1、1数字设计课程实验报告实验名称：交通灯控制逻辑电路的设计与仿真实现学 员： 学 号： 培养类型： 年 级： 专 业： 所属学院： 指导教员： 职 称： 实 验 室： 实验日期： 2交通灯控制逻辑电路的设计与仿真实现1、实验目的：1. 熟悉 Multisim 仿真软件的主要功能和使用。2. 熟悉各种常用的 MSI 时序逻辑电路的功能和使用。3. 运用逻辑设计知识，学会设计简单实用的数字系统。二、实验任务及要求：1.设计一个甲干道和乙干道交叉十字路口的交通灯控制逻辑电路。每个干道各一组指示灯（红、绿、黄）。要求：当甲干道绿灯亮 16 秒时，乙干道的红灯亮；接着甲干道的黄灯亮 5 秒，乙干道红灯依然
2、亮；紧接着乙干道的绿灯亮16 秒，这时甲干道红灯亮；然后乙干道黄灯亮 5 秒，甲干道红灯依然亮；最后又是甲干道绿灯亮，乙干道变红灯，依照以上顺序循环，甲乙干道的绿红黄交通指示灯分别亮着。2.要求：（1）分析交通灯状态变换，画出基于格雷码顺序的交通灯控制状态图。（2）设计时序逻辑电路部分，写出完整的设计过程，画出逻辑电路图。在Multisim 仿真平台上，搭建设计好的该单元电路，测试验证，将电路调试正确。（3）设计组合逻辑电路部分，写出完整的设计过程，画出逻辑电路图。在Multisim 仿真平台上，搭建设计好的该单元电路，测试验证，将电路调试正确。（4）用 74LS161 计数器构造 16 秒定
3、时和 5 秒定时的定时电路，画出连线图。在 Multisim 仿真平台上，选用 74LS161 芯片连线，测试验证，将电路调试正确。（5）在 Multisim 仿真平台上形成整个系统完整的电路，统调测试结果。三、设计思路与基本原理：依据功能要求，交通灯控制系统应主要有定时电路、时序逻辑电路及信号灯转换器组合逻辑电路组成，系统的结构框图如图 1 所示。其中定时电路控制时序逻辑电路状态的该表时间，时序逻辑电路根据定时电路的驱动信号而改变状态，进而通过组合逻辑电路控制交通灯系统正常运行。在各单元电路的设计顺序上，最先设计基础格雷码顺序的交通灯控制状态图，由此确定时序逻辑电路的设计，并完成该部分电路的
4、调试。接着在设计好时序路逻辑电路的基础上，根据状态输出设计组合逻辑电路，并完成该部分的调试。最后完成定时电路的设计与调试。整合电路，形成整个系统完整的电路，统调测试结果。3图 1 交通灯控制系统结构框图4、各单元电路设计与调试：1.时序逻辑电路的设计与调试分析交通灯状态变换，画出基于格雷码顺序的交通灯控制状态表。由表可知交通灯变换共有 4 种状态，因此需要两个触发器来控制其状态输出从0001111000 的状态循环。实验中采用两个 D 触发器设计电路。画出二进制码状态表现态 次态Q1 Q0 Q1 Q0交通灯状态甲干道 乙干道格雷码（Q 1Q0）绿灯 黄灯 红灯 绿灯 黄灯 红灯00 01 11
5、 10 40 0 0 10 1 1 11 1 1 01 0 0 0分别画出 Q0、Q1 的卡诺图,由卡诺图得到激励方程：D1(t+1)=Q0 D0(t+1)=Q1Q0Q1 0 10 1 11 0 0Q0 卡诺图 Q1 卡诺图根据激励方程连接电路，并在 mulitsim 上测试，电路图如下：Q0Q1 0 10 0 11 0 152.组合逻辑电路的设计与调试在设计好时序逻辑电路的基础上，对照交通灯状态转化表，设计出相应输出状态下的组合逻辑电路并测试。电路图如下：3.定时电路的设计与调试定时电路部分设计是交通灯系统设计的核心所在。按题目要求，用74LS161 设计出的电路需要能有 16 秒定时器与
6、5 秒定时器功能。考虑到需要用到 74LS161 的记满 16 进位功能，所以在 16 秒定时器的预置数是 0000，在 5 秒定时器的预置数为 1011，不难发现，其中 C 的预置位都为 0，故将其直接接地即可。 在 16 秒定时器中预置位A=B=D=0，在 5 秒定时器中预置位 A=B=D=1，而他们对应的状态Q1Q0 分别为 00、11 和 01、10。不难发现，A=B=D=Q1Q0，所以可以采取该方法预置输入。至于清零端，可采取记满进位信号来控制。电路图如下：65、整体电路设计与调试在完成了各部分电路的设计后，整合电路，完成整个交通灯系统的设计与仿真。电路图如下：6、测试与调试说明（遇
7、到的问题及解决办法）实验结果提交的 Multisim 文件有定时器电路文件、时序电路文件、组合译码电路文件及完整的交通灯电路文件。如图所示：在设计过程中，在时序逻辑电路及组合逻辑电路中并未遇到问题，而在定时器设计电路中刚开始时如何设置预置位困扰了我。在咨询同学下，发现了可以利用 Q0 与 Q1 异或达到要求的目的。7、总结与体会这次交通灯系统设计与仿真实验不仅让我巩固了平常的知识，提高了自己运用所学数字设计的能力，而且很大程度开拓了我的思维。这不像实验书中的实验那样给定电路图，你只需要按图连接元件就可以。这次实验需要我们自己发散思维，自己设计电路，很有效的检验和提高了我的数电设计能力。78、思考题（1）用 555 定时器构造“秒脉冲发生器”，作为电路的时钟信号部分。“秒脉冲发生器”电路（multisim 文件见附件）如下：电路测试截图如下：8（2）用门电路构造“减法计数器”，在系统中加入倒计时数字显示功能。倒计时电路 multisim 文件见附件。
