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三路智力競賽搶答器的設(shè)計孫淑艷2015-01-04一、數(shù)字系統(tǒng)的基本概念

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)中介紹的編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、加法器、計數(shù)器、寄存器等電路,都只能實現(xiàn)某種單一的特定的功能,因此稱為功能部件級電路。由若干這樣的數(shù)字電路和邏輯部件構(gòu)成的,按一定順序處理和傳輸數(shù)字信號的設(shè)備,稱為數(shù)字系統(tǒng)。

數(shù)字系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可以劃分為數(shù)據(jù)處理單元和控制單元兩部分,如圖所示。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計1、整體規(guī)劃:

從要求出發(fā),將整體設(shè)計分解為多個小模塊或者多個步驟。2、具體設(shè)計:

根據(jù)不同小模塊或不同步驟的功能查找可用器件,并輔以外圍電路將功能實現(xiàn)。3、調(diào)試整合:

將小模塊進行組合或者將不同步驟按順序依次實現(xiàn)。4、撰寫報告:設(shè)計報告是學(xué)生對課程設(shè)計全過程的系統(tǒng)總結(jié)。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計二、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟三、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的一般方法

數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法有兩種,即自上而下的設(shè)計方法和自下而上的設(shè)計方法。現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計常采用自上而下的設(shè)計方法。

自上而下的設(shè)計方法是針對數(shù)字系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)的特點,將系統(tǒng)的設(shè)計分層次、分模塊進行。通常將整個系統(tǒng)從邏輯上劃分成控制單元和數(shù)據(jù)處理單元兩大部分。如果控制單元和處理單元仍比較復(fù)雜,可以在控制單元和處理單元內(nèi)部多重地進行邏輯劃分,分解成幾個子模塊進行邏輯設(shè)計,最后得到所要求的數(shù)字系統(tǒng)。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)—子系統(tǒng)—功能模塊—單元電路—元器件—印制版圖三、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的一般方法自上而下的設(shè)計方法一般要遵循下列幾個步驟:

1.明確所要設(shè)計系統(tǒng)的功能,進行邏輯抽象。設(shè)計題目通常是比較簡單的文字?jǐn)⑹觯瑳]有細節(jié)說明,設(shè)計者必須對題目消化、理解,逐步明確并抽象出系統(tǒng)要完成的邏輯功能。

2.確定實現(xiàn)系統(tǒng)功能的總體方案,畫出系統(tǒng)方框圖。將系統(tǒng)要實現(xiàn)的復(fù)雜功能進行分解,分成若干子功能模塊,并確定各功能模塊的操作順序和相互聯(lián)系,畫出系統(tǒng)的方框圖。

3.設(shè)計數(shù)據(jù)處理單元。明確數(shù)據(jù)處理單元的基本運算和操作,它們可以是算術(shù)和邏輯運算、數(shù)據(jù)的存儲、變換和傳送等。選用通用集成電路芯片實現(xiàn)其功能。

4.設(shè)計控制單元。根據(jù)數(shù)據(jù)處理單元進行的操作及操作順序,確定控制單元的邏輯功能。在絕大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)中,控制單元是同步時序電路。

數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例--三路智力競賽搶答器的設(shè)計一、系統(tǒng)的功能

智力競賽搶答器系統(tǒng)要完成的邏輯功能如下:

第一步:主持人預(yù)置每組100分。

第二步:主持人按“準(zhǔn)備搶答”按鈕,宣布準(zhǔn)備搶答并述題。

第三步:判斷有無違章提前搶答者。如果有違章提前搶答者(選手搶答臺紅燈亮并發(fā)出聲音),則宣布本題失敗并做違章處理(如減分或口頭警告),然后返回第二步。如果沒有違章提前搶答者,則進行第四步。

第四步:主持人按“開始搶答”按鈕,宣布開始搶答。

第五步:選手按自己的選手搶答臺上所設(shè)的“搶答”按鈕搶答。搶到答題權(quán)的選手搶答臺上所設(shè)的綠燈發(fā)亮并發(fā)出聲音,經(jīng)主持人允許后答題。

第六步:若選手答題正確,主持人宣布選手得分,并按“加10分”按鈕給選手加10分或者按“減10分”按鈕給選手減10分。

第七步:轉(zhuǎn)入第二步進行下一題,或宣布搶答活動結(jié)束。

三路智力競賽搶答器的設(shè)計

主持人選手得分二、確定系統(tǒng)的組成

整個系統(tǒng)應(yīng)包括主持人控制臺、選手搶答臺、選手計分器三部分。

主持人通過主持人控制臺上所設(shè)按鈕向選手搶答臺和選手計分器發(fā)送“預(yù)置分值”、“準(zhǔn)備搶答”、“開始搶答”、“加分”、“減分”等信號;

搶答選手通過選手搶答臺上所設(shè)按鈕發(fā)送“搶答”信號并封鎖競爭對手的搶答器,同時向自己的計分器發(fā)出“計分允許”信號。

三路智力競賽搶答器的設(shè)計

三、主持人控制臺功能規(guī)劃和電路設(shè)計1.功能規(guī)劃(1)主持人控制臺狀態(tài)和所需器件

主持人控制臺只有“準(zhǔn)備搶答”

S0和“開始搶答”S1兩個狀態(tài),故只需一個觸發(fā)器FF0;此外需要設(shè)置“預(yù)置100分”按鈕(L)、“準(zhǔn)備搶答”按鈕(R)、“開始搶答”按鈕(S)、“加10分”按鈕(U)、“減10分”按鈕(D),可用開關(guān)實現(xiàn)。(2)按鈕功能規(guī)定和信號形式L:同時將三個選手的計分器置成100分,選用帶低電平有效預(yù)置端的計數(shù)器構(gòu)成計分器,故信號形式為負(fù)脈沖。R:將本臺狀態(tài)觸發(fā)器FF0復(fù)位到S0狀態(tài),同時將三個選手搶答臺置于初始狀態(tài),信號形式為負(fù)脈沖。S:將本臺狀態(tài)觸發(fā)器FF0置位到S1狀態(tài),再由FF0向三個選手搶答臺輸出搶答允許信號,信號形式為負(fù)脈沖。U:給競答選手加10分,信號形式為正脈沖。D:給競答選手減10分,信號形式為正脈沖。

三路智力競賽搶答器的設(shè)計LRSUD2.電路設(shè)計

在Multisim平臺中畫出電路原理圖,F(xiàn)F0選用帶低電平預(yù)置和清零的D觸發(fā)器,將D端和CP端接地,構(gòu)成R-S觸發(fā)器。按鈕可以用單刀雙擲開關(guān)實現(xiàn),每次操作必須連按兩次才可模仿一個按鈕。由于FF0在上電仿真時會自動進入置位狀態(tài)S1,故在電路中加入0.1秒的延遲開關(guān)或延遲繼電器使FF0上電復(fù)位。

三路智力競賽搶答器的設(shè)計

三、主持人控制臺功能規(guī)劃和電路設(shè)計四、選手搶答器功能規(guī)劃和電路設(shè)計1.選手搶答器的輸入和輸出信號及其含意(1)選手搶答器輸入信號應(yīng)包括:①主持人控制臺送來的“準(zhǔn)備搶答”信號,將選手搶答器復(fù)位到初始狀態(tài),設(shè)為X0

,0有效;②主持人控制臺送來的“開始搶答”信號,允許競答選手按搶答按鈕,設(shè)為X1,1有效;

③其它選手搶答器送來的“封鎖”信號,使本選手不能搶答,設(shè)其組合后為X2,0封鎖;④競答選手按“搶答”按鈕形成搶答信號,在電路中作為時鐘信號CP,設(shè)為X3,負(fù)脈沖。(2)選手搶答器輸出信號應(yīng)包括:①“違章?lián)尨稹毙盘?,用于點亮紅燈并使蜂鳴器發(fā)聲,設(shè)為Y0,1有效;②“搶答有效”信號,用于點亮綠燈,設(shè)為Y1,1有效;③“計分允許”信號,使主持人能對本選手加分或減分,設(shè)為Y2,1有效;④“輸出封鎖”信號,使其他競答選手按搶答按鈕無效,設(shè)為Y3,1有效。

三路智力競賽搶答器的設(shè)計

XXXX四、選手搶答器功能規(guī)劃和電路設(shè)計2.選手搶答器的狀態(tài)規(guī)劃和設(shè)計過程

選手搶答器應(yīng)至少具有三個狀態(tài),一為初始狀態(tài)S0,二為違章?lián)尨鸷鬆顟B(tài)S1,三為有效搶答后狀態(tài)S2。根據(jù)題意可畫出原始狀態(tài)圖和原始狀態(tài)表。

三路智力競賽搶答器的設(shè)計

Si/Y0Y1Y2Y3X1X2S0/00000XS1/1011S2/11100111Q1

nQ0

nX1X2Q1

n+1Q0n+1Y0Y1Y2Y3000×0100001000111001××01101110××100111

從原始狀態(tài)表可知,計分允許信號Y2和輸出封鎖信號Y3始終相同,可以合并Y2和Y3。四、選手搶答器功能規(guī)劃和電路設(shè)計2.選手搶答器的狀態(tài)規(guī)劃和設(shè)計過程

三個狀態(tài)的輸出各不相同,已不可化簡,需要用兩個觸發(fā)器,選用雙JK觸發(fā)器74X112。然后進行狀態(tài)分配,S0=00、S1=01、S2=10,設(shè)無關(guān)項為S3=11,并規(guī)定在任何輸入下其輸出全為0并且次狀態(tài)為S0。由此得驅(qū)動函數(shù)和輸出函數(shù)真值表如表所示。

三路智力競賽搶答器的設(shè)計

Q1

nQ0

nX1X2Q1

n+1Q0n+1J1K1J0K0Y0Y1Y2000×010×1×00010000×0×11101×0×01××010××010110××10×00×01111××00×1×1000可寫出各輸出表達式四、選手搶答器功能規(guī)劃和電路設(shè)計2.選手搶答器的狀態(tài)規(guī)劃和設(shè)計過程

三路智力競賽搶答器的設(shè)計

輸入封鎖信號X2為0時起封鎖作用,其他選手搶答器中任一個輸出封鎖信號為1時,X2都應(yīng)為0,故可用或非門實現(xiàn)。各驅(qū)動信號表達式四、選手搶答器功能規(guī)劃和電路設(shè)計3.電路設(shè)計

根據(jù)上述分析所設(shè)計的電路原理圖如圖所示。

三路智力競賽搶答器的設(shè)計

五、計分器功能和電路設(shè)計1.計分器應(yīng)具備基本功能

(1)計數(shù)范圍為000~990,以10為最小計數(shù)單位;(2)采用三位七段顯示數(shù)碼管顯示計分值;(3)可用預(yù)置脈沖將計數(shù)值預(yù)置成100分;(4)具有“計分允許”信號輸入端,該信號有效時方

可對本計分器進行加分或減分操作;(5)具有“加10分”脈沖信號和“減10分”脈沖信號

輸入端。三路智力競賽搶答器的設(shè)計

五、計分器功能和電路設(shè)計2.電路設(shè)計

選用74X192構(gòu)成計分器電路如圖所示。

三路智力競賽搶答器的設(shè)計

六、整體連接和調(diào)試

在Multisim環(huán)境下將主持人控制臺、三路選手搶答器、三路計分器互相正確連接,加入必要的外部元件,

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