东南大学电工电子实验中心
实验报告
课程名称：计算机逻辑结构及设计
第三次实验
实验名称：时序逻辑电路 院（系）：吴健雄学院 专业： 姓名： 学号： 实验室: 实验组别：
同组人员：实验时间：年月日 评定成绩：审阅教师：
一、 实验目的
1. 2. 3. 4. 5. 6.
掌握时序逻辑电路的一般设计过程
掌握时序逻辑电路的时延分析方法，了解时序电路对时钟信号相关参数的基本要求 掌握时序逻辑电路的基本调试方法
熟练使用示波器和逻辑分析仪观察波形图 掌握ISE软件的使用方法 掌握VHDL语言
二、 实验原理
数字电路根据逻辑功能的不同特点，可以分成两大类，一类叫组合逻辑电路（简称组合电路），另一类叫做时序逻辑电路（简称时序电路）。组合逻辑电路在逻辑功能上的特点是任意时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入，与电路原来的状态无关。而时序逻辑电路在逻辑功能上的特点是任意时刻的输出不仅取决于当时的输入信号，而且还取决于电路原来的状态，或者说，还与以前的输入有关。
常用时序逻辑器件： 1. D触发器
D触发器有六个端口，CP接时钟周期信号，D为信号输入端。Q和~Q为信号输出端，~S和~R为使能控制端。在两个使能控制端都输入1时触发器锁存D，~R为0，~S为1时输出Q为1，反之输出Q为0.不允许两个使能端同时为0，会造成不稳定的未知状态。
D触发器是时序逻辑电路的基本器件，主要作用是在时钟信号上升沿将D的信号输出。
2. MSI计数器
计数器74161为模16计数器，其中包含两个使能端ENP和ENT，一个同步置数端~L,置数输入端D0~3，异步清零端~CLR，输出端Q0~3以及进位信号CO。计数器在时钟的上升沿输出加1.
除了74161外，还有74160、74163、74193、74197、74192等等，不同的MSI计数器有不同的特殊功能，但本质都类似，只是遵循不同的码制，清零置数方式以及增减模式而已。
计数器常用来制作分频器。 3. 移位寄存器
移位寄存器74194包括工作模式控制端S1S0，置数输入端D0~3，输出端Q0~3以及串行输入端。移位寄存器的功能是令Qn=Qn-1或Qn=Qn+1。
三、 实验内容
C）实验内容3：多方向交通灯（第11周课内周四验收，基础要求占本次实验分的80%，扩展要求占20%）
设计一个多方向交通灯，包括左转、直行和右转信号，时间用数码管显示，信号用LED显示，信号切换时间表如下表所示其中信号切换时间表A为基础要求，信号切换时间表A为扩展要求
(1) 写出设计过程，画出电路逻辑图
(2) 搭接电路（可修改利用实验二中已经完成的组合单元），验证实验结果
信号切换时间表A
时间(s) 40 40 40 40 东西（左转） 东西（直右） 南北（左转） 南北（直右） 红 绿 红 红 绿 红 红 红 信号切换时间表B
时间(s) 40 4 40 4 40 4 40 4
实验数据
①设计电路（真值表、卡诺图、函数表达式、电路原理图）：
本实验属于较复杂功能电路设计，理想的设计方式为在MSI时序和组合逻辑功能器件的基础上进行分模块设计。观察实验要求，预将电路分为三个部分：模44计数器；组合逻辑LED输出网络；数码管显示控制电路。
模44计数器：模计数器应用两个二进制四位计数器74161作为数码高位和低位数字的输出，首先将低位的计数器利用清零端调整为模10计数器。44对应的8421码为01000100，将这个信号反馈到置数端，每次计数到44时下一次置数为01.模44计数器电路设计完成。
东西（左转） 东西（直右） 南北（左转） 南北（直右） 红 红 绿 黄 红 红 红 红 绿 黄 红 红 红 红 红 红 红 红 红 红 红 红 绿 黄 红 红 红 红 绿 黄 红 红 红 红 红 绿 红 红 绿 红 组合逻辑LED输出网络：由题可知，整个流程有八个状态，但其实本质是四个以44s为周期的状态。结合第二次试验，对各LED输出有如下变量定义：
“1”代表低电平灯亮，“0”代表高电平不亮。 对各状态编码后，本实验中各状态下各变量值为：
StateR1G1Y1R2G2Y2R3G3Y3R4G4Y4000011101011011001011110011011010101011011011011110011011011100011011011101101011011011110110011011101011111011011110011 状态编码应当来自一个模8的计数器，再取一个74161改装成模8计数器，将计数器
三个低位的输出端与74138译码器的对应输入端相连。该模8计数器的时钟信号来自于一个与门输出的信号，这个信号在每一次模44 计数器输出为44和40之后上升一次，之后状态+1.
数码管显示控制电路：这部分的电路要求是在数码管显示40之后的四秒内高位数码管显示为0，相当于数完40之后再数4.利用之前74138输出的状态可以轻易实现控制。即在对应输出状态为001、011、101、111时使高位数码管的第三位置0，其余的时候按照模44计数就行。
将三个模块结合起来，检查使能端的连接后电路设计完毕如下：
此电路总共需要9个元器件：三片74161，一片74138，一片7420，三片7400，一片7404.
②静态验证：
答：（自拟表格）利用单脉冲测试后得到真值表为：
StateR1G1Y1R200001110010111010101001111001000110101011011001101110110测试结果G2Y2R3G3Y3R4G4Y40101101110011011110110111101101111011101110111101110101111110011
数据分析：LED灯与数码管上正数的时间都显示正确，设计完成。
③动态验证：
答：波形记录：将TTL信号输入时钟信号端，利用GW2000软件与逻辑分析仪测量时钟信号与12个LED灯上的波形，将所有的波形在同一时间轴上画出来如下：（表为通道对应的变量）
信号CLKR1G1Y1R2G2Y2R3G3Y3R4G4Y4通道D15D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11