電子技術(shù)綜合設(shè)計與實踐-電子秒表設(shè)計

課,程,設(shè),計,課程名稱,,電子技術(shù)綜合設(shè)計與實踐,題目名稱學(xué)生學(xué)院,專業(yè)班級學(xué),,,,號學(xué)生姓名指導(dǎo)教師

廣東工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書

題目名稱電子秒表學(xué)生學(xué)院自動化學(xué)院專業(yè)班級自動化姓,,,,名學(xué),,,,號一、課程設(shè)計的內(nèi)容1）利用各種器件設(shè)計電子秒表，電子秒表電路是一塊獨立構(gòu)成的計時集成電路芯片。它集成了計數(shù)器、譯碼器和驅(qū)動等電路，能夠?qū)γ胍韵聲r間單位進行精確計時，具有清零、啟動計時、暫停計時、繼續(xù)計時以及簡單記憶等功能；2）使用可編程邏輯器件和QUARTUS,II軟件，用原理圖輸入方法，進行編譯，仿真。利用DE2板對所設(shè)計的電路進行驗證；,3）總結(jié)電路設(shè)計結(jié)果,。 二、課程設(shè)計的要求與數(shù)據(jù)1）秒表由5位七段LED顯示器顯示，其中一位顯示“minute”,四位顯示“second”，其中顯示分辯率為0.01,s，計時范圍是0—9分59秒99毫秒；2）具有清零、啟動計時、暫停計時及繼續(xù)計時等控制功能；3）控制開關(guān)為兩個：啟動（繼續(xù)）/暫停計時開關(guān)和復(fù)位開關(guān)；4）具有簡單的記憶分析功能，即：能夠記憶最近3次記錄的時間，并用LED顯示其中最大的時間值和最小的時間值。三、課程設(shè)計應(yīng)完成的工作1）秒表由5位七段LED顯示器顯示，其中一位顯示“minute”,四位顯示“second”，其中顯示分辯率為0.01,s，計時范圍是0—9分59秒99毫秒；2）具有清零、啟動計時、暫停計時及繼續(xù)計時等控制功能；3）控制開關(guān)為兩個：啟動（繼續(xù)）/暫停計時開關(guān)和復(fù)位開關(guān)；4）具有簡單的記憶分析功能，即：能夠記憶最近3次記錄的時間，并用LED顯示其中最大的時間值和最小的時間值。四、課程設(shè)計進程安排序號設(shè)計各階段內(nèi)容地點起止日期1Quartus,II,入門學(xué)習(xí)，熟悉設(shè)計流程實2-21412.212進一步學(xué)習(xí)Quartus,II，講解各設(shè)計任務(wù)及其要求，分配設(shè)計任務(wù)實2-21412.223通過查閱資料，獨立完成電路設(shè)計，提交紙質(zhì)電路原理圖草稿實2-21412.234在Quartus,II和DE2板上實現(xiàn)設(shè)計實2-21412.24~255演示和驗收實2-21412.256完成設(shè)計報告12.26~12.27五、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻復(fù)習(xí)數(shù)值比較器、移位寄存器以及加/減計數(shù)器的工作原理，掌握電子秒表的工作原理及其設(shè)計方法，并對各種元器件的功能和應(yīng)用有所了解。并能對其在電路中的作用進行分析。收集一些芯片的Datasheet：數(shù)值比較器74LS85、十進制同步加法計數(shù)器74LS160、四位移位寄存器74LS194、分頻器74LS292、四線-七線譯碼器74LS47。參考文獻：[1],閻石.,數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].,北京:,高等教育出版社,,2006.5：215-355[2],劉昌華.,數(shù)字邏輯EDA設(shè)計與實踐——MAX+plusⅡ與QuartusⅡ雙劍合璧[M].,北京:,國防工業(yè)出版社,,2006:,296-400.[3],潘松,黃繼業(yè).,EDA技術(shù)實用教程[M].,北京:,科學(xué)出版社,,2008:,13-195.[4],謝云.現(xiàn)代電子技術(shù)實踐課程指導(dǎo)[M],北京：機械工業(yè)出版社，2007 發(fā)出任務(wù)書日期：,2009,年,9,月,14,日,,,,指導(dǎo)教師簽名：計劃完成日期：,,,2009,年,9,月,25,日,,,,基層教學(xué)單位責(zé)任人簽章：主管院長簽章：摘,,,,要電子秒表在生活中可廣泛應(yīng)用于對運動物體的速度、加速度的測量實驗,還可用來驗證牛頓第二定律、機械能守恒等物理實驗,同時也適用于對時間測量精度要求較高的場合.測定短時間間隔的儀表。有機械秒表和電子秒表兩類。機械秒表與機械手表相仿，但具有制動裝置，可精確至百分之一秒；電子秒表用微型電池作能源，電子元件測量顯示，可精確至千分之一秒。廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、體育運動及國防等方面在當(dāng)今非常注重工作效率的社會環(huán)境中，定時器能給我們的工作、生活以及娛樂帶來很大的方便，充分利用定時器，能有效的加強我們的工作效率。數(shù)字電子秒表是利用數(shù)字電子技術(shù)把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號來完成的，具有直觀、準(zhǔn)確性高的特點。關(guān)鍵詞：電子秒表、計時、定時器、Quartus,II目,,,,錄,TOC,\o,"1-3",\h,\z,\u,,HYPERLINK,\l,"_Toc241751231",1,,設(shè)計任務(wù)目的與要求 ,PAGEREF,_Toc241751231,\h,1,HYPERLINK,\l,"_Toc241751232",1.1 設(shè)計目的 ,PAGEREF,_Toc241751232,\h,1,HYPERLINK,\l,"_Toc241751233",1.2 設(shè)計要求 ,PAGEREF,_Toc241751233,\h,1,HYPERLINK,\l,"_Toc241751234",1.3 設(shè)計內(nèi)容 ,PAGEREF,_Toc241751234,\h,1,HYPERLINK,\l,"_Toc241751235",2,,模塊及其原理介紹 ,PAGEREF,_Toc241751235,\h,2,HYPERLINK,\l,"_Toc241751236",2.1,電路整體原理圖 ,PAGEREF,_Toc241751236,\h,2,HYPERLINK,\l,"_Toc241751237",2.2,時鐘脈沖模塊 ,PAGEREF,_Toc241751237,\h,2,HYPERLINK,\l,"_Toc241751238",2.3,計數(shù)器模塊 ,PAGEREF,_Toc241751238,\h,3,HYPERLINK,\l,"_Toc241751239",2.4,存儲模塊 ,PAGEREF,_Toc241751239,\h,3,HYPERLINK,\l,"_Toc241751240",2.5,顯示模塊 ,PAGEREF,_Toc241751240,\h,4,HYPERLINK,\l,"_Toc241751241",3,,設(shè)計方案 ,PAGEREF,_Toc241751241,\h,4,HYPERLINK,\l,"_Toc241751242",3.1方案論證 ,PAGEREF,_Toc241751242,\h,4,HYPERLINK,\l,"_Toc241751243",3.2,設(shè)計總體框圖 ,PAGEREF,_Toc241751243,\h,5,HYPERLINK,\l,"_Toc241751244",4,,實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析 ,PAGEREF,_Toc241751244,\h,8,HYPERLINK,\l,"_Toc241751245",4.1,電子秒表的整體測試 ,PAGEREF,_Toc241751245,\h,8,HYPERLINK,\l,"_Toc241751246",4.2,電子秒表準(zhǔn)確度的調(diào)整 ,PAGEREF,_Toc241751246,\h,9,HYPERLINK,\l,"_Toc241751247",5,,結(jié)論與問題討論 ,PAGEREF,_Toc241751247,\h,9,HYPERLINK,\l,"_Toc241751248",5.1,完成設(shè)計要求的程度 ,PAGEREF,_Toc241751248,\h,9,HYPERLINK,\l,"_Toc241751249",5.1設(shè)計可改進的地方和方法 ,PAGEREF,_Toc241751249,\h,9,HYPERLINK,\l,"_Toc241751250",6,,設(shè)計心得 ,PAGEREF,_Toc241751250,\h,10,HYPERLINK,\l,"_Toc241751251",參考文獻 ,PAGEREF,_Toc241751251,\h,101,,設(shè)計任務(wù)目的與要求設(shè)計目的1.建立數(shù)字電子電路系統(tǒng)的基本概念；2.熟悉FPGA的應(yīng)用，計數(shù)器的級聯(lián)及其計數(shù)、譯碼、顯示電路的整體配合；3.建立分頻的基本概念。設(shè)計要求1）利用各種器件設(shè)計電子秒表，電子秒表電路是一塊獨立構(gòu)成的計時集成電路芯片。它集成了計數(shù)器、譯碼器和驅(qū)動等電路，能夠?qū)γ胍韵聲r間單位進行精確計時，具有清零、啟動計時、暫停計時、繼續(xù)計時以及簡單記憶等功能；2）使用可編程邏輯器件和QUARTUS,II軟件，用原理圖輸入方法，進行編譯，仿真。利用DE2板對所設(shè)計的電路進行驗證；3）總結(jié)電路設(shè)計結(jié)果,。設(shè)計內(nèi)容1）秒表由5位七段LED顯示器顯示，其中一位顯示“minute”,四位顯示“second”，其中顯示分辯率為0.01,s，計時范圍是0—9分59秒99毫秒；2）具有清零、啟動計時、暫停計時及繼續(xù)計時等控制功能；3）控制開關(guān)為兩個：啟動（繼續(xù)）/暫停計時開關(guān)和復(fù)位開關(guān)；4）具有簡單的記憶分析功能，即：能夠記憶最近3次記錄的時間，并用LED顯示其中最大的時間值和最小的時間值。2,,模塊及其原理介紹2.1,電路整體原理圖圖1圖1是電子秒表完全的電路原理圖，按功能可以分成四個單元電路進行分析，由時鐘脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼器和數(shù)碼管等組成。2.2,時鐘脈沖模塊如圖所示為電子秒表的時鐘脈沖發(fā)生電路，系統(tǒng)通過CLK輸入50MHz的時鐘脈沖，經(jīng)過74LS194分頻后得到我們所需要的100Hz的時鐘信號，由Q端引出。2.3,計數(shù)器模塊圖中所示為計數(shù)器的部分電路，系統(tǒng)要求我們設(shè)計的電子秒表計數(shù)范圍是0-9分59秒99毫秒，因此我們用5片同步十進制計數(shù)器74LS160予以實現(xiàn)，把低三位74LS160接成十進制計數(shù)器作為毫秒和秒的個位，把次高位接成六進制計數(shù)器作為秒的十位，而最高位用十進制表示分。除最高位外，其余四個74LS160都是用置數(shù)法來實現(xiàn)計數(shù)器清零的。2.4,存儲模塊如圖所示為秒表存儲數(shù)據(jù)的部分電路，我們運用30片74LS194四位移位寄存器和15片74LS85比較器進行比較存儲，儲存的是最后秒表暫停或清零前記錄的三組數(shù)據(jù)，通過比較存儲輸出最大值和最小值。2.5,顯示模塊顯示模塊的電路通過4線-7線譯碼器74LS47把計數(shù)模塊的數(shù)據(jù)及存儲模塊的數(shù)據(jù)進行編碼輸入到數(shù)碼管最終顯示出來，圖中為部分顯示模塊電路。3,,設(shè)計方案3.1方案論證方案一,采用8051IP核設(shè)計。用FPGA構(gòu)成一個8051單片應(yīng)用系統(tǒng)具有如下優(yōu)缺點：1、擁有標(biāo)準(zhǔn)8051完全兼容的指令系統(tǒng)的CPU；2、256字節(jié)內(nèi)部RAM；3、4K字節(jié)程序ROM；4、每一此編譯下載后都能根據(jù)需要更新ROM中的程序，所以該單片機的實現(xiàn)和使用如同89C51/52一樣方便。缺點：設(shè)計煩瑣可以直接用8051單片機代替。程序復(fù)雜。方案二,采用芯片CycloneⅡEP2C35F672C6、共陰七段數(shù)碼管、按鍵、開關(guān)、設(shè)計。EP2C35F672C6是Cyclone器件,Cyclone可以最多支持129個通道的LVDS和RSDS。Cyclone器件的LVDS緩沖器可以支持最高達640Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速度。與單端的I/O口標(biāo)準(zhǔn)相比，這些內(nèi)顯置于Cyclone器件內(nèi)部的LVDS緩沖器保持了信號的完整性，并且有更低的電磁干擾、更好的電磁兼容性（EMI）及更低的電源功耗。采用此芯片設(shè)計簡單,不需要用匯編語言編寫程序,直接用VHDL編寫即可以.,缺點：與8051IP核相比精確度不是很高。但是對于秒表系統(tǒng)設(shè)計可以滿足要求。我們采用這種方法進行設(shè)計。3.2,設(shè)計總體框圖3.4,原理方框圖其原理方框圖如圖2所示圖23.5,編譯仿真下面使用Quartus,II7.2對本設(shè)計進行編譯和仿真。首先創(chuàng)建工程,把本設(shè)計中的所有設(shè)計文件添加進工程后,先對每個模塊進行編譯糾錯,通過之后就可以進行仿真。先進行軟件仿真每一部分的仿真從略,下面只說明系統(tǒng)的整體仿真波形。系統(tǒng)工作時的仿真波形如圖所示。確定準(zhǔn)確無誤后然后開始鎖定管腳,執(zhí)行菜單命令assignments→pins出現(xiàn)如下：鎖定后的管腳結(jié)果如下:NodeNameDirectionLocationA[7]OutputPIN_V13A[6]OutputPIN_V14A[5]OutputPIN_AE11A[4]OutputPIN_AD11A[3]OutputPIN_AC12A[2]OutputPIN_AB12A[1]OutputPIN_AF10B[7]OutputPIN_AB24B[6]OutputPIN_AA23B[5]OutputPIN_AA24B[4]OutputPIN_Y22B[3]OutputPIN_W21B[2]OutputPIN_V21B[1]OutputPIN_V20C[7]OutputPIN_Y24C[6]OutputPIN_AB25C[5]OutputPIN_AB26C[4]OutputPIN_AC26C[3]OutputPIN_AC25C[2]OutputPIN_V22C[1]OutputPIN_AB23clkInputPIN_N2D[7]OutputPIN_W24D[6]OutputPIN_U22D[5]OutputPIN_Y25D[4]OutputPIN_Y26D[3]OutputPIN_AA26D[2]OutputPIN_AA25D[1]OutputPIN_Y23E[7]OutputPIN_T3E[6]OutputPIN_R6E[5]OutputPIN_R7E[4]OutputPIN_T4E[3]OutputPIN_U2E[2]OutputPIN_U1E[1]OutputPIN_U9KEY0InputPIN_G26SW0InputPIN_N25sw1InputPIN_N26sw2InputPIN_P25管腳鎖定好以后再重新編譯一次編譯通過后執(zhí)行Tools→Progammer命令出現(xiàn)如下：單擊"start"按鈕,開始硬件仿真.如果不能實現(xiàn)還需要重新調(diào)試程序直到實現(xiàn)秒表功能為止.4,,實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析4.1,電子秒表的整體測試 各單元電路測試正常后，按圖把幾個單元電路連接起來，進行電子秒表的總體測試。把編譯好的電路程序下載到ED2板后數(shù)碼管顯示全0，按一下按鈕開關(guān)SW0，則計數(shù)器便開始計時，觀察數(shù)碼管顯示計數(shù)情況是否正常，如不需要計時或暫停計時，再按一下開關(guān)SW0，計時立即停止，但數(shù)碼管保留所計時之值，如需繼續(xù)計時，可再按一次SW0。要在秒表計數(shù)中或者停止后進行復(fù)位，可按一下按鍵KEY0，則數(shù)碼管立即顯示全零。需要顯示最后紀錄的三組數(shù)據(jù)的最大值，可在復(fù)位后按一下開關(guān)SW1，而按一下開關(guān)SW2則顯示最小值。4.2,電子秒表準(zhǔn)確度的調(diào)整,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,利用電子鐘或手表的秒計時對電子秒表進行校準(zhǔn)?？赏ㄟ^與手表計時一分鐘的時間與設(shè)計的電子秒表進行誤差分析，通過調(diào)整分頻電路的分頻輸出時鐘信號來校正電子秒表的精確度。5,,結(jié)論與問題討論5.1,完成設(shè)計要求的程度本設(shè)計基本上按要求實現(xiàn)了所有功能，雖然我們所用到的芯片多了點，但是電路運行卻很可靠，在設(shè)計過程中我們遇到了很多問題。一開始畫好電路原理圖進行編譯并下載到硬件電路里面后，我們發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管顯示數(shù)字出現(xiàn)進位錯誤，多次修改電路方案后仍然出錯，經(jīng)過仔細檢查后我們才發(fā)現(xiàn)，是原理圖復(fù)位端沒有跟計數(shù)器芯片的清零端連住，這一問題解決后，我們的秒表計數(shù)就準(zhǔn)確了。接下來事進行秒表的功能擴展，即實現(xiàn)秒表最大值和最小值的顯示。一開始我們動用了30個移位寄存器74LS194和15個四線-七線譯碼器74LS47，但是在硬件電路上檢驗后我們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過四線-七線譯碼器74LS47輸出的信號只能輸進數(shù)碼管一次，此時，我們把15個四線-七線譯碼器74LS47先經(jīng)過或門的連接，再與計數(shù)器輸出端用或門連接，最后公用一個數(shù)碼管，但是此時數(shù)碼管的輸入端只有一個信號，因此順利得完成了秒表的數(shù)值顯示和最大最小值的記錄。5.1設(shè)計可改進的地方和方法在顯示最大值和最小值的時候，我們的設(shè)計結(jié)果是只能通過復(fù)位后才能進行顯示?？筛倪M的地方就是對原理圖中存儲電路時鐘信號的修改?？梢栽跀?shù)值比較器比較后得出的結(jié)果用或門結(jié)成所需要的時鐘脈沖，然后用做存儲數(shù)據(jù)顯示的觸發(fā)脈沖?？偟膩碚f，我們的設(shè)計已經(jīng)是符合要求的了。6,,設(shè)計心得經(jīng)過了一周的課程設(shè)計,現(xiàn)在終于有了一點的心得,原本以為我對數(shù)字電子技術(shù)還是比較了解的,所以一向以為數(shù)字電子技術(shù)的課程設(shè)計應(yīng)該不會覺得很難,可是事實并不是我所想的那樣,剛開始的幾天我們雖然很快就畫好了電路原理圖，可是在實踐檢驗中卻不斷碰壁，好多