实验3-1 时序逻辑电路设计
时序逻辑电路设计与分析(完整电子教案)
图8.20具有异步控制端的同步触发器
【训练与提高】
制作一个时钟电路中的分钟校时电路。
工作原理：时钟电路中的分钟校时电路有按键控制，按键按一次（阐述有效信号，打开门电路），门电路输出将改变N次状态，其中N此变化（变化快门）由输入的时钟信号决定。同时该电路中具有秒钟输入信号。其参考电路如下图8.21所示。试搭建调试电路，分析其工作过程。
时序逻辑电路设计与分析（完整电子教案）
8.
触发器(flip flop)是构成时序逻辑电路的基本单元，能记忆、存储一位二进制信息，触发器也称双稳态触发器，它有两种稳定输出工作状态，即分别输出1和输出0的状态。在无输入信号作用时，这种状态是稳定的；而当输入信号到来并满足一定逻辑关系时，输出端的状态将迅速变化，能从一种稳定状态转换到另一种稳定状态。
三、RS触发器在机械开关去抖上的应用
通常按键开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，电压信号小型如图8.6。由于机械触点的弹性作用,一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通,在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，如下图。抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5ms～10ms。这是一个很重要的时间参数，在很多场合都要用到。
【训练与提高】
搭建2组按键去抖动电路，并用示波器观察输出结果。
8.
【项目任务】
测试如下电路，改变A、B状态，观察LED1和LED2的变化，并建立真值表。
图8.8测试电路(multisim)
【信息单】
基本RS触发器属于无时钟触发器，触发器状态的变换由 、 端输入信号直接控制。在实际工作中，触发器的工作状态不仅由输入决定，而且还要求触发器按一定的节拍翻转，为此需要加入一个时钟控制端CP，只有在CP端上出现时钟脉冲时，触发器的状态才能变化。带有时钟信号的触发器叫时钟触发器，又称同步触发器。
实验三-VHDL时序逻辑电路设计
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。
第4章 时序逻辑电路设计
1模型
时序电路按其状态的改变方式不同，可分为同 步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路两种，在 图4.5中，当CLK1与CLK2为相同信号时，该 电路为同步电路；当CLK1与CLK2为不同信号 时，该电路为异步电路。
output q;
reg
q;
always@(posedge clk or posedge rst)
begin
if(rst==1’b1)
q<=1’b0;
else if(en==1’b1)
q<=data;
else ;
end
endmodule
带同步复位、上升沿触发的触发器
module dff_synrst(data,rst,clk,q); input data,rst,clk; output q; reg q; always@(posedge clk) begin if(rst==1’b1) q<=1’b0; else q<=data; end
本设计要求用仿真和测试两种手段来验证 计数器的功能。实验时，可以通过修改十进 制计数器的设计得到六进制、100进制计数器。
三、设计要求
(1) 完成各模块的Verilog HDL设计编码； (2) 进行功能仿真； (3) 下载并验证计数器功能； (4) 如果60进制计数器要求用6进制和10进制
计数器搭建电路，请画出设计连接图，并 完成设计编码和验证。
else q<=data; end endmodule
带异步复位和置位、上升沿触发的触发器
module dff_asynrst(data,rst,set,clk,q);
计算机时序逻辑电路
描述时序电路逻辑功能的函数一般有两个：
输出函数： Yi f i X 1 ,, X p , Q1 ,, Qt 激励函数： Wj f j X1 ,, X p , Q1 ,, Qt
i 1,, m j 1, , r
可见，时序电路的输出不仅与电路的输入有关，而且与电 路的状态有关。
T1 X Q0n T0 1
Q1n1 X Q0n Q1n ③ 状态方程： n1 n Q0 Q0
（3）画出状态转换真值表 将三个触发器现态的各种取值组合，代入状态方程、输出 方程，求出相应的次态和输出，可得该电路的状态转换真值表， 如表7-3所示。
表7-3
● 教学要求：掌握时序逻辑电路的结构、分类以及描述工具；
熟练掌握同步时序逻辑电路的表格分析法；了解同步时序逻辑 电路设计的一般步骤；理解计数器、寄存器的原理与应用。
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7.1 时序逻辑电路概述
● 7.1.1 时序逻辑电路的结构与分类 1. 时序逻辑电路结构
时序逻辑电路（简称时序电路）的结构框图如图7.1所示。时序电 路一般由组合逻辑电路、存储电路和反馈回路三部分组成。
4. 选择触发器的类型，求出状态方程、驱动方程、输出方程
根据最简状态转换图（表）可求出状态方程、输出方程，然后将 状态方程与触发器的特性方程进行比较，可得到驱动方程。由于JK 触发器功能较全、使用较灵活，因此在设计中多选用JK触发器。
5. 画出逻辑电路图，并检查有无自启动能力
根据驱动方程和输出方程画出逻辑电路图。如设计的电路存在无 效状态时，应检查电路进入无效状态后，能否在时钟脉冲作用下自动 返回到有效状态工作。如能回到有效状态，则电路具有自启动能力； 如不能，则需修改设计，使电路具有自启动能力。
第4章 时序逻辑电路
建立时间tsetup：输入信号D在时钟边沿到达前需稳定的时间
保持时间thold ：输入信号D在时钟边沿到达后需继续稳定的时间
20
2.4 D触发器
带使能端的D触发器：通过使能端EN信号来控制是否在时钟信号的触
发边沿进行数据的存储。
2选1
多路复用器
EN有效（=1） 选择外部D输入
EN无效（=0） 保持触发器当前的输出
D锁存器状态表、状态图和特征方程
状态转移表
D
Q*
0
1
0
1
D锁存器的时序图
特征方程：Q* = D（C=1）
状态图
D=1
D=0
0
1
D=1
D=0
D
C
Q
18
2.4 D触发器
由一对主、从D锁存器构成
主
D触发器符号
CLK
从
主锁存器
从锁存器
L
写入
不变
上升沿
锁存
开始写入
H
不变
写入
从锁存器只在时钟CLK的上升沿到来时采样主锁存器的输出QM的
• 输出逻辑模块G ：输出函数（现态和外部输入的逻辑函数）
Mealy型：输出依赖于当前状态和当前输入信号
Moore型：输出仅依赖于当前状态，和当前输入信号无关
输出=G(现态,输入)
标准脉冲信号
属于Mealy型时序逻辑电路
6
1.2 时序逻辑电路基本结构
Moore型：输出信号仅依赖于当前状态。
输出=G(现态)
在置位态下，若R输入变为高电平，则经过两级门延迟变为复位态
数电实验报告答案
实验名称：数字电路基础实验实验目的：1. 熟悉数字电路的基本原理和基本分析方法。
2. 掌握数字电路实验设备的使用方法。
3. 培养动手实践能力和分析问题、解决问题的能力。
实验时间：2023年X月X日实验地点：实验室XX室实验仪器：1. 数字电路实验箱2. 万用表3. 双踪示波器4. 数字信号发生器5. 短路线实验内容：一、实验一：基本逻辑门电路实验1. 实验目的- 熟悉与门、或门、非门的基本原理和特性。
- 学习逻辑门电路的测试方法。
2. 实验步骤- 连接实验箱，设置输入端。
- 使用万用表测量输出端电压。
- 记录不同输入组合下的输出结果。
- 分析实验结果，验证逻辑门电路的特性。
3. 实验结果与分析- 实验结果与理论预期一致，验证了与门、或门、非门的基本原理。
- 通过实验，加深了对逻辑门电路特性的理解。
二、实验二：组合逻辑电路实验1. 实验目的- 理解组合逻辑电路的设计方法。
- 学习使用逻辑门电路实现组合逻辑电路。
2. 实验步骤- 根据设计要求，绘制组合逻辑电路图。
- 连接实验箱，设置输入端。
- 测量输出端电压。
- 记录不同输入组合下的输出结果。
- 分析实验结果，验证组合逻辑电路的功能。
3. 实验结果与分析- 实验结果符合设计要求，验证了组合逻辑电路的功能。
- 通过实验，掌握了组合逻辑电路的设计方法。
三、实验三：时序逻辑电路实验1. 实验目的- 理解时序逻辑电路的基本原理和特性。
- 学习使用触发器实现时序逻辑电路。
2. 实验步骤- 根据设计要求，绘制时序逻辑电路图。
- 连接实验箱，设置输入端和时钟信号。
- 使用示波器观察输出波形。
- 记录不同输入组合和时钟信号下的输出结果。
- 分析实验结果，验证时序逻辑电路的功能。
3. 实验结果与分析- 实验结果符合设计要求，验证了时序逻辑电路的功能。
- 通过实验，加深了对时序逻辑电路特性的理解。
四、实验四：数字电路仿真实验1. 实验目的- 学习使用数字电路仿真软件进行电路设计。
电子技术 数字电路 第3章 组合逻辑电路
是F，多数赞成时是“1”， 否则是“0”。
0111 1000 1011
2. 根据题意列出真值表。
1101 1111
（3-13）
真值表
ABCF 0000 0010 0100 0111 1000 1011 1101 1111
3. 画出卡诺图，并用卡 诺图化简：
BC A 00
00
BC 01 11 10
010
3.4.1 编码器
所谓编码就是赋予选定的一系列二进制代码以 固定的含义。
一、二进制编码器
二进制编码器的作用：将一系列信号状态编制成 二进制代码。
n个二进制代码（n位二进制数）有2n种 不同的组合，可以表示2n个信号。
（3-17）
例：用与非门组成三位二进制编码器。 ---八线-三线编码器 设八个输入端为I1I8，八种状态，
全加器SN74LS183的管脚图
14 Ucc 2an 2bn2cn-1 2cn
2sn
SN74LS183
1 1an 1bn 1cn-11cn 1sn GND
（3-39）
例：用一片SN74LS183构成两位串行进位全加器。
D2
C
D1
串行进位
sn
cn
全加器
an bn cn-1
sn
cn
全加器
an bn cn-1
1 0 1 1 1 AB
AC
F AB BC CA
（3-14）
4. 根据逻辑表达式画出逻辑图。 (1) 若用与或门实现
F AB BC CA
A
&
B
C
&
1 F
&
（3-15）
(2) 若用与非门实现
实验三VHDL
4、模7计数器
硬件描述语言1
端口说明： PORT( clk : IN STD_LOGIC; q : OUT INTEGER RANGE 0 TO 6);
功能描述：
VARIABLE cnt : INTEGER RANGE 0 TO 6; BEGIN IF (clk'EVENT AND clk = '1') THEN IF cnt < 6 THEN cnt := cnt + 1; ELSE cnt :=0; END IF; END IF; q <= cnt;
ARCHITECTURE arc_shiftreg OF shiftreg IS SIGNAL q_temp : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS(cr,clk) BEGIN …… …… --见下页 END PROCESS; q<=q_temp; END arc_shiftreg;
假设数据已经被时钟的上升沿打入D触发器，那么数据 到达第一个触发器的Q端需要Tco，再经过组合逻辑的 延时Tdelay到达的第二个触发器的D端，要想时钟能在 第二个触发器再次被稳定的锁入触发器，则时钟的延 迟不能晚于Tco+Tdelay+Tsetup，（回顾建立和保持时 间的概念，就可以理解Tdelay） 由以上分析可知：最 小时钟周期：T=Tco+Tdelay+Tsetup 最快时钟频率 F= 1/T PLD开发软件也正是通过这个公式来计算系统运行 速度Fmax
硬件描述语言2： 功能描述：
IF (clk'EVENT AND clk='1') THEN CASE cnt IS WHEN "000"=>cnt<="001"; WHEN "001"=>cnt<="010"; WHEN "010"=>cnt<="011"; WHEN "011"=>cnt<="100"; WHEN "100"=>cnt<="101"; WHEN "101"=>cnt<="000"; WHEN others=>NULL; END CASE; END IF; q <= cnt;
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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。
2.设计一个4路流水灯电路。
要求：（1）全亮与全灭各两次；
（2）偶数个灯与奇数个灯轮流亮两次；
（3）4个灯逐个亮1次（每次一个灯亮）
（4）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。
module ledflow(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。
程序代码可参见课程程序代码文件夹中“流水灯.zip.”中的程序代码。
3.选做：设计一个90S路倒计时电路，用数码管显示倒计时的状态。
程序代码可参见课程程序代码文件夹中“24秒倒计时.zip.”中的程序代码。