1 掌握任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的構(gòu)成方法；

2 熟悉雙向移位寄存器的使用方法。

二 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1 任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的構(gòu)成方法：

用中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器74HC161和與非門74LS00，構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。要求分別使用同步預(yù)置、異步清零兩種功能來(lái)設(shè)計(jì)。用數(shù)碼管顯示。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分別用同步預(yù)置、異步清零兩種方法設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器。

（1）同步預(yù)置和異步清零的區(qū)別與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

“同步”和“異步”是對(duì)于時(shí)鐘而言的。“同步”輸入信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)有關(guān)，實(shí)際上輸入信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行了與運(yùn)算或者與非運(yùn)算，輸入信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)的運(yùn)算結(jié)果是有效的，器件的狀態(tài)才會(huì)改變。“異步”輸入信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)無(wú)關(guān)，是指輸入信號(hào)變?yōu)橛行顟B(tài)，器件的狀態(tài)就改變。

因此，同步預(yù)置需要下一個(gè)時(shí)鐘的有效沿和預(yù)設(shè)條件達(dá)成才能完成置數(shù)；異步清零只需要預(yù)設(shè)條件達(dá)成就能完成置數(shù)。

由于本實(shí)驗(yàn)需要設(shè)計(jì)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，所以與非門的輸入需要對(duì)應(yīng)的是計(jì)數(shù)器1010或1001輸出信號(hào)。當(dāng)與非門的輸出接在Clear端的時(shí)候，產(chǎn)生低電平的狀態(tài)是無(wú)效的，計(jì)數(shù)器馬上就復(fù)位，對(duì)應(yīng)的是異步清零電路，此時(shí)與非門的輸對(duì)應(yīng)的是計(jì)數(shù)器1010輸出信號(hào)；當(dāng)與非門的輸出接在Load端的時(shí)候，產(chǎn)生低電平的狀態(tài)是有效的，計(jì)數(shù)器需要等到下一個(gè)CLK信號(hào)才復(fù)位，對(duì)應(yīng)的是同步預(yù)置電路，此時(shí)與非門的輸對(duì)應(yīng)的是計(jì)數(shù)器1001輸出信號(hào)。

（2）Multisim電路圖

??? 根據(jù)上述分析，可以得到兩種方法設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器電路。最終電路結(jié)果如下面兩個(gè)電路圖所示。

同步預(yù)置：

異步清零：

（3）仿真模擬過(guò)程

在軟件中連接成以上電路圖后，點(diǎn)擊運(yùn)行即可開(kāi)始仿真。下面將依次展示兩種設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的電路的每個(gè)步驟過(guò)程及電路對(duì)應(yīng)的輸出狀態(tài)。

同步預(yù)置：

??? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證情況與預(yù)期情況完全擬合。另，同步預(yù)置電路的運(yùn)行過(guò)程視頻可見(jiàn)附件4-1-1.mkv。

異步清零：

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證情況與預(yù)期情況完全擬合。另，異步清零電路的運(yùn)行過(guò)程視頻可見(jiàn)附件4-1-2.mkv。

2 設(shè)計(jì)4位環(huán)形計(jì)數(shù)器：

??? 用4位雙向移位寄存器74HC194，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠自啟動(dòng)的4位環(huán)形計(jì)數(shù)器，并測(cè)試其輸入CP和輸出QA、QB、QC、QD的邏輯關(guān)系。

（1）雙向移位寄存器的使用與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

雙向移位寄存器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。

其工作原理為：S1=S0=1，Q1被選中；S1=S0=1，D1被選中，處于并行輸入狀態(tài)；S1=0，S0=1，Q0被選中，處于右移狀態(tài)；S1=1，S0=0，Q2被選中，處于左移狀態(tài)；RD’=0，觸發(fā)器將被同時(shí)置0，處于復(fù)位狀態(tài)。將五種狀態(tài)總結(jié)成表格后，結(jié)果如下表所示。

由于本實(shí)驗(yàn)需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠自啟動(dòng)的環(huán)形計(jì)數(shù)器，因此可以采用雙向移位寄存器的右移功能來(lái)循環(huán)信號(hào)。通過(guò)分析，可以將QD接在右移的輸入端。同時(shí)，在電路啟動(dòng)前，因?yàn)榈谝粋€(gè)與非門有一個(gè)輸入端為0，因此第一個(gè)與非門的輸出為1，致使S0=S1=1，此時(shí)執(zhí)行并行輸入的功能，讀取A、B、C、D各端的信號(hào)（0111）并輸入。之后Q端并行輸出對(duì)應(yīng)的A、B、C、D信號(hào)，且Q端經(jīng)過(guò)第二個(gè)與非門。在啟動(dòng)電路啟動(dòng)后，第一個(gè)與非門的兩個(gè)輸入均為1，因此第一個(gè)與非門的輸出為0，致使S0=0且S1=1，此時(shí)雙向移位寄存器執(zhí)行右移的功能，并每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘就右移一位數(shù)字，同時(shí)把末位的數(shù)字移到首位。

理論移位情況為：0111->1011->1101->1110->0111。

（2）理論電路圖和Multisim電路圖

理論電路圖：

Multisim電路圖：

（3）仿真模擬過(guò)程

??? 在軟件中連接成以上電路圖后，點(diǎn)擊運(yùn)行即可開(kāi)始仿真。下面將依次展示每個(gè)步驟過(guò)程及電路對(duì)應(yīng)的輸出狀態(tài)。

啟動(dòng)前：

0：輸出信號(hào)為0111；

啟動(dòng)后：

1：輸出信號(hào)為0111；

2：輸出信號(hào)為1011；

3：輸出信號(hào)為1101；

4：輸出信號(hào)為1110；

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證情況與預(yù)期情況完全擬合。另，4位環(huán)形計(jì)數(shù)器的運(yùn)行過(guò)程視頻可見(jiàn)附件4-2.mkv。

（4）輸入CP和QA、QB、QC、QD的邏輯關(guān)系

根據(jù)模擬仿真實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行過(guò)程中可知，當(dāng)CP每輸入一個(gè)上升沿信號(hào)時(shí)，雙向移位寄存器執(zhí)行一次右移功能，使得Q端的各位輸出均右移一位，并把末位的數(shù)字移到首位中，即實(shí)現(xiàn)一次環(huán)形計(jì)數(shù)功能。

3 設(shè)計(jì)節(jié)日彩燈控制電路：

??? 用4位雙向移位寄存器74HC194和與非門74LS00，設(shè)計(jì)一個(gè)節(jié)日彩燈控制電路。要求：當(dāng)輸入連續(xù)脈沖時(shí)，輸出端的4個(gè)發(fā)光二極管右移逐位亮，繼而右移逐位滅。將實(shí)現(xiàn)結(jié)果繪制成狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)要求可知，4個(gè)發(fā)光二極管右移逐位亮，繼而右移逐位滅，因此雙向移位寄存器需要執(zhí)行右移功能，則令S0=1，S1=0，同時(shí)QD反向之后接在SR上。電路初始時(shí)，Q端的輸出均為0，此時(shí)SR為1。電路剛開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，每來(lái)一個(gè)CLK上升沿信號(hào)，Q端的輸出均向右移一位，同時(shí)首位為SR=1的輸入信號(hào)，直到四個(gè)彩燈均點(diǎn)亮為止。當(dāng)QD=1時(shí)，經(jīng)過(guò)反向器后SR會(huì)變成0，因此當(dāng)下一個(gè)CLK上升沿信號(hào)來(lái)臨時(shí)，Q端的輸出依然均向右移一位，同時(shí)首位為SR=0的輸入信號(hào)，直到四個(gè)彩燈均熄滅為止。所以，通過(guò)上述分析我們不難發(fā)現(xiàn)，該電路會(huì)依次經(jīng)過(guò)8個(gè)狀態(tài)，即四個(gè)彩燈依次點(diǎn)亮的過(guò)程加上四個(gè)彩燈依次熄滅的過(guò)程。

由于是設(shè)置節(jié)日彩燈，因此使用不同顏色的發(fā)光二極管probe顯示輸出，并通過(guò)DCD_HEX觀察不同輸出情況時(shí)Q端所對(duì)應(yīng)的信號(hào)值。理論的輸出probe情況和DCD_HEX情況如下表所示。

（2）理論電路圖和Multisim電路圖

理論電路圖：

Multisim電路圖：

（3）仿真模擬過(guò)程

在軟件中連接成以上電路圖后，點(diǎn)擊運(yùn)行即可開(kāi)始仿真。下面將依次展示每個(gè)步驟過(guò)程及電路對(duì)應(yīng)的輸出狀態(tài)。

0：電路初始狀態(tài)，彩燈均未被點(diǎn)亮。

1：第一個(gè)彩燈點(diǎn)亮。

2：第二個(gè)彩燈點(diǎn)亮。

3：第三個(gè)彩燈點(diǎn)亮。

4：第四個(gè)彩燈點(diǎn)亮。

5：第一個(gè)彩燈熄滅。

6：第二個(gè)彩燈熄滅。

7：第三個(gè)彩燈熄滅。

8：第四個(gè)彩燈熄滅。彩燈從左往右依次點(diǎn)亮并熄滅的一個(gè)過(guò)程結(jié)束，回到電路原來(lái)的初始狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證情況與預(yù)期情況完全擬合。另，4位環(huán)形計(jì)數(shù)器的運(yùn)行過(guò)程視頻可見(jiàn)附件4-3.mkv。

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果及狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

??? 根據(jù)模擬仿真實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行過(guò)程中可知，Q端輸出信號(hào)依次對(duì)應(yīng)為0000->1000->1100->1110->1111->0111->0011->0001->0000。通過(guò)上述變化過(guò)程可以得到狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下圖所示。由于輸出即為Q端信號(hào)，因此不在狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中展示輸出變化。

三 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，我再一次對(duì)移位寄存器和計(jì)數(shù)器的功能進(jìn)行了鞏固。移位寄存器是用來(lái)寄存二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)且能進(jìn)行信息移動(dòng)的時(shí)序邏輯電路。根據(jù)移位寄存器存取信息的方式不同，可以分為串入串出、串入并出、并入串出、并入并處這四種形式。因此，移位寄存器可以構(gòu)成計(jì)數(shù)器、順序脈沖發(fā)生器、串行累加器、串并轉(zhuǎn)換器、并串轉(zhuǎn)換器等功能儀器。

另外，在第三個(gè)實(shí)驗(yàn)中，與非門的兩個(gè)輸入端均為同一種輸入時(shí)，可作為反向器使用。即反相器為與非門的特殊連接情況。

同時(shí)，我對(duì)實(shí)驗(yàn)教材中的《實(shí)驗(yàn)七：Vivado工具與Verilog HDL的使用》進(jìn)行了閱讀，了解到Minisys實(shí)驗(yàn)板的使用步驟為：創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目->添加源代碼->仿真->綜合->引腳分配->實(shí)現(xiàn)->產(chǎn)生比特流文件并下載，并對(duì)實(shí)驗(yàn)板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了粗略的認(rèn)識(shí)。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【数电实验】移位寄存器与计数器的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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