實(shí)驗(yàn)名稱：計(jì)數(shù)與分頻電路；集成觸發(fā)器及應(yīng)用

設(shè)計(jì)方式：原理圖

難度：?????

適用教材：郭宇鋒《電工電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（第2版）》

題目位置：P226 四-1（清零和置數(shù)）、5；P224 四-2、6

寄語：寄！?

?????本次實(shí)驗(yàn)分為兩部分，每個(gè)部分都運(yùn)用了不少數(shù)電中的時(shí)序邏輯電路部分的知識(shí)，同學(xué)們預(yù)習(xí)時(shí)要好好翻課本。

? ? 實(shí)驗(yàn)中還涉及了仿真過程中不定態(tài)的處理方法，在今后的時(shí)序電路設(shè)計(jì)中還會(huì)用到。

以下是實(shí)驗(yàn)報(bào)告正文：

計(jì)數(shù)與分頻電路

一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>

????????1. 掌握計(jì)數(shù)器的邏輯功能和應(yīng)用。

?????????2. 掌握任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)方法。?

????????3. 掌握數(shù)字電路多個(gè)輸出波形相位關(guān)系的正確測(cè)試方法。?

????????4. 了解非均勻周期信號(hào)波形的測(cè)試方法。

二、 主要儀器設(shè)備及軟件

????????硬件：DGDZ-5 型電工電子實(shí)驗(yàn)箱、電腦?

????????軟件：ISE 14.7

三、 實(shí)驗(yàn)原理（或設(shè)計(jì)過程）

????????1. 4 位同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 CB4CLE：?

????????其邏輯符號(hào)如上圖，輸入端有：CLR 為異步清零端，L 為置數(shù)端，CE 為時(shí)鐘使能端，C 為時(shí)鐘輸入，D3~D0 為數(shù)據(jù)輸入端；輸 出端有：Q3~Q0 為計(jì)數(shù)器輸出端，TC 為最大值標(biāo)志，CEO 為時(shí)鐘使能輸出（用于級(jí)聯(lián)）。其功能表如下：

四、 實(shí)驗(yàn)電路圖

五、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

????1.用 CB4CLE 計(jì)數(shù)器才用置 0 法設(shè)計(jì) M=7 的計(jì)數(shù)器，測(cè)試并記錄 CP、Q0、Q1、 Q2、Q3 各路波形。（清零和置數(shù)）

????????(1)設(shè)計(jì)過程：用 CB4CLE 構(gòu)成模長 M<16 的 M 進(jìn)制計(jì)數(shù)器有“異步清零法”和“反饋指數(shù)法”。本次實(shí)驗(yàn)分別采用這兩種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

????????①異步清零法：利用異步清零端 CLR，截取計(jì)數(shù)過程中的某一個(gè)中間狀態(tài)控制清零端，使計(jì)數(shù)器由此狀態(tài)返回到 0，重新開始計(jì)數(shù)。用該方法設(shè)計(jì) M=7 的計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移表如下：

????????則將 Q2Q1Q0 輸入 CLR，當(dāng) Q2Q1Q0=1 時(shí)計(jì)數(shù)器被清零，重新開始計(jì)數(shù)。最終設(shè)計(jì)結(jié)果如【圖 四-1】所示?？紤]到仿真中 CB4CLE 計(jì)數(shù)器功能 時(shí)輸出端不會(huì)自動(dòng)置零，為不定態(tài)（顯示為紅線），故在圖中增加 START 端 為手動(dòng)復(fù)位輸入。

????????②反饋置數(shù)法：采用置零法設(shè)計(jì)，其功能表如【表 五-1】，區(qū)別是沒有過渡態(tài)進(jìn)行異步清零，而是在 Q3Q2Q1Q0=0110 時(shí)將 Q2Q1=1 傳回置數(shù)端 L，在下一個(gè) CP 上升沿時(shí) Q3~Q0 將被預(yù)設(shè)的 D3~D0 替換，即 Q3=Q2=Q1=Q0=0（同步置零）。電路圖如【圖 四-2】所示。

????????(2)仿真及實(shí)驗(yàn)：在 ISE 14.7 中進(jìn)行仿真，得到以下波形：

????????實(shí)際實(shí)驗(yàn)中僅使用“反饋置數(shù)法”，以下是管腳約束、實(shí)物電路及示波器 波形圖：

????2.設(shè)計(jì)一個(gè)節(jié)拍分配電路，該電路在 CP 作用下，5 個(gè)節(jié)拍輸出端 F1、F2、F3、 F4 和 F5 輪流輸出“1”。

????????(1)設(shè)計(jì)過程：使用 CB4CLE 計(jì)數(shù)器，其真值表如下：

????????可知 F1~F5 的輸出可由譯碼器 D3_8E 實(shí)現(xiàn)。最終電路圖如【圖 四-3】 所示。

????????(2)仿真及實(shí)驗(yàn)：在 ISE 14.7 中進(jìn)行仿真，結(jié)果如下：

????????根據(jù)仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：若將 1Hz 時(shí)鐘接入 CP 端，F(xiàn)1~F5 分別接入實(shí)驗(yàn)箱的小燈泡，可以產(chǎn)生一個(gè)“走馬燈”的現(xiàn)象。則有以下管腳約束和實(shí)物電路圖：

六、 結(jié)果分析

????1.對(duì)五-1的分析：?

????????對(duì)比【圖 五-2 仿真結(jié)果（反饋置數(shù)法）】和【圖 五-5 示波器波形(從上 到下 Q0, Q1, Q2)】，發(fā)現(xiàn)它們一致，且符合模 7 計(jì)數(shù)器的功能，通過了靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)試，完成了設(shè)計(jì)要求。

????2.對(duì)五-2 的分析：

????????觀察【圖 五-6 仿真結(jié)果】，發(fā)現(xiàn)其輸出時(shí)序與真值表相同；在實(shí)物電路測(cè)試中，將 1Hz 邏輯時(shí)鐘電平接入 CP 端、輸出端 F1~F5 分別接入燈泡 L1~L5 后，發(fā)現(xiàn)燈泡從左向右有節(jié)奏地亮起后熄滅，有“走馬燈”的效果。完成了設(shè)計(jì)要求。

七、 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

????????仿真波形中的“不定態(tài)”及其解決方法：含有集成計(jì)數(shù)器且使用其計(jì)數(shù) 功能的電路在仿真過程中，會(huì)有輸出波形為紅線的現(xiàn)象。該紅線為輸出不定 態(tài)的標(biāo)志，需要主動(dòng)使用清零端將計(jì)數(shù)器輸出端口全部初始化為“0”，計(jì)數(shù) 器才能開始計(jì)數(shù)。在 ISE 仿真中將清零端先置“1”再置“0”即可正常進(jìn)行 計(jì)數(shù)器電路仿真。

這里應(yīng)該放一個(gè)Word的“分節(jié)/分頁符”

集成觸發(fā)器及應(yīng)用

一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>

????1. 掌握邏輯觸發(fā)器的邏輯功能。

????2. 熟悉用觸發(fā)器構(gòu)成計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)辦法。

????3. 掌握集成觸發(fā)器的基本應(yīng)用。

二、 主要儀器設(shè)備及軟件

????硬件：DGDZ-5 型電工電子實(shí)驗(yàn)箱、電腦?

????軟件：ISE 14.7

三、 實(shí)驗(yàn)原理（或設(shè)計(jì)過程）

?????1.時(shí)序電路設(shè)計(jì)過程?

????????(1)列原始狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖或表；(2)狀態(tài)優(yōu)化、狀態(tài)分配；(3)求狀態(tài)方程、驅(qū) 動(dòng)方程和輸出方程；(4)繪制電路圖。

????2.D 觸發(fā)器（DFF）

????????維阻 DFF 的邏輯符號(hào)如上圖所示，其功能為：在觸發(fā)邊沿到來時(shí)，將輸入端的值存入其中，并且這個(gè)值與當(dāng)前存儲(chǔ)的值無關(guān)。在兩個(gè)有效的脈沖邊沿之間，D 的跳轉(zhuǎn)不會(huì)影響觸發(fā)器存儲(chǔ)的值，但是在脈沖邊沿到來之前，輸入端 D 必須有足夠的建立時(shí)間，保證信號(hào)穩(wěn)定。其激勵(lì)表如下：

????3.負(fù)邊沿 JKFF

????????負(fù)邊沿 JKFF 的邏輯符號(hào)如上圖所示。在時(shí)鐘上升沿信號(hào)到來時(shí)，觸發(fā)器的狀態(tài)將會(huì)隨著 J 與 K 的輸入產(chǎn)生相應(yīng)的變化。當(dāng) J=0，K=0 時(shí)，觸發(fā)器的狀態(tài)維持不變，Qn=Qn+1。

????????當(dāng) J=0，K=1 時(shí)，觸發(fā)器被置成 0 狀態(tài)，當(dāng) J=1，K=0 時(shí)，觸發(fā)器被置成 1 狀態(tài)，當(dāng) J=1，K=1 時(shí)，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。由此可以得到觸發(fā)器的特性表：

四、 實(shí)驗(yàn)電路圖

五、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

????1.用觸發(fā)器設(shè)計(jì) 2 位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。

????????(1)設(shè)計(jì)過程：計(jì)數(shù)器的基本功能是記錄輸入脈沖的個(gè)數(shù)，根據(jù)題設(shè)可列出以下狀態(tài)轉(zhuǎn)移表（設(shè)輸出為 Z）：

????????用負(fù)邊沿 JKFF 設(shè)計(jì)，由上表有：

????????

????????可以得到激勵(lì)函數(shù)：

????????和輸出方程：

????????畫出電路圖如【圖 四-1】所示。

????????(2)仿真及實(shí)驗(yàn)：在 ISE 14.7 中進(jìn)行仿真，結(jié)果如下圖：

????????在實(shí)物電路中實(shí)驗(yàn)，其管腳約束、實(shí)物電路和示波器波形如下：

????2.設(shè)計(jì)一個(gè)占空比可控電路。該電路有一個(gè) CP 信號(hào)、1 個(gè)輸出信號(hào) F、3 個(gè)控制信號(hào) K3、K2、K1。對(duì)該電路的邏輯功能要求：(1)輸出信號(hào) F 的頻率為 2kHz；(2) 在 3 個(gè)控制信號(hào) K3、K2、K1 的控制下，輸出信號(hào) F 的占空比在 12.5%~87.5% 范圍內(nèi)變化。

????????(1)設(shè)計(jì)過程：若將周期 T 平分為 8 份，控制每一份輸出的波形，即可將 占空比控制在~，即 12.5%~87.5%。因此想到設(shè)計(jì)一個(gè)順序脈沖發(fā)生器， 使其并行輸出。

????????若使用“同步計(jì)數(shù)器+譯碼器”的組合，使譯碼器按時(shí)序輸出為 T0→T1→T2→T3→T4→T5→T6→T7→T0，則可以先設(shè)計(jì)一個(gè) M=8 的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 考慮到兩個(gè)及以上觸發(fā)器狀態(tài)同時(shí)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，如 001→010 時(shí)，會(huì)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)-冒險(xiǎn)現(xiàn)象，導(dǎo)致譯碼器輸出意外波形，故設(shè)計(jì)以下狀態(tài)轉(zhuǎn)移表，使每次只有一個(gè)觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)：

????????則其驅(qū)動(dòng)方程為：

????????對(duì)其進(jìn)行自啟動(dòng)性檢查，發(fā)現(xiàn)如下圖所示的無效循環(huán)。

????????對(duì) D0 的卡諾圖進(jìn)行修改，將兩個(gè)位置的值置“1”，出現(xiàn)新的卡諾圈。

????????修改后：，可得到新的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，且存在自啟性。新的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下圖所示：

????????由此設(shè)計(jì)出的順序脈沖發(fā)生器電路圖及仿真結(jié)果如下：

????????對(duì)于控制端 K3、K2、K1，可使用數(shù)據(jù)選擇器 M8_1E，根據(jù)以下功能表設(shè)計(jì)電路：

????????最終電路如【圖 四-2】所示。

????????(2)仿真及實(shí)驗(yàn)：設(shè)計(jì)要求 F 的頻率為 2kHz，根據(jù)上圖和【圖 五-9 順序 脈沖發(fā)生器仿真結(jié)果】，可知輸出信號(hào) F 的周期與 CP 信號(hào)周期的關(guān)系：，則 F 的頻率表達(dá)式為：。故 CP 的頻率應(yīng)為 16kHz，選擇實(shí)驗(yàn)箱上對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘電平即可。

????????實(shí)驗(yàn)只要求仿真結(jié)果，使每個(gè)占空比對(duì)應(yīng)波形顯示兩個(gè)周期，結(jié)果如下：

六、 結(jié)果分析

????1.對(duì)五-1 的分析：

????????對(duì)比【圖 五-1 仿真結(jié)果】和【圖 五-4 示波器波形(從上到下 Q2, Q1, Z)】，發(fā)現(xiàn)各通道波形一致（Q1、Q2 波形在兩張圖中的位置是相反的），而且都與真值表相符，設(shè)計(jì)完成。

????2.對(duì)五-2 的分析：

????????對(duì)于順序脈沖發(fā)生器，觀察【圖 五-9 順序脈沖發(fā)生器仿真結(jié)果】，發(fā)現(xiàn)各路波形時(shí)序與狀態(tài)轉(zhuǎn)移表相符，而且存在自啟性。

????????對(duì)于圖五-10 ~ 圖五-12 各仿真結(jié)果，可見在 K1、K2、K3 的控制下，電路的輸出 F 的波形每個(gè)周期高電平的部分逐漸變寬，低電平部分變窄；也沒有出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象，占空比計(jì)算結(jié)果也符合設(shè)計(jì)要求。

七、 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

????????含有 CLR 端的觸發(fā)器在使用前要記得清零，即輸入一個(gè)短時(shí)高電平，異 步設(shè)置所有觸發(fā)器的輸出為 0，不然電路可能無法啟動(dòng)，這種情況跟上個(gè)實(shí) 驗(yàn)一致，要掌握排障方法。

正文完。

【一些說明】

(1)Q: 為什么一些圖片的濾鏡很奇怪？

???? A:?打印的時(shí)候效果好一點(diǎn)，畢竟打印的時(shí)候用的是黑白模式，彩色太多的圖片會(huì)成糊糊。

(2)Q: 那為什么一些圖片反而正常了？

?????A:?忘記改濾鏡了。

????????最后，愿同學(xué)們實(shí)驗(yàn)順利，美美下班！