【上海大学数字逻辑实验报告】六、时序电路

一、 实验目的

1. 掌握同步二进制计数器和移位寄存器的原理。
2. 学会用分立元件构成2位同步二进制加计数器。
3. 学会在Quartus II上设计单向移位寄存器。
4. 学会在Quartus II上设计环形计数器。

二、 实验原理

1. 同步计数器是指计数器中的各触发器的时钟脉冲输入端连接在一起，接到输入的计数脉冲的CP端，所以各触发器在同一时钟脉冲的作用下，其翻转是同步进行的。

   下面是一个用JK触发器构造的4位同步二进制加计数器：

由图可知：

所以电路的输出方程即进位为：

注意：

①. 上述方程均在CP下降沿有效。

②. 计数前应清零，清零后每当输入一个脉冲，计数器将按加1规律变化。

2. 74LS74是一种双D触发器芯片，它具有12个引脚，其中8个输入引脚，4个输出引脚，其逻辑电路图如下图所示：

74LS74的引脚中：

输入端：1D、2D

时钟输入端：1CLK、2CLK

直接置位端（低电平有效）：1PRN、2PRN

直接复位端（低电平有效）：1CLRN、2CLRN

输出端：1Q、1QN、2Q、2QN

三、实验内容

实验任务一：用74LS112芯片构成2位同步二进制加计数器

(1) 实验步骤

1. 将74LS112的输入引脚1J和1K同时连接到K16，输入引脚2J、2K同时连接到输出引脚1Q，输入引脚1CLK连接到连续脉冲1H，输入引脚1PRE、1CLR、2PRE、2CLR分别连接K5、K6、K8、K7，最后将输出引脚1Q和2Q分别连接到数码管LED6和LED5，接电接地后所构成的2位同步二进制加计数器如下所示：

2. 将2位同步二进制加计数器清零，拨动开关，观察数码管的变化。

(2) 实验现象

①. 计数器清零时，数码管的值为0。

②. 当时钟脉冲到达时，计数器的值递增。

③. 当计数器的值达到最大也就是3时，它将从0重新开始计数。

(3) 实验结论

通过74LS112作为搭建平台，我们成功地实现了一个2位同步二进制加计数器。实验结果表明，计数器能按照预期进行计数。

实验任务二：在Quartus II用2片双D触发器74LS74构成单向移位寄存器

(1) 实验步骤

1. 用Quartus II设计出如下电路：

2. 编译通过后进行波形仿真，验证电路逻辑功能：

3. 仿真通过后，参照原理图定义引脚：

4. 生成编程并将文件下载到FPGA。
5. 将开关连接对应的输入引脚，输出引脚连接到发光二极管：

6. 用开关和发光二极管测试FPGA的功能。
7. 记录测试结果。

(2) 实验现象

①. 在开始时，环形计数器为初始值。

②. 当时钟脉冲到达时，数据会按照时钟脉冲的触发进行移位，也就是数据从第一个74LS74移位到第二个74LS74，第一个74LS74的Q输出变为新的数据，第二个74LS74的Q输出也变为新的数据。

(3) 实验结论

通过使用Quartus II设计工具，我们成功地用74LS74设计了一个单向移位寄存器。实验结果表明，数据会按照时钟脉冲的触发进行移位，符合预期行为。

实验任务三：在Quartus II上设计环形计数器

(1) 实验步骤

1. 用Quartus II设计出如下电路：

2. 编译通过后进行波形仿真，验证电路逻辑功能：

3. 仿真通过后，参照原理图定义引脚：

4. 生成编程并将文件下载到FPGA。
5. 将开关连接对应的输入引脚，输出引脚连接到发光二极管：

6. 用开关和发光二极管测试FPGA的功能。
7. 记录测试结果。

(2) 实验现象

①. 在开始时，环形计数器为初始值。

②. 当时钟脉冲到达时，数据会按照时钟脉冲的触发进行移位，也就是数据从第一个74LS74移位到第二个74LS74，第一个74LS74的Q输出变为新的数据，第二个74LS74的Q输出也变为新的数据。

③. 当移动到最高位后，环形计数器将返回到初始值，形成一个循环。

(3) 实验结论

通过使用Quartus II设计工具，我们成功地用74LS74设计了一个环形计数器。实验结果表明，数据会按照时钟脉冲的触发进行移位并循环，符合预期行为。

四、思考题

(1) 如何构成3位同步二进制加（减）计数器？

3位同步二进制加计数器电路图：

3位同步二进制减计数器电路图：

(2) 如何用74LS74构成双向移位寄存器？

答：在构成单向移位寄存器的基础上，只需要改变左移、右移的控制信号即可以实现双向移位。

五、建议和体会

1. 在实验前，要熟悉同步二进制计数器和移位寄存器的原理。
2. 实现环形计数器时，必须设置适当的初态，这样电路才能实现计数。
3. 本实验有助于增进对同步二进制计数器和移位寄存器的理解，同时也提供了一个实际的设计和模拟测试经验。为后续进行更复杂的电路设计打下基础。