数字集成电路
实验报告
西北工业大学 2014年5月27日星期二
实验五、时序逻辑
1、下图是一种用于AMD-K6处理器的脉冲寄存器。
VDD=2.5V，反相器的延迟TPinv=40Ps，回答下面的问题：
1、画出节点CLK，CLKd，X和Q两个时钟周期内的波形，其中输入D
在一个周期中为0，在另一个周期中为1。
答：波形如下：
2、考察这个寄存器的建立时间和保持时间。
答：这个寄存器对数据建立时间没有要求,可以达到0, 而保持时间为。
3、对该电路进行仿真，所有管子的初始尺寸可以设定为：
NMOS：W/L=0.5um/0.5um
PMOS：W/L=1.8um/0.5 um
通过观察关键点的波形，更改某些管子的尺寸，使电路能够正常工作。贴出正常工作时两个时钟周期的波形。其中D 在一个周期为0，一个周期为1。
施加激励可参考：
Vclk CLK 0 pwl(0 0 0.3n 0 0.4n 2.5 0.7n 2.5 0.8n 0 R )
VinD D 0 pwl(0 0 800p 0 900p 2.5)
注意，在SP文件中加入初始状态描述
.ic V(Q)=0 V(x)=2.5 V(CLKD)=0
.tran 0.001n 2n UIC
仿真代码见附录，仿真波形如下
从上到下依次表示CLK, CLKD, D, X, Q1
2、观察下面时序模块与组合逻辑模块共同构成组合路径(时钟占空
比为50%)
a) A、B寄存器的建立时间Tsetup=100ps，保持时间Thold=0，与时
钟相关的传输延迟Tcq=50ps，Tlogic=250ps，求输入时钟的最高频率（时钟偏斜时间Tskew=0）。
答：
故：
b) 假定输入到B的时钟相对于输入到A的时钟有偏斜的情况存在，
那么在下列情况下求输入最高时钟频率。
Ⅰ Tskew = 50ps
Ⅱ Tskew = -50ps
答：
Ⅰ:
Ⅱ:
附录
.TITLE EXPERIMENT 5
*---------------------------------------------------
* SIM OPTIONS
*--------------------------------------------------- .options post acct probe
.options tnom=25
.options ITL5=0
.OPTIONS ingold=2 limpts=30000 method=gear
.OPTIONS lvltim=2 imax=20 gmindc=1.0e-12
*---------------------------------------------------
.protect
.lib 'C:\Eric\Digital Integrated Circuit\experiment 5\cmos25_level49.lib' TT
.unprotect
*-------------------------------------------------
*netlist
.global vdd
.SUBCKT INV1 IN OUT Wn=0.25u Wp=0.5u
Mn out in 0 0 NMOS W=Wn L=0.5U
Mp out in vdd vdd PMOS W=Wp L=0.5U
.ENDS INV1
.SUBCKT INV2 IN OUT Wn=0.25u Wp=0.5u
Mn out in 0 0 NMOS W=Wn L=0.25U
Mp out in vdd vdd PMOS W=Wp L=0.25U
.ENDS INV2
*----------------------------------------------------
M1 X CLK VDD VDD PMOS W=0.5u L=0.25u
M2 X D VDD VDD PMOS W=0.5u L=0.25u
M3 X CLKD VDD VDD PMOS W=0.5u L=0.25u
M4 Q1 X VDD VDD PMOS W=1u L=0.25u
M5 X CLK 1 GND NMOS W=0.25u L=0.25u
M6 1 D 2 GND NMOS W=0.25u L=0.25u
M7 2 CLKD GND GND NMOS W=0.25u L=0.25u
M8 Q1 CLK 3 GND NMOS W=0.5u L=0.25u
M9 3 X 4 GND NMOS W=0.5u L=0.25u
M10 4 CLKD GND GND NMOS W=0.5u L=0.25u
*-------------------------------------------
XINV1 CLK 5 INV1 WN=0.25u WP=0.5u
XINV2 5 6 INV1 WN=0.25u WP=0.5u
XINV3 6 CLKD INV1 WN=0.25u WP=0.5u
XINV4 Q1 Q0 INV2 WN=0.25u WP=0.5u
XINV5 Q0 Q1 INV2 WN=0.25u WP=0.5u
*-------------------------------------------------
* Power supply
.ic V(Q1)=0 V(X)=2.5 V(CLKD)=0
VDD VDD 0 2.5
VGND GND 0 0
*-------------------------------------------------
*INPUT
Vclk CLK 0 pwl(0 0 0.6n 0 0.61n 2.5 1.2n 2.5 1.21n 0 R ) VinD D 0 pwl(0 2.5 1800p 2.5 1811p 0 )
.tran 0.001n 2.5n UIC
.probe V(Q1) V(D) V(X) V(CLK) V(CLKD) .END
实验五时序逻辑电路(计数器和寄存器)-实验报告 一、实验目的 1．掌握同步计数器设计方法与测试方法。 2．掌握常用中规模集成计数器的逻辑功能和使用方法。 二、实验设备 设备：THHD-2型数字电子计数实验箱、示波器、信号源 器件：74LS163、74LS00、74LS20等。 三、实验原理和实验电路 1．计数器 计数器不仅可用来计数，也可用于分频、定时和数字运算。在实际工程应用中，一般很少使用小规模的触发器组成计数器，而是直接选用中规模集成计数器。 2．(1) 四位二进制（十六进制）计数器74LS161（74LS163） 74LSl61是同步置数、异步清零的4位二进制加法计数器，其功能表见表5.1。 74LSl63是同步置数、同步清零的4位二进制加法计数器。除清零为同步外，其他功能与74LSl61相同。二者的外部引脚图也相同，如图5.1所示。 表5.1 74LSl61（74LS163）的功能表 清零预置使能时钟预置数据输入输出 工作模式R D LD EP ET CP A B C D Q A Q B Q C Q D 0 ××××（）××××0 0 0 0 异步清零 1 0 ××D A D B D C D D D A D B D C D D同步置数 1 1 0 ××××××保持数据保持 1 1 ×0 ×××××保持数据保持 1 1 1 1 ××××计数加1计数3．集成计数器的应用——实现任意M进制计数器 一般情况任意M进制计数器的结构分为3类，第一类是由触发器构成的简单计数器。第二类是由集成二进制计数器构成计数器。第三类是由移位寄存器构成的移位寄存型计数器。第一类，可利用时序逻辑电路的设计方法步骤进行设计。第二类，当计数器的模M较小时用一片集成计数器即可以实现，当M较大时，可通过多片计数器级联实现。两种实现方法：反馈置数法和反馈清零法。第三类,是由移位寄存器构成的移位寄存型计数器。 4．实验电路： 十进制计数器 同步清零法 同步置数法
3组合逻辑电路习题解答 33 自我检测题 1．组合逻辑电路任何时刻的输出信号，与该时刻的输入信号 有关 ，与以前的输入信号 无关 。 2．在组合逻辑电路中，当输入信号改变状态时，输出端可能出现瞬间干扰窄脉冲的现象称为 竞争冒险 。 3．8线—3线优先编码器74LS148的优先编码顺序是7I 、6I 、5I 、…、0I ，输出为 2Y 1Y 0Y 。输入输出均为低电平有效。当输入7I 6I 5I …0I 为11010101时，输出2Y 1Y 0Y 为 010 。 4．3线—8线译码器74HC138处于译码状态时，当输入A 2A 1A 0=001时，输出07Y ~Y = 11111101 。 5．实现将公共数据上的数字信号按要求分配到不同电路中去的电路叫 数据分配器 。 6．根据需要选择一路信号送到公共数据线上的电路叫 数据选择器 。 7．一位数值比较器，输入信号为两个要比较的一位二进制数，用A 、B 表示，输出信号为比较结果：Y (A ＞B ) 、Y (A ＝B )和Y (A ＜B )，则Y (A ＞B )的逻辑表达式为B A 。 8．能完成两个一位二进制数相加，并考虑到低位进位的器件称为 全加器 。 9．多位加法器采用超前进位的目的是简化电路结构 × 。 （√，× ） 10．组合逻辑电路中的冒险是由于 引起的。 A ．电路未达到最简 B ．电路有多个输出 C ．电路中的时延 D ．逻辑门类型不同 11．用取样法消除两级与非门电路中可能出现的冒险，以下说法哪一种是正确并优先考虑的？ A ．在输出级加正取样脉冲 B ．在输入级加正取样脉冲 C ．在输出级加负取样脉冲 D ．在输入级加负取样脉冲 12．当二输入与非门输入为 变化时，输出可能有竞争冒险。 A ．01→10 B ．00→10 C ．10→11 D ．11→01 13．译码器74HC138的使能端321E E E 取值为 时，处于允许译码状态。 A ．011 B ．100 C ．101 D ．010 14．数据分配器和 有着相同的基本电路结构形式。 A ．加法器 B ．编码器 C ．数据选择器 D ．译码器 15．在二进制译码器中，若输入有4位代码，则输出有 个信号。 A ．2 B ．4 C ．8 D ．16 16．比较两位二进制数A=A 1A 0和B=B 1B 0，当A ＞B 时输出F =1，则F 表达式是 。
实验3 时序逻辑电路设计（1） 实验内容与步骤： 1.设计一个4路扭环计时器电路。 要求：计数器的状态每隔1S变换一次；利用LED1-LED4（低电平驱动）显示计数器。 实验步骤 1）新建工程文件夹； 2）启动Quartus II； 3）选择File->New Project Wizard，建立新工程； 4）要求：工程名与顶层实体名为johnson，器件选择“Cyclone”中的EP1C6Q240C8 5）File->New->Verilog HDL File建立Verilog设计文件； module johnson(clk,led); input clk；//输入时钟信号 output [3:0] led；//输出计数器计数状态，对应于开发板中的LED1-LED4，低电平点亮reg [3:0] led 6）选择Processing->Start->Start Analysis&Elaboration对源程序进行语法分析；6）选择Processing->Start->Start Analysis&Synthesis进行电路综合； 7）选择Tools->Netlist Viewers->RTL Viewer，查看综合后得到的电路； 8）选择Assignments->Pins进行器件引脚分配； 序号信号引脚编号 1 led[0](对应于开发板LED1) 50 2 led1[1](对应于开发板LED2) 53 3 led2[2](对应于开发板LED3) 54 4 led3[3](对应于开发板LED4) 55 5 clk(48MHZ时钟信号输入) 28 9）选择Assignments->Device，选择“Device and Pin Options”按钮，在打开的“Device and Pin Options”对话框中，选择“Unused Pins”选项卡，从中选择“As input tri-stated”选项。10）选择Processing->Start->Start Fitter进行器件适配； 11）选择Processing->Start->Start Assembler生成下载文件； 12）连接好实验箱中的跳线，并将实验箱与计算机相连，并打开实验箱电源； 13）选择Tools->Porgrammer选项，将设计文件下载到FPGA中，并观察实验结果。
东南大学电工电子实验中心 实验报告 课程名称：数字逻辑电路设计实践 第 4 次实验 实验名称：基本时序逻辑电路 院（系）：信息科学与工程学院专业：信息工程姓名：学号： 实验室: 实验组别： 同组人员：无实验时间： 评定成绩：审阅教师：
时序逻辑电路 一、实验目的 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，并会使用逻辑分析仪做状态分析。 二、实验原理 1.时序逻辑电路的特点（与组合电路的区别）： ——具有记忆功能，任一时刻的输出信号不仅取决于当时的输出信号，而且还取决于电路原来的值，或者说还与以前的输入有关。 2.时序逻辑电路的基本单元——触发器（本实验中只用到D触发器） 触发器实现状态机（流水灯中用到） 3.时序电路中的时钟 1)同步和异步（一般都是同步，但实现一些任意模的计数器时要异步控制时钟端） 2)时钟产生电路（电容的充放电）：在内容3中的32768Hz的方波信号需要自己通过 电路产生，就是用到此原理。 4.常用时序功能块 1)计数器（74161） a)任意进制的同步计数器：异步清零；同步置零；同步置数；级联 b)序列发生器 ——通过与组合逻辑电路配合实现（计数器不必考虑自启动） 2)移位寄存器（74194） a)计数器（一定注意能否自启动） b)序列发生器（还是要注意分析能否自启动） 三、实验内容 1.广告流水灯 a.实验要求 用触发器、组合函数器件和门电路设计一个广告流水灯，该流水等由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，用示波器和逻辑分析仪观察并记录时钟脉冲 CLK、触发器的输出端Q2、Q1、Q0和8个LED上的波形。 b．实验数据 ①设计电路。 1）问题分析 流水灯的1暗7亮对应8个状态，故可采用3个触发器实现；而且题目要求输出8个信号控制8个灯的亮暗，故可以把3个触发器的输出加到3-8译码器的控制端，对应的8个译码器输出端信号控制8个灯的亮暗。
数字逻辑电路 实验报告 指导老师: 班级: 学号: 姓名： 时间： 第一次试验一、实验名称：组合逻辑电路设计
二、试验目的： 1、掌握组合逻辑电路的功能测试。 2、验证半加器和全加器的逻辑功能。 3、、学会二进制数的运算规律。 三、试验所用的器件和组件： 二输入四“与非”门组件3片，型号74LS00 四输入二“与非”门组件1片，型号74LS20 二输入四“异或”门组件1片，型号74LS86 四、实验设计方案及逻辑图： 1、设计一位全加/全减法器，如图所示： 电路做加法还是做减法是由M决定的，当M=0时做加法运算，当M=1时做减法运算。当作为全加法器时输入信号A、B和Cin分别为加数、被加数和低位来的进位，S 为和数，Co为向上的进位；当作为全减法时输入信号A、B和Cin分别为被减数，减数和低位来的借位，S为差，Co为向上位的借位。 （1）输入/输出观察表如下： （2）求逻辑函数的最简表达式 函数S的卡诺图如下：函数Co的卡诺如下： 化简后函数S的最简表达式为： Co的最简表达式为：
（3）逻辑电路图如下所示： 2、舍入与检测电路的设计： 用所给定的集成电路组件设计一个多输出逻辑电路，该电路的输入为8421码，F1为“四舍五入”输出信号，F2为奇偶检测输出信号。当电路检测到输入的代码大于或等于5是，电路的输出F1=1;其他情况F1=0。当输入代码中含1的个数为奇数时，电路的输出F2=1，其他情况F2=0。该电路的框图如图所示： （1）输入/输出观察表如下： B8 B4 B2 B1 F2 F1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1
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
实验三时序逻辑电路的VHDL设计 一、实验目的与要求 1、目的 （1）熟悉VHDL语言的编程方法 （2）学会利用VHDL语言设计实现时序逻辑功能器件的逻辑功能。 （3）总结体会VHDL语言的编程技巧方法 2、要求 （1）调试程序要记录调试过程中出现的问题及解决办法； （2）给出每个问题的算法或画出流程图； （3）编写程序要规范、正确，上机调试过程和结果要有记录，并注意调试程序集成环境的掌握及应用，不断积累编程及调试经验； （4）做完实验后给出本实验的实验报告。 二、实验设备、环境 PII以上计算机，装有QuartusII软件 三、方法与步骤 （一）教师简单回顾所需知识并演示较一个简单功能的实现过程。 1、简单回顾组合逻辑电路的特点及常用逻辑功能器件的功能 2、回顾QuartusII的VHDL操作步骤 3、以JKFF为例，重点演示该时序逻辑单元的VHDL设计过程。 （1）JKFF的参考VHDL源程序 LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY JK_FF IS PORT(J,K:IN STD_LOGIC; CLK:IN STD_LOGIC; Q:OUT STD_LOGIC); END JK_FF; ARCHITECTURE A OF JK_FF IS SIGNAL QTMP:STD_LOGIC; SIGNAL J_K:STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 1); BEGIN J_K<=J&K; PROCESS(CLK,J_K) BEGIN IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN CASE J_K IS WHEN "00"=>NULL;
时序逻辑电路实验报告 一、实验目的 1. 加深理解时序逻辑电路的工作原理。 2. 掌握时序逻辑电路的设计方法。 3. 掌握时序逻辑电路的功能测试方法。 二、实验环境 1、PC机 2、Multisim软件工具 三、实验任务及要求 1、设计要求： 要求设计一个计数器完成1→3→5→7→9→0→2→4→6→8→1→…的循环计数（设初值为1），并用一个数码管显示计数值（时钟脉冲频率为约1Hz）。 2、实验内容： （1）按要求完成上述电路的功能。 （2）验证其功能是否正确。 四、实验设计说明（简述所用器件的逻辑功能，详细说明电路的设计思路和过程） 首先根据题目要求（即要完成1到9的奇数循环然后再0到8的偶数循环）画出真值表，如下图。画出真值表后，根据真值表画出各次态对应的卡诺图，如下图。然后通过化简卡诺图，得到对应的次态的状态方 程；
然后开始选择想要用于实现的该电路的器件，由于老师上课时所用的例题是用jk触发器完成的，我觉得蛮不错的，也就选择了同款的jk触发器；选好器件之后，根据状态方程列出jk触发器的驱动方程。然后根据驱动方程连接好线路图，为了连接方便，我也在纸上预先画好了连接图，以方便照着连接。接下来的工作就是在multisim上根据画好的草图连接器件了，然后再接上需要的显示电路，即可完成。
五、实验电路（画出完整的逻辑电路图和器件接线图）
六、总结调试过程所遇到的问题及解决方法，实验体会 1、设计过程中遇到过哪些问题？是如何解决的？ 在设计过程中最大的问题还是忘记设计的步骤吧，因为老师是提前将实验内容已经例题讲解给我们听的，而我开始实验与上课的时间相隔了不短的时间，导致上课记下来的设计步骤忘得七七八八，不过好在是在腾讯课堂上得网课，有回放，看着回放跟着老师的思路走一遍后，问题也就迎刃而解了，后面的设计也就是将思路步骤走一遍而已，没再遇到什么困难。 2、通过此次时序逻辑电路实验，你对时序逻辑电路的设计是否有更清楚的认识？若没有，请分析原因；若有，请说明在哪些方面更加清楚。 通过这次时序逻辑电路实验，我最大的感触就是实验设计的思路与步骤一定要清晰，思路与步骤的清晰与否真的是造成实验设计是否困难的最重要的因素。清晰的话，做起实验来如同顺水推舟，毫不费力，不清晰的话则如入泥潭，寸步难行。
第 3章 组合逻辑电路 逻辑电路按照逻辑功能的不同可分为两大类：一类是组合逻辑电路（简称组合电路）, 另一类是时序逻辑电路（简称时序电路）。所谓组合电路是指电路在任一时刻的输出状态只与同一时刻各输入状态的组合有关，而与前一时刻的输出状态无关。组合电路的示意图如图所示。组合逻辑电路的特点： （１） 输出、输入之间没有反馈延迟通路。 （２） 电路中不含记忆元件。 图 组合电路示意图 组合逻辑电路的分析方法和设计方法 （1）3.1.1组合逻辑电路的分析方法 分析组合逻辑电路的目的是为了确定已知电路的逻辑功能,或者检查电路设计 是否合理。 组合逻辑电路的分析步骤如下： (1） 根据已知的逻辑图， 从输入到输出逐级写出逻辑函数表达式。 (2） 利用公式法或卡诺图法化简逻辑函数表达式。 (3) 列真值表, 确定其逻辑功能。 例 1 分析如图所示组合逻辑电路的功能。 解（1） （2）化简 （3） 例真值表：如表3·1所示 图 例 1 的逻辑电路 X 1X 2 X n 12 m 输入信号 输出信号 AC BC AB Y ??=AC BC AB Y ++= A B B C A C Y
表例1的真值表 由表可知，若输入两个或者两个以上的1(或0), 输出Y为1(或0), 此电路在实际应用中可作为多数表决电路使用。 例 2分析如图所示组合逻辑电路的功能。 解(1) 写出如下逻辑表达式: (2) 化简AB Y= 1 AB A Y A Y? = ? = 1 2 B AB B Y Y? = ? = 1 3 B AB AB A Y Y Y? ? = = 3 2 B AB AB A Y? ? = ) ( ) (B AB AB A+ ? + = AB B A+ = B A⊕ =
实验五时序逻辑电路（计数器和寄存器）-实验报告一、实验目的 1掌握同步计数器设计方法与测试方法。 2 ?掌握常用中规模集成计数器的逻辑功能和使用方法。 二、实验设备 设备：THHD-2型数字电子计数实验箱、示波器、信号源 器件：74LS163、74LS00、74LS20 等。 三、实验原理和实验电路 1计数器 计数器不仅可用来计数，也可用于分频、定时和数字运算。在实际工程应用中，一般很少使用小规模的触发器组成计数器，而是直接选用中规模集成计数器。 2. （1）四位二进制（十六进制）计数器74LS161 （74LS163） 74LS161是同步置数、异步清零的4位二进制加法计数器，其功能表见表。 74LS163是同步置数、同步清零的4位二进制加法计数器。除清零为同步外，其他功能与74LS161相同。二者的外部引脚图也相同，如图所示。 3.集成计数器的应用一一实现任意M进制计数器
Eft CR IK rh th Ih ET 7-I1A C1M /( 制扭环计数 同步清零法器 同步置数法 般情况任意M 进制计数器的结构分为 3类，第一类是由触发器构成的简单计数器。 第 二类是 由集成二进制计数器构成计数器。第三类是由移位寄存器构成的移位寄存型计数器。 第一类，可利用时序逻辑电路的设计方法步骤进行设计。 第二类，当计数器的模 M 较小时用 一片集成计数器即可以实现，当 M 较大时，可通过多片计数器级联实现。两种实现方法：反 馈置数法和反馈清零法。第三类，是由移位寄存器构成的移位寄存型计数器。 4?实验电路： 十进制计数器 1
图74LS161 (74LS163)外部引脚图 四、实验内容及步骤 1 .集成计数器实验 （1）按电路原理图使用中规模集成计数器74LS163和与非门74LS00,连接成一个同步置数或同步清零十进制计数器，并将输出连接至数码管或发光二极管。然后使用单次脉冲作为触发输入，观察数码管或发光二极管的变化，记录得到电路计数过程和状态的转换规律。 （2）根据电路图，首先用D触发器74LS7474构成一个不能自启的六进制扭环形计数器，同样将输出连接至数码管或发光二极管。然后使用单次脉冲作为触发输入，观察数码管或发光二 极管的变化，记录得到电路计数过程和状态的转换规律。注意观察电路是否能自启，若不能自启，则将电路置位有效状态。接下来再用D触发器74LS7474构成一个能自启的六进制扭环 形计数器，重复上述操作。 2?分频实验 依据实验原理图用74LS163及74LS00组成一个具有方波输出的六分频电路。选择适当时钟输入方式及频率（CP接连续波脉冲），用双踪示波器观察并记录时钟与分频输出信号的时序波形。 五、实验结果及数据分析 1 .集成计数实验同步清零和同步置数的十进制加一计数器状态转换过程分别如下所示: 0000 ： 0001 ： 0010 ： 0011 ； 0100 爲00*卄庇爲爲卄yh 六进制扭环形计数器的状态转换过程如下:
实验三组合逻辑电路(常用门电路、译码器和数据选择器) 一、实验目的 1．掌握组合逻辑电路的设计方法 2．了解组合逻辑电路的冒险现象与消除方法 3．熟悉常用门电路逻辑器件的使用方法 4．熟悉用门电路、74LS138和74LS151进行综合性设计的方法 二、实验原理及实验资料 （一）组合电路的一般设计方法 1．设计步骤 根据给出的实际逻辑问题，求出实现这一逻辑功能的最简单逻辑电路，这就是设计组合逻辑电路时要完成的工作。组合逻辑电路的一般设计步骤如图3.1所示。 图3.1 组合逻辑电路的一般设计步骤 设计组合逻辑电路时，通常先将实际问题进行逻辑抽象，然后根据具体的设计任务要求列出真值表，再根据器件的类型将函数式进行化简或变换，最后画出逻辑电路图。 2. 组合电路的竞争与冒险（旧实验指导书P17～20） （二）常用组合逻辑器件 1．四二输入与非门74LS00 74LS00为双列直插14脚塑料封装，外部引脚排列和内部逻辑结构如图3.2所示。它共有四个独立的二输入“与非”门，每个门的构造和逻辑功能相同。 图3.2 74LS00引脚排列及内部逻辑结构 2．二四输入与非门74LS20
74LS20为双列直插14脚塑料封装，外部引脚排列和内部逻辑结构如图3.3所示。它共有两个独立的四输入“与非”门，每个门的构造和逻辑功能相同。 图3.3 74LS20引脚排列及内部逻辑结构 3．四二输入异或门74LS86 74LS86为双列直插14脚塑料封装，外部引脚排列和内部逻辑结构如图3.4所示。它共有四个独立的二输入“异或”门，每个门的构造和逻辑功能相同。 图3.4 74LS86引脚排列及内部逻辑结构 3．3线－8线译码器74LS138 74LS138是集成3线－8线译码器，其功能表见表3.1。它的输出表达式为 i A B i Y G G G m 122（i ＝0，1，…7；m i 是最小项），与基本门电路配合使用，它能够实现任何三变量的逻辑函数。74LS138为双列直插16脚塑料封装，外部引脚排列如图3.5所示。
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。
实验三组合逻辑电路 一、实验目的 1．掌握组合逻辑电路的设计方法 2．熟悉常用组合逻辑器件的使用方法 3．熟悉用逻辑门电路、74LS138和74LS151进行综合性设计的方法 二、试验设备和器件 设备：数字电子技术试验箱 器件：74LS00，74LS20，74LS86，74LS138，74LS151 三、实验内容 1.实现一位全加器 (1) 按照组合逻辑电路的一般设计步骤，用基本门电路（74LS00，74LS86）实现 一位全加器； (2) 用1片74LS138和1片74LS20实现一位全加器。 2. 设计一个监测信号灯工作状态的逻辑电路，每一组信号灯由红、黄、绿三盏构成，仅有红灯R亮、仅有绿灯G亮、黄灯Y和绿灯G同时亮为正常工作状态，其余为故障状态。故障状态时要发出报警信号。要求用74LS151实现。 (1) 逻辑抽象。红黄绿三盏信号灯的状态为输入变量，分别用R、Y、G表示，并规定灯亮时为1，灭时为0；故障信号为输出变量，用Z表示，并规定正常工作状态下Z为0，发生故障时Z为1； (2) 列真值表于表3-1；
(3) 根据真值表写出用最小项表示的Z的逻辑表达式； (4) 按照逻辑表达式进行电路连接，画出电路连接图，并对电路进行测试。 3. 设计并实现实验指导书中四、3的电话程控系统（选作） 四、实验报告 1.实验预习 (1) 熟练掌握组合逻辑电路的一般设计步骤； (2) 了解74LS00，74LS20，74LS86，74LS138，74LS151的功能表，引脚图和使用注意事项，熟练掌握使用它们实现逻辑函数的方法； (3) 完成实验的预习报告，包括：实验目的、试验设备、布置的实验内容及步骤、原始数据记录表格及设计电路。 2. 实验及数据处理 (1) 根据布置的实验内容认真完成实验中的各项任务，仔细观察实验中的各种现象并加以分析； (2) 完成真值表，记录实验数据并进行分析。 3. 思考题 (1) 3-8线译码器74LS138在正常工作状态下，输入011 ABC 时，哪一个译码输出端为有效电平？由此说明A、B、C中哪一个为高位输入端？ (2) 若用74LS138译码器实现数据分配器，应选择74LS138的哪个引脚作为数据分配器的数据输入端？ 4.实验的注意事项及主要经验教训
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;
自我检测题 1．组合逻辑电路任何时刻的输出信号.与该时刻的输入信号 有关 .与以前的输入信号 无关 。 2．在组合逻辑电路中.当输入信号改变状态时.输出端可能出现瞬间干扰窄脉冲的现象称为 竞争冒险 。 3．8线—3线优先编码器74LS148的优先编码顺序是7I 、6I 、5I 、…、0I .输出为 2Y 1Y 0Y 。输入输出均为低电平有效。当输入7I 6I 5I …0I 为11010101时.输出2Y 1Y 0Y 为 010 。 4．3线—8线译码器74HC138处于译码状态时.当输入A 2A 1A 0=001时.输出07Y ~Y = 11111101 。 5．实现将公共数据上的数字信号按要求分配到不同电路中去的电路叫 数据分配器 。 6．根据需要选择一路信号送到公共数据线上的电路叫 数据选择器 。 7．一位数值比较器.输入信号为两个要比较的一位二进制数.用A 、B 表示.输出信号为比较结果：Y (A ＞B ) 、Y (A ＝B )和Y (A ＜B ).则Y (A ＞B )的逻辑表达式为B A 。 8．能完成两个一位二进制数相加.并考虑到低位进位的器件称为 全加器 。 9．多位加法器采用超前进位的目的是简化电路结构 × 。 （√.× ） 10．组合逻辑电路中的冒险是由于 引起的。 A ．电路未达到最简 B ．电路有多个输出 C ．电路中的时延 D ．逻辑门类型不同 11．用取样法消除两级与非门电路中可能出现的冒险.以下说法哪一种是正确并优先考虑的？ A ．在输出级加正取样脉冲 B ．在输入级加正取样脉冲 C ．在输出级加负取样脉冲 D ．在输入级加负取样脉冲 12．当二输入与非门输入为 变化时.输出可能有竞争冒险。 A ．01→10 B ．00→10 C ．10→11 D ．11→01 13．译码器74HC138的使能端321E E E 取值为 时.处于允许译码状态。 A ．011 B ．100 C ．101 D ．010 14．数据分配器和 有着相同的基本电路结构形式。 A ．加法器 B ．编码器 C ．数据选择器 D ．译码器 15．在二进制译码器中.若输入有4位代码.则输出有 个信号。 A ．2 B ．4 C ．8 D ．16 16．比较两位二进制数A=A 1A 0和B=B 1B 0.当A ＞B 时输出F =1.则F 表达式是 。
时序电路设计 实验目的: 1．掌握条件语句在简单时序模块设计中的使用。 2．学习在Verilog模块中应用计数器。 实验环境: Windows 7、MAX+PlusⅡ10等。 实验内容: 1．模为60的8421BCD码加法计数器的文本设计及仿真。 2．BCD码—七段数码管显示译码器的文本设计及仿真。 3．用For语句设计和仿真七人投票表决器。 4．1/20分频器的文本设计及仿真。 实验过程: 一、模为60的8421BCD码加法计数器的文本设计及仿真： （1）新建文本：选择菜单File下的New，出现如图5.1所示的对话框，在框中选中“Text Editor file”，按“OK”按钮，即选中了文本编辑方式。 图5.1 新建文本 （2）另存为Verilog编辑文件，命名为“count60.v”如图5.2所示。 （3）在编辑窗口中输入程序，如图5.3所示。
图5.2 另存为.V编辑文件图5.4 设置当前仿真的文本设计 图5.3 模为60的8421BCD码加法计数器的设计代码
（4）设置当前文本：在MAX+PLUS II中，在编译一个项目前，必须确定一个设计文件作为当前项目。按下列步骤确定项目名：在File菜单中选择Project 中的Name选项，将出现Project Name 对话框：在Files 框内，选择当前的设计文件。选择“OK”。如图5.4所示。 （5）打开编译器窗口：在MAX—plusⅡ菜单内选择Compiler 项，即出现如图5.5的编译器窗口。 图5.5 编译器窗口 选择Start即可开始编译，MAX+PLUS II编译器将检查项目是否有错，并对项目进行逻辑综合，然后配置到一个Altera 器件中，同时将产生报告文件、编程文件和用于时间仿真用的输出文件。 （6）建立波形编辑文件：选择菜单File下的New选项，在出现的New对话框中选择“Waveform Editor File”，单击OK后将出现波形编辑器子窗口。 （7）仿真节点插入：选择菜单Node下的Enter Nodes from SNF选项，出现如图5.6所示的选择信号结点对话框。按右上侧的“List”按钮，在左边的列表框选择需要的信号结点，然后按中间的“=>”按钮，单击“OK”，选中的信号将出现在波形编辑器中。 图5.6 仿真节点插入
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。
时序逻辑实验报告（时序逻辑实验报告1）。实验目的1。掌握同步计数器的设计方法和测试方法。2掌握常用积分计数器的逻辑功能和使用方法。第二，lshd数字信号盒。该计数器不仅可用于计数，还可用于分频、定时和数字运算。在实际工程应用中，很少使用小型触发器构成计数器，而直接使用中型集成计数器。2（1）四位二进制计数器74ls161?74lsl61是具有同步设置和异步清除功能的4位二进制加法计数器。其功能表如下表所示。74ls163是一个4位二进制加法计数器，具有同步设置和同步清除功能。其他函数与74lsl61相同，区别在于删除是同步的。此图显示两个管脚的外部示意图。表74lsl61功能表3。应用集成计数器实现了正常情况下的任意一种计数器。任何玛丽计数器的结构都可以分为三种类型。第一种类型是由触发器组成的简单计数器。第二种类型由一个集成的二进制计数器组成。第三种类型是移位寄存器，它由移位寄存器组成。在第一类中，您可以使用顺序逻辑电路进行设计。在第二类中，当计数器的模数m较小时，可以通过积分计数器来实现。当m较大时，可以通过级联多个计数器来实现。实现方法有两种：反馈设置法和反馈清除法。第三种类型是移位寄存器计数器，它由移位寄存器
组成。4实验电路：十进制计数器同步清除法、同步设定法、六边形回路输出、六边形分频电路图74ls161外部引脚图4。实验内容及步骤?1。综合计数器实验?根据电路图，使用介质集成计数器74ls163和“与非门74ls00”连接十进制计数器的同步设置或同步清零，输出连接到数码管或LED。然后以单个脉冲作为触发输入，观察数码管或发光二极管的变化，记录电路的计数过程和状态转换规律。根据电路图，用D触发器74ls7474构成一个六边形扭环计数器，输出端还连接到数码管或发光二极管上。然后用单个脉冲作为触发输入，观察数码管或LED的变化，记录电路计数过程和状态转换规律。注意观察电路是否能自动启动，否则不能将电路设置为有效状态。接下来，使用D触发器74ls7474形成自启动六边形扭环计数器，并重复上述操作。2分频实验根据实验原理图，由74ls163和74ls00组成方波输出六分频电路。选择合适的时钟输入方式和频率，用双轨示波器观察并记录时钟和分频输出信号的时序波形。5实验结果及数据分析1。同步清除十进制数加一。状态转换过程如下：分频实验成功实现了六频输出，输出波形为跟随：。实验总结和改进实验比较成功。通过这次测试，掌握了同步计数器的设计方法和
肇 庆 学 院 电子信息与机电工程 学院 数字电路 课 实验报告 12电气(1) 班姓名 王园园 学号 2 实验日期2014年5 月26 日 实验合作者:李俊杰 老师评定 实验题目:时序逻辑电路——计数器实验 一、实验目的 (一)掌握由集成触发器构成计数器的方法。 (二)熟悉中规模集成计数器74LS161计数器的逻辑功能及使用方法。 (三)学习中规模集成计数器74LS192计数器的逻辑功能及使用方法。 (四)学习计数器清零端与置数端的功能、同步与异步的概念。 二、实验仪器: DZX-1型电子学综合实验装置 UT52万用表 芯片74LS00 74LS161 74LS192 三、实验内容 图5-1 74LS161构成N 进制计数器目标电路图 图5-2 74LS161引脚排列图 输入 输出 CR CP LD CT P CT T D 3D 2D 1D 0 n n n n Q Q Q Q 0123 C0 0 x x x x x 0 0 0 0 1 0 x x d 3d 2d 1d 0 d 3d 2d 1d 0 CO= CT T Q Q Q Q n n n 123 1 1 1 1 x 计数 CO=n n n n Q Q Q Q 0123 1 x 1 0 x x 保持 CO= CT T Q Q Q Q n n n 123 1 x 1 x x 保持 用十六进制同步加法计数器74LS161构成N 进制计数器的设计(异步清零,同步置数)
1.按图5-1接好。从CP端输入时钟脉冲。 2.将M端接高电平,并把计数结果记录下来。如下表5-2 3.将M端接低电平,并把计数结果记录下来。 4.如果将清零端与置数端接线交换,重复2、3步骤,计数器的N分别等于多少？ 答:2,3步骤N都为16 接线交换后,LD=1输入无效。加法计数器计数溢出后CO=1 => CR=0触发异步清零,然后CO=0 => CR=1,计数器重新从零开始加法计数,所以N=15
实 验 报 告 姓名：吴克亮 学号：1053305016 班级：电气一班
一、实验名称：组合逻辑电路设计 二、实验目的： 1、掌握用VHDL 语言和EPLD 进行组合逻辑电路的设计方 法。 2、加深对EPLD 设计全过程的理解。 三、实验要求 学习常用组合逻辑的可综合代码的编写, 学习VHDL语言的编程思想与调试方法， 学习通过定制LPM元件实现逻辑设计， 通过波形仿真设计的正确与否。 四、实验设备： MAX+plus 2 五、实验步骤： 1、采用文本编辑器输入VHDL 语言源程序，建立工程。 2、编译。 3、仿真。 4、对芯片进行编程。 5、根据管脚分配情况连线。
实验程序： LIDRART IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY PAN4_5 IS PORT(D:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); y:OUT STD_LOGIC); END PAN4_5; ARCHITECTURE DEHA OF PAN4_5 IS SIGNAL DATAIN:INTEGER; BEGIN DA TA<=CONV_INTEGER(D); PROCESS BEGIN IF(DATAIN>=5)THEN Y<='1'; ELSE Y<='0'; END PROCESS; END DEHA; 编译结果
编译通过后进行波形仿真 实验心得体会 做完EDA实验，我感到受益匪浅。这不仅使我了解了EDA 的实验系统，学习了MAX+PLUSⅡ软件的使用，掌握了基本的电路设计流程、方法以及技巧，更增强了我对EDA设计的兴趣。 在实验的过程中，老师又结合实际详细的教了我们VHDL 语言的基本指令及编程方法，教我们熟悉了在PC机上运用MAX+PLUSⅡ软件和EPLD进行电路设计的设计和仿真过程。