2013北科大自動化數(shù)電大作業(yè)報告DOC

1、設(shè)計題目：兩人乒乓游戲機(jī) ,組長： 同組成員：說明：百分比為每位同學(xué)對設(shè)計的貢獻(xiàn)部分，總和應(yīng)為 100%功能描述：本次我們小組的數(shù)電課程設(shè)計是一臺兩人乒乓游戲機(jī)， 該游戲機(jī)模擬乒乓球 比賽過程，主要實(shí)現(xiàn)按比賽規(guī)則自動裁判和計分。 （對電路功能有部分改動）1. 乒乓球基本左右移動功能： 共有 12 只發(fā)光二級管，兩端的兩只用來為電路提供反饋信息（實(shí)際情況是看不到的）。用1 0只發(fā)光二極管代表球臺。裁判按動發(fā)球開關(guān)， 送出一個單脈沖信號， 靠近該方的第一個發(fā)光二極管點(diǎn)亮， 然后 按一定的速度向?qū)Ψ揭苿?，要求移動速?0.1到 0.5 s2. 基本計數(shù)功能： 采用 16進(jìn)制計數(shù)器，能顯示數(shù)字 0-1

2、6，計數(shù)達(dá)到 16 后計 數(shù)器自動清零。3. 擊球情況控制計數(shù)器功能： 接球方只有當(dāng)球到達(dá)最后一只發(fā)光二極管，即 靠近本方的第一只管子點(diǎn)亮?xí)r， 才可按動擊球開關(guān)， 將球擊回。 提前擊球或未接 住球均判為失分，當(dāng)未接住來球時，發(fā)光二極管熄滅，表示乒乓球出臺，對方得 分。此時需要按規(guī)則重新發(fā)球， 繼續(xù)比賽。一方擊球后， 雙方可以較量多個回合，直到一方失誤為止，此時，勝方記分牌自動加一分。比賽進(jìn)行到一方獲得 16分時，一局結(jié)束，記分牌全部清零。方案設(shè)計：總體設(shè)計思路（含電路原理框圖）根據(jù)設(shè)計要求， 該電路須設(shè)計 3塊電路完成球臺驅(qū)動、 控制和計分功能。 當(dāng) 裁判按下啟動按鈕時，游戲機(jī)電路開始運(yùn)作。系

3、統(tǒng)以 CP 信號作為球臺驅(qū)動電路 和計數(shù)器計分的時鐘信號，以 12 個二極管的依次被點(diǎn)亮代表球的移動位置，空 格鍵控制發(fā)球信號；選擇開關(guān)S3 （按鍵1）和S4 （按鍵0）分別控制甲乙兩人的擊球信號。電 路設(shè)計總體原理圖如下圖 1：圉1乒乓球比務(wù)榊戲機(jī)的原理框國.三個人承擔(dān)的工作:(一) 球臺電路設(shè)計球臺電路通過兩個4位移位寄存器74LS194接成一個12位的移位寄存器。具體接法為：將第一片的左移串行輸入端 SL接到第二片的QA端，將第二片的右移串行輸入端接到第一片的 QD端。再將第二片的左移串行輸入端 SL接到第三片的QA端，將第三片的右移串行輸入端接到第二片的 QD端，然后將第一片的B端置1

4、,同時將剩余的其他幾個置位輸入端置0。其功能表如下表1:Si)SSqL作狀恵0XX1仔保持101101岸齊輸入表一-74LS194移位寄存器功能表功能說明:(1)當(dāng)RD =0，其他輸入端均為任意值，寄存器輸出 Q0、Q1、Q2、Q3均為0。清除后，置RD =1。此功能對應(yīng)于裁判員對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。(2)當(dāng)RD =S1=S2=1時，送入任意的4位二進(jìn)制數(shù)，當(dāng)下一個上升沿到來時,將Q0、Q1、Q2、Q3置成相應(yīng)的狀態(tài)。(3)當(dāng)RD =1、S1=0、S0=1時，由右移輸入端SR輸入二進(jìn)制碼1000,通過時鐘脈沖CP依次右移。此功能對應(yīng)于乒乓球右移。(4)當(dāng)RD =1、S1=1、S0=0時，由右移輸入

5、端SR輸入二進(jìn)制碼0001，通過時鐘脈沖CP依次左移。此功能對應(yīng)于乒乓球左移。根據(jù)設(shè)計原理，使用multisim繪制并通過仿真的電路圖如下:1 LE080：.LE02_ - -LEDlLeiwL£D5LED6L -氏FLED7LEMLEDietEQ11LED12LED1k :吐玉氓母星媛" I ' I ' I .T . 2k .I>H1 >R2tR4:：<330£1?3300 ：?33<lQ?33fflQ5 e r a »麗!R6 - kRTi麗1t>' IT 1Z ->H10 l>R1t

6、 >R12:関on ：e330C ：?33(1Q .侍.2021；33fflQ33OO ：>334JQ >3500 -13 '-I -U274LS1M>.-/JXsWHz-ifrcJ15pato -:晦壬1_vcc lOU圖2球臺電路電路圖（二）驅(qū)動控制電路設(shè)計控制電路的理念就是：通過人為的操作和電路當(dāng)前的狀態(tài)的共同作用,使電路按照預(yù)期的結(jié)果變化到下一個狀態(tài)。首先，要清楚人為的輸入有哪些，我們需要利用的電路本身的狀態(tài)有哪些，通過輸入信號和從電路中引出的反饋信號，共同作用于當(dāng)前電路。1.裁判控制：當(dāng)裁判開關(guān)關(guān)閉時，電路鎖定，并使相關(guān)元件清零。當(dāng)裁判開關(guān)打開時，球由

7、甲方向乙方移動，電路進(jìn)入工作狀態(tài)。2. 球的往返移動的控制：移位寄存器的12個輸出中只有一個是1,對應(yīng)的正在發(fā)光的二極管表示球的位置，其它輸出均為0。當(dāng)“ T由Q1運(yùn)動到Q10的時候，Q10輸出為1，同時選手擊球，球反向。當(dāng)輸出 Q1和開關(guān)S3同時為1,或者輸出Q10和開關(guān)S4同時為1時，控制移位寄存器的信號 S0, S1在（0,1）和（1,0）之間反轉(zhuǎn)。難點(diǎn)一：由于擊球時產(chǎn)生的高電位是順時脈沖，要使移位寄存器持續(xù)右移, 需要S0電位始終為高電位。所以利用JK觸發(fā)器，J=K=1,當(dāng)有一個擊球脈沖時,JK觸發(fā)器反轉(zhuǎn)，可使S0=Q和S1=Q'保持應(yīng)有的高低電位不變。3. 甲乙分?jǐn)?shù)控制：己方

8、得分有兩種情況，一是對方擊球過早，二是對方錯過擊球時機(jī)。對方擊球過早：當(dāng)Q10不是1的時候，S4輸出高電位，則己方得一分。對方錯過擊球時機(jī)：Q11 輸出為 1 的時候，己方得一分。球依舊繼續(xù)移動， 無法及時顯示出甲的錯誤時間， 所以如果甲方擊球過早，當(dāng)有某一方擊球過早時，令SO=S1=O,移位寄存器停止移位，發(fā)光二級管靜止, 此時裁判重新發(fā)球。難點(diǎn)二：如何在某方擊球過早時，使電路靜止。再次利用JK觸發(fā)器，裁判開關(guān)每閉合一次，使JK觸發(fā)器清零一次，Q =1,當(dāng)過早擊球脈沖產(chǎn)生時，Q =0, 通過“與門”使SO和S1的輸入關(guān)閉，均保持零，電路靜止。4. 綜合：要實(shí)現(xiàn)以上的控制，需要的輸入信號有：電

9、源開關(guān)（按鍵=Q），裁判開關(guān)（按鍵二空格），選手擊球開關(guān)S3, S4,移位寄存器輸出QQ Q1, Q1Q Q11,等四個開關(guān)，四個反饋，共 8 個輸入。需要的輸出信號有：控制移位方向的 SO, S1, JK觸發(fā)器的清零端，兩個計 分加法器的輸入端，等 5 個輸出?？梢詫γ總€輸出都列出真值表，卡諾圖進(jìn)行化簡，這樣就能實(shí)現(xiàn)對整個電路 的控制。但是該方法有明顯的局限性：一是，化簡的結(jié)果只能用“與或非”三種 基本門電路的組合表示， 該方法更適合組合邏輯電路， 往往可以得到最簡的電路 圖。但是對時序邏輯電路，由于存在 JK 觸發(fā)器，儲能元件，不僅分析起來麻煩， 而且恰當(dāng)?shù)氖褂糜|發(fā)器等，有時候會得到更簡單

10、，更有效的電路圖。二是，對于 本設(shè)計，有 8 個輸入，卡諾圖是畫不出來的。 對于較復(fù)雜的電路， 該方法不適用。 三是，也是最致命的缺點(diǎn)， 電路圖的設(shè)計往往不是一次完成的， 需要反復(fù)的修改， 調(diào)試，再設(shè)計。 用真值表化簡出的表達(dá)式雖然簡單， 可是失去了輸入信息的原始組合意義， 就是說雖然輸入輸出間的電路功能實(shí)現(xiàn)了， 但是電路內(nèi)部單個 “與或 非門”元件的實(shí)際意義會有一定程度的丟失。一旦功能錯誤，不知從何修改，只 能重頭再來。 如果后期需要對電路做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)， 就無法直接對內(nèi)部線路和元件 進(jìn)行增刪， 因為線路和元件并不代表真實(shí)的信息關(guān)系。 需要對新的真值表， 卡諾 圖進(jìn)行化簡，反而會加大工作量。所

11、以，我用的方法是： 像搭積木一樣， 一步一步的， 先把簡單的框架實(shí)現(xiàn)了， 再對細(xì)節(jié)問題進(jìn)行改進(jìn)， 優(yōu)化。因為沒有對電路做任何化簡， 每條導(dǎo)線上的電位都與某個實(shí)際的信息對應(yīng)，每個門電路都代表輸入信息與輸出信息的真實(shí)關(guān)系。 對電路中導(dǎo)線和元件的改動，就等價于對相應(yīng)的現(xiàn)實(shí)信息的直接操作。 實(shí)現(xiàn)了電 路中電流與實(shí)際的信息流的完整完整模擬。這種方法有一定的優(yōu)點(diǎn)，對關(guān)鍵的元件添加標(biāo)簽，還可以方便對電路的記憶和修改。這樣的設(shè)計方法開始的時候不熟悉， 但時間久了，能加深對元件功能的 了解和掌握，對設(shè)計出的電路的工作原理也能有很清晰的理解。 缺點(diǎn)也是顯而易見的，因為設(shè)計過程沒有一定的章法，設(shè)計結(jié)果受設(shè)計者主觀因

12、素影響大。圖3控制電路電路圖（三）計分電路設(shè)計本電路主要由兩片74LS160十進(jìn)制計數(shù)器、一個7409與非門構(gòu)成。計數(shù)器74LS160的真值表如下:L/)EP1】作狀態(tài)ETX0XXX世零_rL10XX預(yù)置數(shù)X110 1保持X1JX 0保持 CI1C=O)jrr111 1計數(shù)74LS160是10進(jìn)制計數(shù)器，要做成16進(jìn)制計數(shù)器，先要做一個比16大的計時器。這里用兩片74LS160級聯(lián)成一個100進(jìn)制計數(shù)器，再通過置 0法實(shí)現(xiàn)16進(jìn)制計數(shù)。 由計數(shù)器74LS160的功能表可知，當(dāng)RD=LD=EP=ET=1時工 作狀態(tài)為計數(shù)，此時CLR=LOAD=ENT=ENP=1。選用ENP、ENT作為74LS1

13、60 的計數(shù)控制端，當(dāng)ENT=ENP=1時計數(shù)，當(dāng)ENT=ENP=0時計分電路處于保持狀 態(tài)。RCO為進(jìn)位輸出端，即當(dāng)選手計滿16分時給出報警信號。 計分電路圖如 下:12DCD HEX DIG :GR-二E5C DIG GREER :AECDEVP - - BCD -EKTLOAD -eta-UB眾 8.8.3- b- - 74LS1OHMSGOD圖4計分電路電路圖（四）總體電路的設(shè)計根據(jù)上述三個模塊電路，將它們按一定的次序進(jìn)行組合并通過仿真， 即可得到下面的總電路:四總結(jié):電路設(shè)計中發(fā)現(xiàn)的問題？圖 5 整體電路圖如何解決問題的？ 學(xué)到的知識或參考文獻(xiàn)， 對本設(shè)計及本課程的建議等 問題一:如

14、何實(shí)現(xiàn)選手擊球的沖擊脈沖對電路產(chǎn)生持續(xù)的控制通過JK觸發(fā)器，可以講單個脈沖信號變成持續(xù)的階躍信號。問題二: 甲乙在比賽過程中，難免會有一些誤操作，如何排除非正常擊球?qū)τ嫹值挠绊懀?. 只有當(dāng)球向甲運(yùn)動時（即S1=1）,甲的擊球有效，通過與門使 S1和S3同 時為 1，甲的擊球信息有效。2. 當(dāng)球向乙運(yùn)動時，甲的擊球開關(guān)被關(guān)閉，對電路不產(chǎn)生任何作用。3. 當(dāng)甲過早擊球時，電路凍結(jié)，此時不論甲乙是否再次擊球，電路均不做任何變化。4.當(dāng)甲錯過擊球時機(jī)，球已經(jīng)出界。移位寄存器中數(shù)據(jù)全部為零，不論甲乙是否再次擊球，都不會有發(fā)光二極管再次點(diǎn)亮。問題三:電路優(yōu)化前，當(dāng)甲擊球太晚，會因為球出界和甲錯過擊球時機(jī)

15、，而使乙因此得到 2 分。如果能使裁判每開始一局， 有且只有一個人會得到 1 分，就能使電路 更穩(wěn)定。依舊使用JK觸發(fā)器，J=1, K=0，裁判發(fā)球后，JK觸發(fā)器清零，Q'1,當(dāng)一方得分時，有一個脈沖信號，使 Q'=0,并以此關(guān)閉另一方的計分電路。即使再次輸入得分信號，因為 J=1 保持不變，不會使計分的累加器加 1，這樣就實(shí)現(xiàn)了 每局比賽有且只有一人得分，且只能得一分。問題四:為什么有時候電路反應(yīng)遲鈍？甚至?xí)绣e誤？本設(shè)計中的計數(shù)器和 JK 觸發(fā)器都是時鐘信號下降沿觸發(fā)的。為了使電路及 時做出反應(yīng)，應(yīng)該利用非門，使“ 010”脈沖信號變成“ 101”脈沖信號，這樣就 能直接接

16、收到下降脈沖，而不是等脈沖上升以后再降下來。問題五：如何實(shí)現(xiàn)不同優(yōu)先級的信號的控制？對優(yōu)先級最高的信號， 可以在它的輸出端和其它低優(yōu)先級的信號之間接一個 與門，只要它是 0，其它低優(yōu)先級的信號就不會產(chǎn)生作用。問題六：當(dāng)電路的運(yùn)行有錯的時候，如何對電路進(jìn)行調(diào)試？從輸入到輸出，信號會經(jīng)過多個元件，利用示波器儀表，從最先經(jīng)過的元件 輸出端開始觀察， 看其能否跟隨輸入做應(yīng)有的變化， 如果可以， 再對下一級輸出 進(jìn)行測試。 如果該層級的輸出與理想不符， 則問題首先出現(xiàn)在當(dāng)前被測試的元件 上。經(jīng)驗：1. 有些集成元件在使用的時候，不能有輸入端懸空，對于無用的輸入端，根據(jù)需要接 0或 1，否則該集成元件會無

17、法正常工作。 但是輸出端可以閑 置懸空。2. 有時候發(fā)光二極管在合適的電壓電流下才能正常發(fā)光。需要串聯(lián)電阻。有更簡單的方法是，修改二極管的正常發(fā)光電流， 5V 電壓源的數(shù)字電路 里，將 5mA 的電流改為 20mA 即可。使電路看起來更簡潔。3. 元件的輸入端可以用一根導(dǎo)線連接，但輸出端絕對不能直接連在一根導(dǎo)線上，否則電路會報錯。因為兩個輸出，如果低的話，是不能作用在導(dǎo)線上的。要通過或門使其產(chǎn)生共同作用。4. 對于常用的元件，可以放在圖紙邊緣，用的時候復(fù)制粘貼比較方便。不用總?cè)ピ熘姓?。不足之處?.每次發(fā)球由裁判控制，且只能是甲發(fā)給乙，不符合常理，有違公平性的原有待進(jìn)一步改進(jìn)。2.由于元件

18、過多， 電路傳輸有延遲效應(yīng)， 有時候過早擊球， 不會使電路凍結(jié)。 發(fā)生這種情況的概率約為 5%。但分?jǐn)?shù)記錄等其它功能不受任何影響。附感悟通過實(shí)驗，我提高了邏輯思維能力，使我們在邏輯電路的分析與設(shè)計上有了很大的進(jìn)步。加深了我們對組合邏輯電路與時序邏輯電路的認(rèn)識，進(jìn)一步增進(jìn)了解決了很多關(guān)于數(shù)字電路也對自己的能力有了更深對一些常見邏輯器件的了解。我們通過討論共同研究,方面的難題，鍛煉了團(tuán)隊合作能力，增進(jìn)隊友間感情,的認(rèn)識。看到題目時就覺得不簡單，等真正開始做的時候,才體會到比想象中的更難。但是有隊友的相互幫助，以及大家的共同努力，最終克服了各種困難，完成了任 務(wù)。增強(qiáng)了對知識的感悟和應(yīng)用能力，加深了對設(shè)計過程和設(shè)計方法的體會和了 解。在整個過程中也收獲了很多快樂！團(tuán)隊合作的優(yōu)勢不僅僅是人多力量大，合 作能給每一個成員更大的責(zé)任感。 不能讓其他隊員的辛苦白費(fèi)，所以自己的任務(wù) 一定要完成。看到隊友投入那么多，做的那么好，我們對自己負(fù)責(zé)的