數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)例子.ppt

選做一到二題 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題 數(shù)字鐘實(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一個(gè)能進(jìn)行時(shí) 分 秒計(jì)時(shí)的十二小時(shí)制或二十四小時(shí)制的數(shù)字鐘 并具有定時(shí)與鬧鐘功能 能在設(shè)定的時(shí)間發(fā)出鬧鈴音 能非常方便地對(duì)小時(shí) 分鐘和秒進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)以校準(zhǔn)時(shí)間 每逢整點(diǎn) 產(chǎn)生報(bào)時(shí)音報(bào)時(shí) 設(shè)計(jì)提示 主控電路計(jì)數(shù)器模塊掃描顯示 主控電路 A B 模式選擇 AB 00為模式0 計(jì)時(shí)狀態(tài) AB 01為模式1 手動(dòng)校時(shí)狀態(tài) AB 10為模式2 鬧鐘設(shè)置狀態(tài) Turn turn 0時(shí) 在手動(dòng)校對(duì)時(shí) 選擇調(diào)整分鐘部分 turn 1時(shí) 在手動(dòng)校對(duì)時(shí) 選擇調(diào)整小時(shí)部分 Change 在手動(dòng)校時(shí)或鬧鐘設(shè)置模式下 每按一次 計(jì)數(shù)器加1 Reset reset 0時(shí) 整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位 reset 1時(shí) 系統(tǒng)計(jì)時(shí)或其它特殊功能操作 Reset1 reset1 0時(shí) 關(guān)閉鬧鈴信號(hào) reset1 1時(shí) 可對(duì)鬧鈴進(jìn)行設(shè)置 狀態(tài)顯示信號(hào) 發(fā)光管 LD alert 指示是否設(shè)置了鬧鈴功能 LD h 指示當(dāng)前調(diào)整的是小時(shí)信號(hào) LD m 指示當(dāng)前調(diào)整的是分鐘信號(hào) 拔河游戲機(jī) 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一個(gè)能進(jìn)行拔河游戲的電路 電路使用15個(gè) 或9個(gè) 發(fā)光二極管表示拔河的 電子繩 開機(jī)后只有中間一個(gè)發(fā)亮 此即拔河的中心點(diǎn) 游戲雙方各持一個(gè)按鈕 迅速地 不斷地按動(dòng) 產(chǎn)生脈沖 誰(shuí)按得快 亮點(diǎn)就向誰(shuí)的方向移動(dòng) 每按一次 亮點(diǎn)移動(dòng)一次 亮點(diǎn)移到任一方終端二極管時(shí) 這一方就獲勝 此時(shí)雙方按鈕均無(wú)作用 輸出保持 只有復(fù)位后才使亮點(diǎn)恢復(fù)到中心 由裁判下達(dá)比賽開始命令后 甲乙雙方才能輸入信號(hào) 否則 輸入信號(hào)無(wú)效 用數(shù)碼管顯示獲勝者的盤數(shù) 每次比賽結(jié)束自動(dòng)給獲勝方加分 設(shè)計(jì)提示 加 減計(jì)數(shù)器譯碼器得分計(jì)數(shù)顯示電路 數(shù)字式競(jìng)賽搶答器 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一個(gè)可容納四組參賽的數(shù)字式搶答器 每組設(shè)一個(gè)按鈕供搶答使用 搶答器具有第一信號(hào)鑒別和鎖存功能 使除第一搶答者外的按鈕不起作用 設(shè)置一個(gè)主持人 復(fù)位 按鈕 主持人復(fù)位后 開始搶答 第一信號(hào)鑒別鎖存電路得到信號(hào)后 用指示燈顯示搶答組別 揚(yáng)聲器發(fā)出 秒的音響 設(shè)置犯規(guī)電路 對(duì)提前搶答和超時(shí)答題 例如3分鐘 的組別鳴笛示警 并由組別顯示電路顯示出犯規(guī)組別 設(shè)置一個(gè)計(jì)分電路 每組開始預(yù)置 分 由主持人記分 答對(duì)一次加 分 答錯(cuò)一次減 分 設(shè)計(jì)提示 鑒別鎖存模塊答題計(jì)時(shí)模塊計(jì)分電路模塊掃描顯示模塊 1 此模塊的關(guān)鍵是準(zhǔn)確判斷出第一搶答者并將其鎖存 實(shí)現(xiàn)的方法可使用觸發(fā)器或鎖存器 在得到第一信號(hào)后將輸入封鎖 使其它組的搶答信號(hào)無(wú)效 2 形成第一搶答信號(hào)后 用編碼 譯碼及數(shù)碼顯示電路顯示第一搶答者的組別 控制揚(yáng)聲器發(fā)出音響 并啟動(dòng)答題計(jì)時(shí)電路 鑒別鎖存模塊 洗衣機(jī)控制器 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一個(gè)洗衣機(jī)洗滌程序控制器 控制洗衣機(jī)的電機(jī)作如下規(guī)律運(yùn)轉(zhuǎn) 用兩位數(shù)碼管預(yù)置洗滌時(shí)間 分鐘數(shù) 洗滌過(guò)程在送入預(yù)置時(shí)間后開始運(yùn)轉(zhuǎn) 洗滌中按倒計(jì)時(shí)方式對(duì)洗滌過(guò)程作計(jì)時(shí)顯示 用LED表示電機(jī)的正 反轉(zhuǎn) 如果定時(shí)時(shí)間到 則停機(jī)并發(fā)出音響信號(hào) 設(shè)計(jì)提示 洗滌預(yù)置時(shí)間編碼模塊減法計(jì)數(shù)顯示時(shí)序電路譯碼驅(qū)動(dòng)模塊 數(shù)字頻率表 設(shè)計(jì)要求 1 設(shè)計(jì)一個(gè)能測(cè)量方波信號(hào)頻率的頻率計(jì) 測(cè)量結(jié)果用十進(jìn)制數(shù)顯示 2 測(cè)量的頻率范圍是1 10KHz 分成兩個(gè)頻段 即1 999Hz 1KHz 10KHz 用三位數(shù)碼管顯示測(cè)量頻率 用LED顯示表示單位 如亮綠燈表示Hz 亮紅燈表示KHz 3 具有自動(dòng)校驗(yàn)和測(cè)量?jī)煞N功能 即能用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘校驗(yàn)測(cè)量精度 4 具有超量程報(bào)警功能 在超出目前量程檔的測(cè)量范圍時(shí) 發(fā)出燈光和音響信號(hào) 設(shè)計(jì)提示 脈沖信號(hào)的頻率就是在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù) 其表達(dá)式為f N T f為被測(cè)信號(hào)的頻率 N為計(jì)數(shù)器所累計(jì)的脈沖個(gè)數(shù) T為產(chǎn)生N個(gè)脈沖所需的時(shí)間 所以 在1秒時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器所記錄的結(jié)果 就是被測(cè)信號(hào)的頻率 測(cè)量 校驗(yàn)選擇模塊 計(jì)數(shù)器模塊送存選擇報(bào)警模塊鎖存模塊掃描顯示模塊 測(cè)量 校驗(yàn)選擇模塊 輸入信號(hào) 選擇信號(hào)selet被測(cè)信號(hào)meas測(cè)試信號(hào)test輸出信號(hào) CP1當(dāng)selet 0時(shí) 為測(cè)量狀態(tài) CP1 meas 當(dāng)selet 1時(shí) 為校驗(yàn)狀態(tài) CP1 test 校驗(yàn)與測(cè)量共用一個(gè)電路 只是被測(cè)信號(hào)CP1不同而已 設(shè)置1秒定時(shí)信號(hào) 周期為2秒 在1秒定時(shí)時(shí)間內(nèi)的所有被測(cè)信號(hào)送計(jì)數(shù)器輸入端 計(jì)數(shù)器對(duì)CP1信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù) 在1秒定時(shí)結(jié)束后 將計(jì)數(shù)器結(jié)果送鎖存器鎖存 同時(shí)將計(jì)數(shù)器清零 為下一次采樣測(cè)量做好準(zhǔn)備 設(shè)置量程檔控制開關(guān)K 單位顯示信號(hào)Y 當(dāng)K 0時(shí) 為1 999Hz量程檔 數(shù)碼管顯示的數(shù)值為被測(cè)信號(hào)頻率值 Y顯示綠色 即單位為Hz 當(dāng)K 1時(shí) 為1KHz 10KHz量程檔 被測(cè)信號(hào)頻率值為數(shù)碼管顯示的數(shù)值乘1000 Y顯示紅色 即單位為KHz 設(shè)置超出量程檔測(cè)量范圍示警信號(hào)alert 計(jì)數(shù)器由四級(jí)十進(jìn)制計(jì)數(shù)構(gòu)成 帶進(jìn)位C 若被測(cè)信號(hào)頻率小于1KHz K 0 則計(jì)數(shù)器只進(jìn)行三級(jí)十進(jìn)制計(jì)數(shù) 最大顯示值為999 Hz 如果被測(cè)信號(hào)頻率超過(guò)此范圍 示警信號(hào)驅(qū)動(dòng)燈光 揚(yáng)聲器報(bào)警 若被測(cè)信號(hào)為1KHz 10KHz K 1 計(jì)數(shù)器進(jìn)行四位十進(jìn)制計(jì)數(shù) 取高三位顯示 最大顯示值為9 99KHz 如果被測(cè)信號(hào)頻率超過(guò)此范圍 報(bào)警 電子密碼鎖 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一個(gè)電子密碼鎖 在鎖開的狀態(tài)下輸入密碼 密碼共4位 用數(shù)據(jù)開關(guān)K1 K10分別代表數(shù)字1 2 9 0 輸入的密碼用數(shù)碼管顯示 最后輸入的密碼顯示在最右邊的數(shù)碼管上 即每輸入一位數(shù) 密碼在數(shù)碼管上的顯示左移一位 可刪除輸入的數(shù)字 刪除的是最后輸入的數(shù)字 每刪除一位 密碼在數(shù)碼管的顯示右移一位 并在左邊空出的位上補(bǔ)充 0 用一位輸出電平的狀態(tài)代表鎖的開閉狀態(tài) 為保證密碼鎖主人能打開密碼鎖 設(shè)置一個(gè)萬(wàn)能密碼 在主人忘記密碼時(shí)使用 設(shè)計(jì)提示 密碼輸入刪除控制模塊寄存模塊比較模塊掃描顯示模塊 脈沖按鍵電話按鍵顯示器 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一個(gè)具有7位顯示的電話按鍵顯示器 顯示器應(yīng)能正確反映按鍵數(shù)字 顯示器顯示從低位向高位前移 逐位顯示按鍵數(shù)字 最低位為當(dāng)前顯示位 七位數(shù)字輸入完畢后 電話接通 揚(yáng)聲器發(fā)出 嘟 嘟 接通聲響 直到有接聽信號(hào)輸入 若一直沒有接聽 10秒鐘后 自動(dòng)掛斷 顯示器清除顯示 揚(yáng)聲器停止 直到有新號(hào)碼輸入 設(shè)計(jì)提示 號(hào)碼輸入顯示控制模塊主控制模塊掃描顯示模塊 乒乓球比賽游戲機(jī) 任務(wù)與要求 設(shè)計(jì)一個(gè)由甲 乙雙方參賽 有裁判的3人乒乓球游戲機(jī) 用8個(gè) 或更多個(gè) LED排成一條直線 以中點(diǎn)為界 兩邊各代表參賽雙方的位置 其中一只點(diǎn)亮的LED指示球的當(dāng)前位置 點(diǎn)亮的LED依此從左到右 或從右到左 其移動(dòng)的速度應(yīng)能調(diào)節(jié) 當(dāng) 球 點(diǎn)亮的那只LED 運(yùn)動(dòng)到某方的最后一位時(shí) 參賽者應(yīng)能果斷地按下位于自己一方的按鈕開關(guān) 即表示啟動(dòng)球拍擊球 若擊中 則球向相反方向移動(dòng) 若未擊中 則對(duì)方得1分 一方得分時(shí) 電路自動(dòng)響鈴3秒 這期間發(fā)球無(wú)效 等鈴聲停止后方能繼續(xù)比賽 設(shè)置自動(dòng)記分電路 甲 乙雙方各用2位數(shù)碼管進(jìn)行記分顯示 每計(jì)滿21分為1局 甲 乙雙方各設(shè)一個(gè)發(fā)光二極管 表示擁有發(fā)球權(quán) 每隔5次自動(dòng)交換發(fā)球權(quán) 擁有發(fā)球權(quán)的一方發(fā)球才有效 設(shè)計(jì)思路 用雙向移位寄存器的輸出端控制LED顯示來(lái)模擬乒乓球運(yùn)動(dòng)的軌跡 先點(diǎn)亮位于某一方的第1個(gè)LED 由擊球者通過(guò)按鈕輸入開關(guān)信號(hào) 實(shí)現(xiàn)移位方向的控制 也可用計(jì)數(shù)譯碼方式實(shí)現(xiàn)乒乓球運(yùn)動(dòng)軌跡的模擬 如利用加 減計(jì)數(shù)器的2個(gè)時(shí)鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn)甲 乙雙方的擊球 由表示球拍的按鈕產(chǎn)生計(jì)數(shù)時(shí)鐘 計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)經(jīng)譯碼驅(qū)動(dòng)LED發(fā)亮 任何時(shí)刻都保持一個(gè)LED發(fā)亮 若發(fā)亮的LED運(yùn)動(dòng)到對(duì)方的終點(diǎn) 但對(duì)方未能及時(shí)輸入信號(hào)使其向相反方向移動(dòng) 即失去1分 控制電路決定整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)動(dòng)作 必須嚴(yán)格掌握各信號(hào)之間的關(guān)系 交通信號(hào)燈控制器 任務(wù)與要求 設(shè)計(jì)一個(gè)交通信號(hào)燈控制器 由一條主干道和一條支干道匯合成十字路口 在每個(gè)入口處設(shè)置紅 綠 黃三色信號(hào)燈 紅燈亮禁止通行 綠燈亮允許通行 黃燈亮則給行駛中的車輛有時(shí)間停在禁行線外 用紅 綠 黃發(fā)光二極管作信號(hào)燈 用傳感器或邏輯開關(guān)作檢測(cè)車輛是否到來(lái)的信號(hào) 主干道處于常允許通行的狀態(tài) 支干道有車來(lái)時(shí)才允許通行 主干道亮綠燈時(shí) 支干道亮紅燈 支干道亮綠燈時(shí) 主干道亮紅燈 主 支干道均有車時(shí) 兩者交替允許通行 主干道每次放行45秒 支干道每次放行25秒 設(shè)立45秒 25秒計(jì)時(shí) 顯示電路 在每次由綠燈亮到紅燈亮的轉(zhuǎn)換過(guò)程中 要亮5秒黃燈作為過(guò)渡 使行駛中的車輛有時(shí)間停到禁行線外 設(shè)立5秒計(jì)時(shí) 顯示電路 設(shè)計(jì)思路 主 支干道用傳感器檢測(cè)車輛到來(lái)情況 實(shí)驗(yàn)電路用邏輯開關(guān)代替 45秒 25秒 5秒定時(shí)信號(hào)可用順計(jì)時(shí) 也可用倒計(jì)時(shí) 計(jì)時(shí)起始信號(hào)由主控電路給出 定時(shí)結(jié)束信號(hào)也輸入到主控電路 由主控電路啟 閉三色信號(hào)燈或啟動(dòng)另一計(jì)時(shí)電路 設(shè)計(jì)思路 主控電路是核心 這是一個(gè)時(shí)序電路 其輸入信號(hào)為 1 車輛檢測(cè)信號(hào) A B 2 45秒 25秒 5秒定時(shí)信號(hào) C D E 其狀態(tài)表為 狀態(tài)主干道支干道時(shí)間0綠燈亮 允許通行紅燈亮 禁止通行45秒1黃燈亮 停車紅燈亮 禁止通行5秒2紅燈亮 禁止通行綠燈亮 允許通行25秒3紅燈亮 禁止通行黃燈亮 停車5秒 具體設(shè)計(jì) 時(shí)鐘產(chǎn)生電路產(chǎn)生1HZ系統(tǒng)時(shí)鐘 主控電路由兩個(gè)JK觸發(fā)器和邏輯門構(gòu)成 其輸出經(jīng)譯碼后 控制主干道三色燈R G Y和支干道三色燈r g y 三個(gè)定時(shí)器分別產(chǎn)生45秒 25秒 5秒定時(shí)信號(hào) 電路都是計(jì)數(shù)器 并受主控電路和來(lái)自主 支干道車輛信號(hào)控制 每當(dāng)計(jì)滿所需時(shí)間 即向主控電路輸出 時(shí)間到 信號(hào) 并使計(jì)數(shù)器清零 設(shè) A 主干道車輛情況 有車為 1 無(wú)車為 0 B 支干道車輛情況 有車為 1 無(wú)車為 0 C 45秒定時(shí)信號(hào) 45秒定時(shí)已到為 1 45秒定時(shí)未到為 0 D 25秒定時(shí)信號(hào) 25秒定時(shí)已到為 1 25秒定時(shí)未到為 0 E 5秒定時(shí)信號(hào) 5秒定時(shí)已到為 1 5秒定時(shí)未到為 0 S0 S1 S2 S3 BAC 0 BAC 1 E 0 E 1 BAD 1 BAD 0 E 0 E 1 狀態(tài)編碼 S0 00S1 01S2 11S3 10若選JK觸發(fā)器 其輸出為Q2Q1則狀態(tài)表為 ABCDEQ2nQ1nQ2n 1Q1n 1x0 xxx0000110 xx000001xxx0001111xx0001xxxx00101xxxx1011111x0 x111101xxx1111x0 xxx1110 xxxx01010 xxxxx1000 維持S045秒定時(shí) 由S0 S1 維持S1 由S1 S2 維持S2 由S2 S3 維持S3 由S3 S0 5秒定時(shí) 25秒定時(shí) 5秒定時(shí) 從狀態(tài)表得狀態(tài)方程得觸發(fā)器驅(qū)動(dòng)方程 45S 25S 5S定時(shí)器CP脈沖驅(qū)動(dòng)方程 則主控電路和各定時(shí)電路如圖1 5 3所示 計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)脈沖如圖1 5 4所示 譯碼驅(qū)動(dòng)電路真值表 譯碼驅(qū)動(dòng)電路如圖1 5 5所示 此例也可以完全由VerilogHDL文件完成 具有四種信號(hào)燈的交通燈控制器 設(shè)計(jì)一個(gè)具有四種信號(hào)燈的交通燈控制器 設(shè)計(jì)要求是 由一條主干道和一條支干道匯合成十字路口 在每個(gè)入口處設(shè)置紅 綠 黃 左拐允許四盞信號(hào)燈 紅燈亮禁止通行 綠燈亮允許通行 黃燈亮則給行駛中的車輛有時(shí)間停在禁行線外 左拐燈亮允許車輛向左拐彎 信號(hào)燈變換次序?yàn)?主支干道交替允許通行 主干道每次放行40S 亮5S紅燈讓行駛中的車輛有時(shí)間停到禁行線外 左拐放行15秒 亮5S紅燈 支干道放行30S 亮5S黃燈 左拐放行15秒 亮5S紅燈 各計(jì)時(shí)電路為倒計(jì)時(shí)顯示 系統(tǒng)框圖如圖4 7 1所示 彩燈控制器 任務(wù)與要求 設(shè)計(jì)一個(gè)彩燈控制器 使彩燈 LED管 能連續(xù)發(fā)出四種以上不同的顯示形式 隨著彩燈顯示圖案的變化 發(fā)出不同的音響聲 總體設(shè)計(jì)方案 彩燈顯示的不同形式可由不同進(jìn)制計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)LED顯示完成 音響由不同頻率CP脈沖驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器形成 簡(jiǎn)易電子琴 任務(wù)與要求 設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易電子琴 利用實(shí)驗(yàn)箱的脈沖源產(chǎn)生1 2 3 共7個(gè)或14個(gè)音階信號(hào) 用指示燈顯示節(jié)拍 能產(chǎn)生顫音效果 出租車自動(dòng)計(jì)費(fèi)器 任務(wù)與要求 設(shè)計(jì)一個(gè)出租車自動(dòng)計(jì)費(fèi)器 具有行車?yán)锍逃?jì)費(fèi) 等候時(shí)間計(jì)費(fèi) 及起價(jià)三部分 用四位數(shù)碼管顯示總金額 最大值為99 99元 行車?yán)锍虇蝺r(jià)1元 公里 等候時(shí)間單價(jià)0 5元 10分鐘 起價(jià)3元 3公里起價(jià) 均能通過(guò)人工輸入 總體設(shè)計(jì)方案 行車?yán)锍痰挠?jì)費(fèi)電路將汽車行駛的里程數(shù)轉(zhuǎn)換成與之成正比的脈沖數(shù) 然后由計(jì)數(shù)譯碼電路轉(zhuǎn)換成收費(fèi)金額 實(shí)驗(yàn)中以一個(gè)脈沖模擬汽車前進(jìn)十米 則每100個(gè)脈沖表示1公里 然后用BCD碼比例乘法器將里程脈沖乘以每公里單價(jià)的比例系數(shù) 比例系數(shù)可由開關(guān)預(yù)置 例如單價(jià)是1 0元