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孙淑艳2015-01-04一、数字系统的基本概念数字电子技术基础中介绍的编码器、译码器、数据选择器、加法器、计数器、寄存器等电路，都只能实现某种单一的特定的功能，因此称为功能部件级电路。由若干这样的数字电路和逻辑部件构成的，按一定顺序处理和传输数字信号的设备，称为数字系统。数字系统从结构上可以划分为数据处理单元和控制单元两部分，如图所示。1、整体规划：从要求出发，将整体设计分解为多个小模块或者多个步骤。2、具体设计：根据不同小模块或不同步骤的功能查找可用器件，并辅以外围电路将功能实现。3、调试整合：将小模块进行组合或者将不同步骤按顺序依次实现。4、撰写报告：设计报告是学生对课程设计全过程的系统总结。二、数字系统设计的一般步骤三、数字系统设计的一般方法数字系统的设计方法有两种，即自上而下的设计方法和自下而上的设计方法。现代数字系统的设计常采用自上而下的设计方法。自上而下的设计方法是针对数字系统层次化结构的特点，将系统的设计分层次、分模块进行。通常将整个系统从逻辑上划分成控制单元和数据处理单元两大部分。如果控制单元和处理单元仍比较复杂，可以在控制单元和处理单元内部多重地进行逻辑划分，分解成几个子模块进行逻辑设计，最后得到所要求的数字系统。系统—子系统—功能模块—单元电路—元器件—印制版图三、数字系统设计的一般方法自上而下的设计方法一般要遵循下列几个步骤：1.明确所要设计系统的功能，进行逻辑抽象。设计题目通常是比较简单的文字叙述，没有细节说明，设计者必须对题目消化、理解，逐步明确并抽象出系统要完成的逻辑功能。2.确定实现系统功能的总体方案，画出系统方框图。将系统要实现的复杂功能进行分解，分成若干子功能模块，并确定各功能模块的操作顺序和相互联系，画出系统的方框图。3.设计数据处理单元。明确数据处理单元的基本运算和操作，它们可以是算术和逻辑运算、数据的存储、变换和传送等。选用通用集成电路芯片实现其功能。4.设计控制单元。根据数据处理单元进行的操作及操作顺序，确定控制单元的逻辑功能。在绝大多数数字系统中，控制单元是同步时序电路。--三路智力竞赛抢答器的设计一、系统的功能智力竞赛抢答器系统要完成的逻辑功能如下:第一步：主持人预置每组100分。第二步：主持人按“准备抢答”按钮，宣布准备抢答并述题。第三步：判断有无违章提前抢答者。如果有违章提前抢答者（选手抢答台红灯亮并发出声音），则宣布本题失败并做违章处理（如减分或口头警告），然后返回第二步。如果没有违章提前抢答者，则进行第四步。第四步：主持人按“开始抢答”按钮，宣布开始抢答。第五步：选手按自己的选手抢答台上所设的“抢答”按钮抢答。抢到答题权的选手抢答台上所设的绿灯发亮并发出声音，经主持人允许后答题。第六步：若选手答题正确，主持人宣布选手得分，并按“加10分”按钮给选手加10分或者按“减10分”按钮给选手减10分。第七步：转入第二步进行下一题，或宣布抢答活动结束。主持人选手得分二、确定系统的组成整个系统应包括主持人控制台、选手抢答台、选手计分器三部分。主持人通过主持人控制台上所设按钮向选手抢答台和选手计分器发送“预置分值”、“准备抢答”、“开始抢答”、“加分”、“减分”等信号；抢答选手通过选手抢答台上所设按钮发送“抢答”信号并封锁竞争对手的抢答器，同时向自己的计分器发出“计分允许”信号。三、主持人控制台功能规划和电路设计1.功能规划（1）主持人控制台状态和所需器件主持人控制台只有“准备抢答”S0和“开始抢答”S1两个状态，故只需一个触发器FF0；此外需要设置“预置100分”按钮(L)、“准备抢答”按钮(R)、“开始抢答”按钮(S)、“加10分”按钮(U)、“减10分”按钮(D)，可用开关实现。（2）按钮功能规定和信号形式L：同时将三个选手的计分器置成100分，选用带低电平有效预置端的计数器构成计分器，故信号形式为负脉冲。R：将本台状态触发器FF0复位到S0状态，同时将三个选手抢答台置于初始状态，信号形式为负脉冲。S：将本台状态触发器FF0置位到S1状态，再由FF0向三个选手抢答台输出抢答允许信号，信号形式为负脉冲。U：给竞答选手加10分，信号形式为正脉冲。D：给竞答选手减10分，信号形式为正脉冲。LRSUD2.电路设计在Multisim平台中画出电路原理图，FF0选用带低电平预置和清零的D触发器，将D端和CP端接地，构成R-S触发器。按钮可以用单刀双掷开关实现，每次操作必须连按两次才可模仿一个按钮。由于FF0在上电仿真时会自动进入置位状态S1，故在电路中加入0.1秒的延迟开关或延迟继电器使FF0上电复位。三、主持人控制台功能规划和电路设计四、选手抢答器功能规划和电路设计1.选手抢答器的输入和输出信号及其含意（1）选手抢答器输入信号应包括：①主持人控制台送来的“准备抢答”信号，将选手抢答器复位到初始状态，设为X0，0有效；②主持人控制台送来的“开始抢答”信号，允许竞答选手按抢答按钮，设为X1，1有效；③其它选手抢答器送来的“封锁”信号，使本选手不能抢答，设其组合后为X2，0封锁；④竞答选手按“抢答”按钮形成抢答信号，在电路中作为时钟信号CP，设为X3，负脉冲。（2）选手抢答器输出信号应包括：①“违章抢答”信号，用于点亮红灯并使蜂鸣器发声，设为Y0，1有效；②“抢答有效”信号，用于点亮绿灯，设为Y1，1有效；③“计分允许”信号，使主持人能对本选手加分或减分，设为Y2，1有效；④“输出封锁”信号，使其他竞答选手按抢答按钮无效，设为Y3，1有效。XXXX四、选手抢答器功能规划和电路设计2.选手抢答器的状态规划和设计过程选手抢答器应至少具有三个状态，一为初始状态S0，二为违章抢答后状态S1，三为有效抢答后状态S2。根据题意可画出原始状态图和原始状态表。Si/Y0Y1Y2Y3X1X2S0/00000XS1/1011S2/11100111Q1nQ0nX1X2Q1n+1Q0n+1Y0Y1Y2Y3000×0100001000111001××01101110××100111从原始状态表可知，计分允许信号Y2和输出封锁信号Y3始终相同，可以合并Y2和Y3。四、选手抢答器功能规划和电路设计2.选手抢答器的状态规划和设计过程三个状态的输出各不相同，已不可化简，需要用两个触发器，选用双JK触发器74X112。然后进行状态分配，S0=00、S1=01、S2=10，设无关项为S3=11，并规定在任何输入下其输出全为0并且次状态为S0。由此得驱动函数和输出函数真值表如表所示。Q1nQ0nX1X2Q1n+1Q0n+1J1K1J0K0Y0Y1Y2000×010×1×00010000×0×11101×0×01××010××010110××10×00×01111××00×1×1000nnnnnnQQYYYQQYQQY01102011010可写出各输出表达式四、选手抢答器功能规划和电路设计2.选手抢答器的状态规划和设计过程输入封锁信号X2为0时起封锁作用，其他选手抢答器中任一个输出封锁信号为1时，X2都应为0，故可用或非门实现。nnnnQKQXJQKXXQJ10110012101各驱动信号表达式四、选手抢答器功能规划和电路设计3.电路设计根据上述分析所设计的电路原理图如图所示。五、计分器功能和电路设计1.计分器应具备基本功能（1）计数范围为000~990，以10为最小计数单位；（2）采用三位七段显示数码管显示计分值；（3）可用预置脉冲将计数值预置成100分；（4）具有“计分允许”信号输入端，该信号有效时方可对本计分器进行加分或减分操作；（5）具有“加10分”脉冲信号和“减10分”脉冲信号输入端。五、计分器功能和电路设计2.电路设计选用74X192构成计分器电路如图所示。六、整体连接和调试在Multisim环境下将主持人控制台、三路选手抢答器、三路计分器互相正确连接，加入必要的外部元件，如开关、红绿灯、蜂鸣器、数码管等，基本完成了抢答器系统的设计，然后便可接通电源进行仿真调试。仿真时应按照设计要求逐项进行测试，看所设计的电路是否完全具备设计要求的所有功能。通常一次取得完全成功的可能性不大，这时需要将原设计作某些调整或改变，直到设计电路完全满足设计要求。七、撰写报告电路调试成功后，按照设计报告的格式撰写实验报告，要求图文并茂，纸张大小选用A4纸。