实验七　移位寄存器及其应用

一、实验目的

　  1、掌握中规模4位双向移位寄存器逻辑功能及使用方法。

  　2、熟悉移位寄存器的应用 — 实现数据的串行、并行转换和构成环形计数器。

二、实验原理

    1、移位寄存器是一个具有移位功能的寄存器，是指寄存器中所存的代码能够在移位脉冲的作用下依次左移或右移。既能左移又能右移的称为双向移位寄存器，只需要改变左、右移的控制信号便可实现双向移位要求。根据移位寄存器存取信息的方式不同分为：串入串出、串入并出、并入串出、并入并出四种形式。

　　本实验选用的4位双向通用移位寄存器，型号为CC40194或74LS194，两者功能相同，可互换使用，其逻辑符号及引脚排列如图7－1所示。

 

图7－1  CC40194的逻辑符号及引脚功能

    其中 D₀、D₁ 、D₂ 、D₃为并行输入端；Q₀、Q₁、Q₂、Q₃为并行输出端；S_R 为右移串行输入端，S_L 为左移串行输入端；S₁、S₀ 为操作模式控制端；为直接无条件清零端；CP为时钟脉冲输入端。

CC40194有5种不同操作模式：即并行送数寄存，右移(方向由Q₀→Q₃)，左移（方向由Q₃→Q₀），保持及清零。

S₁、S₀和端的控制作用如表7－1。

表7－1

     2、移位寄存器应用很广，可构成移位寄存器型计数器；顺序脉冲发生器；串行累加器；可用作数据转换，即把串行数据转换为并行数据，或把并行数据转换为串行数据等。本实验研究移位寄存器用作环形计数器和数据的串、并行转换。

(1)    环形计数器

把移位寄存器的输出反馈到它的串行输入端，就可以进行循环移位，

如图7－2所示，把输出端 Q₃ 和右移串行输入端S_R 相连接，设初始状态Q₀Q₁Q₂Q₃＝1000，则在时钟脉冲作用下Q₀Q₁Q₂Q₃将依次变为0100→0010→0001→1000→… …，如表7－2所示，可见它是一个具有四个有效状态的计数器，这种类型的计数器通常称为环形计数器。图7－2 电路可以由各个输出端输出在时间上有先后顺序的脉冲，因此也可作为顺序脉冲发生器。

                                          表8－2

图 7－2 环形计数器

    如果将输出Q_O与左移串行输入端S_L相连接，即可达左移循环移位。

(2)实现数据串、并行转换

① 串行/并行转换器

串行/并行转换是指串行输入的数码，经转换电路之后变换成并行输出。

图7－3是用二片CC40194（74LS194）四位双向移位寄存器组成的七位串/并行数据转换电路。

 

图7－3   七位串行 / 并行转换器

电路中S₀端接高电平1，S₁受Q₇控制，二片寄存器连接成串行输入右移工作模式。Q₇是转换结束标志。当Q₇＝1时，S₁为0，使之成为S₁S₀＝01的串入右移工作方式，当Q₇＝0时，S₁＝1，有S₁S₀＝10，则串行送数结束，标志着串行输入的数据已转换成并行输出了。

串行/并行转换的具体过程如下：

转换前，端加低电平，使1、2两片寄存器的内容清0，此时S₁S₀＝11，寄存器执行并行输入工作方式。当第一个CP脉冲到来后，寄存器的输出状态Q₀～Q₇为01111111，与此同时S₁S₀变为01，转换电路变为执行串入右移工作方式，串行输入数据由1片的S_R端加入。随着CP脉冲的依次加入，输出状态的变化可列成表7－3所示。

      表7－3 

由表7－3可见，右移操作七次之后，Q₇变为0，S₁S₀又变为11，说明串行输入结束。这时，串行输入的数码已经转换成了并行输出了。

当再来一个CP脉冲时，电路又重新执行一次并行输入，为第二组串行数码转换作好了准备。

② 并行/串行转换器

并行/串行转换器是指并行输入的数码经转换电路之后，换成串行输出。

图7－4是用两片CC40194（74LS194）组成的七位并行/串行转换电路，它比图7－3多了两只与非门G₁和G₂，电路工作方式同样为右移。

 

图7－4 七位并行 / 串行转换器

寄存器清“0”后，加一个转换起动信号（负脉冲或低电平）。此时，由于方式控制S₁S₀为11，转换电路执行并行输入操作。当第一个CP脉冲到来后，Q₀Q₁Q₂Q₃Q₄Q₅Q₆Q₇的状态为0D₁D₂D₃D₄D₅D₆D₇，并行输入数码存入寄存器。从而使得G₁输出为1，G₂输出为0，结果，S₁S₂变为01，转换电路随着CP脉冲的加入，开始执行右移串行输出，随着CP脉冲的依次加入，输出状态依次右移，待右移操作七次后，Q₀～Q₆的状态都为高电平1,与非门G₁输出为低电平，G₂门输出为高电平,S₁S₂又变为11，表示并/串行转换结束，且为第二次并行输入创造了条件。转换过程如表7－4所示。

表7－4

中规模集成移位寄存器，其位数往往以4位居多，当需要的位数多于4位时，可把几片移位寄存器用级连的方法来扩展位数。 

三、实验设备及器件

    1、 ＋5V直流电源                 2、 单次脉冲源

    3、 逻辑电平开关                  4、 逻辑电平显示器

5、 CC40194×2（74LS194）  CC4011(74LS00)   CC4068(74LS30)

四、实验内容

1 、测试CC40194（或74LS194）的逻辑功能

按图7－5接线，、S₁、S₀、S_L、

S_R、D₀、D₁、D₂、D₃分别接至逻辑开关的

输出插口；Q₀、Q₁、Q₂、Q₃接至逻辑电平

显示输入插口。CP端接单次脉冲源。按

表7－5所规定的输入状态，逐项进行测

试。

图7－5  CC40194逻辑功能测试

(1)    清除：令＝0，其它输入均为任意态，这时寄存器输出Q₀、Q₁、Q₂、

Q₃应均为0。清除后，置＝1 。           

    (2)送数：令＝S₁＝S₀＝1 ，送入任意4位二进制数，如D₀D₁D₂D₃＝abcd，加CP脉冲，观察CP＝0 、CP由0→1、CP由1→0三种情况下寄存器输出状态的变化，观察寄存器输出状态变化是否发生在CP脉冲的上升沿。

(2)    右移：清零后，令＝1，S1＝0，S0＝1，由右移输入端SR 送入二进制数码如0100，由CP端连续加4个脉冲，观察输出情况，记录之。

    (4) 左移：先清零或予置，再令＝1，S₁＝1，S₀＝0，由左移输入端S_L 送入二进制数码如1111，连续加四个CP脉冲，观察输出端情况，记录之。

　  (5) 保持：寄存器予置任意4位二进制数码abcd，令＝1，S₁＝S₀＝0，加CP脉冲，观察寄存器输出状态，记录之。

     2、环形计数器

自拟实验线路用并行送数法予置寄存器为某二进制数码（如0100），然后进行右移循环，观察寄存器输出端状态的变化，记入表7－6中。

3、实现数据的串、并行转换

(1)串行输入、并行输出

按图7－3接线，进行右移串入、并出实验，串入数码自定；改接线路用左移方式实现并行输出。自拟表格，记录之。

(2)并行输入、串行输出

按图7－4接线，进行右移并入、串出实验，并入数码自定。再改接线路用左移方式实现串行输出。自拟表格，记录之。

表7－5

表7－6

   

五、实验总结

1. 该实验存在一定测量误差，误差来源于电路箱中得误差，但是误差实验允许范围内，故该实验有效。

2．该实验应该注意电路的联线，同时要求熟练掌握各个芯片的使用方法。

3．移位寄存器有更深一步了解，加深了同学们对移位寄存器工作原理的理解，同时对书本的知识加深了理解。

4.对74LS194有了更近一步的加深认识和了解。

 

第二篇：实验五移位寄存器及其应用

实验五　移位寄存器及其应用

    一、实验目的

　  1、掌握中规模4位双向移位寄存器逻辑功能及使用方法。

  　2、熟悉移位寄存器的应用 — 实现数据的串行、并行转换和构成环形计数器。

    二、实验原理

    1、移位寄存器是一个具有移位功能的寄存器，是指寄存器中所存的代码能够在移位脉冲的作用下依次左移或右移。既能左移又能右移的称为双向移位寄存器，只需要改变左、右移的控制信号便可实现双向移位要求。根据移位寄存器存取信息的方式不同分为：串入串出、串入并出、并入串出、并入并出四种形式。

　　本实验选用的4位双向通用移位寄存器，型号为CC40194或74LS194，两者功能相同，可互换使用，其逻辑符号及引脚排列如图10－1所示。

 

图10－1  CC40194的逻辑符号及引脚功能

    其中 D₀、D₁ 、D₂ 、D₃为并行输入端；Q₀、Q₁、Q₂、Q₃为并行输出端；S_R 为右移串行输入端，S_L 为左移串行输入端；S₁、S₀ 为操作模式控制端；为直接无条件清零端；CP为时钟脉冲输入端。

    CC40194有5种不同操作模式：即并行送数寄存，右移(方向由Q₀→Q₃)，左移（方向由Q₃→Q₀），保持及清零。

S₁、S₀和端的控制作用如表10－1。

表10－1

     2、移位寄存器应用很广，可构成移位寄存器型计数器；顺序脉冲发生器；串行累加器；可用作数据转换，即把串行数据转换为并行数据，或把并行数据转换为串行数据等。本实验研究移位寄存器用作环形计数器和数据的串、并行转换。

(1)环形计数器

把移位寄存器的输出反馈到它的串行输入端，就可以进行循环移位，

如图10－2所示，把输出端 Q₃ 和右移串行输入端S_R 相连接，设初始状态Q₀Q₁Q₂Q₃＝1000，则在时钟脉冲作用下Q₀Q₁Q₂Q₃将依次变为0100→0010→0001→1000→……，如表10－2所示，可见它是一个具有四个有效状态的计数器，这种类型的计数器通常称为环形计数器。图10－2 电路可以由各个输出端输出在时间上有先后顺序的脉冲，因此也可作为顺序脉冲发生器。

                                       表10－2

图 10－2 环形计数器

    如果将输出Q_O与左移串行输入端S_L相连接，即可达左移循环移位。

(2)实现数据串、并行转换

① 串行/并行转换器

串行/并行转换是指串行输入的数码，经转换电路之后变换成并行输出。

图10－3是用二片CC40194（74LS194）四位双向移位寄存器组成的七位串/并行数据转换电路。

 

图10－3   七位串行 / 并行转换器

电路中S₀端接高电平1，S₁受Q₇控制，二片寄存器连接成串行输入右移工作模式。Q₇是转换结束标志。当Q₇＝1时，S₁为0，使之成为S₁S₀＝01的串入右移工作方式，当Q₇＝0时，S₁＝1，有S₁S₀＝10，则串行送数结束，标志着串行输入的数据已转换成并行输出了。

串行/并行转换的具体过程如下：

转换前，端加低电平，使1、2两片寄存器的内容清0，此时S₁S₀＝11，寄存器执行并行输入工作方式。当第一个CP脉冲到来后，寄存器的输出状态Q₀～Q₇为01111111，与此同时S₁S₀变为01，转换电路变为执行串入右移工作方式，串行输入数据由1片的S_R端加入。随着CP脉冲的依次加入，输出状态的变化可列成表10-3所示。

      表10－3 

由表10－3可见，右移操作七次之后，Q₇变为0，S₁S₀又变为11，说明串行输入结束。这时，串行输入的数码已经转换成了并行输出了。

当再来一个CP脉冲时，电路又重新执行一次并行输入，为第二组串行数码转换作好了准备。

② 并行/串行转换器

并行/串行转换器是指并行输入的数码经转换电路之后，换成串行输出。

图10－4是用两片CC40194（74LS194）组成的七位并行/串行转换电路，它比图10－3多了两只与非门G₁和G₂，电路工作方式同样为右移。

 

图10－4 七位并行 / 串行转换器

寄存器清“0”后，加一个转换起动信号（负脉冲或低电平）。此时，由于方式控制S₁S₀为11，转换电路执行并行输入操作。当第一个CP脉冲到来后，Q₀Q₁Q₂Q₃Q₄Q₅Q₆Q₇的状态为0D₁D₂D₃D₄D₅D₆D₇，并行输入数码存入寄存器。从而使得G₁输出为1，G₂输出为0，结果，S₁S₂变为01，转换电路随着CP脉冲的加入，开始执行右移串行输出，随着CP脉冲的依次加入，输出状态依次右移，待右移操作七次后，Q₀～Q₆的状态都为高电平1,与非门G₁输出为低电平，G₂门输出为高电平,S₁S₂又变为11，表示并/串行转换结束，且为第二次并行输入创造了条件。转换过程如表10－4所示。

表10－4

中规模集成移位寄存器，其位数往往以4位居多，当需要的位数多于4位时，可把几片移位寄存器用级连的方法来扩展位数。

  

三、实验设备及器件

    1、 ＋5V直流电源                 2、 单次脉冲源

    3、 逻辑电平开关                 4、 逻辑电平显示器

5、 CC40194×2（74LS194）  CC4011(74LS00)   CC4068(74LS30)

    四、实验内容

1 、测试CC40194（或74LS194）的逻辑功能

按图10－5接线，、S₁、S₀、S_L、

S_R、D₀、D₁、D₂、D₃分别接至逻辑开关的

输出插口；Q₀、Q₁、Q₂、Q₃接至逻辑电平

显示输入插口。CP端接单次脉冲源。按

表10－5所规定的输入状态，逐项进行测

试。

图10－5  CC40194逻辑功能测试

(1) 清除：令＝0，其它输入均为任意态，这时寄存器输出Q₀、Q₁、Q₂、

Q₃应均为0。清除后，置＝1 。            

    (2)送数：令＝S₁＝S₀＝1 ，送入任意4位二进制数，如D₀D₁D₂D₃＝abcd，加CP脉冲，观察CP＝0 、CP由0→1、CP由1→0三种情况下寄存器输出状态的变化，观察寄存器输出状态变化是否发生在CP脉冲的上升沿。

(2)右移：清零后，令＝1，S₁＝0，S₀＝1，由右移输入端S_R 送入二进

制数码如0100，由CP端连续加4个脉冲，观察输出情况，记录之。

    (4) 左移：先清零或予置，再令＝1，S₁＝1，S₀＝0，由左移输入端S_L 送入二进制数码如1111，连续加四个CP脉冲，观察输出端情况，记录之。

　  (5) 保持：寄存器予置任意4位二进制数码abcd，令＝1，S₁＝S₀＝0，加CP脉冲，观察寄存器输出状态，记录之。

     2、环形计数器

自拟实验线路用并行送数法予置寄存器为某二进制数码（如0100），然后进行右移循环，观察寄存器输出端状态的变化，记入表10－6中。

表10－5

           

表10－6

3、实现数据的串、并行转换

(1)串行输入、并行输出

按图10－3接线，进行右移串入、并出实验，串入数码自定；改接线路用左移方式实现并行输出。自拟表格，记录之。

(2)并行输入、串行输出

按图10－4接线，进行右移并入、串出实验，并入数码自定。再改接线路用左移方式实现串行输出。自拟表格，记录之。

    五、实验预习要求

  　1、复习有关寄存器及串行、并行转换器有关内容。

  　2、查阅CC40194、CC4011及CC4068 逻辑线路。熟悉其逻辑功能及引脚排列。

  　3、在对CC40194进行送数后，若要使输出端改成另外的数码，是否一定要使寄存器清零？

  　4、使寄存器清零，除采用输入低电平外，可否采用右移或左移的方法？可否使用并行送数法？若可行，如何进行操作？

    5、若进行循环左移，图10－4接线应如何改接？

    6、画出用两片CC40194构成的七位左移串 / 并行转换器线路。

    7、画出用两片CC40194构成的七位左移并 / 串行转换器线路。

    六、实验报告

　  1、分析表10－4的实验结果，总结移位寄存器CC40194的逻辑功能并写入表格功能总结一栏中。

1、根据实验内容2 的结果，画出4位环形计数器的状态转换图及波形图。

2、分析串 / 并、并 / 串转换器所得结果的正确性。