数字电路的分析与设计学习教案.pptx

会计学1数字电路的分析数字电路的分析(fnx)与设计与设计第一页，共99页。5.1 数字电路中的常用元件数字电路中的常用元件(yunjin)与仪器与仪器n n由于Proteus为英文界面，这对于部分专业(zhuny)英文不太好的读者来说，调用各类元件是件头疼的事。我们除了在第二章把元件的分类给大家作了系统介绍外，还会在各章对各类常用元件和仪器做进一步的介绍。希望读者能够通过重复来加深记忆，熟能生巧。第2页/共99页第二页，共99页。CMOS 4000系列系列(xli)n n打开拾取元件对话框，在类别中位于第三的是CMOS 4000 series，即CMOS 4000系列元件，如图5-1所示，它是一种早期生产的CMOS器件，在国外已限用，但由于(yuy)这类器件比较便宜，目前我们国家使用的还比较多。第3页/共99页第三页，共99页。图5-1 CMOS 4000系列(xli)元件第4页/共99页第四页，共99页。n n4000系列与74系列是对应的，比如4000系列的4511和74系列的7448对应，都是BCD到七段显示译码器，输出高电平有效，如图5-2所示。从图中可以看出，除了4、5管脚的标识和用法稍有不同外，其他管脚号及标识都一样。它们用来(yn li)驱动共阴极七段数码显示。但提醒大家注意的是，它们的工作电压和逻辑电平标准并不完全一致。第5页/共99页第五页，共99页。图5-2 BCD到七段显示(xinsh)译码器4511与7448第6页/共99页第六页，共99页。4000系列元件的子类划分(hu fn)，如图5-3所示，和74系列也是对应的，如表5-1所示。名 称含 义Adders加法器Buffers&Drivers缓冲器和驱动器Comperators比较器Counters计数器Decoders译码器Encoders编码器Flip-Flops&Latches触发器和锁存器Frequency Dividers&Timers分频器和定时器Gates&Inverters门电路和反相器Memory存储器Misc.Logic混杂逻辑器件Multiplexers选择器Multivibrators多谐振荡器Phase-Locked-Loops(PLL)锁相环Registers寄存器Signal Switches信号开关第7页/共99页第七页，共99页。n n另外，元件也可按生产厂家来查找另外，元件也可按生产厂家来查找(ch zh(ch zh o)o)，如图，如图5-35-3中的中的FairchildFairchild、MiccochipMiccochip和和Texas InstrumentsTexas Instruments都是制造商的名称。都是制造商的名称。图5-3 4000系列(xli)元件的子类第8页/共99页第八页，共99页。系列系列系列系列(xli)(xli)n nTTL74TTL74系列根据制造工艺的不同系列根据制造工艺的不同(b tn(b tn)又分为如图又分为如图5-45-4所示的几大类，每一所示的几大类，每一类的元件的子类都相似，比如类的元件的子类都相似，比如74007400和和74LS0074LS00功能一样。功能一样。图5-4 TTL 74系列(xli)第9页/共99页第九页，共99页。n n由于每一类元件众多由于每一类元件众多(zhngdu)(zhngdu)，而对于学过数字电子技术的读，而对于学过数字电子技术的读者来说，对常用的元件功能代号已熟悉，可在元件拾取对话框中者来说，对常用的元件功能代号已熟悉，可在元件拾取对话框中的的“Keywords”“Keywords”中键入元件名称，采用直接查询的方式比较省时，中键入元件名称，采用直接查询的方式比较省时，如图如图 5-5 5-5所示。所示。图5-5 直接(zhji)拾取元件对话框第10页/共99页第十页，共99页。数据数据数据数据(shj)(shj)转换器转换器转换器转换器n n数据转换器在Proteus元件拾取对话框中的“Data Converters”类中，如图5-6所示。常用(chn yn)数据转换器有并行8位模数转换器(如ADC0809)、8位数模转换器(如DAC0808)、LF采样保持器、MAX串行数模转换器、位双斜坡AD转换器、具有I2C接口的小型串行数字湿度传感器TC74及具有SPI接口的温度传感器TC72和TC77等。可按子类来查找 第11页/共99页第十一页，共99页。图5-6 数据转换器类元件(yunjin)拾取对话框第12页/共99页第十二页，共99页。可编程逻辑器件可编程逻辑器件(qjin)及现场可编及现场可编程逻辑阵列程逻辑阵列n n可编程逻辑器件及现场可编程逻辑阵列可编程逻辑器件及现场可编程逻辑阵列(zhn li)(zhn li)位于位于ProteusProteus元件拾取元件拾取对话框中的对话框中的 PLDs&FPGAs PLDs&FPGAs类中，此类元件较少，没有再划分子类，一类中，此类元件较少，没有再划分子类，一共有十二个元件，如图共有十二个元件，如图5-75-7所示。所示。图5-7 可编程逻辑器件及现场可编程逻辑阵列(zhn li)类元件第13页/共99页第十三页，共99页。显示器件显示器件显示器件显示器件n n数字电路分析数字电路分析(fnx)(fnx)与设计中常用的显示器件在与设计中常用的显示器件在ProteusProteus元元件拾取对话框中的件拾取对话框中的OptoelectronicsOptoelectronics类中，如图类中，如图5-85-8所示。所示。图5-8 显示器件第14页/共99页第十四页，共99页。n n常用的七段显示，元件名的前缀为常用的七段显示，元件名的前缀为7SEG-7SEG-，在用到此类元件时，采取部分查询方法，直接在，在用到此类元件时，采取部分查询方法，直接在“Keywords”“Keywords”中输入中输入“7SEG-”“7SEG-”即可，根据元件后面的英文说明来选取所需元件。即可，根据元件后面的英文说明来选取所需元件。n n比如，图比如，图5-85-8中右面前三行列举的元件都是七段中右面前三行列举的元件都是七段BCDBCD数码显示，输入为四位数码显示，输入为四位(s wi)BCD(s wi)BCD码，用时码，用时可省去显示译码器；第四、五、六行都是七段共阳极数码管，输入端应接显示译码器可省去显示译码器；第四、五、六行都是七段共阳极数码管，输入端应接显示译码器74477447。第七、。第七、八、九行三个数码管都是七段共阴极接法，使用时输入端应用接显示译码器八、九行三个数码管都是七段共阴极接法，使用时输入端应用接显示译码器74487448。n n我们来仔细看一下显示器件的子类划分，如图我们来仔细看一下显示器件的子类划分，如图5-95-9所示。显示器件共分十类，如表所示。显示器件共分十类，如表5-25-2所示。所示。图5-9 显示器件的子类 第15页/共99页第十五页，共99页。名 称含 义7-Segment Displays七段显示Alphanumeric LCDs数码液晶显示Bargraph Displays条状显示(十位)Dot Matrix Displays点阵显示Graphical LCDs图形液晶显示Lamps灯泡名 称含 义LCD Controllers液晶控制器LEDs发光二极管Optocouplers光电耦合器Serial LCDs串行液晶显示器表5-2 显示器件的分类(fn li)第16页/共99页第十六页，共99页。n n常用的发光二极管常用的发光二极管LEDsLEDs子类中的元件如图子类中的元件如图5-105-10所示。选用时要所示。选用时要用用ACTIVEACTIVE库中的元件而不用库中的元件而不用DEVICEDEVICE库中的元件，在本书中，库中的元件，在本书中，我们都使用这一规定，我们都使用这一规定，ACTIVEACTIVE库中的元件是能动画演示的，库中的元件是能动画演示的，而而DEVICEDEVICE是不能的，但像一般是不能的，但像一般(ybn)(ybn)电阻就不需要动画演电阻就不需要动画演示，可用示，可用DEVICEDEVICE库中的元件。库中的元件。图5-10 子类LEDs 中的器件(qjin)第17页/共99页第十七页，共99页。n n“Bargraph Displays”“Bargraph Displays”条状显示子类中只有两个元件，如条状显示子类中只有两个元件，如图图5-115-11所示。主要区别在于颜色不同，这个元件相当所示。主要区别在于颜色不同，这个元件相当于十个于十个LEDLED二极管并排放置在一起，管脚号小的一端二极管并排放置在一起，管脚号小的一端接高电平，管脚号大的一端接低电平。在多个发光二接高电平，管脚号大的一端接低电平。在多个发光二极管共同极管共同(gngtng)(gngtng)使用时，通常用它比较方便。使用时，通常用它比较方便。图5-11 条状(tio zhun)显示第18页/共99页第十八页，共99页。调试调试(dio sh)工具工具n n数字电路分析与设计中常用的调试工具在Proteus元件拾取对话框中的“Debugging Tools”类中，一共不到二十个，如图5-12所示。n n其中最常用的是逻辑电平(din pn)探测器LOGICPROBEBIG(用在电路的输出端)、逻辑状态LOGICSTATE和逻辑电平(din pn)翻转LOGICTOGGLE(用在电路的输入端)。不妨调出来试试看。第19页/共99页第十九页，共99页。图5-12 调试(dio sh)工具第20页/共99页第二十页，共99页。n n上述上述(shngsh)(shngsh)讲到的显示元件和调试工具，我们讲到的显示元件和调试工具，我们已经调出来了一部分，并适当地连了线，如图已经调出来了一部分，并适当地连了线，如图5-135-13所示。所示。图5-13 部分元件和调试(dio sh)工具的使用方法第21页/共99页第二十一页，共99页。5.2 555 5.2 555 定定 时时 器器n n555555定时器是一个非常有用的模拟数字混合器件，我们在进行定时器是一个非常有用的模拟数字混合器件，我们在进行(jnxng)(jnxng)数字逻辑电路设计时经常要用它来组成无稳态或单稳态电路，产生连数字逻辑电路设计时经常要用它来组成无稳态或单稳态电路，产生连续或单个脉冲。续或单个脉冲。555555定时器能在宽电源电压范围内工作，可承受较大定时器能在宽电源电压范围内工作，可承受较大的负载电流。双极型的负载电流。双极型555555定时器的电源电压为定时器的电源电压为516V516V，最大负载电流为，最大负载电流为200mA200mA。CMOSCMOS型型75557555定时器的电源电压为定时器的电源电压为318V318V，最大负载电流为，最大负载电流为4mA4mA。n n下面我们对下面我们对555555定时器内部的工作原理及几种应用电路进行定时器内部的工作原理及几种应用电路进行(jnxng)(jnxng)详详细介绍。细介绍。第22页/共99页第二十二页，共99页。定时器的内部定时器的内部(nib)构成构成n n555定时器因其内部(nib)有三个5K串联电阻而得名。内部(nib)仿真原理图见图5-14，其中4端复位未给出。U1和U2为两个模拟器件，接成了电压比较器；U3和U4两个与非门接成了低电平输入有效的锁存器，前面各加上一个反相器，变成了输入高电平有效的锁存器，U5为反相缓冲器，驱动输出；Q1为三极管，发射极1端应接地，通过控制其基极电位使其工作在导通或关断两个状态。第23页/共99页第二十三页，共99页。图5-14 555定时器的内部(nib)仿真原理图第24页/共99页第二十四页，共99页。n n由于理想运放输由于理想运放输入入(shr)(shr)端电流端电流可考虑为零，所可考虑为零，所以三个以三个5K5K电阻串电阻串联对联对8 8端的直流电端的直流电源源VccVcc进行分压，进行分压，其中其中U1U1的反相端的反相端和和U2U2的同相端分的同相端分别为别为2Vcc/32Vcc/3和和Vcc/3Vcc/3。555555定时器定时器的三个输入的三个输入(shr)(shr)端与输出端与输出端及内部三极管端及内部三极管的状态之间的关的状态之间的关系如表系如表5-35-3所示。所示。输 入输 出复位(4)VI1(6)VI2(2)VO(3)Q1 状态低低导通高2VCC/3VCC/3低导通高VCC/3不变不变高2VCC/32VCC/3VCC/3高关断表5-3 555定时器输入输出之间的关系(gun x)第25页/共99页第二十五页，共99页。定时器组成定时器组成(z chn)的多谐振荡器的多谐振荡器n n555555定时器外接一个电容充放电电路即可构成定时器外接一个电容充放电电路即可构成(guchng)(guchng)一个无稳态多谐振荡一个无稳态多谐振荡器，在器，在3 3端产生方波信号，且频率可调，如图端产生方波信号，且频率可调，如图5-155-15所示所示 图5-15 555定时器构成(guchng)的多谐振荡器第26页/共99页第二十六页，共99页。n n在在555555定时器的电源定时器的电源8 8端和接地端和接地1 1端之间从上到下串接电阻端之间从上到下串接电阻R4R4、R5R5和电容和电容C2C2。把。把555555定时器的定时器的6 6端和端和2 2端端(即内部两个电压比较器的同相和反相输入端即内部两个电压比较器的同相和反相输入端)连在一起连在一起(yq(yq)，再接到电容，再接到电容C2C2上端，即两个比较器的外部输入电压都取为电容上端，即两个比较器的外部输入电压都取为电容C2C2上的变化量，上的变化量，再与各自的固定电压再与各自的固定电压2Vcc/32Vcc/3和和Vcc/3Vcc/3比较，触发锁存器，使比较，触发锁存器，使Q1Q1饱和导通。因饱和导通。因7 7端接端接在在R5R5上方，此时相当于接地，上方，此时相当于接地，C2C2通过通过R5R5放电。然后放电。然后R4R4、R5R5和和C2C2回路再充电，反回路再充电，反复进行的结果，将导致复进行的结果，将导致3 3端输出方波。端输出方波。n n为了观看这种效果，为了观看这种效果，C2C2应拾取应拾取“CAPACITOR”(ACTIVE“CAPACITOR”(ACTIVE库库)元件，且在元件，且在U5U5前放置前放置“LOGICPROBEBIG”“LOGICPROBEBIG”逻辑电平探测器，观察输出电平的变化及与逻辑电平探测器，观察输出电平的变化及与Q1Q1导通之间的导通之间的关系。关系。n n下面再放置一个图表分析。这在学完第一章已经有了初步的印象，图表分析不同下面再放置一个图表分析。这在学完第一章已经有了初步的印象，图表分析不同于示波器，可静态分析图形，并且自动生成，还可随图形一起于示波器，可静态分析图形，并且自动生成，还可随图形一起(yq(yq)打印，用于打印，用于分析或教学很方便。分析或教学很方便。n n图表中可添加轨迹，所谓轨迹，即电路中被测点的电压随时间变化的曲线，可以图表中可添加轨迹，所谓轨迹，即电路中被测点的电压随时间变化的曲线，可以是模拟量或数字量。是模拟量或数字量。n n添加轨迹的第一步是在被测点加上电压探针，一共加四个，分别为添加轨迹的第一步是在被测点加上电压探针，一共加四个，分别为C2C2上的模拟电上的模拟电压变化量压变化量VcVc、内部、内部5K5K电阻上的两个固定点电压电阻上的两个固定点电压V2/3V2/3和和V1/3V1/3以及输出以及输出VoutVout。先运。先运行仿真，可以看到这几点电压值的变化情况。行仿真，可以看到这几点电压值的变化情况。第27页/共99页第二十七页，共99页。n n停止停止(tngzh(tngzh)仿真。点击左边工具栏内的图表类型按钮，在对象选择仿真。点击左边工具栏内的图表类型按钮，在对象选择区区“GRAPHS”“GRAPHS”中选中选“MIXED”(“MIXED”(混合混合)项，如图项，如图5-165-16所示。所示。n n然后在图形编辑区点击鼠标左键拖出一个图表分析框，再次点击左键然后在图形编辑区点击鼠标左键拖出一个图表分析框，再次点击左键确认，如图确认，如图5-175-17所示。所示。图5-16 图表(tbio)类型选择 图5-17 图表(tbio)分析框 第28页/共99页第二十八页，共99页。n n在图在图5-175-17中的非标题区，即中间的空白区双击，出现如图中的非标题区，即中间的空白区双击，出现如图5-185-18所示的对所示的对话框，可修改图表分析的标题为话框，可修改图表分析的标题为“555 ANALYSIS”“555 ANALYSIS”。再把横轴的时间。再把横轴的时间长度改为长度改为6 6秒。因为秒。因为(yn wi)(yn wi)本题本题555555构成的方波周期为构成的方波周期为1 1秒，这样可出秒，这样可出现现6 6个周期，当然也可以再少几个周期。个周期，当然也可以再少几个周期。图5-18 修改(xigi)标题及横坐标第29页/共99页第二十九页，共99页。n n接下来可在图表框中加入轨迹，即我们上边添加的接下来可在图表框中加入轨迹，即我们上边添加的四个电压探针，但这里我们只添加两个轨迹，四个电压探针，但这里我们只添加两个轨迹，VcVc和和VoutVout。这两个量一个为模拟量，一个为数字量。这两个量一个为模拟量，一个为数字量。加入轨迹时，多个模拟量的纵坐标起始点一般是一加入轨迹时，多个模拟量的纵坐标起始点一般是一样的，数字量则位于不同的位置样的，数字量则位于不同的位置(wi zhi)(wi zhi)。为了使。为了使VcVc和和VoutVout位于同一起始高度，必须把二者都当作模位于同一起始高度，必须把二者都当作模拟量来添加。在图表框内点击右键即出现右键菜单，拟量来添加。在图表框内点击右键即出现右键菜单，选取选取“Add Traces”“Add Traces”，出现一个对话框。先选择轨迹，出现一个对话框。先选择轨迹类型为类型为“Analog”“Analog”模拟量，在模拟量，在Probe P1Probe P1中出现四个中出现四个探针，选择探针，选择VcVc，如图，如图5-195-19所示，点击所示，点击“OK”“OK”，关闭，关闭对话框。再重复添加轨迹，仍选择轨迹类型对话框。再重复添加轨迹，仍选择轨迹类型“Analog”“Analog”，在，在Probe P1Probe P1中选择中选择“Vout”“Vout”。n n按按“Space”“Space”空格键即生成相应的波形，而不必点空格键即生成相应的波形，而不必点击仿真运行按钮。击仿真运行按钮。第30页/共99页第三十页，共99页。图5-19 添加(tin ji)模拟量轨迹对话框第31页/共99页第三十一页，共99页。n n移动鼠标指针到图表分析框的标题处，鼠标变成画笔状，双击，出现图表分析的放大画移动鼠标指针到图表分析框的标题处，鼠标变成画笔状，双击，出现图表分析的放大画面，可修改它的各项属性面，可修改它的各项属性(sh(sh xng)xng)，尤其是背景及轨迹的颜色。，尤其是背景及轨迹的颜色。n n555555定时器接成多谐振荡器时的频率计算公式为定时器接成多谐振荡器时的频率计算公式为其中(qzhng)第32页/共99页第三十二页，共99页。n n由此可计算出图由此可计算出图5-155-15中的输出频率约为中的输出频率约为1Hz1Hz。n n由集成器件由集成器件(qjin)(qjin)连接而成的频率可调的方波发生连接而成的频率可调的方波发生器电路如图器电路如图5-205-20所示。示波器的动态波形如图所示。示波器的动态波形如图5-215-21所所示。示。图5-20 由集成(j chn)555定时器构成的多谐振荡器第33页/共99页第三十三页，共99页。图5-21 多谐振荡器示波器的波形(b xn)第34页/共99页第三十四页，共99页。定时器组成定时器组成(z chn)的单稳态电路的单稳态电路n n555555定时器接成单稳态电路时，通过外部触发可产定时器接成单稳态电路时，通过外部触发可产生单脉冲生单脉冲(michng)(michng)，且脉冲，且脉冲(michng)(michng)宽度宽度TwTw可通可通过下面式子计算。过下面式子计算。图5-22为单稳态电路的仿真图。其中R1和按钮组成一个负脉冲发生器，操作时动作尽量为快，这个时间要远远小于Tw的宽度才能观察到效果。示波器的图形如图5-23所示，其中上方(shn fn)的正脉冲为单稳态电路的输出，下方为触发脉冲。第35页/共99页第三十五页，共99页。图5-22 555构成(guchng)的单稳态电路第36页/共99页第三十六页，共99页。图5-23 555构成(guchng)的单稳态电路示波器波形第37页/共99页第三十七页，共99页。5.3 5.3 四四 路路 彩彩 灯灯n n四路彩灯是数字电路设计中一个非常有趣的课题，结合四路彩灯是数字电路设计中一个非常有趣的课题，结合ProteusProteus会使整个会使整个设计和分析快捷而轻松。题目设计要求如下：设计和分析快捷而轻松。题目设计要求如下：n n共有四个彩灯，分别实现三个过程，构成一个循环共有四个彩灯，分别实现三个过程，构成一个循环(xnhun)(xnhun)共共1212秒；秒；n n第一个过程要求四个灯依次点亮，共第一个过程要求四个灯依次点亮，共4 4秒；秒；n n第二个过程要求四个灯依次熄灭，共第二个过程要求四个灯依次熄灭，共4 4秒，先亮者后灭；秒，先亮者后灭；n n最后最后4 4秒要求四个灯同时亮一下灭一下，共闪秒要求四个灯同时亮一下灭一下，共闪4 4下。下。第38页/共99页第三十八页，共99页。核心器件核心器件核心器件核心器件(qjin)74LS194(qjin)74LS194简介简介简介简介n n其实其实(qsh)(qsh)这个题目主要考察的是四位双向通用移位寄存器这个题目主要考察的是四位双向通用移位寄存器74LS19474LS194的灵活的灵活应用，四个灯可用四个发光二极管表示。应用，四个灯可用四个发光二极管表示。74LS19474LS194的引脚图如图的引脚图如图5-245-24所示。所示。图5-24 74LS194的引脚图5-24中引脚MR为复位信号(xnho)，正常工作时应接高电平；CLK为时钟信号(xnho)，上升沿到来时有效。74LS194的时序图如图5-25所示。第39页/共99页第三十九页，共99页。图5-25 74LS194的时序(sh x)图第40页/共99页第四十页，共99页。n n74LS19474LS194有四种有四种(s zh(s zh n n)工作方式，分别由工作方式，分别由S1S0S1S0组成的两位组成的两位二进制数来控制，如表二进制数来控制，如表5-45-4所示。所示。S1S0输出Q0Q3数据输入00保持不变01右移SR10左移SL11并行输出D0D3表5-4 74LS194的四种工作(gngzu)方式第41页/共99页第四十一页，共99页。n n74LS19474LS194的功能的功能(gngnng)(gngnng)如表如表5-55-5所所示。示。输 入输 出功 能时钟复位控制串入并入Q0Q1Q2Q3CPCrS1S0DSLDSRD0D1D2D3X0X XX XXXXX0000清零11 1X XD0D1D2D3D0D1D2D3置数11 0D XXXXXQ1Q2Q3D左移10 1X DXXXXDQ0Q1Q2右移10 0X XXXXXQ0Q1Q2D3保持表5-5 74LS194的功能表第42页/共99页第四十二页，共99页。题目分析题目分析(fnx)与设计与设计n n此题应把四路彩灯接在此题应把四路彩灯接在74LS19474LS194的的Q0Q3Q0Q3上，上，SRSR稳定接一高电平，稳定接一高电平，SLSL稳稳定接地定接地(jid)(jid)电位，而电位，而D0D3D0D3接周期为接周期为1 1秒的方波信号。下面关键是秒的方波信号。下面关键是时钟和方式控制时钟和方式控制S1S0S1S0的信号如何实现才能满足题目的要求。的信号如何实现才能满足题目的要求。n n三个过程每个三个过程每个4 4秒，加起来正好秒，加起来正好1212秒。如果选择秒。如果选择CLKCLK为周期为周期1s1s的方波信的方波信号，好像就可以了，但是前两个过程可以，最后一个过程却不能精确号，好像就可以了，但是前两个过程可以，最后一个过程却不能精确地实现。图地实现。图5-265-26是正确的是正确的CLKCLK信号与信号与1Hz1Hz方波信号的比较。方波信号的比较。图5-26 正确的CLK信号(xnho)与1Hz方波信号(xnho)的比较第43页/共99页第四十三页，共99页。n n前面我们已经确定前面我们已经确定(qudng)D0D3(qudng)D0D3接接1Hz1Hz的方波信号，的方波信号，那么那么Q0Q3Q0Q3在读在读D0D3D0D3的信号时是在的信号时是在CLKCLK上升沿到来的上升沿到来的一瞬间，看图一瞬间，看图5-265-26的前半部分，如果二者一样，的前半部分，如果二者一样，CLKCLK的的每个上升沿到来时读到的都是高电平，灯就会一直亮着，每个上升沿到来时读到的都是高电平，灯就会一直亮着，不会出现闪的效果。所以，当不会出现闪的效果。所以，当74LS19474LS194的工作方式为的工作方式为1111时，一定要改变时，一定要改变CLKCLK的信号频率为的信号频率为D0D3D0D3信号频率的信号频率的2 2倍，才可以在倍，才可以在D0D3D0D3的一个周期内出现的一个周期内出现CLKCLK的两个上升的两个上升沿，沿，Q0Q3Q0Q3分别读到分别读到1 1和和0 0各一次，如图各一次，如图5-265-26的后半部分。的后半部分。n n即正确的时钟信号在整个即正确的时钟信号在整个1212秒时间应该是前秒时间应该是前8 8秒为秒为1Hz1Hz的的频率，后频率，后4 4秒变为秒变为2Hz2Hz的频率，可以用的频率，可以用555555定时器产生定时器产生2Hz2Hz的方波信号，再用的方波信号，再用DD触发器分频产生触发器分频产生1Hz1Hz的方波信号，的方波信号，如图如图5-275-27所示。二者分别与控制信号相与再通过或门即所示。二者分别与控制信号相与再通过或门即可得到可得到CLKCLK信号。信号。第44页/共99页第四十四页，共99页。图5-27 用555产生(chnshng)的2Hz及1Hz方波信号第45页/共99页第四十五页，共99页。n n下面再来分析下面再来分析S1S0S1S0的信号。四种工作方式中剔除第一种的信号。四种工作方式中剔除第一种S1S0S1S0为为0000的情况，那么的情况，那么S1S0S1S0应按应按0101、1010、1111的顺序循环，可设计一个同步计数器，时钟周期为的顺序循环，可设计一个同步计数器，时钟周期为4 4秒，共三个状态。秒，共三个状态。S1S1及及S0S0的波形应如图的波形应如图5-285-28所示。所示。S1S0S1S0与非及相与的结果如图中后两个信号，正好用来分别锁定与非及相与的结果如图中后两个信号，正好用来分别锁定1Hz1Hz及及2Hz2Hz信号，分别与它们相与后再进入或门，即产生信号，分别与它们相与后再进入或门，即产生(ch(ch nshng)nshng)了正确的时钟信号，了正确的时钟信号，如图如图5-265-26所示所示 图5-28 S1及S0的波形图第46页/共99页第四十六页，共99页。n nS1S0S1S0信号的产生可用集成计数器实现，但在这里，为加强同步时信号的产生可用集成计数器实现，但在这里，为加强同步时序逻辑电路的设计知识，我们使用序逻辑电路的设计知识，我们使用DD触发器来设计一个同步三进触发器来设计一个同步三进制计数器，时钟周期制计数器，时钟周期(zhuq)(zhuq)为为4 4秒。设计步骤如下：秒。设计步骤如下：n n(1)(1)列状态真值表。列状态真值表。n n设设S1S0S1S0对应的触发器输出分别为对应的触发器输出分别为Q1Q0Q1Q0，则状态真值表如表，则状态真值表如表5-65-6所所示。示。Q1n Q0nQ1n+1 Q0n+10 0 0 11 01 01 11 10 1表5-6 74状态(zhungti)真值表第47页/共99页第四十七页，共99页。n n(2)(2)求状态求状态(zhungti)(zhungti)方程。方程。n n根据列出的状态根据列出的状态(zhungti)(zhungti)真值表，分别求出真值表，分别求出Q1Q1和和Q0Q0的状态的状态(zhungti)(zhungti)方程为方程为(3)求驱动方程(fngchng)。由D触发器的特性方程(fngchng)可直接写出驱动方程(fngchng)为第48页/共99页第四十八页，共99页。(4)电路(dinl)实现。根据驱动方程，连接电路如图5-29所示。因为我们设计出的是一个同步时序逻辑电路，注意图中两个D触发器的时钟(shzhng)连接在一起接周期为4秒的时钟(shzhng)信号。这部分电路也可以直接用集成计数器来完成，见后面。图5-29 产生(chnshng)S1S0的三进制同步计数器第49页/共99页第四十九页，共99页。仿真仿真(fn zhn)n n根据根据(gnj)(gnj)以上分析，连接电路如图以上分析，连接电路如图5-305-30所示，其中省去所示，其中省去了了555555及二分频电路，直接用数字脉冲源进行仿真。另外，及二分频电路，直接用数字脉冲源进行仿真。另外，图中所有图中所有DD触发器的异步输入端在实际电路连接时最好接触发器的异步输入端在实际电路连接时最好接高电平。产生时钟的电路用与非与非逻辑替代了与或逻辑，高电平。产生时钟的电路用与非与非逻辑替代了与或逻辑，因为与非门的应用最普遍。因为与非门的应用最普遍。n n平时我们在设计电路时，通过卡诺图化简得到的与或式，平时我们在设计电路时，通过卡诺图化简得到的与或式，要想全部用与非门实现，可在草纸上直接画成与或逻辑，要想全部用与非门实现，可在草纸上直接画成与或逻辑，然后只需要在与门的输出端与此线的另一头即或门的输入然后只需要在与门的输出端与此线的另一头即或门的输入端各加一个小圆圈，两个逻辑非抵消，不影响逻辑关系，端各加一个小圆圈，两个逻辑非抵消，不影响逻辑关系，直到把或门的输入处理完毕为止。这样或门前面的与门都直到把或门的输入处理完毕为止。这样或门前面的与门都变成了与非门，或门变成了非或门，而根据变成了与非门，或门变成了非或门，而根据(gnj)(gnj)摩根定摩根定理，非或门恒等于与非门。图理，非或门恒等于与非门。图5-305-30中的中的U4:BU4:B、U4:CU4:C和和U4:DU4:D就是用与非与非逻辑实现的与或逻辑。就是用与非与非逻辑实现的与或逻辑。第50页/共99页第五十页，共99页。图5-30 四路(s l)彩灯的仿真图第51页/共99页第五十一页，共99页。扩展扩展(kuzhn)电路电路n n在四路彩灯电路的设计过程中，你可以充分发挥自己的想象空间，扩在四路彩灯电路的设计过程中，你可以充分发挥自己的想象空间，扩展出花样不同的电路。我们会想到用两片展出花样不同的电路。我们会想到用两片74LS19474LS194来完成八路彩灯电路来完成八路彩灯电路的设计，要求可以和前面的例子一样，也可以不一样。如果彩灯的动的设计，要求可以和前面的例子一样，也可以不一样。如果彩灯的动作是两个、两个一组，八个彩灯共分成四组，依次点亮和熄灭，共同作是两个、两个一组，八个彩灯共分成四组，依次点亮和熄灭，共同闪烁，应该怎样实现闪烁，应该怎样实现(shxin)(shxin)？或者说两个、两个一组，流水似的向？或者说两个、两个一组，流水似的向左或向右滚动，又该怎样实现左或向右滚动，又该怎样实现(shxin)(shxin)？其实，关键问题有两个：一？其实，关键问题有两个：一是四路彩灯的工作方式是四路彩灯的工作方式(右移、左移或并行输出右移、左移或并行输出)，二是信号的模式，二是信号的模式(三三个输入信号各是什么样的状态？高电平、低电平抑或是方波个输入信号各是什么样的状态？高电平、低电平抑或是方波)。解决了。解决了这两个问题，其它就很容易明白和实现这两个问题，其它就很容易明白和实现(shxin)(shxin)了。了。n n下面我们重点来分析一下八路彩灯的实现下面我们重点来分析一下八路彩灯的实现(shxin)(shxin)方法。要求和上例方法。要求和上例一样，八个灯从左到右依次点亮，各一秒，共八秒；接下来八个灯从一样，八个灯从左到右依次点亮，各一秒，共八秒；接下来八个灯从右到左依次熄灭，各一秒，共右到左依次熄灭，各一秒，共8 8秒；最后八个灯同时闪烁八次，也是八秒；最后八个灯同时闪烁八次，也是八秒。共秒。共2424秒。秒。n n因为前例中我们已经做了详细的分析，这里的灯的动作流程没有什么因为前例中我们已经做了详细的分析，这里的灯的动作流程没有什么变化，只不过要把两片变化，只不过要把两片74LS19474LS194连接成一个整体，接收统一的指令来工连接成一个整体，接收统一的指令来工作。另外我们把它们的移位方式控制信号作。另外我们把它们的移位方式控制信号S1S0S1S0的产生电路变成易于实的产生电路变成易于实现现(shxin)(shxin)的集成电路来完成。的集成电路来完成。n n图图5-315-31是已设计完成的仿真电路图。是已设计完成的仿真电路图。第52页/共99页第五十二页，共99页。图5-31 八路(b l)彩灯的仿真图 第53页/共99页第五十三页，共99页。n n计数器计数器7419074190是一个中规模集成、十进制可逆计数器，通过或门把它接是一个中规模集成、十进制可逆计数器，通过或门把它接成一个模三的计数器，即当输出为成一个模三的计数器，即当输出为01000100时，装入数据时，装入数据00010001，构成循环，构成循环000100100011 0001000100100011 0001。n n7419074190的的Q1Q0Q1Q0输出作为两片输出作为两片74LS19474LS194的移位方式控制信号的移位方式控制信号S1S0S1S0，把两片，把两片74LS19474LS194的的S1S1和和S0S0分别并起来后再接这两个信号。图中分别并起来后再接这两个信号。图中7419074190接成了加计接成了加计数的形式。数的形式。n n再来看一看两片再来看一看两片74LS19474LS194是如何连接的。首先是如何连接的。首先(sh(sh uxin)uxin)把两个芯片的把两个芯片的时钟并在起，接成同步时序电路。接着把两个芯片的并行数据输入端时钟并在起，接成同步时序电路。接着把两个芯片的并行数据输入端D3D2D1D0D3D2D1D0全部连接在一起外接一个周期为一秒的方波信号，实现八全部连接在一起外接一个周期为一秒的方波信号，实现八个灯一起闪烁。最后是左移和右移信号的处理。上面的芯片所驱动的个灯一起闪烁。最后是左移和右移信号的处理。上面的芯片所驱动的灯先依次点亮，所以右移时的输入信号应从它的灯先依次点亮，所以右移时的输入信号应从它的SRSR输入，接高电平；输入，接高电平；把上面的芯片的输出把上面的芯片的输出Q3Q3接下面芯片的接下面芯片的SRSR，这样右移时的信号就可以从，这样右移时的信号就可以从第一个芯片的第一个芯片的Q0Q0一直传递到第二个芯片的一直传递到第二个芯片的Q3Q3了。左移时也一样，输入了。左移时也一样，输入信号接下面芯片的信号接下面芯片的SLSL，下面芯片的，下面芯片的Q0Q0接上面芯片的接上面芯片的SLSL。在图。在图5-315-31中，中，左移和右移的输入信号直接来自左移和右移的输入信号直接来自74LS19474LS194的输出。的输出。第54页/共