2013北科大自動(dòng)化數(shù)電大作業(yè)報(bào)告

1、設(shè)計(jì)題目：兩人乒乓游戲機(jī) ,組長(zhǎng)： 同組成員： 說明：百分比為每位同學(xué)對(duì)設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)部分，總和應(yīng)為 100% 一功能描述：本次我們小組的數(shù)電課程設(shè)計(jì)是一臺(tái)兩人乒乓游戲機(jī)， 該游戲機(jī)模擬乒乓球 比賽過程，主要實(shí)現(xiàn)按比賽規(guī)則自動(dòng)裁判和計(jì)分。 （對(duì)電路功能有部分改動(dòng)）1. 乒乓球基本左右移動(dòng)功能： 共有 12 只發(fā)光二級(jí)管，兩端的兩只用來為電 路提供反饋信息（實(shí)際情況是看不到的） 。用 0 只發(fā)光二極管代表球臺(tái)。 裁判 按動(dòng)發(fā)球開關(guān)， 送出一個(gè)單脈沖信號(hào)， 靠近該方的第一個(gè)發(fā)光二極管點(diǎn)亮， 然后 按一定的速度向?qū)Ψ揭苿?dòng)，要求移動(dòng)速度 0.1到 0.5 s2. 基本計(jì)數(shù)功能： 采用 16進(jìn)制計(jì)數(shù)器，能顯

2、示數(shù)字 0-16，計(jì)數(shù)達(dá)到 16 后計(jì) 數(shù)器自動(dòng)清零。3. 擊球情況控制計(jì)數(shù)器功能： 接球方只有當(dāng)球到達(dá)最后一只發(fā)光二極管，即 靠近本方的第一只管子點(diǎn)亮?xí)r， 才可按動(dòng)擊球開關(guān)， 將球擊回。 提前擊球或未接 住球均判為失分，當(dāng)未接住來球時(shí)，發(fā)光二極管熄滅，表示乒乓球出臺(tái)，對(duì)方得 分。此時(shí)需要按規(guī)則重新發(fā)球， 繼續(xù)比賽。一方擊球后， 雙方可以較量多個(gè)回合， 直到一方失誤為止，此時(shí)，勝方記分牌自動(dòng)加一分。比賽進(jìn)行到一方獲得 16 分 時(shí)，一局結(jié)束，記分牌全部清零。二方案設(shè)計(jì)：總體設(shè)計(jì)思路（含電路原理框圖） ：根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 該電路須設(shè)計(jì) 3 塊電路完成球臺(tái)驅(qū)動(dòng)、 控制和計(jì)分功能。 當(dāng) 裁判按下啟動(dòng)按

3、鈕時(shí)，游戲機(jī)電路開始運(yùn)作。系統(tǒng)以 CP 信號(hào)作為球臺(tái)驅(qū)動(dòng)電路 和計(jì)數(shù)器計(jì)分的時(shí)鐘信號(hào)，以 12 個(gè)二極管的依次被點(diǎn)亮代表球的移動(dòng)位置，空 格鍵控制發(fā)球信號(hào)；選擇開關(guān) S3（按鍵 1）和 S4（按鍵 0）分別控制甲乙兩人的擊球信號(hào)。電 路設(shè)計(jì)總體原理圖如下圖 1：三個(gè)人承擔(dān)的工作：（一）球臺(tái)電路設(shè)計(jì)球臺(tái)電路通過兩個(gè) 4 位移位寄存器 74LS194接成一個(gè) 12 位的移位寄存器。 具體接法為：將第一片的左移串行輸入端 SL 接到第二片的 QA 端，將第二 片的右移串行輸入端接到第一片的 QD 端。再將第二片的左移串行輸入端 SL 接 到第三片的 QA 端，將第三片的右移串行輸入端接到第二片的 Q

4、D 端，然后將第 一片的 B端置 1，同時(shí)將剩余的其他幾個(gè)置位輸入端置 0。其功能表如下表 1：表一 74LS194 移位寄存器功能表功能說明：（1）當(dāng) RD =0，其他輸入端均為任意值，寄存器輸出 Q0、Q1、Q2、Q3均為 0。 清除后，置 RD =1。此功能對(duì)應(yīng)于裁判員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。（2）當(dāng) RD =S1=S2=1時(shí)，送入任意的 4位二進(jìn)制數(shù)，當(dāng)下一個(gè)上升沿到來時(shí)，將 Q0、Q1、Q2、Q3 置成相應(yīng)的狀態(tài)。（3）當(dāng) RD =1、S1=0、S0=1時(shí)，由右移輸入端 SR輸入二進(jìn)制碼 1000，通過時(shí) 鐘脈沖 CP 依次右移。此功能對(duì)應(yīng)于乒乓球右移。4）當(dāng) RD =1、S1=1、S0=

5、0時(shí)，由右移輸入端 SR 輸入二進(jìn)制碼 0001，通過時(shí)鐘脈沖 CP 依次左移。此功能對(duì)應(yīng)于乒乓球左移根據(jù)設(shè)計(jì)原理，使用 multisim 繪制并通過仿真的電路圖如下：圖 2 球臺(tái)電路電路圖二）驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)控制電路的理念就是：通過人為的操作和電路當(dāng)前的狀態(tài)的共同作用，使電路按照預(yù)期的結(jié)果變化到下一個(gè)狀態(tài)。首先，要清楚人為的輸入有哪些，我們需要利用的電路本身的狀態(tài)有哪 些，通過輸入信號(hào)和從電路中引出的反饋信號(hào)，共同作用于當(dāng)前電路。1. 裁判控制：當(dāng)裁判開關(guān)關(guān)閉時(shí)，電路鎖定，并使相關(guān)元件清零。當(dāng)裁判開 關(guān)打開時(shí)，球由甲方向乙方移動(dòng)，電路進(jìn)入工作狀態(tài)。2. 球的往返移動(dòng)的控制：移位寄存器的 12

6、 個(gè)輸出中只有一個(gè)是 1，對(duì)應(yīng)的正 在發(fā)光的二極管表示球的位置，其它輸出均為 0。當(dāng)“ 1”由 Q1 運(yùn)動(dòng)到 Q10的 時(shí)候， Q10輸出為 1，同時(shí)選手擊球，球反向。當(dāng)輸出 Q1和開關(guān) S3同時(shí)為 1， 或者輸出 Q10和開關(guān) S4同時(shí)為 1 時(shí)，控制移位寄存器的信號(hào) S0，S1在（ 0,1） 和（ 1,0）之間反轉(zhuǎn)。難點(diǎn)一：由于擊球時(shí)產(chǎn)生的高電位是順時(shí)脈沖，要使移位寄存器持續(xù)右移， 需要 S0電位始終為高電位。 所以利用 JK 觸發(fā)器，J=K=1，當(dāng)有一個(gè)擊球脈沖時(shí)， JK觸發(fā)器反轉(zhuǎn)，可使 S0=Q和 S1=Q保持應(yīng)有的高低電位不變。3. 甲乙分?jǐn)?shù)控制：己方得分有兩種情況，一是對(duì)方擊球過早

7、，二是對(duì)方錯(cuò)過擊球時(shí)機(jī)對(duì)方擊球過早：當(dāng) Q10不是 1的時(shí)候， S4輸出高電位，則己方得一分。對(duì)方錯(cuò)過擊球時(shí)機(jī)： Q11輸出為 1 的時(shí)候，己方得一分。如果甲方擊球過早， 球依舊繼續(xù)移動(dòng)， 無法及時(shí)顯示出甲的錯(cuò)誤時(shí)間， 所以 當(dāng)有某一方擊球過早時(shí)，令 S0=S1=0，移位寄存器停止移位，發(fā)光二級(jí)管靜止， 此時(shí)裁判重新發(fā)球。難點(diǎn)二 ：如何在某方擊球過早時(shí)，使電路靜止。再次利用 JK觸發(fā)器，裁判 開關(guān)每閉合一次，使 JK觸發(fā)器清零一次， Q=1，當(dāng)過早擊球脈沖產(chǎn)生時(shí)， Q=0， 通過“與門”使 S0和 S1 的輸入關(guān)閉，均保持零，電路靜止。4. 綜合：要實(shí)現(xiàn)以上的控制，需要的輸入信號(hào)有：電源開關(guān)

8、（按鍵=Q），裁判 開關(guān)（按鍵 =空格），選手擊球開關(guān) S3，S4，移位寄存器輸出 Q0，Q1，Q10，Q11， 等四個(gè)開關(guān)，四個(gè)反饋，共 8 個(gè)輸入。需要的輸出信號(hào)有：控制移位方向的 S0，S1，JK 觸發(fā)器的清零端，兩個(gè)計(jì) 分加法器的輸入端，等 5 個(gè)輸出?？梢詫?duì)每個(gè)輸出都列出真值表，卡諾圖進(jìn)行化簡(jiǎn)，這樣就能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電路 的控制。但是該方法有明顯的局限性：一是，化簡(jiǎn)的結(jié)果只能用“與或非”三種 基本門電路的組合表示， 該方法更適合組合邏輯電路， 往往可以得到最簡(jiǎn)的電路 圖。但是對(duì)時(shí)序邏輯電路，由于存在 JK 觸發(fā)器，儲(chǔ)能元件，不僅分析起來麻煩， 而且恰當(dāng)?shù)氖褂糜|發(fā)器等，有時(shí)候會(huì)得到更簡(jiǎn)單，

9、更有效的電路圖。二是，對(duì)于 本設(shè)計(jì)，有 8 個(gè)輸入，卡諾圖是畫不出來的。 對(duì)于較復(fù)雜的電路， 該方法不適用。 三是，也是最致命的缺點(diǎn)， 電路圖的設(shè)計(jì)往往不是一次完成的， 需要反復(fù)的修改， 調(diào)試，再設(shè)計(jì)。 用真值表化簡(jiǎn)出的表達(dá)式雖然簡(jiǎn)單， 可是失去了輸入信息的原始 組合意義， 就是說雖然輸入輸出間的電路功能實(shí)現(xiàn)了， 但是電路內(nèi)部單個(gè) “與或 非門”元件的實(shí)際意義會(huì)有一定程度的丟失。一旦功能錯(cuò)誤，不知從何修改，只 能重頭再來。 如果后期需要對(duì)電路做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)， 就無法直接對(duì)內(nèi)部線路和元件 進(jìn)行增刪， 因?yàn)榫€路和元件并不代表真實(shí)的信息關(guān)系。 需要對(duì)新的真值表， 卡諾 圖進(jìn)行化簡(jiǎn)，反而會(huì)加大工作量。所

10、以，我用的方法是： 像搭積木一樣， 一步一步的， 先把簡(jiǎn)單的框架實(shí)現(xiàn)了， 再對(duì)細(xì)節(jié)問題進(jìn)行改進(jìn)， 優(yōu)化。因?yàn)闆]有對(duì)電路做任何化簡(jiǎn)， 每條導(dǎo)線上的電位 都與某個(gè)實(shí)際的信息對(duì)應(yīng)，每個(gè)門電路都代表輸入信息與輸出信息的真實(shí)關(guān)系。 對(duì)電路中導(dǎo)線和元件的改動(dòng)， 就等價(jià)于對(duì)相應(yīng)的現(xiàn)實(shí)信息的直接操作。 實(shí)現(xiàn)了電 路中電流與實(shí)際的信息流的完整完整模擬。這種方法有一定的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)關(guān)鍵的元件添加標(biāo)簽，還可以方便對(duì)電路的記憶 和修改。這樣的設(shè)計(jì)方法開始的時(shí)候不熟悉， 但時(shí)間久了， 能加深對(duì)元件功能的 了解和掌握， 對(duì)設(shè)計(jì)出的電路的工作原理也能有很清晰的理解。 缺點(diǎn)也是顯而易 見的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)過程沒有一定的章法，設(shè)計(jì)結(jié)果受

11、設(shè)計(jì)者主觀因素影響大。圖 3 控制電路電路圖（三）計(jì)分電路設(shè)計(jì)本電路主要由兩片 74LS160 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、一個(gè) 7409 與非門構(gòu)成計(jì)數(shù)器 74LS160 的真值表如下：74LS160是 10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，要做成 16進(jìn)制計(jì)數(shù)器，先要做一個(gè)比 16 大的 計(jì)時(shí)器。這里用兩片 74LS160 級(jí)聯(lián)成一個(gè) 100 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，再通過置 0 法實(shí)現(xiàn) 16 進(jìn)制計(jì)數(shù)。 由計(jì)數(shù)器 74LS160 的功能表可知，當(dāng) RD=LD=EP=ET=1 時(shí)工 作狀態(tài)為計(jì)數(shù)，此時(shí)CLR=LOAD=ENT=ENP=1 。選用 ENP、ENT 作為 74LS160 的計(jì)數(shù)控制端， 當(dāng) ENT=ENP=1 時(shí)計(jì)數(shù)， 當(dāng)

12、ENT=ENP=0 時(shí)計(jì)分電路處于保持狀 態(tài)。RCO 為進(jìn)位輸出端，即當(dāng)選手計(jì)滿 16 分時(shí)給出報(bào)警信號(hào)。 計(jì)分電 路圖如 下：圖 4 計(jì)分電路電路圖（四）總體電路的設(shè)計(jì)即可得根據(jù)上述三個(gè)模塊電路， 將它們按一定的次序進(jìn)行組合并通過仿真，到下面的總電路：圖 5 整體電路圖四總結(jié)： 一電路設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)的問題？ 如何解決問題的？ 學(xué)到的知識(shí)或參考文獻(xiàn)， 對(duì)本 設(shè)計(jì)及本課程的建議等問題一：如何實(shí)現(xiàn)選手擊球的沖擊脈沖對(duì)電路產(chǎn)生持續(xù)的控制 ?通過 JK 觸發(fā)器，可以講單個(gè)脈沖信號(hào)變成持續(xù)的階躍信號(hào)。問題二： 甲乙在比賽過程中，難免會(huì)有一些誤操作，如何排除非正常擊球?qū)τ?jì)分的影 響？1. 只有當(dāng)球向甲運(yùn)動(dòng)時(shí)（

13、即 S1=1），甲的擊球有效，通過與門使 S1和 S3同 時(shí)為 1，甲的擊球信息有效。2. 當(dāng)球向乙運(yùn)動(dòng)時(shí)，甲的擊球開關(guān)被關(guān)閉，對(duì)電路不產(chǎn)生任何作用。3. 當(dāng)甲過早擊球時(shí)，電路凍結(jié)，此時(shí)不論甲乙是否再次擊球，電路均不做任 何變化。4. 當(dāng)甲錯(cuò)過擊球時(shí)機(jī)，球已經(jīng)出界。移位寄存器中數(shù)據(jù)全部為零，不論甲乙 是否再次擊球，都不會(huì)有發(fā)光二極管再次點(diǎn)亮。問題三： 電路優(yōu)化前，當(dāng)甲擊球太晚，會(huì)因?yàn)榍虺鼋绾图族e(cuò)過擊球時(shí)機(jī)，而使乙因此 得到 2 分。如果能使裁判每開始一局， 有且只有一個(gè)人會(huì)得到 1分，就能使電路 更穩(wěn)定。依舊使用 JK觸發(fā)器， J=1，K=0，裁判發(fā)球后， JK觸發(fā)器清零， Q=1，當(dāng)一 方得

14、分時(shí)，有一個(gè)脈沖信號(hào)，使 Q =0，并以此關(guān)閉另一方的計(jì)分電路。即使再 次輸入得分信號(hào)，因?yàn)?J=1 保持不變，不會(huì)使計(jì)分的累加器加 1，這樣就實(shí)現(xiàn)了 每局比賽有且只有一人得分，且只能得一分。問題四：為什么有時(shí)候電路反應(yīng)遲鈍？甚至?xí)绣e(cuò)誤？本設(shè)計(jì)中的計(jì)數(shù)器和 JK 觸發(fā)器都是時(shí)鐘信號(hào)下降沿觸發(fā)的。為了使電路及 時(shí)做出反應(yīng)，應(yīng)該利用非門，使“ 010”脈沖信號(hào)變成“ 101”脈沖信號(hào)，這樣就 能直接接收到下降脈沖，而不是等脈沖上升以后再降下來。問題五：如何實(shí)現(xiàn)不同優(yōu)先級(jí)的信號(hào)的控制？對(duì)優(yōu)先級(jí)最高的信號(hào)， 可以在它的輸出端和其它低優(yōu)先級(jí)的信號(hào)之間接一個(gè) 與門，只要它是 0，其它低優(yōu)先級(jí)的信號(hào)就不會(huì)

15、產(chǎn)生作用。問題六：當(dāng)電路的運(yùn)行有錯(cuò)的時(shí)候，如何對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試？ 從輸入到輸出，信號(hào)會(huì)經(jīng)過多個(gè)元件，利用示波器儀表，從最先經(jīng)過的元件 輸出端開始觀察， 看其能否跟隨輸入做應(yīng)有的變化， 如果可以， 再對(duì)下一級(jí)輸出 進(jìn)行測(cè)試。 如果該層級(jí)的輸出與理想不符， 則問題首先出現(xiàn)在當(dāng)前被測(cè)試的元件 上。二經(jīng)驗(yàn)：1. 有些集成元件在使用的時(shí)候，不能有輸入端懸空，對(duì)于無用的輸入端， 根據(jù)需要接 0 或 1，否則該集成元件會(huì)無法正常工作。 但是輸出端可以閑 置懸空。2. 有時(shí)候發(fā)光二極管在合適的電壓電流下才能正常發(fā)光。需要串聯(lián)電阻。 有更簡(jiǎn)單的方法是，修改二極管的正常發(fā)光電流， 5V 電壓源的數(shù)字電路 里，將 5

16、mA 的電流改為 20mA 即可。使電路看起來更簡(jiǎn)潔。3. 元件的輸入端可以用一根導(dǎo)線連接，但輸出端絕對(duì)不能直接連在一根導(dǎo) 線上，否則電路會(huì)報(bào)錯(cuò)。因?yàn)閮蓚€(gè)輸出，如果一高一低的話，是不能作 用在導(dǎo)線上的。要通過或門使其產(chǎn)生共同作用。4. 對(duì)于常用的元件，可以放在圖紙邊緣，用的時(shí)候復(fù)制粘貼比較方便。不 用總?cè)ピ?kù)中找。三不足之處：1.每次發(fā)球由裁判控制，且只能是甲發(fā)給乙，不符合常理，有違公平性的原 則。有待進(jìn)一步改進(jìn)。2.由于元件過多， 電路傳輸有延遲效應(yīng)， 有時(shí)候過早擊球， 不會(huì)使電路凍結(jié)。發(fā)生這種情況的概率約為 5%。但分?jǐn)?shù)記錄等其它功能不受任何影響附感悟：通過實(shí)驗(yàn)，我提高了邏輯思維能力，使

17、我們?cè)谶壿嬰娐返姆治雠c設(shè)計(jì)上有了 很大的進(jìn)步。 加深了我們對(duì)組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路的認(rèn)識(shí)， 進(jìn)一步增進(jìn)了 對(duì)一些常見邏輯器件的了解。 我們通過討論共同研究， 解決了很多關(guān)于數(shù)字電路 方面的難題，鍛煉了團(tuán)隊(duì)合作能力， 增進(jìn)隊(duì)友間感情， 也對(duì)自己的能力有了更深 的認(rèn)識(shí)?？吹筋}目時(shí)就覺得不簡(jiǎn)單， 等真正開始做的時(shí)候， 才體會(huì)到比想象中的更難。 但是有隊(duì)友的相互幫助， 以及大家的共同努力， 最終克服了各種困難， 完成了任 務(wù)。增強(qiáng)了對(duì)知識(shí)的感悟和應(yīng)用能力， 加深了對(duì)設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)方法的體會(huì)和了 解。在整個(gè)過程中也收獲了很多快樂！團(tuán)隊(duì)合作的優(yōu)勢(shì)不僅僅是人多力量大，合 作能給每一個(gè)成員更大的責(zé)任感。 不能讓其他隊(duì)員的辛苦白費(fèi)， 所以自己的任務(wù) 一定要完成?？吹疥?duì)友投入那么多， 做的那么好， 我們對(duì)自己負(fù)責(zé)的部分也會(huì)要 求更高。就比如， 隊(duì)友辛辛苦苦做了