北科大自动化数电大作业报告DOC文档格式.docx
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采用16进制计数器,能显示数字0-16,计数达到16后计数器自动清零。
3.击球情况控制计数器功能:
接球方只有当球到达最后一只发光二极管,即靠近本方的第一只管子点亮时,才可按动击球开关,将球击回。
提前击球或未接住球均判为失分,当未接住来球时,发光二极管熄灭,表示乒乓球出台,对方得分。
此时需要按规则重新发球,继续比赛。
一方击球后,双方可以较量多个回合,直到一方失误为止,此时,胜方记分牌自动加一分。
比赛进行到一方获得16分时,一局结束,记分牌全部清零。
二·
方案设计:
总体设计思路(含电路原理框图):
根据设计要求,该电路须设计3块电路完成球台驱动、控制和计分功能。
当裁判按下启动按钮时,游戏机电路开始运作。
系统以CP信号作为球台驱动电路和计数器计分的时钟信号,以12个二极管的依次被点亮代表球的移动位置,空格键控制发球信号;
选择开关S3(按键1)和S4(按键0)分别控制甲乙两人的击球信号。
电路设计总体原理图如下图1:
三·
个人承担的工作:
(一)球台电路设计
球台电路通过两个4位移位寄存器74LS194接成一个12位的移位寄存器。
具体接法为:
将第一片的左移串行输入端SL接到第二片的QA端,将第二片的右移串行输入端接到第一片的QD端。
再将第二片的左移串行输入端SL接到第三片的QA端,将第三片的右移串行输入端接到第二片的QD端,然后将第一片的B端置1,同时将剩余的其他几个置位输入端置0。
其功能表如下表1:
表一·
74LS194移位寄存器功能表
功能说明:
(1)当RD=0,其他输入端均为任意值,寄存器输出Q0、Q1、Q2、Q3均为0。
清除后,置RD=1。
此功能对应于裁判员对系统进行初始化。
(2)当RD=S1=S2=1时,送入任意的4位二进制数,当下一个上升沿到来时,将Q0、Q1、Q2、Q3置成相应的状态。
(3)当RD=1、S1=0、S0=1时,由右移输入端SR输入二进制码1000,通过时钟脉冲CP依次右移。
此功能对应于乒乓球右移。
(4)当RD=1、S1=1、S0=0时,由右移输入端SR输入二进制码0001,通过时钟脉冲CP依次左移。
此功能对应于乒乓球左移。
根据设计原理,使用multisim绘制并通过仿真的电路图如下:
图2球台电路电路图
(二)驱动控制电路设计
控制电路的理念就是:
通过人为的操作和电路当前的状态的共同作用,使电路按照预期的结果变化到下一个状态。
首先,要清楚人为的输入有哪些,我们需要利用的电路本身的状态有哪些,通过输入信号和从电路中引出的反馈信号,共同作用于当前电路。
1.裁判控制:
当裁判开关关闭时,电路锁定,并使相关元件清零。
当裁判开关打开时,球由甲方向乙方移动,电路进入工作状态。
2.球的往返移动的控制:
移位寄存器的12个输出中只有一个是1,对应的正在发光的二极管表示球的位置,其它输出均为0。
当“1”由Q1运动到Q10的时候,Q10输出为1,同时选手击球,球反向。
当输出Q1和开关S3同时为1,或者输出Q10和开关S4同时为1时,控制移位寄存器的信号S0,S1在(0,1)和(1,0)之间反转。
难点一:
由于击球时产生的高电位是顺时脉冲,要使移位寄存器持续右移,需要S0电位始终为高电位。
所以利用JK触发器,J=K=1,当有一个击球脉冲时,JK触发器反转,可使S0=Q和S1=Q’保持应有的高低电位不变。
3.甲乙分数控制:
己方得分有两种情况,一是对方击球过早,二是对方错过击球时机。
对方击球过早:
当Q10不是1的时候,S4输出高电位,则己方得一分。
对方错过击球时机:
Q11输出为1的时候,己方得一分。
如果甲方击球过早,球依旧继续移动,无法及时显示出甲的错误时间,所以当有某一方击球过早时,令S0=S1=0,移位寄存器停止移位,发光二级管静止,此时裁判重新发球。
难点二:
如何在某方击球过早时,使电路静止。
再次利用JK触发器,裁判开关每闭合一次,使JK触发器清零一次,Q’=1,当过早击球脉冲产生时,Q’=0,通过“与门”使S0和S1的输入关闭,均保持零,电路静止。
4.综合:
要实现以上的控制,需要的输入信号有:
电源开关(按键=Q),裁判开关(按键=空格),选手击球开关S3,S4,移位寄存器输出Q0,Q1,Q10,Q11,等四个开关,四个反馈,共8个输入。
需要的输出信号有:
控制移位方向的S0,S1,JK触发器的清零端,两个计分加法器的输入端,等5个输出。
可以对每个输出都列出真值表,卡诺图进行化简,这样就能实现对整个电路的控制。
但是该方法有明显的局限性:
一是,化简的结果只能用“与或非”三种基本门电路的组合表示,该方法更适合组合逻辑电路,往往可以得到最简的电路图。
但是对时序逻辑电路,由于存在JK触发器,储能元件,不仅分析起来麻烦,而且恰当的使用触发器等,有时候会得到更简单,更有效的电路图。
二是,对于本设计,有8个输入,卡诺图是画不出来的。
对于较复杂的电路,该方法不适用。
三是,也是最致命的缺点,电路图的设计往往不是一次完成的,需要反复的修改,调试,再设计。
用真值表化简出的表达式虽然简单,可是失去了输入信息的原始组合意义,就是说虽然输入输出间的电路功能实现了,但是电路内部单个“与或非门”元件的实际意义会有一定程度的丢失。
一旦功能错误,不知从何修改,只能重头再来。
如果后期需要对电路做适当的改进,就无法直接对内部线路和元件进行增删,因为线路和元件并不代表真实的信息关系。
需要对新的真值表,卡诺图进行化简,反而会加大工作量。
所以,我用的方法是:
像搭积木一样,一步一步的,先把简单的框架实现了,再对细节问题进行改进,优化。
因为没有对电路做任何化简,每条导线上的电位都与某个实际的信息对应,每个门电路都代表输入信息与输出信息的真实关系。
对电路中导线和元件的改动,就等价于对相应的现实信息的直接操作。
实现了电路中电流与实际的信息流的完整完整模拟。
这种方法有一定的优点,对关键的元件添加标签,还可以方便对电路的记忆和修改。
这样的设计方法开始的时候不熟悉,但时间久了,能加深对元件功能的了解和掌握,对设计出的电路的工作原理也能有很清晰的理解。
缺点也是显而易见的,因为设计过程没有一定的章法,设计结果受设计者主观因素影响大。
图3控制电路电路图
(三)计分电路设计
本电路主要由两片74LS160十进制计数器、一个7409与非门构成。
计数器74LS160的真值表如下:
74LS160是10进制计数器,要做成16进制计数器,先要做一个比16大的计时器。
这里用两片74LS160级联成一个100进制计数器,再通过置0法实现16进制计数。
由计数器74LS160的功能表可知,当~RD=~LD=EP=ET=1时工作状态为计数,此时~CLR=~LOAD=ENT=ENP=1。
选用ENP、ENT作为74LS160的计数控制端,当ENT=ENP=1时计数,当ENT=ENP=0时计分电路处于保持状态。
RCO为进位输出端,即当选手计满16分时给出报警信号。
计分电路图如下:
图4计分电路电路图
(四)总体电路的设计
根据上述三个模块电路,将它们按一定的次序进行组合并通过仿真,即可得到下面的总电路:
图5整体电路图
四·
总结:
一.电路设计中发现的问题?
如何解决问题的?
学到的知识或参考文献,对本设计及本课程的建议等
问题一:
如何实现选手击球的冲击脉冲对电路产生持续的控制?
通过JK触发器,可以讲单个脉冲信号变成持续的阶跃信号。
问题二:
甲乙在比赛过程中,难免会有一些误操作,如何排除非正常击球对计分的影响?
1.只有当球向甲运动时(即S1=1),甲的击球有效,通过与门使S1和S3同时为1,甲的击球信息有效。
2.当球向乙运动时,甲的击球开关被关闭,对电路不产生任何作用。
3.当甲过早击球时,电路冻结,此时不论甲乙是否再次击球,电路均不做任何变化。
4.当甲错过击球时机,球已经出界。
移位寄存器中数据全部为零,不论甲乙是否再次击球,都不会有发光二极管再次点亮。
问题三:
电路优化前,当甲击球太晚,会因为球出界和甲错过击球时机,而使乙因此得到2分。
如果能使裁判每开始一局,有且只有一个人会得到1分,就能使电路更稳定。
依旧使用JK触发器,J=1,K=0,裁判发球后,JK触发器清零,Q’=1,当一方得分时,有一个脉冲信号,使Q’=0,并以此关闭另一方的计分电路。
即使再次输入得分信号,因为J=1保持不变,不会使计分的累加器加1,这样就实现了每局比赛有且只有一人得分,且只能得一分。
问题四:
为什么有时候电路反应迟钝?
甚至会有错误?
本设计中的计数器和JK触发器都是时钟信号下降沿触发的。
为了使电路及时做出反应,应该利用非门,使“010”脉冲信号变成“101”脉冲信号,这样就能直接接收到下降脉冲,而不是等脉冲上升以后再降下来。
问题五:
如何实现不同优先级的信号的控制?
对优先级最高的信号,可以在它的输出端和其它低优先级的信号之间接一个与门,只要它是0,其它低优先级的信号就不会产生作用。
问题六:
当电路的运行有错的时候,如何对电路进行调试?
从输入到输出,信号会经过多个元件,利用示波器仪表,从最先经过的元件输出端开始观察,看其能否跟随输入做应有的变化,如果可以,再对下一级输出进行测试。
如果该层级的输出与理想不符,则问题首先出现在当前被测试的元件上。
二.经验:
1.有些集成元件在使用的时候,不能有输入端悬空,对于无用的输入端,根据需要接0或1,否则该集成元件会无法正常工作。
但是输出端可以闲置悬空。
2.有时候发光二极管在合适的电压电流下才能正常发光。
需要串联电阻。
有更简单的方法是,修改二极管的正常发光电流,5V电压源的数字电路里,将5mA的电流改为20mA即可。
使电路看起来更简洁。
3.元件的输入端可以用一根导线连接,但输出端绝对不能直接连在一根导线上,否则电路会报错。
因为两个输出,如果一高一低的话,是不能作用在导线上的。
要通过或门使其产生共同作用。
4.对于常用的元件,可以放在图纸边缘,用的时候复制粘贴比较方便。
不用总去元件库中找。
三.不足之处:
1.每次发球由裁判控制,且只能是甲发给乙,不符合常理,有违公平性的原则。
有待进一步改进。
2.由于元件过多,电路传输有延迟效应,有时候过早击球,不会使电路冻结。
发生这种情况的概率约为5%。
但分数记录等其它功能不受任何影响。
附·
感悟:
通过实验,我提高了逻辑思维能力,使我们在逻辑电路的分析与设计上有了很大的进步。
加深了我们对组合逻辑电路与时序逻辑电路的认识,进一步增进了对一些常见逻辑器件的了解。
我们通过讨论共同研究,解决了很多关于数字电路方面的难题,锻炼了团队合作能力,增进队友间感情,也对自己的能力有了更深的认识。
看到题目时就觉得不简单,等真正开始做的时候,才体会到比想象中的更难。
但是有队友的相互帮助,以及大家的共同努力,最终克服了各种困难,完成了任务。
增强了对知识的感悟和应用能力,加深了对设计过程和设计方法的体会和了解。
在整个过程中也收获了很多快乐!
团队合作的优势不仅仅是人多力量大,合作能给每一个成员更大的责任感。
不能让其他队员的辛苦白费,所以自己的任务一定要完成。
看到队友投入
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