1、實驗五 寄存器及其應用一、實驗目的1進一步熟悉雙穩態觸發器的運用。2掌握寄存器邏輯功能及使用方法。3通過對74LS194（4位雙向移位寄存器）的邏輯功能測試掌握其功能及使用方法。4利用74LS194雙向移位寄存器分別實現環形、扭環形計數器。5學會應用中規模集成4位雙向移位寄存器。二、實驗任務（建議學時：4學時）（一）基本實驗任務（非電類本科生只做4、5項）1驗證D觸發器構成的4位二進制碼寄存器的邏輯功能，掌握電路構成及原理；2驗證D觸發器構成的4位右移寄存器的邏輯功能，掌握電路構成及原理；3驗證D觸發器構成的4位左移寄存器的邏輯功能，掌握電路構成及原理；474LS194雙向移位寄存器的邏輯功能

2、測試；5用74LS194分別實現環形計數器和扭環形計數器，掌握其邏輯功能及用法。（二）擴展實驗任務（電類本科生2、3項任選一個，非電類本科生只做第1項）1利用一片74LS194設計一個4路流水燈控制電路。2用兩片74LS194設計一個8路流水燈控制電路。3利用兩片74LS194設計一個能產生如圖5-10所示時序的環形脈沖信號發生器。三、實驗原理寄存器和移位寄存器是數字系統和計算機中常用的基本邏輯單元。寄存器是存放二進制碼的電路，由觸發器構成（如圖5-1所示的4位二進制寄存器）。移位寄存器（又稱移存器）不僅能夠寄存數碼，而且具有移位功能。移位是數字系統和計算機技術中非常重要的一個功能。如二進制數

3、0011乘以2的運算，可以通過將0011左移一位實現；而除以2的運算則可通過右移一位實現。移位寄存器的分類：右移寄存器（如圖5-2所示）左移寄存器（如圖5-3所示）雙向移位寄存器（如圖5-4所示的74LS194）循環移位寄存器等。常用的集成移位寄存器：74LS164、74LS165、74LS166八位單向移位寄存器；74LS194為四位雙向移位寄存器；74LS195為四位單向移位寄存器；74LS198為八位雙向移位寄存器。移位寄存器的應用：1實現二進制碼的串并行轉換。在數字系統和計算機系統中，信息在遠距離線路上一般采用串行方式傳送，而終端的輸入或輸出往往采用并行方式進行，因此需要對信號進行串并

4、轉換或者并串轉換。按轉換方式的不同移位寄存器又可分為：并入并出型用于數據寄存；并入串出型用于多位數據共信道傳輸；串入并出型用于共信道傳輸數據接收；串入串出型用于數字延遲。2構成順序脈沖信號發生器。順序脈沖是指在每個循環周期內，在時間上按一定的先后順序排列的脈沖信號。利用順序脈沖信號可控制多個設備按照規定好的順序進行工作。在步進電機的驅動控制系統中，可利用移位寄存器產生符合步進電機控制要求的驅動脈沖，以實現對驅動器步矩的細分，達到對步進電機的精確控制。（一）基本實驗任務1. 驗證D觸發器構成的4位二進制碼寄存器的邏輯功能，掌握電路構成及原理圖5-1 D觸發器構成的4位二進制寄存器由4個D觸發器構

5、成的4位寄存器電路如圖5-1所示。D0D3為并行數輸入端，CP為時鐘脈沖輸入端，Q0Q3為并行輸出端。RD=0時，4個觸發器同時被置0。RD=1時，寄存器工作。當時鐘上升沿到來時，D0D3被并行送入4個觸發器中，此時Q3 Q2 Q1 Q0= D3 D2 D1 D0。RD=1、CP=0時，寄存器中寄存的4位數保持不變，即Q3 Q2 Q1 Q0的狀態保持不變。2. 驗證D觸發器構成的4位右移位寄存器的邏輯功能，掌握電路構成及原理圖5-2 D觸發器構成的4位右移寄存器如圖5-2所示，4位右移位寄存器由4個D觸發器構成，SR端位右移數據輸入端，Q3為右移輸出端，CP端為移位脈沖輸入端，從左向右依次定義

6、四個觸發器分別為FF0、FF1、FF2、FF3。設開始時Q0(n)Q3(n)均為0，串行數據輸入碼為0101，由低位向高位順序輸入。當輸入第一個數碼1時（使SR=1），D0=1，D1=Q0(n)=0、D2=Q1(n)=0、D3=Q2(n)=0，在第1個移位脈表5-1 右移位寄存器狀態表CP串行數據初 態次 態Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q30000000001100001000201000010031010010104010100101沖CP上升沿的作用下，Q0(n+1)=D0=1，Q1(n+1)=D1=Q0(n)=0，Q2(n+1)=D2= Q1(n)=0、Q3(n+1)=D3= Q2(n)

7、=0，這時寄存器狀態為Q3Q2Q1Q0=0001。其效果就是第一個數碼1存入FF0，數碼向右移了一位，同理FF1、FF2、FF3中的數也依次向右移了一位。當SR端輸入第二個數碼0時，在第二個移位脈沖CP的上升沿作用下，第二個數碼0存入FF0中，FF0中原來的數碼1右移入FF1，Q1=1；同理，Q2=Q3=0。如此，在4個移位脈沖的作用下，4位串行數據1101便全部存入寄存器中。右移情況如表5-1所示。3. 驗證D觸發器構成的4位左移位寄存器的邏輯功能，掌握電路構成及原理圖5-3 D觸發器構成的4位左移寄存器如圖5-3所示，由4個D觸發器構成的左移位寄存器，SL是左移數據輸入端，Q0為左移輸出端

8、。其工作原理與右移位寄存器相同，數據的移位過程同學們可以參考右移位寄存器自行分析。左移情況如表5-2所示。 表5-2 左移位寄存器狀態表CP串行數據初 態次 態Q3Q2Q1Q0Q3Q2Q1Q00000000001100001000211000110030110001104101101011 474LS194雙向移位寄存器的邏輯功能測試74LS194集成芯片引腳功能及排列如圖5-4所示。圖5-4 74LS194引腳排列 表5-3 74LS194功能表MRS1S0工作模式0置零100保持101右移110左移111并行輸入表5-4 74LS194 的邏輯功能清除模式時鐘串行輸入輸出功能總結MRS1S

9、0CPSLSRD0D1D2D3Q0Q1Q2Q311101001000101001001101000101101101101011D0D3：并行數輸入端；Q0Q3：并行輸出端；S0、S1：操作模式控制端，具體模式設置見表5-3；SL：左移數據輸入端；SR：右移數據輸入端；MR：清零端；CP：時鐘脈沖輸入端。5用74LS194分別實現環形計數器和扭環形計數器，掌握其邏輯功能及用法。74LS194構成的環形計數器如圖5-5所示，不能自啟，必須手動并行送數后才能實現環形計數功能。圖5-5環形計數器 圖5-6扭環形計數器74LS194構成的扭環形計數器如圖5-6所示，這種電路結構具有自啟動功能，該電路相

10、當于一個8分頻計數器。 （二）擴展任務（電類本科生在2、3項中任選一項完成，非電類本科生只做第1項）1利用74LS194設計一個4路流水燈控制電路。圖5-7四路LED燈控制器時序圖74LS194的Q0Q4、S0、S1、SL、SR各端時序波形圖如圖5-7所示。圖中用LR表示左移串行數據輸入端（SL）和右移串行數據輸入端（SR）的脈沖信號。74LS194的Q0Q4四個輸出端可用于驅動4只LED燈。2用兩片74LS194設計一個8路流水燈控制電路。圖5-8 8路彩燈控制器原理框圖表5-5 彩燈控制器輸出狀態編碼表節拍脈沖編碼QAQBQCQDQEQFQGQH-節拍脈沖編碼QAQBQCQDQEQFQGQ

11、H花型I花型II花型I花型II00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 010 0 0 1 1 0 0 01 0 0 0 1 0 0 051 1 1 0 0 1 1 10 1 1 1 0 1 1 120 0 1 1 1 1 0 01 1 0 0 1 1 0 061 1 0 0 0 0 1 10 0 1 1 0 0 1 130 1 1 1 1 1 1 01 1 1 0 1 1 1 071 0 0 0 0 0 0 10 0 0 1 0 0 0 141 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 180 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0以74LS1

12、94為核心用最少的器件設計一個8路彩燈控制器，2分配器可用D觸發器實現。8路彩燈控制器相關控制端時序圖見圖5-9所示，時序圖中SL=SR。設計要求：彩燈組成兩種花型，每種花型輪流交替。花型由中間到兩邊對稱地依次亮，全亮后仍由中間向兩邊依次滅。 花型8路燈分兩半，從左到右順序亮，全亮后再從左到右順序滅。 根據選定的花型可列出移位寄存器的輸出狀態編碼，如表5-5所示圖5-9 8路彩燈控制器時序圖（1）根據上述控制原理和要求設計出具體電路。 （2）分別測試單一花型運行時移位寄存器的工作狀態。（3）電路統調。 3利用74LS194設計一個環形脈沖信號發生器。如圖5-10所示時序，CP脈沖的頻率為300

13、Hz。三路信號A、B、C的周期相同，且三者在時序上依次相隔2個CP周期，每路信號每經過6個CP完成一次循環，B滯后2個CP后出現，滯后2個CP后出現，如此反復循環。利用兩片74LS194擴展成6位移位寄存器，每隔一位取出一路信號，即可得到如圖5-10所示時序關系的三路脈沖信號。要求：設計的電路要能實現自啟動功能。圖5-10 環形脈沖時序圖四、實驗預習1復習雙穩態觸發器、寄存器、移位寄存器等相關知識。2根據基本任務1-3項測試內容自擬測試表格。3畫出基本任務5中環形計數器、扭環形計數器實驗測試電路。4根據要求任選一個擴展任務，并用Multisim仿真軟件進行電路設計和仿真，設計出邏輯功能測試用表

14、格。五、實驗器材1數字電路實驗箱2數字萬用表3集成電路芯片1）74LS194 2只；2）74LS00 1只；3）74LS74 1只六、實驗內容與步驟（一）基本實驗任務1驗證D觸發器構成的4位二進制碼寄存器的邏輯功能，掌握電路構成及原理；根據圖5-4所示74LS194引腳排列圖，將集成芯片插入實驗箱中的集成插座上，Vcc接+5V，GND接地，CP接實驗箱單脈沖插孔，Q3 Q2 Q1 Q0分別接到四個LED（邏輯電平指示燈D4 D1）上，數據輸入端D3 D0分別接邏輯電平開關S4S1，其余引腳按圖5-1所示電路進行連接，然后進行功能測試，并將測試結果填入自擬測試表格中。2驗證D觸發器構成的4位左移

15、寄存器的邏輯功能，掌握電路構成及原理；根據圖5-4所示74LS194引腳排列圖，將集成芯片插入實驗箱中的集成插座上，Vcc接+5V，GND接地，CP接實驗箱單脈沖插孔，Q3 Q2 Q1 Q0分別接到四個LED（邏輯電平指示燈D4 D1）上，SR接邏輯電平開關S1，其余引腳按圖5-2所示電路進行連接，然后進行功能測試，并將測試結果填入自擬測試表格中。3驗證D觸發器構成的4位左移寄存器的邏輯功能，掌握電路構成及原理；根據圖5-4所示74LS194引腳排列圖，將集成芯片插入實驗箱中的集成插座上，Vcc接+5V，GND接地，CP接實驗箱單脈沖插孔，Q3 Q2 Q1 Q0分別接到四個LED（邏輯電平指示

16、燈D4 D1）上，SL接邏輯電平開關S1，其余引腳按圖5-3所示電路進行連接，然后進行功能測試，并將測試結果填入自擬測試表格中。474LS194雙向移位寄存器的邏輯功能測試；根據圖5-4所示74LS194引腳排列圖，將集成芯片插入實驗箱中的集成插座上，Vcc接+5V，GND接地，D0D3 、S0、S1、MR依次接邏輯電平開關S1S7，SL和SR短接到S8，然后按表5-4所規定的輸入狀態，逐項進行測試，驗證其各項功能。5用74LS194分別實現環形計數器和扭環形計數器，掌握其邏輯功能及用法。根據事先畫好的測試電路進行電路接線，然后測試并將結果記入自擬表中。（二）擴展實驗任務按照Multisim仿真調試通過的設計電路進行接線，對其邏輯功能進行測試，并將測試結果記錄到自擬測試表格中。七、注意事項1實驗電路連線事先用萬用表“二極管”擋進行檢測，保證連接電路的連線完好，正式連接實驗線路前，必須對所用芯片進行邏輯功能的驗證，保證接入電路的芯片功能完好。2將芯片插入插座，或者從插座上拔出芯片時，用力要均勻，避免用力不均導致芯片引腳彎曲變形甚至折斷。3注意集成芯片在集成芯片插座上的安裝方向不要弄反，器件和連線要插牢