《数字设计》课程实验报告
实验名称：交通灯控制逻辑电路的设计与仿真实现
学员：学号：
培养类型：年级：
专业：所属学院：
指导教员：职称：
实验室：实验日期：
交通灯控制逻辑电路的设计与仿真实现
一、实验目的：
1. 熟悉Multisim仿真软件的主要功能和使用。
2. 熟悉各种常用的MSI时序逻辑电路的功能和使用。
3. 运用逻辑设计知识，学会设计简单实用的数字系统。
二、实验任务及要求：
1.设计一个甲干道和乙干道交叉十字路口的交通灯控制逻辑电路。每个干道各一组指示灯（红、绿、黄）。要求：当甲干道绿灯亮16秒时，乙干道的红灯亮；接着甲干道的黄灯亮5秒，乙干道红灯依然亮；紧接着乙干道的绿灯亮16秒，这时甲干道红灯亮；然后乙干道黄灯亮5秒，甲干道红灯依然亮；最后又是甲干道绿灯亮，乙干道变红灯，依照以上顺序循环，甲乙干道的绿红黄交通指示灯分别亮着。
2.要求：
（1）分析交通灯状态变换，画出基于格雷码顺序的交通灯控制状态图。
（2）设计时序逻辑电路部分，写出完整的设计过程，画出逻辑电路图。在Multisim仿真平台上，搭建设计好的该单元电路，测试验证，将电路调试正确。
（3）设计组合逻辑电路部分，写出完整的设计过程，画出逻辑电路图。在Multisim仿真平台上，搭建设计好的该单元电路，测试验证，将电路调试正确。
（4）用74LS161计数器构造16秒定时和5秒定时的定时电路，画出连线图。在Multisim仿真平台上，选用74LS161芯片连线，测试验证，将电路调试正确。
（5）在Multisim仿真平台上形成整个系统完整的电路，统调测试结果。三、设计思路与基本原理：
依据功能要求，交通灯控制系统应主要有定时电路、时序逻辑电路及信号灯转换器组合逻辑电路组成，系统的结构框图如图1所示。其中定时电路控制时序逻辑电路状态的该表时间，时序逻辑电路根据定时电路的驱动信号而改变状态，进而通过组合逻辑电路控制交通灯系统正常运行。
在各单元电路的设计顺序上，最先设计基础格雷码顺序的交通灯控制状态图，由此确定时序逻辑电路的设计，并完成该部分电路的调试。接着在设计好时序路逻辑电路的基础上，根据状态输出设计组合逻辑电路，并完成该部分的调试。最后完成定时电路的设计与调试。整合电路，形成整个系统完整的电路，统调测试结果。
图 1 交通灯控制系统结构框图
四、各单元电路设计与调试： 1.时序逻辑电路的设计与调试
分析交通灯状态变换，画出基于格雷码顺序的交通灯控制状态表。由表可知交通灯变换共有4种状态，因此需要两个触发器来控制其状态输出从00→01→11→10→00的状态循环。实验中采用两个D 触发器设计电路。 画出二进制码状态表
现态
次态
Q1
Q0 Q1
Q0
交通灯状态
甲干道 乙干道
格雷码（Q 1Q 0） 绿灯
黄灯
红灯
绿灯
黄灯
红灯
00 √ √ 01 √ √ 11 √ √ 10
√
√
0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1
分别画出Q0、Q1的卡诺图,由卡诺图得到激励方程：
D 1(t+1)=Q 0 D 0(t+1)=Q 1
Q0 Q1
0 1 0 1 1 1
Q 0卡诺图 Q 1卡诺图
根据激励方程连接电路，并在mulitsim 上测试，电路图如下：
Q0 Q1
0 1 0 0 1 1
1
2.组合逻辑电路的设计与调试
在设计好时序逻辑电路的基础上，对照交通灯状态转化表，设计出相应输出状态下的组合逻辑电路并测试。电路图如下：
3.定时电路的设计与调试
定时电路部分设计是交通灯系统设计的核心所在。按题目要求，用74LS161设计出的电路需要能有16秒定时器与5秒定时器功能。考虑到需要用到74LS161的记满16进位功能，所以在16秒定时器的预置数是0000，在5秒定时器的预置数为1011，不难发现，其中C的预置位都为0，故将其直接接地即可。在16秒定时器中预置位A=B=D=0，在5秒定时器中预置位A=B=D=1，而他们对应的状态Q1Q0分别为00、11和
01、10。不难发现，A=B=D=Q1⊕Q0，所以可以采取该方法预置输入。
至于清零端，可采取记满进位信号来控制。电路图如下：
五、整体电路设计与调试
在完成了各部分电路的设计后，整合电路，完成整个交通灯系统的设计与仿真。电路图如下：
六、测试与调试说明（遇到的问题及解决办法）
实验结果提交的Multisim文件有定时器电路文件、时序电路文件、组合译码电路文件及完整的交通灯电路文件。如图所示：
在设计过程中，在时序逻辑电路及组合逻辑电路中并未遇到问题，而在定时器设计电路中刚开始时如何设置预置位困扰了我。在咨询同学下，发现了可以利用Q0与Q1异或达到要求的目的。
七、总结与体会
这次交通灯系统设计与仿真实验不仅让我巩固了平常的知识，提高了自己运用所学数字设计的能力，而且很大程度开拓了我的思维。这不像实验书中的实验那样给定电路图，你只需要按图连接元件就可以。这次实验需要我们自己发散思维，自己设计电路，很有效的检验和提高了我的数电设计能力。
八、思考题
（1）用555定时器构造“秒脉冲发生器”，作为电路的时钟信号部分。
“秒脉冲发生器”电路（multisim文件见附件）如下：
电路测试截图如下：
（2）用门电路构造“减法计数器”，在系统中加入倒计时数字显示功能。
倒计时电路multisim文件见附件。
