交通灯控制逻辑电路设计实验报告

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　《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

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　员：

　 学

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　 所属学院：

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　实 验 室：

　 实验日期：

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　 交通灯控制逻辑电路的设计与仿真实现 一、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。

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　图 1 交通灯控制系统结构框图

　四、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 00→01→11→10→00 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 1 Q 0 ）

　绿灯 黄灯 红灯 绿灯 黄灯 红灯 00 √

　 √ 01

　√

　√ 11

　 √ √

　 10

　 √

　√

　报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 分别画出 Q0、Q1 的卡诺图,由卡诺图得到激励方程：

　D 1(t+1) =Q 0

　 D 0(t+1)= Q 1

　 Q0 Q1 0 1 0 1 1

　1 0 0

　 Q 0 卡诺图

　 Q 1 卡诺图

　 根据激励方程连接电路，并在 mulitsim 上测试，电路图如下：

　Q0 Q1 0 1 0 0 1

　1 0 1

　报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 2.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 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 Q 1 Q 0 分别为 00、11 和01、10。不难发现，A=B=D=Q 1 ⊕Q 0 ，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：

　报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 五、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：

　六、测试与调试说明（遇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 Q 0 与 Q 1 异或达到要求的目的。

　七、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。

　报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 八、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：

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　（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。