數(shù)字邏輯電路課程設(shè)計報告

1、數(shù)字邏輯電路課程設(shè)計報告 平頂山工學(xué)院本科課程設(shè)計 拔河游戲機 2007年9月 6日 平頂山工學(xué)院本科課程設(shè)計 摘要 1、任務(wù)與要求: 電子拔河游戲機是一種能容納甲乙雙方參賽或甲乙雙方加裁判的三人游戲電路。由一排LED發(fā)光二極管表示拔河的的“電子繩”。由甲乙雙方通過按紐開關(guān)使發(fā)光的LED管向一方的終點延伸，當(dāng)延伸到某方的最后一個LED管時， 則該方獲勝，連續(xù)比賽多局以定勝負(fù)。顯示器顯示勝者的盤數(shù)。 2、基本要求如下： （1）比賽開始時，由裁判下達(dá)命令后，甲乙雙方才能輸入信號，否則，由于電路具有自鎖功能，使輸入信號無效。（2）“電子繩”到少由15個LED管構(gòu)成， 裁判下達(dá)“開始比賽”的命令后，位

2、于“電子繩”中點的LED點亮。甲乙雙方通過按鍵輸入信號，使發(fā)亮的LED管向自己一方移動，并阻止其向?qū)Ψ窖由?。?dāng)從中點至自己一方終點的LED管全部點亮?xí)r，表示比賽結(jié)束。這時，電路自鎖，保持當(dāng)前狀態(tài)不變，除非由裁判使電路復(fù)位。 3、方案論證與設(shè)計 電子拔河游戲機是一種能容納甲乙雙方參賽或甲乙雙方加裁判的三人游戲電路。由一排LED發(fā)光二極管表示拔河的“電子繩”。游戲雙方各擁有一個比賽時使用的按鈕,當(dāng)參與者不停的按動按鈕的時候就產(chǎn)生脈沖,誰快產(chǎn)生的脈沖就多,這樣由甲乙雙方通過按扭開關(guān)使發(fā)光的LED管向一方的終點延伸，雙方通過按扭輸入信號，使得計數(shù)電路實現(xiàn)計數(shù)功能，當(dāng)延伸到某方的最后一個LED管時， 則

3、該方獲勝，連續(xù)比賽多局以定勝負(fù)。通過設(shè)計多諧振蕩器提供輸入脈沖，用可逆計數(shù)器，譯碼器，將甲乙雙方的輸入轉(zhuǎn)換為脈沖，再經(jīng)過譯碼，顯示譯碼器和七段數(shù)碼管實現(xiàn)電路的記分功能。用開關(guān)設(shè)計的裁判可以實現(xiàn)電路的記分和清零功能。 平頂山工學(xué)院本科課程設(shè)計 目錄 1 概述? 1.1設(shè)計思想及說明? 2 系統(tǒng)總體方案及硬件設(shè)計? 2.1實驗設(shè)備及各器件功能? 2.2設(shè)計步驟? 2.3實驗電路框圖? 2.4 作品介紹? 3心得體會? 4 參考文獻(xiàn)? 附1：系統(tǒng)原理圖? 平頂山工學(xué)院本科課程設(shè)計 一 概述 1.1設(shè)計思想及說明 電子拔河游戲機是一種能容納甲乙雙方參賽或甲乙雙方加裁判的三人游戲電路。由一排LED發(fā)光二

4、極管表示拔河的“電子繩”。游戲雙方各擁有一個比賽時使用的按鈕,當(dāng)參與者不停的按動按鈕的時候就產(chǎn)生脈沖,誰快產(chǎn)生的脈沖就多,這樣由甲乙雙方通過按扭開關(guān)使發(fā)光的LED管向一方的終點延伸，雙方通過按扭輸入信號，使得計數(shù)電路分別實現(xiàn)實現(xiàn)加減計數(shù)功能，當(dāng)延伸到某方的最后一個LED管時， 則該方獲勝，連續(xù)比賽多局以定勝負(fù)。 通過設(shè)計甲乙通過輸入單脈沖，用十進(jìn)制可逆計數(shù)器實現(xiàn)加減，通過譯碼器顯示譯碼器和七段數(shù)碼管實現(xiàn)電路的記分功能，并實現(xiàn)雙方贏盤數(shù)的自動統(tǒng)計。用開關(guān)設(shè)計的裁判可以實現(xiàn)電路的清零功能。 平頂山工學(xué)院本科課程設(shè)計 二 系統(tǒng)總體方案及硬件設(shè)計 2.1實驗設(shè)備及各器件功能 1+5v直流電源；提供拔河

5、游戲機的信號輸入，高低電平輸入，產(chǎn)生信號。 2譯碼顯示器；將十進(jìn)制數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成模擬信號，使輸出比賽結(jié)果。 3邏輯電平開關(guān)；使能端，在每場比賽結(jié)束后進(jìn)行鎖定，在下場比賽開始時間解除鎖定，使比賽進(jìn)行以后各場。 44線16線譯碼/分配器CC4511;將二進(jìn)制數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成模擬信號，使發(fā)光二極管在與到高電勢時間發(fā)光。 5同步遞增/遞減二進(jìn)制計數(shù)器CC40193；CP（u）為遞增輸入端，CP(d)為遞減輸入端。 6十進(jìn)制計數(shù)器74LS90;對輸入信號進(jìn)行十進(jìn)制記數(shù)，記數(shù)后將其傳送到譯碼顯示器顯示。 7與非門CC40113，與門CC4081.異或門CC4030，電阻1千歐姆4，與譯碼顯示器、邏輯電平開關(guān)

6、、譯碼分配器、同步遞增/遞減二進(jìn)制計數(shù)器、十進(jìn)制計數(shù)器等各個器件構(gòu)成整個拔河游戲機設(shè)備。 8九個發(fā)光二集管及導(dǎo)線。 平頂山工學(xué)院本科課程設(shè)計 平頂山工學(xué)院本科課程設(shè)計 平頂山工學(xué)院本科課程設(shè)計 平頂山工學(xué)院本科課程設(shè)計 2.2 設(shè)計步驟 開始我們是設(shè)計電路圖完成以上功能，但由于部分器件的缺乏，而用現(xiàn)有器件實現(xiàn)電路功能相對較復(fù)雜。而且由于按照設(shè)計的電路圖，所需元器件較多，需使用兩塊電路板，但是出現(xiàn)了兩塊電板的電壓不匹配，驅(qū)動不足等問題，同時線路較復(fù)雜使得排查的工作也很難。所以后來我們改用了編程實現(xiàn)。 編程原理概要： 輸入：甲，乙和裁判的脈沖 平頂山工學(xué)院本科課程設(shè)計 輸出：9個LED發(fā)光二極管輸

7、入；甲的贏盤數(shù)（4位二進(jìn)制）；乙的贏盤數(shù)（4位二進(jìn)制）； 在程序內(nèi)部實現(xiàn)根據(jù)裁判，甲乙輸入控制計分，譯碼等主要功能 程序設(shè)計中的幾個關(guān)鍵問題： 時鐘信號問題：如何實現(xiàn)各相關(guān)功能模塊的時鐘同步。 首先搞清楚，引腳定義中寄存器屬性和組合邏輯屬性的不同?？梢宰鬟@樣的理解：寄存器模式需要時鐘信號的控制，來一個時鐘脈沖，發(fā)生一次改變。而組合邏輯屬性則可理解為某一時刻的輸出唯一決定于此時其輸入的各變量，而且可以認(rèn)為這種改變在電路內(nèi)部是瞬時的，無延遲現(xiàn)象。 本程序的核心是如何實現(xiàn)兩個脈沖分別控制一個可逆計數(shù)器的加減記數(shù)，同時裁判脈沖能對計數(shù)器進(jìn)行重置，以及重置之前的自鎖功能。 開始時我們是通過引入了一個外部

8、時鐘信號CLK，可逆計數(shù)器的時鐘信號=CLK，這樣就可以實現(xiàn)甲，乙，裁判脈沖能在任意時刻改變計數(shù)器的狀態(tài)，因為外部時鐘脈沖是始終不斷的，所以電路總是在判斷各輸入以決定輸出。但是碰到了一個問題：當(dāng)甲只按了一下，LED燈直接跳到了最左邊，也就是內(nèi)部計數(shù)器一下減到了0，而不是按一下只減1。分析現(xiàn)象，出現(xiàn)這樣的問題就是由于外部輸入的CLK信號的頻率為1-100KHZ，也就是其脈沖的周期最大也是微秒級的，甲，乙的脈沖是不可能實現(xiàn)這樣的速度的。例如甲按下單脈沖發(fā)生器0.1秒，而技術(shù)器時鐘已經(jīng)過去100以上的周期，也就是說計數(shù)器減了100次（當(dāng)然只減了4電路就自鎖了）。 后來我們也考慮過通過分頻將高頻信號分

9、頻成低如幾HZ的低頻信號，但是分析后發(fā)現(xiàn)這是不實際的，而且在時序上仍然存在問題。因為即使時鐘信號低到能適應(yīng)甲乙脈沖的頻寬，但是仍會因為周期過大，電路反應(yīng)過慢，LED移動緩慢的缺陷。 平頂山工學(xué)院本科課程設(shè)計 通過長時間的分析，這期間對寄存器和組合邏輯模式的電路內(nèi)部運作的理解有了質(zhì)的提高。得出了以下的最終解決方案 可逆計數(shù)器原始狀態(tài)輸出4位二進(jìn)制數(shù)0000，經(jīng)譯碼器輸出使中間的一只發(fā)光二極管發(fā)亮。當(dāng)按動A、B兩個按鍵時，分別產(chǎn)生兩個脈沖信號，經(jīng)整形后分別加到可逆計數(shù)器，可逆計數(shù)器輸出的代碼經(jīng)譯碼器譯后驅(qū)動發(fā)光二極管點亮并產(chǎn)生位移，當(dāng)亮點移到任何一方終端后，由于控制電路作用，使這一狀態(tài)被鎖定，而對

10、輸入脈沖不起作用。如按到復(fù)位鍵，亮點又回到中點位置，比賽又可重新開始。 將雙方終端二極管的正端分別經(jīng)兩個與非門后接至兩個二十進(jìn)制計數(shù)器的加計數(shù)端，當(dāng)任一方取勝，該方終端二極管發(fā)亮，產(chǎn)生一個下降沿使其對應(yīng)的計數(shù)器計數(shù)。這樣 ，計數(shù)器的輸出即顯示了勝者取勝的盤數(shù)。 1. 計數(shù)器 可逆計數(shù)器要有兩個輸入端，四個輸出端，要進(jìn)行加/減計數(shù)，因此選用CC40193雙時鐘二進(jìn)制同步加/減計數(shù)器來完成。 2.整形電路 CC40193是可逆計數(shù)器，控制加減的CP脈沖分別加至 5腳和4腳，此時當(dāng)電路要求 進(jìn)行加法計數(shù)時，減法輸入端CPd須為高電平；減法計數(shù)時，加法輸入CPu也必須為高電平，若直接由A、B鍵產(chǎn)生的脈

11、沖加到5腳或4腳，那么就有很多時機在進(jìn)行計數(shù)輸入時另一計數(shù)輸入端為低電平，使計數(shù)器不能計數(shù)，雙方按鍵均失去作用，拔河賽不能正常進(jìn)行。加一整形電路，使A、B鍵出來的脈沖經(jīng)整形后變?yōu)橐粋€占空比很大的脈沖，這樣就減少了進(jìn)行某一計數(shù)時另一計數(shù)輸入為低電平的可能性，從而使每一次鍵都有可能進(jìn)行有效的計數(shù)。整形電路是由兩個與門CC4081和4個與非門CC4011來實現(xiàn)其相應(yīng)功能。 3.譯碼電路 平頂山工學(xué)院本科課程設(shè)計 選用4線16線CC4514譯碼器。譯碼器的輸出 Q0Q14分接9個發(fā)光二極管，二極管的負(fù)端接地，而正端接譯碼器；這樣，當(dāng)信號輸出為高電平時發(fā)光二極管點亮。 比賽準(zhǔn)備，譯碼器輸入為0000，Q

12、0輸出為0，中心 處二極管首先點亮，當(dāng)編碼器進(jìn)行加法計數(shù)時，亮點向右移，進(jìn)行減法計數(shù)時，亮點向左移。 4.控制電路 為指示出誰勝誰負(fù)，需用一個控制電路。當(dāng)亮點移到任何一方的終端時，判該方為勝，此時雙方的按鍵均宣告無效。此時電路可用一個異或門CC4030和一個與非門CC4011來實現(xiàn)。將雙方終端二極管的正極接至異或門的兩個輸入端，負(fù)極接至兩個與非門的兩個斷口，當(dāng)獲勝一方為“1”，而另一方則為“0”， 異或門輸出為“1”，經(jīng)非門產(chǎn)生低電平“0”，再送到計數(shù)器的置數(shù)端PE，于是計數(shù)器停止計數(shù)，處于預(yù)置狀態(tài)，使計數(shù)器對輸入脈沖不起作用。 5.勝負(fù)顯示 將雙方終端二極管正極經(jīng)與非門后的輸出端分別接到兩個

13、74LS90計數(shù)器的A端，74LS90的四組4位BCD碼分別接到實驗裝置的四組譯碼顯示器的A、B、C、D插入口。當(dāng)一方取勝時，該方終端二極管發(fā)亮，同時相應(yīng)的數(shù)碼管進(jìn)行加一計數(shù)，于是就是到了雙方取勝次數(shù)的顯示。 6.復(fù)位 為能進(jìn)行多次比賽，需要進(jìn)行復(fù)位操作，使亮點返回中心點，可用一個開關(guān)控制CC40193的清零端即可。 勝負(fù)顯示器的復(fù)位也應(yīng)用一個開關(guān)來控制勝負(fù)計數(shù)器的清零端R,使其重新計數(shù)。 平頂山工學(xué)院本科課程設(shè)計 2.3 實驗電路 2.4 作品介紹 嚴(yán)格說來，我們組的作品只是在功能上實現(xiàn)了拔河機的拔 河功能，雖然算不上真正意義上的拔河游戲機，但這次設(shè)計實驗不失為一次有意義的挑戰(zhàn)。本作品為數(shù)字

14、電子產(chǎn)品，準(zhǔn)確而且靈敏度高，不會因為電路耗能或模擬元件本身的原因造成響應(yīng)緩慢、準(zhǔn)確度低等缺陷。 使用說明首先，要接如5V的直流電源使電路通電，使用復(fù)位開關(guān)將甲乙贏盤數(shù)重置，然后，裁判按下開始將程序內(nèi)部核心加減計數(shù)器重新置開始位，儀器便可開始工作，用甲乙兩個脈沖開關(guān)實現(xiàn)電路的“拔河”，當(dāng)某端的最后一個發(fā)光LED管亮起時，說明一局比賽結(jié)束，通過按下裁判的復(fù)位按鍵來進(jìn)行下一場比賽，在數(shù)碼管中顯示了比賽的結(jié)果。 平頂山工學(xué)院本科課程設(shè)計 三 心得體會 此次電子系統(tǒng)設(shè)計中，我們投入了最大的熱情和精力，從設(shè)計電路圖，選擇元器件，在實驗箱上組合，每一個過程都經(jīng)過了大家的共同探討，其過程中出現(xiàn)了不少的問題，我們沒有氣餒，沒有退縮，我們積極向同學(xué)和老師請教，并且一遍又一遍的重復(fù)實踐，直到我們期望的結(jié)果實現(xiàn)。事實也證明我們的努力沒有白費，認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嵙?xí)態(tài)度給我們帶來了成功的喜悅！通過這次電子系統(tǒng)設(shè)計，我們掌握了設(shè)計一個數(shù)字電路的基本方法和基本步驟，實際解決了設(shè)計中出現(xiàn)的問題，增強了尋找問題，解決問題的能力。此次電子設(shè)計的成功不僅幫助我們更好地掌握書本知識，尤其重要的是增強了我們的自信，培養(yǎng)了我們獨立思考的能力。 嚴(yán)格說來，我們組的作品只是在功能上實現(xiàn)了拔河機的拔河功能，雖然算不上真正意義上的拔河游戲機，但這次設(shè)計實驗不失