实验名称：计数与分频电路；数字电路常见故障的分析与排除

设计方式：原理图

难度：⚡⚡⚡

适用教材：郭宇锋《电工电子基础实验（第2版）》

题目位置：P226 四-2  P220 四-3、4

寄语：计数器，启动！ 

        本次实验涉及示波器的“脉宽触发”，设置脉宽触发能够稳定波形。如果考试考到序列信号发生器，设置脉宽触发则是必须的。

以下为实验报告正文：

计数与分频电路

一、 实验目的

    1. 掌握任意进制计数器的设计方法；

    2. 了解非均匀周期信号波形的测试方法； 

    3. 掌握数字电路多路输出波形相位关系的测试方法； 

    4. 掌握数据选择器的应用。

二、 主要仪器设备及软件

    硬件：DGDZ-5型电工电子实验箱、电脑

    软件：ISE 14.7

三、 实验原理（或设计过程）

    1.利用计数器实现分频电路

        分频是指将意单一频率信号的频率降低为原来的 1/N，就叫 N 分频。实现分频的电路或装置称为“分频器”，这里的分频实际上是针对单频信号而言的。

        计数器实质是对输入的驱动时钟进行计数。所以计数器在某种意义上讲，等同于对时钟进行分频。一个最大计数长度为 N(从 0 计数到 N-1)的计数器，其最高位的输出，是输入频率的 N 分频。

    2.“计数器+数据选择器”组合实现序列发生器

        ①分析序列长度，如：序列长度=N； 

        ②根据序列长度确定计数器模长=N，设计计数器； 

        ③数据选择器实现序列码。

四、 实验电路图

五、 实验内容和实验结果

    1.设计一个分频比 N=5 的整数分频电路，观察并记录时钟脉冲和输出波形。

        (1)设计过程：由 N=5，周期与频率的关系，设时钟脉冲的周期为，，则分频后的信号周期。设计一个 N=5 的计数器，采用置数法设 计，其状态转移表如下：

        则将 CB4CLE 的数据端 D0~D3 输入 0000，将 Q2 接入置数端 L 即可， 最终电路图如【图 四-1】所示。

        (2)仿真及实验：在 ISE 14.7 中进行仿真，结果如下：

    2.试用数据选择器产生序列信号“1110010”，用示波器双踪观察并记录时钟脉冲和序列信号波形。

        (1)设计过程：由序列“1110010”，可知 N=7，采用 CB4CLE 和 M8_1E 和置数法进行设计，设其输出为 F，则有以下真值表：

        由置数法，将 Q2Q1 输入 CB4CLE 的置数端，数据选择器 M8_1E 的数据端 D0~D6 输入 1110010 即可。最终设计电路图如【图 四-2】所示。

        (2)仿真及实验：在 ISE 14.7 中进行仿真，结果如下图所示：

        将实验箱上的时钟信号接入 CP 端和示波器，F 接入示波器，其管脚约束 和实物电路如下图所示：

        示波器设置为脉宽触发，信源为 CH2（F 端），触发电压设置为 1.5V。 下图为示波器输出，上方为 CP 端波形，下方为 F 端波形。

    3.试用数据选择器 M8_1E 产生序列信号“1110010010”，用示波器双踪观察并 记录时钟脉冲和序列信号波形。

        (1)设计过程：由序列“1110010010”，可知 N=10，采用 CB4CLE 和 M8_1E 和置数法进行设计，设其输出为 F，则有以下真值表：

        观察上表，若将 Q1、Q2、Q3 接入 M8_1E 的地址端 S0、S1、S2，可得出 M8_1E 的数据输入表：

        最终设计电路图如【图 四-3】所示。 

        (2)仿真及实验：在 ISE 14.7 中进行仿真，结果如下图所示：

        将实验箱上的时钟信号 4k 接入 CP 端和示波器，F 接入示波器，其管脚约束和实物电路如下图所示：

        示波器设置为脉宽触发，信源为 CH2（F 端），脉宽条件设置为“正极性，大于”，脉宽设置 361us，触发电压设置为 1.5V。下图为示波器输出，上方为 CP 端波形，下方为 F 端波形。

六、 结果分析

    1.对五-1 的分析：

        观察【图 五-1 仿真结果】，可见每当 CP 经过 5 个上边沿时，输出 F 出现 1 次低电平，在遇到下一个上边沿后恢复为高电平。成功实现了 N=5 的整数分频电路。

    2.对五-2 的分析：

        观察对比【图 五-2 仿真结果】和【图 五-5 示波器波形】，发现其中的 F 端输出序列相同且与真值表和题设相符，均为“1110010”，可见电路通过了静态和动态测试，设计成功。

    3.对五-3 的分析：

        观察对比【图 五-6 仿真结果】和【图 五-9 示波器波形】，其输出序列均为“1110010010”，与真值表对应，完成了题设设计要求。

七、 实验小结

        本次实验我们第一次使用示波器的脉宽触发，在做序列信号发生器时要 记住这些关系：在“正极性，大于”的脉宽条件下，当 CP 为 2kHz 时，脉宽设置为 520us 左右；CP 为 4kHz 时，脉宽设置为 360us 左右。

        同时 CP 端和 F 端最好约束到 P90~P93 这四个端口中，保证板子接收和输出良好的波形边沿，使示波器的波形更稳定。

正文完。

        愿同学们实验顺利，美美下班！