8421码检测电路的设计.docx

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8421码检测电路的设计

数字电路与逻辑设计实验报告

实验九8421码检测电路的设计

姓名：

_________

学号：

17XXXXXX

班级：

电子XXXX

一、实验目的

1.了解检测电路的工作原理。

2.进一步掌握同步时序电路的设计方法。

二、实验器件

1、实验箱、万用表、示波器。

2、74LS73,74LS74,74LS00,74LS20,74LS197。

三、实验预习

根据使用器件的不同,我们可以设计出两种不同思路的电路.

米里时序电路:

根据需求,按照米里时序电路的设计流程得到触发器驱动方程.

首先画出状态转换图,并对图做出适当简化.

保留S0,S1,S3,S4,S7,S8六个状态,并用3个JK触发器的2^3=8个状态中的6个表示它们,状态分配表如下图.

Q3\Q2Q1

00

01

11

10

0

S0

S4

S3

S1

1

S7

S8

X

X

将上面的状态转换和输出写成上述的代数形式有

Q3Q2Q1\X

0

1

000

010/0

010/0

010

011/0

001/0

011

101/0

100/0

001

100/0

100/0

101

000/0

000/0

100

000/0

000/1

根据上表画出Q3,Q2,Q1,X的次态卡诺图,并进而得到各个端口的驱动方程.

Q1:

XQ3\Q2Q1

00

01

11

10

00

0

0

1

1

01

0

0

X

X

11

0

0

X

X

10

0

0

0

1

化简得到Q1n+1=Q2nx——Q——1n+——XxQ2nxQ1n

有J1=Q2,K1=（——XQ2）’

Q2:

XQ3\Q2Q1

00

01

11

10

00

1

0

0

1

01

0

0

X

X

11

0

0

X

X

10

1

0

0

0

化简得到Q2n+1=——Q——1nx——Q——2nx——Q——3n+——XxQ2nx——Q——1n

有J2=——Q——1nx——Q——3n,K2=（——Xx——Q——1n）’

Q3:

XQ3\Q2Q1

00

01

11

10

00

0

1

1

0

01

0

0

X

X

11

0

0

X

X

10

0

1

1

0

化简得到Q3n+1=——Q——3nQ1n

有J3=Q1n,K3=1

F:

XQ3\Q2Q1

00

01

11

10

00

0

0

0

0

01

0

0

X

X

11

1

0

X

X

10

0

0

0

0

化简得到F=XQ3n——Q——1n

这样,就能使用三个JK触发器构造一个8421码检测电路,为保证正确性还可以添加一个74LS74触发器来保证X已经转变.

用于仿真时的动态测试,我们还需要一种16进制的串行输出计数器,即按顺序串行输出0000->1000->0100…,对每个数从最低位开始,依次输出4个二进制数.

我们可以借助计数器和寄存器实现该器件,首先使用一个计数器实现4分频,从已有的f频率,50占空比的时钟信号中获取f/4频率的,12.5占空比的同相位脉冲信号.再使用这两个时钟循环地执行计数->4次移位读数->置数的工作,画出电路图如下所示.

其输出波形的一个周期如下面的波形图所示:

靠上信号为器件输出,靠下信号为时钟脉冲,容易看出经过64个时钟周期,器件输出了从0000到1111的串行形式.

把该输出作为8421检测电路的输入X,得到电路图如下.

其波形如下所示:

可见在一整个0~15的序列中,只有6种数字引起了电路的非法脉冲,分别是1010,1011,1100,1101,1110,和1111,仿真时由于给定时钟信号的固有问题,无法从S0状态开始检验,但仍然不影响我们仿真验证的完备性.

摩尔型时序电路

摩尔时序电路无需考虑输入,输出和状态之间的关系,我们只需要使用寄存器和计数器来收集输入的信号,并进行逻辑运算即可.

我们使用3个JK触发器串行读取输入的X,并设置计数器为4进制,这样每当计数器从0计数到3时,对三个触发器和X的状态执行一次逻辑运算,如果满足”非BCD码”的条件,就输出一段脉冲.

非BCD码的判断条件经化简后为:

Q4（Q3+Q2）

则输出脉冲信号的逻辑表达式:

Q4（Q3+Q2）（QAQB）

计数器清零条件:

QC

这样,使用3个JK触发器和一个197计数器,就实现一个BCD码判断电路.

使用上面的串行16进制输出器进行动态仿真,波形如下:

其中最上面的波形为电路输出,中间的波形为时钟信号,下面的波形为串行16进制输出器产生的输入信号.可见,只有后6个波形出现非法脉冲,判断电路正常工作.

四、实验内容

1、实验目的

本实验要求设计一一个8421BCD码（串行输入）检测电路。

此电路是用来检测串行的8421码传输过程中是否发生错误。

假定8421BCD码传送过程中是由低位到高位串行输送，例如十进制2（代码为0010）是按0、1、0、0次序传送的。

如果在传送过程中代码发生错误，出现非法数码（不在0000到1001之间的代码）,则检测电路发生一脉冲信号。

实验所用触发器为JK触发器，要求自己设计、自己安装和测试。

2、设计过程

正式实验由于器件和线的限制，没有机会实现上述的16X4串行信号发生器和摩尔型时序电路。

只实现了米里时序电路，并用四分频的信号进行动态测试。

在3个JK触发器的J，K输入端按照上述的驱动方程接线，时钟信号并行接入JK触发器的CLK端，清零端均接高电平。

在输出口F接一个D触发器，其时钟信号与前面相同，D触发器清零端也接高电平。

对静态测试，脉冲接手动脉冲，输出端F‘接LED灯，输入X接模拟开关，观察不同输入时输出的变化。

作为动态输入，我们需要一个四倍于时钟周期的信号。

使用74LS197输出该信号，将CP0接时钟脉冲，QA接CP1，MR’和PL‘接高电平，并将被四分频的信号QC接入检测电路的输入端X，输出F‘接逻辑分析仪，观察动态波形。

五、测试过程

实验接线图：

静态测试：

输入序列为0101（1010/10）时，F‘为高电平

输入序列为1111（1111/15）时，F‘为高电平

输入序列为1110（0111/7）时，F‘为低电平

输入序列为1001（1001/9）时，F‘为低电平

经16次静态测试，能得到高电平输出的有1010，1011，1100，1101，1110，1111.体现了电路只对非BCD码信号输入的敏感性。

动态测试：

得到的波形如下图所示，由于QC信号具有相位的不确定性，对不同的起始状态位置，会导致对QC的不同截断方式，进而会产生不同的输出波形。

波形1：

图中波形从上到下依次为输出F’，Qc，反相后的时钟脉冲和时钟脉冲。

判断该图中的截断方式为0000和1111，其中0000不输出脉冲，1111输出脉冲。

波形2：

图中波形从上到下依次为输出F’，Qc，反相后的时钟脉冲和时钟脉冲。

判断该图中的截断方式为0001和1110，其中0001不输出脉冲，1110输出脉冲。

经判断此外还有两种截断方式，0011-1100和0111-1000，前者会在上图的左侧一周期远的地方产生脉冲，后者不会产生脉冲。

但个人感觉全部记录意义不大，只在这里做出说明。

由动态测试和静态测试结果，我们可以看出电路会对非8421码的信号，在最后一位的时刻输出一个时钟周期宽度的脉冲，说明电路正确，符合题目要求。

六、总结

①对固定需求的电路，往往根据实验器件的不同，会有相当多的设计方案，同时也各有优缺点。

比如本实验中的两种设计方案，米里时序电路使用状态转换来实现，只需要3个触发器描述六个状态，所需器件较少，但其状态搭建好后就不能做其他拓展，泛用性较差。

而摩尔时序电路需要3个触发器和一个计数器来实现，虽然使用了较多的器件，但我们只需要根据不同的需求对电路进行简单的改动，就能得到功能完全不同的电路，比如对偶数码产生脉冲，对质数产生脉冲等。

其泛用性远高于前者。

②实验中使用了一种防止错误码的技巧，使用锁存器锁定输出后再进行输出。

这可以将输出的时间点延长到CP的有效沿时刻，以留给输入信号一段时间进行变化，减少了错误的发生率。

这也提醒我们，如果要设计更严谨的电路，就要尽量让同步时钟影响到每一个电路单元。

③上述的，将并行16进制计数码转串行的器件设计出现了赘余，事实上使用节拍发生器来读取并行的四个信号会更简单且容易理解，但由于仿真实验时考虑的不周全，没能设计出这种电路，这也提醒我设计电路前要进行更周全的考虑。