实验四 时序逻辑电路的设计

实验四 时序逻辑电路的设计
2017年秋季学期 自动化系
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、预习任务
按照以下任务要求完成预习报告。

1.阅读任务要求，完成电路设计，包括：
（1） 查阅实现电路设计所需芯片的数据手册。

（2） 根据同步时序逻辑电路的设计方法，写出设计“星期显示”电路的具体步骤，如状态转换图、状态化简、方程组等。

（3） 在面包板上搭接“星期显示”电路。

（4） 对“时间显示”电路进行模块划分，并说明各模块电路功能。

（5） 用EDA软件完成“时间显示”电路的设计输入、仿真和下载。

（6） 画出实现全部电路功能的纸版逻辑图（手绘或打印均可）。

2.由信号发生器为“时间显示”电路提供时钟脉冲，请写出该信号的电压取值范围。

3.写出调试电路的方法和步骤、注意事项等。

三、必做任务
设计一个如图所示的数字钟电路，可以显示星期、小时和分钟。

根据电路的功能进行模块划分，数字钟电路可分为“时间显示”（以下用M1表示）和“星期显示”（以下用M2表示）两个模块，其中M2电路在面包板上实现、M1电路在FPGA实验板上实现，两个电路之间由杜邦线（见附录）连接。

数字钟电路
1.用D触发器74HC74和必要的门电路设计M2电路。

该电路搭建在面包板上，用学习机上的1位数码管显示1~7，代表显示星期一~星期日。

2.设计M1电路，时间显示范围为00:00～23:59，有手动清零和整点报时功能。

（1） M1电路在FPGA板上实现，电路的输入方式不限，即可用原理图输入、硬件描述语言输入或两种方式混合输入。

如用原理图输入方式，建议选用元件库中的计数器芯片和必要的门电路。

（2） 由信号发生器为M1电路提供时钟输入，经FPGA板扩展端口中的引脚接入电路。

扩展端口的引脚排列顺序见“FPGA实验板说明书”或“Basys3实验板说明书”。

（3） 用FPGA板上的4位数码管显示小时和分钟。

（4） 用FPGA板上的1个拨码开关实现手动清零。

（5） 用FPGA板上的蜂鸣器实现报时功能，声响从54分起、整点止；
（6） M1电路应带有进位输出端，经FPGA板扩展端口中的引脚输出，做为M2电路的时钟输入。

四、选做任务
在必做任务基础上，为M1电路增加对表调时功能。

用FPGA实验板上的1个拨码开关作为控制端，开关为0时数字钟处于正常计时状态；开关为1时数字钟处于调时状态，按动一个按键可以调整计时，即按动1次分钟个位数字加一。

提示：按动1次按键会显示跳动多个数字的现象，请在电路设计中予以解决。

绿色FPGA板上，独立按键KEY0~KEY3原理图和引脚表见“FPGA实验板说明书”。

蓝色Basys3板上，按键开关BTNU、BTND、BTNL、BTNR和BTNC原理图和引脚表见“Basys3实验板说明书”。

五、实验终结报告
12.17之前在网络学堂中提交EDA项目文件和实验终结报告。

终结报告包括：
1.整理画出最终的设计电路图，并说明各模块电路的工作原理。

2.总结
（1） 时序逻辑电路的设计和调试步骤。

（2） 在实验中遇到的问题及解决方法。

（如：出现的故障、如何分析及查找、采取措施、结果如何等等）
（3） 此次实验的收获。

3.回答思考题。

六、思考题
1.基于“时间显示”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？
2.若选用学习机上的“START”按键作为M1电路的
手动时钟输入，即按动1次星期显示数字加一，按动1次
按键也会显示跳动多个数字的现象。

请设计电路予以解
决，并说明电路参数的选择依据（可以通过实验验证）。

“START”按键位于学习机右侧数字键盘中，其内部电
路见图2。

按键的内部电路七、附录
课上将发放的杜邦线实物如图所示，其中图3（a）为公头对母头、图3（b）为公头对公头。

（a） （b）
图3 杜邦线实物图。