第五章 数字电路设计实例

数字电路设计实例第五章目录110序列检测器电路分析RAM存储器电路分析竞赛抢答器电路分析——数字单周期脉冲信号源与数字分析110序列检测器电路分析设计任务利用数电的基础知识和PROTEUS软件设计一个序列编码检测器，当检测到输入信号出现110序列编码（按照自左至右的顺序）时，电路输出为1，否则输出为0设计思路①由给定的逻辑功能建立原始状态图和原始状态表

②状态简化

③状态分配

④选择触发器类型

⑤确定激励方程和输出方程

⑥画出逻辑图并检查自启动能力110序列检测器电路分析建立原始状态图和原始状态表表5-1110序列检测器的原始状态转换表图5-1110序列检测器原始状态转换图110序列检测器电路分析状态化简观察110序列检测原始状态转换表中的S1与S4可得出，当A=0，和A=1时，分别具有相同的次态及相同的输出，因此S1与S4存在等价状态，故可以对原始状态表进行化简表5-2化简后的状态转换表110序列检测器电路分析状态分配当输入信号A=1时，有S1→S2→S3的变化顺序，当A=0的时候，又有S3→S1的变化，综合这两方面，这里采取00→01→11→00的变化顺序，能使其中的组合电路变得简单。于是选用S1=00，S2=01，S3=11图5-2110序列检测器的状态分配图110序列检测器电路分析触发器的选择采用了小规模集成触发芯片JK触发器表5-3JK触发器的特征表特性方程：110序列检测器电路分析确定激励和输出方程组表5-4JK触发器的激励表根据化简和推导得出的激励方程组以及输出方程表5-5

真值激励表110序列检测器电路分析根据真值表设计逻辑电路图（1）首先在原理图添加元器件，单击“Component”图标，点击“P”按钮，从弹出的选取元器件对话框中选择110序列检测器电路仿真元器件（2）将仿真元器件添加到对象选择器（3）选中对象选择器中的仿真元器件，在编辑窗口点击鼠标左键放置仿真元器件，放置数字时钟信号源、数字模式信号源及电压探针，设置CP的时钟模式为High-Low-HighClock，第一个边沿发生的时刻FirstEdgeAt为0，频率Frequency(Hz)为1Hz，设置INPUT的脉冲宽度Pulsewidth（Secs）为1s，可将位模式选择为特定脉冲序列，并输入一串脉冲序列表5-6

仿真元器件信息110序列检测器电路分析系统仿真

图5-3110序列检测器的逻辑电路图图5-4

仿真结果图从电路仿真图可知，当有时钟脉冲触发并且输入为110时，输出会产生一个相应的脉冲，实现了序列检测的功能RAM存储器电路分析设计任务利用数电的基础知识和PROTEUS软件模拟仿真一个2K8RAM存储器的存储和读取过程，将数据存入相应的地址并能够在读取模式将数据读取出来设计原理

2K8RAM的简介

2K8RAM是可存储2048个8位二进制数的电可擦除可编程随机存取器。常用的SRAM集成芯片有6116(2K×8位)，6264(8K×8位)，62256(32K×8位)，2114(1K×4位)。在ProteusISIS中选择一个2K8的静态存储器6116。HM6116是一种2K×8位的高速静态CMOS随机存取存储器，具有高速、低功耗、与TTL兼容的特点，完全静态，不需时钟脉冲与定时选通脉冲。HM6116有11条地址线（A0~A10）、8条数据线（I/O1~I/O8）、1条电源线、1条接地线GND和3条控制线——片选信号CE、写允许信号WE和输出允许信号OE（3条控制线低电平有效）。RAM存储器电路分析

RAM读写电路（1）在PROTEUS原理图界面单击“Component”图标，点击“P”按钮，从弹出的选取元器件对话框中选择RAM存储器读写电路仿真元器件（2）将仿真元器件添加到对象选择器（3）选中对象选择器中的仿真元器件，在编辑窗口点击鼠标左键放置仿真元器件表5-6

仿真元器件信息图5-5

RAM存储器读写电路RAM存储器电路分析系统仿真写操作打开电源开关，调试电路，单击“逻辑状态”调试元器件的活性标识即可实现对信号“0”、“1”状态的设置。先令E键置“0”，此时为低电平写状态，红色指示灯点亮。用A～D键编辑一个地址，拨码开关置ON，用0～7个数字键编辑一组数据存入，并作纪录（存储一组数据后要使E键置“1”）；再编辑第2个地址，重复上述操作，编辑第2个数据存入，也做记录；照此方法存入若干个数据

图5-6

RAM写入状态仿真RAM存储器电路分析系统仿真读操作

对存储的数据进行读取操作。将E键置“1”，此时为高电平读取状态，红灯熄灭，转为读取状态，拨码开关置OFF。任意选取曾经用过的地址，对照记录，看读取得到数据是否一致。从而验证其功能。关闭电源。再次打开，所有存储数据全部丢失

图5-7

RAM读取状态仿真竞赛抢答器电路分析——数字单周期脉冲信号源与数字分析设计任务本次设计以四人抢答电路为例。四人参加比赛，每人一个按钮，其中一人按下按钮后，相应的指示灯点亮，并且其他人按下的按钮不起作用设计原理

以74LS171四D触发器为核心器件设计四人竞赛抢答电路，74LS171内部包含了四个D触发器，各输入、输出以序号相区别，并且包含清零端。图5-8

74LS171管脚图竞赛抢答器电路分析——数字单周期脉冲信号源与数字分析图5-9

74LS171四D触发器为核心器件设计的四人竞赛抢答电路

竞赛抢答器电路分析——数字单周期脉冲信号源与数字分析竞赛抢答器电路搭建（1）首先在电路原理图界面添加元器件，点选“Component”图标，单击“P”按钮，从弹出的选取元器件对话框中选择竞赛抢答器电路仿真元器件（2）将仿真元器件添加到对象选择器（3）使用文本文本编辑（textscripts）标注电路。单击工具箱中的TextScriptMode图标，在期望放置标注的位置点击鼠标左键，将出现EditScriptBlock对话框，在Text区域键入文本后，点击OK按钮，完成script的编辑表5-7

仿真元器件信息（RS触发器电路分析）竞赛抢答器电路分析——数字单周期脉冲信号源与数字分析数字时钟信号源及数字单周期脉冲信号源编辑在电路中添加数字时钟仿真输入源，设置数字时钟信号源的频率为1kHz，时钟模式ClockType为Low-High-LowClock。放置数字单周期脉冲信号源，并将数字单周期脉冲信号源与74LS171的清零引脚相连，设置单周期脉冲信号源的脉冲极性PulsePolarity为负脉冲NegativePulse，起始时刻StartTime（Secs）为0s，脉宽PulseWidth(Secs)为500ms，起到清零的作用。图5-10竞赛抢答器仿真电路竞赛抢答器电路分析——数字单周期脉冲信号源与数字分析系统仿真及电路分析（1）当按下#1键后，D1发光二极管点亮，同时系统的时钟输入端被锁定。在上述情形下，按动其他按键，系统不响应动作。（2）改变限流电阻，观察指示灯的变化。限流电阻的作用减小负载端电流，在发光二极管一端添加一个限流电阻可以减小流过发光二极管的电流，防止损坏。由比较可以得出，限流电阻越小，指示灯越亮。（3）改变下拉电阻观察指示灯变化。由于TTL门电路的特点是当悬空时为高电平，TTL电路规定高电平阈值大于3.4V，如果要加高电平信号的话，必须要保证输入电压大于3.4V。通过电路计算理论上当串联大于1.4kΩ的电阻时，输入端呈现高电平。因此当输入端串联5kΩ电阻后，再输入低电平，输入端呈现高电平，而实际中需要串联小于2.4kΩ的电阻，输入的低电平才会被识别。竞赛抢答器电路分析——数字单周期脉冲信号源与数字分析利用灌电流和或非门设计竞赛抢答器选用74HC175作为4D触发器，利用灌电流驱动LED，这就导致LED灯连接74HC175的一端的输入要为低电平，才能使LED灯亮。又为了使一个按键按下后，其他按键不起作用，这就得使用或非门连接电路图5-11灌电流和或非门竞赛抢答器竞赛抢答器电路分析——数字单周期脉冲信号源与数字分析搭建电路原理图及仿真分析（1）在PROTEUS原理图左边编辑区点选“Component”图标，单击“P”按钮，从弹出的选取元器件对话框中选择竞赛抢答器电路仿真元器件（2）选中对象选择器中的仿真元器件，在编辑窗口单击鼠标左键放置仿真元器件，并连接电路（3）与之前的竞赛抢答器输入信号相同，时钟信号（CLK）为下降波，脉冲宽度为500ms。U2：B输入信号为“High-Low-High”类型的脉冲，频率为1kHz表5-8

仿真元器件信息（竞赛抢答器电路分析）竞赛抢答器电路分析——数字单周期脉冲信号源与数字分析系统仿真及电路分析拉电流和灌电流是衡量电路输出驱动能力的参数，由于数字电路的输出只有高、低（0、1）两种电平值，高电平输出时，一般是对负载提供电流，其提供电流的数值叫“拉电流”；低电平输出时，一般要吸收负载的电流，其吸收电流的数值叫“灌电流”。或非门的定义是当输入都为低电平时，输出才为高电平。在按下#1时，D0为高电平，