时序逻辑电路的设计

时序逻辑电路的设计

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实验四时序逻辑电路的设计

一、实验目的

1. 学习时序逻辑电路的分析方法和设计方法。

2. 熟悉并掌握利用中小规模芯片实现时序逻辑电路的方法。

3. 提高调试数字电路的能力。

二、实验任务

利用实验盒中的计数器芯片74LS90、74LS161及其他器件设计并实现一个数字钟电路，具体要求如下：

1. 时间显示范围00:00～11:59；

2. 任何时刻可实现手动清零；

3. 实现整点报时功能，声响从54 分起、整点止，并要求报时声音清晰响亮。选择

学习机上的脉冲源做时钟信号；数码管LED4～LED1 显示小时和分钟；蜂鸣器做整点报时。

三、提高任务

1. 为数字钟电路设计对表调时功能。用学习机右侧数字键盘中的“START”按键作为

调时脉冲输入，其内部电路见图1。

图1 学习机上“START”按键的内部电路

2. 为数字钟电路设计一个上电自动清零电路，即通电后从00:00 开始计时。

四、实验说明

1. 了解芯片的引脚排列，特别注意74LS90 的电源和地引脚编号与其他芯片不同。

2. 学习机上的蜂鸣器BDC 为直流蜂鸣器：工作电压为3～12V 的直流电压。蜂鸣器

的工作电流约8～15mA。若门电路不能直接驱动蜂鸣器，可搭建图2 驱动电路。

图 2(a) 9011 引脚图

图 2（b ）驱动电路

3. 学习机上的带译码器数码管 LED1～LED3 用作数字 钟的分个位、分十位和小时个位的显示。

不带译码器 LED4 作为小时的十位数字显示。小时十 位只需显示数字“0”和“1”，建议用图 4 电路连接方式 实现。其中：

（1） 数码管公共端“com ”接学习机中的地“GND ”； （2） 数码管的b 、c 段接学习机中的5V ；

（3） 数码管的a 、d 、e 和f 四段相互连接后，接到数字钟小时十位的输出端。

五、电路设计

1. 设计思路及工作原理

首先实现计时功能，分为分钟模块和小时模块，分钟模块用2片74LS90构成，其中一片接成十进制，输出端接到数码管上显示分钟的个位，并向下一级给出进位信号，另一片接成六进制，输出接到数码管上显示分钟的十位，并向下一级给出进位信号。小时模块用一片74LS161构成，由于小时的输出非一般，所以需要经过一系列门电路。 其次实现清零功能，由于3个芯片均有异步清零端，但有的为高电平，有的为低电平，所以只需将清零信号及反相后的信号分别接在清零端就行。

然后实现报时功能，只需将两片74LS90的输出端经过几个门电路即可实现54~59给出高电平。

再实现上电清零功能，只需在清零的开关和地之间并一个电容就行，这样上电后清零端给出低电平。

最后实现调时功能，加上一个控制电路很容易实现调时，但是也会出现思考题3中出现的问题，解决方案见下。

2. 电路性能测试结果。

能有效计时、报时、清零、调时，实现了要求的功能。

图 4 LED4 的连接图

3. 在实验中遇到的问题及解决方法。

主要问题有两个：一是调时时按一下跳很多次，开始时考虑的解决方法是仿照上电清零，在开关两端加电容，但是把实验盒中的电容用了个遍也没有解决问题，后来突然一下才想到可以用D 触发器的；二是开始时加上了蜂鸣器的驱动电路，后来发现其实芯片输出的电流是可以直接驱动蜂鸣器的。

4. 此次实验的收获。

学会了时序电路的设计和调试方法。

5. 电路仿真原理图

七、思考题

1. 在时序逻辑电路中，可分为同步时序电路和异步时序电路。如果要完成数字钟电

路的设计与面包板上的电路搭接，请分别指出二者在设计和实现上的优劣。

答：同步时序电路分析起来比较简单，异步时序电路比较直观，搭接电路时也比较方便，用到的导线和元件比较少。

2. 基于数字钟电路的设计和实现，请说明采用同步或异步时序电路的设计方式分别

会产生哪些问题？如何解决？

答：采用同步时序电路设计在进位上会稍显繁琐，异步时序电路在进位时会出现上升沿或下降沿不匹配的问题，需要加反相器或缓冲器。

3. 在用按键对数字钟进行校时时，如果出现按一次按键显示跳动多个数字的现象，

请设计电路予以解决。

答：将按键输出端经过一个D触发器后再接到或非门的一端，另一端是控制端，输出接到74LS90的信号输入端，并合理选择D触发器的时钟频率（如10Hz），使得按键抖动时只有一次边沿触发，这样按一次按键只会跳动一个数字了。