课程设计论文基于MATLAB的时序逻辑电路设计与仿真

课程设计任务书学生姓名： 专业班级：电子科学与技术 0602 班指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 基于MATLAB的时序逻辑电路设计与仿真 初始条件： MATLAB 软件 微机要求完成的主要任务: 深入研究和掌握数字电路中时序逻辑电路的理论知识。利用MATLAB强大的图形处理功能、符号运算功能和数值计算功能，实现时序逻辑电路的设计和仿真。1、 以寄存器为例仿真下列波形：并行寄存器输出波形（以基本RS触发器构造）；移位寄存器输出波形（以D触发器构造）；2、 双向移位寄存器为例实现子系统的设计和封装并仿真下列波形：4位双向移位寄存器并行输出波形；4位双向移位寄存器串行右移输出波形；4位双向移位寄存器串行左移输出波形；3、 以扭环计数器为例仿真下列波形：扭环计数器的输出波形（以JK触发器实现）； 4、运用MATLAB里的软件仿真时序逻辑电路波形。时间安排：学习MATLAB语言的概况 第1天学习MATLAB语言的基本知识 第2、3天学习MATLAB语言的应用环境，调试命令，绘图能力 第4、5天课程设计 第6-9天答辩 第10天指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录摘要 IAbstract 1 Matlab软件简介 11.1 Matlab简介11.2 Matlab的功能特点11.3 Matlab常用工具箱22设计任务及要求 321设计任务 32.2设计要求33设计原理及分析43.1并行寄存器的仿真43.2 移位寄存器的仿真63.3 双向移位寄存器的仿真93.4 扭环计数器的仿真114总结14参考文献 15摘要MATLAB是一种高性能、强大的数据处理软件。它包含科学计算、图像处理、仿真分析等各个方面，应用相当广泛。本次课程设计利用MATLAB中的M文件与SIMULINK方式完成了对时序逻辑电路的设计与仿真，初步了解与掌握了这一技能。课程设计的主要内容包括了基本RS触发器、D触发器、JK触发器，还包括了由这些基本元件所构成的并行输出寄存器、移位寄存器和扭环计数器。关键词：MATLAB 时序逻辑电路 SIMULINK仿真AbstractMATLAB is a high-performance language powerful data-processing software . It integrates computation, visualization, and simulation with widw application.The purpose of our training is to strengthen the use of MATLAB to achieve the handling of the .M files and Simulink, including analyzing ,designing and emulating the sequential logic circuit.Its content contains RS Trigger ,D Trigger and JK Trigger.Besides that , shifter trigger and decimalist counter comprised by those components is important.KEY WORDS：MATLAB Sequential logic SIMULINK1 Matlab软件简介11 Matlab简介MATLAB是矩阵实验室（MATrix LABoratory）的缩写1，是由美国的The MathWorks公司推出的一种高级语言。其基本数据单位是矩阵，早期也主要用于现代控制中复杂的矩阵、向量的各种运算。由于 MATLAB提供了强大的矩阵处理和绘图功能，编写了许多专门的工具包如控制系统工具包、系统辨识工具包、信号处理工具包、鲁棒控制工具包、最优化工具包等等，所以一直以来就是科学研究者首选的计算机数学语言。如今它已是一种包罗众多学科的功能强大的技术计算语言。MATLAB以矩阵作为基本编程单元，它提供了各种矩阵的运算与操作，并有较强的绘图功能。MATLAB集科学计算、图像处理、声音处理于一身，是一个高度的集成系统，有良好的用户界面，并有良好的帮助功能。MATLAB不仅流行于控制界，在机械工程、生物工程、语音处理、图像处理、信号分析、计算机技术等各行各业中都有极广泛的应用。1.2 Matlab的功能特点:按照功能优势来划分，Matalb主要有以下八大优点： 友好的工作平台和编程环境MATLAB由一系列图形用户界面和相应的非常简单易学的工具组成。这些工具包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的人机交互性更强，操作更简单。 友好的工作平台和编程环境Matlab一个高级的距阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。 强大的科学计算数据处理能力MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而且经过了各种优化和容错处理。 出色的图形处理功能MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和距阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。 应用广泛的模块集合工具箱MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱， 诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等。 实用的程序接口和发布平台MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C+数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C+代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C语言程序。另外，MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。 应用软件开发（包括用户界面）在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5。1.3 Matlab常用工具箱:l Matlab Main Toolboxmatlab主工具箱l Control System Toolbox控制系统工具箱l Communication Toolbox通讯工具箱l Higher-Order Spectral Analysis Toolbox高阶谱分析工具箱l Image Processing Toolbox图象处理工具箱l Signal Processing Toolbox信号处理工具箱l Symbolic Math Toolbox符号数学工具箱2 设计任务及要求21 设计任务：深入研究和掌握数字电路中时序逻辑电路的理论知识。利用MATLAB强大的图形处理功能、符号运算功能和数值计算功能，实现时序逻辑电路的设计和仿真。22 设计要求：1、用MATLAB实现仿真寄存器波形：1) 以基本RS触发器为基础的并行寄存器；2) 以D触发器为基础的移位寄存器；2、用MATLAB实现子系统的设计和封装：1) 4位双向移位寄存器并行输出波形；2) 4位双向移位寄存器串行右移输出波形；3) 4位双向移位寄存器串行左移输出波形；3、用MATLAB实现时序电路的设计：以JK触发器为基础仿真扭环计数器的波形。3设计原理及分析3.1 并行寄存器的仿真3.1.1 基本RS触发器的原理 在时序逻辑电路中的一种重要的逻辑单元RS触发器的内部原理图及真值表如下所示2： 表1 RS触发器真值表 SRQ触发状态00不变不变保持010101010111不确定 图1 RS触发器内部结构 3.1.2 基本RS触发器构成D锁存器 在时序逻辑电路中的可由RS触发器与逻辑门构成D锁存器,D锁存器的内部原理图及真值表如下所示3：图2 D触发器内部结构表2 D触发器的真值表ENDQ功能0 不变不变保持1001置01110置13.1.3 4位并行寄存器的Matlab图形与真值表4位并行寄存器可以由4个寄存器同时在使能信号EN的作用下并行置数,进行刷新状态,相应的Matlab的连线图及真值表如下所示:图3 4位并行寄存器结构表3 4位并行寄存器的功能表工作模式END内部寄存器状态Q使能和读锁存器10 001111锁存和读锁存器0 000 113.1.4 4位并行寄存器的仿真波形 如下图所示,第一个波形为使能输入端,周期为2,占空比为60%的方波;第二个波形为周期为1.5,占空比为50%的数据输入端。此处的四位数据输出端可设定为同一波形，如下面第三个波形所示。 图4 4位并行寄存器的仿真波形3.2 移位寄存器的仿真 3.2.1 D触发器的原理 触发器的逻辑功能可以用逻辑表达式来描述，称之为触发器的特性方程。D触发器的特性方程为4 （1）以触发器的现态和输入信号为变量,以次态为函数,描述之间的逻辑关系的真值表称为触发器的特性表。D触发器的特性表如下所示：表4 D触发器的特性表DD0001000111113.2.2 移位触发器的Matlab图形与真值表在同一脉冲沿作用时，可将寄存器的二进制代码或数据依次移位，用来实现数据的串并转换，4位移位寄存器的结构与状态表如下所示：图5 4位移位寄存器结构表5 移位寄存器的状态表CP第一个CP脉冲之前 1 2 3 43.2.3 移位寄存器的仿真波形 如下图所示,第一个波形为时钟输入端,周期为2,占空比为50%的方波;第二个波形为周期为2.5,占空比为70%的数据输入端。剩下的四个波形分别是移位寄存器的四个输出端的波形。 图6移位寄存器仿真波形3.3 双向移位寄存器的仿真3.3.1 双向移位寄存器的原理 采用Ports and subsystems 模块库中的Subsystem功能模块，利用其编辑区可设计组合新的功能模块四选一数据选择器,其内部原理图及功能表如下所示: 图7 双向移位寄存器的结构图表7 双向移位寄存器的功能表输入输出控制信号串行输入时钟CP3.3.2 双向移位寄存器的仿真波形(a)输入波形分别为时钟输入端、控制移位端S1，S0，左移和可移的数据输入端端。图8（a） 输入波形图（b）输出波形:分别为移位寄存器的输出波形。图8（b） 输出波形图3.4 扭环计数器的仿真3.4.1 扭环计数器的原理 由环形计数器的输出可知其利用效率不高,若将输出进行相连,即可构成扭环计数器,5个触发器构成的十状态扭环计数器的原理图5即状态图如下所示: 图9 十状态扭环计数器的原理图相应的状态图如下所示:00011000010000000111100000111111000111101110011111 图10 十状态扭环计数器的状态图 此时可将JK触发器构成基本的D触发器,即将K置低电平0即可。3.3.2 扭环计数器的仿真波形如下图所示,第一个波形为时钟输入端,周期为0.5,占空比为60%的方波;其余六个波形分别表示相应的D触发器所输出的状态。图11扭环计数器的仿真波形4 小结通过这次对于MATLAB的课程实践设计，我觉得收获了很多。首先，通过对MATLAB的实践设计，掌握了MATLAB的基本的程序编程仿真方法，感觉 matlab语法简单,易于绘制图形、仿真。在练习中觉得所加的工具箱与强大的系统仿真能力，Simulink建模在专业应用上十分有效。 第二，Matlab的“帮助”里面也有相关的指示。通过学习其中的相关提示，不仅可以运用其中附带的许多相关的例子进行练习，而且可以熟练一下相关的专业英语。第三，本次课程设计在老师的指导下，参阅相关的资料文献，对比练习了大量的实例，终于完满地完成了对时序逻辑电路的设计与仿真。这次课程实践的时间有限，但是觉得还是学到了一些知识，总的来说收获还是比较大的。参考文献1 阮沈勇，王永利.MATLAB程序设计.电子工业出版社.2004.012 康华光. 数字电子技术基础. 高等教育出版社.20053 EDA技术与VHDL，潘松,黄继业.清华大学出版社2007.2.4 高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社.20025 梁虹.信号与系统分析及MATLAB实现.电子工业出版社.2002.02本科生课程设计成绩评定表姓 名童嘉新性 别男专业、班级电子科学与技术专业0602班课程设计题目： 基于MATLAB的时序逻辑电路设计和仿真课程设计答辩或质疑记录：1基本RS触发器有一个状态是不确定的,是如何构成状态稳定的D触发器的?答：可在R端和S端中间加入一个反相器，这样R和S端的状态就始终相反，避免了R和S同为1时的不确定状态。2在用JK触发器实现扭环计数功能时实际上是用D触发器的什么特性，是如何实现的？答：是利用其翻转特性实现的。由JK触发器和D触发器的真值表可知，只需将JK触发器的K端一直接低电平时即可构成D触发器。 3扭环计数器的计数功能的效率比一般直接计数器的功能要高，是如何实现的？答：将扭环计数器的最右边的输出端接回最左边的输入端即可构成扭环计数器，同时可保证此十状态扭环计数器具有自启动功能。成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日