基于74HC74的模4计数器与流水灯设计

"该资源是华中科技大学人工智能与自动化学院的一份实验报告，主题是集成D触发器与时序逻辑设计，主要介绍了如何使用D触发器设计简单时序逻辑电路，如模4计数器和2-4线译码器，并涉及FPGA的应用。" 在时序逻辑设计中，D触发器扮演着核心角色。D触发器是一种边沿触发的存储元件，其特性是数据(D)端口的输入在时钟脉冲边沿到来时被采样并存储，在没有新的时钟脉冲时，输出保持不变，除非有复位或置位信号。在实验中使用的74HC74是一款高速CMOS D触发器，具备清零(reset)和模式(mode)控制功能。当reset被置为1时，触发器的状态会被清零，导致所有输出为0，这在实验中表现为灯光全部熄灭。而当mode被置为0时，通过计数器的递增操作，两个灯会按照00, 01, 10, 11的顺序依次亮起，展示了时序逻辑的计数功能。 实验目的不仅在于理解和测试时序逻辑电路，还包括学习如何设计和搭建电路，以及使用不同的CMOS逻辑电路芯片。在设计时序逻辑电路时，通常遵循以下步骤： 1. 分析问题，建立状态图和状态表，这是理解系统行为的基础。 2. 对状态进行化简，确定最小数量的状态来表示所有可能的情况。 3. 计算需要的状态位数，进行状态编码，这决定了触发器的数量。 4. 选择合适的触发器类型，本实验中选择了D触发器。 5. 计算并简化激励方程组和输出方程组，这些方程描述了电路在不同输入和状态下的行为。 6. 根据简化后的方程绘制逻辑电路图，并进行实验验证。 实验内容包括设计和组装模4计数器和2-4线译码器。模4计数器使用74XX74 D触发器和逻辑门实现，它在每个时钟上升沿增加计数值，直到达到3，然后重置回0。2-4线译码器则根据输入的二进制码，使得特定的发光二极管亮起，形成流水灯效果。在FPGA选做实验中，学生被要求设计一个可逆的模4计数器，通过编程验证其功能。 实验结果与分析部分详细记录了流水灯实验的过程，包括电路设计、搭建和测试，其中模4计数器部分的Q1和Q0用于表示计数状态，而D触发器的D端口连接到前一级触发器的Q输出，形成级联计数结构。 通过这个实验，学生能够深入理解时序逻辑电路的工作原理，以及如何使用D触发器和逻辑门设计复杂的数字系统。同时，这也为他们提供了实践经验，为未来在自动化、人工智能等领域的更高级应用打下了坚实的基础。