实验05-寄存器及应用(订正)

1、实验五 寄存器及其应用一、实验目的1进一步熟悉双稳态触发器的运用。2掌握寄存器逻辑功能及使用方法。3通过对74LS194（4位双向移位寄存器）的逻辑功能测试掌握其功能及使用方法。4利用74LS194双向移位寄存器分别实现环形、扭环形计数器。5学会应用中规模集成4位双向移位寄存器。二、实验任务（建议学时：4学时）（一）基本实验任务（非电类本科生只做4、5项）1验证D触发器构成的4位二进制码寄存器的逻辑功能，掌握电路构成及原理；2验证D触发器构成的4位右移寄存器的逻辑功能，掌握电路构成及原理；3验证D触发器构成的4位左移寄存器的逻辑功能，掌握电路构成及原理；474LS194双向移位寄存器的逻辑功能

2、测试；5用74LS194分别实现环形计数器和扭环形计数器，掌握其逻辑功能及用法。（二）扩展实验任务（电类本科生2、3项任选一个，非电类本科生只做第1项）1利用一片74LS194设计一个4路流水灯控制电路。2用两片74LS194设计一个8路流水灯控制电路。3利用两片74LS194设计一个能产生如图5-10所示时序的环形脉冲信号发生器。三、实验原理寄存器和移位寄存器是数字系统和计算机中常用的基本逻辑单元。寄存器是存放二进制码的电路，由触发器构成（如图5-1所示的4位二进制寄存器）。移位寄存器（又称移存器）不仅能够寄存数码，而且具有移位功能。移位是数字系统和计算机技术中非常重要的一个功能。如二进制数

3、0011乘以2的运算，可以通过将0011左移一位实现；而除以2的运算则可通过右移一位实现。移位寄存器的分类：右移寄存器（如图5-2所示）左移寄存器（如图5-3所示）双向移位寄存器（如图5-4所示的74LS194）循环移位寄存器等。常用的集成移位寄存器：74LS164、74LS165、74LS166八位单向移位寄存器；74LS194为四位双向移位寄存器；74LS195为四位单向移位寄存器；74LS198为八位双向移位寄存器。移位寄存器的应用：1实现二进制码的串并行转换。在数字系统和计算机系统中，信息在远距离线路上一般采用串行方式传送，而终端的输入或输出往往采用并行方式进行，因此需要对信号进行串并

4、转换或者并串转换。按转换方式的不同移位寄存器又可分为：并入并出型用于数据寄存；并入串出型用于多位数据共信道传输；串入并出型用于共信道传输数据接收；串入串出型用于数字延迟。2构成顺序脉冲信号发生器。顺序脉冲是指在每个循环周期内，在时间上按一定的先后顺序排列的脉冲信号。利用顺序脉冲信号可控制多个设备按照规定好的顺序进行工作。在步进电机的驱动控制系统中，可利用移位寄存器产生符合步进电机控制要求的驱动脉冲，以实现对驱动器步矩的细分，达到对步进电机的精确控制。（一）基本实验任务1. 验证D触发器构成的4位二进制码寄存器的逻辑功能，掌握电路构成及原理图5-1 D触发器构成的4位二进制寄存器由4个D触发器构

5、成的4位寄存器电路如图5-1所示。D0D3为并行数输入端，CP为时钟脉冲输入端，Q0Q3为并行输出端。RD=0时，4个触发器同时被置0。RD=1时，寄存器工作。当时钟上升沿到来时，D0D3被并行送入4个触发器中，此时Q3 Q2 Q1 Q0= D3 D2 D1 D0。RD=1、CP=0时，寄存器中寄存的4位数保持不变，即Q3 Q2 Q1 Q0的状态保持不变。2. 验证D触发器构成的4位右移位寄存器的逻辑功能，掌握电路构成及原理图5-2 D触发器构成的4位右移寄存器如图5-2所示，4位右移位寄存器由4个D触发器构成，SR端位右移数据输入端，Q3为右移输出端，CP端为移位脉冲输入端，从左向右依次定义

6、四个触发器分别为FF0、FF1、FF2、FF3。设开始时Q0(n)Q3(n)均为0，串行数据输入码为0101，由低位向高位顺序输入。当输入第一个数码1时（使SR=1），D0=1，D1=Q0(n)=0、D2=Q1(n)=0、D3=Q2(n)=0，在第1个移位脉表5-1 右移位寄存器状态表CP串行数据初 态次 态Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q30000000001100001000201000010031010010104010100101冲CP上升沿的作用下，Q0(n+1)=D0=1，Q1(n+1)=D1=Q0(n)=0，Q2(n+1)=D2= Q1(n)=0、Q3(n+1)=D3= Q2(n)

7、=0，这时寄存器状态为Q3Q2Q1Q0=0001。其效果就是第一个数码1存入FF0，数码向右移了一位，同理FF1、FF2、FF3中的数也依次向右移了一位。当SR端输入第二个数码0时，在第二个移位脉冲CP的上升沿作用下，第二个数码0存入FF0中，FF0中原来的数码1右移入FF1，Q1=1；同理，Q2=Q3=0。如此，在4个移位脉冲的作用下，4位串行数据1101便全部存入寄存器中。右移情况如表5-1所示。3. 验证D触发器构成的4位左移位寄存器的逻辑功能，掌握电路构成及原理图5-3 D触发器构成的4位左移寄存器如图5-3所示，由4个D触发器构成的左移位寄存器，SL是左移数据输入端，Q0为左移输出端

8、。其工作原理与右移位寄存器相同，数据的移位过程同学们可以参考右移位寄存器自行分析。左移情况如表5-2所示。 表5-2 左移位寄存器状态表CP串行数据初 态次 态Q3Q2Q1Q0Q3Q2Q1Q00000000001100001000211000110030110001104101101011 474LS194双向移位寄存器的逻辑功能测试74LS194集成芯片引脚功能及排列如图5-4所示。图5-4 74LS194引脚排列 表5-3 74LS194功能表MRS1S0工作模式0××置零100保持101右移110左移111并行输入表5-4 74LS194 的逻辑功能清除模式时钟串行输

9、入输出功能总结MRS1S0CPSLSRD0D1D2D3Q0Q1Q2Q3111××0100100010100××××100110100××××××0××××××××101×1××××0110×××××××××1101××××

10、;×011D0D3：并行数输入端；Q0Q3：并行输出端；S0、S1：操作模式控制端，具体模式设置见表5-3；SL：左移数据输入端；SR：右移数据输入端；MR：清零端；CP：时钟脉冲输入端。5用74LS194分别实现环形计数器和扭环形计数器，掌握其逻辑功能及用法。74LS194构成的环形计数器如图5-5所示，不能自启，必须手动并行送数后才能实现环形计数功能。图5-5环形计数器 图5-6扭环形计数器74LS194构成的扭环形计数器如图5-6所示，这种电路结构具有自启动功能，该电路相当于一个8分频计数器。 （二）扩展任务（电类本科生在2、3项中任选一项完成，非电类本科生只做第1项）1利用7

11、4LS194设计一个4路流水灯控制电路。图5-7四路LED灯控制器时序图74LS194的Q0Q4、S0、S1、SL、SR各端时序波形图如图5-7所示。图中用LR表示左移串行数据输入端（SL）和右移串行数据输入端（SR）的脉冲信号。74LS194的Q0Q4四个输出端可用于驱动4只LED灯。2用两片74LS194设计一个8路流水灯控制电路。图5-8 8路彩灯控制器原理框图表5-5 彩灯控制器输出状态编码表节拍脉冲编码QAQBQCQDQEQFQGQH-节拍脉冲编码QAQBQCQDQEQFQGQH花型I花型II花型I花型II00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 010 0 0 1

12、 1 0 0 01 0 0 0 1 0 0 051 1 1 0 0 1 1 10 1 1 1 0 1 1 120 0 1 1 1 1 0 01 1 0 0 1 1 0 061 1 0 0 0 0 1 10 0 1 1 0 0 1 130 1 1 1 1 1 1 01 1 1 0 1 1 1 071 0 0 0 0 0 0 10 0 0 1 0 0 0 141 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 180 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0以74LS194为核心用最少的器件设计一个8路彩灯控制器，2分配器可用D触发器实现。8路彩灯控制器相关控制端时序图见图5

13、-9所示，时序图中SL=SR。设计要求：彩灯组成两种花型，每种花型轮流交替。花型由中间到两边对称地依次亮，全亮后仍由中间向两边依次灭。 花型8路灯分两半，从左到右顺序亮，全亮后再从左到右顺序灭。 根据选定的花型可列出移位寄存器的输出状态编码，如表5-5所示图5-9 8路彩灯控制器时序图（1）根据上述控制原理和要求设计出具体电路。 （2）分别测试单一花型运行时移位寄存器的工作状态。（3）电路统调。 3利用74LS194设计一个环形脉冲信号发生器。如图5-10所示时序，CP脉冲的频率为300Hz。三路信号A、B、C的周期相同，且三者在时序上依次相隔2个CP周期，每路信号每经过6个CP完成一次循环，

14、B滞后2个CP后出现，滞后2个CP后出现，如此反复循环。利用两片74LS194扩展成6位移位寄存器，每隔一位取出一路信号，即可得到如图5-10所示时序关系的三路脉冲信号。要求：设计的电路要能实现自启动功能。图5-10 环形脉冲时序图四、实验预习1复习双稳态触发器、寄存器、移位寄存器等相关知识。2根据基本任务1-3项测试内容自拟测试表格。3画出基本任务5中环形计数器、扭环形计数器实验测试电路。4根据要求任选一个扩展任务，并用Multisim仿真软件进行电路设计和仿真，设计出逻辑功能测试用表格。五、实验器材1数字电路实验箱2数字万用表3集成电路芯片1）74LS194 2只；2）74LS00 1只；

15、3）74LS74 1只六、实验内容与步骤（一）基本实验任务1验证D触发器构成的4位二进制码寄存器的逻辑功能，掌握电路构成及原理；根据图5-4所示74LS194引脚排列图，将集成芯片插入实验箱中的集成插座上，Vcc接+5V，GND接地，CP接实验箱单脉冲插孔，Q3 Q2 Q1 Q0分别接到四个LED（逻辑电平指示灯D4 D1）上，数据输入端D3 D0分别接逻辑电平开关S4S1，其余引脚按图5-1所示电路进行连接，然后进行功能测试，并将测试结果填入自拟测试表格中。2验证D触发器构成的4位左移寄存器的逻辑功能，掌握电路构成及原理；根据图5-4所示74LS194引脚排列图，将集成芯片插入实验箱中的集成

16、插座上，Vcc接+5V，GND接地，CP接实验箱单脉冲插孔，Q3 Q2 Q1 Q0分别接到四个LED（逻辑电平指示灯D4 D1）上，SR接逻辑电平开关S1，其余引脚按图5-2所示电路进行连接，然后进行功能测试，并将测试结果填入自拟测试表格中。3验证D触发器构成的4位左移寄存器的逻辑功能，掌握电路构成及原理；根据图5-4所示74LS194引脚排列图，将集成芯片插入实验箱中的集成插座上，Vcc接+5V，GND接地，CP接实验箱单脉冲插孔，Q3 Q2 Q1 Q0分别接到四个LED（逻辑电平指示灯D4 D1）上，SL接逻辑电平开关S1，其余引脚按图5-3所示电路进行连接，然后进行功能测试，并将测试结果

17、填入自拟测试表格中。474LS194双向移位寄存器的逻辑功能测试；根据图5-4所示74LS194引脚排列图，将集成芯片插入实验箱中的集成插座上，Vcc接+5V，GND接地，D0D3 、S0、S1、MR依次接逻辑电平开关S1S7，SL和SR短接到S8，然后按表5-4所规定的输入状态，逐项进行测试，验证其各项功能。5用74LS194分别实现环形计数器和扭环形计数器，掌握其逻辑功能及用法。根据事先画好的测试电路进行电路接线，然后测试并将结果记入自拟表中。（二）扩展实验任务按照Multisim仿真调试通过的设计电路进行接线，对其逻辑功能进行测试，并将测试结果记录到自拟测试表格中。七、注意事项1实验电路连线事先用万用表“二极管”挡进行检测，保证连接电路的连线完好，正式连接实验线路前，必须对所用芯片进行逻辑功能的验证，保证接入电路的芯片功能完好。2将芯片插入插座，或者从插座上拔出芯片时，用力要均匀，避免用力不均导致芯片引脚弯曲变形甚至折断。3注意集成芯片在集成芯片插座上的安装方向不