《电子技术综合设计与实践》设计说明书

１课程设计课程名称电子技术综合设计与实践题目名称八位数字抢答器学生学院自动化学院专业班级学号学生姓名指导教师2010年9月21日２目录课程设计任务书…………………………………………………………………………3摘要………………………………………………………………………………………51设计的任务与要求1.1设计的目的………………………………………………………………………………61.2设计的要求………………………………………………………………………………62设计方案2.1设计思路…………………………………………………………………………………72.2设计过程…………………………………………………………………………………73模块及其功能介绍3.1抢答器的组成……………………………………………………………………………83.2抢答器的工作原理………………………………………………………………………114实验结果与数据分析…………………………………………………………………125结论与问题讨论………………………………………………………………………12参考文献…………………………………………………………………………………12３《电子技术综合实践》课程设计任务书题目：八位数字抢答器一、设计任务与要求1设计任务：1）利用各种器件设计一个多路智力竞赛抢答器。2）利用DE2板对所设计的电路进行验证。3）总结电路设计结果2设计要求1）.抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0~S7表示。2）.设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。3）.抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。4）.抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如,30秒）。当主持人启动开始S键后，定时器进行减计时，同时指示灯(建议采用绿色灯)开始短暂的闪烁，持续的时间0.5秒左右。5）.参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上(七段数码管HEX)显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止，此时指示灯应停止闪烁。6）.如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00，指示灯应亮起(建议采用红色灯)。二、设计思路1学习要求：复习编码器、十进制加/减计数器的工作原理，设计可预置时间的定时电路分析与设计时序控制电路。画出定时抢答器的整机逻辑电路图，掌握智力抢答器的工作原理及其设计方法，并对各种元器件的功能和应用有所了解。并能对其在电路中的作用进行分析。例如：构建定时器，优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279以及十进制同步加/减计数器74LS192。2设计思路设定一条控制总线S控制整个系统的运作，高电平有效。设定一个清零控制，用于清除上一次抢答的显示，高电平清零。另设定了一个自主的计数器置数控制set。由于DE2板上仅提供50MHz和27MHz的时钟，需设定lpm_counter分频器来对系统时钟进行分频，计数器主要是用两个74LS190，通过这两个计数器，进行30秒的倒数。三、模拟仿真(可选)使用可编程逻辑器件和QUARTUSII软件，用原理图输入方法，进行编译，仿真。４四、下载模拟仿真结果正确后，结合实验板设置各输入、输出端；指定下载芯片，重新编译。编译结果正确后下载到相应芯片中。五、实验结果验证下载完成后，在实验板上验证结果，可以利用实验板上的按键模拟呼叫源。六、实验报告在验证结果正确后，确定方案并绘制电路图。进一步完善设计文档资料，写出总结报告。发出任务书日期：2010年9月17日指导教师签名：５摘要抢答器电路设计方案很多，有用专用芯片设计的、有用复杂可编程逻辑电路设计的、有用单片机设计制作的、也有用可编程控制器完成的，但由于我们所学的数字电路技术有限，现在只能用一些小规模的集成芯片实现其功能。我们主要采用了74系列的芯片作为主要的电路部分和时钟分频，附加一些门电路以实现控制功能。主要在QuartusⅡ的环境下画出电路图并进行编译，最后下载到DE2实验板进行功能验证。关键词：数字电子技术抢答器74系列QuartusⅡ６1设计任务目的与要求1.1设计目的1.熟悉集成电路的引脚安排。2.掌握编码器、十进制加/减计数器等芯片的逻辑功能及使用方法。3.了解数字抢答器的组成及工作原理，掌握智力抢答器的工作原理及其设计方法。4.熟悉数字抢答器的设计与制作，并能对其在电路中的作用进行分析。5.熟悉quartus原理图设计数字电子电路的方法，学会使用FPGA开发数字电子电路。1.2设计要求1.抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0~S7表示。2.设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。3.抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。4.抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如,30秒）。当主持人启动开始S键后，定时器进行减计时，同时指示灯(建议采用绿色灯)开始短暂的闪烁，持续的时间0.5秒左右。5.参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上(七段数码管HEX)显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止，此时指示灯应停止闪烁。6.如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00，指示灯应亮起(建议采用红色)。72设计方案2.1设计思路（1）设计抢答器电路。（2）设计可预置时间的定时电路。（3）设计报警电路。（4）设计时序控制电路。2.2设计过程首先收集所有相关器件的datasheet，了解它们的逻辑功能。采用分模块设计，一开始先设计好抢答电路、倒计时定时电路、数码管显示电路，然后考虑各个模块的逻辑关系，实现复位端、清零端得相应功能。83模块及其原理介绍3.1抢答器的组成抢答器的整体电路图如下图所示。它主要由控制端输入电路、优先编码器、触发锁存电路、7段显示译码器和数码管、指示灯几部分组成。（1）抢答开关电路该电路由多路开关所组成，每一竞赛者与一组开关相对应。实验室提供的板是拨动开关，这里用开关的一次来回拨动，模拟实际应用的抢答按钮。（2）优先编码器74148编码器的作用是将某一开关信息转化为相应的8421BCD码，以提供数字显示电路所需要的编码输入。因为电路使用的芯片74ls148输入低电平有效，故一开始要把sw0~7全部置为高电平。当有选手输入时，GS使能端输出低电平。选手抢答输入选手抢答电路倒计时电路报警指示红灯抢答开始提示绿灯StartClear9（3）D触发锁存电路7475电路把编码器输出的低电平信号，锁存起来，并且反馈回D触发锁存器的使能端E12、E34，迅速关闭7475，使以后的输入无效。（5）74283加法电路由于74148出来的数值是从0~7，选手编号一般为1~8，所以，设置此加法电路，是74148的输出加1，符合我们正常的使用习惯。锁存电路加法电路选手号码显示电路10（6）7段显示译码器译码驱动电路将编码器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。（7）数码显示器数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管。实验室的实验板提供的为LED数码管。此处用来完成输出抢答选手号码的功能。（8）74292分频电路把系统的时钟分频，为计数器提供周期大约1S的时钟，提供给计数器计时。（9）减法计数器电路实现系统倒计时计数，提供信号给报警电路。11（10）报警电路3.2抢答器的工作原理电路图如上，当主持人按下抢答电路启动按钮start时，主持人在计数器74190预置倒计时Ns，当主持人按下start，倒计时开始，同时7475触犯器使能，队员开始抢答，绿灯开始每隔0.5s闪烁一次。当有人抢答时，从74148的GSN端会有一个低电平，告知有键按下，此低电平信号反馈到7475触犯器的使能端，是触发器不使能，封锁以后的输入信号，同时把信号送到计数器的GN，使计数器停止计数，抢答完成，数码管显示相应的抢答者的编号和抢答所用时间，绿灯同时熄灭。如要进行下一次抢答，主持人按下清零CLR，清除数码管的显示，按下start使能触发器，使抢答电路有效，同时置入倒计时Ns。如果在Ns倒计时结束后无人抢答，74190输出端abcd均为低电平，经过或非门输出高电平，从而是红灯报警，在经过非门控制绿灯熄灭实现报警功能。倒数电路预置倒数时间显示时间电路124实验结果与数据分析（1）用quartus原理图编辑输入设计的原理图。（2）配置相应的管脚，编译，烧录。（3）调试相应的功能模块，使其符合要求。（4）整合各个功能模块，注意各部分电路之间的时序配合关系。然后检查电路各部分的功能，使其满足设计要求。5结论与问题讨论最初的我们的设计方案是由74148编码器和74279RS锁存器来实现抢答电路的功能的，但经过实际调试，发现抢答者号码的显示总是实现不了，后来改用7475D锁存器，实现了显示功能，却不能实现锁存的功能。经过多次的思考与调试，我们用了门电路来控制锁存器的使能端，通过控制使能端来锁存信号，使后来的信号无法传输以实现了锁存功能。在倒计时的电路设计过程中，我们尝试用lpmcounter分频器来对系统50MHz时钟分频，但是由于对器件的不熟悉，设置参数错误，无法正确进行分频。另外，在两片74190的使能端设计上也花费了许多精力与时间。一开始计数功能完全瘫痪，只能显示预置数，无法计数。后来我们尝试用74192芯片，但对使能端up与down两个端口的功能不了解，尝试了多种接法都无法实习其功能。我们就毅然改用了74190，通过控制GN端输入，经过一步步的试验，计数功能终于完成。实现了主要功能，还有两个附加的指示灯功能也是我们焦头烂额。报警红灯的电路还算比较简单，只用一个或非门器件把74190的八个输出段连接便可实现其功能。但是绿灯的控制则需要多路控制，包括start、选手输入锁存控制、时钟信号以及报警红灯的控制。我们综合考虑了绿灯的功能，通过门电路实现了其功能。通过这次对数字抢答器的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于抢答器的基本原理与设计理念。本实验通过EDA软件quartus实现，使我们对FPGA器件的使用有了一定了解，指明了一个发展方向给我们。通过这次实训，我对各种芯片的用法都有了更深层次的认识，而不至于使我的知识仅限于理论而脱离实践。参考文献[1]阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006年[2]谢云.现代电子技术实践课程指导.北京：机械工业出版社.2009年[3]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程.北京：北京航空航天大学出版社.2008年