001的灯依次出现。
VHDL代码如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY count12 ISPORT(clk,clear:IN STD_LOGIC;q :OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END count12;ARCHITECTURE a OF count12 ISSIGNAL q_temp:ATD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGINPROCESS(clk)BEGINIF(clk'event and clk='1') THENIF clear='0' THENq_temp<="0000";ELSIF q_temp="1011"THENq_temp<="0000";ELSEq_temp<=q_temp+1;END IF;END IF;END PROCESS;q<=q_temp;END a;2.分频系数为8，输出占空比为50%的分频器的设计左图为八分频器（占空比50%）的状态转移图，其中abc为原状态，ABC为下一状态。
十进制加法器设计1课程设计的任务与要求 课程设计的任务1、综合应用数字电路知识设计一个十进制加法器。
了解各种元器件的原理及其应用。
2、了解十进制加法器的工作原理。
3、掌握multisim 软件的操作并对设计进行仿真。
4、锻炼自己的动手能力和实际解决问题的能力。
5、通过本设计熟悉中规模集成电路进行时序电路和组合电路设计的方法，掌握十进制加法器的设计方法。
课程设计的要求1、设计一个十进制并运行加法运算的电路。
2、0-9十个字符用于数据输入。
3、要求在数码显示管上显示结果。
2十进制加法器设计方案制定 加法电路设计原理图1加法运算原理框图如图1所示第一步置入两个四位二进制数。
例如（1001）2,（0011）2和（0101）2，（1000），同时在两个七段译码显示器上显示出对应的十进制数9，3和5，8。
2第二步将置入的数运用加法电路进行加法运算。
第三步前面所得结果通过另外两个七段译码器显示。
即：加法运算方式，则（1000）2+（0110）2=（1110）2 十进制8+6=14 并在七段译码显示出14。
运算方案通过开关S1——S8接不同的高低电平来控制输入端所置的两个一位十进制数，译码显示器U8和U9分别显示所置入的两个数。
数A直接置入四位超前进位加法器74LS283的A4——A1端，74LS283的B4——B1端接四个2输入异或门。
四个2输入异或门的一输入端同时接到开关S1上，另一输入端分别接开关S5——S8，通过开关S5——S8控制数B的输入,通过加法器74LS283完成两个数A和B的相加。
由于译码显示器只能显示0——9，所以当A+B>9时不能显示，我们在此用另一片芯片74LS283完成二进制码与8421BCD码的转换，即S>9（1001）2时加上3（0011）2，产生的进位信号送入译码器U10来显示结果的十位，U11显示结果的个位。
3十进制加法器电路设计加法电路的实现用两片4位全加器74LS283和门电路设计一位8421BCD码加法器。
《基于FPGA的现代数字系统设计》实验名称：十进制计数器设计与仿真姓名：学号：班级：指导老师：2013年3月11日实验目的：（1）熟悉和掌握ISE Foudation 软件的使用（2）掌握基本原理图进行FPGA设计开发的全流程（3）理解和掌握“自底向下”的层次化设计方法（4）温习数字电路设计的基础知识实验要求：（1）使用原理图库中的门电路元件设计七段显示译码电路，以及十进制加法计数器。
（2）要求LED定位显示。
（3）完成LED七段码波形的仿真分析。
（4）在目标板按要求显示译码结果。
实验原理：本次试验将完成的设计是一个具有数显输出的十进制计数器。
示意图如2.1所示。
图2.1七段数码管属于数码管的一种，是由7段二极管组成。
按发光二极管单元衔接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。
本实验使用共阴数码管。
它是指将一切发光二极管的阴极接到一同构成公共阴极(COM)的数码管。
共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平相应字段就不亮。
显示译码器，一般是将一种编码译成十进制码或特定的编码，并通过显示器件将译码器的状态显示出来。
最小项译码器输出能产生输入变量的所有最小项，而任何一个组合逻辑函数都可以变换为最小项之和的标准形式，故采用译码器和门电路可实现任何单输出或多输出的组合逻辑函数。
当译码器输出低电平有效时，一般选用与非门；当译码器输出高电平有效时，一般选用或门。
本实验可以采用ISE软件自带的“Decoder”库中的4线-16线译码器D4_16E （带使能端，输出高电平有效）和“Logic”库中的16输入或门OR16。
本次试验将完成的设计是一个具有数显输出的十进制计数器。
实验步骤：1.完成七段数码管的绘制，按照正常操作新建工程，添加新原理图文件。
（1）画出七段数码管A段的原理图，如图1所示，根据书上的七段数码管的真值表完成D$_16E与16位或门的连线，其中0的地方连地，1的地方连上D4_16E 芯片。
目录一．设计目的和设计内容1.1设计目的1.2设计要求二．设计原理2.1计数器2.2集成计时器2.3 常用计时器原理2.4显示与译码2.5 VHDL计数器三.设计方案3.1备选方案3.2设计方案3.3仿真软件的选择四.仿真分析和体会五.致谢六.参考资料摘要:计数器的功能是记忆脉冲的个数,它是数字系统中应用最广泛的基本时序逻辑构件。
计数器在微型计算机系统中的主要作用就是为CPU和I/O设备提供实时时钟，以实现定时中断、定时检测、定时扫描、定时显示等定时控制，或者对外部事件进行计数。
一般的微机系统和微机应用系统中均配置了定时器/计数器电路，它既可当作计数器作用，又可当作定时器使用，其基本的工作原理就是"减1"计数。
计数器：CLK输入脉冲是一个非周期事件计数脉冲，当计算单元为零时，OUT输出一个脉冲信号，以示计数完毕。
以下是关于十进制计数器的几种设计方法。
一．设计目的和内容1．本次课程设计应达到的目的：1、综合运用相关课程中所学到的理论知识去独立完成某一设计课题；2、通过查阅手册和相关文献资料，培养学生独立分析和解决问题的能力；3、进一步熟悉常用芯片和电子器件的类型及特性，并掌握合理选用器件的原则；4、学会电路的设计与仿真；5、培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。
2．本课程设计课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求等）：1、具有10进制计数功能；2、设置外部操作开关，控制计数器的直接清零、启动、和暂停/连续功能；3、计时器为10进制加法计数，计时间隔为1秒；4、并用相关仿真软件对电路进行仿真。
二．设计原理1.计数器计数器是数字系统中用的较多的基本逻辑器件。
它不仅能记录输入时钟脉冲的个数，还可以实现分频,定时，产生节拍脉冲和脉冲序列等。
例如，计算机中的时序发生器，分频器，指令计数器等都要使用计数器。
计数器的种类很多。
按时序脉冲输入方式的不同，可分为同步计数器和异步计数器；按进位体制不同可以分为二进制计数器和非二进制计数器；按计数器的数字增减趋势的不同，可分为加法计数器，减法计数器和可逆计数器。
含异步清零和同步时钟使能的加法计数器设计(1)实验目的：学习计数器的设计、仿真和硬件测试，进一步熟悉VHDL设计技术。
(2)实验原理：实验程序为例4-22；实验原理参考4.4节(计数器设计)，设计流程参考第5章。
【例4-22】设计一个带有异步复位和同步时钟使能的十进制加法计数器。
LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CNT10 ISPORT(CLK,RST,EN : IN STD_LOGIC;CQ : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);COUT : 0UT STD_LOGIC);END ENTITY CNT10;ARCHITECTURE behav OF CNT10 ISBEGINPROCESS (CLK,RST,EN)VARIABLE CQI : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGINIF RST=‘1’ THEN CQI:=(OTHERS =>‘0’);--计数器异步复位ELSIF C LK’E VENT AND CLK=‘1’ THEN --检测时钟上升沿IF EN=‘1’ THEN --检测是否允许计数(同步他能) IF CQI<9 THEN CQI:=CQI+1; --允许计数,检测是否小于9ELSE CQI := (OTHERS => ‘0’); --大于9,计数值清零END IF;END IF;END IF;IF CQI=9 THEN COUT<=‘1’; --计数大于9,输出进位信号ELSE COUT<=‘0’;END IF;CQ<=CQI; --将计数值向端口输出END PROCESS;END ARCHITECTURE behav;(3)实验内容1：在Quartus II 上对例4-22进行编辑、编译、综合、适配、仿真。
实验一十进制计数器的设计与仿真一、实验目的熟悉QuartusⅡ的Verilog HDL文本设计流程全过程，学习计数器的设计、仿真和硬件测试。
二、实验原理该程序设计是带有异步复位、同步计数使能、可预置型功能全面的十进制计数器。
（1）第一个条件句if(!RST)构成的RST接于寄存器下方的异步清0端CLR。
（2）第二个条件句if(EN)构成EN接于寄存器左侧的使能端ENA。
（3）第三个条件句if(LODA)构成LODA接于上面的多路选择器，使之控制选择来自DATA的数据，还是来自另一多路选择器的数据。
（4）不完整的条件语句与语句Q1<=Q1+1构成了加1加法器和4位寄存器。
（5）语句（Q1<9）构成了小于比较器，比较器的输出信号控制左侧多路选择器。
（6）第二个过程语句构成了纯组合电路模块，即一个等式比较器，作进位输出。
三、实验设备与软件平台实验设备：计算机、FPGA硬件平台是Cyclone系列FPGA软件平台：Quartus II 9.1 (32-Bit)、5E+系统四、实验内容编写Verilog程序描述一个电路，实现以下功能：设计带有异步复位、同步计数使能和可预置型的十进制计数器。
具有5个输入端口（CLK、RST、EN、LOAD、DATA）。
CLK输入时钟信号；RST 起异步复位作用，RST=0，复位；EN是时钟使能,EN=1,允许加载或计数；LOAD 是数据加载控制，LOAD=0，向内部寄存器加载数据；DATA是4位并行加载的数据。
有两个输出端口（DOUT和COUT）。
DOUT的位宽为4，输出计数值，从0到9；COUT是输出进位标志，位宽为1，每当DOUT为9时输出一个高电平脉冲。
五、实验步骤设计程序：module CNT10 (CLK,RST,EN,LOAD,COUT,DOUT,DATA);input CLK;input EN;input RST;input LOAD;input [3:0] DATA;output [3:0] DOUT;output COUT;reg [3:0] Q1 ;reg COUT ;assign DOUT = Q1;always @(posedge CLK or negedge RST) begin if (!RST) Q1 <= 0;else if (EN) beginif (!LOAD) Q1 <= DATA;else if (Q1<9) Q1 <= Q1+1;else Q1 <= 4'b0000;endendalways @(Q1)if (Q1==4'h9) COUT = 1'b1;else COUT = 1'b0;Endmodule设计流程：1．编辑和输入设计文件（1）、新建一个文件夹如D：\CNT10 ,本工程所有文件将存放在此目录中。
实验三使用74161构成十进制计数器实验三使用74161构成十进制计数器实验三使用74161构成一个同步十进制计数器一、实验目的1.掌握74161的功能2.掌控意见反馈登位法、意见反馈预置法二、实验内容使用74161及必要的逻辑门构成一个同步十进制计数器。
建议使用意见反馈登位法、意见反馈预置法两种方法。
三、分析过程1．反馈复位法：下面的第一个图是反馈复位法。
反馈复位发是当遇到1010时，会立即进行清零。
即从0000开始到1010的时候会进行清零。
qb与qd想与在进行非门，最后的引脚给了clrn，即给它清零。
从0000开始计时，当遇到第一个时冲的时候，qdqcqbqa变成0001，挡在遇到下一个clock时钟的时候，变成0010，就这样每当遇到一个上升的时钟的上升沿的时候，qdqcqbqa就会自动的加一，到了第十个时钟脉冲的时候，它会自动的立即清零。
2．意见反馈预置法：下面的第一个图就是意见反馈混凝土法。
混凝土的dcba的值0000，意见反馈混凝土就是当碰到1001时，不能立即展开清零，而是要到下一个时冲的到来的时候可以立即清零，既当碰到1010的时候可以立即清零。
即为从0000已经开始至1010的时候可以展开清零。
qb与qd想要与在展开非门，最后的插槽给了clrn，即为给它清零。
从0000已经开始计时，当碰到第一个时冲的时候，qdqcqbqa变成0001，挡在遇到下一个clock时钟的时候，变成0010，就这样每当遇到一个上升的时钟的上升沿的时候，qdqcqbqa就会自动的加一，到了第十个时钟脉冲的时候，它会自动的立即清零四、原理图（粘贴quartus中绘制的原理图）下面这个是反馈复位：下面这个就是意见反馈预置五、功能仿真的波形图及说明这就是一个意见反馈登位的74161十进制的计数器，clock的频率为5纳秒，刚开始的时候，qdqcqbqa的值0000；在第一个clock始终到来的时候，即为在第五纳秒的时候，qdqcqbqa可以自己提1=0001；在第二个时钟的下降沿的到来的时候，即为在第十纳秒的时候，qdqcqbqa=0010;在第三个时钟的下降沿的下降沿的时候，即为在第十五纳秒的时候qdqcqbqa=0011；在第四个时钟的下降沿的下降沿的时候，即为在第二十纳秒的时候qdqcqbqa=0100……当在第十个时钟的上升沿到来的时候，会马上清零，即当在了1010的时候，在时钟的上升沿的到来的时候，qdqcqbqa=，马上又变成了0000；即又开始了了下一个的轮回。
实验八计数器一、实验目的1．熟悉由集成触发器构成的计数器电路及其工作原理。
2．熟悉掌握常用中规模集成电路计数器及其应用方法。
二、实验原理和电路所谓计数，就是统计脉冲的个数，计数器就是实现“计数”操作的时序逻辑电路。
计数器的应用十分广泛，不仅用来计数，也可用作分频、定时等。
计数器种类繁多。
根据计数体制的不同，计数器可分成二进制（即2”进制）计数器和非二进制计数器两大类。
在非二进制计数器中，最常用的是十进制计数器，其它的一般称为任意进制计数器。
根据计数器的增减趋势不同，计数器可分为加法计数器—随着计数脉冲的输入而递增计数的；减法计数器—随着计数脉冲的输入而递减的；可逆计数器—既可递增，也可递减的。
根据计数脉冲引入方式不同，计数器又可分为同步计数器—计数脉冲直接加到所有触发器的时钟脉冲（CP）输入端；异步计数器—计数脉冲不是直接加到所有触发器的时钟脉冲（CP）输入端。
1.异步二进制加法计数器异步二进制加法计数器是比较简单的。
图1.8.1(a)是由4个JK（选用双JK74LS112）触发器构成的4位二进制（十六进制）异步加法计数器，图1.8.1(b)和（c）分别为其状态图和波形图。
对于所得状态图和波形图可以这样理解：触发器FFO（最低位）在每个计数沿（CP）的下降沿（1 → 0）翻转，触发器FF1的C P端接FF0的Q0端，因而当FFO（Q O）由1→ 0时，FF1翻转。
类似地，当FF1（Q1）由1→0时，FF2翻转，FF2（Q2）由1→0时，FF3翻转。
4位二进制异步加法计数器从起始态0000到1111共十六个状态，因此，它是十六进制加法计数器，也称模16加法计数器（模M=16）。
从波形图可看到，Q0 的周期是CP周期的二倍；Q1是Q0的二倍，CP的四倍；Q2是Q1 的二倍，Q0的四倍，CP的八倍；Q3是Q2的二倍，Q1的四倍，Q0的八倍，CP的十六倍。
