數(shù)字電路分析和相關(guān)設(shè)計第5章數(shù)字電路的分析與設(shè)計

數(shù)字電路不同于模擬電路，它是以數(shù)字信為處理對象，研究各輸入與輸出之間的聯(lián)系，實現(xiàn)一定的邏輯關(guān)系的電路。數(shù)字邏輯基礎(chǔ)主要涵蓋數(shù)制與編碼、布爾代數(shù)及其邏輯實現(xiàn)、集成邏輯電路、觸發(fā)器，為電路分析和設(shè)計準備基礎(chǔ)知識；數(shù)字電路的分析和設(shè)計方法，包括組合邏輯電路、同步時序邏輯電路、異步時序邏輯電路以及脈沖產(chǎn)生與整形電路；可編程邏輯器件，包括ROM、PLA、PAL、GAL及在系統(tǒng)編程技術(shù)。本章我們以幾個數(shù)字邏輯電路設(shè)計中的經(jīng)典例子，來說明Proteus在數(shù)字電路的分析和設(shè)計中的強有力輔助作用。5.1

數(shù)字電路中的常用元件與儀器

由于Proteus為英文界面，這對于部分專業(yè)英文不太好的讀者來說，調(diào)用各類元件是件頭疼的事。我們除了在第二章把元件的分類給大家作了系統(tǒng)介紹外，還會在各章對各類常用元件和儀器做進一步的介紹。希望讀者能夠通過重復來加深記憶，熟能生巧。5.1.1CMOS4000系列

打開拾取元件對話框，在類別中位于第三的是CMOS4000series，即CMOS4000系列元件，如圖5-1所示，它是一種早期生產(chǎn)的CMOS器件，在國外已限用，但由于這類器件比較便宜，目前我們國家使用的還比較多。圖5-1CMOS4000系列元件4000系列與74系列是對應(yīng)的，比如4000系列的4511和74系列的7448對應(yīng)，都是BCD到七段顯示譯碼器，輸出高電平有效，如圖5-2所示。從圖中可以看出，除了4、5管腳的標識和用法稍有不同外，其他管腳號及標識都一樣。它們用來驅(qū)動共陰極七段數(shù)碼顯示。但提醒大家注意的是，它們的工作電壓和邏輯電平標準并不完全一致。

圖5-2BCD到七段顯示譯碼器4511與74484000系列元件的子類劃分，如圖5-3所示，和74系列也是對應(yīng)的，如表5-1所示。名稱含義Adders加法器Buffers&Drivers緩沖器和驅(qū)動器Comperators比較器Counters計數(shù)器Decoders譯碼器Encoders編碼器Flip-Flops&Latches觸發(fā)器和鎖存器FrequencyDividers&Timers分頻器和定時器Gates&Inverters門電路和反相器Memory存儲器Misc.Logic混雜邏輯器件Multiplexers選擇器Multivibrators多諧振蕩器Phase-Locked-Loops(PLL)鎖相環(huán)Registers寄存器SignalSwitches信號開關(guān)另外，元件也可按生產(chǎn)廠家來查找，如圖5-3中的Fairchild、Miccochip和TexasInstruments都是制造商的名稱。圖5-34000系列元件的子類5.1.2TTL74系列

TTL74系列根據(jù)制造工藝的不同又分為如圖5-4所示的幾大類，每一類的元件的子類都相似，比如7400和74LS00功能一樣。圖5-4TTL74系列由于每一類元件眾多，而對于學過數(shù)字電子技術(shù)的讀者來說，對常用的元件功能代號已熟悉，可在元件拾取對話框中的“Keywords”中鍵入元件名稱，采用直接查詢的方式比較省時，如圖5-5所示。圖5-5直接拾取元件對話框5.1.3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在Proteus元件拾取對話框中的“DataConverters”類中，如圖5-6所示。常用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器有并行8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(如ADC0809)、8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(如DAC0808)、LF××采樣保持器、MAX××串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器、位雙斜坡AD轉(zhuǎn)換器、具有I2C接口的小型串行數(shù)字濕度傳感器TC74及具有SPI接口的溫度傳感器TC72和TC77等。可按子類來查找圖5-6數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器類元件拾取對話框5.1.4可編程邏輯器件及現(xiàn)場可編程邏輯陣列

可編程邏輯器件及現(xiàn)場可編程邏輯陣列位于Proteus元件拾取對話框中的PLDs&FPGAs類中，此類元件較少，沒有再劃分子類，一共有十二個元件，如圖5-7所示。圖5-7可編程邏輯器件及現(xiàn)場可編程邏輯陣列類元件5.1.5顯示器件

數(shù)字電路分析與設(shè)計中常用的顯示器件在Proteus元件拾取對話框中的Optoelectronics類中，如圖5-8所示。圖5-8顯示器件常用的七段顯示，元件名的前綴為7SEG-，在用到此類元件時，采取部分查詢方法，直接在“Keywords”中輸入“7SEG-”即可，根據(jù)元件后面的英文說明來選取所需元件。比如，圖5-8中右面前三行列舉的元件都是七段BCD數(shù)碼顯示，輸入為四位BCD碼，用時可省去顯示譯碼器；第四、五、六行都是七段共陽極數(shù)碼管，輸入端應(yīng)接顯示譯碼器7447。第七、八、九行三個數(shù)碼管都是七段共陰極接法，使用時輸入端應(yīng)用接顯示譯碼器7448。我們來仔細看一下顯示器件的子類劃分，如圖5-9所示。顯示器件共分十類，如表5-2所示。圖5-9顯示器件的子類名稱含義7-SegmentDisplays七段顯示AlphanumericLCDs數(shù)碼液晶顯示BargraphDisplays條狀顯示(十位)DotMatrixDisplays點陣顯示GraphicalLCDs圖形液晶顯示Lamps燈泡名稱含義LCDControllers液晶控制器LEDs發(fā)光二極管Optocouplers光電耦合器SerialLCDs串行液晶顯示器表5-2顯示器件的分類常用的發(fā)光二極管LEDs子類中的元件如圖5-10所示。選用時要用ACTIVE庫中的元件而不用DEVICE庫中的元件，在本書中，我們都使用這一規(guī)定，ACTIVE庫中的元件是能動畫演示的，而DEVICE是不能的，但像一般電阻就不需要動畫演示，可用DEVICE庫中的元件。圖5-10子類LEDs中的器件“BargraphDisplays”條狀顯示子類中只有兩個元件，如圖5-11所示。主要區(qū)別在于顏色不同，這個元件相當于十個LED二極管并排放置在一起，管腳號小的一端接高電平，管腳號大的一端接低電平。在多個發(fā)光二極管共同使用時，通常用它比較方便。圖5-11條狀顯示5.1.6調(diào)試工具

數(shù)字電路分析與設(shè)計中常用的調(diào)試工具在Proteus元件拾取對話框中的“DebuggingTools”類中，一共不到二十個，如圖5-12所示。其中最常用的是邏輯電平探測器LOGICPROBE[BIG](用在電路的輸出端)、邏輯狀態(tài)LOGICSTATE和邏輯電平翻轉(zhuǎn)LOGICTOGGLE(用在電路的輸入端)。不妨調(diào)出來試試看。圖5-12調(diào)試工具上述講到的顯示元件和調(diào)試工具，我們已經(jīng)調(diào)出來了一部分，并適當?shù)剡B了線，如圖5-13所示。圖5-13部分元件和調(diào)試工具的使用方法5.2555定時器

555定時器是一個非常有用的模擬數(shù)字混合器件，我們在進行數(shù)字邏輯電路設(shè)計時經(jīng)常要用它來組成無穩(wěn)態(tài)或單穩(wěn)態(tài)電路，產(chǎn)生連續(xù)或單個脈沖。555定時器能在寬電源電壓范圍內(nèi)工作，可承受較大的負載電流。雙極型555定時器的電源電壓為5~16V，最大負載電流為200mA。CMOS型7555定時器的電源電壓為3~18V，最大負載電流為4mA。下面我們對555定時器內(nèi)部的工作原理及幾種應(yīng)用電路進行詳細介紹。5.2.1555定時器的內(nèi)部構(gòu)成

555定時器因其內(nèi)部有三個5K串聯(lián)電阻而得名。內(nèi)部仿真原理圖見圖5-14，其中4端復位未給出。U1和U2為兩個模擬器件，接成了電壓比較器；U3和U4兩個與非門接成了低電平輸入有效的鎖存器，前面各加上一個反相器，變成了輸入高電平有效的鎖存器，U5為反相緩沖器，驅(qū)動輸出；Q1為三極管，發(fā)射極1端應(yīng)接地，通過控制其基極電位使其工作在導通或關(guān)斷兩個狀態(tài)。圖5-14555定時器的內(nèi)部仿真原理圖由于理想運放輸入端電流可考慮為零，所以三個5K電阻串聯(lián)對8端的直流電源Vcc進行分壓，其中U1的反相端和U2的同相端分別為2Vcc/3和Vcc/3。555定時器的三個輸入端與輸出端及內(nèi)部三極管的狀態(tài)之間的關(guān)系如表5-3所示。輸入輸出復位(4)VI1(6)VI2(2)VO(3)Q1

狀態(tài)低低導通高>2VCC/3>VCC/3低導通高<2VCC/3>VCC/3不變不變高<2VCC/3<VCC/3高關(guān)斷高>2VCC/3<VCC/3高關(guān)斷表5-3555定時器輸入輸出之間的關(guān)系5.2.2555定時器組成的多諧振蕩器

555定時器外接一個電容充放電電路即可構(gòu)成一個無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，在3端產(chǎn)生方波信號，且頻率可調(diào)，如圖5-15所示圖5-15555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器在555定時器的電源8端和接地1端之間從上到下串接電阻R4、R5和電容C2。把555定時器的6端和2端(即內(nèi)部兩個電壓比較器的同相和反相輸入端)連在一起，再接到電容C2上端，即兩個比較器的外部輸入電壓都取為電容C2上的變化量，再與各自的固定電壓2Vcc/3和Vcc/3比較，觸發(fā)鎖存器，使Q1飽和導通。因7端接在R5上方，此時相當于接地，C2通過R5放電。然后R4、R5和C2回路再充電，反復進行的結(jié)果，將導致3端輸出方波。為了觀看這種效果，C2應(yīng)拾取“CAPACITOR”(ACTIVE庫)元件，且在U5前放置“LOGICPROBE[BIG]”邏輯電平探測器，觀察輸出電平的變化及與Q1導通之間的關(guān)系。下面再放置一個圖表分析。這在學完第一章已經(jīng)有了初步的印象，圖表分析不同于示波器，可靜態(tài)分析圖形，并且自動生成，還可隨圖形一起打印，用于分析或教學很方便。圖表中可添加軌跡，所謂軌跡，即電路中被測點的電壓隨時間變化的曲線，可以是模擬量或數(shù)字量。添加軌跡的第一步是在被測點加上電壓探針，一共加四個，分別為C2上的模擬電壓變化量Vc、內(nèi)部5K電阻上的兩個固定點電壓V2/3和V1/3以及輸出Vout。先運行仿真，可以看到這幾點電壓值的變化情況。停止仿真。點擊左邊工具欄內(nèi)的圖表類型按鈕，在對象選擇區(qū)“GRAPHS”中選“MIXED”(混合)項，如圖5-16所示。然后在圖形編輯區(qū)點擊鼠標左鍵拖出一個圖表分析框，再次點擊左鍵確認，如圖5-17所示。圖5-16圖表類型選擇圖5-17圖表分析框在圖5-17中的非標題區(qū)，即中間的空白區(qū)雙擊，出現(xiàn)如圖5-18所示的對話框，可修改圖表分析的標題為“555ANALYSIS”。再把橫軸的時間長度改為6秒。因為本題555構(gòu)成的方波周期為1秒，這樣可出現(xiàn)6個周期，當然也可以再少幾個周期。圖5-18修改標題及橫坐標接下來可在圖表框中加入軌跡，即我們上邊添加的四個電壓探針，但這里我們只添加兩個軌跡，Vc和Vout。這兩個量一個為模擬量，一個為數(shù)字量。加入軌跡時，多個模擬量的縱坐標起始點一般是一樣的，數(shù)字量則位于不同的位置。為了使Vc和Vout位于同一起始高度，必須把二者都當作模擬量來添加。在圖表框內(nèi)點擊右鍵即出現(xiàn)右鍵菜單，選取“AddTraces”，出現(xiàn)一個對話框。先選擇軌跡類型為“Analog”模擬量，在ProbeP1中出現(xiàn)四個探針，選擇Vc，如圖5-19所示，點擊“OK”，關(guān)閉對話框。再重復添加軌跡，仍選擇軌跡類型“Analog”，在ProbeP1中選擇“Vout”。按“Space”空格鍵即生成相應(yīng)的波形，而不必點擊仿真運行按鈕。圖5-19添加模擬量軌跡對話框移動鼠標指針到圖表分析框的標題處，鼠標變成畫筆狀，雙擊，出現(xiàn)圖表分析的放大畫面，可修改它的各項屬性，尤其是背景及軌跡的顏色。555定時器接成多諧振蕩器時的頻率計算公式為其中由此可計算出圖5-15中的輸出頻率約為1Hz。由集成器件連接而成的頻率可調(diào)的方波發(fā)生器電路如圖5-20所示。示波器的動態(tài)波形如圖5-21所示。圖5-20由集成555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器圖5-21多諧振蕩器示波器的波形5.2.3555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)電路

555定時器接成單穩(wěn)態(tài)電路時，通過外部觸發(fā)可產(chǎn)生單脈沖，且脈沖寬度Tw可通過下面式子計算。圖5-22為單穩(wěn)態(tài)電路的仿真圖。其中R1和按鈕組成一個負脈沖發(fā)生器，操作時動作盡量為快，這個時間要遠遠小于Tw的寬度才能觀察到效果。示波器的圖形如圖5-23所示，其中上方的正脈沖為單穩(wěn)態(tài)電路的輸出，下方為觸發(fā)脈沖。圖5-22555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路圖5-23555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路示波器波形5.3四路彩燈

四路彩燈是數(shù)字電路設(shè)計中一個非常有趣的課題，結(jié)合Proteus會使整個設(shè)計和分析快捷而輕松。題目設(shè)計要求如下：共有四個彩燈，分別實現(xiàn)三個過程，構(gòu)成一個循環(huán)共12秒；第一個過程要求四個燈依次點亮，共4秒；第二個過程要求四個燈依次熄滅，共4秒，先亮者后滅；最后4秒要求四個燈同時亮一下滅一下，共閃4下。5.3.1核心器件74LS194簡介

其實這個題目主要考察的是四位雙向通用移位寄存器74LS194的靈活應(yīng)用，四個燈可用四個發(fā)光二極管表示。74LS194的引腳圖如圖5-24所示。圖5-2474LS194的引腳圖5-24中引腳MR為復位信號，正常工作時應(yīng)接高電平；CLK為時鐘信號，上升沿到來時有效。74LS194的時序圖如圖5-25所示。圖5-2574LS194的時序圖74LS194有四種工作方式，分別由S1S0組成的兩位二進制數(shù)來控制，如表5-4所示。S1S0輸出Q0~Q3數(shù)據(jù)輸入00保持不變×01右移SR10左移SL11并行輸出D0~D3表5-474LS194的四種工作方式74LS194的功能如表5-5所示。輸

入輸

出功

能時鐘復位控制串入并入Q0Q1Q2Q3CPCrS1S0DSLDSRD0D1D2D3X0XXXXXXXX0000清零↑111XXD0D1D2D3D0D1D2D3置數(shù)↑110DXXXXXQ1Q2Q3D左移↑101XDXXXXDQ0Q1Q2右移↑100XXXXXXQ0Q1Q2D3保持表5-574LS194的功能表5.3.2題目分析與設(shè)計

此題應(yīng)把四路彩燈接在74LS194的Q0~Q3上，SR穩(wěn)定接一高電平，SL穩(wěn)定接地電位，而D0~D3接周期為1秒的方波信號。下面關(guān)鍵是時鐘和方式控制S1S0的信號如何實現(xiàn)才能滿足題目的要求。三個過程每個4秒，加起來正好12秒。如果選擇CLK為周期1s的方波信號，好像就可以了，但是前兩個過程可以，最后一個過程卻不能精確地實現(xiàn)。圖5-26是正確的CLK信號與1Hz方波信號的比較。圖5-26正確的CLK信號與1Hz方波信號的比較前面我們已經(jīng)確定D0~D3接1Hz的方波信號，那么Q0~Q3在讀D0~D3的信號時是在CLK上升沿到來的一瞬間，看圖5-26的前半部分，如果二者一樣，CLK的每個上升沿到來時讀到的都是高電平，燈就會一直亮著，不會出現(xiàn)閃的效果。所以，當74LS194的工作方式為11時，一定要改變CLK的信號頻率為D0~D3信號頻率的2倍，才可以在D0~D3的一個周期內(nèi)出現(xiàn)CLK的兩個上升沿，Q0~Q3分別讀到1和0各一次，如圖5-26的后半部分。即正確的時鐘信號在整個12秒時間應(yīng)該是前8秒為1Hz的頻率，后4秒變?yōu)?Hz的頻率，可以用555定時器產(chǎn)生2Hz的方波信號，再用D觸發(fā)器分頻產(chǎn)生1Hz的方波信號，如圖5-27所示。二者分別與控制信號相與再通過或門即可得到CLK信號。圖5-27用555產(chǎn)生的2Hz及1Hz方波信號下面再來分析S1S0的信號。四種工作方式中剔除第一種S1S0為00的情況，那么S1S0應(yīng)按01、10、11的順序循環(huán)，可設(shè)計一個同步計數(shù)器，時鐘周期為4秒，共三個狀態(tài)。S1及S0的波形應(yīng)如圖5-28所示。S1S0與非及相與的結(jié)果如圖中后兩個信號，正好用來分別鎖定1Hz及2Hz信號，分別與它們相與后再進入或門，即產(chǎn)生了正確的時鐘信號，如圖5-26所示圖5-28S1及S0的波形圖S1S0信號的產(chǎn)生可用集成計數(shù)器實現(xiàn)，但在這里，為加強同步時序邏輯電路的設(shè)計知識，我們使用D觸發(fā)器來設(shè)計一個同步三進制計數(shù)器，時鐘周期為4秒。設(shè)計步驟如下：(1)列狀態(tài)真值表。設(shè)S1S0對應(yīng)的觸發(fā)器輸出分別為Q1Q0，則狀態(tài)真值表如表5-6所示。Q1nQ0nQ1n+1Q0n+100××011010111101表5-674狀態(tài)真值表(2)求狀態(tài)方程。根據(jù)列出的狀態(tài)真值表，分別求出Q1和Q0的狀態(tài)方程為(3)求驅(qū)動方程。由D觸發(fā)器的特性方程可直接寫出驅(qū)動方程為(4)電路實現(xiàn)。根據(jù)驅(qū)動方程，連接電路如圖5-29所示。因為我們設(shè)計出的是一個同步時序邏輯電路，注意圖中兩個D觸發(fā)器的時鐘連接在一起接周期為4秒的時鐘信號。這部分電路也可以直接用集成計數(shù)器來完成，見后面。圖5-29產(chǎn)生S1S0的三進制同步計數(shù)器5.3.3仿真

根據(jù)以上分析，連接電路如圖5-30所示，其中省去了555及二分頻電路，直接用數(shù)字脈沖源進行仿真。另外，圖中所有D觸發(fā)器的異步輸入端在實際電路連接時最好接高電平。產(chǎn)生時鐘的電路用與非與非邏輯替代了與或邏輯，因為與非門的應(yīng)用最普遍。平時我們在設(shè)計電路時，通過卡諾圖化簡得到的與或式，要想全部用與非門實現(xiàn)，可在草紙上直接畫成與或邏輯，然后只需要在與門的輸出端與此線的另一頭即或門的輸入端各加一個小圓圈，兩個邏輯非抵消，不影響邏輯關(guān)系，直到把或門的輸入處理完畢為止。這樣或門前面的與門都變成了與非門，或門變成了非或門，而根據(jù)摩根定理，非或門恒等于與非門。圖5-30中的U4:B、U4:C和U4:D就是用與非與非邏輯實現(xiàn)的與或邏輯。圖5-30四路彩燈的仿真圖5.3.4擴展電路

在四路彩燈電路的設(shè)計過程中，你可以充分發(fā)揮自己的想象空間，擴展出花樣不同的電路。我們會想到用兩片74LS194來完成八路彩燈電路的設(shè)計，要求可以和前面的例子一樣，也可以不一樣。如果彩燈的動作是兩個、兩個一組，八個彩燈共分成四組，依次點亮和熄滅，共同閃爍，應(yīng)該怎樣實現(xiàn)？或者說兩個、兩個一組，流水似的向左或向右滾動，又該怎樣實現(xiàn)？其實，關(guān)鍵問題有兩個：一是四路彩燈的工作方式(右移、左移或并行輸出)，二是信號的模式(三個輸入信號各是什么樣的狀態(tài)？高電平、低電平抑或是方波)。解決了這兩個問題，其它就很容易明白和實現(xiàn)了。下面我們重點來分析一下八路彩燈的實現(xiàn)方法。要求和上例一樣，八個燈從左到右依次點亮，各一秒，共八秒；接下來八個燈從右到左依次熄滅，各一秒，共8秒；最后八個燈同時閃爍八次，也是八秒。共24秒。因為前例中我們已經(jīng)做了詳細的分析，這里的燈的動作流程沒有什么變化，只不過要把兩片74LS194連接成一個整體，接收統(tǒng)一的指令來工作。另外我們把它們的移位方式控制信號S1S0的產(chǎn)生電路變成易于實現(xiàn)的集成電路來完成。圖5-31是已設(shè)計完成的仿真電路圖。圖5-31八路彩燈的仿真圖計數(shù)器74190是一個中規(guī)模集成、十進制可逆計數(shù)器，通過或門把它接成一個模三的計數(shù)器，即當輸出為0100時，裝入數(shù)據(jù)0001，構(gòu)成循環(huán)0001→0010→0011→0001。74190的Q1Q0輸出作為兩片74LS194的移位方式控制信號S1S0，把兩片74LS194的S1和S0分別并起來后再接這兩個信號。圖中74190接成了加計數(shù)的形式。再來看一看兩片74LS194是如何連接的。首先把兩個芯片的時鐘并在起，接成同步時序電路。接著把兩個芯片的并行數(shù)據(jù)輸入端D3D2D1D0全部連接在一起外接一個周期為一秒的方波信號，實現(xiàn)八個燈一起閃爍。最后是左移和右移信號的處理。上面的芯片所驅(qū)動的燈先依次點亮，所以右移時的輸入信號應(yīng)從它的SR輸入，接高電平；把上面的芯片的輸出Q3接下面芯片的SR，這樣右移時的信號就可以從第一個芯片的Q0一直傳遞到第二個芯片的Q3了。左移時也一樣，輸入信號接下面芯片的SL，下面芯片的Q0接上面芯片的SL。在圖5-31中，左移和右移的輸入信號直接來自74LS194的輸出。5.4八路搶答器

搶答器的應(yīng)用非常普遍，可用在各類競賽中。本題目的設(shè)計要求如下：主持人按下?lián)尨稹伴_始”按鈕，同時喇叭發(fā)出“嘀”的一聲，八路搶答開始；八路搶答按鈕的編號分別為1~8，一次只能有一人搶答成功；當某一路搶答成功時，發(fā)光二極管立即點亮，并在數(shù)碼管上顯示該路的號數(shù)，直到主持人按復位開關(guān)為止，其他人再搶答無效；主持人按“復位”按鈕后，必須下次重新?lián)尠础伴_始”按鈕才能繼續(xù)搶答。5.4.1核心器件74LS148簡介

仔細分析知道，搶答器的輸入為八路搶答按鈕及主持人控制的搶答開始和清零兩個按鈕。搶答器的輸出有一個發(fā)光二極管、一個數(shù)碼管和一個蜂鳴器。因為要把八路的開關(guān)量轉(zhuǎn)變成對應(yīng)的數(shù)字來顯示，而顯示譯碼器接收的是BCD碼，所以這里要用到8-3線編碼器。而74LS148是一個中規(guī)模且具有優(yōu)先編碼權(quán)限的集成器件，它的優(yōu)先權(quán)按輸入端編號從高到低。74LS148的引腳圖如圖5-32所示。圖5-3274LS148的引腳圖EI是使能端，低電平有效。EO和GS都為輸出，且互反。當EI有效，且正常編碼時，即八個輸入中有任一個輸入有效，則EO為高電平，GS為低電平；如果沒有一路輸入為低電平，則EO為低電平，GS為高電平。這兩個引腳通常用于芯片的擴展。輸入編號為7的優(yōu)先權(quán)最高。當EI有效時，輸入與輸入的對應(yīng)關(guān)系如表5-7所示。輸

入輸出(6、7、9)7有效

0006有效

0015有效

0104有效

0113有效

1002有效

1011有效

1100有效

111表5-774LS148的輸入輸出對應(yīng)關(guān)系5.4.2題目分析與設(shè)計

為了能使數(shù)碼管正確顯示每一路輸入的對應(yīng)編號，還必須把74LS148輸出的反碼再正過來。加反相器行嗎？因為編碼器是組合邏輯電路，信號不能保持，一旦某一路的搶答按鈕搶答結(jié)束，輸出編碼也就不復存在了，數(shù)字無法持續(xù)顯示，所以必須使用鎖存器電路，對74LS148的輸出進行取反的同時并鎖存，直到復位信號到來。八路搶答器的原理如圖5-33所示，下面我們分塊來介紹設(shè)計原理。1.編碼部分由八路電阻與按鈕串接在電源和地之間，中間點引出接到優(yōu)先編碼器74LS148的八個輸入端，S1~S7分別接到輸入1~7，而S8接到輸入0上，當S8動作時顯示“8”。這樣使搶答者的編號1~7正好與編碼器的輸入和輸出對應(yīng)上。六個D觸發(fā)器用來鎖存信號，只使用異步輸入端，相當于低電平輸入有效的RS鎖存器。中間三個D觸發(fā)器的異步置位S端接編碼器的三個輸出，經(jīng)過反相保持后接到顯示譯碼器的輸入端。異步清零端R都接到另一個D觸發(fā)器U5:B的端，由復位按鈕來控制。輸入S8按鈕接到了74LS148的輸入0上，而它的優(yōu)先權(quán)是最低的，也就是只要沒有其他輸入有效就會編0的編碼，造成此開關(guān)按下或不按下都顯示0。這樣的話，我們可以直接把這S8經(jīng)鎖存器U5:A接到74LS47顯示譯碼器的測燈輸入端LT(低電平有效)，只要S8按下就顯示8，這樣S8的優(yōu)先權(quán)就變成最高的了。而8位搶答者之間是沒有優(yōu)先權(quán)之分的，所以，無論誰先搶答，此時都會使74LS148的GS信號為高電平，把此信號經(jīng)過D觸發(fā)器U8:A鎖存再與置位、復位信號U5:B相或產(chǎn)生74LS148的使能信號。當“開始”按下后，U5:B異步置位，此信號作為U8:A的時鐘使其輸出高電平與U5:B的輸出相或，來封鎖74LS148的使能信號EI，達到S1~S8中任一開關(guān)按下后其他開關(guān)不起作用。圖5-33八路搶答器的完整電路2.復位部分復位電路分別由兩個電阻串兩個按鈕以及一個D觸發(fā)器U5:B組成。按下“復位”按鈕，使U5:B的異步置位端S有效，端為低電平，使圖5-33上排的五個鎖存器及U8:A全清零。這時顯示譯碼器接收到輸入為0的信號，而從U3:B的Q端送來的低電平信號接在74LS47的滅零輸入端RBI，即當輸入ABCD皆為低而5端又為低時，輸出什么也不顯示。“復位”按后，由于處于滅零顯示狀態(tài)，使EI為高電平，故搶答不起作用。只有“開始”按鈕按后才起作用。3.顯示部分顯示部分電路一是數(shù)碼管顯示，二是發(fā)光二極管顯示。數(shù)碼管顯示主要注意兩點：顯8時使用測燈輸入端LT為低來實現(xiàn)，而該顯示0時采用滅零輸入端RBI為低來轉(zhuǎn)換(RBO為輸出端不要接任何線)。復位時采用滅零顯示。即開始搶答前，如沒有搶答，數(shù)碼管不顯示，復位后也不顯示。發(fā)光二極管的顯示比較簡單，只要有搶答就開始亮，直到復位。它應(yīng)是兩部分信號的或邏輯產(chǎn)生的高電平來點亮發(fā)光二極管。一是S8搶答有效，二是S1~S7搶答有效。當S8搶答時，U5:A的輸出低電平與74LS148的使能信號EI相或后給74LS47的測燈輸入，使數(shù)碼管各段全部點亮顯示8，而U5:A的Q端輸出為高，我們引入到或門；當S1~S7搶答時，U3:B的Q送給74LS47的滅零輸入端RBI的是高電平，不允許滅零，把它也引入到或門。故當八路有任一路搶答時，或門U6:A輸出高電平驅(qū)動發(fā)光二極管亮。“復位”按鈕一作用，各D觸發(fā)器改變狀態(tài)，或門的兩個輸入都變成低電平，發(fā)光管熄滅，同時把74LS148的使能信號EI高電平解除。4.蜂鳴部分這部分要求，開始按鈕一按下，發(fā)出一聲短促的“滴”聲。考慮用555組成單穩(wěn)態(tài)電路，產(chǎn)生一個一定寬度的正脈沖，輸出驅(qū)動蜂鳴器發(fā)音。關(guān)于聲音的輸出，Proteus提供了三個仿真元件，即SPEAKER、SOUDER和BUZZER，分別由模擬量信號、數(shù)字量信號和直流電源來驅(qū)動，使用時要注意適當修改它們的電壓才能使其正確工作。把電路分解成若干部分，先分析核心部分，再不斷分析解決出現(xiàn)的問題，進行分步仿真驗證，逐步完善電路，最終設(shè)計出整個電路圖。5.5數(shù)字鐘

數(shù)字鐘電路是一款經(jīng)典的數(shù)字邏輯電路，它可以是一個簡單的秒鐘，也可以只計分和時，還可以計秒、分、時，分別為12小時制或24小時制，外加校時和整點報時電路。本題目的設(shè)計要求為：能計秒、分、時，且為24小時制；能進行數(shù)字顯示；分和時能夠校對；實現(xiàn)整點報時功能，且四高一低。5.5.1核心器件74LS90簡介

本題目的核心器件是計數(shù)器。計數(shù)器的選擇很多，常用的有同步十進制計數(shù)器74HC160以及異步二、五、十進制計數(shù)器74LS90。這里選用74LS90芯片。74LS90的引腳圖如圖5-34所示。圖5-3474LS90引腳圖74LS90內(nèi)部是由兩部分電路組成的。一部分是由時鐘CKA與一位觸發(fā)器Q0組成的二進制計數(shù)器，可計一位二進制數(shù)；另外一部分是由時鐘CKB與三個觸發(fā)器Q1、Q2、Q3組成的五進制異步計數(shù)器，可計五個數(shù)000~100。如果把Q0和CKB連接起來，CKB從Q0取信號，外部時鐘信號接到CKA上，那么由時鐘CKA和Q0、Q1、Q2、Q3組成十進制計數(shù)器。R0(1)和R0(2)是異步清零端，兩個同時為高電平有效；R9(1)和R9(2)是置9端，兩個同時為高電平時，Q3Q2Q1Q0=1001；正常計數(shù)時，必須保證R0(1)和R0(2)中至少一個接低電平，R9(1)和R9(2)中至少一個接低電平。74LS90的功能如表5-8所示。

R0(1)R1(2)R0(1)R1(2)Q3Q2Q1Q0110

×11×0000000000

×11×011100110010

××00

×0

××0×0×00

×

計數(shù)表5-874LS90的功能表毫無疑問，本題每個74LS90都應(yīng)首先接成十進制計數(shù)器，如圖5-35所示。74LS90內(nèi)部原理如圖5-36所示，這是一個異步時序電路。圖中的S1、S2對應(yīng)于集成芯片的6、7管腳，R1、R2對應(yīng)于集成芯片的2、3管腳，CP0對應(yīng)于14管腳，CP1對應(yīng)于12管腳，Q3、Q2、Q1、Q0分別對應(yīng)于11、8、9、12管腳。圖5-3574LS90接成的十進制計數(shù)器圖5-3674LS90的內(nèi)部原理圖5.5.2分步設(shè)計與仿真

1.計時電路計時電路共分三部分：計秒、計分和計時。其中計秒和計分都是60進制，而計時為24進制。難點在于三者之間進位信號的實現(xiàn)。(1)計秒、計分電路個位向十位的進位實現(xiàn)。用兩片74LS90異步計數(shù)器接成一個異步的60進制計數(shù)器。所謂異步60進制計數(shù)器，即兩片74LS90的時鐘不一致。個位時鐘為1Hz方波來計秒，十位計數(shù)器的時鐘信號需要從個位計數(shù)器來提供。進位信號的要求是在十個秒脈沖中只產(chǎn)生一個下降沿，且與第十秒的下降沿對齊。只能從個位計數(shù)器的輸出端來提供，不可能從其輸入端來找。而計數(shù)器的輸出端只有Q0、Q1、Q2、Q3四個信號，要么是其中一個，要么是它們之間的邏輯運算結(jié)果。把個位的四個輸出波形畫出來，如圖5-37所示。由于74LS90是在時鐘的下降沿到來時計數(shù)，所以Q3正好符合要求，在十秒之內(nèi)只給出一個下降沿，且與第十秒的下降沿對齊。Q2雖然也只產(chǎn)生一個下降沿，但產(chǎn)生的時刻不對。圖5-3774LS90接成的個位計數(shù)器時序圖這樣，個位和十位之間的進位信號就找到了，把個位的Q3(11端)連接到十位的CKA(14端)上。六十進制的實現(xiàn)。當計秒到59時，希望回00。此時個位正好是計滿十個數(shù)，不用清零即可自動從9回0；十位應(yīng)接成六進制，即從0~5循環(huán)計數(shù)。用異步清零法，當6出現(xiàn)的瞬間，即Q3Q2Q1Q0=0110時，同時給R0(1)和R0(1)高電平，使這個狀態(tài)變成0000，由于6出現(xiàn)的時間很短，被0取代。接線如圖5-38所示。圖5-3874LS90接成的60進制計數(shù)器當十位計數(shù)到6時，輸出0110，其中正好有兩個高電平，把這兩個高電平Q2和Q1分別接到74LS90的R0(1)和R0(1)端，即可實現(xiàn)清零。一旦清零，Q2和Q1都為0，不能再繼續(xù)清零，恢復正常計數(shù)，直到下次再同時為1。計秒電路的仿真圖如圖5-38所示，計分電路和計秒電路是完全一致的，只是周期為1S的時鐘信號改成了周期為60秒即1分的時鐘信號。秒向分的進位信號的實現(xiàn)。計分電路的關(guān)鍵問題是找到秒向分的進位信號。當秒電路計到59秒時，產(chǎn)生一個高電平，在計到60時變?yōu)榈碗娖剑瑏硪粋€下降沿送給計分電路做時鐘。計秒電路在計到59時的十位和個位的狀態(tài)分別為0101和1001，把這四個1與起來即可，即十位的Q2和Q0，個位的Q3和Q0，與的結(jié)果作為進位信號。使用74LS20四入與非門串反相器構(gòu)成與門，如圖5-39所示。計分電路與計秒電路一樣，只是四入與門產(chǎn)生的信號應(yīng)標識為59分。圖5-39計分電路的時鐘信號

(2)計時電路用兩片74LS90實現(xiàn)二十四進制計數(shù)器，首先把兩片74LS90都接成十進制，并且兩片之間連接成具有十的進位關(guān)系，即接成一百進制計數(shù)器，然后在計到24時，十位和個位同時清零。計到24時，十位的Q1=1，個位的Q2=1，應(yīng)分別把這兩個信號連接到雙方芯片的R0(1)和R0(2)端。如個位的Q2接到兩個74LS90的R0(1)清零端，十位的Q1接到兩個74LS90的R0(2)清零端。計時電路的個位時鐘信號來自秒、分電路產(chǎn)生59分59秒兩個信號相與的結(jié)果，如圖5-40所示圖5-4024進制計時電路計分和計時電路可以先單獨用秒脈沖調(diào)試，以節(jié)省時間。聯(lián)調(diào)時，可把秒脈沖的頻率加大。以上三部分電路接起來就是一個簡單的無校時和報時的數(shù)字鐘電路，如圖5-41所示。圖中為了把數(shù)顯集中在一塊，可以直接把時、分、秒的數(shù)碼管拖動到一起。但為了仿真時使器件管件的邏輯狀態(tài)顯示不影響數(shù)顯的效果，可以從主菜單中把邏輯狀態(tài)顯示去掉。具體操作為【System】→【SetAnimationOptions】打開如圖5-42所示的對話框，取消選中“AnimationOptions”中的“ShowLogicStateofPins?”，然后單擊“OK”按鈕。

圖5-41具有秒、分、時的數(shù)字鐘電路2.校時電路接下來把校時電路加上。校時電路主要完成校分和校時。選擇校分時，撥動一次開關(guān)，分自動加一；選擇校時時，撥動一次開關(guān)，小時自動加一。校時校分應(yīng)準確無誤，能實現(xiàn)理想的時間校對。校時校分時應(yīng)切斷秒、分、時計數(shù)電路之間的進位連線。如圖5-43，虛框內(nèi)是校時電路，由去抖動電路和選擇電路組成。圖5-42仿真參數(shù)設(shè)置對話框圖5-43校時電路(1)去抖動電路去抖動電路主要是由兩個與非門構(gòu)成的低電平觸發(fā)有效的RS鎖存器，SW1為校時拔動開關(guān)，無論校分或校時都撥動該開關(guān)。撥動一個來回，在U16:B與非門的輸出端產(chǎn)生一個穩(wěn)定的下降沿。(2)選擇電路SW2和SW3都拔到左邊，選擇校時；SW2拔到右邊、SW4拔到左邊，選擇校分；如果正常計數(shù)時，SW3和SW4都拔到右邊，與校時電路斷開聯(lián)系。3.整點報時電路所謂整點報時，只報時不報分。為了簡化電路，每當計到59分50秒時開始報時，響一秒停一秒，正好響五次。前四次為低音，最后一響為高音。

(1)報時開始信號計到59分50秒時，分和秒計數(shù)器的狀態(tài)如下：分十位：Q3Q2Q1Q0=0101分個位：Q3Q2Q1Q0=1001秒十位：Q3Q2Q1Q0=0101其中，計到59分的信號已有，如圖5-42中所示。只需把它和計秒電路的十位中的Q2Q0相與作為開始報時的一個條件即可。見圖5-44，U17:A和U6:F組成的與門輸出即為報時開始信號。圖5-44整點報時電路(2)報時鎖存信號用秒個位的計數(shù)器輸出進行四高一低的報時鎖存信號。現(xiàn)在來分析一下50~59秒之間秒個位的狀態(tài)。秒個位：Q3 Q2 Q1 Q00 0 000 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 1結(jié)合題目要求，通過這些狀態(tài)的觀察發(fā)現(xiàn)，秒個位的和Q0邏輯與后，正好在秒個位計到1、3、5、7時產(chǎn)生高電平，0、2、4、6時產(chǎn)生低電平，可作低四聲報時的鎖存信號；秒個位的Q3和Q0邏輯與后，正好在秒個位為9時產(chǎn)生高電平，可作高音的報時鎖存信號，這樣就產(chǎn)生了兩個報時鎖存信號。(3)報時把上述分析得到的報時開始信號分別和兩個報時鎖存信號相與，產(chǎn)生兩路報時鎖存信號，如圖5-44，上面一路為高音報時鎖存，下面一路為低音報時鎖存。圖中左面三個與非門實現(xiàn)的是與或邏輯，前面已經(jīng)有介紹。上下兩路報時鎖存信號分別與1kHz和500Hz的音頻信號(20Hz~20kHz)相與或來驅(qū)動數(shù)字喇叭，實現(xiàn)整點報時功能。這里喇叭使用元件SOUNDER，它接收數(shù)字信號。需要說明的是，調(diào)試時，可以把59分50秒這個報時開始信號直接用高電平取代，這樣比較省時。另外實際連接電路時，可用555定時器產(chǎn)生一個1kHz的方波，再經(jīng)D觸發(fā)器二分頻得到500Hz的方波信號。計時電路的1Hz方波也可由555定時器產(chǎn)生，但由于標準電阻和電容值的選擇會帶來一些積累誤差，也可選用其他更精確的振蕩電路來實現(xiàn)。圖5-45是完整的數(shù)字鐘電路圖圖5-45完整的數(shù)字鐘電路圖5.6音樂教室控制臺

音樂教室控制臺并不是數(shù)字邏輯電路中很經(jīng)典的題目，但它主要用了可逆計數(shù)器和數(shù)據(jù)分配器，加強了數(shù)字組合邏輯電路中非常重要的兩個環(huán)節(jié)的應(yīng)用。題目設(shè)計要求如下：音樂教室分多個室，教師和學生不在同一個室，要求教師對學生通過語音進行課堂指導，可任意指定要指導的學生，也可按順序指導，共有學生40名。教師所在的屋設(shè)有數(shù)碼顯示以顯示每個學生的代號(00~39)，并設(shè)有拔碼開關(guān)，可設(shè)置要單個指導的學生代號或輪流指導的初始學生代號。單個指導時，指導時間由教師決定，輪流指導時時間可調(diào)。輪流指導時，有正序和反序兩種方式。正序從N到39，再返回N；反序從N到N–1，直到00，再返回N。5.6.1核心器件74LS190簡介

本題目所用到的核心器件是十進制可逆計數(shù)器74LS190(也可用4510)。74LS190的引腳圖如圖5-46所示。圖5-4674LS190的引腳圖CLK時鐘上升沿到來時計數(shù)。計數(shù)方式有兩種，加計數(shù)和減計數(shù)。當=0時，加計數(shù)；當=1時，減計數(shù)。E為使能端，低電平有效。PL為異步預置數(shù)端，低電平時，把D3、D2、D1、D0輸入端預設(shè)的數(shù)對應(yīng)輸出到Q3、Q2、Q1、Q0中。TC和RCO都為終端計數(shù)輸出，前者輸出正脈沖，后者輸出負脈沖，分別為加計數(shù)計到9~0和減計數(shù)計到0~9時輸出脈沖。5.6.2題目分析與設(shè)計本題目采用兩片74LS90可逆計數(shù)器來計00~39個數(shù)，采用四片74HC154(4-16)譯碼器作數(shù)據(jù)分配器，接40個發(fā)光二極管來模擬學生端收到的信號。本題只進行單向信息傳送，如果要實現(xiàn)雙向信息傳送，即教師也可聽到學生彈琴或視唱，則需另加其他電路，這里暫不考慮。1.計數(shù)電路計數(shù)電路是本題目設(shè)計的難點和重點，主要包括兩位十進制加減計數(shù)器的級連、預置數(shù)電路中撥碼開關(guān)的模擬、手動置數(shù)和自動加、減計數(shù)電路的實現(xiàn)及顯示電路的設(shè)計。(1)計數(shù)器的級連先不考慮預置這部分，把兩個74LS190連接成同步的100進制計數(shù)器，即把兩個芯片的時鐘接在一起，個位的計數(shù)終端輸出RCO接到十位的使能端E上，因為一個是0~9或9~0時輸出負脈沖，一個是輸入低電平有效，如圖5-47所示。圖5-47計數(shù)器的連接

(2)計數(shù)方式的連接兩片74LS190應(yīng)具有同樣的計數(shù)方式。所以應(yīng)把二者的連接在一起，接到一個兩位開關(guān)上，當開關(guān)接高電平時，減計數(shù)；當開關(guān)接地時，加計數(shù)。(3)預置數(shù)端預置數(shù)端PL低電平有效。此題有手動和自動兩種方式，手動置數(shù)時，教師在置數(shù)電路中先置一個數(shù)，比如20號學生，再把手動/自動預置數(shù)開關(guān)撥到低電平，直接使PL=0，把20裝入到計數(shù)器中，計數(shù)器不進行計數(shù)，一直保持目前狀態(tài)，直到PL=1為止。在這段時間內(nèi)認為教師指導20號學生，表示該生接收信息的對應(yīng)發(fā)光二極管會一直亮。當自動置數(shù)時，又分加計數(shù)和減計數(shù)兩種情況。加計數(shù)時，從N計到40時，給出一個低電平信號使PL有效，裝入提前設(shè)置好的數(shù)N；減計數(shù)時，減到00后，再減一個數(shù)變成99，此時要產(chǎn)生一個低電平信號使PL有效，裝入提前設(shè)置好的數(shù)N，再接著進行減計數(shù)。通過以上的分析，連接成如圖5-47所示的電路。雙聯(lián)開關(guān)同時用于選擇加/減計方式和加減計數(shù)時產(chǎn)生的不同的PL信號，反送給PL。由于加計數(shù)時計到40返回N，所以只需把十位的Q2反相后給